Введение к работе
Актуальность работы. Развитие инфраструктуры Дальневосточного региона с перспективой развития железнодорожного транспорта на период до 2030 года связано с освоением природных ресурсов северных регионов, а также созданием Портовой особой экономической зоны (ПОЭЗ) Советской Гавани на базе морского порта с мощным развитием станционных парков и железнодорожных путей, что предъявляет повышенные требования к проектированию, строительству и реконструкции земляного полотна.
При этом строительство и эксплуатация железных дорог в условиях Дальневосточного региона связаны со сложными природно-климатическими и инженерно-геологическими условиями, которые способствуют возникновению и развитию различных видов деформаций. Стабилизация земляного полотна в этих условиях требует дополнительных капитальных затрат и эксплуатационных расходов.
Общие деформации земляного полотна по состоянию на конец 2010 г. по сети железных дорог Российской Федерации составляют 6% от ее общей протяженности, а на ДвостЖД - 23,9%. При этом осадки земляного полотна на слабых основаниях, в том числе при протаивании вечномерзлого грунта составляют 10,67%.
Стабилизация земляного полотна на слабых основаниях требует принятия целенаправленных конструктивно-технологических решений для усиления самого земляного полотна и его основания, а также грамотного расчетного и экономического обоснования для их принятия.
В настоящее время на железных дорогах для обеспечения безопасности и бесперебойности движения поездов на участках со слабыми основаниями проводят различные противодеформационные мероприятия, в том числе использование геосинтетических материалов для усиления земляного полотна, чаще всего без расчета их обоснования. Очевидно, что для применения новых конструктивных решений с использованием геосинтетических материалов необходима разработка методик расчета их взаимной работы с упрочняемым грунтом земляного полотна и оснований.
Таким образом, разработка методики расчетного обоснования новых конструктивных решений по усилению земляного полотна и его оснований с использованием геосинтетических материалов является актуальной проблемой.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка методики расчетного обоснования мероприятий по усилению насыпей железных дорог на слабых основаниях для обоснования проектных решений при строительстве и реконструкции в условиях Дальневосточного региона.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
выполнен анализ основных направлений исследования напряженно-деформированного состояния железнодорожных насыпей на слабых основаниях;
разработана методика расчетного обоснования взаимодействия геосинтетических материалов с грунтами насыпей и их оснований, позволяющая учитывать параметры их совместной работы при численном моделировании;
выполнены лотковые эксперименты в лабораторных условиях для уточнения параметров численных моделей и методики расчетного обоснования усиления гео-
синтетическими материалами железнодорожных насыпей в сложных инженерно-геологических условиях.
подтверждены параметры требуемой длительной прочности конструкции на слабом основании, усиленной геосинтетическими материалами на экспериментальном участке ДвостЖД на ст. Дюанка в соответствии с разработанной методикой расчетного обоснования.
выполнена апробация методики расчетного обоснования при выполнении НИР, результаты исследований которых внедрены в рабочие проекты при обосновании конструктивных решений по стабилизации земляного полотна.
Методика исследований. Для решения поставленных в работе задач проведены расчетно-теоретические исследования, лотковые испытания в лабораторных условиях и натурные экспериментальные исследования.
В работе использованы методы численного моделирования и математической статистики.
Эксперимент выполнен в большом грунтовом лотке лаборатории кафедры № 12 механики грунтов Военно-технического университета железнодорожных войск в г. Санкт-Петербурге.
Полевые исследования напряженного состояния в конструкции усиления насыпи и слабого основания выполнены в процессе реконструкции ст. Дюанка Дальневосточной железной дороги на ПК 4116+2,45 и ПК 4118+2,35.
Научная новизна. На основе результатов анализа расчетно-теоретических исследований выявлен мембранный эффект, создаваемый высокопрочными геосинтетическими материалами, позволяющий снижать напряжения и уменьшать деформации насыпей и оснований армированных ими.
Разработана новая методика расчетного обоснования взаимодействия геосинтетических материалов с грунтами насыпей и их оснований, позволяющая учитывать параметры их совместной работы.
Получена зависимость изменения напряженного состояния усиленной геосинтетическими материалами насыпи и слабого основания от воздействия поездных нагрузок.
Личный вклад автора. Все основные исследования, включая постановку цели и задач работы, обоснование методик исследований, интерпретацию и обобщение полученных результатов, лабораторные и полевые эксперименты выполнены автором лично. Участие автора подтверждается значительным числом публикаций по теме диссертации, а также результатами апробации на научных конференциях.
Достоверность научных результатов подтверждается корректностью применения современных приборов и использования стандартных методов статистической обработки результатов исследований, достаточной для практики сходимостью численных расчетов с полученными результатами экспериментальных и численных исследований.
Практическое значение работы. Методика расчетного обоснования позволяет применять ее для разработки проектных решений усиления геосинтетическими материалами насыпей на слабых основаниях при проектировании, строительстве и реконструкции линейных сооружений.
Внедрение результатов работы. Результаты работы по изучению напряженно-деформированного состояния и определению рациональных параметров конструкций, обеспечивающих эксплуатационную надежность земляного полотна ст. Дюан-ка Дальневосточной железной дороги внедрены при разработке проектно-сметной документации по строительству в 2008 г. и при выполнении строительных работ в 2009 г. по ст. Дюанка ДВЖД.
На защиту выносятся:
методика расчетного обоснования конструкции, армированной геосинтетическими материалами.
численное моделирование напряженно-деформированного состояния насыпи, усиленной геосинтетическими материалами.
лабораторные и полевые исследования напряженно-деформированного состояния насыпи, усиленной геосинтетическими материалами.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на региональных, российских и международных конференциях: на региональной научно-технической конференции творческой молодежи «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (Хабаровск, 18-19 апреля 2006 г.), ДВГУПС; третей научно-технической конференция с международным участием. «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». Чтения, посвященные памяти Г.М. Шаху-нянца (Москва, 01-02 ноября 2006 г.) МНИТ; International Workshop on Scrap Tire Derived Geomaterials «Opportunities and Challenges» (Japan, Yokosuka, March 23-24, 2007); 5-й Международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 17-19 апреля 2007 года), ДВГУПС; семинаре-совещании по обеспечению надежности строящихся сооружений железнодорожной линии Томмот - Кердем на участке «ледового комплекса». (Якутск, 11-12 сентября 2007 г.); 45-й Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки (Хабаровск, 7-9 ноября 2007 г.), ДВГУПС; Всероссийской научной конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (Хабаровск, 22-24 апреля 2008 г.), ДВГУПС; Ninet International Conference On Permafrost «Permafrost on a Warming Planet: Impacts on Ecosystems, Infrastructure and Climate» (University of Alaska Fairbanks, June 29 - July 3, 2008); второй региональной научно-практической конференции «Проблемы земляного полотна железных дорог и автомобильных дорог в условиях Сибири» (Новосибирск, 22 апреля 2010 г.), СГУПС; Международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (Санкт-Петербург, 16-19 июня 2008 г), ПГУПС; The 3r International Geotechnical Symposium on Geotechnical Engineering for Disaster Prevention and Reduction (China, Harbin, July 22-25, 2009 г.); конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора НИИЖТа (СГУПС), доктора геолого-минералогических наук Федора Андреевича Никитенко «Инженерная геология, основания и фундаменты» (Новосибирск, 15-16 декабря 2010 г.), СГУПС.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 24 научных работы, из них три статьи в источниках, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений. Объем работ составляет 149 страниц машинописного текста, включает 78 рисунков, 8 таблиц и библиографический список из 137 наименований.
