- Вибрационная поверхность и глубокое виброуплотнение
- Удаление и замена
- Предварительная нагрузка
- Готовые вертикальные дренажи и предварительная нагрузка
- Динамическая замена
- Каменные колонны
- Свайная насыпь и виадук
- Переходные конструкции
- Общая экономия затрат
Стабилизация грунтов основания с использованием методов улучшения грунта
Существенным условием для высокоскоростного коридора является контроль над ухудшением геометрии пути, чтобы сохранить различные допуски в заданных пределах.
Деградация геометрии пути является функцией конструкции пути, нагрузки на ось, скорости и характеристик грунта. Улучшение качества грунта на участках с плохим покрытием признано одним из наиболее значимых факторов.
Методы улучшения грунта
Здесь описываются соображения, связанные с этим, и методики, которые необходимо принять для улучшения грунтового основания. Обсуждается процесс проектирования для преодоления проблем, связанных с плохим грунтом, а также рассматриваются различные доступные варианты с описанием их преимуществ и ограничений.
Взаимосвязь между дорожным полотном, подстилающим слоем и грунтом
Деградация геометрии пути зависит от конструкции пути, нагрузки на ось, скорости, характеристик транспортного средства и грунта.
Для пути со смешанным движением, конструкция имеет два различных требования: легкий пассажирский поезд на высокой скорости и тяжелый грузовой поезд на более низкой скорости. Это приводит к требованию к подстилающему слою, который может обеспечить необходимую поверхность и выравнивание, требуемые для высокоскоростного движения, и в то же время выдерживать большую нагрузку на ось, не приводя к быстрому износу и не требуя частого обслуживания. Необходимо также рассмотреть компромисс между недостатком крена и наклона между высокоскоростным пассажирским поездом и устойчивостью низкоскоростных тяжелых грузовых поездов.
Другой вопрос, связанный с высокой скоростью, заключается в том, следует ли использовать обычный вагонный состав с увеличенной высотой подъема или наклоняемый поезд для более высокой скорости. Необходимо искать технико-экономические решения для обеспечения безопасного движения поездов на высоких скоростях по обычным железнодорожным путям без дорогостоящих работ по выравниванию, а не проектировать слишком большую разницу скоростей на одном и том же пути.
Путевая система, состоящая из рельсов, шпал, балласта и подбалласта, обычно отделена от подстилающего слоя слоем геотекстильного сепаратора. Поверхностные слои пути (балласт, подбалласт и подстилающий слой) обеспечивают необходимую поддержку путевой структуры.
Подстилающий слой обеспечивает стабильную платформу для путевой структуры с балластом. Путевая система распределяет нагрузки от подвижного состава до безопасного уровня, чтобы эти нагрузки не вызывали чрезмерных деформаций в грунте основания, которые могут привести к неустранимым деформациям и постепенному ухудшению геометрии пути, влияя на безопасность и качество езды.
На проектирование путевой системы с балластом влияют характеристики грунтового основания, в частности, модуль упругости грунта основания. Модуль упругости оказывает значительное влияние на способность поддерживать геометрию пути.
Ухудшение состояния в местах, где грунт основания переходит от геотехнического к структурному элементу, является хронической проблемой. Износ пути на этих участках может быть аномально высоким и может потребовать в 8 – 10 раз больше обслуживания. На этих участках требуются переходные конструкции.
Улучшение состояния грунта приводит к снижению скорости ухудшения геометрии пути и ощутимому снижению затрат на техническое обслуживание.
Распространенные проблемы, связанные с плохим грунтовым основанием
Плохое основание может привести к:
- Массивное разрушение на сдвиг – из-за низкой прочности на сдвиг материала грунтового основания.
- Прогрессирующее разрушение при сдвиге или общее разрушение подстилающего слоя вследствие того, что напряжения, вызванные нагрузками от осей, постепенно выдавливают перенапряженные глины подстилающего слоя в сторону.
- Истощение или локальное разрушение грунта, когда повторяющиеся нагрузки на грунт, особенно в присутствии воды, уменьшают грунт до состояния суспензии, которая может “выкачиваться” на поверхность.
- Оседание основания, которое может быть вызвано консолидацией, изменением содержания влаги или прогрессирующей деформацией из-за повторяющихся нагрузок.
Необходимо также оценить устойчивость откосов насыпей и разрезов и исключить возможность массивного разрушения при сдвиге. Для большинства проектов выбранный материал основания преимущественно состоит из хорошо уплотненного остаточного грунта, который обладает высокой прочностью на сдвиг и модулем упругости, что исключает возможность возникновения прогрессирующего разрушения при сдвиге.
Более высокая нагрузка на ось может вызвать более высокие напряжения в основании, что, соответственно, приводит к ускоренному разрушению пути Оседание основания может происходить независимо от степени нагрузки на ось в случае сжимаемых грунтов, что может привести к разрушению рельсового пути, особенно если осадка неравномерна.
Плохое состояние основания может привести к чрезмерной и неравномерной деградации пути. Неравномерная деградация пути приводит к дорогостоящему техническому обслуживанию и даже может негативно повлиять на безопасность пути. Кроме того, неоднородный характер мягких грунтов приведет к дифференциальным осадкам, что со временем приведет к деградации железнодорожного пути.
Варианты улучшения грунта для стабилизации грунтового основания
Улучшение грунтового основания является неотъемлемой частью и зависит от улучшения естественного грунтового основания. Обработка грунта необходима на участках с плохим грунтом, так как естественные грунты могут оказаться неспособными выдержать насыпь и рельсовую систему без превышения требований проектного задания заказчика.
Различные методы обработки мягкого грунта можно разделить на конструктивные (жесткие) и геотехнические решения, основанные на различных соображениях, которые включают высоту отсыпки, толщину и сжимаемость грунта, а также время и стоимость.
Следующие методы обработки грунта могут быть приняты для различных плохих грунтовых условий:
Вибрационное поверхностное и глубинное виброуплотнение
Поверхностное виброуплотнение используется для уплотнения рыхлых несвязных грунтов с помощью виброкатка.
Глубинное виброуплотнение может быть выполнено для рыхлых песчаных отложений с содержанием мелких частиц менее 15% на глубину до 10 м. Уплотнение выполняется путем введения зонда на проектную глубину улучшения и позволяя почве вокруг зонда уплотниться в течение определенного промежутка времени. Затем зонд поднимают примерно на 0,5 м, чтобы уплотнить грунт вокруг вибратора, и процесс повторяют.
Удаление и замена
На локальных участках с мягкими грунтами ограниченной глубины и толщины может быть проведено удаление непригодного материала и замена его подходящим наполнителем. Эти непригодные материалы были обнаружены в долинах и на низменных участках и могут быть заменены хорошо уплотненным подходящим заполнением. Выемка и замена может быть произведена на глубине от 5 до 6 м.
Выемка и замена может потребоваться даже на участках вырубки, где естественные грунты имеют низкую прочность на сдвиг и высокое содержание влаги. На большинстве таких участков может потребоваться подповерхностный дренаж.
Предварительная нагрузка
При возведении низкой насыпи на мягком сжимаемом грунте, когда бедный грунт имеет ограниченную толщину (короткий путь дренажа) или способен быстро сжиматься под нагрузкой избыточного предварительного заполнения из-за наличия линз песка, можно прибегнуть к предварительной нагрузке.
Предварительная нагрузка на мягкие грунты основана на концепции консолидации, при которой поровая вода выжимается из пустот до тех пор, пока содержание воды и объем грунта не придут в равновесие под действием нагрузочных напряжений, создаваемых подсыпкой.
Это обычно сопровождается увеличением прочности грунта на сдвиг. В определенной степени первичная консолидация под конечной нагрузкой может быть достигнута во время строительства, и, следовательно, уменьшается осадка после строительства.
Готовые вертикальные дренажи и Предварительная нагрузка
Однако при увеличении толщины мягкой глины, когда период консолидации слишком длителен для полной консолидации первичных осадков, вертикальный дренаж может быть использован в сочетании с предварительной нагрузкой для ускорения оседания.
Вертикальный дренаж может быть предложен на участках, где толщина мягких грунтов не превышает 10 м, а высота насыпи невелика. Ожидаемые первичные и вторичные осадки на таких участках ограничены.
Динамическая замена
Динамическая замена может быть использована для уплотнения рыхлых несвязных грунтов глубиной до 5-6 м и при высоте насыпи более 2,5 м. При динамической замене используется тяжелый экскаватор, обычно поднимаемый краном на проектную высоту, а затем опускаемый на почву в виде сетки таким образом, чтобы обеспечить достаточное покрытие участка.
Воронки, образованные камнедробителем, заполняются песком или заполнителем и уплотняются. Из-за сильных вибраций, вызываемых падением камнемета, этот метод подходит только для мест, расположенных вдали от чувствительных к оседанию конструкций.
Каменные колонны
Каменные колонны могут быть установлены на участках, где подпочва состоит из мягкого связного грунта толщиной более 5 м и где устойчивость и жесткие требования не могут быть удовлетворены обычным удалением/заменой мягкого материала. Каменные колонны позволяют возводить насыпь на полную высоту непрерывно, не требуя ступенчатого строительства.
Свайная насыпь и виадук
На участках с низким коэффициентом надежности по несущей способности и устойчивости откосов может потребоваться поэтапное строительство насыпи, при котором между этапами необходимо вводить период ожидания для консолидации и набора прочности.
Когда требуемый период строительства выходит за пределы имеющихся ограниченных временных рамок, для сокращения количества этапов строительства необходимо вводить противофильтрационные бермы.
Кроме того, эти бермы могут выходить за пределы полосы отвода и требовать приобретения дополнительных земель. В случае проблем, связанных с ограниченными временными и пространственными рамками, может потребоваться конструктивное решение.
На участках с мягким грунтом высота насыпи, превышающая давление до консолидации, приведет к чрезмерному оседанию. Этого можно избежать с помощью конструктивных решений, таких как виадук или свайная насыпь. Конструктивное решение рекомендуется в условиях мягкого грунта глубиной более 15 м.
Конструктивное решение также требуется там, где требования к осадке составляют ноль мм, например, в пунктах и переездах / разворотных площадках во дворах. Там, где высота насыпи больше, стоимость насыпи из свай может быть выше и может потребоваться строительство виадука. В обоих вариантах железнодорожная система опирается на сваи, забитые в мягкий грунт и заложенные в нижележащий более жесткий материал.
Выбор между виадуком и свайной насыпью зависит от высоты насыпи. Экономический анализ показывает, что виадук более целесообразен при высоте насыпи более 6 м, а при высоте ниже 6 м предпочтительнее свайная насыпь.
Переходные сооружения
Переходные конструкции должны быть предусмотрены во всех местах с резким изменением упругости земляного полотна. Могут потребоваться следующие типы переходов:
Общая экономия затрат
Тип обработки грунта в значительной степени определяет частоту технического обслуживания (трамбовки) и время, необходимое для технического обслуживания. Для получения долгосрочной экономии могут потребоваться значительные предварительные инвестиции. Общая тенденция к снижению первоначальной стоимости (стоимости строительства) проекта приводит к принятию методик, которые дают первоначальную более низкую стоимость, но могут привести к более высоким текущим расходам.
Противоположным сценарием может быть требование нулевой полной осадки грунтового основания во время эксплуатации для поддержания затрат на обслуживание на минимально возможном уровне, что приводит к очень высокой начальной стоимости строительства.
Система, состоящая из конструктивных решений для нулевой осадки с обеспечением безбалластного пути, может стоить примерно в 2 – 2,5 раза дороже, чем традиционный путь с балластом и геотехническими решениями по улучшению грунта для заданной допустимой общей осадки. Если грунтовые условия плохие, стоимость жизненного цикла системы может быть в 3 – 4 раза выше, если не будет проведена надлежащая обработка грунта.
Таким образом, компромисс между стоимостью улучшения характеристик грунта и основания и стоимостью технического обслуживания, возникающей в результате ухудшения состояния основания, позволит снизить стоимость жизненного цикла технического обслуживания и обновления. Однако, чтобы использовать истинный потенциал такого компромисса, необходимо обеспечить подходящие переходные структуры, которые могут допускать различные методы обработки грунта.
Заключение и рекомендации
Методология проведения работ по улучшению грунта и основания должна быть основана на требованиях критериев оседания во время эксплуатации, в то же время необходимо использовать допустимое оседание для применения экономически эффективного варианта обработки грунта.
Рекомендуется рассматривать оптимизацию стоимости жизненного цикла как одно из требований на этапе определения и разработки проекта. Очень запретительные условия поселения могут привести к значительному увеличению стоимости жизненного цикла из-за очень высоких капитальных затрат, хотя затраты на обслуживание и эксплуатацию могут быть значительно ниже.
В случае контракта “Проектирование и строительство” можно указать более длительный период технического обслуживания, чтобы предотвратить получение краткосрочной выгоды подрядчиком, осуществляющим проектирование и строительство.
Мохан Тивари, директор (проекты), IRCON International Ltd.
Читать далее:
Методы улучшения грунта для стабилизации почвы для различных целей
Метод замораживания грунта для стабилизации почвы – применение, преимущества
Метод вибростабилизации для улучшения грунта
Читайте далее:- Балласт – функции и виды.
- Методы улучшения грунта для стабилизации почвы в различных целях.
- Виадук Мийо: Особенности конструкции самого высокого моста в мире.
- Как выбрать метод улучшения почвы в зависимости от типа почвы?.
- Что такое сжимаемость и консолидация грунта?.
- Методы стабилизации грунта с помощью различных материалов.
- Теория анализа нагрузок Марстона-Спенглера для канализационной санитарной системы.