Введение к работе
з
Актуальность работы. На современном этапе развития Забайкалья и Дальнего Востока совокупность геополитических и экономических причин определяет необходимость дальнейшего совершенствования транспортной системы региона Возможность формирования международных транспортных коридоров, доступ к уникальным природным ресурсам северных регионов - все это обусловливает повышенное внимание ведущих научных центров и отдельных ученых к вопросам проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна, преимущественно, в условиях вечной мерзлоты
При этом некоторые вопросы, связанные с обеспечением стабилизации земляного полотна при его усилении (реконструкции), а также строительстве новых линий и дополнительных главных путей, в том числе в связи с перспективой увеличения осевых и погонных нагрузок, а также обращением поездов увеличенной массы в северных регионах, остаются пока до конца не исследованными Эти вопросы влияют на сбалансированное развитие транспортной сети региона.
Актуальность проблемы обусловлена тем, что на значительном протяжении (более тысячи километров) существующих железных дорог Забайкалья, БАМ, эксплуатируемого участка Амуро-Якутской магистрали (АЯМ), расположенных на высокотемпературных вечномерзлых грунтах, проявляются часто неравномерные и недопустимые искажения продольного профиля и плана линии, негативно влияющие на безопасность и бесперебойность движения поездов
Земляное полотно железных дорог в южной зоне вечной мерзлоты в районах Забайкалья и Дальнего Востока подвержено деформациям, которые в значительной мере обусловлены оттаиванием фунтов оснований и их переувлажнением В настоящее время на Северном широтном ходу Дальневосточной железной дороги (ДВЖД) общая протяженность деформаций земляного полотна по данным АСУ ЗП составляет 964 км, из них 684,2 км подвержено осадкам, 79,1 км - пучинам, 69,7 км - обвалам, оползням и сплывам, 52,2 км - размывам Протяженность мест с недостаточной шириной земляного полотна по верху составляет 292 км (30,3 %) и с повышенной крутизной откосов - на 116,95 км (5,5 %) Большинство дефектов также являются следствием осадок Осадки на оттаивающих вечномерзлых грун
4 тах составляют 51,9 % общей протяженности осадочных мест ДВЖД На Забайкальской железной дороге (ЗАБЖД) деформациям земляного полотна подвержено 29,1 % ее протяженности Осадки составляют 85,1 км или 17,5 % от протяженности всех деформаций и дефектов, из них 49 осадочных мест на вечномерзлом основании общей протяженностью 14,3 км
Деформациям земляного полотна способствуют неисправности водоотводных сооружений и недостаточное количество (до 40 % от потребного) запроектированных и построенных малых водопропускных сооружений Более 500 км водоотводных сооружений на ЗАБЖД и более 2000 км на ДВЖД находятся в неисправном состоянии Количество ограничений скорости движения поездов на участках железных дорог в южной зоне вечной мерзлоты значительно больше среднедо-рожных и среднесетевых показателей
Для обеспечения прогнозируемого прироста объемов перевозок к 2010 г примерно на 50 % (главным образом, за счет экспорта нефти, угля, лесных грузов) потребуется реализация мероприятий по устранению и предупреждению деформаций земляного полотна в рассматриваемых условиях
Происходящие процессы и явления в оттаивающих вечномерзлых грунтах основания железных дорог остаются до настоящего времени недостаточно изученными, что негативно влияет на принимаемые проектные решения по усилению (реконструкции) земляного полотна эксплуатируемых линий, строительству вторых путей и новых линий Эти решения нуждаются также в дополнительном научном обосновании в связи с вводом прогрессивных технологий перевозок
Проектирование земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты должно осуществляться на основе исходных данных, результатов расчетов температурного режима и напряженно-деформированного состояния оттаивающих вечномерзлых грунтов, а также технико-экономического сравнения вариантов по приведенным затратам (капитальные вложения на усиление земляного полотна и эксплуатационные расходы).
Выбор вариантов проектирования необходимо производить с учетом основных закономерностей стабилизации геотехнической системы (ГТС) «земляное полотно-основание»
5 Данная работа посвящена проблеме совершенствования системы проектирования земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты для обеспечения его стабилизации и эксплуатационной надежности в условиях термодинамической нестабильности после его возведения с учетом изменений условий эксплуатации
Для совершенствования общепринятой системы проектирования разработаны методики, позволяющие осуществлять выбор вариантов проектирования на основе определения затрат на стабилизацию деформирующегося земляного полотна, обоснования конструктивно-технологических решений и их качественного и количественного контроля
Принципы обеспечения стабилизации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты, исследуемые в настоящей диссертационной работе, являются методологической концепцией, которая использует наиболее приемлемый функционально-системный подход, позволяющий дополнить существующую систему новыми элементами и методиками, а также логически придать проекту практическую направленность
Целью исследования является разработка методов проектирования земляного полотна на основе функционально-системного подхода к усилению (реконструкции) существующих линий и строительству новых линий, вторых путей в южной зоне вечной мерзлоты для снижения эксплуатационных расходов железных дорог и обеспечения рентабельности вводимых прогрессивных технологий перевозок, предусматривающих повышение осевых и погонных нагрузок, а также обращение поездов увеличенной массы, в районах Забайкалья и Дальнего Востока за счет стабилизации земляного полотна и основания из оттаивающих вечномерзлых грунтов
Для достижения поставленной цели в работе решается комплекс задач, включающий в себя-
комплексный анализ проблем строительства и эксплуатации геотехнических систем (ГТС) «земляное полотно-основание» в условиях южной зоны вечной мерзлоты,
исследование причин незатухающих деформаций в районах южной зоны вечной мерзлоты,
разработку методики учета теплового влияния противодеформационных конструктивно-технологических мероприятий при составлении проектов нового строительства и усиления (реконструкции) земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты (качественный анализ),
разработку методики количественной оценки деформативности ГТС на оттаивающих вечномерзлых грунтах с учетом перспективного увеличения осевых и погонных нагрузок, а также обращения поездов увеличенной массы (с помощью расчетов напряженно-деформированного состояния, НДС);
разработку методики прогноза и нового принципа диагностики земляного полотна,
дополнение информационной противодеформационной конструктивно-технологической базы новыми решениями и частными методиками, позволяющими осуществить наиболее прогрессивные проектные решения,
создание метода проектирования земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты, использующей функционально-системный подход на уровне реализации проектно-технологических решений (на конкретном примере)
Совокупность вышеуказанных задач позволяет разработать принципы обеспечения стабилизации объектов усиления (реконструкции) и строительства земляного полотна в районах южной зоны вечной мерзлоты
Для решения поставленных задач использовались методы исследования, связанные с проведением многолетних экспериментальных полевых, лабораторных и теоретических работ В работе использованы физические и математические методы моделирования, расчетно-теоретического анализа работы ГТС, синтеза накопленной совокупности научных знаний по теории и практике проектирования земляного полотна эксплуатируемых и строящихся транспортных объектов, математической статистики для обработки экспериментальных данных, экономической оценки эффективности вариантов проектных решений, системный метод и другие методы, прямо или косвенно влияющие на совершенствование системы проектирования земляного полотна с целью безопасного и бесперебойного функционирования железных дорог в регионах Забайкалья и Дальневосточного Севера.
Научная новизна работы состоит в постановке и решении в едином алгоритме комплекса задач для разработки проектов усиления (реконструкции) земляного полотна эксплуатируемых линий, строительства земляного полотна новых линий и дополнительных главных путей в условиях южной зоны вечной мерзлоты на основе функционально-системного подхода
В ходе исследований автором получен ряд новых результатов
выявлены причины незатухающих деформаций в районах вечной мерзлоты,
разработаны новые методика прогноза и принцип диагностики состояния фунтов,
предложены методики качественной и разработанной новой количественной оценки состояния ГТС в результате реализации проектно-технологических решений и вибродинамического воздействия подвижного состава,
разработаны новые методики рационального выбора конструктивно-технологических решений для стабилизации ГТС при проектировании земляного полотна новых и эксплуатируемых объектов с учетом установленных закономерностей,
предложены и реализованы новые многофункциональные противодеформаци-онные конструктивно-технологические мероприятия для стабилизации земляного полотна новых и эксплуатируемых линий;
усовершенствован метод проектирования земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты на основе выбора эффективных проектных решений и вариантов проектирования с использованием функционально-системного подхода
Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты составляют методологическую основу комплексной технологии высокоэффективного проектирования ГТС в южной зоне вечной мерзлоты с учетом перспективных условий эксплуатации железных дорог Протяженность железных дорог в этой зоне составляет более четверти их общей протяженности в рассматриваемом регионе Забайкалья и Дальнего Востока Разработанные методики, дополняющие и совершенствующие традиционные принципы обеспечения стабилизации, предназначены для использования при составлении проектов усиления (реконструкции) земляного полотна эксплуатируемых линий, а также строительства новых линий и дополнительных главных путей в рассматриваемом регионе, что способствует снижению капитальных затрат и эксплуатационных расходов
На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну диссертации
результаты комплексного анализа проблем эксплуатации геотехнической системы (ГТС) «земляное полотно-основание» в условиях вечной мерзлоты,
результаты исследования причин незатухающих деформаций в районах вечной мерзлоты,
методика учета теплового влияния различных конструктивно-технологических мероприятий на стабильность ГТС при их реконструкции и усилении,
методика количественной оценки работы элементов ГТС «земляное полотно -протаивающее вечномерзлое основание» под воздействием статических и вибродинамических нагрузок,
методики рационального выбора конструктивно-технологических решений для стабилизации ГТС при проектировании земляного полотна новых и эксплуатируемых объектов с учетом закономерности его стабилизации,
методики прогноза и типизации деформаций земляного полотна с учетом затрат при реализации противодеформационных мероприятий,
метод проектирования земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты на основе выбора эффективных проектных решений и вариантов проектирования с использованием функционально-системного подхода
Реализация и апробация работы. Вклад автора в исследование проблемы. Основные положения диссертации многократно докладывались и получили положительную оценку на 20 различных конференциях и 4 сетевых школах, в том числе Всесоюзная научно - техническая конференция МИИТа (1989 г), региональная научно -техническая конференция ХГТУ по проблеме «Дальний Восток России» (1995 г), 2-я международная конференция МИИТа «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (1996 г ), 2-я международная конференция «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 1997 г), Всероссийская научно-техническая конференция «Комплексные проблемы проектирования строительства и эксплуатации железных дорог в условиях Крайнего Севера» (Хабаровск, 1998 г), Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы Транссиба на рубеже веков» (Чита, 2000 г), Вторая международная научная конференция творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 2001 г), Всероссийская научно-практическая конференция «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока» (Хабаровск-Владивосток, 2001 г), научно-практическая конференция СГУПС «Вузы Сибири и Дальнего Востока - Транссибу» (Новосибирск, 2002); научно-практическая конференция «Проектирование и строительство транспортных объектов в условиях Республики Саха (Якутия)» (г Якутск, 2003 г), 43-я Всерос-
9 сийская научно-практическая конференция «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, 2003 г), Международный симпозиум «Культурно-экономическое сотрудничество стран северо-восточной Азии» (Хабаровск, 2005 г), 3-я конференция геокриологов России (МГУ, 2005 г ), Шестая международная научная конференция (Международный научный форум ИАС ТОГУ) «Новые идеи нового века» (Хабаровск, 2006г), Всероссийская научно-практическая конференция «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, 2006 г ) и др
Материалы диссертации докладывались на научно-техническом совете ДВГУПС 15 06 2006, на НТС Комплексного отделения «Путь и путевое хозяйство» ВНИИЖТ 13 09 2006 и 27 12 2006, где получили положительную оценку
Диссертационная работа является результатом исследований, которые автор проводит более двадцати лет в научно-исследовательской лаборатории «Основания и фундаменты» ДВГУПС Эти исследования включают в себе многолетние натурные режимные наблюдения на объектах-аналогах восточного участка БАМ и расчетно-теоретический анализ Они выполнялись в соответствии с отраслевыми и государственными программами, указаниями ЦП МПС России, по заказам ДВЖД, ЗАБЖД, в которых автор руководил работами и/или был их исполнителем В исследованиях участвовали сотрудники лаборатории, преподаватели кафедр, аспиранты, студенты, специалисты ДВЖД, других производственных, проектных и научных организаций Ряд новых способов устранения и предупреждения деформаций разработан в соавторстве со специалистами ВНИИЖТ, ЦНИИС и ДВЖД, а нормативно-технических документов - совместно со специалистами МИИТ, ВНИИЖТ, НИИЖТ, Главного управления пути МПС России, ЦНИИС
Исследования в 1982-2006 гг проводились по проблемам транспортного комплекса в рамках Межвузовской региональной научно-технической программы «Решение комплексных проблем развития Дальнего Востока», раздел 3 «Проблемы транспортного комплекса» Отраслевые научно-технические программы по обследованию земляного полотна восточного участка БАМЖД реализованы в соответствии с Указанием МПС и МИНТРАНССТРОЯ от 31 03 87 г, А-1932у/Мо-354 и Указанием МПС от 06 11 87 г, 25ЦЗ «Способы стабилизации деформирующихся насыпей, расположенных на протаивающих основаниях из вечномерзлых грунтов», а также по
10 планам фундаментальных НИР МПС России и ОАО «РЖД» в период 2000-2006 гг Результаты исследований включены в 2 нормативных документа
Часть из предложенных противодеформационных мероприятий, разработанных в соавторстве и самим автором в течение 1984—2006 гг, защищены авторскими свидетельствами и патентами (14 шт) и 1 свидетельством на полезную модель Многие проектно-технологаческие решения, разработанные на их основе (всего 17), испытаны при производственных экспериментах на БАМ, ДВЖД, АЯМ, федеральной автодороге Чита-Хабаровск и на Чукотке, в том числе по программе ресурсосбережения с учетом специфических условий реконструкции и ремонта железных дорог Дальнего Востока в условиях вечной мерзлоты Разработанные и защищенные четырьмя патентами новые ресурсосберегающие технологии на основе местного минерального сырья и технологии «СЕТКОН» просчитаны для ЗАБЖД и ДВЖД, внедрены на ДВЖД (ПЧ-27, ПЧ-5, ПЧ-16, ПЧ-22) Экономический эффект технологии «Сеткон» составляет 860 тыс руб /год, укрепляющих композиций - до 1млн руб / км Для внедрения укрепляющих композиций на ДВЖД в 2002 г составлен бизнес-план Разработанные в соавторстве по инициативе автора многофункциональные технологии на основе укрепляющих композиций из местного минерального сырья, удостоены одной золотой и двух серебряных медалей, в том числе на международной выставке в Москве (VI салон инноваций и инвестиций) в феврале 2006 г, разработка отмечена в международном каталоге Разработанная в соавторстве многофункциональная технология «Сеткон» экспонировалась на отраслевой выставке «Современные и перспективные техника и технологии железнодорожного транспорта России» (Москва, 2002 г), испытана в производственных условиях, защищена патентом Разработанный новый принцип диагностики состояния грунтов земляного полотна и реализованный совместно с НПФ «ИН-КО» при разработке экспериментальных образцов приборов диагностики «СДСГ - 1Э» и «СДГ-М», защищен патентом.
Новые теоретические разработки и практические результаты исследований, полученные автором, внедрены в период 2001-2006 гг в учебный процесс при подготовке студентов строительных специальностей в ДВГУПС разработано два учебных пособия (одно - в соавторстве).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 69 научных трудах, в том числе 2 монографиях, 14 изобретениях и 1 полезной модели
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, 5 глав и основных выводов, списка использованных источников и приложения Работа содержит 459 страниц машинописного текста, 158 иллюстраций, 12 таблиц Список литературы содержит 243 наименования.
