Совершенствование метода расчета морозного пучения и параметров теплоизолирующих устройств на железных дорогах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Бухов Степан Игоревич

• Бухов Степан Игоревич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Бухов Степан Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

1 МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ПРОТИВОПУЧИННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ НА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ

1.1 Общие понятия и условия морозного пучения

1.2 Способы оценки характеристик морозного пучении глинистых грунтов

1.3 Системы промерзания грунтов земляного полотна

1.4 Противопучинные мероприятия на железных дорогах

1.4.1 Виды противопучинных конструкций

1.4.2 Методы расчета параметров теплоизолирующих устройств земляного полотна железных дорог в нормативной документации

1.5 Цель и задачи исследования

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ПРИ ЗАКРЫТОЙ СИСТЕМЕ ПРОМЕРЗАНИЯ

2.1 Оценка коэффициента морозного пучения глинистых грунтов земляного полотна при закрытой системе промерзания

2.2 Верификация метода определения коэффициента морозного пучения при закрытой системе промерзания

2.2.1 Постановка лабораторных экспериментов по определению коэффициента морозного пучения при закрытой системе промерзания

2.2.2 Результаты лабораторных экспериментов и их анализ

2.3 Выводы по второй главе

3 ОБОСНОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО КРИТЕРИЯ ОЦЕНКИ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ПРИ ОТКРЫТОЙ СИСТЕМЕ ПРОМЕРЗАНИЯ

3.1 Анализ критериев оценки морозного пучения при открытой системе промерзания

3.2 Температурный критерий

3.2.1 Основные факторы, влияющие на температурный критерий

3.2.2 Экспериментальные исследования по определению температуры начала интенсивного морозного пучения

3.3 Выводы по третьей главе

4 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

4.1 Схема принятия решений при проектировании теплоизолирующих устройств

4.2 Верификация методики с дифференцированным подходом к определению параметров теплоизолирующих устройств

4.2.1 Реализации предлагаемой методики посредством «Егев2в-1»

4.2.2 Результаты сопоставительных расчетов толщины плит пенополистирола

4.3 Экономический эффект от применения методики

4.4 Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование метода расчета морозного пучения и параметров теплоизолирующих устройств на железных дорогах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В рамках реализации проектов ОАО «РЖД»: «Развитие железнодорожной инфраструктуры Восточного полигона железных дорог», «Увеличение пропускной способности участка Артышта -Междуреченск - Тайшет» и др., с целью достижения объема грузоперевозок 180 миллионов тонн и ликвидации «узких» мест инфраструктуры Восточного полигона, предусматривается модернизация железнодорожных линий Байкало-Амурской и Транссибирской магистралей. Развитие инфраструктуры Западно -Сибирской, Красноярской, Восточно-Сибирской, Забайкальской, Дальневосточной железной дороги осложненно расположением в неблагоприятных природно-климатических и инженерно-геологических условиях.

Одной из часто возникающих проблем при строительстве железных дорог в данных регионах является деформация земляного полотна вследствие морозного пучения.

В зависимости от условий возникновения морозного пучения в грунтах земляного полотна железнодорожного пути используются следующие противопучинные конструкции: тепловая изоляция, устройство подушек из непучинистых грунтов, устройство каптажа источника грунтовых вод, горизонтальные продольные и поперечные дренажи и др.

Одной из наиболее часто применяемых противопучинных конструкций является теплоизолирующее покрытие из пенополистирола. Это объясняется его экономической эффективностью как при строительстве, так и при капитальном ремонте железнодорожного пути.

В нормативной документации РФ основной метод определения параметров теплоизолирующих устройств представлен в Инструкции по устройству подбалластных защитных слоев при реконструкции (модернизации) железнодорожного пути [39], который основывается на методах оценки характеристик морозного пучения, моделирующих наиболее неблагоприятные условия промерзания грунтов. С одной стороны это обеспечивает надежную защиту железнодорожного пути, с другой стороны возникает вероятность

существенного перерасхода материала.

Затраты, связанные с ликвидацией и предупреждением негативного влияния пучения грунтов земляного полотна, могут достигать полумиллиарда рублей в год на дорогах РФ. Поэтому используемый метод при определении параметров противопучинных устройств должен давать адекватную оценку характеристикам морозного пучения для обеспечения надежности и экономической эффективности проектных решений.

Степень разработанности темы исследования.

В многочисленных литературных обзорах, посвященных вопросам влагонакопления в промерзающих грунтах, упоминаются имена предшественников всех дальнейших исследований: географа И.А. Лопатина (1876 г.), проектировщика железных дорог В.И. Штукенберга (1885 г., 1894 г.), горного инженера С.Г. Войслава (1891 г.), инженера-путейца Л.Н. Любимова (1897 г.).

Развитие теоретических предпосылок протекания водно-тепловых процессов в слоях земляного в XX веке получило в исследованиях профессоров И.А. Золотаря, Н.А. Пузакова, В.М. Сиденко, А.Я. Тулаева, а также их учеников, среди которых значимые результаты изложены в работах В.И. Рувинского, Ю.М. Васильева и многих других.

Экспериментальными и теоретическими исследованиями влияния на пучение комплекса многочисленных факторов, в том числе разработкой противопучинных мероприятий, занимались: А.Г. Алексеев, А.А. Ананян, П.И. Андреанов, Е.С. Ашпиз, А.П. Боженова, А.М. Глобус, О.Р. Голли, М.Н. Гольдштейн, Э.Д. Ершов, В.Н. Ефименко, С.В. Ефименко, А.Л. Исаков, Я.А. Кроник, В.А. Кудрявцев, С.А. Кудрявцев, А.Ф. Лебедев, Л.Н. Любимов, Н.А. Нерсесова, В.О. Орлов, Ю.С. Палькин, В.Н. Парамонов, В.И. Пусков. А.М. Пчелинцев, И.И. Сахаров, М.И. Сумгин, И.А. Тютюнов, Г.М. Фельдман, Н.А. Цытович, Г.М. Шахунянц, П.Ф. Швецов и другие.

Среди зарубежных ученых, внесших значимый вклад в исследование водно-теплового режима промерзающих грунтов, можно отметить D.M. Anderson,

G. Beskow, J.M. ^т^, S. Knutsson, X.F. Lu, N.R. Morgenstem, E. Penner, R. Rйckli и других.

За весь период изучения процесса морозного пучения было предложено множество теорий влагонакопления промерзающих глинистых грунтов, а также методов его прогнозирования. Однако, единую теорию, учитывающую весь спектр взаимосвязей и процессов, сформулировать невозможно ввиду высокой степени сложности протекания водно-теплового режима глинистых грунтов земляного полотна железных дорог. Исходя из этого, данная проблема остается актуальной как в настоящем времени, так и в ближайшем будущем.

Существующие концепции и методы не отличаются простотой реализации в практическом применении при проектировании противопучинных мероприятий. Это создает разрыв между теоретическими изысканиями и практическим применением предлагаемых подходов.

В связи с этим существует необходимость разработки новых подходов к оценке параметров морозного пучения, сочетающих в себе высокую степень достоверности результатов расчетов и их доступную практическую применимость при проектировании противопучинных мероприятий на железных дорогах.

Целью данного исследования является повышение достоверности расчетов величины морозного пучения и параметров теплоизолирующих устройств, при проектировании противопучинных мероприятий.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- разработать метод определения коэффициента пучения глинистых грунтов применительно к закрытой системе промерзания;

- установить зависимость температуры интенсивного морозного пучения от числа пластичности при открытой системе промерзания;

- по результатам выполненных исследований разработать методику расчета параметров теплоизолирующих устройств земляного полотна;

- провести сопоставительные расчеты с использованием существующей и предложенной в работе методик для обоснования достижения цели,

поставленной в данной работе.

Объект исследования: земляное полотно железных дорог, подверженное деформациям морозного пучения.

Предмет исследования: морозное пучение грунтов земляного полотна железных дорог и методы его расчета.

Идея работы заключается в дифференцированном подходе к оценке характеристик морозного пучения с учетом режима промерзания грунта.

Научная новизна:

- введен в рассмотрение новый параметр применительно к механике мерзлых грунтов - показатель пучения глинистых грунтов, характеризующий степень пучения грунта относительно максимально возможного значения, возникающего при его полном водонасыщении;

- предложен экспериментально-аналитический метод определения коэффициента морозного пучения с учетом степени водонасыщения применительно к закрытой системе промерзания;

- получена экспериментальная зависимость, связывающая температуру начала интенсивного морозного пучения с числом пластичности глинистых грунтов.

Практическая ценность работы:

- выведена формула для практических расчетов коэффициента морозного пучения при закрытой системе промерзания;

- предложен экспериментально обоснованный температурный критерий морозного пучения для практического определения параметров теплоизолирующих устройств применительно к отрытой системе промерзания;

- разработана методика расчета параметров теплоизолирующих устройств земляного полотна железных дорог.

Достоверность полученных результатов обеспечена большим количеством фактических данных, полученных в лабораторных экспериментах на сертифицированном оборудовании. Теоретические исследования верифицированы и основаны на законах физики и механики мерзлых грунтов.

Положения, выносимые на защиту:

1) экспериментально-аналитический метод определения коэффициента морозного пучения грунтов земляного полотна при закрытой системе промерзания;

2) экспериментальное обоснование температурного критерия оценки морозного пучения при открытой системе промерзания;

3) методика расчета параметров теплоизолирующих устройств, учитывающая режим промерзания грунтов земляного полотна железных дорог.

Реализация исследований. Результаты исследований, полученных в диссертационной работе, используются:

- проектными институтами - филиалами АО «Росжелдорпроект» при проектировании новых путей и капитального ремонта земляного полотна существующего железнодорожного пути;

- ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет путей сообщения» в учебном процессе (в дисциплине «Земляное полотно в сложных природных условиях», преподаваемой на кафедре «Изыскания, проектирование и постройка железных и автомобильных дорог»).

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на конференциях: XI Международная научно-техническая конференция «Политранспортные системы» (Новосибирск, 2020), XII Международная научно -техническая конференция «Политранспортные системы» (Новосибирск, 2022), XIX международная научно-техническая конференция, посвященной памяти профессора Г.М. Шахунянца (Москва, 2022), 6-й Международный симпозиум по строительному инжинирингу грунтовых сооружений на транспорте в холодных регионах TRANSOILCOLD 2023 (Москва, 2023).

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в семи печатных работах. Три из них в ведущих научных рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России, одна -в издании, индексируемом в международных базах данных Scopus и Web of Science.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 107 страниц, содержит 41 рисунок и 15 таблиц. Список литературы включает 119 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

1 МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ПРОТИВОПУЧИННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ НА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ

Нагрузка на Транссибирскую магистраль, особенно на ее восточную часть, возрастает с каждым годом. Запланированное повышение пропускной способности, заложенное в программы развития ОАО «РЖД», предполагает увеличение тоннажа грузовых составов и скорости их движения. Это предъявляет дополнительные требования к надежности и долговечности земляного полотна.

Модернизация инфраструктуры данного направления (Западно-Сибирская, Красноярская, Восточно-Сибирская, Забайкальская, Дальневосточная железная дорога) осложнена расположением в неблагоприятных природно-климатических и инженерно-геологических условиях. Одной из часто встречаемых проблем в данных регионах является деформация земляного полотна вследствие промерзания и пучения грунтов земляного полотна, требующая существенных затрат на ликвидацию негативного влияния данного явления.

Например, объем укладки плит пенополистирола, согласно рисунку 1.1 (по данным службы пути), только на Западно-Сибирской железной дороге за пятилетний период составил более 12 000 м .

Рисунок 1.1 - Объем укладки плит пенополистирола на Западно-Сибирской

железной дороге за 5 лет

Принимая среднюю стоимость материала и проведение работ по укладке

-5

плит пенополистирола 10 000 руб./м , за десятилетний период было затрачено более 120 млн. рублей. Снижение объёма укладываемого пенополистирола связано не с резким уменьшением пучинистых участков, а с экономией расходов, которые были оценены, как чрезвычайно завышенные.

1.1 Общие понятия и условия морозного пучения

Первое определение понятия пучения или пучины была дано известным русским инженером, исследователем Транссибирской магистрали Л.Н. Любимовым: «Пучиною называется местное поднятие полотна, зависящее от присутствия под ним в пределах промерзания насыщенных водою грунтов и вызывающее зимой и в начале весны такого рода неправильности в положении верхнего строения железнодорожного пути, которое нарушает спокойствие и безопасность движения поездов» [64]. Как следует из вышеприведенного определения, главным фактором, определяющим морозное пучение, является увеличение объёма замерзшей воды в процессе фазовых переходов, превышающее свободный объём пор и приводящее к поднятию свободной поверхности грунта, находящегося в зоне промерзания [74].

Основной характеристикой морозного пучения промерзающего грунта является величина пучения к - вертикальное перемещение верхней поверхности грунта относительно ее исходного положения при глубине промерзания грунтового массива 2.

Еще одной характеристикой морозного пучения является производная от его высоты к по глубине промерзания 2 - это интенсивность пучения ^ которая представляет собой полную производную деформацию морозного пучения грунта по глубине его промерзания

/ = (1.1)

аг

В нормативной литературе и инженерной практике обычно используется два идентичных по значению и смыслу термина - «относительная деформация морозного пучения» и «коэффициент пучения».

Условия, при которых возможно появление морозного пучения, представляют собой многочисленные взаимосвязанные друг с другом факторы, которые условно можно представить двумя группами - это природно-климатические и инженерно-геологические условия.

Природно-климатические условия

Климатические и погодные условия оказывают определяющее влияние на процесс пучинообразования, а именно, на его основные параметры - глубину промерзания грунтов и их влажность. К главным из этих условий относятся количество осадков в осенний период, температура воздуха в зимний период и высота снежного покрова.

Перечисленные выше характеристики оцениваются по средним многолетним данным, приведенным в СП 131.13330.2020."Строительная климатология" [88].

Одной из основных характеристик пучиноопасности является глубина промерзания, так как именно в границах промерзшего слоя формируется деформация морозного пучения. Среди факторов, влияющих на данную характеристику, наиболее значимыми являются: климатические (Л. Апостолов [4], М.В. Заварина [38, 39], В.А. Кудрявцев [59], А.В. Павлов [76], и др.), теплофизические характеристики талого и мерзлого грунта Т.В. Дьяков [31], Г.В. Порхаев и Г.М. Фельдман [78], А.В. Павлов [75, 76] и др.), а также количественное содержание влаги промерзающего грунта (Б.И. Далматов [30], Т.Н. Жесткова [36, 37], В.Л. Невечеря и Л.В. Чистотинов [69], В.М. Соколова [85] и др.)

Глубина промерзания, как правило, определяется фактически (шурфованием или с помощью мерзлометров), а для предварительных оценок может быть получена по картам глубин сезонного промерзания/оттаивания [88] или расчетом с использованием программными комплексами. Одним из них

является сертифицированный на территории РФ программный комплекс «Егвв2в-1», в основу которого положен алгоритм решения дискретной задачи об определении нестационарного температурного поля в подшпальной зоне промерзающего грунта земляного полотна железных дорог.

Инженерно-геологические условия

К инженерно-геологическим условиям относятся следующие факторы:

- гранулометрический состав грунта;

- минералогический состав грунта;

- физическое состояние грунта в предзимний период (плотность, влажность).

Минералогический состав играет немаловажную роль в пучении грунтов. Принято считать наиболее пучинистыми ненабухающие минералы - каолинит и гидрослюда. К наименее пучинистым относят монтмориллонит и бентонит, характеризуемые как набухающие. Данные минералы втягивают внутрь кристаллической решетки воду, тем самым меняя ее физические свойства.

Характеризуя эти минералы с помощью гранулометрического состава, надо отметить, что важнейшим фактором их активности при взаимодействии с водой является их дисперсность или степень раздробленности (форма и размер частиц). К грунтам, подверженным наиболее интенсивному пучению, относятся тонкодисперсные и пылевато-глинистые грунты, размеры пылеватых частиц в которых варьируют в диапазоне от 0,005 до 0,05 мм. Наличие частиц глинистых фракций (от 0,002 до 0,02 мм) при повышении плотности грунта ведет к уменьшению в нем интенсивности перераспределения воды. Это связано с наличием в порах большой доли, относительно суммарной влажности, прочносвязанной воды, которая не участвует в процессе морозного пучения. Как следует из вышесказанного, пылеватые грунты обеспечивают наиболее благоприятные условия для удержания и перемещения влаги [22, 92, 99].

Исследование вопроса зависимости пучения от плотности грунтов рассматривался многими учеными [118, 60, 56, 99, 103 , 35, 105]. Из их анализа и на основании результатов, полученных в [72], можно сделать вывод, что при

оценке зависимости величины пучения от плотности грунтов необходимо учитывать характер структуры грунта, представленного трехфазной или двухфазной средой в зависимости от его состояния (талого или мерзлого). При этом в зависимости от влагонасыщения грунта его плотность в сухом состоянии будет в различной степени влиять на характер пучения грунта. При нахождении грунта в трехфазной системе интенсивность его пучения будет возрастать с увеличением плотности вплоть до ее некоторого условного значения, которое обусловлено наиболее благоприятными условиями для пленочной миграции воды в грунте. При дальнейшем увеличении плотности грунта, а, следовательно, уменьшении его пористости и влагосодержания, интенсивность пучения будет падать.

Согласно результатам экспериментов (рисунок 1.2) Н.Я. Хархуты и Ю.М. Васильева [101], анализ которых показывает, что восходящая ветвь кривой 1 (до точки А) характеризует возрастание интенсивности пучения суглинка с увеличением плотности при неполном заполнении пор грунта водой. Напротив, при полном водонасыщении грунтов наблюдается обратная зависимость, представленная нисходящими ветвями кривых 1 и 2.

/,%

20

10

О

1,25 1,45 1,65 1,85

р^ г/см3

1 - тяжелый пылеватый суглинок с влажностью 24%; 2 - глинистый грунт

при полном водонасыщении Рисунок 1.2 - Зависимость интенсивности пучения / от начальной

плотности сухого грунта

\ \ \ \

\ V X \ /

\ \ ■ч \ \

Данные исследования позволяют определить «морозоопасный» диапазон

-5

плотности pd в границах от 1500 до 1800 кг/м для грунтов с неполным

заполнением пор влагой.

Основным условием пучения любого грунта служит превышение общего объема кристаллизованной и связанной внутрипоровой воды над объемом свободного от воды пор промерзающего грунта. Из чего следует, что степень пучинистости нельзя назначать на основании вышеприведенных факторов без учета водного режима грунта.

Влажность грунта

Как известно, взаимодействие содержащейся в порах воды с частицами грунта обуславливает неоднородность ее свойств. Эта особенность служит основой для дифференциации внутрипоровых вод на ряд модификаций, каждая из которых имеет определенный диапазон температур замерзания, специфические свойства, определенный механизм миграции и роль в образовании льда. Однако до сих пор нет единой общепризнанной классификации подземных вод, что затрудняет оценку роли различных модификаций в льдообразовании.

Исследователи единодушны в оценке фазового состава влаги, содержащейся в немерзлых грунтах: 1) вода в форме пара; 2) вода в жидком состоянии. В основу дальнейшего подразделения влаги, находящейся в грунтах в жидком состоянии, исследователями положены наличие, характер и прочность ее связи со скелетом грунта. По этим признакам выделяют свободную и связанную воду. Но по вопросу о том, какую воду относить к каждой из названных модификаций и особенно о подразделении связанной воды, единого мнения нет.

Одни исследователи (А.Ф. Лебедев, Е.М. Сергеев) ограничивают содержание всех форм связанной воды в грунтах максимальной молекулярной (ММВ) и даже максимальной гигроскопической влагоемкостью (С.И. Долгов). Другие к связанной воде относят не только воду до ММВ, но и капиллярную, считая, что она удерживается в грунтах не только менисковыми, но и поверхностными силами частиц (G.I. Bouyoucos, П.И. Андреанов, И.В. Попов, В.А. Приклонский).

Воду в интервале влажностей грунтов от максимальной гигроскопичности (МГ) до максимальной молекулярной влагоемкости (ММВ) целесообразно называть прочно связанной. Как известно, она не удаляется из образца под действием центробежной силы с ускорением, в 70 000 раз большим ускорения силы тяжести (А.Ф. Лебедев, 1936). По имеющимся данным, свойства ее также отличаются от свойств свободной воды, но менее резко, чем очень прочно связанной (гигроскопической). По данным (H.F. Winterkorn, 1958) вода в тонкодисперсных грунтах вплоть до границы пластичности, которая близка к ММВ, находится в сжатом состоянии под действием поверхностных сил минеральных частиц. Это подтверждается особенностями льдообразования при кристаллизации данной модификации влаги, хотя большинство исследователей не считает, что она находится в сжатом состоянии. Прочносвязанная вода (от МГ до ММВ) не передает гидростатического давления (А.Ф, Лебедев, В.А. Приклонский).

Воду свыше ММВ, которую В.А. Приклонский считает очень рыхло связанной, целесообразно называть слабо связанной. Это модификация влаги сообщает глинистым грунтам пластические свойства. Более низкая температура кристаллизации (до минус 1,5 0С) показывает, что структура ее несколько искажена по сравнению со свободной водой.

Очень слабо связанная капиллярная вода в грунтах удерживается незначительными силами и по свойствам практически не отличается от свободной воды. Основные различия между этими модификациями влаги, как известно, в следующем: капиллярная вода может передвигаться в направлении, обратном гравитации, замерзает при температуре несколько ниже 0 0С, не вытекает из капиллярной зоны. Верхней границей очень слабосвязанной воды в глинистых грунтах служит капиллярная влагоемкость. Нижняя граница ее зависит от состава грунта. Поскольку грунты, не обладающие пластическими свойствами, практически не содержат слабосвязанной воды, нижней границей капиллярной или очень слабо связанной воды считается ММВ, а для пластичных грунтов нижний предел текучести.

При рассмотрении морозоопасности грунтов по их влажностному признаку В.О. Орловым [74] было предложено два не зависящих друг от друга показателя влажности.

Первый показатель - влажность предела пучения Www. Он характеризует

предельное состояние, при котором вода, находящаяся в порах, при расширении в процессе кристаллизации не вызывает деформации грунтового массива.

Значение Wnn определяет первое начальное условие пучения (1.2) любого грунта без учета в нем миграции жидкой фазы

W > Wn м. (1.2)

Тот факт, что данный показатель не учитывает миграцию воды в процессе промерзания, делает невозможным его использование при оценке характеристик морозного пучения. Это подтверждают экспериментальные исследования [114115], при которых фиксировались деформации грунта при содержании влаги меньше влажности предела пучения W < Wn п.

Второй показатель - критическая влажность Wcr, характеризует такое

содержание влаги в грунте, при котором миграция воды в зону фазовых переходов промерзающего грунта отсутствует. Превышение влажности грунта в предзимний период W критической влажности Wcr выражает начальное условие

пучения (1.3) дисперсных грунтов за счет перераспределения в них влаги в жидкой фазе

W > Wcr. (1.3)

Согласно работам [21,80,97] значение Wcr ~ W . Обработка данных

М.Н. Гольдштейна позволила В.П. Титову [93] предложить следующее выражение

Wcr = Wp + 0,37 • (Ip -1,5), (1.4)

где Wcr, W и I^ измеряются в %.

Исследования состояния воды, проведенные А.А. Ананяном [2] и его

сотрудниками, подтвердили положение, что в суглинках при влажности Ж = Жсг

миграция воды практически отсутствует.

В.О. Орлов в работе [74] на основании ранее проведенных исследований [2] определил зависимость Жсг от водно-физических свойств грунта (1.5), согласно

которой данный показатель зависит от плотности частиц грунта р$, влажности на границе текучести грунта Ж1 и числа пластичности I р

-2 8-1

Жсг = + 3-Ж(1 + * ■Ж)е ' ' -1. (1.5)

2Р8

Результаты экспериментальных исследований (А.Е. Федосова, М.Н. Гольдштейна, Н.Я. Хархуты, Ю.М. Васильева, В.О. Орлова, В.М. Соколовой, Б.И. Далматова, В.Д. Карлова, Е.В. Волковой, Я.А. Кроника) показали высокую степень корреляции опытных и расчетных значений Жсг.

Таким образом, данный показатель с достаточной степенью достоверности может быть определен по формуле (1.5).

В условиях миграционного обезвоживания грунта в буферной зоне и образования в нем воздушной пористости его пучение в процессе последующего промерзания может резко понизиться или вовсе прекратиться в соответствии с условием (1.3).

Совокупность вышеперечисленных факторов (природно-климатического и инженерно-геологического характера) формирует водно-тепловой режим грунта земляного полотна, изменение которого приводит к деформациям земляного полотна железных дорог.

В настоящее время отечественные и зарубежные исследователи продолжают изучение водно-теплового режима глинистых массивов грунта. Теории, выдвинутые в XX веке, дополняются и совершенствуются, предлагаются новые модели процесса миграции воды в промерзающих грунтах, а также проводится оценка их применимости к конкретным природно-климатическим и инженерно-геологическим условиям [105-119] и др.

1.2 Способы оценки характеристик морозного пучении глинистых

грунтов

В настоящее время существует три способа оценки характеристик морозного пучения грунтов:

1) полевой (натурный), применяющийся на участке обследования грунтов, как правило, с помощью инструментальных наблюдений;

2) лабораторный, использующийся преимущественно для испытания образцов грунтов нарушенной структуры;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бухов Степан Игоревич, 2024 год

- 82 с.

66. Методы борьбы с пучинами железнодорожного полотна. -Красноярск, - 1966. - 4 с.

67. Мулюков, Э.И. Классификация видов воды в приповерхностной зоне земной коры и влажностные свойства строительных грунтов / Э.И. Мулюков, Н.Э. Урманшина //Вестник Академии наук Республики Башкортостан. - 2012. - Т. 17.

- №. 1. - С. 20-28.

68. Наставление по борьбе с пучинами на железных дорога. - М.: Трансжелдориздат, - 1950. - 40 с.

69. Невечеря, В.Л. О влажности начала пучения грунтов при промерзании / В.Л.Невечеря, Л.В.Чистотинов // Труды Всесоюзного НИИ Гидрологии и инженерной геологии. - 1974. Вып. 70. С.24-30.

70. Нерсесова, З.А. Незамерзшая вода в мерзлых грунтах / З.А. Нерсесова, Н.А. Цытович // Доклады на Международной конференции по мерзловеденью. -Салехард. - 1963.

71. Нерсесова, З.А. Влияние обменных катионов на миграцию воды и пучение грунтов при промерзании / З.А. Нерсесова // Исследования по физике и механике мерзлых грунтов. - М.: Изд-во АН СССР, 1961. - Вып. 4.

72. Орлов, В.О. Криогенное пучение тонкодисперсных грунтов. - М.: Изд-во АН СССР, - 1962. - 186 с.

73. Орлов, В.О. К теории морозного пучения грунтов / О.В. Орлов // Исследование противопучинных мероприятий на железных дорогах. - М.: Транспорт. - 1970. - вып. 408.

74. Орлов, В.О. Пучение промерзающих грунтов и его влияния на

фундаменты сооружений/ В.О. орлов, Ю.Д. Дубнов, Н.Д. Меренков. - Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1977. - 184 с.

75. Павлов, A.B. Новые формулы для инженерных расчетов глубины промерзания и протаивания грунта / А.В.Павлов. - М. - 1996. - вып. 14 с.

76. Павлов, A.B., Фельдман, Г.М. Расчет глубины промерзания грунта с учетом нестационарного теплового потока из подстилающего талого слоя / А.В.Павлов, Г.М.Фельдман // ВСЕГИНГЕО. - 1969. - С.82-88.

77. Писаренко, А. П., Поспелова К. А., Яковлев А. Г. Курс коллоидной химии. М.: «Высшая школа», - 1964.

78. Порхаев, Г.В., Фельдман, Т.М. Теплофизика промерзающих и протаивающих грунтов / Г.В.Порхаев, Т.М.Фельдман. - Москва, - 1964.

79. Проектирование противопучинных мероприятий. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию. Сост. Ашпиз Е.С., Войтов С.А., Журавлев А.С. М.: МИИТ, - 1987. - 35 с.

80. Пузаков, Н.А. Водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог. - М : 1960. - 169 с.

81. Пусков В.И., Палькин Ю.С., Кулешов А.П. Утепление грунтов пенопластом как средство борьбы с морозным выпучиванием малонагруженных фундаментов / В.И. Пусков, Ю.С. Палькин, А.П. Кулешев // Вопросы инженерной геологии, оснований и фундаментов. - Новосибирск: Тр./ НИИЖТ. - 1971. - Вып. 123. - 220 с.

82. Пчелинцев, А. М. Строение и физико-механические свойства мерзлых грунтов. М.: «Наука», 1964. - 260 с.

83. Разработка метода и алгоритма прогнозирования тепловой устойчивости льдонасыщенного основания земляного полотна с применением ЭВМ ЕС. Научно-технический отчет НИИЖТ, Новосибирск, 1982.

84. Соколов В.В. Устройство покрытий из нетканых материалов / В.В. Соколов // Путь и путевое хозяйство, 1984. - № 8. - С. 45.

85. Соколова, В.М. Исследования зависимости деформаций грунтов при замерзании от начальной влажности / В.М.Соколова // НИИОСП, 1963. - вып.

52.- С. 42-62.

86. СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция (СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*). - M., 2019. - 204 с.

87. СП 32-104-98. Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм. - M., 1998. - 138 с.

88. СП 131.13330.2020."Строительная климатология"- М., 2021. - 160 с.

89. СП 238.1326000.2015. Железнодорожный путь. - М., 2015. - 71 с.

90. СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция. - М., 2012. - 109 с.

91. Справочник по земляному полотну эксплуатируемых железных дорог. М.: «Транспорт», 1970. - 768 с.

92. Сумгин, М.И. Общее мерзлотоведенье / М.И. Сумгин, С.П. Качурин, Н.И. Толстихин, В.Ф. Тумель // М.: Изд-во АН СССР, - 1940.

93. Технические указания по применению пенопластовых покрытий для предупреждения появления пучин. Утв. 6 августа 1976 г. ЦП 3350 М.: «Транспорт», 1977. - 56 с.

94. Титов В.П. Методические материалы и исследования для разработки руководства по предупреждению деформаций откосов, выемок, связанных с сезонным промерзанием и оттаиванием грунта / В.П. Титов // М.: Труды ВНИИТС, 1959. - вып. 159.

95. Титов, В. П. Усиление земляного полотна длительно эксплуатируемых железных дорог. - М.: Стройиздат, 1980. - 272 с.

96. Трофимов, В.Т. Грунтоведение / В.Т. Трофимов, В.А. Королев, Е.А. Вознесенский. М.: МГУ - 2005. - 1024 с.

97. Уварова, А.В. Динамика параметров слоя сезонного промерзания / А.В. Уварова, И.А. Комаров, В.С. Исаев, А.И. Тюрин // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. - 2020. №2. - С. 63-70.

98. Указания по методике прогноза изменений мерзлотно-грунтовых условий при строительстве и эксплуатации сооружений по трассе БАМ. ЦНИИС,

М, 1973. - 221 с.

99. Федосов, А.Е. Физико-механические процессы в грунтах при их промерзании / А.Е. Федосов. - М.: Трансжелдориздат, 1935. - 48 с.

100. Федоров, В.И. О существовании единого критерия для определения температуры начала замерзания глинистых грунтов / В.И. Федоров // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1968, - №1. - С. 35-36.

101. Хархута, Н.Я., Васильев Ю.М. Прочность, устойчивость и уплотнение грунтов земляного полотна автомобильных дорог. - М.: Транспорт, 1975. - 285 с.

102. Цытович, Н.А. Основания и фундаменты на мерзлых грунтах. М.: Изд-во АН СССР, 1958. - 449 с.

103. Чернышев, С.Н. Задачи и упражнения по инженерной геологии: учеб. пособие / С.Н. Чернышев, А.Н. Чумаченко, И.Л. Ревелис. - М.: Высш. шк., 2001. -253 с.

104. Чистотинов, Л.В. Криогенная миграция влаги и пучение горных пород. - «Обзор., Сер. гидрогеол. и инж. геол.». М.: 1974 (ВИЭМС).

105. Чурилин, В.С. Некоторые результаты испытания пучинистых свойств глинистых грунтов / В.С. Чурилин, В.П. Базуев, М.В. Бадина // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2014. - № 6. - С. 191-196.

106. Шахунянц, Г.М. Земляное полотно железных дорог. Вопросы проектирования и расчета: учеб. пособие для ВУЗов железнодорожного транспорта / Г.М. Шахунянц. - М.: Трансжелдориздат, 1953. - 827 с.

107. Шахунянц, Г.М. Железнодорожный путь: учебник для ВУЗов ж.-д. трансп. 3-е изд. перераб. и доп. / Г.М. Шахунянц. - М.: «Транспорт», 1987. - 479 с.

108. Шахунянц, Г.М. Методические указания по предупреждению появления пучин пенопластовыми покрытиями / Г.М. Шахунянц. - М.: МИИТ, 1973. - 51 с.

109. Шахунянц, Г.М. Проектирование противопучинньгх покрытий / Г.М. Шахунянц // «Путь и путевое хозяйство». - 1974, - №6.

110. Шахунянц, Г.М. Расчет толщины теплоизолирующей защиты из пенопластов / Г.М. Шахунянц, С.А. Войтов // Путь и путевое хозяйство. - 1973, -№2.

111. ASTM D 5918. ''Standard Test Methods for Frost Heave and Thaw Weakening Susceptibility of Soils'', West Conshohocken, PA, United States (2006)

112. Bai R. et al. Investigation on frost heave of saturated-unsaturated soils //Acta Geotechnica. - 2020. - Т. 15. - С. 3295-3306.

113. Isakov A., Bukhov S. Estimation of the Height of Frost Heaving of Clayey Soil of the Subgrade in a Closed System of Freezing // International Journal of Geomechanics. - 2023. - Vol. 23. - No 7. - P. 04023096. -DOI: 10.1061/IJGNAI.GMENG-7710.

114. Peppin S. S. L., Style R. W. The physics of frost heave and ice-lens growth //Vadose Zone Journal. - 2013. - Т. 12. - №. 1. - С. 1-12.

115. Sheng D. et al. A potential new frost heave mechanism in high-speed railway embankments //Geotechnique. - 2014. - Т. 64. - №. 2. - С. 144-154.

116. Sheng D. et al. Possible frost heave mechanisms in an unsaturated highspeed railway formation //Proc., 6th Int. Conf. on Unsaturated Soils, Unsaturated Soil: Research and Applications. - 2014. - С. 3-14.

117. Winterkorn H.F. Fundamental Similarities between Electro-osmotic and Thermo-osmotic Phenomena. "Proc. Highway res. Board", v. 27, - 1947.

118. Zhang S. et al. Analysis of frost heave mechanisms in a high-speed railway embankment //Canadian Geotechnical Journal. - 2016. - Т. 53. - №. 3. - С. 520-529.

119. Zhang S. et al. Canopy effect caused by vapour transfer in covered freezing soils //Geotechnique. - 2016. - Т. 66. - №. 11. - С. 927-940.

ПРИЛОЖЕНИЕ. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ

= РОСЖЕЛДОР

ПРОЕКТ

СИБГИПРОТРАНСПУТЬ

ФИЛИАЛ АО^ГОСЖЕЛДОРНГОЕКТ» Сибирский институт по проектированию инженерных сооружений и промышленных предприятий путевого (оийстка и геологическим шысканиям «СНЫ ИПРОТТАНСПУТЬ»

ул Дшггрня Шамшурина, л.8 г. Новосибирск, Россия, 630004 1ел.:{383) 230-12-50 фале: (ЗМ)222-33-<» е-шл||; MhglpgT7dp.ni wwwjzdp.ni

о внедрении результатов диссертационной работы Бухова С.И.

«Совершенствование метода расчета морозного пучения и параметров теплоизолирующих устройств на железных дорогах»

Настоящим актом подтверждается, что результаты, выполненных исследований в диссертационной работе Бухова Степана Игоревича по специальности 2.1.8 - «Совершенствование метода расчета морозного пучения и параметров теплоизолирующих устройств на железных дорогах» имеют прикладное значение при проектировании и эксплуатации земляного полотна железных дорог.

Разработанная в диссертационном исследовании методика оценки характеристик морозного пучения и определения Параметров теплоизолирующих устройств рекомендована для использования при проектировании противопучинных мероприятий на объектах железных дорог, в рамках капитальных ремонтов, реконструкции и нового строительства.

Ни№

от

АКТ

Главный специалист по земляному полотну

©"мтс

РОСЖЕЛДОР

ФЩЕ-РАЛЬНОЕ гтадарствЕнное бкджЕ-тио^ сбрыоьугелы-ЮЕ УЧРЕЖДЕ НИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

"СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ" (СГУПС)

а ЦП .д * 1И.ЧЗВЗ)ЗЗв^1-™.Ш-05-Т5 И в.пи!: риЬЬфйшт]

Г. 6 Э(НЛВ 1383) 1* !Цнлш Ли ц.

ОГРМ 1ВЖИИ1вН 1*1Н I КПП И03Ш1ЖI «0201М1 ОНПО И* 115№9

13.09.2024 №2176

на №

от

Акт оЕне^реннн

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы Бухова С.И.

«Совершенствование метода расчета морозного пучения и параметров теплоизолирующих устройств на железных дорогах» Настоящим актом подтверждается практическое использование в учебном процессе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Изыскания, проектирование и постройка железных и автомобильных дорог» факультета «Строительство железных дорог» основных результатов диссертационной работы Бухова С.И. «Совершенствование метода расчета морозного пучения и параметров теплоизолирующих устройств на железных дорогах».

Результаты, полученные Буховым С.И. в ходе работы над диссертацией, нашли применение в рамках дисциплины Б1.В.14 «Земляное полотно в сложных природных условиях» для студентов специальности 23.05.06 «Строительство железных дорог, мостов н транспортных тоннелей».

Проректор по учебной работе

Гудвсова Ирнна Нш;ол1бгнз

„и. и, ДОКУМЕНТ ПОДПИСАН О" ЭЛЕКТРОННОЙ ПОДПИСЬЮ

"■у ^ №мэ£4лое Аютипьеаг-

даЦ-в^-кп с 25^21134 Г» 15Л7.МЗЕ

А.А. Новоселов