Усиление основания земляного полотна вертикальными столбами из щебня на участках с многолетнемерзлыми грунтами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат наук Артюшенко Игорь Александрович

• Артюшенко Игорь Александрович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Артюшенко Игорь Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРОБЛЕМЕ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ОСНОВАНИЯ НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

1.1 Понятие мерзлого грунта. Характеристика свойств. Строение

1.2 Принципы проектирования и строительства в условиях многолетнемерзлых грунтов

1.3 Выбор и обоснование проектных решений по обеспечению устойчивости основания в районах распространения многолетнемерзлых грунтов

1.4 Оценка применимости вертикальных столбов из щебня для усиления грунтового основания в криолиотозоне (их характеристика и опыт применения в

строительстве)

Выводы по главе

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО УСТРОЙСТВУ ОСНОВАНИЯ, СООРУЖАЕМОГО ПО II ПРИНЦИПУ СТРОИТЕЛЬСТВА НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТОЛБОВ ИЗ ЩЕБНЯ

2.1 Принципиальная схема армирования основания на многолетнемерзлых грунтах с применением вертикальных столбов из щебня

2.2 Теоретические основы расчета основания на многолетнемерзлых грунтах, сооружаемого по II принципу проектирования

2.3 Моделирование напряженно-деформированного состояния грунтового основания, сооружаемого по II принципу проектирования, на многолетнемерзлых грунтах без применения армирования вертикальными столбами из щебня

2.4 Моделирование напряженно-деформированного состояния грунтового основания, сооружаемого по II принципу проектирования, на многолетнемерзлых грунтах с применением технологии армирования вертикальными столбами из щебня

2.5 Зависимость физико-механических характеристик и коэффициента безопасности грунтового массива от шага расстановки вертикальных столбов из щебня

2.6 Исследование возможности использования отходов норильской металлургии в качестве заполнителя вертикальных столбов из щебня при усилении грунтов

оснований в криолитозоне

Выводы по главе

ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ АРМИРОВАНИЯ ОСНОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫМИ СТОЛБАМИ ИЗ ЩЕБНЯ НА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

3.1 Описание программного комплекса Permafrost 3D, используемого для численного моделирования теплофизических процессов

3.1.1 Общие сведения

3.1.2 Математическая постановка задачи, реализованная в программном

комплексе Permafrost 3D

3.1.2 Алгоритм решения задачи

3.2 Моделирование теплофизических процессов в основании, сооружаемого на многолетнемерзлых грунтах без применения армирования вертикальными столбами из щебня

3.3 Моделирование теплофизических процессов в основании, сооружаемого на многолетнемерзлых грунтах с применением армирования вертикальными

столбами из щебня

Выводы по главе

ГЛАВА 4 ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ УСТРОЙСТВА ОСНОВАНИЯ НА УЧАСТКАХ С МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫМИ ГРУНТАМИ, АРМИРОВАННОГО ВЕРТИКАЛЬНЫМИ СТОЛБАМИ ИЗ

ЩЕБНЯ

4.1 Организационно-технологические решения при устройстве основания насыпи в районах распространения многолетнемерзлых грунтов

4.2 Технология и организация производства работ по усилению грунтового

основания вертикальными столбами из щебня в криолитозоне

4.2.1 Подготовительные работы

4.2.2 Технология устройства вертикальных столбов из щебня

4.2.3 Организация работ по усилению грунтов основания вертикальными столбами из щебня на участке Обская-Салехард, ПК 01+50 - ПК 06+50 новой

железнодорожной линии «Северный широтный ход»

4.3 Контроль качества и мониторинг процесса сооружения и состояния

вертикальных столбов из щебня

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Усиление основания земляного полотна вертикальными столбами из щебня на участках с многолетнемерзлыми грунтами»

Введение

Актуальность темы исследования. Территория распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ) занимает большую часть территории России, поэтому расширение возможностей использования этих регионов для развития сети путей сообщения является важной стратегической задачей для государства. На сегодняшний день, в соответствии со Стратегией пространственного развития Российской Федерации на период до 2025 года [99], приоритетным регионом, с точки зрения экономического роста и стратегического влияния, является Арктическая зона Российской Федерации.

При проектировании, строительстве и дальнейшей эксплуатации путей сообщения на многолетнемерзлых грунтах наиболее актуальной задачей является обеспечение надежности основания сооружения. Сложность строительства в районах Севера обусловлена наличием многолетнемерзлых грунтов в основаниях сооружений, большим количеством естественных природных преград, экстремальными природно-климатическими условиями и отсутствием инфраструктуры.

В связи с этим выбор конструктивно-технологических и организационных решений по развитию транспортной инфраструктуры, включающий для железнодорожной линии, прежде всего, прогноз деформативности, мероприятия по обеспечению устойчивости грунтового основания и разработку рациональных организационных схем по их реализации, должен быть экономически целесообразным, оптимальным или близким к оптимальному для конкретного инженерного сооружения и региона его расположения.

Имеющийся опыт строительства и эксплуатации инженерных сооружений в криолитозоне показывает, что до сих пор существует ряд нерешенных задач по обеспечению устойчивости и стабильности их основания. Поэтому вопрос разработки эффективных конструктивно-технологических и организационных решений по усилению грунтового основания при проектировании и строительстве инженерных сооружений на Севере остается актуальным.

Степень разработанности проблемы. Вопросом возведения грунтового основания в сложных инженерных условиях занимались отечественные и зарубежные исследователи, такие как Aбелев М.Ю. [100], Готман A^. [25], Готман Н.З. [26], Дашжамц Д. [29], Кроник ЯА. [29], Крутов В.И. [47], Мангушев Р.A. [53], Никифорова Н.С. [63], Петрухин В.П. [71], Сахаров И.И. [53], Тер-Мартиросян A.3. [95], Тер-Мартиросян З.Г. [95], Moormann Ch. [139], Shur Y.L. [142] и др.

Проблеме повышения прочности и надежности основания инженерных сооружений на многолетнемерзлых грунтах посвящены работы многих исследователей: Aшпиза Е.С. [3], Виноградова В.В. [78], Водолазкина В.М. [8], Дыдышко П.И. [33], Ждановой С.М. [34], Кондратьева В.Г. [44], Крафта Я.С. [46], Луцкого С.Я. [79], Минайлова Г.П. [57], Пассека В.В. [б8], Переселенкова Г.С. [70], Хрипкова К.Н. [107], Цернанта A.A. [110], Челобитченко СА. [117], Черкасова AM. [118], Шахунянца Г.М. [119] и др.

Организационно-технологические решения при строительстве на Севере рассматриваются в работах Горшкова В.П. [18], Нака И.В. [58], Першина С.П. [35], Прокудина И.В. [67], Спиридонова Э.С. [106], Шепитько Т.В. [101] и др.

Геокриологические процессы рассмотрены в работах Aлексеенко Е.С. [1], Вавринюк Т.С. [6], Вялова С.С. [15], Ершова Э.Д. [41], Ким Х.Ч. [42], Котова П.И. [45], Кудрявцева ВА. [64], Малышева A.A. [52], Роман Л.Т. [81], Саркисяна Р.М. [84], Сумгина М.И. [65], Таргуляна Ю.О. [103], Хрусталева Л.Н. [109], Цытовича НА. [115] и др.

Тема применения вертикальных столбов из щебня представлена следующими отечественными и зарубежными исследователями: Деген У. [30], Долгов П.Г. [30], Bachus R.C. [127], Barksdale R.D. [127], Bayuk A.A. [133], Becker P. [128], Castro J. [130, 131], Chen J.-F. [132], Goughnour R.R. [133], Han J. [134], Karstunen M. [128], Kirsch F. [135], McCabe B.A. [138], Priebe H.J. [145], Ye S.L. [134] и др.

Целью исследования является разработка методики усиления грунтов основания и повышения несущей способности сооружения путем применения вертикальных столбов из щебня на участках с многолетнемерзлыми грунтами.

Объект исследования - грунтовое основание с вертикальными столбами из щебня в криолитозоне.

Предмет исследования - влияние конструктивно-технологических и организационных решений на строительство путей сообщения в криолитозоне. Задачи исследования:

1. Проанализировать и обобщить имеющийся опыт повышения прочности и надежности основания инженерных сооружений на ММГ;

2. Разработать принципиальную схему усиления грунтового основания на ММГ с применением вертикальных столбов из щебня;

3. Провести сравнительный анализ геотехнических расчетов грунтового основания с применением технологии армирования вертикальными столбами из щебня и без неё;

4. Исследовать возможность использования отходов Норильской металлургии в качестве заполнителя вертикальных столбов;

5. Выполнить математическое моделирование температурного режима грунтов основания на участках с ММГ;

6. Исследовать закономерности теплового взаимодействия вертикальных столбов из щебня с грунтами основания в криолитозоне;

7. Разработать организационно-технологические решения по устройству грунтового основания в криолитозоне с использованием технологии усиления вертикальными столбами из щебня.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе применены математическое моделирование, расчетно-теоретический и сравнительный анализ, лабораторные испытания, использованы основы теории механики грунтов, геокриологии, методы организации строительства.

Научная новизна диссертации заключается в совершенствовании системы выбора конструктивно-технологических решений при устройстве основания на многолетнемерзлых грунтах за счет усиления грунтов основания вертикальными столбами из щебня.

Научная новизна наиболее существенных результатов заключается в следующем:

- сформирована принципиальная схема устройства основания на участках с многолетнемерзлыми грунтами с допущением оттаивания с применением армирования основания вертикальными столбами из щебня;

- разработаны конструктивно-технологические решения и определено влияние технологии усиления грунтов основания вертикальными столбами из щебня на их физико-механические свойства; проведено сравнение состояния грунтов основания с использованием данной технологии и без неё;

- выполнено численное моделирование теплофизических процессов с использованием программного комплекса, который позволил провести 3-мерные нестационарные теплофизические расчеты взаимодействия грунтов основания и инженерных сооружений с учетом фазовых переходов и фильтрационных свойств грунтов;

- исследована принципиальная возможность использования отходов Норильской металлургии в качестве заполнителя вертикальных столбов при усилении грунтов оснований в Норильском промышленном районе и близких к нему регионах на основании проведенных лабораторных испытаний по определению их прочностных характеристик;

- разработана методика оценки влияния вертикальных столбов из щебня на прочность и устойчивость основания, и сооружения в целом; показана эффективность усиления вертикальными столбами из щебня многолетнемерзлого грунтового основания;

- разработаны научно-практические рекомендации по применению организационно-технологической схемы усиления грунтов основания вертикальными столбами из щебня на многолетнемерзлых грунтах. Основные результаты исследования, выносимые на защиту:

- разработка организационной схемы усиления вертикальными столбами из щебня грунтового основания на ММГ, которая позволяет уменьшить срок производства работ;

- расчет на основании численного моделирования напряженно-деформированного состояния насыпи на ММГ, усиленной вертикальными столбами из щебня;

- расчет на основании численного моделирования температурных полей насыпи на ММГ, усиленной вертикальными столбами из щебня;

- определение прочностных характеристик отходов норильской металлургии для оценки применимости их в качестве заполнителя вертикальных столбов. Степень достоверности исследований подтверждается сходимостью

результатов, полученных в данной работе, с теоретическими результатами других авторов, применение сертифицированных программных комплексов численного моделирования Midas GTS NX и Permafrost 3D при выполнении исследования, использованием аттестованного испытательного оборудования и приборов.

Практическая значимость заключается в использовании результатов исследования при обосновании и выборе конструктивно-технологических решений для усиления грунтов основания сооружений, возводимых с допущением оттаивания в районах распространения ММГ, при научном сопровождении проектирования и строительства инженерных сооружений в условиях криолитозоны, при разработке проектов производства работ по усилению грунтового массива в насыпях на многолетнемёрзлых основаниях.

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на заседаниях кафедры «Проектирование и строительство железных дорог» РУТ (МИИТ), 2018, 2019 г.г., совместном заседании кафедр «Строительные конструкции, здания и сооружения» и «Автомобильные дороги,

аэродромы, основания и фундаменты» РУТ (МИИТ), 2020 г., а также на пяти научно-практических конференциях российского и международного уровня:

1) Всероссийская конференция с международным участием «Современное состояние, проблемы и перспективы развития отраслевой науки», 23-24 ноября 2017 года, г. Москва, Россия;

2) Всероссийская научно-практическая конференция «Неделя науки-2019», 2019 год, г. Москва, Россия;

3) 6th International Conference on Collaboration in research and Education for Sustainable Transport Development, 16-17 мая 2018 года, Транспортный университет Хошимина, г. Хошимин, Вьетнам;

4) At International scientific conference «Transportation Soil Engineering in Cold Regions» (TRANSOILCOLD 2019), 20-23 Мая 2019 года, г. Санкт-Петербург, Россия.

5) IX Международный форум «Артика: настоящее и будущее», 5-7 декабря 2019 года, г. Санкт-Петербург, Россия.

Практическая значимость результатов исследования подтверждена актом, выданным автору Игарской геокриологической лабораторией ФГБУН мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирского отделения РАН (приложение А).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них: 5 работ в рецензируемых научных изданиях; 1 работа в издании, входящем в международную базу цитирования Scopus.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 175 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 28 таблиц, 71 рисунок и 2 приложения. Список литературы включает в себя 147 наименований, в том числе 22 на иностранном языке.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору кафедры «Проектирование и строительство железных дорог» РУТ (МИИТ) С.Я. Луцкому, директору компании ООО «Геотехническое обоснование» П.Г. Долгову,

генеральному директору компании ООО «Permafrost Engineering» Ф.Н. Зепалову, компании ООО «ГЕОИЗОЛ», к.т.н., доценту кафедры «Путь и путевое хозяйство» РУТ (МИИТ) А.А. Зайцеву, зав. лабораторией кафедры «Строительные материалы и технологии» А.В. Кендюку за оказанную помощь и научные консультации в процессе работы над диссертационным исследованием.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРОБЛЕМЕ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ОСНОВАНИЯ НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

1.1 Понятие мерзлого грунта. Характеристика свойств. Строение

Многолетнемерзлые грунты в России занимают по площади 60-65% территории всей страны, что составляет около 11 млн км2 (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Распространение многолетнемерзлых грунтов по территории России

[86]

В ГОСТ 25100-2011 дается следующее определение мерзлого грунта: «грунт, имеющий отрицательную или нулевую температуру, содержащий в своем составе видимые ледяные включения и (или) лед-цемент, и характеризующийся криогенными структурными связями» [20, с. 7]. Выделяют несколько разновидностей мерзлого грунта в зависимости от длительности нахождения в мерзлом состоянии, его температуры и количества льда-цемента.

Строение мерзлых грунтов (структуру и текстуру) определяет различное распределение льда в их составе. Лёд может быть в виде льда-цемента, прослоек и включений-прожилок (рисунок 1.2).

а) Л) «I

щ ет

с- Ш

Рисунок 1.2 - Текстуры мерзлых грунтов [53]: а - слитная, б - слоистая, в - сетчатая; 1 - минеральные частицы; 2 - лёд

В слитной (массивной) текстуре лёд относительно равномерно распределен в грунте в виде цемента. В слоистой - в виде параллельных прослоек, линз и прожилок. В сетчатой текстуре прослойки, жилы и линзы льда взаимно пересекаются.

Мёрзлые грунты классифицируются ГОСТ 25100-2011 [20]:

• по температуре (таблица 1.1);

• по льдистости (таблица 1.2);

• по степени засолённости (таблица 1.3);

• по типам криогенных текстур (таблица 1.4).

Таблица 1.1 - Классификация мерзлых грунтов по температуре [20]

Разновидность грунтов Температура грунтов 1:, °С

Немерзлый (талый) 1 > 0

Охлажденный 0 > 1 > гы

Мерзлый 1 < гы

Морозный 1 < 0

Сыпучемерзлый г < 0

Примечание: ^ - температура начала замерзания грунта, °С.

Таблица 1.2 - Классификация мёрзлых грунтов по льдистости за счёт видимых

ледяных включений [20]

Название грунта Льдистость за счёт видимых ледяных включений ii, д.е.

Скальные и полускальные грунты Дисперсные грунты

Нельдистый Слабольдистый Льдистый Сильнольдистый Очень сильнольдистый < 0.01 0,01 < ii < 0,05 > 0,05 < 0,03 0,03 < ii < 0,2 0,2 < ii < 0,4 0,4 < ii < 0,6 0,6 < ii < 0,9

Таблица 1.3 - Классификация мёрзлых грунтов по степени засолённости (морской

тип засоления) [20]

Название грунта Степень засоленности легкорастворимыми солями Dsal , %

Песок Супесь Суглинки и глины

Незасоленные Слабозасоленный Среднезасоленный Сильнозасоленный Dsal < 0,05 0,05 < Dsal < 0,15 0,15 < Dsal < 0,3 Dsal > 0,3 Dsal < 0,15 0,15 < Dsal < 0,35 0,35 < Dsal < 0,6 Dsal > 0,6 Dsal < 0,2 0,2 < Dsal < 0,4 0,4 < Dsal < 0,8 Dsal > 0,8

Таблица 1.4 - Классификация мёрзлых грунтов по типам криогенных текстур [20]

Грунты Тип криогенной текстуры

Скальные и полускальные Трещинная, пластовая, полостная, жильная, массивная

Крупнообломочные Массивная, порфировидная, корковая, базальная

Песчаные Массивная, слоистая, порфировидная, сетчатая, базальная

Глинистые Массивная, сетчатая, слоистая, атакситовая, порфировидная, линзовидная

Заторфованные Порфировидная, слоистая, сетчатая, атакситовая, линзовидная

По времени нахождения в мёрзлом состоянии грунты классифицируются следующим образом: Э.Д. Ершов [41] и В.А. Кудрявцев [64] выделяют многолетнемерзлые грунты, которые существуют в мерзлом состоянии годы, сотни и тысячи лет, сезонномерзлые - месяцы, кратковременно мерзлые - сутки; Н.А. Цытович [115] описывает вечномерзлые грунты, существующие века и

тысячелетия, многолетнемерзлые - от нескольких лет до нескольких месяцев, сезонномерзлые - от одного до двух сезонов, кратковременно мерзлые - от нескольких часов до нескольких дней.

Пластичные свойства мерзлого грунта проявляются как при длительном, так и при малом внешнем воздействии. Лёд, образующийся при промерзании грунта, приводит к повышению его прочности и сопротивлению деформируемости, которые возрастают при понижении температуры и дисперсности. Это происходит из-за возникновений связей между минеральными частицами. Фазы напряженно-деформированного состояния (НДС) и время действия внешнего воздействия влияют и на механические свойства грунтов [81].

При проектировании основания сооружения необходимо учитывать деформационные свойства грунтов: коэффициент Пуассона, модули общей и упругой деформации, коэффициенты вязкости и сжимаемости, характеристику ползучести [79].

Вечномерзлые и мерзлые грунты представляют собой многофазные природные образования, состоящие из различных по свойствам компонентов.

Механика мерзлых грунтов описывает систему, состоящую из четырех фаз: твердые минеральные частицы, пластичные включения льда, вода и газовые компоненты [115].

Интенсивность и формы взаимодействия компонентов зависят от температуры. Размер и формы минеральных частиц влияют на свойства грунтов. Влияние оказывает и их физико-механическая природа поверхности, которая определяется составом поглощенных катионов. Если форма минеральных частиц плоская, то давление в точках контакта будет равняться практически внешнему давлению от нагрузки. В случае же остроугольной формы давление возрастает.

Присутствующий в мерзлых грунтах лед является мономинеральной криогидратной породой и имеет своеобразные физико-механические свойства. В составе мерзлых грунтов могут встречаться и другие криогидратные минералы: хлористый магний MgQ2, углекислый натрий №2^3 и т.д.

Лед - это твердая модификация воды, который образуется при отрицательных температурах и соответствующих давлениях. Имеется несколько модификаций льда: аморфная, которая образуется при глубоком замораживании, кристаллические модификации (1,2,3) и кристаллическая вода, которая встречается при положительных температурах и высоких давлениях. Лед 1-й кристаллической модификации является главной компонентой мерзлых грунтов, который имеет широкий спектр физических свойств.

Криогенная текстура мерзлой породы определяется распределением в ней льда в виде небольших линз, прослоек, прожилок и зерен, характер которого зависит от условий промерзания мерзлых грунтов.

Мерзлые породы имеют физико-механических свойства как у талых и дополнительные характеристики, связанные с их спецификой и особенностями напряженно-деформируемого состояния [115].

Общие характеристики талых и мерзлых грунтов: плотность - масса грунта в единице объёма (г/см3), плотность частиц грунта в единице объёма при плотной упаковке, определяемая с помощью пикнометра (г/см3), плотность скелета грунта, определяемая как масса частиц грунта в объёме ненарушенной структуры (г/см3), пористость грунта, суммарная относительная влажность (%), влажность на пределе раскатывания и на пределе текучести (%), число пластичности, степень водонасыщения.

Дополнительные характеристики мерзлых грунтов: количество незамёрзшей воды Wн (в долях единицы), льдистость мёрзлого грунта ^ температура начала замерзания грунтовой влаги qbf, засоленность грунта DsOl, заторфованность относительная влажность Wc.

Относительная влажность Wc представляет собой сумму влажности за счёт включений льда ^в), влажность минеральных прослоек грунта ^г), равная сумме влажности за счёт льда, цементирующего минеральные частицы и влажности за счёт незамёрзшей воды [115]:

Wс=Wв+Wг=Wв+(Wц+Wн) (1.1)

Для изучения воздействия криогенных процессов, выявления зависимостей, которые описывают поведение грунтов под воздействием внешних сил при изменении температуры и для расчета параметров прочности и деформируемости изучаются основные механические характеристики мерзлых грунтов: сопротивление сжатию и растяжению, сцепление и угол внутреннего трения, сопротивление сдвигу грунта.

Напряженное состояние мерзлого грунта бывает простым и сложным. Для простого напряженного состояния характерно присутствие одного из следующих видов напряжений: сдвиг, растяжение, сжатие. Проявление сразу нескольких видов напряжений относится к сложному напряженному состоянию.

При сложном и простом напряженном состояниях определяются прочностные и деформационные характеристики грунтов в полевых и лабораторных испытаниях.

Выделяют следующие виды испытаний прочностных характеристик [19]:

• разрыв;

• сдвиг;

• компрессия;

• кручение;

• одноосное сжатие;

• осесимметричное трёхосное сжатие вертикальной и радиальной нагрузкой;

• осесимметричное сжатие полого цилиндра с кручением;

• осесимметричное трёхосное сжатие с кручением;

• трёхосное сжатие с независимым заданием всех трёх главных направлений;

• динамометрическое испытание в релаксационно-ползучем режиме.

Виды испытаний деформационных свойств грунта [19]:

• сдвиг на срезном приборе;

• сдвиг по поверхности смерзания;

• сдвиг мёрзлого грунта по поверхности модели сваи;

• вдавливание сферического штампа;

• сдвиг на клиновидном приборе;

• раздавливание образца.

Возникающее в теле грунта, напряженно-деформируемого состояние остается неизменным, если приложенные внешние силы не меняются. Данный аспект лежит в основе классических теорий пластичности и упругости. НДС может меняться со временем, что зависит от изменений нагрузки во времени. Отношение между деформацией и напряжением может изменяться, если один из этих параметров будет изменяться во времени, в соответствии с основными положениями реологии - науки, изучающей закономерности НДС.

Свойства текучести у мерзлых грунтов были обнаружены исследованиями Н.А. Цытовича совместно с сотрудниками в 30-х годах XX века и уже позднее М.Н. Гольдштейном [17]. В 50-х годах того же века С.С. Вялов провел испытания в Игарской подземной лаборатории по определению прочности и деформируемости мерзлых грунтов. Данные исследования легли в основу реологии и позволили описать основные закономерности поведения мерзлых грунтов под воздействием внешних сил: снижение прочности во времени, проявление ползучести и релаксация напряжений [15].

Под руководством С.С. Вялова создано реологическое направление, завоевавшее мировое признание. Развитием данного направления занимались многие отечественные и зарубежные ученые: С.Э. Городецкий [14], Ю.К. Зарецкий [14], Р.В. Максимяк [51], Н.К. Пекарская [69], Ю.С. Миренбург [108], O.B. Andersland [125], D.M. Anderson [126], J.F. Nixon [140], E. Penner [141], B. Ladanyi [125] и др.

Полученные закономерности поведения мерзлых грунтов под нагрузкой на основе теорий ползучести позволили прогнозировать прочность и деформации мерзлых грунтов во времени. Также для этих целей можно использовать метод временных аналогий, заключающийся в прогнозе деформаций и уменьшении процесса разрушения, на которые могут влиять многие факторы (увеличение нагрузки, повышение температуры и льдистости и т.д.) [81].

Рассмотрим основные закономерности поведения мёрзлых грунтов под нагрузкой.

Ползучесть - деформация грунта, которая развивается во времени и происходит при неизменной нагрузке. При напряженных состояниях в процессе испытаний мерзлых грунтов определяют кривые ползучести, которые зависят от величины нагрузки. Кривая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянном напряжении.

Выделяют затухающую и незатухающую ползучесть в зависимости от напряжения и три стадии. Грунты в качестве оснований не должны иметь третью стадию ползучести.

Прогноз длительной деформации происходит согласно основных теорий ползучести: старения, течения, упрочнения и наследственной ползучести.

Существует общий закон развития деформаций, по которому производится длительный прогноз [15]:

et = q))1/m , (1.2)

где et - деформация за период времени t при напряжении; s, q) и т -опытные параметры; q - температура грунта.

На основании уравнения (1.2) длительная прочность грунта за период времени t определится [15]:

*= Л(^ q)etm, (1.3)

Релаксация - расслабление напряжения, уменьшение его во времени по некоторому закону для того, чтобы уменьшить развитие деформаций. Процесс релаксации характеризуется временем расслабления, за которое уменьшается напряжение. Горные породы обладают временем релаксации, измеряемым тысячелетиями, у стекла эта характеристика порядка столетий, у воздуха 10-10, у воды 10-11, у льда сотни секунд. Поэтому лед в пределах 100-1000 секунд ведет себя как упругое тело, а при уменьшении нагрузки становится вязкой жидкостью. У мерзлых грунтов проявляется аналогичное поведение [15].

Увеличение прочности при одинаковых условиях происходит по следующей цепочке: лёд-глина-суглинок-супесь-песок. С ростом дисперсности увеличивается

деформируемость грунтов, что связано с увеличением содержания незамёрзшей воды.

Из-за изменения температуры грунтов в криолитозоне происходят различные геокриологические процессы и явления [41]:

Термокарст - процесс образования неравномерных просадок и провалов грунта из-за вытаивания льдов из толщи мерзлых пород. Вследствие изменения температуры глубина сезонного оттаивания становится выше глубины сезонного промерзания, из-за чего происходит увеличение талой зоны.

Морозное пучение дисперсных пород - процесс увеличения замерзшей влаги и льдообразования, вследствие чего происходит поднятие поверхности грунтов (бугры). Величина пучения зависит от количества содержания воды в грунтах, условий промерзания и температурных условий.

Бугры пучения имеют куполовидную форму, четкую морфологическую выраженность, поверхность их хорошо дренирована, местами залесена. Возникают они в результате многолетнего криогенного пучения. С поверхности большинство бугров сложено торфом мощностью 1 -3 м, в подстилающем слое -льдонасыщенные суглинки и глины. На некоторых буграх торф отсутствует, с поверхности развиты заторфованные суглинки и супеси.

Морозобойное растрескивание - процесс деформации грунта в виде разрыва пород и образования трещин из-за понижения его температуры.

Термоэрозия - формирование ложбин стока, врезов, промоин по участкам развития сильнольдистых пород. Термоэрозия интенсивно размывает сильнольдистые породы, скорость отступания берега или борта оврага может достигать 10 м за сезон. Длина термоэрозийных форм колеблется от 10-20 м, глубина - до 2-3 м, ширина поверху - до 10 м.

При проектировании и строительстве на многолетнемерзлых грунтах одной из важнейших задач является учет теплофизических характеристик, которые представляют собой тепловое взаимодействие грунта с окружающей средой и (или) сооружением [97].

Процесс передачи тепловой энергии - теплоперенос может осуществляться тремя механизмами: излучением, переносом и теплопроводностью. Выделяют следующие теплофизические характеристики [109]:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Артюшенко Игорь Александрович, 2020 год

Список литературы

1. Алексеенко, Е.С. Методика обоснования конструктивно-технологических решений по водопропускным трубам в северных условиях с учетом геокриологических особенностей: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.22.06 / Алексеенко Евгений Сергеевич. - М., 2013. - 24 с.

2. Артюшенко, И.А. Зависимость физико-механических характеристик и коэффициента безопасности грунтового массива от шага расстановки вертикальных столбов из щебня // Транспортные сооружения. - 2020. - №2. - 11 с.

3. Ашпиз, Е.С. Мониторинг земляного полотна при эксплуатации железных дорог. - М.: Путь-пресс, 2002. - 112 с.

4. Бакалов, С.А. Теория и практика мерзлотоведения в строительстве / С.А. Бакалов, В.М. Водолазкин, Л.Н. Хрусталев. - М.: Академиздатцентр "Наука", 1965. - 250 с.

5. Бате, К.Ю. Методы конечных элементов. - М: ФИЗМАТЛИТ, 2010. -1024 с.

6. Вавринюк, Т.С. Оценка устойчивости и деформативности земляного полотна железных дорог в условиях распространения мерзлоты: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.22.06 / Вавринюк Татьяна Сергеевна. - М., 2013. - 24 с.

7. Валуев, Д.В. Технологии переработки металлургических отходов: учебное пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 196 с.

8. Водолазкин, В.М. Пути повышения несущей способности слабых оттаявших и талых грунтов // Мерзлотные исследования и вопросы строительства. Выпуск IV. - Коми: Книжное изд-во, 1971. - C. 38-42.

9. Воздействие изменения климата на российскую Арктику: анализ и пути решения проблемы. WWF России. - Москва, 2008. - 28 с.

10. ВСН 204-88. Специальные нормы и технические условия на проектирование и строительство железных дорог на полуострове Ямал. - М.: Минтрансстрой, 1989. - 21 с.

11. ВСН 61-89. Изыскания, проектирование и строительство железных дорог в районах вечной мерзлоты / Минтрансстрой СССР. - М.: ЦНИИС, 1990. -208 с.

12. ВСН 84-89. Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты / Минтрансстрой СССР. - М., 1990. - 176 с.

13. Выполненные проекты компаний с применением Midas GTS NX. Новый уровень геотехнических расчетов. - Москва, 2017. - 73 с.

14. Вялов, С.С. Расчеты на прочность и ползучесть при искусственном замораживании грунтов / С.С. Вялов, Ю.К. Зарецкий, С.Э. Городецкий. - Л.: Стройиздат, 1981. - 200 с.

15. Вялов, С.С. Реологические основы механики мёрзлых грунтов / С.С. Вялов. - М.: Высш. школа, 1978. - 447 с.

16. Гаврилов, И.И. Земляное полотно в сложных природных условиях БАМа // Труды XI научно-технической международной конференции «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». - М.: МИИТ. - 2014. - С. 112-119.

17. Гольдштейн, М.Н. Деформации земляного полотна и оснований сооружений при промерзании и оттаивании. - М.: Трансжелдориздат, 1948. - 212 с.

18. Горшков, В.П. Развитие теоретических положений выбора эффективных организационно-технологических способов строительства транспортных объектов в северных условиях (на примере водопропускных сооружений): дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.11 / Горшков Владимир Павлович. -Новосибирск, 2010. - 177 с.

19. ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. - Москва: Стандартинформ, 2012. - 82 с.

20. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. - М.: Стандартинформ, 2013. - 42 с.

21. ГОСТ 30108-94. Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов. - М.: МНТКС, 1995. - 11 с.

22. ГОСТ 7392-2014. Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути. Технические условия. - Москва: Стандартинформ, 2015. - 36 с.

23. ГОСТ 8267-93. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия. - Москва: Стандартинформ, 2018. - 16 с.

24. ГОСТ 8269.0-97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний. - Москва: Стандартинформ, 2018. - 57 с.

25. Готман, А.Л. Опыт решения геотехнических проблем при проектировании фундаментов на площадке с комбинированной карстовой и оползневой опасностью / А.Л. Готман, Н.З. Готман // Геотехника, 2011. - № 1. -С. 48-59.

26. Готман, Н.З. Расчет и проектирование противокарстовой защиты зданий и сооружений // Геотехника. - 2017. - № 2. - С. 16-23.

27. Грицык, В.И. Расчеты земляного полотна железных дорог: учебное пособие для вузов. - М.: УМК МПС, 1998. - 520 с.

28. Давыдов, В.А Особенности проектирования автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты (методы расчетов прочности и устойчивости дорожных конструкции): учеб. пособие. - Омск: СибАДИ, 1980. - 61 с.

29. Дашжамц, Д. Основания и фундаменты на мерзлых и пучинистых грунтах (на примерах Забайкалья и Монголии): учебное пособие / Д. Дашжамц,

Я.А. Кроник, Б.В. Лыкшитов; под ред. Я.А. Кроника. - Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов (АСВ), 2009. - 160 с.

30. Деген, У. Использование щебеночных и песчаных свай для усиления слабых грунтов основания транспортных сооружений / У. Деген, П.Г. Долгов // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути. Труды XIV Международной научно-технической конференции. Чтения, посвященные памяти профессора Г.М. Шахунянца. -Москва, 05-06 апреля 2017. - С. 73-74.

31. Дыдышко, П.И. Обеспечение стабильности земляного полотна железнодорожного пути в районах вечной мерзлоты // Труды XI научно-технической международной конференции «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». - М., МИИТ, 2014. - С. 105-113.

32. Дыдышко, П.И. Стабилизация насыпей на вечной мерзлоте // Труды VII научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна железных дорог». - М.: МИИТ, 2010. - С. 74-89.

33. Дыдышко, П.И. Усиление земляного полотна на оттаивающих вечномерзлых грунтах / П.И. Дыдышко, С.М. Жданова. - Хабаровск: ДВГУПС, 2005. - 137 с.

34. Жданова, С.М. Особенности принятия проектных решений по обеспечению устойчивости оснований железнодорожных насыпей на высокотемпературных вечномерзлых грунтах: дисс. ... канд. техн. наук: 05.22.06 / Жданова Светлана Мирзахановна. - СПб., 1999. - 174 с.

35. Железнодорожное строительство. Технология и механизация: учебник для вузов / под ред. С.П. Першина. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Транспорт, 1991. - 399 с.

36. Железнодорожный путь / Т.Г. Яковлева, Н.И. Карпущенко, С.И. Клипов, Н.Н. Путря, М.П. Смирнов; Под ред. Т. Г. Яковлевой. 2-е изд., с измен. и дополн. - М.: Транспорт. 2001. - 407 с.

37. Железнодорожный путь на сильнольдистых вечномерзлых грунтах: патент на изобретение 1740555 РФ: МПК E02D17/18, E02D17/20 // В.Г. Кондратьев, А.А. Королев, М.И. Карлинский, В.А. Позин, А.С. Розанов. - № 51053467/03; заявл. 19.10.1990; опубл.: 16.06.1992. - 2 с.

38. Железнодорожный путь: учебник / Е.С. Ашпиз, А.И. Гасанов, Б.Э. Глюзберг и др.; под ред. Е.С. Ашпиза. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2013. - 544 с.

39. Зайцев, А.А. Исследование грунтов основания Красноярского края и способ их усиления // А.А. Зайцев, И.А. Артюшенко // Интернет-журнал «Транспортные сооружения». - 2020. - Том 7, №1. - 15 с.

40. Индивидуальное проектирование железных и автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах. Земляное полотно для железных дорог. СТО 01386088-19-2013: стандарт организации. - М.: Гипростроймост, 2013. - 51 с.

41. Инженерная геокриология / Э.Д. Ершов, Л.Н. Хрусталёв, Г.И. Дубиков, С.Ю. Пармузин. - М.: Недра, 1991. - 439 с.

42. Ким, Х.Ч. Совершенствование методов расчета глубины сезонного промерзания пучинистых грунтов земляного полотна железнодорожного пути: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.11 / Ким Хюн Чол. - Новосибирск, 2013. -24 с.

43. Комментарии к ГОСТ 12248-2010. Глава 18. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. -Москва, 2010. - 118 с.

44. Кондратьев, В.Г. Новые методы и технологии управления состоянием грунтов тела и основания земляного полотна дорог в криолитозоне // Тр. междунар. науч. конф. «Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии». - М., МГУ, 2010. - С. 81-85.

45. Котов, П.И. Компрессионное деформирование прибрежно-морских мерзлых грунтов при оттаивании (Европейский Север России, Западная Сибирь): дисс. ... канд. геолого-минералогических наук: 25.00.08 / Котов Павел Игоревич. - М., 2014. - 149 с.

46. Крафт, Я.С. Композитно-модульные конструкции земляного полотна для строительства железных дорог на полуострове Ямал: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.11 / Крафт Якоб Соломонович. - М., 2006. - 245 с.

47. Крутов, В.И. Проектирование и устройство оснований и фундаментов на просадочных грунтах / В.И. Крутов, А.С. Ковалев, В.А. Ковалев. - М.: Издательство АСВ, 2016. - 544 с.

48. Луцкий, С.Я. Конструктивно-технологические и экологические решения по сооружению земляного полотна в криолитозоне / С.Я. Луцкий, Т.В. Шепитько, П.М. Токарев, Д.В. Долгов, А.М. Черкасов // Промышленный транспорт. - 2008. - №2. - С. 31-35.

49. Луцкий, С.Я. Развитие исследований геотехнических сооружений в криолитозоне / С.Я. Луцкий, Т.В. Шепитько, А.М. Черкасов, Дж. Лю // Путь и путевое хозяйство. - 2014. - № 6. - С. 30-33.

50. Луцкий, С.Я. Технологическое регулирование характеристик многолетнемерзлых грунтов в основании дорог / С.Я. Луцкий, Л.Т. Роман // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2017. - №3. - С. 26-30.

51. Максимяк, Р.В. Исследование структурных изменений полутвердых и мерзлых глинистых грунтов в процессе ползучести: дис. ... канд. геолого-минералогических наук: 04.00.00 / Максимяк Римма Владимировна. - М., 1970. -216 с.

52. Малышев, А.А. Земляное полотно автомобильных дорог в условиях Севера. - М.: Транспорт, 1974. - 285 с.

53. Мангушев, Р.А. Механика грунтов / Р.А. Мангушев, В.Д. Карлов, И.И. Сахаров. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009. - 264 с.

54. Маслов, Н.Н. Механика грунтов в практике строительства. - М.: Стройиздат, 1977. - 412 с.

55. Маслов, Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. - М: Высш. школа, 1982. - 511 с.

56. МДС 12-29.2006. Методические рекомендации по разработке и оформлению технологической карты / ЦНИИОМТП. - М.: ФГУП ЦПП, 2007. - 12 с.

57. Минайлов, Г.П. Пути повышения устойчивости насыпей, возводимых на маревых участках БАМа / Г.П. Минайлов, В.В. Гулецкий // Транспортное строительство. - 1982. - №2. - С. 5-7.

58. Нак, И.В. Методы организации и технологии строительно-путевых работ в условиях Заполярья: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.11 / Нак Игорь Владимирович. - М., 2003. - 179 с.

59. Насыпь на косогорных участках местности с сильнольдистыми многолетнемерзлыми грунтами: патент на изобретение 2059752 РФ: МПК Е02Б17/18, Е02Б17/20 // В.Г. Кондратьев, В.А. Кобзев, В.А. Гусаков. - № 93057489/03; заявл. 29.12.1993; опубл.: 10.05.1996. - 2 с.

60. Насыпь на сильнольдистых вечномерзлых грунтах: патент на изобретение 2010919 РФ: МПК E02D17/18, E02D17/20 // В.Г. Кондратьев, М.И. Карлинский, Б.А. Савельев, А.В. Соколов. - № 5028979/03; заявл. 26.07.1991; опубл.: 15.04.1994. - 2 с.

61. Насыпь на участках с поперечным уклоном местности и сильнольдистыми вечномерзлыми грунтами: патент на изобретение 1807173 РФ: МПК Е02017/18 // В.Г. Кондратьев. - № 4943018/03; заявл. 07.06.91; опубл.: 07.04.93. - 2 с.

62. Невмержицкая Л.И. Методика учета теплового влияния поверхностных и грунтовых вод при проектировании транспортных сооружений на вечной мерзлоте: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.11 / Невмержицкая Людмила Ивановна. - М., 2005. - 20 с.

63. Никифорова, Н.С. Закономерности деформирования оснований зданий вблизи глубоких котлованов и защитные мероприятия: дисс. ... доктора техн. наук: 05.23.02 / Никифорова Надежда Сергеевна. - М., 2008. - 324 с.

64. Общее мерзлотоведение / В.А. Кудрявцев, В.Н. Достовалов, Н.Н. Романовский, К.А. Кондратьева, В.Г. Меламед. - М.: Изд-во МГУ, 1978. - 464 с.

65. Общее мерзлотоведение / М.И. Сумгин, С.П. Качурин, И.И. Толстихин, В.Ф. Тумель. - Л.: Изд-во АН СССР, 1940. - 340 c.

66. Опыт и перспективы проектирования, строительства и эксплуатации дорог в криолитозоне на примере железнодорожной линии Обская - Бованенково / А.А. Цернант, В.В. Пассек, В.А. Герасимов, С.Г. Суворов. - М.: ЦНИИС, 2012. -163 с.

67. Организация строительства и реконструкции железных дорог: Учебник для вузов ж.д. транспорта / И.В. Прокудин, Э.С. Спиридонов, И.А. Грачев, А.Ф. Колос, С.К. Терлецкий; под ред. И.В. Прокудина. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. - 736 с.

68. Пассек, В.В. Разработка комплекса самоохлаждающихся опорных систем, как принципиально нового направления строительства мостов и дорог на вечной мерзлоте [Текст] / В.В. Пассек, И.Н. Палавошев, В.С. Андреев // Направление развития и перспективные способы строительства дорог, мостов и оборудования переправ: материалы межвузовской научно-техн. конф. (Тюмень, 29 апреля 2015). - Тюмень. - 2015. - С. 7-13.

69. Пекарская, Н.К. Прочность мерзлых грунтов при сдвиге и ее зависимость от текстуры. - М.: Изд-во Акад. наук СССР, 1963. - 108 с.

70. Переселенков, Г.С. Строительство железных дорог в экстремальных условиях // Труды ЦНИИС. Вып. 214. - М.: ЦНИИС, 2002. - 198 с.

71. Петрухин, В.П. Строительство сооружений на засоленных грунтах. -М.: Стройиздат, 1989. - 264 с.

72. Положительное заключение государственной экспертизы №89-1-40465-12. Проектная документация и результаты инженерных изысканий (строительство новой железнодорожной линии «Обская-Салехард»). - Салехард, 2012. - 91 с.

73. Пособие по проектированию железных и автомобильных дорог промышленных предприятий в районах вечной мерзлоты (к СНиП 2.05.07-85). -Москва: Союзпромтрансниипроект, 1989. - 121 с.

74. Пособие по расчетам Midas GTS NX. - Москва, 2015. - 306 с.

75. Прокудин, И.В. Организация строительства железных дорог: учеб пособие / И.В. Прокудин, И.А. Грачев, А.Ф. Колос. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2013. -568 с.

76. Пузыревский, Н.П. Теория напряженности землистых грунтов. - СПб, 1929. - 95 с.

77. Рабочий проект. Строительство новой железнодорожной линии Обская - Салехард. ООО «Мостострой -12», 2012. - 278 с.

78. Расчеты и проектирование железнодорожного пути: учебное пособие /

B.В. Виноградов, Г.Г. Коншин, А.М. Никонов, Т.Г. Яковлева [и др.]. - М.: Маршрут, 2003. - 486 с.

79. Рекомендации по интенсивной технологии и мониторингу строительства земляных сооружений на слабых основаниях / С.Я. Луцкий, Э.С. Спиридонов, В.И. Сбитнев, Д.В. Долгов, А.В. Пономарёв; под общ. редакцией

C.Я. Луцкого - М.: Информационно-издательский центр «Тимр», 2005. - 96 с.

80. Рекомендации по определению теплофизических свойств дорожностроительных материалов и грунтов. - Москва: Федеральное дорожное агентство РОСАВТОДОР, 2015. - 73 с.

81. Роман, Л.Т. Механика мерзлых грунтов. - М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002. - 426 с.

82. Романовский, Н.Н. Основы криогенеза литосферы: Учебное пособие. - М.: Изд-во МГУ, 1993. - 336 с.

83. РСН 67-87. Инженерные изыскания для строительства. Составление прогноза изменений температурного режима вечномерзлых грунтов численными методами. - РСФСР: Госстрой, 1988. - 73 с.

84. Саркисян, Р.М. Прогноз изменений инженерно-геокриологических условий для строительства // Исследования и материалы по строительству и эксплуатации зданий и сооружений на мерзлых грунтах. - СССР: Записки Забайкальского филиала Географического общества, 1974. - Вып. 2. - С. 21-22.

85. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть IV. Правила производства работ в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. - Москва, 2000. - 61 с.

86. СП 115.13330.2016. Геофизика опасных природных воздействий. Актуализированная редакция СНиП 22-01-95. - Москва, 2016. - 36 с.

87. СП 116.13330.2012. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 22-02-2003. - Москва, 2012. - 65 с.

88. СП 126.13330.2017. Геодезические работы в строительстве. Актуализированная редакция СНиП 3.01.03-84. - Москва, 2018. - 58 с.

89. СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83. - М.: институт АО «НИЦ «Строительство», 2017. - 225 с.

90. СП 238.1326000.2015. Железнодорожный путь. - Москва, 2015. - 71

с.

91. СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88. - Москва, 2012. - 123 с.

92. СП 313.1325800.2017. Дороги автомобильные в районах вечной мерзлоты. - Москва, 2017. - 142 с.

93. СП 32-104-98. Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм. - Москва,1998. - 74 с.

94. Способ укрепления основания земляного полотна на вечномерзлых грунтах: патент на изобретение 2074928 РФ: МПК E02D17/20, E02D17/18 // В.Г. Кондратьев, И.И. Бройд. - № 94022236/03; заявл. 10.06.1994; опубл.: 10.03.1997. -2 с.

95. Способ уплотнения оснований, сложенных слабыми минеральными грунтами: патент на изобретение 2662841 РФ // З.Г. Тер-Мартиросян, Тер- А.З. Мартиросян, А.Ю. Мирный, Е.С. Соболев, В.В. Сидоров, Г.О. Анжело, И.Н. Лузин. - № 218.016.779C; опубл.: 31.07.2018. - 2 с.

96. Справочная энциклопедия дорожника (СЭД) [Текст]. В 8 томах. Том V. Проектирование автомобильных дорог / под ред. Г.А. Федотова, П.И. Поспелова. - М.: Информавтодор, 2007. - 668 с.

97. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах / Под ред. Ю.Я. Велли, В.В. Докучаева, Н.Ф. Федорова. - Л.: Стройиздат, 1977. - 552 с.

98. СТН Ц-01-95. Железные дороги колеи 1520 мм. - Москва, 1995. - 88 с.

99. Стратегия пространственного развития Российской Федерации на период до 2025 года. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 13 февраля 2019 г. № 207-р. - Москва, 2019. - 116 с.

100. Строительство зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях / М.Ю. Абелев [и др.]. - М.: Стройиздат, 1986. - 104 с.

101. Строительство путей сообщения на Севере. Научно-практическое издание / С.Я. Луцкий, Т.В. Шепитько, П.М. Токарев, А.Н. Дудников. - М.: ЛАТМЭС, 2009. - 286 с.

102. Строительство транспортного перехода через Керченский пролив. Участок №1. Автомобильная дорога. Проект производства работ. Усиление основания насыпи и конусов щебеночными сваями. СГМ/15-32-А1-ППР-УО(к). -Санкт-Петербург, 2016. - 44 с.

103. Таргулян, Ю.О. Устройство свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах. - Л.: Стройиздат, 1978. - 160 с.

104. Технические указания по стабилизации деформирующихся насыпей БАМЖД, расположенных на протаивающих основаниях из вечномерзлых грунтов / МПС РФ, Главное управление пути. - М.: 1993. - 98 с.

105. Техническое описание гидравлического гусеничного крана ЫеЬИегг ЬЯ 1100. - 32 с.

106. Технология железнодорожного строительства. Учебник для ВУЗов / Э.С. Спиридонов, А.М. Примазонов, А.Ф. Акуратов, Т.В. Шепитько; Под ред. А.М. Призмазонова, Э.С. Спиридонова. - М.: Желдориздат, 2002. - 631 с.

107. Хрипков, К.Н. Конструктивно-технологические решения по сооружению земляного полотна в таликовых зонах распространения

многолетнемерзлых грунтов: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.11 / Хрипков Константин Николаевич. - М., 2015. - 211 с.

108. Хрусталев, Л.Н. Определение надежности зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах / Л.Н. Хрусталев, Ю.С. Миренбург // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1976. - № 3. - С. 19-21.

109. Хрусталев, Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне. - М.: МГУ, 2005. - 544 с.

110. Цернант, А.А. Сооружение земляного полотна в криолитозоне: автореферат дисс. ... доктора техн. наук: 05.23.13, 05.22.06 / Цернант Александр Альфредович. - М., 1998. - 97 с.

111. ЦП-4591. Технические указания по применению нетканых материалов для усиления земляного полотна. - М.: Транспорт, 1989. - 47 с.

112. ЦП 544. Инструкция по содержанию земляного полотна железнодорожного пути. - М.: Транспорт, 2010. - 191 с.

113. ЦПИ-24. Технические указания по устранению пучин и просадок железнодорожного пути. - М.: Транспорт, 1998. - 76 с.

114. ЦПИ-28. Технические указания по машинизированным способам стабилизации насыпей. - М., 2004. - 24 с.

115. Цытович, Н.А. Механика мёрзлых грунтов. - М.: Высшая школа, 1973. - 446 с.

116. Цытович, Н.А. Роль советских ученых в развитии механики мерзлых грунтов и фундаментостроения на вечномерзлых грунтах // Мерзлотные исследования и вопросы строительства. - Коми: Книжное изд-во, 1967. - С. 11-16.

117. Челобитченко, С.А. Методика расчета и конструктивно-технологические решения армированного объемными георешетками земляного полотна на вечномерзлых грунтах: дисс. . канд. техн. наук: 05.23.11 / Челобитченко Светлана Андреевна. - М., 2007. - 224 с.

118. Черкасов, А.М. Обоснование конструктивно-технологических решений по земляному полотну железных дорог на многолетнемёрзлых

основаниях: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.22.06 / Черкасов Александр Михайлович. - М., 2009. - 24 с.

119. Шахунянц, Г.М. Земляное полотно железных дорог. Вопросы проектирования и расчета: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. - Москва: Трансжелдориздат, 1953. - 828 с.

120. Шепитько, Т.В. Армирование грунтов основания вертикальными столбами из щебня в криолитозоне / Т.В. Шепитько, И.А. Артюшенко, П.Г. Долгов // Мир транспорта. - 2019. - Том 17, №4. - С. 68-78.

121. Шепитько, Т.В. Влияние вертикальных столбов из щебня на криогенные процессы грунтов основания земляного полотна / Т.В. Шепитько, И.А. Артюшенко // Интернет-журнал «Транспортные сооружения». - 2019. - Том 6, №4. - 11 с.

122. Шепитько, Т.В. Правильная организация строительства путей сообщения на Севере как способ повышения качества / Т.В. Шепитько, С.Я. Луцкий, И.А. Артюшенко // Современное состояние, проблемы и перспективы развития отраслевой науки: Материалы Всероссийской конференции с международным участием. Москва, Российский университет транспорта (МИИТ). - М.: Издательство «Перо», 2017. - С. 566-568.

123. Юсупов, С.Н. Индивидуальное проектирование железнодорожных сооружений в районах распространения многолетнемерзлых грунтов // Транспортное строительство. - 2013. - № 6. - С. 18-20.

124. Юсупов, С.Н. Конструктивно-технологические решения устройств водоотвода для земляного полотна железных и автомобильных дорог на вечной мерзлоте: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.11 / Юсупов Сергей Николаевич. - М., 2003. - 32 с.

125. Andersland, O.B. Frozen Ground Engineering, 2nd Edition / O.B Andersland, B. Ladanyi. - USA: ASCE, 2003. - 384 p.

126. Anderson, D.M. The unfrozen water and the apparent specific heat capacity of frozen soils / D.M. Anderson, A.R. Tice, H.I. McKim // North Am. Contrib., 2nd lnt.

Conf. on Permafrost, Yakutsk USSR. - Washington, D.C.: National Academy of Sciences, 1973. - P. 289-295.

127. Barksdale, R.D. Design and Construction of Stone Columns. Report FHWA/RD-83/026. National Technical Information Service: Springfield / R.D. Barksdale, R.C. Bachus. - VA, USA, 1983. - 45 p.

128. Becker, P. Volume averaging technique in numerical modelling of floating deep mixed columns in soft soils / P. Becker, M. Karstunen // In Installation Effects in Geotechnical Engineering. - CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2013. - P. 198-204.

129. Betterground quality monitoring and control system [Электронный ресурс]: Betterground Inc. - URL: https://www.betterground.com/en/quality-control (дата обращения: 28.09.2019).

130. Castro, J. Influence of elastic strains during plastic deformation of encased stone columns / J. Castro, C. Sagaseta // Geotext. Geomembr. - 2013. - 37. - P. 45-53.

131. Castro, J. Modeling Stone Columns // Materials. - 2017. - 10(7). - 23 p.

132. Chen, J.-F. Failure mechanism of geosynthetic-encased stone columns in soft soils under embankment / J.-F. Chen, L.-Y. Li, J.-F. Xue, S.-Z. Feng // Geotext. Geomembr. - 2015. - 43. - P. 424-431.

133. Goughnour, R.R. Analysis of stone column - soil matrix interaction under vertical load / R.R. Goughnour, A.A. Bayuk // Proceedings of the International Conference on Soil Reinforcements, Paris. - 1979. - P. 271-277.

134. Han, J. Simplified method of consolidation rate of stone column reinforced foundation / J. Han, S.L. Ye // Geotech. Geoenviron. Eng. ASCE. - 2001. - 127. - P. 597-603.

135. Kirsch, F. Vibro stone column installation and its effect on ground improvement // In Numerical Modelling of Construction Processes in Geotechnical Engineering for Urban Environment. - Taylor & Francis: London, UK, 2006. - P. 115124.

136. Liu, J. Numerical studies for the thermal regime of a roadbed with insulation on permafrost / J. Liu, Y. Tian // Cold Regions Science and Technology. -2002. - №35. - P. 1-13.

137. Lutskiy, S.Ya. In-depth improvement of soil at the base of roads on taliks / S.Ya. Lutskiy, A.Y. Burukin, K.N. Khripkov // Sciences in Cold and Arid Regions. -2015. - Vol. 7(5). - Р. 1-7.

138. McCabe, B.A. Vibro Techniques for Ground Improvement in Ireland / B.A. McCabe, J.A. McNeill // The Engineers Journal. - 2006. - Vol. 60, Issue 3 (April). - P. 181-182.

139. Moormann, Ch., Aschrafi, J. Numerical Investigation of Passive Loads on Piles in Soft Soils // Geotechnical Engineering. - 2014. - 45. - P. 1-11.

140. Nixon, J.F. Foundation design approaches in permafrost areas // Can. Geotech. J. - 1978. - 15(1). - P. 96-112.

141. Penner, E. Transfer of heaving forces by adfreezing to columns and foundation walls in frost-susceptible soils // Can. Geotech. J. - 1971. - 8. - P. 514-526.

142. Perreault, P. Seasonal Thermal Insulation to Mitigate Climate Change Impacts on Foundations in Permafrost Regions / P. Perreault, Y. Shur // Cold Regions Science and Technology. - 2016. - 132. - P. 7-18.

143. Pivarc, J. Stone columns - determination of the soil improvement factor / Slovak journal of civil engineering. - 2011. - Vol. XIX. - № 3. - P. 17-21.

144. Plaxis 2D. Руководство пользователя. - СПб: «НИПИнформатика», 2012. - 182 с.

145. Priebe, H.J. Design of vibro replacement / Ground Engineering, Dec. -1995. - 16 p.

146. Salahi, A. Evaluation of stone columns versus liquefaction phenomenon / A. Salahi, H. Niroumand, K. Kassim // Scientific World Journal. - 2015. - №20. - P. 739-759.

147. Zhang, Yu. Reinforcement effects of ground treatment with dynamic compaction replacement in cold and saline soil regions / Y. Zhang, J. Liu, J. Fang, A. Xu // Sciences in Cold and Arid Regions. - 2013. - 04. - P. 440.

171

Приложение А

ФГБУН ИНСТИТУТ МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЯ

им. П.И,МЕЛЬНИКОВА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РАН

ИГАРСКАЯ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ

663200, Красноярский край, Туруханский район, г. Игарка. 1 микрорайон. д.8А

_Тел: [phone], 2-14-37, ц-таП: [e-mail]_

Исх. № г. Игарка

О практическом использовании результатов диссертационной работы Артюшенко Игоря Александровича

«Усиление основания земляного полотна вертикальными столбами из щебня на участках с многолетнемерзлыми грунтами»

Игарская геокриологическая лаборатория Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук настоящим актом подтверждает практическую значимость применения предложенной технологии усиление основания земляного полотна вертикальными столбами из щебня на многолетнемерзлых грунтах.

Следует отметить, при возникновении возможности смещения или обрушения устойчивости насыпи железнодорожного полотна, данная технология по усиления основания земляного полотна вертикальными столбами из щебня позволит использовать его как дополнительный метод позволяющий повысить устойчивость и надёжность объекта в период его эксплуатации.

Предложенный метод, улучшения прочностных свойств грунтов основания земляного полотна, оказывает дополнительное воздействие на грунт за счет охлаждения и последующего его замораживания и уменьшения глубины сезонного протаивания. При этом возникает возможность использовать вечномёрзлые грунты по 1 принципу (СП 25.13330.2012).

АКТ

Заведующий Игарской геокриологической лабор

С.И. Сериков

172

Приложение Б

Таблица 1 - Характеристики глинистых грунтов в Ермаково (Красноярский край)

Местоположение выработка о4 Плотность частиц грунта ср Пластичность

Наименование грунта Глубина отбора, м Природная влажность, W, Плотность грунта, р Плотность сухого грунта, Пористость, п, % Коэф. пористости, е Предел текучести, % Предел раскатывания, Шр, % Число пластичности, Зр Показатель текучести, Л Степень водонасыщенности Реакция с Ж! Потери п/п, %

Скв. 5 Глина мягко-пласт. 2,0 35,1 2,65 1,87 1,39 47,0 0,90 45,5 22,3 23,2 0,55 1,03 не вст. 4,0

Ерма-ково

Глина мягко-пласт. 4,0 34,2 2,64 1,88 1,40 47,0 0,89 42,3 19,9 22,4 0,64 1,01 не вст. 3,0

Таблица 2 - Физико-механические характеристики грунтов, Ермаково (Красноярский край)

Местоположен ие выработка Наименование грунта Глубина отбора, м Модуль деформации, Е, МПа Угол внутреннего трения, ф, град Удельное сцепление, с, кПа Расчетное сопротивление , Я, кПа

Скважина 5 Ермаково Глина мягкопласт. 2,0 12,0 9 33,0 220

Глина мягкопласт. 4,0 10,0 8 34,0 200

РУТ [МИИТ; Паспор- Конструкция прибора ЦНИИ С

ка ф е д р а к А Д А 0 иФэ грунта на срез Высота кольца 1га см 3,50

Лаборатория механики грунтов Шиф р Лайораторный N2 11 Площэдь кольца Е см2 40.00

Объект Ермаково. Красноярский край

КМ-ПК № шурф а, скважины Глубина, м Структура Наименование грунта

- 5 4.0 монолит глина

КМ-ПК № шурфа, скважины Глубина, м Показах ель текучести Г

1+0 5 4;0 иппиы О О /11

Структура Наименование грунта |р

нарушенная глина 42.3 1 Э.Э 22.4 0.64

Граф ик Т=Г(р) зависимости сопротивления срезу от нормального давления

Условия производства опыта

при w

0,05

к

В 0.025

V = 0 Ш* + 0,027 7

0.1 0 2 0.3

Н а р чал ь ное да вл енке

Физические свойства До опыта

Влажность W в % 34,6

Гкюппстъ р гЛ;мэ 1,86

Ппотность сухого грунта Рц Г/СМ' 1,38

Гкюппстъ частиц грунта р= г/см1 2,64

Пористость П 48,0

Коэффициент пористости ем 0,910

Коэффициент водонасыщения. Бг 1,00

Нормальное давление Р МПа Касательное напряжение МПа Плотность P г/см3 Влажность в % Продолжите льность среза, мин.

до опыта после опыта

0,100 0,032 1,85 34,50 34,10 40

0,200 0,035 1,86 34,70 34,20 35

0,300 0,040 1,85 34,40 33,90 42

Касательное напряжение tpасч

МПа

Угол сдвига о Ф Коэффициен т внутр. трения f=tg f Угол внутр. трения f

18 0,035 2

10

7

0

ш ^

1 пз ш а

И ^

ш

о

0,032

0,036

0,041

0,028

Примечание Дата Отбора 06.112019

Поступление в лабораторию

Выпелн. анализа 27.112019

Испытания фунта методом КОМПРЕССИОННОГО СЖАТИЯ

ГОСТ 12243-2010

Лабораторный номер Объект

Наименование вьрабогки Наименование грунта Схема проведения испытания Состояние грунта Заказчик Глубина отбора Оборудование

1

Ермаково скв. 5

тина мягкопластичная открытая нарушенное

4 м ГЕОТЕК

Характеристики грунта

W, % 34,20

р, г/см3 1,88

ра, г/см3 1,40

р5, г/см3 2,64

п, % 47,00

е, д.е. 0,89

Sr, д.е. 1,00

д е. 22,40

!ь д е. 0,64

Iom, % -

B 0,65

Время от начала, с Нагрузка, МПа Деформация, мм Относит. Деформация Модуль деформац ии, МПа Коэфф. Пористости Коэфф. Уплотнения

0 0 0 0 0 0,89 0

43236 0,049 0,39 0,016 2,041 0,856 0,601

87256 0,099 0,90 0,036 1,601 0,818 0,765

130914 0,149 1,32 0,053 1,915 0,786 0,640

174183 0,199 1,67 0,067 2,386 0,760 0,514

219465 0,300 2,26 0,090 2,757 0,716 0,445

221272 0,199 2,24 0,090 103,398 0,717 0,012

223077 0,150 2,20 0,088 18,707 0,720 0,066

224883 0,099 2,13 0,085 12,140 0,725 0,101

226690 0,051 2,03 0,081 7,877 0,733 0,156

0 0,000 0,00 0,000 0,406 0,886 3,016