Анализ влияния технологий усиления основания земляного полотна на устойчивость сооружения, проектируемого на высокотемпературных многолетнемерзлых грунтах

Шепитько Т.В., Артюшенко И.А., Акулич В.Ю., Полянский А.В., Ноздрачёв А.С. Анализ влияния технологий усиления основания земляного полотна на устойчивость сооружения, проектируемого на высокотемпературных многолетнемерзлых грунтах. Нанотехнологии в строительстве. 2025;17(4):415–426. – EDN: CCATHQ.

Обеспечение устойчивости земляного полотна в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ) является одной из наиболее актуальных задач современного проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений, так как ММГ характеризуются повышенной чувствительностью к изменению температурного режима. В условиях глобальных климатических изменений и роста антропогенных нагрузок на грунтовые основания поиск эффективных технологий усиления оснований становится ключевым направлением исследований.

Одним из перспективных методов усиления основания является технология струйной цементации, которая позволяет создавать прочные грунтоцементные элементы непосредственно в массиве грунта [1]. Однако ее применение в условиях распространения ММГ требует особого внимания, так как процесс нагнетания цементного раствора под высоким давлением сопровождается выделением тепла [2–4], что может привести к локальному оттаиванию грунтов и снижению их несущей способности [5–8]. Альтернативным решением являются вертикальные столбы из щебня, которые обеспечивают дренирующий эффект и улучшают механические свойства грунтов,

СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ но имеют ограничения по прочностным характеристикам и сфере применения [9–12].

В России технология струйной цементации впервые реализована А. Г. Малининым в 2002 году при усилении фундаментов зданий на слабых основаниях и описана в трудах [13, 14], получив свое развитие применительно к железнодорожному пути в трудах А.Л. Ланиса (СГУПС) [15].

Группа компаний «ГЕОИЗОЛ» совместно с немецкой компанией Betterground одной из первых в России внедрила технологию укрепления грунтов вертикальными столбами из щебня, которая пользуется популярностью при возведении объектов различной сложности. В рамках железнодорожного строительства данная технология получила свое развитие в трудах [16, 17].

Целью настоящего исследования является сравнительный анализ и обоснование эффективности применения двух технологий усиления основания – струйной цементации и вертикальных столбов из щебня – для повышения устойчивости земляного полотна на участках с распространением высокотемпературных ММГ (температура грунтов t = 0 до –2оС). Особое внимание уделяется численному моделированию напряженно-деформированного состояния системы «конструкция – основание – усиленное основание» с учетом этапов возведения конструкций и воздействия внешних нагрузок.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Расчет выполнен в плоской (2D) расчетной схеме системы «конструкция – основание – усиленное основание» с учетом этапов возведения конструкций. Система реализована с использованием метода конечных элементов (МКЭ) [18]. Результаты теплотехнических расчетов в настоящей статье не приводятся.

Для моделирования механической работы грунта использованы 15-узловые треугольные элементы, а для конструкций – стержневые конечные элементы. Модель материала грунтового массива учитывает идеально упругопластический закон при деформировании под нагрузкой с критерием прочности Кулона–Мора (формула 1) [18]:

τ = σ • tan(φ) + c , (1)

где τ – касательные (сдвиговые) напряжения в грунте; σ – нормальные напряжения в грунте; φ – угол внутреннего трения грунта; c – удельное сцепление грунта.

При выполнении расчетов учтены следующие предпосылки:

– геотехническая модель грунтового основания для сечения строилась на основе анализа результатов инженерно-геологических изысканий;

– расчеты выполнялись для второй группы предельных состояний, в которых были приняты расчетные значения физико-механических характеристик инженерно-геологических элементов с доверительной вероятностью α = 0,95 (I предельное состояние) и α = 0,85 (II предельное состояние). В рамках настоящего исследования, как уже отмечалось выше, рассмотрены две технологии усиления основания: струйная цементация и устройство вертикальных столбов из щебня. Струйная цементация реализуется за счет нагнетания под высоким давлением цементного раствора с одновременным перемешиванием его с грунтом с формированием грунтоцементных элементов. Данная технология позволяет создавать прочные элементы, которые улучшают несущую способность основания и снижают осадку конструкций. Ее применение в условиях распространения ММГ, как отмечалось ранее, требует учета тепловыделения [2–4], которое может привести к локальному оттаиванию грунтов и изменению их механических свойств. Устройство вертикальных столбов из щебня представляет собой альтернативную технологию, основанную на внедрении в грунтовое основание колонн из крупнофракционного щебня. Данная технология обеспечивает дренирующий эффект, улучшает физико-механические свойства грунтов основания и является экономически более выгодной по сравнению со струйной цементацией, как показано в работе [17]. Но необходимо учитывать, что столбы из щебня имеют ограничения по прочностным характеристикам и могут быть менее эффективны в сложных геологических условиях. Обе технологии позволяют повысить несущую способность земляного полотна, но выбор между ними зависит от конкретных инженерно-геологических условий, нагрузок и экономической целесообразности. Физико-механические характеристики материалов, используемых при реализации сравниваемых технологий, представлены в табл. 1.

Исследование проводилось для участка железнодорожной линии Обская – Салехард – Надым Северного широтного хода (далее по тексту – Объект), расположенного в сложных геологических и климатических условиях в зоне распространения высокотемпературных многолетнемерзлых грунтов (температура грунта варьируется от 0 до –2 °C). На рис. 1 представлена двухмерная модель насыпи высотой H = 6 м на этом участке. На рис. 2 представлен график для определения глубины сжимаемой толщи основания по основному условию (σzp,σzg), она составила, как видно из графика, Hсж = 11,5 м. Физико-механические характеристики инженер-

СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Таблица 1. Физико-механические характеристики материалов

Характеристики			Наименование
Параметр	Обозначение	Ед. изм.	Щебень (материал для грунтовых столбов)	Грунтоцементные элементы
Удельный вес грунта сухой	g	кH/м3	19	18
Удельный вес грунта обводненный	g	кH/м3	19
Модуль деформации (песчаных)	Е	МПа	38	900
Модуль деформации (глинистых)				200
Коэффициент Пуассона	u	–	0,3	0,25
Сцепление	С	МПа	0,001	1,2
Угол внутреннего трения	j	град	40	26
Коэффициент фильтрации	k	м/сут	100	0

Рис. 1. Двухмерная модель насыпи Объекта (разработано авторами)

но-геологических элементов для данного участка представлены в табл. 2.

При анализе напряженно-деформированного состояния системы «конструкция – основание – усиленное основание» учитывались следующие нагрузки и воздействия:

– нагрузка от веса грунтового массива;

– собственный вес конструкций;

– нагрузки от подвижного состава железных дорог (С14).

Нормативная временная вертикальная нагрузка от подвижного состава железных дорог (С14) принимается в виде объемлющих максимальных эквивалентных нагрузок ν, кН/м; величина нагрузки

принята равной 50,85 кПа (5,15 тс/м2) по полосе шириной 2,7 м (длина шпал).

При моделировании и расчете НДС системы «конструкция – основание – усиленное основание» рассматривались следующие стадии сооружения конструкций:

• 1.    Стадия 0 – до начала СМР (определение бытовых напряжений);

• 2.    Стадия 1 – устройство грунтоцементных элементов;

• 3.    Стадия 2 – возведение насыпи;

• 4.    Стадия 3 – нагрузка от железнодорожных путей;

• 5.    Стадия 4 – определение устойчивости насыпи.

Таблица 2. Физико-механические характеристики инженерно-геологических элементов для Объекта

Характеристики			Наименование
Параметр	ф s X ф т <0 X м о о о	м S ш	>s s | s s $ S 1 т ф 2 s о ₽ g i о = S W Q E § T	<0 b Ф >4 и	’S О Ф = 1 Ф a ь	>S    E ® s S 1 E U	Z g T * S S О Э = Й ® E
Удельный вес грунта сухой	g	кH/м3	18,5	15,2	20,4	18	19
Удельный вес грунта обводненный	g	кH/м3	19,5	19,0	20,4	20
Модуль деформации (Юнга)	Е	МПа	8	2,6	35	40	36
Коэффициент Пуассона	u	–	0,35	0,34	0,3	0,3	0,3
Сцепление	С	МПа	0,01	0,043	0,006	0,002	0,02
Угол Внутреннего трения	j	град	8	11,4	30	38	40
Коэффициент фильтрации	k	м/сут	0,1	0,3	0,001	16	100

СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Рис. 2. График для определения глубины сжимаемой толщи грунта по основному условию для Объекта (разработано авторами)

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 3 представлен общий вид расчетной модели на естественном основании Объекта.

На рис. 4 представлены сдвиговые деформации земляного полотна на естественном основании Объекта.

Как можно заметить, в основании откосов насыпи при приложении нагрузки возникают около-критические напряжения, которые могут негативно сказаться на состоянии сооружения в период эксплуатации.

По результатам расчетов коэффициента устойчивости по модели Мора–Кулона, было получено значение 1,251, находящееся на границе с нормативным значением 1,2, предъявляемым к устойчивости железнодорожной насыпи для линии II категории в соответствии с СП 238.1326000.2015 «Железнодорожный путь». В [18] показано, что данная модель может завышать коэффициент устойчивости, поэтому далее в статье представлены варианты усиления данной конструкции.

При расчете использован режим «Undrained A», в ходе которого в основании генерируются избыточные поровые давления. При этом учтена длитель-

СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Рис. 3. Общий вид расчетной модели насыпи на естественном основании Объекта (разработано авторами)

Рис. 4. Сдвиговые деформации на естественном основании Объекта (разработано авторами)

ность каждой стадии нагружения, для чего выполняется соотнесение этапов расчета с календарным планом производства работ.

Тип поведения «Undrained A» является универсальным механизмом, который позволяет использовать как нестабилизированную, так и стабилизированную прочность. Переход от одного состояния к другому происходит в процессе фильтрационной консолидации.

В табл. 3 приведена этапность строительства насыпи.

Грунтоцементные элементы устраиваются на глубину 8,2 м, диаметр составляет 1000 мм, шаг расстановки 1800×1800 мм. На рис. 5 представлен общий

СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Таблица 3. Этапность строительства

Этап, №	Описание	Временной интервал	Тип расчета	Комментарий
1	Устройство насыпи. 1 этап	2 сут.	Консолидация	–
2	Консолидация от устройства насыпи	15 сут.	Консолидация	–
3	Устройство насыпи. 2 этап	2 сут.	Консолидация	–
4	Консолидация от устройства насыпи	15 сут.	Консолидация	–
5	Нагрузка от подвижного состава железных дорог (С14)	0,2 сут.	Консолидация	–
6	Консолидация после приложения нагрузки	Из расчета	Консолидация	Рассеивание порового давления до 1 кН/м2

Рис. 5. Общий вид расчетной модели насыпи с грунтоцементными элементами в основании на Объекте (разработано авторами)

вид расчетной модели с использованием грунтоцементных элементов на Объекте.

На рис. 6 представлены сдвиговые деформации, полученные в результате применения технологии усиления основания грунтоцементными элементами. Как можно заметить, в основании откоса насыпи при приложении нагрузки происходит затухание напряжений по сравнению с вариантом строительства без усиления (см. рис. 4), что приводит к стабилизации основания в его откосной части.

Вертикальные столбы из щебня устраиваются на глубину 8,2 м, диаметр джетов составляет 800 мм, шаг расстановки 1900×2200 мм. На рис. 7 представлен общий вид расчетной модели с устройством верти- кальных столбов из щебня на исследуемом участке СШХ.

На рис. 8 представлены сдвиговые деформации, полученные в результате применения технологии усиления основания вертикальными столбами из щебня. Так же, как и при использовании грунтоцементных элементов (см. рис. 6), видно, что в основании откоса насыпи при приложении нагрузки происходит затухание напряжений, по сравнению с вариантом без усиления вертикальными столбами из щебня (см. рис. 4), что приводит к стабилизации основания в откосной части.

На рис. 9 представлен график зависимости вертикальных перемещений на разных этапах возве-

СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Рис. 6. Сдвиговые деформации с грунтоцементными элементами в основании на Объекте (разработано авторами)

Рис. 7. Общий вид расчетной модели насыпи с вертикальными столбами из щебня в основании на Объекте (разработано авторами)

дения насыпи с учетом прикладываемой нагрузки от подвижного состава. Анализируются три варианта укрепления грунтового основания:

• •    Случай 1 –естественное основание;

• •    Случай 2 – устройство в основании грунтоцементных элементов;

• •    Случай 3 – устройство в основании вертикальных столбов из щебня.

На рис. 10 представлена диаграмма распределения полученных коэффициентов устойчивости откоса земляного полотна относительно нормативного значения (обозначено красной линией) в зависи-

СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Рис. 8. Сдвиговые деформации с вертикальными столбами из щебня в основании на Объекте (разработано авторами)

Рис. 9. Зависимость вертикальных перемещений на разных этапах сооружения насыпи для применяемых технологий усиления основания, сложенного высокотемпературными многолетнемерзлыми грунтами: этап 1 – возведение 1 слоя насыпи с дальнейшей консолидацией; этап 2 – возведение 2 слоя насыпи с дальнейшей консолидацией; этап 3 – учет нагрузки от подвижного состава с дальнейшей консолидацией (разработано авторами)

СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Рис. 10. Коэффициент устойчивости откоса земляного полотна в зависимости от технологии усиления основания, сложенного высокотемпературными многолетнемерзлыми грунтами (разработано авторами)

мости от используемой технологии усиления основания, сложенного высокотемпературными ММГ.

ВЫВОД

Анализируя результаты численного моделирования НДС для исследуемого участка железнодорожной линии Обская – Салехард – Надым Северного широтного хода, можно сделать вывод об увеличении устойчивости земляного полотна с применением двух технологий усиления основания: струйной цементации и вертикальных столбов из щебня.

Показано, что применение струйной цементации обеспечивает наибольшую устойчивость конструкции, снижая осадку и увеличивая коэффициент устойчивости до безопасных значений. Например, анализируя графики зависимости вертикальных перемещений на разных этапах сооружения насыпи (рис. 9), видим, что вертикальные перемещения снизились с 38 см (естественное основание) до 22 см при использовании грунтоцементных элементов. Коэффициент устойчивости (рис. 10) увеличился с 1,251 до 1,446, что соответствует нормативным требованиям.

Усиление грунтов основания вертикальными столбами из щебня также улучшает показатели устойчивости, но в меньшей степени по сравнению со струйной цементацией: вертикальные перемеще- ния составили 29,5 см, а коэффициент устойчивости увеличился до 1,314. Достоинством данного способа усиления основания является отсутствие необходимости определения выделяемого в процессе проведения строительно-монтажных работ тепла при реализации рассматриваемой технологии, что повышает ее универсальность и практическое применение.

В целом, предлагаемые технологии укрепления грунтов основания позволяют повысить надежность сооружаемых на них объектов, в частности, земляного полотна. Выбор технологии усиления грунтов основания должен основываться на анализе конкретных условий строительства и эксплуатации объекта: природных, технических, технологических, экономических факторах.

Можно отметить, что в схожих инженерно-геологических условиях, описанных в данном исследовании, струйная цементация применима к использованию для укрепления грунтов основания на участках с высокими требованиями к устойчивости и несущей способности, но с обязательным предварительным подбором цементного раствора и анализом его экзотермии при наборе прочности. Вертикальные столбы из щебня как способ укрепления грунтов оснований представляют собой перспективное конструктивнотехнологическое решение, особенно для негрузонапряженных участков.

СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ