754

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ, МЕХАНИКА ГРУНТОВ, ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

Сборник трудов научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения д-ра геол.-мин. наук, проф. Ф.А. Никитенко

НОВОСИБИРСК 2011

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

В сборнике статей представлены результаты научных исследований по вопросам инженерной геологии, механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению. В работах рассмотрен широкий спектр проблем: инженерногеологические условия Кузбасса, Западной и Восточной Сибири, организация работ нулевого цикла в сложных инженерно-геологических условиях, экспериментальные вопросы моделирования поведения сыпучих сред и численное моделирование карстовых процессов, новые строгие решения теории предельного равновесия грунтов, вопросы мониторинга и усиления земляного полотна и многие другие. Также представлены обзорные доклады по строительствурядакрупныхолимпийскихобъектовв г.Сочи.Сборникможет быть полезным аспирантам, ученым и инженерам, специализирующимся в области проектирования и расчетов фундаментов, оснований и земляного полотна.

4

УДК 371.315

А.М. Караулов, C.И. Черноусов

КАФЕДРА «ГЕОЛОГИЯ, ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ» СГУПСа

В 1959 г. кафедра «Геология, основания и фундаменты» организационно оформилась как самостоятельная единица в составе факультета мостов и тоннелей. Возглавил ее доцент, выпускник Иркутского государственного университета Федор Андреевич Никитенко, который в течение многих лет работал на инженерно-геологических изысканиях в Центральной Сибири, на Дальнем Востоке, на изысканиях Байкало-Амурской магистрали. По результатам изыскательских работ он защитил кандидатскую диссертацию по проблеме склоновых процессов Забайкалья. В 1964 г. Федор Андреевич защитил докторскую диссертацию «Лессовые породы Новосибирского Приобья».

Период 60-х гг. можно считать временем формирования основных научных направленийв исследовательскойработе кафедры,которые развиваются и в настоящее время. Прежде всего, это относится к инженерной геологии. В этой области проф. Ф.А. Никитенкобыло доказано, что формирование лессовых пород Приобья не является однотипным для всего региона, а имеет различную природу в зависимости от географического положения рассматриваемой территории и исторических условий осадконакопления. Лессовые породы рассматривались в своемразвитии, заключающемсяв эволюционном переходе рыхлых мелкоземистых осадков в плотные известково-глинистые породы. Отсюда разнообразие физико-механических свойств лессовых пород, занимающих огромные территории Западной Сибири.

Идеи Ф.А. Никитенко были развиты в трудах его многочисленных учеников — И.Г.Ермакова, В.И.Шарова, И.Г.Чарушникова, Печерского, Л.К. Петренко, М.А. Малышева, Л.А. Рождественской, Ю.Н. Казакова, Е.П. Кабанова, В.С. Арефьевой, Б.Ф. Михальченко, Г.П. Хорольской. Творческое продолжение учения Ф.А. Никитенко о четвертичных отложениях Сибири было реализовано его учеником, ныне профессором С.И. Черноусовым. На основании научного анализа фактического материала о физико-механических свойствах рыхлых пород Западной Сибири и Алтая, С.И. Черноусовым было установлено, что состав и генезис покровных отложений устойчиво соотносится с геоморфологическими элементами. Это позволяет составлять научно обоснованные таблицы физико-механических характеристик грунтов, что особенно важно для практической геотехники.

Направление научных исследований в области механики грунтов связано с деятельностью известного в нашей стране и за рубежом ученого, доктора технических наук, профессора Юрия Ипполитовича Соловьева. Прежде всего, им была решена так называемая задача Прандтля для общего случая весомой сыпучей среды. Это решение позволило получить теоретически

5

обоснованные коэффициенты несущей способности основания для условий плоской деформации. Далее, Ю.И. Соловьевым был всесторонне развит кинематический метод теории предельного равновесия грунтов, а также сформулирована общая постановка задач в рамках упомянутой теории, включающая в себя статическое, кинематическое решения и их совместность.

Ю.И. Соловьевым было положено начало развитию вариационного подхода к оценке устойчивости откосов и склонов. Впервые был дан метод нахождения экстремального очертания линии скольжения в рамках расчетной схемы метода отсеков. Значительный интерес представляют предложенная Ю.И. Соловьевым модель упругопластического деформирования грунта с упрочнением. Введенные им две поверхности нагружения применялись впоследствие в большинстве моделей грунта.

Научное и практическое значение имеют решения прикладных задач теории устойчивости, предложенные Ю.И. Соловьевым и развитые в работах его аспирантов. Здесь необходимо отметить созданную теорию мгновенной прочности и теорию устойчивости консолидирующихся грунтов. Указанные решения дают оценку несущей способности полностью водонасыщенных глинистых грунтов, т.е. слабых оснований, широко распространенных на территории Западной Сибири. Ю.И. Соловьевым был введен оригинальный метод получений эпюр предельного давления заданного очертаний. И, как пример, получено решение для трапецеидальной эпюры предельного давления, примененное для оценки устойчивости слабых оснований дорожных насыпей.

Идеи Ю.И. Соловьева реализуются в работах его учеников В.В. Егорова, Ю.П. Смолина, А.Ф. Кима, В.П. Писаненко, П.С. Ваганова, А.М. Караулова, А.В. Крайванова.

Механике мерзлых грунтови особенностямфундаментостроения натаких грунтах была посвящена деятельность докторатехнических наук,профессора Виктора Исаковича Пускова. Еще в первый период своей научной деятельности В.И. Пусковопубликовал монографию в двух частяхо физико-механичес- ких свойствах мерзлых грунтов и принципам проектирования фундаментов на многолетнемерзлых грунтах. Этот оригинальный труд до сих пор не потерял своей актуальности и используется как в целях реального проектирования, так и для обучения студентов.

Основное направление исследованийв областимерзлых грунтов заключаетсявисследованииформированияиразвитиянормальныхикасательныхсил морозного пучения. Для экспериментального определения касательных сил морозного пучения в лабораторных условиях большой холодильной установки создан специальный прибор. Другим направлением является разработка и реализация мероприятий по нейтрализации сил морозного пучения. И здесь, под руководством В.И. Пускова была сконструирована специальная установ-

6

ка, позволяющая наносить антифрикционное покрытие на боковую поверхность свай в зоне пучения грунта. Эта установка успешно использовалась на лечении свайно-эстакадныхмостов железной дорогиАбакан—Тайшет.Инте- ресная работа была выполнена В.Ф. Скоркиным по исследованию эффекта стороннего пучения грунта. Под руководством В.И. Пускова в содружестве с Г.Н. Полянкиным иА.Ф. Кимом был созданаппарат численного моделирования процесса пучения на базе метода конечных элементов. Интересные исследования в области морозного пучения были выполнены М.Я. Крицким — учеником В.И. Пускова. Ими была разработана теория о взаимодействии промерзающего грунта с кустом свай с учетом их взаимовлияния.

Исследования в области динамики грунтови земляного полотна железных дорогпроводятся накафедре втечении многихдесятилетий.Этонаправление было сформировано Ю.П. Смолиным и И.З Лобановым. И.З. Лобановым былополучено решение онапряженномсостояниив железнодорожныхнасыпях и приоткосных частях выемок,а также решение о развитии пластических деформаций в основаниях, сложенных слабыми грунтами. Эти данные широко использовались при проектировании насыпей и водопропускных труб под насыпями. Под руководством Ю.П. Смолина в течение многих лет проводились полевые исследования колебаний земляного полотна от воздействия подвижного состава на действующих железных дорогах Тюмень—Сургут, Камень—Алтайскаяи др. Данные,полученныев этих исследованиях, способствовали надежному проектированию вторых путей дороги Тюмень—То- больск. Результатом этой работы явились рекомендации по расчету земляного полотна железных дорог, в том числе на слабых грунтах, с учетом вибродинамических воздействий от поездной нагрузки. На кафедре действовал вибростенд и постоянно проводятся полевые измерения вибродинамических воздействий для различных сооружений. Ю.П. Смолин по результатам этих исследований была защищена докторская диссертация.

Большое местовнаучно-исследовательской работекафедры имеютэкспериментальные исследования как в лаборатории, так и в полевых условиях. Организацияиоснащение этих работпроводиласьподруководством П.С. Ваганова. Здесь следует отметить уникальный датчикпорового давления,разработанный и сконструированный П.С. Вагановым и Н.З. Мокиным. Опыты, выполненные с использованием этого датчика, позволили существенно уточнить значения коэффициента порового давления в различных глинистых грунтах. На специальной осесимметричной установке исследовались устойчивость стенок скважин и несущая способность оснований круглого штампа. Особое место в деятельности П.С. Ваганова и научно-исследовательской лаборатории имело разработка методов усилений оснований деформирующихся и реконструируемых зданий и сооружений и их реализация. Фактически, П.С. Вагановым было сформировано направление по обследованию осно-

7

ванийи последующемуих усилению вслучае необходимости. Данныеработы приобрели в настоящее время приоритетный характер.

Внастоящее время продолжениеисследований в области теории устойчивости грунтов реализуется д-ром техн. наук А.М. Карауловым. Им получены общие осесимметричные статические решения теории предельного равновесия грунтов об устойчивости оснований круглых и кольцевых фундаментов. Кроме того, в общем виде решен важный вопрос метода отсеков об экстремальной системе сил взаимодействия. Также разработана система расчетов оползневых массивов, включающая в себя конечноэлементное моделирование их поведения с учетом свойств ползучести и пластичности грунтов.

Молодой ученый К.В. Королев начал свою научную деятельность с решения совершенно новой задачи о несущей способности нескольких штампов с учетом их взаимовлияния. Результаты этой работы в полном виде отражены

вего диссертации и составляют, по-существу, новую главутеориипластичности грунтов. В настоящее время канд. техн. наук К.В. Королевым проводятся исследования по совершенствованию упругопластической модели грунта и несущей способности консолидирующихся оснований.

В1967 г. былаорганизована научно-исследовательская группа «Геология, основания и фундаменты». Первым руководителем которой был инженер И.З. Буканц. В разные годы эту группу возглавляли кандидаты технических наук П.С. Ваганов, В.В. Егоров, Д.Г. Господинов, А.М. Караулов. Научное руководство хоздоговорной тематикой осуществляли ведущие преподаватели кафедры Ю.И. Соловьев, В.И. Пусков, С.И. Черноусов, И.З. Лобанов, Ю.П. Смолин, П.С. Ваганов, А.М. Караулов. Под их руководством был выполнен ряд важных научно-исследовательских работ, основные результаты которых нашли отражение в нормативных документах по проектированию железных дорог, в ГОСТ на лабораторные исследования грунтов.

С начала 1990-х гг. основными направлениями научной деятельности кафедры иНИЛ становитсяобследование деформируемых зданийи сооружений, а также закрепление грунтов основания. По инициативе В.И. Пускова, П.С. Ваганова, М.Я. Крицкого осваивается и внедряется в практику деятельности научно-исследовательской группы метод закрепления грунтов силикатизацией в различных модификациях. Первыми объектами, на которых было реализовано закрепление грунтов, являлись ДК «Железнодорожников» в г. Белово Кемеровской области (силикатизация) и вокзал «НовосибирскГлавный» (газовая силикатизация). В последующем набор технологий, связанных с закреплением, упрочнением и армированием грунтов стал расширяться. Интенсивно внедряются в практику новые способы упрочнения грунтов с помощью пневмопробойников, раскатчиков скважин, метод инъекции и др.

В1998 г. научно-исследовательская группа приобретает статус лаборатории и входит под руководством М.Я. Крицкого в состав образованного

8

научного инженерного дорожного центра нашего университета под названием научно–исследовательская лаборатория «Геология, основания, фундаменты и земляное полотно». Сэтого момента к основным направлениям деятельности лаборатории добавляются инженерно-геологические изыскания транспортных сооружений, обследование и диагностика больных участков земляного полотна железных и автомобильных дорог, разработка рекомендаций и проектов по лечению болезней земляного полотна и реализация этих рекомендаций на практике.

Направление, связанное с восстановлением эксплуатационной надежности земляного полотна железных и автомобильных дорог было развито М.Я. Крицким. Под его руководством совместно с Институтом горного дела СО РАНв лабораториисформирован комплекс мобильных машини механизмов для стабилизации деформаций земляного полотна. Активно внедрялись

впрактикуметоды геофизического обследованиябольных участков. Впервые

встране создана классификациядеформаций земляногополотна автомобильных дорог. Разработаны технологические карты стабилизации деформаций земляного полотна железных и автомобильных дорог нетрадиционными методами. Некоторые из предлагаемых технологий апробированы на сложных объектах Западно-Сибирской и Забайкальской дорог и зарекомендовали себя с лучшей стороны.

Новое поколение сотрудников активно работает на кафедре и в лаборатории. В последнее время руководство лабораторией осуществляет А.Л. Ланис. А.Л.Ланисом была защищенакандидатская диссертация на тему«Совершенствование метода напорной инъекции для упрочнения земляного полотна». Преподаватель кафедры В.В. Бессонов под руководством доц. К.В. Королева подготовил к защите интересную диссертацию, в которой уточняет формулу нормативных документов по определению несущей способности оснований.

Основным ориентиром учебной, методической и научной работы кафедры неизменно является повышение качества подготовки инженеров и специалистов высшей квалификации.

УДК 625.12:624.131.55

К.В. Востриков, Ю.П. Смолин

ИССЛЕДОВАНИЕ УСКОРЕНИЙ КОЛЕБАНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ В ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ НАСЫПЯХ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПОЕЗДОВ

Известно, что вибрационное воздействие поездов является одной из основных причин снижения прочности грунтов земляного полотна и появления дополнительных деформаций верхнего строения пути и основной площадки. Лечение таких болезней земляного полотна производят различными методами усиления (цементация, силикатизация и др. укрепляющие материалы). В

9

результате усиления изменяются физические и механические свойства грунтов насыпи.

Объемы применяемых при закреплении материалов назначаются ориентировочно и могут существенно превышать требуемые. Для того, чтобы исследовать на сколько увеличивается прочность насыпи от того или иного объема закрепленного грунта, необходимо проведение комплекса полевых и лабораторных исследований на экспериментальных участках и опытных образках.

Для проведениятакого рода исследованийбыливыбраны насыпи, усиленные ранее напорной инъекцией цементно-песчанго-глинистого раствора. Данные насыпи располагаются на подходе к мосту через реку Камышанка на 15 км перегона Дедюево — Буреничево, а также над водопропускной трубой на перегонеАлтайская— Бийсккм 87 ПК4+95Западно-Сибирской железной дороги.

Для регистрации параметров вибродинамических колебаний необходимы устройства, которые бы фиксировали параметры колебаний при движении поездакакнаповерхностинасыпи(наоткосе), такивтелеземляногополотна.

Железнодорожные насыпи сооружаются из различных по структуре и разновидности (сыпучие, связные) грунтов и могут содержать в себе грунтовую воду, лед и другие примеси и включения. Изучение параметров колебаний, в таких условиях, осложняется подбором соответствующих регистрирующихдатчиков,таккак книмдолжны предъявляться особыетребованияк их герметичности и коррозионной стойкости при воздействии влаги, а масса погруженного втело насыпи датчика должена соответствовать массе замещаемого им грунта.

Выпускаемые в настоящее время акселерометры не позволяют производить замеры параметров ускорения колебаний в таких средах, как грунт и их трудно установить в тело насыпи. В связи с этим, авторами, для полевых исследований, пришлось применять вибродатчики собственного изготовления, для чего попутно пришлось разработать и изготовить специальную регистрирующую аппаратуру. Для записи и обработки полученных данных применялись специальные программные продукты: «PowerGraph Professional v.3.3» и «Tenzor v.2».

Для изготовления датчиков ускорения были приобретены интегральные акселерометры типа ADXL 203 фирмы Analog Devices, представленные на рис. 1, с диапазоном измеряемых вертикальных и горизонтальных ускорений колебаний ±1,7g. Размеры данного акселерометра составляют 1,78 4,5 5,0 мм.

Акселерометры ADXL 203 напаивались, по специально разработанной схеме, на плату (рис. 2), которая затем помещалась в металлический корпус цилиндрической формы.

10