Жданова Светлана Мирзахановна. Принципы обеспечения стабилизации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты

brief description

Жданова Светлана Мирзахановна. Принципы обеспечения стабилизации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты : диссертация ... доктора технических наук : 05.22.06 / Жданова Светлана Мирзахановна; [Место защиты: Всерос. науч.-исслед. ин-т ж.-д. трансп. МПС РФ].- Хабаровск, 2007.- 458 с.: ил. РГБ ОД, 71 08-5/5

Российская Федерация
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
Хабаровский государственный университет путей сообщения
На правах рукописи
ЖДАНОВА Светлана Мирзахановна
ПРИНЦИПЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ
ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В ЮЖНОЙ ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
05. 22. 06— «Железнодорожный путь, изыскание и проектирование
железных дорог»
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант д. т. н. Дыдышко П. И.

Хабаровск -2007
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 7
1. КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ (ГТС) «ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО - ОСНОВАНИЕ» В ЮЖНОЙ ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ 12
1.1 . История мерзлотных исследований, проектирования и строительства земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты 12
1.2 . Динамика развития деформаций и расход средств на ремонт земляного полотна и водоотводных сооружений в условиях вечной мерзлоты в Дальневосточном регионе и Забайкалье............. 34
1.3 . Анализ основных проблем, связанных с эксплуатацией железных дорог в районах южной зоны вечной мерзлоты в современных
условиях...... ........42
1.4 .1.Основные виды и характер деформаций земляного полотна, расположенного в южной зоне вечной мерзлоты 42
1.5 .2.Оценка современной нормативно-технической базы по выбору и обоснованию проектных решений при стабилизации земляного полотна в районах вечной мерзлоты 48
1.6 .3.Оценка современных способов и средств диагностики состояния грунтов и методов прогноза изменения мерзлотно-грунтовых условий геотехнической системы «земляное полотно-основание» 51
1.7 .4.Эффективность реализованных противодеформационных мероприятий в различные годы эксплуатации земляного полотна в южной зоне вечной
мерзлоты 66
1.8 . Комплексные проблемы эксплуатации геотехнической системы
«земляное полотно-основание» в условиях вечной мерзлоты ....... 73
Выводы по главе 1 78
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ, РАЗВИТИЯ И ЗАТУХАНИЯ ПРОЦЕССОВ И ЯВЛЕНИЙ, ВЛИЯЮЩИХ
НА СТАБИЛЬНОСТЬ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО - ОСНОВАНИЕ» В ЮЖНОЙ ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ 81
2.1 Постановка проблемы. Основные сведения о системотехнике проектирования. Функционально-системный подход как методологический принцип проектирования земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты .........................................................................81
2.2 Направления и авторские методики исследований устойчивости земляного полотна в условиях вечной мерзлоты и криогенных деформаций 93
2.2.1. Характеристика экспериментальных объектов, особенности мерзлотно-грунтовых и инженерно-геологических условий 95
2.2.2. Методика режимных наблюдений на экспериментальных объектах и обработка результатов многолетнего мониторинга. Выбор объектов - аналогов 126
2.2.3. Результаты исследования влияния различных факторов на деформативность земляного полотна 136
2.2.4. Осадки земляного полотна.Механизм образования таликовой зоны 154
2.3 Комплексный анализ причин деформирования ГТС с использованием результатов многолетнего мониторинга ........................................................183
2.3.1. Грунты марей и температурный режим насыпей на мари 183
2.3.2. Результаты исследования влияния противодеформационных мероприятий на установление термодинамического равновесия в ГТС 187
2.3.3. Расчетно-теоретическое обоснование результатов натурных исследований 194
2.4 Разработка методики прогноза деформаций насыпей 197
Заключение и выводы по главе 2 201
3. РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ УСИЛЕНИЯ (РЕКОНСТРУКЦИИ) ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА СУЩЕСТВУЮЩИХ ЛИНИЙ, СТРОИТЕЛЬСТВА НОВЫХ ЛИНИЙ И ВТОРЫХ ПУТЕЙ В ЮЖНОЙ ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ 203
3.1 Анализ проектных решений земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты............... ................ ..........................203
3.1.1. .Индивидуальные проектные решения БАМ, АЯМ 203
3.1.2. Проектные решения земляного полотна БАМ, АЯМ, ЗАБЖД 209
3.1.3. Научное обоснование результатов проверки некоторых противодеформационных конструкций на экспериментальных объектах восточного участка БАМ 217
3.2 Разработка основных принципов проектирования земляного полотна при его реконструкции и усилении в современных условиях эксплуатации 228
3.2.1. Разработка различных конструктивно-технологических решений для усиления и реконструкции земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты 228
3.2.2. Расчеты температурного режима тела и оснований насыпей для различных конструктивно-технологических мероприятий 239
1.1.2.1 .Постановка задачи исследований 239
1.1.2.2 .Расчетная оценка влияния элементов поверхности на температурный режим грунтов основания 243
1.1.2.3 .Влияние различных конструктивно-технологических мероприятий на температурный режим оснований 247
1.1.2.4 .Влияние присыпки второго пути на температурный режим первого пути 254
3.3. Проблемы, связанные с принятием проектно-технологических решений земляного полотна в условиях повышения осевых и
погонных нагрузок .....................................................267
3.3.1 Решение задач линейной теории упругости (деформируемости) 272
3.3.2 Методика количественной оценки надежности работы ТС на оттаивающих вечномерзлых грунтах в условиях строительства и движения поездов и возрастания вибродинамической нагрузки (с помощью расчетов напряженно-деформированного состояния системы - НДС) 283
3.3.3 Результаты решения на момент окончания строительства и начала эксплуатации 290
3.3.4 Результаты решения на момент окончания строительства и начала эксплуатации (на действие 10-ти циклов поездной нагрузки) 293
3.3.5 Результаты решения на условие эксплуатации (1-й цикл промерз.)... 309 З.З.б.Результаты решения на условие эксплуатации (1-й цикл оттаив.) 313
3.3.7 Результаты решения на условие эксплуатации (2-й цикл промерз.)... 319
3.4. Выводы по главе 3 ...................................................................................322
I РАЗРАБОТКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
НОВЫХ ПРОГРЕССИВНЫХ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО СТАБИЛИЗАЦИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ЕГО ДИАГНОСТИКЕ 334
4.1. Разработка новых многовариантных и многофункциональных технологий стабилизации земляного полотна проектируемых дорог в районах высокотемпературной вечной мерзлоты ...................................336
4.1.1 .Дополнение информационной базы новыми ресурсосберегающими конструкциями и технологиями по стабилизации земляного полотна в сложных мерзлотно-грунтовых и инженерно-геологических условиях 336 4.1.2.Научное обоснование разработанных мероприятий по обеспечению стабильности земляного полотна в условиях криогенных деформаций укрепляющими композициями на основе минерального сырья 342
4.1.3 .Предложения по применению разработанных и внедренных ресурсосберегающих многофункциональных технологий 374
4.2. Совершенствование принципа диагностики состояния грунтов земляного полотна 384
5. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫБОРА ЭФФЕКТИВНЫХ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ СИСТЕМНО-КОМПЛЕКСНОГО ПОДХОДА НА УРОВНЕ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ В ЮЖНОЙ ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ (НА ВСЕХ ЭТАПАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ) 394
5.1. Ранжирование (типизация) деформаций по степени их опасности на стадии ТЭО и в условиях эксплуатации 394
5.1.1.Обоснование типизации деформаций для принятия проектных решений в условиях эксплуатации 396
5.1.2.0собенности и методика принятия проектных решений на стадии ТЭО 398
5.1.2.1.Определение технико-экономических показателей наевшей, отсыпаемых традиционным способом из обыкновенных грунтов 401
5.1.2.2.Определение технико-экономических показателей наевшей с применением различных способов и средств по упрочнению оснований 408
5.1.3.Установление рациональных пределов искусственного удлинения трассы в южной зоне вечномерзлых грунтов в сравнении с реализацией противодеформационных мероприятий 411
5.1.3.1.Определение технико-экономических показателей трассы, проектируемой с обходом термопросадочнвтх участков. Установление рационалвнвгх пределов искусственного удлинения трассы 411
5.2. Разработка программы автоматизированного выбора проектных решений Алгоритм использования основных положений функционально-системного подхода при проектировании усиления (реконструкции) и строительстве земляного полотна новых линий в
южной зоне вечной мерзлоты.......................................................................416
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 419
Источники, принятые к рассмотрению 424
ПРИЛОЖЕНИЕ 453

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Деформации земляного полотна на оттаивающих вечномерзлых грунтах в южной зоне вечной мерзлоты связаны с тепловым воздействием земляного полотна на грунты основания и вибродинамическими нагрузками, оказывающими значительное негативное влияние на длительную и прогрессирующую просадочность при повышении этих нагрузок. Проектирование земляного полотна в этих условиях должно осуществляться с учетом основных закономерностей стабилизации геотехнической системы (ГТС) «земляное полотно-основание» и перспективной массы поезда и осевой нагрузки. В отдельных случаях, проект должен предусматривать перевооружение дороги (двухпутные вставки, вторые пути).
2. Для повышения эффективности и рентабельности усиления (реконструкции) и строительства земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты разработана методологическая концепция проектирования. Она включает в себя комплексный анализ элементов существующей системы проектирования земляного полотна и дополнения элементами и методиками, позволяющими осуществлять качественный и количественный контроль проектных решений с помощью функционально-системного принципа, учитывающего взаимосвязи отдельных структурных частей с системой.
3. В диссертационной работе в качестве прототипа рассмотрена общепринятая система проектирования земляного полотна, которая успешно применяется при проектировании геотехнических систем «земляное полотно - основание» (ГТС) в обычных условиях. Известная система проектирования имеет принципиальные недостатки при принятии конструктивно¬технологических решений в южной зоне вечной мерзлоты. В южной зоне вечной мерзлоты ГТС работает в особых условиях, необоснованные противодеформационные мероприятия (ПДМ) могут нарушать закономерность их стабилизации. При проектировании ПДМ в этих условиях важную роль играют исходные данные.
4. Функционально-системный подход к проектированию земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты является наиболее приемлемой основой для формирования методологии, позволяющей с помощью полученных исходных данных комплексно осуществлять диагностику и прогнозировать затраты на стабилизацию деформирующегося земляного полотна в условиях вечной мерзлоты. Этот принцип позволяет решать как единовременные, так и долгосрочные проблемы эксплуатации земляного полотна на вечномерзлых грунтах, а также осуществлять выбор эффективных проектно-технологических решений на всех стадиях их разработки и дальнейшего внедрения. Использованный принцип проектирования базируется на результатах комплексных исследований, выполненных автором на ЗАБЖД и ДВЖД.
5. В ходе исследований получены показатели сложения, состава и свойств грунтов земляного полотна и основания, температурного режима, влажности, прочностные и реологические характеристики оттаивающих грунтов, льдистость мерзлых грунтов в многолетних циклах наблюдений и установлено влияние этих показателей на деформации земляного полотна.
При глубине сезонного оттаивания в естественных условиях 0,8 - 1,5 м и высоте насыпей 2 - 2,5 м верхняя граница вечной мерзлоты устанавливается примерно на глубине 10 - 12 м ниже их верха. Ежегодно неравномерные осадки насыпей, в зависимости от категории термопросадочности оттаивающих грунтов оснований, в начальный период 10 - 15 лет после строительства составляют от нескольких сантиметров до первых десятков сантиметров. Векторы перемещений направлены вниз и в стороны от оси земляного полотна.
6. Продолжительный период стабилизации земляного полотна состоит из трех главных этапов: 1 - нарушение термодинамического равновесия в геотехнической системе «земляное полотно - вечномерзлое основание» (до 7- 10 лет); 2 - восстановление термодинамического равновесия за счет формирование непромерзающей таликовой зоны (11-25 лет); 3 - 41У
установление термодинамического равновесия (относительная стабилизация, как правило, более 20-25 лет). После реализации осадок, обусловленных деградацией мерзлоты и вытаиванием ледяных прослоев (начальная просадочность), наступает длительная просадочность, связанная с реологическими процессами. Интенсивность этих процессов возрастает при увеличении вибродинамических нагрузок от поездов (масса поезда, осевые нагрузки) и работе выправочных машин непрерывного действия.
Термодинамическое равновесие в ГТС наступающее через 20 - 25 лет после отсыпки земляного полотна обусловливает оптимальные сроки перевооружениядороги (вторые пути, двухпутные вставки) без оказания вредного влияния на земляное полотно первого пути. Процесс стабилизации можно ускорить путем управления температурным режимом, например, с помощью конструкции «проветриваемый лоток» или с помощью теплоизолирующих устройств;
По результатам многолетних натурных исследований автором получены / откорректированы зависимости протаивания основания и осадки насыпи на расчетный год и протаивания основания на период затухания деформаций, которые легли в основу методики прогноза деформирования насыпей на термопросадочных участках высокотемпературной вечной мерзлоты. Методика прогноза деформирования насыпей учитывает влияние мерзлотных процессов на формирование их суммарной осадки на рассматриваемых этапах стабилизации, что определяет выбор противодеформационных мероприятий.
7. Результаты расчетов температурного режима земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты методами математического моделирования хорошо корреспондируются с данными многолетних режимных наблюдений. На расчетный период 20 - 25 лет граница вечной мерзлоты устанавливается на глубине 10 - 12 м. При сооружении насыпи второго пути температурный режим грунтов под основной площадкой первого пути сохраняется практически без изменения за счет «таликовой» зоны, формирующейся в среднем на глубине 5 м от верха насыпи. В боковой части насыпи и под основной площадкой второго пути в процессе эксплуатации также формируется «талик». Ускорение формирования «талика», способствующего установлению постоянного температурно-влажностного режима под насыпью и обеспечению стабильности двухпутной насыпи в целом, в этот период возможно за счет принятия мер, направленных на изменение температуры по результатам выполненных расчетов.
Разработана методика количественной оценки деформативности земляного полотна с помощью анализа напряженно-деформированного состояния для учета вибродинамического фактора и его влияния на слабо затухающую просадочность технических систем (ТС) «ВСП - ЗГ1 - вечномерзлое основание» при обосновании проектных решений. Данная методика позволяет определять устойчивость ГТС в процессе строительства и последующей эксплуатации железных дорог на оттаивающих вечномерзлых грунтах с учетом перспективной массы поезда и осевой нагрузки.
8. Разработана методика прогнозирования затрат с помощью предлагаемой типизации (ранжирования) деформаций по степени их опасности.
9. На основе результатов исследований разработан общий метод принятия проектно-технологических решений, использующий принципы функционально¬системного подхода на уровне реализации реконструктивных мероприятий. Метод позволяет принимать проектные решения на просадочных при протаивании вечномерзлых грунтах, как в период эксплуатации, гак и на этапе технико-экономического обоснования новой железнодорожной линии или обоснования варианта строительства второго пути. Для реализации этого метода в диссертации разработаны частные методики информационной поддержки выбора проектно-технологических решений для различных ситуаций. В качестве аппарата прогнозирования разработаны прогноз- профили. Для автоматизации трудоемких расчетов создано программное обеспечение.
10. На основе изучения изменения температурно-влажностного режима грунтов технических систем «ВСП - ЗП - вечномерзлое основание» разработан и защищен патентом на изобретение новый способ диагностики состояния слабых грунтов оснований насыпей и откосов выемок под влиянием различных факторов, в частности, вибродинамической нагрузки, а на его основе, в соавторстве, с сотрудниками НПФ «ИНКО» разработана система диагностики состояния грунтов «СДСГ-1Э», основанная на принципах термодинамики.