УСИЛЕНИЯ ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ СЛАБЫХ ГРУНТОВ ПОД ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены способы усиления основания земляного полотна и повышения устойчивости слабых грунтов. Со временем нарушается их начальное состояние, и в грунтах возникают новые процессы, осложняющие эксплуатацию железнодорожных сооружений. Еще на стадии проектирования знание всех технологических параметров процесса даст определяющую выполнения качества работ по закреплению грунта, а также долгосрочность эксплуатации верхнего строения.

Ключевые слова: прочностные, деформационные свойства, земляное полотно, насыпи, сильнопучинистые грунта.

В сегодняшние дни основной задачей развития сетей железных дорог является организация их как грузового движения тяжеловесных поездов, так и пассажирского движения на высокоскоростных магистралях. Одно из важнейших решений этой задачи требует усиления существующего земляного полотна, построенного по техническим нормам предыдущих лет, и которое, в отличие от верхнего строения железнодорожного пути, не обновлялось в течение срока его эксплуатации.

Свойства грунтов и их поведение под нагрузками носят сложные процессы, потому что со временем нарушается их начальное состояние, и в грунтах возникают новые процессы, осложняющие эксплуатацию сооружений. Не верная оценка грунтов основания часто становиться причиной аварий сооружений, поэтому необходимо не только правильно оценить прочностные и деформационные свойства грунтов, а также важно разработать способы улучшения качеств свойства грунтов основания земляного полотна.

Одним из наилучших и эффективных способов усиления основной площадки осуществить качественное устройство под балластом защитных слоев, имеющих повышенные прочностные и деформационные свойства, что регламентируется нормативными документами. При этом защитные слои должны отвечать следующим пяти основным функциям:

• разделительная – защищать от проникновения и перемешивания частиц балластной призмы и грунтов земляного полотна;
• гидроизоляционная – не допускать попадание атмосферной воды на основную площадку земляного полотна;
• морозозащитная – защищать от промерзания нижележащие пучинистые грунты земляного полотна;
• армирующая – распределять напряжения от поездной нагрузки на грунты земляного полотна, снижая максимальные их величины с целью обеспечения более несущую способность;
• виброзащитная – обеспечивать эффективное гашение колебаний от всех поездов.

Массивы грунтов используются как основания сооружений, как среда, вмещающая подземные сооружения, и как материал для постройки земляных сооружений. Состояние и свойства грунтов, а также их состав определяются генезисом, с возрастом отложений и характеристик генетических процессов.

Земляное полотно на участке залегания слабых грунтов необходимо проектировать по такому порядку:

1. Установить мощность слабых грунтов и их расчетные характеристики с помощью результатов инженерно-геологических обследований;
2. Установить минимально допустимую высоту насыпи на данном участке, руководствуясь условиями водно-теплового режима, заснеженности и исключения упругих колебаний;
3. Нанести проектную линию и установить рабочие отметки насыпи на различных поперечниках;
4. Определить расчетами величину осадки;
5. Проверить устойчивость и прочностные характеристики основания;
6. Спрогнозировать длительность завершения осадки;
7. Отобрать варианты конструктивно-технологических решений, обеспечивающих в случае необходимости повышение устойчивости, ускорение осадки или снижение ее величины;
8. На основе технико-экономических расчетов выбрать оптимальный вариант.

Рисунок 1. Области проникновения раствора в грунт от инъектора:

а - через перфорированную часть инъектора (жидкий раствор); б - через открытый конец инъекционной трубы (цементо-песчаный раствор);1 - глухое звено инъектора; 2 - перфорированная часть инъектора; 3 - труба для подачи цементо-песчаного раствора; 4 - заглушка; 5 - открытый конец инъектора; 6 - цементо-песчаный раствор.

При строительстве земляного полотна закрепление грунта в основании способом инъектирования возможно в следующих случаях:

• для повышения устойчивости откосов и земляного полотна на косогорных участках (рис. 2);
• при борьбе с образованием пучин на дорогах;
• для усиления основания земляного полотна и повышения устойчивости слабых грунтов путем армирования сваями из закрепленного грунта

Рисунок 2. Способы закрепление грунта земляного полотна на разных уровнях:

а - схема расположения инъекторов при глубинном инъектировании для повышения устойчивости откосов (1 - инъектор; 2 - кривая скольжения); б - схема расположения инъекторов для усиления устойчивости насыпи земляного полотна на косогорном участке (1 - инъектор; 2 - уклон местности); в - поверхностное инъектирование для предохранения откоса от эрозии (1 – фиксирование нетканого материала у подножия и на вершине откоса; 2 - нетканый материал; 3 - верхняя часть; 4 - нижняя часть закрепленного массива; 5 — поверхность откоса).

При возведении невысокой насыпи на сильнопучинистые грунта вполне вероятным является возникновение пучин, которые повлияют на прочность и целостность. Чтобы не допустить разрушения дорожной конструкции, бурятся скважины с шагом, равным двойному радиусу пропитки грунта, через которые заглубляются инъекторы. Раствор вяжущего вещества при его нагнетании в грунт распространяется на радиус, зависящий от коэффициента фильтрации грунта, времени и давления нагнетания. Радиусы соединяются, образуя сплошной массив закрепленного грунта, который не допустит образование пучин.

Рисунок 3. Закрепление грунта при борьбе с пучинами способом инъектирования: 

а – укрепление основания насыпи; б – укрепление основания земляного полотна в выемке; 1– дорожная одежда; 2 - массив закрепленного грунта; 3 - поверхностная обработка; 4 - черный гравий; 5 - верхний слой основания; 6 - нижний слой основания; 7 - песчаный подстилающий слой; 8 - грунтовая насыпь; 9 - массив укрепленного грунта.

Супесь пылеватая и суглинок тяжелый пылеватый тоже относятся к сильнопучинистым грунтам, а к чрезмерно пучинистым грунтам, характеризуемым относительным морозным пучением более 10%, — супесь тяжелая пылеватая и суглинок легкий пылеватый. На рис. 3, 6 приведен случай, когда при разработке выемки подстилающим слоем земляного полотна является пылеватая супесь, подстилаемая пылеватым песком.

Чтобы избежать образования пучин, были пробурены скважины на глубину 1,5м и произведено нагнетание закрепляющего раствора, который связал оба грунта в единый монолит и создал своеобразный фундамент для насыпи земляного полотна.

В практике строительства возникают случаи, когда необходимо произвести закрепление грунта, обладающим низким коэффициентом фильтрации (менее 1 м/сут.). Если в основании насыпи залегают слабые грунты, то (при мощности их до 0,4 м) они удаляются и заменяются прочными грунтами. Тогда следует применять способ смешиванию, что представляет собой смеситель, который при вращении рыхлит грунт, а при подаче любого вяжущего вещества, в том числе портландцемента, смешивает его с грунтом.

При невозможности удаления или замены слабых грунтов применяются мероприятия, обеспечивающие предотвращение осадки грунта в эксплуатационный период, например, закрепление грунта в основании способом инъектирования. Как крайняя мера — замена насыпи эстакадой.

Список литературы:

1. СП 32-104-98.  Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520мм.
2. Бугров А. К. Механика грунтов: учебное пособие / А. К. Бугров. – СПб.: СПбГТУ, 2007
3. Грунтоведение. Кол-в авторов/ Под ред. Трофимова В.Т., - 6-ое изд. – М: Издво МГУ. - 2005.
4. Мангушев, Р. А. Механика грунтов. Решение практических задач: учеб. пособие / Р. А. Мангушев, Р. А. Усманов; СПбГАСУ. – СПб., 2012.
5. Ольховатенко В.Е., Рязанов Н.С. Основы инженерной геологии и механики грунтов. Учебное пособие. – Томск, 2005.
6. Определение деформационных и прочностных характеристик грунтов: Метод. указ. к лаб. раб./ Сост.: Н.И.Барац, А.К.Туякова, Е.А.Широватова. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2008.
7. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. – М., 2005
8. Улицкий, В.М., Богов, С.Г. Комплексное использование струйной технологии для целей реконструкции на слабых грунтах. Реконструкция Санкт-Петербурга - 2005.