Использование метода напорной инъекции при усилении земляного полотна железных дорог

Разработанная и утвержденная в 2008 г. правительством «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» [1] предполагает повышение эффективности работы ОАО «РЖД» с выходом его работы на показатели мировых лидеров железнодорожного транспорта.

В соответствии с принятой «Стратегией» [1] основной задачей в части развития железнодорожной инфраструктуры является повышение надежности и безопасности её технических средств, и в первую очередь железнодорожного пути. Одновременно с этим планируется повышение интенсивности воздействия на него в связи увеличением среднего веса и длины грузового поезда, роста скоростей грузовых и пассажирских поездов.

Земляное полотно является одним из основных элементов железнодорожного пути — его фундаментом, поэтому решение поставленных задач во многом зависит от его эксплуатационного состояния. Вместе с тем на значительной части Российских железных дорог земляное полотно было построено уже более ста лет назад по техническим нормам, не отвечающим современным нагрузкам и скоростям движения, а поэтому в настоящих условиях требует усиления. Так, в настоящее время по статистическим данным железных дорог, обобщенным Центром ИССО ОАО «РЖД» [2], протяженность дефектного и деформирующегося земляного полотна при современных условиях эксплуатации составляет более 5 тыс. км. Наличие деформаций и дефектов приводит к повышенным расходам на содержание пути, снижает уровень безопасности движения поездов. В 2007 г. в ОАО «РЖД» было принято решение о введении в регламент ремонтных работ изменения с внесением нового вида работ по реконструкции инфраструктуры, которая предусматривает расширение номенклатуры и объемов работ по усилению земляного полотна [3].

Одной из главных причин, вызывающих необходимость усиления земляного полотна при росте интенсивности воздействия, является необеспечение j его несущей способности, которое в первую очередь вызвано дефектами и деформациями основной площадки и уменьшением устойчивости откосных частей насыпей.

Анализ статистических данных по видам деформаций земляного полотна показывает, что около 40% из них приходится на деформации основной площадки, а сплывы откосов высоких насыпей остаются одной из основных причин, вызывающих перерывы в движении поездов.

Данные деформации связаны во многом с недостаточными прочностными свойствами грунтов, слагающих земляное полотно.

В настоящее время для обеспечения несущей способности и повышения устойчивости земляного полотна широко используются различные способы усиления. Однако многие из них являются дорогостоящими и в силу разных причин не всегда применимы в конкретных инженерно-геологических условиях, особенно из-за технологических сложностей, что сдерживает темпы усиления земляного полотна. В связи с этим существует необходимость в разработке новых способов усиления, среди которых могут найти использование известные и опробованные в фундаментостроении методы, позволяющие эффективно укреплять грунты основания. Данные методы должны быть адаптированы к усилению эксплуатируемого железнодорожного земляного полотна с учетом особенностей его возведения и эксплуатации. Среди таких методов следует выделить инъектирование в массив грунта под высоким давлением вяжущих растворов специально подобранного состава (метод напорной инъекции).

Отличие этого способа усиления грунтов от других инъекционных методов заключается в том, что нагнетание твердеющего раствора осуществляется с разрывом структуры грунта, при этом его распространение происходит по образовавшимся трещинам и слабым прослоям в массиве. В результате происходит образование жесткого каркаса из затвердевшего раствора и уплотнение грунта в местах его обжатия.

Широкое распространение метода напорной инъекции в гражданском строительстве и отсутствие методики проектирования параметров инъектирования при усилении земляного полотна и его основания подтверждают актуальность темы настоящей диссертационной работы.

Цель работы состоит в разработке способа усиления земляного полотна железных дорог для обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Выявлены особенности распространения инъектируемого раствора в грунтах земляного полотна, и найдены оптимальные технологические параметры инъектирования.

2. Экспериментально исследовано изменение свойств грунтового массива при напорной инъекции твердеющего раствора.

3. По результатам теоретических исследований получены решения:

— по определению коэффициента пористости и модуля деформации армированного раствором грунта с учетом включений из затвердевшего раствора;

— по оценке объема инъектируемого раствора и давления инъектирования, при которых происходит выдавливание раствора из зоны упрочнения.

4. Разработан способ усиления земляного полотна железных дорог для обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции, включающий предложения по контролированию изменения характеристик грунтов после упрочнения.

Методика исследования. Для решения поставленных задач выполнены теоретические и экспериментальные исследования, основанные на теории механики грунтов. Полевые эксперименты выполнялись на реальных объектах Западно-Сибирской железной дороги. Для расчета напряженно-деформированного состояния земляного полотна использовался метод конечных элементов, реализованный в программно-вычислительном комплексе «Plaxis». При разработке способа усиления земляного полотна использованы результаты исследований отечественных и зарубежных ученых в области механики грунтов и земляного полотна железных дорог.

Научная новизна работы:

1. Выделены типичные конфигурации затвердевшего раствора (пластины, столбы, массив), образующиеся в результате напорной инъекции в глинистые грунты земляного полотна, и выявлены закономерности их образования в зависимости от технологии инъектирования.

2. Предложен принцип предварительного ослабления структуры грунта и для его осуществления разработана конструкция инъектора.

3. Выявлено, что при упрочнении грунтов земляного полотна напорной инъекцией значение модуля деформации увеличивается в 2 — 10 раз, а значения удельного сцепления соответственно в 3 — 4 раза.

4. Получены теоретические решения по определению критической величины давления инъектирования, при которой происходит выдавливание раствора из зоны упрочнения.

5. Разработан способ усиления основной площадки земляного полотна и откосов насыпей методом напорной инъекции, позволяющий учесть свойства твердеющего раствора и особенности эксплуатируемого земляного полотна железных дорог.

Достоверность и обоснованность результатов исследований, выводов диссертационной работы обеспечивается большим объемом экспериментальных исследований, имеющих детально проработанную методику, основанную на применении современных средств обработки опытных данныхрезультатами внедрения предложенных решений на объектах железнодорожного транспорта.

Практическое значение и внедрение результатов работы. Практическая значимость диссертационной работы состоит в возможности использования при усилении основной площадки земляного полотна и откосов насыпей железных дорог метода напорной инъекции и методики контролирования качества работ.

Способ усиления земляного полотна для обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции внедрен на объектах ЗападноСибирской железной дороги.

Личный вклад автора состоит:

• в разработке методики и проведении полевых и лабораторных экспериментов, в получении результатов выполненных экспериментальных исследований;

• в< разработке методики проектирования усиления земляного полотна, способа усиления, методики контролирования качества работ, решений по определению параметров грунтов земляного полотна, усиленного методом напорной инъекции;

• в научном обосновании и разработке способа ремонта железнодорожного земляного полотна, способа контроля качества усиления грунтового массива, конструкции инъектора для усиления, защищенных тремя патентами РФ на изобретения и полезную модель в соавторстве с научным консультантом канд. техн. наук, доц. М. Я. Крицким и соавторами, внесшими свой вклад в инженерную часть этих разработок (В.Ф. Скоркин, В.Б. Воронцов).

На защиту выносится:

1. Способ усиления земляного полотна методом напорной инъекции.

2. Результаты экспериментальных исследований распространения твердеющего раствора в грунтовом массиве.

3. Методика проектирования усиления земляного полотна методом напорной инъекции.

4. Методика контролирования изменения характеристик земляного полотна при его усилении методом напорной инъекции.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока — Транссибу» (Россия, Новосибирск, 2002 г.) — на Международном геотехническом симпозиуме (Россия, Санкт-Петербург, 2003 г.) — на научно-технической конференции «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов» (Россия, Москва, 2003 г.) — на Международной конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству (Россия, Пермь, 2004 г.) — на Международной геотехнической конференции, посвященной году РФ в РК (Казахстан, Алматы, 2004 г.) — на научно-технических конференциях НГАСУ (2002;2004 гг.) — на Пятой Всеукраинской научно-технической конференции по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению (Украина, Одесса, 2004 г.) — на Международном геотехническом симпозиуме «Природные и техногенные чрезвычайные геотехнические ситуации» (Россия, Иркутск, 2005 г.) — на Международном геотехническом симпозиуме «Geotechnical Aspects of Natural and Man-Made Disasters» (Казахстан, Астана, 2005 г.) — на Международной конференции «Город и геологические опасности» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.) — на Международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.) — на Пятой научно-технической конференции с международным участием, МГУПС (г. Москва, 2008 г.).

Публикации и изобретения. Основное содержание диссертационной работы представлено в двенадцати работах. В том числе по результатам исследований получены три патента РФ: на способ ремонта железнодорожного земляного полотна, на конструкцию инъектора и на метод определения характеристик грунтов земляного полотна, усиленного напорной инъекцией.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, содержащего 103 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Объем диссертационного исследования — 152 страницы, работа включает 53 рисунка, 18 таблиц и приложение.

Выводы по главе 4.

1. Выполненные исследования позволили разработать методику проектирования усиления земляного полотна. Алгоритм методики представлен на рис. 4.1.

2. В зависимости от необходимости осушения основной площадки земляного полотна разработан способ усиления методом напорной инъекции без дренажа и с установкой дренажных труб. При упрочнении и армировании загрязненных балластных шлейфов рекомендуется работы начинать с низовой части откоса.

3. Для диагностики и последующего контроля качества усиления земляного полотна рекомендуется использование геофизических методов: электрометрического и сейсмического. Для контролирования качества усиления земляного полотна с возможностью получения достоверных значений характеристик предложен метод, основанный на использовании динамического зондирования. Для определения значений характеристик (коэффициента пористости, модуля деформации) и сравнения их с соответствующими значениями до проведения работ установлена экспериментально полученная зависимость: А = А0 ехр (а (РдРдо))• Значения А0 и Ра0 принимаются равными значениям, полученным в лабораторных условиях при определении коэффициента а.

4. Исследования и внедрение для разработки способа усиления методом напорной инъекции выполнены при усилении железнодорожной насыпи на 15-м км перегона Дедюево-Буреничево и земляного полотна над трубой на 88-м км линии Алтайская-Бийск Западно-Сибирской железной дороги.

5. При разработке проекта усиления расчеты напряженно-деформированного состояния земляного полотна рекомендуется выполнять методом конечных элементов. Использование послойной разбивки модели земляного полотна и возможности варьировать объемами инъектирования позволяет подобрать оптимальную и экономически обоснованную схему усиления.

6. Выполнена оценка экономической эффективности усиления земляного полотна напорной инъекцией и альтернативным методом — разрядно-импульсной технологией. Рассмотренные противодеформационные мероприятия эффективны и окупаются за пять лет, при этом усиление методом напорной инъекции окупается за 3,5 года. Проведение противодеформационных мероприятий методом напорной инъекции дешевле проведения аналогичных мероприятий с использованием свай РИТ в 1,5 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Анализ опыта инъектирования твердеющего раствора в насыпные грунты показывает высокое качество их упрочнения. В случае дренирующих грунтов процесс инъектирования сводится к классической пропитке. Исследования в недренирующих грунтах позволили выделить типичные конфигурации затвердевшего раствора, установлены закономерности их образования в зависимости от технологии инъектирования. Наиболее эффективной является конфигурация в виде массива в диаметре около 40 см.

2. При упрочнении грунтов земляного полотна напорной инъекцией снижается их сжимаемость: интегральные значения модуля деформации увеличиваются в 2−10 раз, значения модуля упругости в 1,8−2 раза. Величина остаточных деформаций уменьшилась в 3−5 раз.

3. В результате напорной инъекции интегральные значения удельного сцепления грунта земляного полотна повышаются до 3 раз, изменение значений угла внутреннего трения несущественно. На изменение сцепления грунта оказывает влияние армирование включениями затвердевшего раствора и уплотнение окружающего грунта.

4. В соответствии с зонами влияния определено оптимальное расстояние между инъекторами от 1 до 2 метров. В случае необходимости расстояние между инъекторами может быть увеличено путем их наклонного расположения.

5. Разработана методика подбора состава инъектирования растворов, позволяющая учитывать свойства затвердевшего раствора при проектировании характеристик упрочненного грунта земляного полотна.

6. В результате теоретических исследований:

— получены решения по определению коэффициента пористости и модуля деформации армированного инъектированным раствором грунта с учетом и без учета включений из затвердевшего раствора;

— определена зона влияния инъектирования на окружающие грунты в виде эллипсоида влияния и оценено напряженное состояние в области нагнетания;

— получено решение по определению объема раствора при заданном давлении инъектирования;

— получено решение по определению давления инъектирования, при котором происходит выдавливание раствора из зоны упрочнения.

7. Выполненные исследования позволили разработать способ усиления земляного полотна при деформациях основной площадки и нарушении устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции. При необходимости осушения основной площадки земляного полотна разработанный способ дополняется установкой дренажных труб.

8. Для контролирования качества упрочнения предложен метод, основанный на использовании динамического зондирования. Экспериментально установлена зависимость, позволяющая определять значения коэффициента пористости и модуля деформации грунтов после упрочнения.

9. При разработке проектов усиления расчеты напряженно-деформированного состояния земляного полотна рекомендуется выполнять методом конечных элементов. Использование послойной разбивки модели земляного полотна и возможности варьирования объемами инъектирования позволяет оптимизировать схему усиления.

10. Предложенный способ упрочнения грунтов методом напорной инъекции и методики контроля, внедрены при усилении насыпей на 15-ом км перегона Дедюево — Буреничево и на 88-ом км линии Алтайская — Бийск Западно-Сибирской железной дороги.

11. Выполнена оценка экономической эффективности способа усиления земляного полотна упрочнением грунтов методом напорной инъекции и альтернативным методом — разрядно-импульсной технологией.

Рассмотренные протнводеформацнонные мероприятия эффективны и срок окупаемости затрат при усилении разработанным способом составил 3,5 года, а при применении способа усиления сваями разрядно-импульсной технологии 5 лет.