Система мониторинга и диагностики земляного полотна.

Проблема внезапной активизации деформаций земляного полотна, которая происходит как на уже деформировавшихся ранее объектах, так и на участках пути, которые не числились неустойчивыми, остается одной из наиболее острых в путевом хозяйстве. Ежегодно на сети дорог происходит несколько десятков случаев внезапных деформаций, нарушающих ритмичность работы железных дорог и угрожающих безопасности движения и требующих значительного времени и ресурсов на их восстановление. Учитывая дефицит денежных средств на усиление и ремонты земляного полотна, проблема обеспечения необходимой надежности земляного полотна может быть решена только организацией системы мониторинга земляного полотна на сети дорог.

Вместе с тем существующая сегодня на железных дорогах система надзора за земляным полотном в соответствии с инструкцией ЦП-544 основана главным образом на визуальных методах и обеспечивается силами работников дистанций пути, квалификация которых в части земляного полотна остается на недостаточном уровне. Инженерно-геологические базы и путеобследовательские станции по земляному полотну, имеющиеся на дорогах и входящие в дорожные центры диагностики, также очень неоднородны как по составу, так и по оснащению. Только отдельные из них имеют современное оборудование для диагностики земляного полотна, включая вагоны ВИГО, а в штате – квалифицированных специалистов-геофизиков.

Кроме того, надежность земляного полотна зависит от большого количества факторов и переменны во времени, поэтому создание только системы его диагностики без организации режимных наблюдений за наиболее неустойчивыми объектами и прогноза на их основе развития деформаций (т.е. полноценного мониторинга) не позволят решить поставленную задачу предупреждения внезапных деформаций.

Под мониторингом земляного полотна в соответствие с ранее разработанными в МИИТе положениями понимается определенная процедура управления состоянием геотехнической системы – земляное полотно, осуществляемая по целевой программе и состоящая из следующих блоков:

– диагностика объектов с нахождением основных параметров;

– выделение объектов, имеющих недостаточную надежность;

– режимные наблюдения и измерения параметров на объектах, имеющих недостаточную надежность;

– оценка по результатам наблюдений и измерений параметров состояния объектов, имеющих недостаточную надежность;

– прогноз развития состояния объектов, имеющих недостаточную надежность;

– разработка сценариев по управлению состояния объектов, заключающихся в рекомендациях (при необходимости) изменения их конструктивных параметров и (или) технологических режимов функционирования.

В МИИТе по заказу Департамента пути и сооружений в 2006 году разработана система мониторинга состояния земляного полотна для деформаций, которые в наибольшей степени могут приводить к аварийным ситуациям. Это сплывы откосов высоких насыпей, оползни, наличие карста, земляное полотно на болотах и льдистых грунтах в условиях мерзлоты. В настоящее время производится апробация системы на полигоне Московской и Северо-Кавказскойж.д.

Данная система включает технологические регламенты диагностики параметров земляного полотна и режимные наблюдения за их изменением с использованием комплекса инструментальных методов и технических средств, позволяющих выявлять возможность появления деформаций на ранней стадии их развития, благодаря чему повышается безопасность движения поездов и снижаются эксплуатационные потери ОАО «РЖД».

Цель достигается за счет:

– полного использования всех данных (всей предыстории) по состоянию и выполненным ранее ремонтам и усилению земляного полотна, а также проведенным противодеформационным мероприятиям;

– использования комплексного набора диагностики и режимных наблюдений (измерений параметров состояния земляного полотна), позволяющих полнее оценивать параметры развития деформаций земляного полотна;

– оперативной оценки текущего состояния земляного полотна и прогнозирования возможного развития деформаций и дефектов;

– повышения качества управляющих решений на основе оптимизации ресурсного обеспечения с применением информационных технологий и повышения объективности контроля работ по ремонту и текущему содержанию земляного полотна.

Важным для организации мониторинга состояния земляного полотна является выбор участков пути, на которых он должен проводиться. Основой для выбора должны служить паспортные данные по земляному полотну. В соответствии с Инструкцией на объекты земляного полотна, на которых имелись или происходят деформации, составляется паспорт неустойчивого или деформируюшегося земляного полотна (форма ПУ-9), также отмечаются все участки с пучинами (форма ПУ-10). В месте с тем анализ имеющейся информации о земляном полотне показывает, что она отрывочна и требует систематизации. Поэтому в качестве первоочередной задачи для организации мониторинга состояния земляного полотна предлагается проведение паспортизации земляного полотна. При этом выделение только дефектных, неустойчивых и деформирующихся объектов не способствует правильному выбору всех потенциально опасных мест.

В первую очередь это важно для потенциально опасных участков пути, которые проходят по территориям, где развиты неблагоприятные геологические процессы и явления. Для таких территорий, где имеется повышенная вероятность проявления природных катастроф, государственными органами для предупреждения чрезвычайных ситуаций (ЧС) предусматривается проведение мониторинга, по итогам которого разрабатываются мероприятия по инженерной защите. В перечень опасных геологических явлений внесены оползни, обвалы, осыпи, сели, карст, суффозия, размывы, подработка берега и др.

Характерно, что и в Федеральном законе о железнодорожном транспорте в Российской Федерации в статье 9 указывается, что для безопасной эксплуатации железнодорожных путей в местах, подверженных оползням, обвалам, размывам, селям и другим негативным воздействиям, устанавливаются охранные зоны.

Поэтому представляется необходимым изменить классификацию дефектов и деформаций земляного полотна, выделив деформации земляного полотна и пути в целом, вызванные чрезвычайными природными ситуациями из-за опасных геологических процессов и явлений. Участки пути, проходящие по территориям с развитием опасных геологических процессов и явлений, должны быть выделены как потенциально опасные и на них необходимо проводить мониторинг. Перспективным для такого мониторинга являются аэрокосмические методы, охватывающие большие по площади прилегающие территории. При этом на такие протяженные участки пути должны составляться не паспорта, а карты, используя геоинформационные системы (ГИС).

Система мониторинга земляного полотна на сети дорог должна создаваться как единая система, включающая комплекс различных методов диагностики и режимных наблюдений, но, учитывая многообразие инженерно-геологических условий, причин и типов деформаций земляного полотна, для каждого из них этот комплекс будет содержать различный набор методов и средств диагностики и режимных наблюдений.

Наибольшее распространение получили традиционные способы диагностики, основанные на геологоразведочном бурении и шурфовании. Кроме этого, в зависимости от объекта и поставленных задач все шире начинают использоваться различные геофизические методы.

Центральное место в мониторинге земляного полотна должны занимать регулярные режимные наблюдения и измерения параметров, позволяющие оперативно в режиме реального времени оценивать возможность возникновения деформаций, угрожающих безопасности движения поездов. Методы и средства режимных наблюдений могут быть разделены на две большие группы – стационарные и передвижные. К первым относятся различные датчики и контрольно-оповестительные системы, устанавливаемые на объекте, съем информации, которая может быть осуществлена на переносные приборы либо с помощью передачи сигнала в автоматическом режиме. Примерами таких методов и средств являются для измерения:

– деформаций – глубинные грунтовые репера, инклинометры, тензодатчики;

– напряжений – мессдозы, тензодатчики и датчики порового давления;

– температуры – термокосы и электрические термометры, тепловизоры;

– влажности – тензодатчики, сорбционные датчики;

– уровня грунтовых вод – гидрометрические скважины и.т.д.

К передвижным средствам относятся:

– путеизмерительные вагоны;

– нагрузочные устройства;

– георадарные комплексы.

Одним из наиболее эффективных методов режимных наблюдений за деформациями пути и земляного полотна может быть применение путеизмерительных вагонов, для чего в МИИТе была разработана методика оценки стабильности рельсовой колеи по данным путеизмерительных вагонов. К достоинствам такого метода следует отнести:

– возможность получения информации из материалов наблюдений непосредственно за состоянием железнодорожного пути;

– относительно низкую стоимость и трудоемкость (по сравнению с полевыми инструментальными наблюдениями или различного вида съемками территорий) и как следствие – возможность организации наблюдений за достаточно большим количеством потенциально опасных участков;

– регулярность получения информации без необходимости организации дополнительной системы наблюдений.

Эффективность выделения неустойчивых объектов, находящихся в состоянии, близком к критическому, при мониторинге с применением показаний путеизмерительных вагонов была доказана на примере ряда объектов различных железных дорог.

 

57.Задача. Основы расчета устойчивости откосов земляного полотна. Определите статиче-ский коэффициент устойчивости откоса подтопляемой насыпи, если Fтр=1200 кН, Fсц=750 кН, Туд=18,3 кН, Тсдв=1700 кН, ωIII=38 м2, ωIV=10,3 м2, средний уклон кривой депрессии I0=40‰. Сделайте вывод.

Ответ: Для определения коэффициента устойчивости вычерчиваем поперечный профиль насыпи в масштабе 1:100 по типовым очертаниям (см.прилож. 3).

При круглоцилиндрической поверхности возможного смещения применяется приближенное решение. Схема расчета в плоской задаче представлена на рисунке. В этой схеме принимаем некоторые допущения:

– смещение блока рассматривается как вращение его вокруг оси круглого цилиндра (в плоской задаче это центр круговой кривой О);

– силами взаимодействия между отсеками E_i - и E_i пренебрегают;

– силы веса и внешние воздействия Q_i приложены к основанию (а не в центе тяжести) отсека, т. е. принимается, что:

– внешние нагрузки (Р _п и Р_вс) заменяются фиктивными столбами грунта удельного веса и высотою.

 

 

Коэффициент устойчивости

При прекращении паводка, вода, заполнившая поры грунта, отступает и этим самым создает дополнительное усилие D, которое учитывается как:

Силы трения и силы сцепления грунта по поверхности определяются как:

где f_i – коэффициент трения грунта по грунту определяется для каждой зоны в зависимости от влажностного состояния грунта;

C_i – удельное сцепление, также зависящее от влажностного состояния грунта;

l_i – длина кривой скольжения в пределах отсека.

 

Вывод:

На основании полученного расчета можно сделать вывод о том, что пойменная насыпь является недостаточно устойчива, т.е. требуются мероприятия по укреплению откосов, а при эксплуатации необходим регулярный контроль.

 

58. Задача. Определите глубину заложения двухстороннего закюветного дренажа в выемке, если глубина промерзания грунта от поверхности шпалы составляет Z10= 1,9 м, высота капиллярного насыщения грунта акап=0,5 м, средний уклон кривой депрессии I0=50‰, h0=0,4м. Выемка двухпутная, дорога I категории, грунт – легкий суглинок. Приведите классификацию дренажей.

Ответ:

Глубину дренажа определяют из условия, что при его устройстве естественный уровень грунтовых вод упадет ниже расчетного горизонта промерзания грунта в данном сечении земляного полотна. В расчетах закладывают возможность колебания уровня грунтовых вод во времени путем введения запаса к минимально необходимому уровню воды в грунте.

Глубина заложения дренажа:

, (3.13)

где: z₁₀ =1,9 м – глубина промерзания за 10 лет наблюдений;

е= 0,2 м – запас на переменный уровень грунтовых вод;

а_кап= 0,5 м – высота капиллярного поднятия воды в грунте;

h₀= 0,4 м – расстояние от точки выклинивания кривой депрессии в траншее до дна траншеи;

b – высота от верха шпалы до дна кювета:

.

Так как глубина кювета меньше 2.5 м, то ширина траншеи 2а принимается равной0.8 м;

Стрела изгиба кривой депрессии f определяется как:

, (3.14)

где: I – уклон кривой депрессии;

L_м – расстояние от оси пути до стенки траншеи:

Для двухпутного участка железной дороги с шириной основной площадки 11.7 м:

, (3.15)

где: В= 11.7 м – ширина земляного полотна поверху;

0,9 м – ширина откоса кювета;

0,2 м – половина ширины кювета понизу;

0,4 м – половина ширины траншеи;

.

Тогда глубина заложения дренажа:

.

 

Классификация дренажей:

1. биологические (трава, кустарник):

2. временные (вентиляционные, вакуумные, электродренажи, термодренажи):

3. гравитационные:

- вертикальные с откачкой воды

- Открытого типа (канавы, лотки), закрытого типа (траншейные (трубчатые, беструбные, галереи), штольни, кротовые (с разведением трубы, дренажные прорези)).

Трубы: бетонные, асбоцементные, керамические, пластиковые, трубофильтры.

Продольный уклон дренажа не менее 0.005, что соответствует скорости 0.25-0.6м/с.

Заполнитель, как правило, однослойный.

 

??? 59. Определить толщину теплоизоляционной подушки из пенополистирола для региона, где среднемесячные отрицательные температуры составляют: январь -130С, февраль -80С, март -50С, ноябрь -100С, декабрь -150С. Толщина непучинистого грунта под подушкой mнеп=0,2 м. Запроектировать сопряжение подушки с грунтом. Привести классификацию пучин, причины пучинообразования и роста пучин, указать основные способы ликвида-ции вредного пучения

Ответ:

Теплоизолирующие устройства и покрытия используются для предотвращения морозного пучения грунтов при сезонных изменениях температуры и для предотвращения оттаивания вечномерзлых грунтов. К ним относятся различные подушки из теплоизолирующих материалов, укладываемые в верхней части земляного полотна. Их устраивают в переувлажненных слабых грунтах с плохой водоотдачей в случае неравномерного пучения земляного полотна. Ширина подушки 0,1 м и более ее толщины. Покрытиями называют тонкие подушки или плиты, с соотношением толщины к ширине не более 0,02 и менее, они служат главным образом для ликвидации сплывов откосов выемки, сложенных из глинистых грунтов.

В качестве теплоизолирующих материалов применяют шлак, отходы асбестовой промышленности, мох, волокнистый неразложившийся торф, опилки, пенопласт.

Толщина плит из пенополистирола и его ширина определяются тепло-техническим расчетом из условий полного выведения пучинистых грунтов из зоны промерзания. Допускается приближенно определять толщину покрытия δПОК по номограммев зависимости от расчетной суммы градусосуток отрицательных температур W_Р и толщины слоя непучинистого грунта под покрытием mнеп. При применении покрытия из плит пенополистирола в качестве разделительного слоя его толщина и ширина назначаются минимальными и равными δпок=4см и Впок=4,0 м.

Для обеспечения плавного перехода по жесткости и теплофизическим свойствам вдоль пути от реконструируемого участка к нереконструируемому по концам покрытия из пенополистирольных плит устраиваются сопряжения.

Сопряжение выполняется за счет постепенного уменьшения толщины плиты до минимальной 4 см и далее при неизменной минимальной толщине плит кладкой их с зазорами в продольном направлении или за счет постепенного уменьшения ширины покрытия. Изменение толщины плит производится ступенчато с шагом 1см. При этом длина каждого участка с неизменной толщиной плит принимается 5-6 см.

В предыдущем разделе был рассмотрен один из способов устранения явления пучинистости путем устройства дренажа, однако эффективность этого способа ограничена удельной молекулярной влагоемкостью грунта.

При устройстве противопучинной подушки исходят из тех соображений, что грунт подверженный морозному пучению в течение всей зимы не должен промерзать, т.е. градиент температур должен быть достаточно высок за счет устройства именно противопучинной подушки.

Запроектируем противопучинную подушку при следующих начальных условиях:

− район строительства: Н.-Новгород;

− материал подушки: шлак;

 

При устройстве тепловой изоляции из пенопластов их толщина h_тр

Определяется по формуле:

- нормативная толщина слоя пенопласта;

- коэффициент теплопроводности пенопласта (0,034 – 0,048);

– коэффициент надёжности, 1,2;

- нормативное поглощение по объёму, 0,5%;

 

 

Принимаем расчётную толщину пенопласта равной 10 см

 

Далее находим длину сопряжения подушки:

 

где [i]=1,5‰ – допустимый уклон,

Р_р – величина равномерного пучения;

Р_р = К^п×Р_рп = 1×54 = 54мм = 0,054м

Сопряжение разбиваем на отдельные элементы, количество которых равно количеству слоев плит пенопласта в покрытии. На каждом элементе сверху кладут блоки длиной С, равной ширине пяти плит стандартного размера. В пределах участка сопряжения должно быть целое количество блоков С. Ширину этих блоков уменьшаем пропорционально величине (n+1), где n- количество блоков на участке сопряжения.

Толщину подушки определяем по графику 4.16{2} в зависимости от суммы градусосуток отрицательных температур в нашем регионе-Ω_р и мощности непучинистого грунта под подушкой-m_неп(принимаем равный 0,2 м)_.

Для нашей области

Ω_р=(–13,0 31–8,0 28–5,0 31–10,0 30–15,0 31)=1392градусосуток.

Согласно номограмме толщина плит пенополистиролаδ_пок=?=?см.

Уточняем выбранную толщину подушки

δ = δ_пок +1=9+1=10 см

где δ_пок– толщина подушки по графику, рис 4.16{2};

1 см- запас, на вдавливание щебня в пенополистирол.

 

 

Рисунок 5-Накладные подушки из пенопласта

 

В итоге получаем блоки длиной, равной ширине 5 плит

С^с = 5× 0,6 = 3 м

=36, то есть увеличиваем в большую сторону, для того, чтобы длина сопряжения была не меньше расчетной.

B=4,5 м − основная ширина покрытия;

 

Пучины и пучинообразование. Причины проявления пучин:

Пучины – общее или местное поднятие поверхности грунта или рельсовой колеи, причиной которого является промерзание грунтов и увеличение в объеме замерзашей в нем воды, как первоначально задержавшейся в грунте, так и поступающей в процессе замерзания из нижних талых слоев.

Пучинистые грунты: все разновидности глинистых гр., мелкие и пылеватые пески, крупнообломочные гр. с глинистым заполнителем, торфы.

Пучение может быть равномерным и неравномерным.

Причины неравномерного пучения:

- наличие на ОП ЗП углублений;

- наличие разнородных грунтов под ОП;

- различия в гидрогеологических и гидрологических процессах на разных участках;

- различия в толщине балластного слоя и мощности снегового покрова.

- наличие загрязненного балласта;

- наличие в ЗП инженерных сооружений;

-проведение кап. рем.

 

Классификация пучин. В том числе грунтовых:

 

Классификация:

1. по форме пучин:

- пучинный горб1;

- пучинная впадина2;

- перепад3.

Если продольный профиль обеих РН искажается одинаково – прямая пучина, нет – перекосная.

- мостовая пучина.

2. в зависимости от питания водой:

- если пучина питается поверхностной водой, застоявшейся в загрязненном балласте, или в углублениях ОП и кюветах – поверхностная (балластная);

- если питается грунтовой водой – грунтовая (коренная);

3. в зависимости от расположения пучинистого грунта:

- верховые4 и средние5:

- пучинистый грунт занимает всю зону промерзания: пучины растут в течение всей зимы, до самого конца, как правило, на участке ЗП из неоднородного грунта 6;

- низовые 7 и смешанные 8: начинают расти во 2й половине зимы. Встречаются на участках, где мощный слой старых балластных материалов.

 

Способы ликвидации вредного пучения:

- замена загрязненного песчаного балласта;

-осушение или ликвидация углублений ОП;

- мелиорация грунта (битумизация, силикатизация, цементация…);

- осушение грунта в зоне промерзания за счет устройства дренажей;

- замена пучинистого грунта на всю глубину пучинообразований крупнозернистым непучинистым грунтом;

- выведение зоны промерзания из зоны вредного пучения за счет устройства теплоизоляционных покрытий;

-надежное обеспечение стока поверхностных вод и планировка ОП.