Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Экспресс изыскания и анализ оползневого деформирования железнодорожной насыпи.

Казеев А.И., Постоев Г.П., Леоненко А.М., Леоненко М.В., Борзенков А.В. // Сергеевские чтения. Выпуск 15. Матер. годич. сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. –М.: РУДН, 2013. –С. 139-144. Читать…

!!! При КОПИРОВАНИИ материалов статей — НЕОБХОДИМО ИСПОЛЬЗОВАТЬ библиографические ССЫЛКИ на Статьи !!!

Надлежащее содержание транспортных сооружений является одним из основных факторов устойчивого функционирования промышленного комплекса РФ. Своевременная и компетентная оценка периодически возникающих угроз на участках развития опасных геологических процессов способствует проведению адекватных угрозе мероприятий и сохранению условий для устойчивого развития территорий («sustainable development of terrains») [1].

В октябре 2012 на участке железной дороги Москва – Казань (657 км) деформация насыпи привела к приостановке движения, а затем (в период проведения первичных работ по повышению устойчивости полотна) к ограничению движения.

Ранее весной 2012 года на рассматриваемом участке была обнаружена просадка железнодорожного пути на 20 мм, а в теле насыпи отмечено образование продольной трещины протяжением 25 м со смещением в сторону откоса и амплитудой оседания низовой стороны до 20 см (рис.1). Для выправки пути путейцами была произведена досыпка балластной призмы и обочины земляного полотна. Вдоль основания насыпи была устроена берма из местного грунта.

Осенью 2012 года зафиксирована просадка пути протяжением около 50 м. Кроме того, отмечены трещины на обочине, а на откосе насыпи была обнаружена поперечная трещина длиной 4 м. Выявлены 3 очага-сплыва на откосе старого балласта, представленного загрязненной песчано-гравийной смесью.

В начале октября 2012 года была завершена отсыпка песчаного контрбанкета с бермой. Однако спустя некоторое время начались новые просадки пути и 7.10.12 произошла подвижка насыпи под рельсошпальной решеткой с образованием трещины в междупутьи с вертикальной стенкой высотой до 30 см. Под насыпью, у подошвы возник язык представленный водонасыщенными грунтовыми массами. Смещением нижней части откоса насыпи был разрушен портал водопропускной трубы.

После проведения первоочередных мероприятий по созданию бермы, контрбанкета и рельсо-шпальной подпорной стенки, а также дренажной прорези в оползневом теле развитие деформации практически прекратилось.

Для установления причин деформаций в экспресс-режиме был выполнен комплекс геологических и геофизических исследований (рис.1).

Оползень на железной дороге в Канаше Рис-1_КФМ_чб-2

Рис. 1.Схема участка работ и оползневых деформаций.

Геофизические работы осуществлялись методом вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) и методом преломленных волн (МПВ) с целью литологического расчленения разреза до глубины 20 – 25 метров и установления зон ослабленных грунтов в теле насыпи. Несмотря на достаточно сложный (малоконтрастный по физическим свойствам) для геофизических методов разрез эти задачи были успешно решены. В районе оползневой подвижки (у скважины 13) выделена по снижению ее прочностных свойств зона деструктурированных грунтов (рис.2).

Инженерно-геологическими работами было проведено литолого-стратиграфическое расчленение разреза (рис.2), выделение водоносных прослоев в толще юрских отложений и определение физико-механических свойств грунтов.

Земляное полотно с водопропускной трубой на рассматриваемом участке представлено грунтовой насыпью, высотой до 15 м. Насыпь пересекает овраг с постоянным водотоком в тальвеге.

Оползень на железной дороге в Канаше Рис-2_Разрез чб-2

Рис.2. Геолого-геофизический разрез по линии II – II.

В геологическом строении участка до глубины 20м принимают участие техногенные (tIV) и оползневые образования (dpIV), средне-верхнечетвертичные отложения (edII-III), а также глины келловейского яруса среднего отдела юры (J2k).

Гидрогеологические условия участка характеризуется наличием водоносного горизонта, приуроченного к толще юрских глин. Горизонт напорный. Величина напора при вскрытии достигает 3-9 м.

Таким образом, проведенными исследованиями были получены исходные данные для выявления причин и механизма возникновения и развития деформаций земляного полотна

Проведенный анализ показал, что одним из наиболее существенных факторов оказывающих влияние на устойчивость насыпи являются насыпные глинистые грунты, представляющие основной массив земляного полотна. Они находятся во влажном состоянии (степень влажности — единица) практически с поверхности.

Следует также учитывать длительный период существования земляного полотна находящегося под постоянной статической и динамической нагрузкой от поездного состава. Каждая конструкция, в том числе и грунтовые массивы, имеет свой ресурс прочности и устойчивости. В процессе долговременной эксплуатации насыпи ее ресурс снижается, в частности и от уменьшения фильтрационной способности грунтов посредством кольматации пор сносом пылеватых частиц с верхних горизонтов насыпи. Кроме того, глинистый насыпной грунт согласно данным инженерно-геологических изысканий, имея расчетные характеристики φ=15,8° и С=24 МПа, находится под нагрузкой, превышающей его прочность как материала.

Как дополнительный фактор следует учитывать, что участок земляного полотна располагается на кривой радиусом 600 м. При прохождении поездов, особенно тяжеловесных составов, возникает центробежная сила. При этом её воздействие в направлении деформируемого откоса, сопровождается значительной вибрацией. Учитывая периодическую дополнительную поездную нагрузку, в грунтовой толще происходило накопление микросдвигов (раздавливание) грунтов под предельным давлением и подготовка образования магистральной трещины – поверхности скольжения оползневого массива.

Нарушение устойчивости насыпи способствует направление фильтрации грунтовых вод в сторону падения откоса, т. е. создавая гидродинамическое давление как составляющую сдвигающих сил. Водопропускная труба производит сброс вод ручья, текущего по тальвегу оврага и одновременно служит подпором грунтовых вод, выдавливаемых из насыпи под бытовым и техногенным давлениями.

Были проведены расчеты устойчивости склона как в исходном его состоянии так и последующего проведения защитных мероприятий. Использован программный комплекс GeoStab (8 вариантов расчета) и методика, разработанная в ИГЭ РАН [3, 4], в которой производится сопоставление предельного и фактического состояний грунтового массива (7 вариантов).

В расчетах учтены все возможные факторы, оказывающие влияние на устойчивость насыпи. В результате установлено, что основными причинами нарушения устойчивости земляного полотна на участке являются:

  • предельная устойчивость левого откоса на момент начала деформирования;
  • наличие водонасыщенных насыпных глинистых грунтов, находящихся под вертикальной (раздавливающей) нагрузкой, превышающей их прочность;
  • отсутствие условий дренирования грунтовых вод из нижних горизонтов насыпи, вследствие чего возникает повышение порового давления и снижение несущих свойств грунтов;
  • действие центробежной силы от движения тяжеловесных поездов по кривой радиусом 616 м, вызывая периодически дополнительную сдвигающую силу с отклонением вектора от оси оползня к левому его борту;
  • вибрационное воздействие от движения поездов, понижающее ресурс прочности грунтового массива, особенно в условиях затрудненной фильтрации грунтовых вод.

Проведенные расчеты устойчивости показали, что сооружение нижней бермы, а также другие первоочередные мероприятия по предотвращению деформаций левого откоса выполненные в первые дни после аварийной ситуации, оказались эффективным и своевременным защитным средством. Устойчивость и удерживающие функции двух берм значительно повысились.

Для сохранения устойчивости сооружения в дальнейшем целесообразно дополнительно предусмотреть дренирование грунтовых вод с целью устранения условий для повышения порового давления. Для этого водопропускную трубу преобразовать в дренажную путем сооружения отверстий в ее стенках и установки перфорированных труб. Это позволит устранить подпор грунтовых вод у стенок трубы, направить поток фильтрации перпендикулярно вектору оползневого смещения и обеспечить постоянный процесс осушения глинистых грунтов, что повышает их прочность и устраняет влияние порового давления.

Удерживающие (подпорные) функции существующих в настоящее время контрфорсных массивов берм целесообразно усилить, применив шпунт Ларсена, а также путем изменения очертания бровки берм. В пределах границ оползневого очага вместо единой бермы создаются несколько контрфорсных массивов. В этом случае локальная устойчивость массивов берм за счет пространственного эффекта, может быть повышена в 1,5 раза и более.

 Литература

1. Доклад подготовленный Международной комиссией по окружающей среде и развитию для ООН в 1987 г.

2. Голицин Г.С. Парниковый эффект и изменения климата// Природа. 1990. N 7, с. 17-24

3. Постоев Г.П. Закономерности гравитационного деформирования грунтовых массивов // Геоэкология. 2009. № 6. С. 534-543.

4. Постоев Г.П., Казеев А.И. Патент на изобретение № 2413056. Способ укрепления оползнеопасного массива склона. 2009.