Способы усиления земляного полотна инъектированием

Поддержание прочностных характеристик и устойчивости земляного полотна - важнейшее условие безопасной эксплуатации железнодорожного транспорта. К сожалению, ошибки при проектировании, строительстве, недостаточный контроль за состоянием путей и влияние внешних факторов могут привести к резкому снижению несущей способности грунтов основания, что иногда становится причиной их разрушения. Деформации и разрушения возникают под действием локальных изменений обводнений и пучения, что приводит к аварийным ситуациям. Поэтому необходимо осуществлять регулярные мониторинговые обследования для выявления и устранения потенциальных причин аварийных ситуаций.

Одним из наиболее эффективных методов ремонта и реконструкции железнодорожных путей является инъекционное усиление оснований с использованием твердеющих составов [1]. Данная технология была внедрена более двух столетий назад в качестве надежного и экономически выгодного способа повышения прочности конструкций.

В США инъекционное укрепление активно применяется с 1938 года, когда была осуществлена первая реализация на Пенсильван- ской железной дороге. К 1970 году в стране было выполнено более 55 инъекционных операций [2].

С начала 1940-х годов инъекционные методы внедряются и развиваются в России. Пионером в этой области стало укрепление откосов насыпи на Казанской железной дороге под руководством профессора Волоцкого из Казанского государственного архитектурно-строительного университета.

По статистике, более 40% случаев деформации земляного полотна связано с его недостаточным дренажом и увлажнением. Проблемы возникают из-за загрязнения дренажных систем, что приводит к повышению влажности грунтов и снижению их прочности. Отсутствие эффективного дренажа не позволяет устранить дефекты и повысить несущую способность грунтов, особенно в условиях увеличения нагрузки на пути.

В патенте Российской Федерации № 2277616, зарегистрированном специалистами Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщения (СГУПС), представлен метод ремонта насыпей с осушением и заполнением пустот затвердевшими растворами. Метод включает дренажные скважины и инъекционное нагнетание плот- ной смеси для увеличения жесткости структуры насыпей [3].

Интенсивные грузовые перевозки и динамические нагрузки оказывают негативное воздействие на устойчивость земляного полотна, что может привести к образованию оползней. Устойчивость конструкций можно повысить как на этапе проектирования, так и в ходе ремонта существующих объектов, что, впрочем, может потребовать значительных дополнительных затрат. В процессе совместной работы с ОАО «РЖД» были разработаны рекомендаций по проектированию и применению методов стабилизации земляного полотна.

Предлагаемый подход [4] включает интеграцию многокомпонентного объемного армирования в основание земляного сооружения, что обеспечивает дренаж лишней влаги. Создание армирующей структуры достигается за счет пространственного расположения армирующих элементов (сеток), пересекающихся в различных плоскостях, что позволяет насытить места их соединения связывающим раствором. Этот процесс приводит к образованию жесткой несущей структуры, состоящей из затвердевшего связующего и уплотненного грунта, что обеспечивает надежные физико-механические характеристики. Армирующие элементы принимают на себя вертикальные и горизонтальные нагрузки, формируя анкеры для стабилизации откосов. Концепция многофункциональной системы каскадной работы позволяет существенно уменьшить осадки в зонах эксплуатации и улучшить условия устойчивости откосной части земляного сооружения.

Разработанная технология имеет высокую степень универсальности и позволяет эффективно проводить как локальное, так и сплошное укрепление участков с ухудшенными свойствами, подверженных деформациям в условиях повышенной влажности и низкой плотности. Результаты расчетно-теоретического анализа показали, что для применения многоэлементной системы армирования откосов механические характеристики окружающих грунтов не должны быть ниже установленных значений (модуль деформации Е – 11 МПа, удельное сцепление с грунтом – 0,012 МПа, угол внутреннего трения ϕ – 18°). Изменения свойств грунтов в сторону сниже- ния прочности требуют предварительного их усиления с помощью инъекционного метода. Исходя из этого, были разработаны методические рекомендации по усилению откосов с многоэлементным армированием и комплексному армированию земляного полотна методом напорного инъекционного воздействия.

Для увеличения долговечности усилительных конструкций стоит рассмотреть применение композитной металлической арматуры. Вместо стальных инъекторов можно использовать стеклопластиковые трубы, которые обеспечивают аналогичные преимущества, характерные для стеклопластиковых арматур. При инъекционном закреплении грунтов целесообразно использовать существующие методики, выбор которых должен учитывать характеристики местных грунтов. Это обеспечит максимальную эффективность закрепления с минимальными деформациями существующих конструкций. Процесс инъекционного закрепления следует начинать с установки армирующих элементов, это предотвратит сильные деформации откосов во время инъекции. Проектирование должно включать параметры инъекционных работ, такие как состав, концентрация, объем подаваемого раствора, давление на выходе, критерии завершения инъекции и методы контроля качества.

Результаты экспериментально-теоретических исследований показали, что применение сеток с армирующими элементами более эффективно по сравнению с использованием стержней. Кроме того, применение армирующих каркасов в конструкциях слоя армирования значительно улучшает его деформационные характеристики. Подход к улучшению свойств слабых оснований земляного полотна базируется на комплексном армировании, направленном на оптимизацию прочностных и деформационных показателей грунтов, обеспечиваемых внедрением раскатывающего инструмента. Он формирует полость, заполняемую специальным твердеющим составом, который вводится во время обратного хода раскатывающего органа (патент РФ № 147223 [5]). В результате образуется композиционный материал, состоящий из твердых компонентов, возникающих в процессе инъекционного твердения, и уплотненных грунтов. Проникновение раскатывающего органа вызывает уплотнение окружающего ма- териала. В отличие от традиционных методов бурения, извлечение грунта не происходит, а идет интенсивное уплотнение за счет контактирования стенок скважины. Это приводит к образованию сложных механических характеристик и уплотнению на расстоянии до двух радиусов раскатывающего устройства, а также инъекционному заполнению специальными составами, что открывает новые горизонты в области укрепления почвы и расширяет диапазон применения технологий до наклонного и вертикального армирования [6].

С практической точки зрения интерес представляют данные по физико-механическим характеристикам грунтов, прошедших инъекционное усиление. Эти данные включают результаты исследований и контроля качества, проводимого на каждом объекте с инъекционным методом. В таблице представлены нормативные значения физико-механических характеристик грунтов после напорного инъекционного воздействия на экспериментальном полигоне. Установленные деформационные модули получены методом штамповки, прочностные характеристики определены методом консолидации и среза с образцами диа- метром 400 мм в соответствии с ГОСТ 2027699.

Через 30 дней после завершения работ по инъекционному укреплению грунта в основании и теле земляного полотна проводились полевые испытания прочности объемного массива с использованием динамического зондирования, испытания на штампах, определение прочности на сдвиг с образцами цилиндрической формы диаметром 400 см и высотой 200 см. Все испытания проводились в соответствии с требованиями ГОСТ [2027699]. В таблице представлены данные инъекционного усиления грунтов земляного полотна и оснований. Эффективность инъекционного укрепления определяется множеством параметров, включая геологическую структуру, технологию работы, технические возможности используемого оборудования и проектные параметры. Применение инъекционного метода значительно улучшает прочность и устойчивость грунтовых структур за счет интенсивного увеличения сцепления между частицами, улучшает упругоземляные характеристики (модули упругости и деформации) с незначительным увеличением углов трения.

Таблица 1. Законодательные и нормативные документы в сфере укрепления грунтов.

Многоэлементное армирование является современным и востребованным решением в строительной практике, обеспечивающим оптимизацию силовых характеристик конструкций и конструктивных элементов. Благодаря интеграции многослойного армирования, сооружения приобретают выдающиеся механические свойства и повышенную устойчивость к внешним воздействиям. Применяемые технологии монтажа просты и не требуют при- менения сложного и дорогостоящего оборудования, что значительно упрощает процесс их внедрения и монтажа на строительных площадках. Экономическая эффективность данных методов усиливает их привлекательность для применения в капитальных и вспомогательных сооружениях, таких как усиление фундамента подземных объектов и устройство земляного полотна для железнодорожных путей.