676

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ И АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В УСЛОВИЯХ СИБИРИ

Труды второй региональной научно-практической конференции

НОВОСИБИРСК 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемый сборник содержит материалы второй региональной на- учно-практической конференции «Проблемы земляного полотна железных и автомобильных дорог в условиях Сибири», проведенной в апреле 2010 г.

Он объединяет вопросы по проблемам земляного полотна двух важнейших транспортных отраслей — железнодорожной и автодорожной. Земляное полотно, как основание транспортных магистралей, определяет надежность сооружения в целом, независимо от его конструкции, в связи с этим видится целесообразным обсуждать результаты исследований в данной области совмесно.

Представленные авторами материалы вошли в три раздела сборника. Первыйразделпосвящен давней, ноне теряющей актуальностиивнастоящее время, теме: борьба с морозным пучением на дорогах, характерным для регионов Сибири. Во втором разделе рассмотрены вопросы диагностики и усиления земляного полотна с применением современных методов, материалов и конструкций. В третьем разделе представлены новые решения в проектировании и строительстве земляного полотна и контроль качества на этих стадиях.

Содержание сборника представляет интерес для научных сотрудников, аспирантов и инженеров путей сообщения производственных, проектных и научных организаций, занимающихся проблемами проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна железных и автомобильных дорог.

3

Раздел 1. ПРОБЛЕМЫ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В УСЛОВИЯХ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ

УДК 625.123:624.143

И.Я. Пименов (Западно-Сибирская железная дорога — филиал ОАО «РЖД»)

СПОСОБЫ БОРЬБЫ С МОРОЗНЫМ ПУЧЕНИЕМ ГРУНТОВ НА ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ

Эксплуатационная длина Западно-Сибирской железной дороги составля-

ет 5557,9 км.

Дорога располагается на территории пяти субъектов Российской Федерации: Омской, Новосибирской, Кемеровской, Томской областях, Алтайском крае, кроме того, 150 км железной дороги расположено на территории Республики Казахстан. Она охватывает обширные территории Прииртышья, Кулунды, Барабы и Алтая, а также отроги Салаирского кряжа и Кузнецкого Алатаурезко отличающиеся по своим грунтовым, климатическим и гидрогеологическим условиям.

Конструктивно земляное полотно представлено насыпями на протяжении 4534 км 82 %, в том числе высотой более 6 м — 331 км, выемками протяженностью 515 км 9 %, в том числе глубиной более 6 м — 71 км.

Благодаря тому что на большем своем протяжении дорога располагается в степных районах или местности с равнинным малопересеченным характером доля дефектного и деформирующегося земляного полотна относительно невелика. По насыпям процент дефектности составляет 0,7 %, дефектность выемок — 3,5 %.

Однако анализ дефектного и деформирующегося земляного полотна по видам показывает, что 57 % из общего его протяжения составляют участки с проявлениями морозного пучения грунтов. И учитывая, как было сказано выше, большую эксплуатационную длинудороги, даже при низком проценте дефектности земляного полотна,протяженность пучинистых мест составляет 42,5 км, причем 16,5 км из них имеют величину пучения более 25 мм.

4

Одним из источников оздоровления земляного полотна являются средства, выделяемые ОАО «РЖД» на различные виды ремонтов пути. При выполнении данного комплекса работ делается срезка обочин, восстановление кюветов, уборка грязного балласта из выемок, укладка разделительного слоя из геотекстиля и на пучинистых участках утепляющего слоя из пенополистирола. Принимая во внимание, что более половины деформирующегося земляного полотна на Западно-Сибирской железной дороге — пучины, борьба с этим явлением имеет одно из первостепенных значений.

До 1998 г. применение пенополистирола имело эпизодический характер, как мера по борьбе с локальным проявлением морозного пучения. С 1998 г. началась массовая укладка пенополистирола как элемента капитального ремонта пути. Средний расход пенополистирола в год за последние пять лет составил 18,1 тыс. м3, а в протяженности пути — 101 км в год.

Более половины всех пучинных участков на Западно-Сибирской ж.д. располагаются на насыпях, около трети — в выемках и полувыемках, остальная часть — на нулевых местах.

Встепных районах Кулунды, Прииртышья, Алтая выпадает мало атмосферных осадков; земляное полотно здесь в основном представлено насыпями незначительной высоты, сложенными из однородных супесей, не вызывающих вредных вспучиваний при промерзании. Однако значительная часть дороги на востоке и в районах Кузбасса расположена в более неблагоприятных рельефных и гидрогеологических условиях. Здесь часто приходится сталкиваться с неравномерным пучением грунтов земляного полотна.

Всвязи с принятием курса на повышение скоростей движения поездов на Западно-Сибирской магистрали еще в 1998 г. остро встала проблема анализа существующего и прогнозирования послеремонтного водно-теплового режима земляного полотна. В 1999–2000 гг. СГУПСом под руководством кандидата технических наук Г.К. Щепотина была выполнена научно-техническая работа по теме «Реализация мероприятий по обеспечению эффективности противопучинных устройств с осуществлением контроля за качеством проектированияивыполнения капитальногоремонта пути нанаправлении Называевская — Новосибирск.

Необходимость выполнения данной работы возникла в связи с тем, что после разработки проекта усиленного капитального ремонта пути и укладки

в1998г.противопучинного пенополистирольногопокрытиянаучасткеНово- киевский—Петрушенко на 15,2 км протяженность пучин на следующий год увеличилась с 12,7 км до 27,7 км, т.е. более чем в два раза.

Рассматриваемый участок Называевская—Новосибирск проходит по За- падно-Сибирской низменности, которая характеризуется сложными физикогеографическими, геологическими и климатическими условиями. Здесь располагается зона сезонного промерзания, глубина которого в глинистых грунтах в соответствии со СНиПом составляет 2,2 м. Среднегодовая температура

5

пород положительная. Значительная протяженность участков имеет сырые основания насыпей.

При усиленном капитальном ремонтепути верхний, как правило, асбестовый слой балласта заменяется щебнем твердых пород, что, учитывая теплотехнические характеристики асбеста и щебня, приводит к значительному увеличению глубины промерзания, увлажнению глинистых грунтов земляного полотна и, соответственно, росту величины пучения. Пенопластовое покрытие укладывалось только на участки с пученим грунтов без учета сплошной вырезки теплоизолирующего асбеста. Этим и объяснялся всплеск пучин в 1999 г. на Называевской дистанции пути.

После первого неудачного опыта укладки теплоизолирующего покрытия на Называевской дистанции пути была разработана и в дальнейшем стала применяться другая методика теплотехнического расчета уже с учетом предыдущих ошибок. Дальнейшая работа по проектированию и укладке теплоизолирующих покрытий в последующее десятилетие на данном участке позволила при общей протяженности уложенного пенополистирола 176,5 км снизить длину пучинистых участков с 27,6 км в 1999 г. до 0,7 км в настоящее время.

При достаточно существенных объемах ежегодной укладки пенополистирольногопокрытиязапоследниедесять летнаЗападно-Сибирскойж.д.общая его протяженность сегодня составляет 1230 км. Это позволяет снижать количество пучинистых мест и препятствовать образованию новых.

Справедливости ради необходимо сказать, что кардинального улучшения по проблеме морозного пучения грунтов не достигнуто. Так, если по итогам 1998 г. протяженность земляного полотна с пучинами составляла 51,3 км, то на конец 2009 г. эта цифра составляет 45,2 км.

Достаточно небольшой эффект от укладки пенополистирола объясняется следующим образом. С 1998 г. железная дорога в целях подготовки инфраструктуры к тяжеловесному и скоростному движению поездов начала работу по переводупути с асбестового балласта на более мощный — щебеночный. А так как большая часть земляного полотна железной дороги сложена из пучинистых суглинков, появилась угроза возникновения пучин после того, как будет вырезан слой асбеста, являющийся хорошим утеплителем. Поэтому слой пенополистирола укладывался взамен вырезаемого асбеста для профилактики образования морозного пучения. В то же время большая часть пучинистых мест расположена на малодеятельных участках Томск—Белый Яр, Топки—Анжерская, Новокузнецк—Таштагол, где ремонты пути с укладкой пенополистирола пока не проводились.

В рекордно холодную зиму 2009–2010 гг. среднемесячные температуры на 6–7 °С нижеобычных при увеличении периодовнизких температур вызвали промерзаниегрунтов до80 см ниже обычныхуровней,чтосоздало условия захвата морозоопасных грунтов и приближения уровня грунтовых вод к

6

границе сезонного промерзания. Данные условия привели к тому, что на ряде участков дороги в местах, где никогда не было проявления морозного пучения, оно возникло. Все это тоже прогнозируемо не приведет в этом году к значительному уменьшению пучинистых участков.

Следует отметить, что борьба с образованием пучин на дороге ведется не только укладкой теплоизолирующих покрытий. С 1999 г. парк путевых машин тяжелого типа на Западно-Сибирской ж.д. пополнился тремя кюветокопателями типа СЗП-600 и МНК-1. С целью осушения и предотвращения обводнения грунтов основной площадки в выемках началась широкомасштабная работа по восстановлению старых кюветов и нарезке новых. Сегодня таких машин на дороге уже шесть штук. Работа в данном направлении продолжается, инадо заметить, что онаприносит определенные положительные результаты в борьбе с явлением пучинообразования.

Кроме этого также себя хорошо зарекомендовало устройство забивных дрен из перфорированных металлических труб, выполненных для осушения основной площадки и верхней зоны земляного полотна на подходе к мосту через реку Камышанка на 15-м км перегона Топки—Ишаново.

Нарядус традиционнымидлянасметодамиведенияборьбыс пучинамина Западно-Сибирской ж.д. при проведении ремонтов пути планируется применение новых современных материалов и технологий. Так, уже в этом году на реконструкции верхнего строения пути на перегоне Фадино—Карбышево-2 будет опробована технология «Консолид».

Суть системы «Консолид» заключается в стабилизации грунтов путем введения в них специальных химических добавок. Этим достигается уменьшение водонасыщения грунтов основной площадки вплоть до полной водонепроницаемости, увеличению плотности, снижению набухаемости и пучинистости.

Ксожалению, у некоторых путейцев существует мнение, что пучины зимой — неизбежное явление. Такое мнение, конечно, лишено всякого основанияи служитлишьдоказательством недооценкитех отрицательных результатов, которыеприносят пучины, и недостаточной квалификации этих работников в области борьбы с данными деформациями.

Практика показывает, что борьба с пучением особенно эффективна в том случае, если профилактические и капитальные мероприятия осуществляются

вкомплексе. Выбор их определяют исходя из технической и экономической целесообразности.

Кпрофилактическим мерам следует отнести:

—систематическое наблюдение за появлением и развитием пучин;

—обновление балластного слоя при среднем и подъемочном ремонтах пути, планово-предупредительные работы текущего содержания, своевременное устранение выплесков;

7

—наблюдение и содержание в рабочем состоянии кюветов, нагорных и водоотводных канав, дренажей.

Капитальные мероприятия направлены на коренное улучшение состояния земляного полотна, исключающее возможность образования пучин. К капитальным мероприятиям относятся:

—устройство прерывателей капиллярного подъема воды, устраняющих

еемиграцию к фронту промерзания;

—осушение пучинистых участков при помощи дренажей, лотков, кюветов для отвода поверхностных и грунтовых вод от полотна дороги;

—замена пучинистых грунтов основной площадки, а также балластного

слоя;

—уменьшения глубины сезонного промерзания грунтов за счет устройства теплоизоляционных слоев;

—ремонт земляного полотна.

Взаключение хотелось быотметить,чтопучины,какиболезнь учеловека, следует лечить,недопуская еепереходав хроническуюстадию, когда последствия могут быть самыми плачевными. Все пучинистые места должны быть взяты научет.Взимнийпериодзанимидолжно быть установленопостоянное наблюдение с инструментальным измерением роста пучин. В летний период обязательно должны быть проведены меры по их лечению. Для составления проектов ремонта пути необходимо выполнить инженерно-геологическое обследование земляного полотна в соответствии с требованиями действующих нормативных документов. Имея всю исходную информацию, легко найти глубину промерзания и, соответственно, величину пучения любого подрельсового основания и, как следствие, принять конструктивно правильное решениепо ликвидацииили недопущению проявленияданной деформации.

УДК 625.123:624.143

А.Л. Исаков, Ким Хюн Чол (аспирант СГУПСа)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ПОЛИГОНЕ СГУПСа

Проблема морозного пучения грунтов, несмотря на кажущуюся ее локальность, является одной из наиболее значимых при эксплуатации железных дорог в Северном полушарии. По происхождению и характеру проявления морозное пучение подразделяется на сезонное, связанное с промерзанием и оттаиванием грунтов основания земляного полотна железных дорог в годовом цикле, и многолетнее, вызванное перманентным промерзанием толщи грунта. И тот и другой вариант морозного пучения имеет место на протяженных участках Транссибирской магистрали. Классическим регионом в проявлении пучения грунтов является Забайкальский участок Байкало-Амурской

8

магистрали. Здесь можно встретить весь спектр проявления морозного пуче- ниягрунтов—отодиночныхвключенийледяныхлинзиналедейдомасштаб- ных участков вечной мерзлоты, частичное оттаивание которой в летний период может привести к полному отказу пути, т.е. к полной остановке движения поездов. Все вышеупомянутые регионы объединены одной особенностью — сильно увлажненными суглинистыми грунтами, которые в условиях сурового резкоконтинентального климата превращаются в настоящую мину замедленного действия для эксплуатируемых железных дорог. Чтобы обезвредить эту мину, недостаточно одного опыта специалистов-практиков, которые чаще всего пользуются традиционным подходом, устраняя проблему после ее появления. Задача исследователей — прогнозирование потенциально возможных вредоносных явлений и, в сотрудничестве с практиками, разработкамер понедопущению появленияподобныхпроблем,чтобы сними не приходилось бороться постфактум. Решение этой задачи невозможно без надежного метода оценки процессов промерзания и оттаивания грунтов основания земляного полотна железных дорог, учитывающего весь спектр климатических факторов и внешних условий в проблемных регионах.

На полигоне СГУПСа в 2009 г. было завершено строительство полномасштабной модели земляного полотна, где, в частности, были заложены возможности исследования процессов промерзания и оттаивания грунтов в годовом цикле с учетом теплоизолирующих покрытий. Целью этих исследований являетсяразработка математической модели теплофизических процессов, происходящих в теле земляного полотна с учетом таких факторов, как суточное изменение температур, солнечная радиация, влажность грунтов, толщина снежного покрова и пр.

Земляное полотно полномасштабной модели представлено насыпью из суглинкасвлажностью награнице текучестиWL = 0,25.Высотанасыпи—2 м. Ширина основной площадки земляного полотна — 7,3 м. Толщина балласта — 60 см. В качестве теплоизолирующего покрытия использовался «Пено- плекс-45» толщиной 4 см.

На рис. 1 представлена схема экспериментов по регистрации температурных полей в теле полномасштабной модели земляного полотна.

Измерения температуры в теле насыпи проводились в течение шести месяцев зимнего сезона 2009/10 г. На рис. 2 показаны характерные графики распределения температур в теле земляного полотна с учетом теплоизолирующего покрытия и без него в различные периоды зимнего сезона. Среднемесячнаятолщинаснежногопокровананасыпиколебалась от10–15 см вноябре до 25–30 см в марте.

9

Рис. 1. Схема эксперимента по регистрации температурного поля земляного полотна по его глубине

На представленных графиках рис. 2, а хорошо виден участок резкого изменения температуры по глубине в зоне расположения пенополистирола. Перепад температур в слоях грунта, расположенных над пенополистиролом и сразу под ним, в течение зимы достигал 10°С и более.

Рис. 2. Графики температурного поля земляного полотна по его оси: с пенополистиролом (а) и без него (б)

На сводномграфике рис.3 представленысравнительные результаты измерений глубины промерзания и оттаивания грунта под основной площадкой земляного полотна, оборудованной теплоизолирующим покрытием и без

10