Полный текст

В рамках федеральной государственной программы «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 г.» предусмотрено всестороннее освоение огромных северных территорий, в том числе не только модернизация портовой инфраструктуры, но и развитие всех видов транспортного сообщения, включая линейные сооружения железнодорожных и автомобильных дорог в условиях многолетней мерзлоты. Одна из самых актуальных проблем при строительстве автодорог в условиях многолетней мерзлоты - это деградация мерзлого грунта и, как следствие, разрушение криогенных структурных связей, а при наличии склонового участка автодороги ситуация обостряется развитием оползневого процесса. Основной целью исследования является определение параметров эксплуатационной надежности и несущей способности существующих и рекомендованных конструкций при помощи методов численного моделирования, а также анализ эффективности применения таких конструкций в сравнении с существующими. Строительство в условиях многолетней мерзлоты связано со многими проблемами, наиболее актуальная из которых - деградация мерзлого состояния грунтов. С учетом последних прогнозов повышение среднегодовой температуры воздуха на севере России к 2020 г. составит 0,9-1,5 ºС, что отодвинет границу многолетней мерзлоты на 300 км [3, 4]. Исследованный в статье участок трассы «Амур» Чита - Хабаровск отвечает заданным условиям: в основании находится островная мерзлота, наблюдаются процессы сезонного глубинного промерзания и оттаивания, деградация мерзлоты, деформация массива основания существующего земляного полотна автодороги. Выше верхней границы многолетней мерзлоты образующийся талый переувлажненный слой является предопределенной поверхностью скольжения грунтового массива на рассматриваемом участке рельефа. Для выполнения расчетов по определению напряженно-деформированного состояния и устойчивости грунтового массива с сооружениями были приняты только реальные физико-механические свойства грунтов, активно участвующие в процессе сдвига и проявляющие свои свойства в зоне контактных деформаций [5]. Исследование напряжено-деформированного состояния оползневого участка автодороги проводилось в программном комплексе FEMmodels. Для создания инженерно-геологических условий, при которых происходят подвижки оползневого массива, принято, что удерживающие и сдвигающие силы в массиве, ограниченном предопределенной поверхностью обрушения, находятся в условиях предельного равновесия [6]. Расчетная схема представлена на рис. 1. Рис.1. Расчетная схема деформирующегося участка автодороги Fig. 1. The design scheme of the deforming section of the highway На рис. 2 представлены зоны упругих деформаций, обозначенные синим цветом, и зоны пластических деформаций, выделенные красным цветом. На схеме физической модели под вертикальной нагрузкой видно, что упругие деформации возникают не только в месте приложения нагрузки (местные упругие деформации), но и на некотором удалении от него [7]. Рис. 2. Зоны упругих и пластических деформаций в рассматриваемом сечении Fig. 2. Zones of elastic and plastic deformations in the considered section Максимальные горизонтальные деформации сооружения и основания составили 3 см, а горизонтальные деформации конструкции автодороги на поверхности асфальтобетона - от 2,5 до 1,7 см. Максимальные горизонтальные перемещения массива в зоне прослойки оттаявшего мерзлого грунта достигают 2,7 см. Горизонтальные перемещения в откосной части массива - 2 см. Вертикальные деформации откоса составляют 12 см, а деформации поверхности конструкции автодороги - 10 см. Вертикальные деформации конструкции на поверхности асфальтобетона составляют от 8,2 до 10,5 см. По результатам численного моделирования можно сделать следующие выводы: - зоны пластических деформаций преобладают в насыпном грунте под нагрузкой, что говорит о недостаточной несущей способности дорожной конструкции; - наличие пластических деформаций в слое оттаявшего мерзлого грунта говорит о наличии в том месте максимальной зоны сдвига массива; - при рассмотрении полученных вертикальных деформаций конструкции дорожной одежды можно сделать вывод о том, что грунты основания не обеспечивают несущую способность основания. По результатам натурного обследования можно сделать вывод, что причинами деформаций рассматриваемой части автодороги стали: - отсутствие достаточных условий для поверхностного стока дождевых и талых вод в верховой части склона и вдоль автодороги; - недостаточная пропускная способность водоотводящих сооружений; - недостаточная несущая способность конструкции автодороги; - деградация верхнего слоя высокотемпературного многолетнемерзлого грунта, залегающего в толще основания сооружения, по причине нарушения теплового баланса просачивающейся с поверхности воды. Главные причины местных (локальных) деформаций сдвига на откосах земляного полотна - увлажнение грунта до разжиженного состояния и движение воды в откосных частях земляного полотна по поверхности временного водоупора [8, 9]. Для снижения пластических деформаций целесообразно принять меры по увеличению несущей способности конструкции автодороги, а для снижения сползания массива грунта автомобильной дороги - предусмотреть удерживающие (так называемые пассивные) конструктивные мероприятия. В качестве пассивной меры на данном участке была разработана свайно-грунтовая гравитационная конструкция с ростверком из геосинтетического материала с засыпкой из щебенистых грунтов (рис. 3). Возможное различие несущей способности в моделировании и натурном эксперименте объясняется тем, что компьютерная модель не учитывает нелинейную работу сваи, а также наличием коэффициента пропорциональности, зависящего от грунтовых условий, которые определяет некоторый запас прочности при компьютерном моделировании сваи [10, 11]. Рис. 3. Удерживающая свайно-гравитационная конструкция Fig. 3. Holding pile-gravity construction Конструкция является комбинированной. Ее основа - свайное основание из буропогруженных железобетонных свай длиной 8,0 м. Сваи прошивают оползающий массив и погружены в многолетнемерзлый грунт на расчетную глубину. Для создания равных нагрузок на сваи в рядах и работы свайных рядов между собой предусмотрено их объединение геокомпозитным ростверком из интегральной двухосной георешеткой, уложенной в несколько слоев с засыпкой послойно щебенистым грунтом. Двухосная георешетка является одним из наиболее широко применяемых геосинтетических изделий, представляет собой плоский полимерный материал в виде двуосной сетки с одинаковыми по форме и размерам ячейками, образуемыми жесткими соединениями узлов [12]. Армированный геосинтетическими материалами грунт представляет собой новый композитный конструктивно-анизотропный материал, обладающий управляемой анизотропией, которая зависит от свойств как грунта, так и армирующей структуры [13]. Расчет грунтового массива, армированного геосинтетикой, выполнен по Serviceability Limit States (SLS). Используются упругая модель среды и метод конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния грунтового массива. Среда рассматривается как композитная, и по упругим характеристикам геосинтетики и грунта определена эквивалентная жесткость армированной среды. При проектировании нагруженных откосов (склонов), укрепленных георешетками, вместо точного значения несущей способности, требующего знания полного решения, используется нижняя оценка несущей способности [14, 15]. На рис. 4, 5 представлены результаты численного моделирования напряженно-дефор-мированного состояния участка автомобильной дороги после реконструкции. Рис. 4. Расчетная схема удерживающей свайно-гравитационной конструкции Fig. 4. The design scheme of a holding pile-gravity construction Рис. 5. Эпюры горизонтальных перемещений свайной конструкции, м Fig. 5. Diagrams of horizontal movements of pile structure, m По результатам расчетов видно, что зона пластических деформаций проходит по кровле вечномерзлых грунтов и затухает перед противооползневыми конструкциями. На основании результатов численного моделирования можно сделать следующие выводы: - удерживающая свайно-гравитационная конструкция имеет только упругие деформации, что исключает необратимые подвижки сооружения; - общие горизонтальные перемещения всего сооружения уменьшились до предельно допустимых значений по сравнению с перемещениями исходного сооружения; - общие вертикальные напряжения сократились на 30 %; - горизонтальные деформации свайного ряда составляют в верхней и нижней частях 11 мм, а в средней - 12 мм; - горизонтальные напряжения в георешетке свайного ростверка составляют 29 кПа; - максимальные вертикальные осадки свайно-гравитационной конструкции не превышают 4,5 см. Таким образом, удерживающая свайная конструкция является эффективной мерой по стабилизации состояния оползневого массива в основании автодороги в условиях деградирующей многолетней мерзлоты, что говорит о широких возможностях применения подобных конструкций в сходных инженерно-геологических условиях при соответствующем технико-экономическом обосновании.

Об авторах

С. А Кудрявцев

Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Т. Ю Вальцева

Дальневосточный государственный университет путей сообщения

А. Д Мут

Дальневосточный государственный университет путей сообщения

В. С Ковшун

Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 118

Ссылки

• Ссылки не определены.