МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Кафедра региональной и морской геологии

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ (ДИПЛОМНАЯ) РАБОТА

Исследование физико-механических свойств глинистых грунтов для оптимального подбора инженерных мероприятий для усиления основания железной дороги (на примере участка Краснодар-Туапсе)

Работу выполнила А. А. Паранук Факультет геологический Специальность 20 304 «Гидрогеология и инженерная геология»

Научный руководитель к.г.-м.н., доцент И. В. Иванусь Нормоконтролер к.г.н., доцент О. Л. Донцова Краснодар 2013

РЕФЕРАТ ПАРАНУК А. А. Исследование физико-механических свойств глинистых грунтов для оптимального подбора инженерных мероприятий для усиления основания железной дороги. на примере участка Краснодар — Туапсе (дипломная работа). 46 л. текста, 17 рис., 8 табл., прил. 36л., 23источников.

Дипломная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В работе рассмотрены инженерно — геологические условия участка изысканий. Объект исследования, грунты, свойства грунтов, гидрогеологические условия, геологические процессы и инженерно-геологические процессы района исследования. Приведены современные способы укрепления откосов насыпи. Произведен расчет устойчивости склона насыпи. На основе проведенного анализа сделаны выводы о проведении необходимых и экономически приемлемых мероприятий по защите и укреплению основания железнодорожной ветки Краснодар — Туапсе.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА. Основание насыпи, глинистые грунты, физико-механические свойства, деформации, георешетка, геотекстиль, геодренаж, буроинъекционные и буронабивные сваи, подпорная стенка, устойчивость склонов.

Составила А.А. Паранук

СОДЕРЖАНИЕ грунт железная дорога буронабивной

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. Инженерно-геологические условия района проведения изысканий
• 1.1 Объект исследования
• 1.2 Грунты
• 1.2.1 Физические свойства грунтов
• 1.2.2 Особые свойства грунтов на рассматриваемой территории
• 1.2 Гидрогеологические условия
• 1.3 Опасные геологические процессы
• 2. Исследование особенностей свойств и инженерно-геологических процессов района исследования
• 2.1 Исследование свойств грунтов
• 2.2 Исследование инженерно-геологических процессов района исследования
• 3. Определение и выбор мероприятий для обеспечения устойчивости ж/д полотна
• 3.1 Объемная георешетка
• 3.2 Геодренаж
• 3.3 Геотекстильное полотно
• 3.4 Буроинъекционные сваи
• 3.5 Буронабивные сваи
• 3.6 Буронабивные сваи по разрядно-импульсной технологии
• 4. Расчеты устойчивости склона
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
• ВВЕДЕНИЕ
• В связи с интенсивным строительством и реконструкцией железной дороги при подготовке к проведению Олимпиады в Сочи появилась необходимость увеличения пропускной способности железных дорог.
• Между городами Сочи, Туапсе и Краснодар существует сложившаяся сеть ж/д путей которая несет на себе всю нагрузку по транспортным перевозкам грузов и пассажиров. Земляное полотно на данном участке было отсыпано в 1969 году под один путь. Необходимо отметить, что деформации земляного полотна в значительной степени связаны с набухающими и усадочными свойствами глин. За время эксплуатации пути пропускная способность несколько увеличилась, что способствовало значительным деформациям рельсового пути и насыпи. Путь устроен на насыпных грунтах и на обоих бортах насыпи фиксировалось проявление склоновых оползневых процессов — смещение и проседание рельсовых путей, отклонение от вертикали опор контактной сети.
• Рис. 1. Видны опоры, отклоняющиеся от вертикали
• Общие деформации земляного полотна по состоянию на конец 2010 г. по сети железных дорог Российской Федерации составляют 6% от ее общей протяженности. При этом осадки земляного полотна на слабых основаниях составляют 10,67%.
• Для увеличения пропускной способности железнодорожной ветки Краснодар — Туапсе необходимо укрепить железнодорожную насыпь, чтобы предотвратить дальнейшие деформации.
• Были проведены исследования тела насыпи с целью определения устойчивости откосов. После исследования пришли к выводу о не соответствии всем требованиям предъявляемым к транспортной сети для подготовки к Олимпиаде и увеличения пропускной способности.
• Поэтому необходима реконструкция старого ж/д пути, причем движение поездов во время реконструкции должно продолжаться. Исходя из всех вышеперечисленных факторов встал вопрос о подборе оптимального метода инженерных мероприятий для усиления основания ж/д полотна.
• Цель работы — исследование физико-механических свойств глинистых грунтов для оптимального подбора инженерных мероприятий для усиления основания железной дороги.
• Рис. 2. Видны опоры, отклоняющиеся от вертикали, деформация пути
• 1. Инженерно-геологические условия района проведения изысканий

1.1 Объект исследования

Объект — 1659 — 1660 км. участка Краснодар — Туапсе СКЖД. Насыпь железнодорожного полотна.

Участок изысканий находится в Тахтамукайском районе республики Адыгея, между станциями Шенджий и Псекупс. Общая протяженность участка изысканий составляет 500 м. земляное полотно отсыпано в 1969 году под один путь.

В геоморфологическом отношении участок расположен в поясе предкавказских передовых прогибов — аккумулятивная равнина, наклоненная в сторону от Кавказского хребта и расчлененная речными долинами.

Рельеф участка спокойный, местами с небольшим уклоном. Абсолютные отметки по средней полосе земляного полотна изменяются от 47,57 м. до 51,36 м.

Участок изучен на глубину 3,0…16,0 м. В соответствии с классификацией грунтов, установленной [6], слагающие площадку грунты представлены техногенными грунтами, современными глинами и глинистыми отложениями неогенового возраста.

1.2 Грунты

1.2.1 Физические свойства грунтов

На основании анализа результатов статистической обработки и в соответствии с классификацией грунтов выделены следующие инженерно-геологические элементы (ИГЭ):

ИГЭ-Щ (tQIV) — насыпной слой — поверхностная отсыпка дресвяного грунта неоднородного;

ИГЭ-Н (tQIV) — насыпной слой — глина лёгкая пылеватая полутвердая непросадочная слабонабухающая с примесью органических веществ;

ИГЭ-ПГ (eQIV) — грунты почвенно-гумусированного комплекса — глина лёгкая пылеватая полутвёрдая непросадочная ненабухающая с примесью органических веществ;

ИГЭ-1 (N) — глина лёгкая пылеватая твёрдая непросадочная средненабухающая с примесью органических веществ.

Границы распространения выделенных расчетных грунтовых элементов отображены на инженерно-геологических разрезах в графической части.

Сводная характеристика значений основных показателей физико-механических свойств грунтов, полученных по материалам изысканий и рекомендуемые нормативные значения приведена в таблице 1. В данной таблице:

1. физико-механические свойства по насыпным грунтам приведены минимальные и максимальные, рекомендованы наихудшие значения.

2. Модуль деформации, удельное сцепление и угол внутреннего трения по всем ИГЭ рекомендованы по результатам трёхосного сжатия в стабилометрах

Нормативные значения гранулометрического состава грунтов выделенных ИГЭ приведены в таблице 2.

Выборки частных определений показателей физико-механических свойств грунтов по выделенным грунтовым элементам, а также статистические критерии их распространения в выборке приведены в приложении 1

Таблица 1

Сводная характеристика значений основных показателей физико-механических свойств грунтов

Таблица 2

Нормативные значения гранулометрического состава

Таблица 3

Минимальные и максимальные значения физико-механических свойств грунтов

Таблица. 4

Нормативные и расчетные значения физико-механических свойств грунтов

Таблица 5

Нормативные и расчетные значения физико-механических свойств грунтов

Для насыпных грунтов приведены минимальные и максимальные значения физико-механических значений величин, рекомендованы наихудшие значения.

Прочностные и деформационные характеристики грунтов ИГЭ Н, ПГ, 1 определены методом трёхосного сжатия в стабилометрах. Кроме этого, для грунтов ИГЭ Н, ПГ прочностные свойства определены методом неконсолидированного среза при полном водонасыщении и по заранее подготовленной поверхности, а деформационные свойства изучены компрессионными испытаниями методом «одной кривой». Модули общей деформации определялись в интервале давлений 0,1…0,2 МПа, коэффициент «mk» принят по сравнительному анализу результатов определений путем трёхосного сжатия в стабилометрах и испытаний в компрессионных приборах.

Нормативные и расчетные значения показателей физико-механических свойств по ИГЭ приведены в таблицах 3 — 5.

Результаты химического анализа водных вытяжек отражены в приложении 2. Расчетные значения содержания компонентов для оценки агрессивности грунтов до глубины 8 м в зоне аэрации следующие[17]:

Согласно таблице 4[13] степень агрессивного воздействия грунтов на конструкции из бетона и железобетона по худшим показателям частных определений сульфатов и хлоридов приведена в таблице 6

Таблица 6

Степень агрессивного воздействия грунтов на конструкции из бетона и железобетона

1.2.2 Особые свойства грунтов на рассматриваемой территории

Специфическими грунтами на площадке изысканий являются насыпные грунты ИГЭ Д, Н, органо-минеральные глины, содержащие органические вещества, ИГЭ ПГ, 1 и Н, а также набухающие глины ИГЭ Н и 1.

Насыпными грунтами отсыпано дорожное полотно железнодорожной насыпи. Балластная призма представлена сверху дресвой (ИГЭ Д) толщиной 0,3−2,3 м. Ядро насыпи отсыпано глиной желто-бурой, темно-бурой до черного, серой с показателем текучести от твердого до тугопластичного (ИГЭ Н).толщина насыпных глин 0,6…9,50 м.

Глины, образующие ядро насыпи железнодорожного полотна (ИГЭ Н), современные грунты почвенно-гумусированного комплекса (ИГЭ ПГ), толщина слоя которых 0,3…1,8 м. и неогеновые глины (ИГЭ 1), вскрытая толщина которых 1,7…8,7 м. содержат в своём составе органические вещества и подразделяются согласно на грунты с примесью органических веществ (Iom=0.050…0.090).

Набухающие свойства проявляют: глины ИГЭ Н — слабонабухающие (оѕw=0.074), глины ИГЭ 1 — средненабухающие (оѕw=0.114). Величины относительной деформации набухания и давления набухания, полученные при испытании грунта в приборах ПНГ, приведены в таблице 7.

Таблица 7

Величины относительной деформации набухания и давления набухания

1.2 Гидрогеологические условия

Грунтовые воды при бурении были вскрыты в глинистых грунтах насыпного слоя и почвенно-гумусированного комплекса, воды не образуют единого водоносного горизонта, здесь можно говорить о грунтовых водах спорадического распространения. Питание осуществляется за счет атмосферных осадков. Уровень грунтовых вод зафиксирован на глубинах 2,0…3,0 м. водоупором служат неогеновые глины.

Таким образом, тело насыпи железной дороги является местами водонасыщенным и практически подтопленным. С целью отвода вод атмосферных осадков вдоль насыпи земляного полотна местами проложены бетонные водоотводные лотки, заросшие растительностью, которые не справляются со своевременным отводом ливневых и талых вод.

Результаты химических анализов грунтовых вод приведены в приложении… расчетные значения содержания отдельных компонентов, определяющих степень агрессивности грунтовых вод на конструкции из бетонов и железобетонов следующие:

Результаты химических анализов воды из временного потока приведены в приложении… Расчетные значения содержания отдельных компонентов, определяющих степень агрессивности воды ручья на конструкции из бетонов и железобетонов следующие[17]:

Согласно таблицам 5,6,7[13]воды ручья неагрессивны по всем показателям.

1.3 Опасные геологические процессы

К опасным геологическим процессам, присутствующим на территории изысканий, относится повышенная сейсмичность района. Сейсмичность района работ (ст. Энем) равна 8 — 9 баллам. В соответствии с грунты относятся к II категории по сейсмическим свойствам.

Площадка относится к III категории сложности инженерно-геологических условий.

2. Исследование особенностей свойств и инженерно-геологических процессов района исследования

2.1 Исследование свойств грунтов

В геолого-литологическом разрезе участка изысканий до разведанной глубины 3,0…16,0 м. мной были выделены следующие грунты:

— от 0 до 0,6…1,8 — (tQIV) — балластная призма представлена сверху насыпными грунтами — щебнем к подошве слоя с примесью дресвы и песка, вскрыты неповсеместно.

— от 0 до 0,5…10,0 (tQIV) — ядро насыпи представлено насыпными грунтами — глиной коричневато-бурой, темно-бурой до черного, серой разнородной по плотности скольжения с показателем текучести от твердого до тугопластичного, с примесью органических веществ до слабозаторфованных;

— от 0…10,0 до 0,8…10,5 м. (eQIV) — грунты почвенно — гумусированного комплекса, представленные глиной черной или тёмно-серой, с показателем текучести от твердого до тугопластичного, с примесью органических веществ до слабозаторфованной;

— от 0,8…10,5 до разведанной глубины 16,0 м. (N) — глина темно-серая, коричневато-серая, бурая, а ниже охристожелтая с показателем текучести от твердого (в основном) до полутвердого, с примесью органических веществ до слабозаторфованной, с множеством карбонатных включений, местами опесчаненная, с гидроокислами железа и марганца;

Рис. 3. неогеновая глина содержит много карбонатных включений

2.2 Исследование инженерно-геологических процессов района исследования

К инженерно-геологическим процессам, выявленным на участке изысканий, относятся склоновые процессы техногенного характера, оползневые процессы, периодически проявляющиеся на откосах тела насыпи в результате некачественного устройства насыпи, её периодически неравномерного увлажнения и, местами, подтопления, постоянных динамических воздействий, некачественно выполненного дренажа, грунтов почвенно-гумусированного комплекса, служащих основанием насыпи, крутизна склонов насыпи железнодорожного полотна.

Рис. 4. Пример оползня железнодорожной насыпи

Оползень — сползание и отрыв масс горных пород вниз по склону под действием силы тяжести.

Причиной образования оползней является нарушение равновесия между сдвигающей силой тяжести и удерживающими силами. Оно вызывается:

c увеличением крутизны склона в результате подмыва водой;

c ослаблением прочности пород при выветривании или переувлажнении осадками и подземными водами;

c воздействием сейсмических толчков;

c строительной и хозяйственной деятельностью.

При устройстве насыпи применялись неоднородные грунты: ядро насыпи отсыпано глиной жёлто-бурой, серой и чёрной, глины различной плотности, комковатые, вероятно отсыпались без послойного уплотнения.

Дренаж выполнен некачественно (комковатое сложение грунта служит причиной проникновения атмосферных осадков и, местами, скопления их в теле насыпи). Подушка из дренирующего грунта (песка) на участке изысканий отсутствует.

Основанием насыпи служат грунты почвенно-гумусированного комплекса, толщина которых достигает 1,9 м, а ниже залегает толща неогеновых глин, являющихся местным водоупором.

Все перечисленные причины привели к подвижке склонов и, как следствие, к вертикальным и горизонтальным деформациям рельсового пути и утрате их эксплуатационных качеств. При обследовании участка изысканий на обоих бортах насыпи фиксировались смещение и проседание рельсовых путей, отклонение от вертикали опор контактной сети.

Проседают обе рельсовые нитки пути, просадки неравномерные, чаще перекосные. Деформации выражаются в смещении обоих откосов, причем на наиболее высоких участках насыпи с крутыми откосами 10−12° - это оползневые процессы, а на менее высоких — деформации связаны с неоднородностью отсыпки ядра насыпи и других вышеперечисленных причин, сопровождающихся выпиранием грунта у подошвы насыпи, оседанием обочин, расползанием насыпи и как следствие — просадкой и сдвижкой пути.

Рис. 5. Видны опоры, отклоняющиеся от вертикали, проседание рельсового пути

3. Определение и выбор мероприятий для обеспечения устойчивости ж/д полотна

Сейчас существует множество различных способов укрепления откосов и улучшения дренажных систем. Эти методы можно условно разделить на:

· укрепление с помощью объемной георешетки,

· устройство геодренажа

· укрепление с помощью геотекстиля,

· укрепление с помощью буроинъекционных и буронабивных свай,

· укрепление с помощью монтажа подпорной стенки

3.1 Объемная георешетка

Объемная георешетка — это универсальная геосинтетика широкого спектра применения, представляющая собой структурированные модули из термоскрепленных полиэфирных полос, которые в растянутом виде приобретают форму трехмерной ячеистой решетки.

Рис. 6. Объёмная георешетка

При укладке объемные георешетки скрепляются между собой промышленным степлером, образуя цельное решетчатое полотно, которое затем заполняется насыпным наполнителем, образуя своеобразный полужесткий слой между основанием и насыпью, равномерно распределяющий нагрузку и закрепляющий поверхностный слой на грунтовом основании. Используя объемные геосинтетические материалы ячеистого типа, можно эффективно повысить прочность объектов дорожного строительства и увеличить их срок службы без необходимости увеличения бюджета. Объемные георешетки предотвращают размывание, рассыпание и пучение грунта, поддерживая стабильность работы дренажной системы и позволяя уменьшить толщину функциональной насыпи за счет надежного ее армирования. Также объемная георешетка демонстрирует эффективность применения в сфере ландшафтного дизайна и позволяет использовать в дорожных работах дешевые и некачественные насыпные материалы.

Преимущества применения

* сокращение толщины конструктивных слоёв и расхода инертных материалов;

* сокращение объемов земляных работ;

* сокращение сроков строительных работ;

* увеличение межремонтных сроков и уменьшение эксплуатационных расходов;

* совмещение функций усиления и дренажа конструктивных слоев;

* предотвращение неравномерных осадок;

* устойчивость к воздействию ультрафиолетового излучения, микробиологического воздействия, и воздействию агрессивной среды почвы;

* простота укладки и легкость транспортировки.

Укрепление откосов

· С применением георешеток укрепление откосов проводится с сохранением их природного вида;

· За счет возможности использования местных материалов низкого качества укрепление откосов георешеткой выполняется с минимальным объемом земляных работ;

· Полимерная георешетка устойчива к ультрафиолету и агрессивным химическим средам;

· Повышение устойчивости откосов к воздействию естественной эрозии;

· Георешетка перфорированная обеспечивает легкое проникновение корневой системы растительного слоя между смежными ячейками материала, за счет чего создается единый стабилизационный слой на поверхности укрепляемого откоса.

Укрепление дорожных и железнодорожных оснований

· Георешетки создают прочный слой с повышенной изгибной жесткостью;

· Обеспечивают равномерность распределения нагрузок, за счет чего снижается разрушающее воздействие при высоких нагрузках на основание;

· Защита несвязных материалов от расползания;

· Предотвращается преждевременное разрушение покрытий даже на слабых основаниях — защита от просадки, деформации, смещения, появления трещин;

· Снижается общая стоимость строительства;

Увеличивается эксплуатационный срок дорожных и железнодорожных оснований.

Устройство подпорных стен

· Экономичная альтернатива деревянным ряжам и бетонной стяжке;

· Георешетка позволяет возводить подпорные стены с использованием низкокачественного местного грунта;

· Объемные геосинтетические материалы позволяют возводить вертикальные подпорные стены с высокими показателями противоэрозийной и эксплуатационной устойчивости;

· Геосинтетика устойчива к морозам, перепадам температур, растрескиванию и другим внешним механическим повреждениям.

Применение объемных георешеток

* защита и укрепление откосов от эрозии;

* укрепление дорожных оснований;

* укрепление и строительство подпорных стен;

* укрепление железнодорожных оснований;

* защита балластировки трубопроводов;

* укрепление и защита водотоков;

* строительство временных дорог (зимников);

* укрепление слабых оснований;

* ландшафтный дизайн;

* строительство полигонов ТБО;

* армирование оснований трамвайных путей.

Рис. 7. Укрепление склона с помощью объемной георешетки

3.2 Геодренаж

http://www.armostab.ru/images/geodrenazh₁.jpgДренажный геокомпозит — это рулонный геосинтетический материал, конструктивно состоящий из полимерного основания (георешетка) и нетканой текстильной прослойки с одной или с обеих сторон. Данный материал применяется для создания дренажной системы водоотвода избытков влаги в гражданском, дорожном и гидротехническом строительстве. Благодаря своей составной конструкции, дренажный геокомпозит обеспечивает эффективность сбора и удаления с дренируемого участка территории грунтовых и поверхностных вод, а также поддерживает стабильность фильтрующей способности основания за счет предотвращения засоров фильтрующего слоя.

Универсальный дренажный композит обеспечивает эффективность своевременного водоотвода от строительных конструкций, защищая фундаменты зданий, основания автомагистралей и гидротехнические сооружения от преждевременного разрушения из-за подмыва, эрозии и других неблагоприятных последствий накопления избыточной влаги. В отличие от традиционных методов дренирования территорий, дренаж с применением геокомпозита является более простым в организации, эффективным в эксплуатации и экономичным по всем параметрам. Поэтому сегодня для создания качественной дренажной прослойки на различных объектах строительства все чаще применяются геосинтетические материалы в составных геокомпозитах.

Рис. 8. Дренажный геокомпозит

Создание дренирующих конструкций с применением дренажных геокомпозитов повышает эксплуатационную надежность строительных объектов без повышения временных и финансовых затрат на их устройство. Компактность, легкость, удобство применения и доступная стоимость по сравнению с традиционными дренажными технологиями делают использования дренажных композитов оптимальным на сегодняшний день решением. Так как в состав геокомпозита входят дренажные решетки повышенной прочности, такая комбинированная геосинтетика не только обеспечивает эффективность работы дренажной системы, но и сообщает грунтовому основанию строительного объекта дополнительную надежность и защиту от деформаций при высоких нагрузках. Таким образом, дренажные георешетки и дренажные сетки повышают эксплуатационные свойства материала и продлевают срок службы как дренажной прослойки, так и всего грунтового основания в целом.

Область применения:

· Устройство дренажа в автодорожном и железнодорожном строительстве

· Создание дренажных систем в тоннелях, подземных сооружениях, армогрунтовых конструкциях

· Вертикальный и пристенный дренаж

· Организация водоотведения на полигонах ТБО и искусственных водоемах

Рис. 9. Применение дренажного геокомпозита

3.3 Геотекстильное полотно

Геотекстильное полотно — это один из видов геосинтетиков, изготовление которого выполняется гидроскрепленным, иглопробивным или термоскрепленным методами из бесконечных полиэфирных или полипропиленовых нитей (мононитей).

Применение геотекстиля.

Разделение и армирование.

Дорожное строительство, строительство тоннелей

Фильтрация и дренаж

Строительство: жилищное, гидротехническое, техническое, железных дорог

Строительство путепроводов для транспортировки жидкостей и газа, водоемы, оросительные каналы

Рис. 10. Геотекстильное полотно

При строительстве железных дорог между грунтом и балластом повсеместно используется геотекстиль, который образует фильтрационный и разделительный слой, который в свою очередь эффективно предотвращает заливание земляного полотна мелкими частицами. При устройстве дренажной системы геотекстиль используется в качестве фильтра между грунтом и дренажным заполнителем, позволяя воде беспрепятственно проходить в дренажную систему. Геотекстиль образует армированный слой на мягких и слабых грунтах, обеспечивает несущую способность и распределение нагрузки земляного полотна.

Рис. 11. Применение геотекстиля в строительстве железных дорог

3.4 Буроинъекционные сваи

Буроинъекционные сваи применяются вблизи существенных сооружений, где невозможно использовать забивные сваи. При выполнении работ с буроинъекционными сваями отсутствуют динамические воздействия на почву, нет угрозы, создать ситуацию аварийности, поэтому они идеально подходят для применения в условиях крупных мегаполисов. Также такой вид свай, в наше время, получил достаточно широкое применение на объектах инженерной реконструкции памятников.

Создание фундамента будет практичным и выгодным процессом, при использовании буроинъекционных свай.

Буроинъекционные сваи используют:

· при реконструкции зданий, где на фундамент создается дополнительная нагрузка;

· для усиления при строительстве вблизи расположенного сооружения;

· для создания усиления фундамента существующих сооружений в случае аварийных деформаций.

Рис. 12. Стадии формирования буроинъекционных свай

3.5 Буронабивные сваи

Буронабивные сваи — это бетонные конструкции, состоящие из армированных каркасов, предварительно погруженных в пробуренные скважины, с последующим бетонированием и при необходимости инъецированием основания буронабивной сваи цементным раствором необходимой плотности.

Рис. 13. Технология устройства буронабивных свай.

Преимущества технологии

· При проведении буровых работ практически отсутствуют динамические нагрузки грунта, которые могут воздействовать на окружающие здания и сооружения. Это позволяет использовать данную технологию в сложных инженерно-геологических условиях и в непосредственной близости от зданий

· Низкий уровень шума при производстве буронабивных сваи позволяет вести работы круглые сутки в условиях города

· Основным преимуществом свайных фундаментов является способность восприятия больших нагрузок от строящихся зданий

· Современная техника позволяет тщательно контролировать процесс изготовления буронабивных свай, а также сократить сроки возведения фундаментов, что актуально как для инвестора, так и для подрядчика

· Методы и технологии устройства буронабивных свай позволяют сооружать отдельно стоящие и бурокасательные сваи, а также буросекущиеся стены в грунте

· Применяются в сложных геологических условиях строительства, обусловленных обводненными и неустойчивыми грунтами, а так же в местах где невозможно погрузить забивные сваи в прочный грунт или на большую глубину

· Требуется намного меньше места для производства работ буровыми установками

3.6 Буронабивные сваи по разрядно-импульсной технологии

Проектным решением на данном объекте предусматривается следующая методика усиления «больного» участка: устройство на откосах насыпи рядов буронабивных свай (сваи «РИТ»); создание рамных конструкций с монтажом подпорной стенки из сборных железобетонных лотковых плит или монолитных подпорных стен на свайном основании; пристеночный и, если необходимо, поперечный дренаж; щебеночная засыпка, формирование нормативных обочин и откосов; рекультивация земляного полотна и прилегающих участков.

Рис. 14. Устройство буронабивных свай РИТ

РИТ — это современный способ создания буронабивных свай с внутренней опрессовкой их ствола серией электрических высоковольтных разрядов, что уплотняет уложенный бетон и основание под пятой и по боковой поверхности сваи, приводит к цементации грунта вокруг армогрунтовой конструкции. Эффект достигается за счет создания в теле насыпи подпорных конструкций (стенок), удерживающих откос под действием статических и динамических нагрузок.

Применение технологии «Риттрансстроя» на сети дорог уже доказало, что при укреплении земляного полотна она позволяет: обеспечить его устойчивость; уменьшить величину упругих колебаний; работать без перерывов в движении поездов; привести ширину обочин земляного полотна в соответствие с действующими нормативами; существенно снизить эксплуатационные расходы при содержании пути на ранее «больных» участках.

Разрядно-импульсная технология «обладает значительным преимуществом по сравнению с традиционными методами в комплексной механизации и автоматизации технологических операций строительных работ» (из заключения НИИМосстроя).

Рис. 15. Подпорная стенка в теле насыпи

Технология позволяет:

· свести к минимуму земляные работы

· применять легкие малогабаритные станки.

· осуществлять проходку в неустойчивых грунтах при оплывании стенок скважины без обсадных труб.

· получить наибольшую несущую способность свай при минимальных количестве выбуренного грунта и длине.

Сваи РИТ имеют несущую способность в 2−3 раза выше, а стоимость одной тонны несущей способности в 1,5−2,0 раза меньше, чем у буроинъекционных и буронабивных свай, изготовленных с использованием традиционных технологий.

Высокая несущая способность свай, изготовленных по разрядно-импульсной технологии (сваи РИТ) обусловлена следующими факторами:

· расширением ствола сваи;

· уплотнением грунта вокруг ствола и под пятой сваи;

· частичной цементацией грунта вокруг ствола;

Сопротивление грунта под пятой сваи увеличивается в 1,3…2,0 раза, а на боковой поверхностив 1,2…1,5 раза.

4. Расчеты устойчивости склона

При проектировании любых противооползневых мероприятий на откосах и склонах работы следует начинать с оценки степени устойчивости наклонной поверхности земли.

Существует три основные группы методов оценки устойчивости склонов и прогноза развития обвалов и оползней:

— Сравнительно-геологические методы

— Расчетные методы;

— Экспериментальные (методы моделирования).

К сравнительно-геологический метод — метод аналогий. Суть метода заключается в том, что для оцениваемого оползневого склона подбирается его природный аналог, для которого известны условия его устойчивости.

Расчетные методы заключаются в вычислении коэффициента устойчивости, который характеризуется отношением сил, удерживающих массив грунта на наклонной поверхности, к силам, сдвигающим этот массив. В настоящее время существует много методов расчета устойчивости склонов. Выбор тех или иных методов определяется типом оползневого процесса и механизмом возможного смещения оползневых масс.

К экспериментальным методам оценки устойчивости оползневых склонов относятся различные методы моделирования (физического, центробежного, оптического и т. п.).

Для выявления причин проявления оползневых процессов и прогнозирования их дальнейшего развития на участке земляного полотна на 1659−1660км. выполнены расчеты устойчивости склона по профилям.

Рекомендуется выполнять расчет устойчивости методом алгебраического сложения сил применительно к конкретной инженерно-геологической обстановке с учетом фильтрационных сил и гидростатического давления (при обводненности пород, слагающих уступ), а также сейсмических воздействий.

1. Для необводненных уступов и откосов (точнее, при отсутствии водоносных горизонтов, пересекаемых поверхностью скольжения) и при отсутствии сейсмических воздействий вычисление коэффициента устойчивости для оценки возможности образования срезающих оползней сдвига производится по формуле «алгебраического сложения сил»

(1)

Где

р_i — вес iго расчетного отсека, ограниченного вертикальными гранями (см. рис. 16), МН (в подошве отсека дуга линии скольжения заменяется отрезком прямой линии; количество отсеков и расстояния между их боковыми гранями выбирается таким образом, чтобы образованная подошвами отсеков ломаная линия достаточно близко соответствовала дуге окружности);

ў_i — угол наклона подошвы отсека, град, для участков, где линия скольжения направлена в сторону падения поверхности уступа;

a І_i — угол наклона подошвы отсека, град, для участков, где линия скольжения имеет уклон, обратный падению поверхности уступа;

L_i — длина подошвы отсека, м;

j_i, C_i — соответственно угол внутреннего трения, град, и сцепление, МПа, для пород, определяющих величину сопротивления сдвигу по подошве отсека.

Примечани я:

А. Для непригруженных отсеков вес отсека

p_i = V_i g _i Ч 1 м, (2)

где V_i — площадь сечения отсека, м²;

g_i — средний удельный (объемный) вес в пределах отсека, МН/м³.

При наличии на поверхности отсека сооружений, оборудования, насыпей и других нагрузок их вес при определении суммируется с весом пород, слагающих отсек.

Б. Величины a ў_i и a І_i принимаются положительными; величины a_i при уклоне подошвы отсека в сторону падения уступа считаются положительными, при обратном уклоне — отрицательными.

Рис. 16. Схема положения наиболее опасной линии скольжения для пригруженого уступа

2. Фильтрационные силы, представляющие собой одновременное воздействие гидростатического взвешивания и фильтрационного давления, при определении коэффициента устойчивости необходимо учитывать для участков поверхности скольжения, находящихся в пределах водоносного горизонта.

Гидростатическое взвешивание уменьшает вертикальные напряжения в скелете обводненной породы и численно равно весу воды в объеме рассматриваемой части водоносного горизонта. Фильтрационное давление направлено по линиям тока воды и равно для каждой единицы объема водоносного горизонта произведению гидравлического (напорного) градиента этого горизонта на объемный вес воды.

При наличии фильтрационных сил в условиях отсутствия сейсмических воздействий формула (1) видоизменяется следующим образом:

(3)

Где р ў _i = (р _i — g _в w _i 1м) — вес отсека с учетом гидростатического взвешивания, МН;

р _i — вес отсека без учета гидростатического взвешивания, МН;

g _в — удельный (объемный) вес воды, равный 0,01 МН/м³;

w _i — площадь сечения обводненной части отсека, м² (см. рис. 17);

I_i — гидравлический градиент в пределах отсека;

a _i — угол наклона подошвы отсека, град (величина a _i при уклоне подошвы отсека в сторону падения уступа принимается положительной, при обратном уклоне — отрицательной);

b_i — угол наклона равнодействующей фильтрационного давления, град (величины b_i при направлении фильтрационного потока в сторону падения уступа принимаются положительными, при обратном направлении потока — отрицательными); остальные значения — приняты по формуле (1).

Уклон равнодействующей фильтрационного давления принимается равным: для безнапорных вод — средней величине между уклоном депрессивной поверхности (поверхности обводненной зоны) и уклоном подошвы водоносного горизонта, для напорных вод — средней величине между уклонами кровли и подошвы водоносного горизонта.

Гидравлический градиент допускается принимать равным отношению разности отметок депрессионной или (для напорных вод) пьезометрической поверхности водоносного горизонта между правой и левой гранями отсека к длине отрезка, проведенного через середины обводненной зоны для упомянутых граней отсека.

Рис. 17. Схема расчетного отсека в пределах водоносного горизонта

1 — уровень подземных вод; 2 — равнодействующая фильтрационного давления; 3 — поверхность смещения; 4 — подошва водоносного горизонта

Примечание. Для отсеков, подошва которых не пересекает обводненную зону, при использовании формулы (3) вместо величины p ў_i следует подставлять значения p_i.

3. Гидростатическое давление при определении коэффициента устойчивости требуется учитывать в двух типичных случаях:

если по кровле напорного водоносного горизонта проходит поверхность оползневого смещения;

если на поверхности уступа или откоса имеются заполненные водой вертикальные или крутонаклонные трещины, доходящие до поверхности оползневого смещения (причем трещины гидравлически разобщены и заключенная в них вода не образует единый водоносный горизонт).

В первом случае воздействие напоров вызывает гидростатическое взвешивание вышезалегающих пород, с учетом чего формула для определения коэффициента устойчивости принимает вид

(4)

где g_в — удельный вес воды, равный 0,01 МН/м³; h_i — средняя высота напора подземных вод относительно подошвы отсека, м; остальные значения приняты по формуле (1).

Во втором случае заполнение трещины водой вызывает появление силы гидростатического давления, направленной по нормали к поверхности трещины и равной

Н_в — высота столба воды в трещине относительно поверхности оползневого смещения.

При оценке возможности образования оползня, охватывающего весь рассматриваемый уступ (откос), силу гидростатического давления необходимо учитывать только для трещин, образующихся по верхней границе потенциально неустойчивой части массива пород (т.е. для трещин закола). На остальной территории неустойчивой части массива силы гидростатического давления воды, заполняющей трещины, оказываются внутренними и не влияющими на возможность образования оползня, охватывающего весь уступ. Однако при наличии в низовой части уступа трещин, заполненных водой, силы гидростатического давления могут способствовать отчленению небольших оползающих блоков с последующим постепенным распространением побочных отчленений вверх по уступу.

В данном случае расчеты выполнены по формуле «алгебраического сложения сил» при отсутствии дополнительного пригруза с учетом воздействия сейсмических сил.

Сейсмические силы вызывают дополнительные горизонтальные и вертикальные нагрузки в массиве пород, причем роль вертикальной составляющей сейсмической силы сравнительно мала и может не учитываться при оценке устойчивости[2].

При определении коэффициента устойчивости сейсмические силы учитываются для сейсмически активных районов (с землетрясениями 6 баллов и более). Направление горизонтальной сейсмической силы принимается соответствующим направлению возможного оползневого смещения, а ее величина для каждого отсека — равной произведению веса отсека (для обводненных пород без поправки на гидростатическое взвешивание) на коэффициент сейсмичности т, определяемый по табл. 8 в зависимости от расчетной сейсмичности для района выполняемых изысканий.

Таблица 8

Величина расчетной сейсмичности определяется по карте-схеме, помещенной в главе [15]; при глубине грунтовых вод менее 4 м для уступов (откосов), сложенных глинистыми породами и песками, расчетная сейсмичность увеличивается на один относительно среднего балла для данного района.

Формулы для определения коэффициента устойчивости с учетом сейсмических воздействий имеют вид:

при отсутствии водоносных горизонтов в массиве пород

(5)

при наличии водоносного горизонта (водоносных горизонтов), пересекаемого линией скольжения оползня

(6)

Где

р_i — вес отсека без учета гидростатического взвешивания, МН;

p ў_i — вес отсека с учетом гидростатического взвешивания, МН (для отсеков, подошва которых находится в пределах водоносного горизонта);

т — коэффициент сейсмичности. Остальные обозначения приняты по формуле (3).

В моей работе так как водоносный горизонт в массиве пород отсутствует расчет выполнялся по формуле (5), где:

Ky — коэффициент устойчивости откоса;

Сi — вес i -го расчетного отсека без учета гидростатического взвешивания, МН ;

??i — угол наклона подошвы отсека, град, для участков, где линия скольжения имеет уклон, обратный падению поверхности уступа;

??i, — угол наклона подошвы отсека, град, для участков, где линия скольжения направлена в сторону падения поверхности уступа;

J _i, Ci — соответственно, угол внутреннего трения (градус) и сцепление для пород, определяющих величину сопротивления сдвигу по подошве отсека;

L_i — длина подошвы отсека, м;

m — коэффициент сейсмичности.

Расчет устойчивости склонов в сейсмических районах должен производиться с учетом силы возможных землетрясений. Расчет устойчивости выполнен по восьми поперечным профилям (приложение 4).

По результатам расчета получены следующие коэффициенты устойчивости склона (вар 1) из предположения полного водонасыщения грунтов с показателями прочности, полученными по заранее подготовленной поверхности:

По профилю XII-XII — 1,10 д.е.;

По профилю XIII-XIII — 1,20 д.е.;

По профилю XIV-XIV — 1,07 д.е.;

По профилю XVII-XVII — 1,45 д.е.;

По профилю XVIII-XVIII — 1,13 д.е.;

По профилю XIX-XIX — 1,34 д.е.;

По профилю XXI-XXI — 0,98 д.е.;

По профилю XXII-XXII — 1,08 д.е.

Учитывая сейсмичность района, а также влияние поверхностных вод и динамических воздействий, откос периодически переходит в неустойчивое состояние. Таким образом, при самом неблагоприятном стечении обстоятельств, откос оказывается неустойчив по профилю XXI-XXI; по профилям XII-XII, XIV-XIV, XXII-XXII откос находится в состоянии предельного равновесия.

При расчете с учетом архивных данных на соседнем участке получены следующие коэффициенты устойчивости склона (вар 2):

По профилю XII-XII — 0,79 д.е.;

По профилю XIII-XIII — 0,77 д.е.;

По профилю XIV-XIV — 0,74 д.е.;

По профилю XVII-XVII — 1,08 д.е.;

По профилю XVIII-XVIII — 0,71 д.е.;

По профилю XIX-XIX — 1,05 д.е.;

По профилю XXI-XXI — 0,61 д.е.;

По профилю XXII-XXII — 0,75 д.е.

При самом неблагоприятном стечении обстоятельств при расчете по варианту 2 откос оказывается неустойчив по профилю XXII-XXII — XIV-XIV, XIII-XIII, XXI-XXI — XXII-XXII; по профилям XVII-XVII и XIX-XIX откос находится в состоянии предельного равновесия.

Для обеспечения эксплуатационной надежности изученного участка железной дороги, земляное полотно необходимо укрепить с применением удерживающих сооружений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенной работы было установлено, что на участке изысканий, расположенном в пределах в Тахтамукайского района республики Адыгея, между станциями Шенджий и Псекупс, присутствуют неустойчивые и слабоустойчивые склоны.

При постоянном динамическом воздействии на грунтовые массы и сезонном поднятии уровня грунтовых вод склоны теряют свою устойчивость. Это приводит к проявлению оползневых процессов.

Для обеспечения эксплуатационной надежности изученного участка железной дороги, земляное полотно необходимо укрепить с применением удерживающих сооружений

Сейчас существует множество различных методов по укреплению склонов и устройству дренажной системы. Исходя из всех характеристик и расчетов, приведенных в данной работе, был сделан вывод, что оптимальным методом усиления на данном участке является устройство на откосах насыпи рядов буронабивных свай (сваи «РИТ»); создание рамных конструкций с монтажом монолитной подпорной стенки на свайном основании; пристеночный и, поперечный дренаж; щебеночная засыпка, формирование нормативных обочин и откосов.

Опубликованная

1. Инженерная геология СССР. В 8-ми томах. Том 8. Кавказ. Крым. Карпаты. Москва, Издательство Московского университетата, 1978. 361с.