Стабилизация основания и насыпи автомобильных дорог в условиях кружевного распространения многолетнемерзлых грунтов

1. Стабилизация основания и насыпи автомобильных дорог в условиях кружевного распространения многолетнемерзлых грунтов

СТАБИЛИЗАЦИЯ ОСНОВАНИЯ И НАСЫПИ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В УСЛОВИЯХ
КРУЖЕВНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ
МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
Докладчик: Игошин Михаил Евгеньевич
Руководитель: к.т.н., доцент Воронцов Вячеслав Викторович

2.

Цель исследования: исследование закономерностей деформирования ЗП на
многолетнемерзлых грунтах и
предложение мероприятий по укреплению
оснований и насыпей при их деформациях.
Задачи исследований:
• разработать способ усиления основания и насыпи земляного полотна при
реконструкции и капитальном ремонте локальных участков автомобильных
дорог на многолетнемерзлых грунтах без прекращения движения
автомобильного транспорта;
• реализация предлагаемого способа на деформированных участках
автодороги на многолетнемерзлых грунтах;
• математическое моделирование температурных полей и напряженнодеформированного состояния системы «земляное полотно – основание» с
сопоставлением полученных расчетами данных с результатами натурных
экспериментов.
2

3.

Научная новизна работы заключается в следующем:
• предложено конструктивно-технологическое решение усиления основания и насыпи земляного
полотна на локальных участках автомобильных дорог без прекращения движения
автомобильного транспорта, заключающееся в вертикальном размещении геосинтетического
материала в основании и откосной части насыпи автомобильной дороги с установкой
термостабилизаторов;
• экспериментально обоснована эффективность усиления основания и земляного полотна,
снижения деформации и устранения дефектов автомобильных дорог на многолетнемерзлых
грунтах;
• определены рациональные параметры конструктивного-технологического решения по
усилению основания и подоткосной части насыпи автомобильных дорог на многолетнемерзлых
грунтах.
Положения, выносимые на защиту:
• конструктивно-технологическое решение по усилению основания и насыпи земляного полотна
автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах при реконструкции и капитальном ремонте
без прекращения движения автомобильного транспорта;
• закономерности силового и температурного взаимодействия вертикально размещенного
армирующего геосинтетического материала, закрепляемого льдогрунтовыми массивами,
образованными работой термостабилизаторов, с основанием и откосной частью насыпи
автомобильной дороги;
• методика расчета напряженно-деформированного состояния и температурного режима
основания и подоткосной части насыпи земляного полотна для определения рациональных
параметров конструктивного решения.
3

4.

Типичные деформации земляного полотна при эксплуатации автомобильных
дорог
4

5.

Ежегодные циклические деформации (трещинообразование, проседание
дорожной одежды, механическая суффозия)
5

6.

Обследование экспериментального участка до устройства мероприятий по
стабилизации дефектов и перемещений покрытия 2012 г.
6

7.

Инженерно-геокриологические условия участка проложения автомобильной дороги
7

8.

+2
Температурный режим грунтов основания земляного полотна
Скважина
Скважина №259
№ 259
t °C
+1
0
-1
-2+2
Скважина
№ 260
Скважина
№260
t °C
+1
0
-1
-2
+2
Скважина № 246
+1
0
-1
t °C
-2
Скважина № 236
+3
+2
+1
0
-1
1.0
1.0
1.0
1.0
2.0
2.0
2.0
2.0
3.0
3.0
3.0
3.0
4.0
5.0
4.0
5.0
6.0
6.0
d,м
d,м
4.0
4.0
5.0
5.0
6.0
6.0
t °C
-2
Схема развития деформаци
Максимальные вертикальны
перемещения достигают 11 с
горизонтальные перемещен
достигают 19 см; вект
развития
горизонтальны
смещений направлен в сторон
непромерзающего водоема.
d,м
Графики температуры грунта по глубине на момент проведения инженерно-геологических изысканий:
t – температура в градусах Цельсия; h – глубина в метрах
8

9.

Показатели физических, теплофизических, прочностных и деформационных свойств грунтов
Показатели физико-механических свойств грунтов
№ ИГЭ
Н, м
1. Техногенный грунт песок
мелкий, влажный
1.02.3
2. Песок средний, влажный
3. Торф темно-коричневый,
насыщенный водой
5.Супесь коричневая
пластичномерзлая
6. Песок мелкий,
насыщенный водой
7. Песок средний
насыщенный водой
3.44.5
1.31.6
0.51.5
0.66.8
0.65.6
№ ИГЭ
Н, м
4. Торф пластичномерзлый,
льдистый
1.08.4
wtot,
д.ед.
φ, град
ρ, г/см3
ρs, г/см3
ρd, г/см3
e, д.ед.
Sr , д.ед.
с, МПа
E, МПа
0.20
29
1.64-1.89
2.65
1.58
0.68
0.15-0.75
0.003
25
0.29
34
1.68-2.00
2.65
1.60
0.66
0.20-0.85
0.000
30
0.69
7
1.2
1.4
0.4
2.5
0.4
0.006
3
0.33
18
1.7
2.68
1.22
1.19
0,88
0.014
7
0.29
29
1.96
2.66
1.52
0.75
1.00
0.000
18
0.28
36
2.04
2.65
1.62
0.66
1.00
0.001
30
Показатели физико-механических свойств грунтов
wtot,
д.ед.
φ, град
ρ, г/см3
ρs, г/см3
ρd, г/см3
e, д.ед.
Sr , д.ед.
Ath, д.ед.
E, МПа
1.55
29
0.95
1.45
0.48
2.02
1.11
0.33
100
Показатели теплофизических свойств грунтов
№ ИГЭ
1. Грунт земляного полотна
2. Техногенный грунт
3. Торф талый
4. Торф мерзлый
5. Супесь коричневая
6. Песок средней крупности
Н, м
2.0
0.15
1.2
1.6-3.1
0.15-2.54
12
λth,
кДж/мес*м*0С
2098.3
2444.04
2444.04
2444.04
4730.4
6570
λf,
кДж/мес*м*0С
5644.9
3652.92
3652.92
3652.92
4993.2
7174.44
Cth,
кДж /м3
2412
3780
3780
3780
3110
1840
Cf,
кДж /м3
2068
2730
2730
22730
2120
2480
Tbf, 0С
-0.2
-0.2
-0.2
-0.2
-0.2
-0.2
9

10.

Методы укрепления основания и насыпи для транспортных сооружений
Укрепление насыпей горизонтальными прослойками из
геосинтетического материала (I, II принципы)
Устройство насыпей с теплоизоляцией (I принцип)
Армогрунтовые конструкции:
а – армированная насыпь; б – нагельное крепление откосов; в – армированный контрбанкет:
1 – внутреннее армирование; 2 – откосное армирование; 3 – армирование основания; 4 – металлические нагели; 5 – поверхностное
укрепление (георешетки, плиты, торкретбетон); 6 – горизонтальное армирование; 7 – вертикальное армирование (бетонные микросваи)
10

11.

11

12.

Оценка температурного и напряженно-деформированного состояния
Граница оттаивания
12

13.

Конструктивное решение по стабилизации деформаций автомобильной дороги на ММГ
Воронцов В.В., Краев А.Н., Игошин М.Е.,
Ушаков А.Е. Автомобильная дорога на
многолетнемерзлых грунтах. Патент на
изобретение № 2551174 Е01С 3/00 опубл.
20.05.2015. Бюл. № 14.
13

14. Обследование и реализация конструктивного решения в практику

№
Название этапа
Год внедрения
1
Обследование участка автомобильной дороги с выполнением комплекса
инженерно-геокриологических изысканий
Октябрь 2012
2
Разработка конструктивно-технологического решения по стабилизации
земляного полотна и основания автомобильной дороги
3
Обоснование предложенного решения на техническом совете в дирекции
автомобильных дорог ЯНАО в г. Салехард
Ноябрь -декабрь
2012
Ноябрь 2012
4
Выполнение проектно-сметной документации на ремонт участка
автомобильной дороги «Сургут-Салехард» с разработкой тома по
геотехническому мониторингу
Ноябрь -декабрь
2012
5
Выполнение строительно-монтажных работ
Декабрь 2012 –
май 2013
Проведение геотехнического мониторинга
2013 – 2018
6
14

15.

Прогноз температурных полей во времени в программном комплексе Fem models
«Termoground»
Окончание зимнего периода первого года
эксплуатации
Начало осеннего периода второго года
эксплуатации
Окончание летнего периода первого года
эксплуатации
Окончание зимнего периода второго года
эксплуатации
15

16.

Сравнение результатов расчетных и экспериментальных значений температур грунтов
основания
16

17.

Численное моделирование НДС в программном комплексе Plaxis 3D
1. Техногенный грунт; 2. Песок средней крупности, влажный; 3. Торф насыщенный водой; 4. Торф
пластичномерзлый льдистый; 5. Супесь пластичномерзлая среднезаторфованная; 6. Песок мелкий с
прослоями торфа; 7. Песок средней крупности насыщенный водой.
17

18.

Численное моделирование НДС в программном комплексе Plaxis 3D
Естественное основание. Изолинии горизонтальных
перемещений.
Основание с льдогрунтовыми массивами. Изолинии
горизонтальных перемещений.
Основание с льдогрунтовыми массивами и
геосинтетическим материалом Геоспан ТН-80. Изолинии
горизонтальных перемещений.
18

19.

Численное моделирование НДС в программном комплексе Plaxis 3D и Fem models
Горизонтальные
перемещения, см
Вертикальные
перемещения, см
Общие
перемещения, см
Естественное основание
18,70
20,43
22,54
Основание с льдогрунтовыми
массивами
10,58
13,10
14,14
Основание с льдогрунтовыми
массивами и геосинтетическим
материалом Геоспан ТН-80
8,91
12,29
13,10
Вариант основания
19

20.

Технология армирования основания и конструкции земляного полотна на вечномерзлых грунтах с таликовой
20

21.

Размещение оборудования для термомеханического мониторинга существующей
автомобильной дороги.
Регистрирующая аппаратура
Термометрическая труба
Грунтовые марки
Месдозы
Термокоса
21

22.

Схема расположения термометрических скважин
22

23.

Общий вид грунтовой марки
Заполнение скважины сухим песком
Внедрение грунтовой марки
Размещение датчика перемещения в защитном кожухе
23

24.

Месдоза перед сборкой
Погружение вертикальных месдоз
Измеритель деформаций ИТЦ-03пм-40-6рк, плата для
подключения месдоз
Погружение горизонтальных месдоз
24

25.

Общий вид экспериментального участка
25

26.

Динамика развития деформаций на проезжей части автомобильной дороги.
26

27.

Динамика развития деформаций на проезжей части автомобильной дороги.
Экспериментальный участок без внедрения
конструктивных решений
2014 г. (в летний период был выполнен
2015 г.
ремонт покрытия)
2016 г. (в летний период был выполнен
ремонт покрытия)
27

28.

Изолинии температуры, полученные по результатам наблюдений температурного режима
основания и насыпи земляного полотна, и расчетные значения температуры грунтов
Экспериментальные значения температур грунта: слева - на конец холодного периода (март);
справа - на конец теплого периода (сентябрь)
Расчетная область образования льдогрунтового массива после трех лет эксплуатации
термостабилизаторов грунта
28

29.

Изолинии вертикальных перемещений, мм:
Окончание летнего периода 1-й год
эксплуатации
Окончание зимнего периода 1-й год
эксплуатации
Окончание летнего периода 2-й год
эксплуатации
Окончание зимнего периода 2-й год
эксплуатации
Окончание летнего периода 3-й год
эксплуатации
29

30.

Уточнение коэффициентов для температурной модели в программном комплексе Fem mode
«Termoground»
2T 2T 2T
T
Cth(f )
th(f ) 2 2 2 q V
t
y
z
x
Ww K wW p
Kw
a b T
1 c T d T 2
Wwf b exp c v Wwf b exp c v (1 ZW L )
f
df
Значение коэффициентов a, b, c, d
Наименование грунта
Торф и заторфованные грунты
a
b
c
d
1.9664329
-5.1234621
-15.943694
0.54780534
Значение коэффициентов a, b, c в зависимости от скорости промерзания V
Наименование грунта
Торф и заторфованные грунты
Скорость, V
b
c
м/сутки
0.1581
-13.642
м/декада
0.1581
-1.3642
м/месяц,
0.1581
-0.4485
30

31.

Разработка технико-экономического обоснования для определения рациональных параметро
конструктивного решения
Максимальные деформации, мм за год
Расстояние между
термостабилизаторам
и вдоль оси трассы, м
Ширина
раскрытия
трещины, мм
Усилие в геоматериале, кН
1
3.1
28
2
6.4
3
Коэффициент
устойчивости
1
2
3
1.96
14
2
1
34
1.84
18
5
3
11.5
94
1.42
21
10
7
4
18.7
164
1.39
24
17
10
5
17.9
276
1.31
29
16
10
6
18.3
529
1.24
35
17
10
7
22.4
615
1.21
38
21
10
8
30.6
893
0.98
54
29
20
9
37.8
1260
0.95
61
36
27
31

32.

Технико-экономические показатели существующей конструкции
Наименование работ
Затраты, тыс. руб. год эксплуатации
1
2
3
4
Содержание
300
300
300
300
Ремонт
3800
3800
3800
3800
Итого
16400
Сроки окупаемости вложенных инвестиций
Варианты
Дорожная конструкция с использованием I принципа
проектирования
Приведенная интенсивность,
Окупаемость вложенных
авт./сут.
инвестиций, год
3500
6,29
3500
3,04
3500
2,1
Дорожная конструкция с использованием II
принципа проектирования с вертикальным
армированием
Дорожная конструкция с использованием II
принципа проектирования с вертикальным
армированием и термостабилизацией
(термоармирование)
Дорожная конструкция с использованием II
принципа проектирования
3500
7,63
32

33.

Выводы:
1. Разработан способ усиления основания и насыпи земляного полотна при реконструкции и капитальном ремонте локальных участков
автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах без прекращения движения автомобильного транспорта, заключающийся в
вертикальном размещении армирующего геосинтетического материала в основании и откосной части земляного полотна, закрепляемого
льдогрунтовыми массивами.
2 На основании численного моделирования НДС и температурного режима грунтов основания и земляного полотна автомобильной
дороги с применением предложенного конструктивного решения отмечены следующие результаты:
- расчетные значения горизонтальных перемещений по результатам мониторинга и численного моделирования на участке
автомобильной дороги до внедрения конструктивного решения составили 18 см;
- предложенные мероприятия по стабилизации деформаций конструкции земляного полотна и основания автомобильной дороги привели
к снижению горизонтальных перемещений на 15% и составили 8,91 см, что соответствует результатам натурных наблюдений;
- результаты расчета и измерений температур идентичны. Максимальное расхождение расчетных и измеренных температур составило от
0.01 до 1.350С, приурочено к участкам пиковых значений температуры;
- по результатам расчетов установлено, что после первого года эксплуатации автомобильной дороги с предложенным конструктивным
решением образуется сплошной ледопородный массив, представляющий своеобразную подпорную стенку для обеспечения
устойчивости откосов и основания насыпи, работающий всесезонно. Диаметр мерзлого грунта в подоткосной части основания насыпи
земляного полотна после первого года эксплуатации термостабилизаторов составляет около 3.6 м.
4. Разработана технология устройства конструктивного решения
прекращения движения автомобильного транспорта.
в рамках капитального ремонта автомобильной дороги без
3. В результате проведенного экономического сравнения выявлено, что устройство предлагаемого конструктивного решения снижает
затраты на содержание и ремонт автомобильной дороги до 20% за пятилетний период с учетом затрат на выполнение работ по
геотехническому мониторингу.
4. В результате расчета НДС конструкции автомобильной дороги, рекомендуемым расстоянием между термостабилизаторами,
предлагается принимать не более 7 м.
33

34.

Спасибо за внимание!
34