Введение к работе
Актуальность проблемы. Использование природных богатств районов Западной Сибири с суровым климатом, связанное с расширением зон добычи нефти и газа, развитием перерабатывающих предприятий, невозможно без железнодорожного транспорта. Однако строительство и эксплуатация железнодорожных линий в этих районах имеет свою специфику, которая наиболее явно отражается на земляном полотне, вызывая его деформации, особенно мерзлотные (пучины, весенние просадки пути и другие).
Эти деформации вызывают необходимость ограничивать скорость движения поездов, что приводит к снижению пропускной способности железных дорог, увеличению эксплуатационных расходов. Ликвидация деформаций в условиях движения поездов весьма сложна и трудоемка.
Действующие в настоящее время нормы СН 449-72 предусматривают для предотвращения пучинных деформаций пути в случае использования влажных глинистых грунтов в насыпях устраивать подушки из дренирующих грунтов, а в выемках производить замену их дренирующим, причем коэффициент фильтрации дренирующих грунтов должен быть в этом случае не менее 1 м/сут. Мелкие и пьшеватые пески часто не удовлетворяют этим требованиям.
В тех же целях, а также для усиления основной площадки земляного полотна из глинистых грунтов согласно ВСН 205-87 предусмотрена укладка геотекстиля с устройством под ним защитного слоя из крупнообломочных и песчаных грунтов, исключая пьшеватые пески. Технические указания ЦП 4369 рекомендуют на эксплуатируемой железной дороге для противопучинных подушек использовать асбестовые отходы, шлаки, пески. При этом пылеватые пески исключаются.
В "Альбоме типовых поперечных профилей" для устройства подушки в выемках допускается использовать пески с содержанием фракций крупнее 0,1 мм более 90 Z, что исключает применение пылеватого песка и части мелкого.
Однако отсутствие крупнообломочных материалов и кондиционных песков характерно для районов Западно - Сибирской низменности и других. В связи с этим возникла проблема использования для ограничения мерзлотных деформаций в земляном полотне местных мелких и пылеватых песков.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы являлось исследование возможности применения местных мелких и пы-
леватых песков в противопучинных и защитных слоях земляного полотна, сооружаемого в районах избыточного увлажнения и сурового климата.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи.
-
Проанализировать материалы по опыту использования мелких и пылеватых песков в земляном полотне железных и автомобильных дорог в суровых климатических условиях. Выявить эффективность применения этих песков на действующей железнодорожной линии Тюмень - Сургут проведением натурных наблюдений в течение четырех сезонов промерзания - оттаивания (с помощью нивелировки, бурения скважин и др.).
-
Оценить несущую способность мелких и пылеватых песков в основной площадке земляного полотна, исходя из их физико - технических свойств и величин поездной нагрузки.
-
Выполнить испытания образцов грунта из мелких и пылеватых песков в холодильной камере с целью выявления процессов, происходящих в них при промерзании. Для сравнения исследовать также глинистый грунт.
-
Разработать алгоритм и программу расчета глубины промерзания земляного полотна при многослойном сложении грунтов и различных климатических условиях с целью расчета глубины промерзания и толщины противопучинных подушек на линии Тюмень - Сургут.
-
Исследовать влияние щебеночного и асбестового балласта и геотекстильной прослойки на криогенные процессы в земляном полотне из мелких и пылеватых песков.
-
Дать статистическую оценку связи балльной оценки состояния пути и величины пучения земляного полотна в зимнее время.
Объекты исследований. Наблюдения проводились на четырех опытных участках Свердловской железной дороги на трассе линии Тюмень - Сургут. Мелкий и пылеватый песок исследовался также лабораторными методами. Использовались материалы дистанции пути, Сибгипротранса и СибЦНИИСа.
Методы исследований. Поставленные задачи решались теоретическими методами с применением основных положений механики грунтов, инженерной геологии мерзлотоведения и экспериментальными с проведением лабораторных исследований и натурных наблюдений и обработкой результатов методами математической статистики.
Научная новизна работы.
-
Обоснована возможность применения мелких и пыдева-тых песков в противопучинных и защитных слоях земляного полотна. Действующие в настоящее время нормативы не предусматривают использования пылеватых и части мелких песков для указанных целей.
-
Лабораторными исследованиями и натурными наблюдениями определены особенности криогенных процессов в мелких и пылеватых песках. Выявлена критическая влажность начала пучения и несущая способность этих песков в основной площадке. Разработаны рекомендации по их использованию в противопучинных и защитных слоях земляного полотна.
-
Выявлено влияние материала балластного слоя и подстилающего грунта на глубину промерзания. Разработаны рекомендации по расчету противопучинных устройств на основе статистических экспериментов по оценке величины пучения.
Достоверность научных положений диссертации подтверждается данными экспериментальных работ, выполненных автором, материалами других исследователей и опытом эксплуатации существующих железнодорожных линий.
Практическая ценность работы заключается в обосновании мер повышения стабильности земляного полотна железных дорог в районах с суровым климатом и сложными инженерно - геологическими условиями.
Разработана программа расчета ' глубины промерзания грунтов для ЭВМ, использование которой позволило обосновать толщины противопучинных подушек из мелких и пылеватых песков на линии Тюмень - Сургут.
Дана статистическая оценка связи балльной оценки состояния пути и пучения земляного полотна в зимнее время.
Оценено влияние щебеночного, асбестового балласта и геотекстиля на протекание процессов промерзания.
Технико-экономическая целесообразность. Применение местных мелких и пылеватых песков для создания противо-деформационных конструкций земляного полотна позволяет значительно удешевить строительство (использование асбестовых отходов связано с большими транспортными расходами и затратами на приобретение), так как в стоимости новой желелезнодорожнои линии доля земляного полотна составляет 30 - 40 и более процентов.
Внедрение результатов исследований. Результаты исследований использованы при разработке проекта строительства второго пути железнодорожной линии Тюмень - Сургут.
Апробация работы. Основное содержание работы, а также
ее отдельные положения докладывались на научно - технических конференциях 13 апреля 1990 г. в ЛИИЖТе, 27 февраля 1992 г. и 27 ноября 1992 г. в СибГАПС, на заседаниях кафедры "Путь и путевое хозяйство" СибГАПС в 1993 г., а также использовались в дипломном проектировании студентов факультета "Строительство железных дорог" СибГАПС.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 статей и выполнено 2 научно - технических отчета.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников (103 наименования) и приложений. Основной текст содержит 116 машинописных страниц, 14 рисунков, 52 страницы занимают приложения.