Деформации, повреждения и разрушения земляного полотна

Земляное полотно является долговременным сооружением, состояние которого зависит от многих факторов и изменяется во времени. В дли­тельно эксплуатируемых конструкциях земляного полотна возникают дефекты и деформации.

Дефектами считают отступления геометрических размеров сооруже­ний земляного полотна от размеров, установленных нормативными до­кументами.

Деформациями земляного полотна считают изменения его первона­чальной формы, размеров и литологического строения, вызванные не­благоприятными воздействиями природных и антропогенных факторов, несоответствием конструкции и мощности верхнего строения пути экс­плуатационным условиям.

Дефекты и деформации земляного полотна по мере их развития мо­гут приводить к ограничениям скоростей движения поездов, наруше­нию графика движения поездов и создавать угрозу для безопасности движения.

Классификация основных дефектов и деформаций земляного полот­на представлена структурной схемой (рис. 1.87).

Деформации, повреждения и разрушения земляного полотна клас­сифицируют по пяти основным группам: I — повреждения и деформа­ции основной площадки земляного полотна; II — повреждения откосов земляного полотна; III — повреждения и разрушения тела земляного полотна; IV — повреждения и разрушения основания земляного полот­на; V— повреждения и разрушения земляного полотна, подверженного неблагоприятным природным воздействиям.

Деформации земляного полотна — упругие или остаточные измене­ния формы или размеров земляного полотна (отдельных его частей), снижающие эксплуатационные качества железнодорожного пути.

Повреждения — местные нарушения элементов земляного полотна при сохранении общей его целостности.

Разрушения земляного полотна — нарушение целостности сооруже­ния оползнями, провалами, размывом и т.п.

Процессы, ведущие к появлению не предусмотренных проектом де­формаций земляного полотна, иногда называют его «болезнями».

Протяженность деформированного земляного полотна в % от общей про­тяженности отечественных железных дорог (2001) приведена на рис. 1.88.

Деформации основной площадки. Балластные шлейфы

Деформации основной площадки земляного полотна различают в виде балластных корыт, балластных лож и балластных мешков (рис. 1.89). Углубления в основной площадке, наполненные водой, бывают причи­ной возникновения пучин, просадок и сдвижек пути, выплесков и даже сплывов откосов. Скопление воды в теле земляного полотна в виде пе­ренасыщенных водой грунтов называют водяным мешком.

Балластное корыто — деформация основной площадки земляного полотна в глинистых грунтах в виде замкнутого углубления под шпа­лой, заполненного загрязненным балластом (рис. 1.90). Чаще всего эти повреждения развиваются при недостаточной толщине балластного слоя, недостаточном уплотнении грунтов основной площадки, а также в случае нарушения отводов основной площадки.

Балластные корыта могут развиваться из-за переувлажнения грун­тов основной площадки, загрязненности балласта, засорения водоот­водов, накопления на обочинах старого загрязненного балласта после производства путевых работ и т.п.

Балластное ложе — протяжен­ное вдоль пути и замкнутое под рядом шпал углубление в основ­ной площадке земляного полотна, достигающее глубины 1,5—2,0 м (рис. 1.91). Балластные ложа мо­гут образоваться в случае недо­статочной плотности и слабой несущей способности грунта ос­новной площадки.Балластные мешки — замкну­тые глубокие вдавленности бал­ласта в грунты насыпей, доходя­щие в отдельных случаях до основания насыпи (рис. 1.92). Мешки возникают в отдельных местах при разнородных грунтах и разной степени их уплотнения.

Балластные ложа и мешки иногда имеют углубления, которые называют балластными гнездами.

Балластное гнездо — деформа­ция основной площадки земля­ного полотна причудливой фор­мы с одним или несколькими бал­ластными карманами — отростка­ми, в которые балласт вдавливается наиболее интенсивно (рис. 1.93).

Отличительными признаками, указывающими на наличие по­вреждений основной площадки, являются просадки пути, перекосы, требующие частого исправления пути, разжижения и выплески бал­ласта, трещины на поверхности балластного слоя, образование на откосах потеков грунта и т.п.

Способы усиления основной площадки земляного полотна включают:

• планировку и уплотнение грунтов основной площадки;
• устройство под балластной призмой защитного слоя из дренирую­щих грунтов (при глинистых грунтах повышенной влажности);
• укладку на основной площадке под защитным слоем геотекстиль- ных материалов;
• укладку теплоизоляционных материалов (пенопласты, шлаки, торф), предотвращающих деформации морозного пучения;
• отвод поверхностных и подземных вод от земляного полотна;
• укладку в отдельных случаях на основную площадку покрытия из бетонных или железобетонных плит.

Такие работы производятся на основании комплексного обследова­ния участка пути при проведении усиленного капитального ремонта пути.

Для лечения основной площадки земляного полотна применяют син­тетические материалы. В районах с сезонным промерзанием грунта для тепловой изоляции применяют пенопласты, располагаемые на глубине не менее 0,4 м ниже подошвы шпал. При укладке пенопласта в составе капитальных ремонтных работ с использованием машин для глубокой очистки балласта щебень располагают на плитах пенопласта без защит­ного слоя.

При выполнении работ со снятием путевой решетки применяют пено­пласт с пределом прочности не менее 50 Н/см² и поверх пенопласта укла­дывают защитный слой из песка или щебня с размером частиц 10—25 см.

Для устранения расстройств пути на участках земляного полотна с де­формациями основной площадки применяют покрытия из нетканого материала. Нетканые синтетические материалы — текстильные материа­лы, изготавливаемые из натуральных и химических волокон без примене­ния методов ткачества. Производство нетканых материалов основано на закреплении отдельных волокон: прошиванием волокнистого холста пря­жей (вязально-прошивные материалы), свойлачиванием волокнистой мас­сы и прокалыванием холста иглами с зазубринами (иглопробивные мате­риалы), проклеиванием волокнистого холста связующими (клееные мате­риалы). Нетканые материалы укладываются на поверхности земляного полотна или под подошвой насыпи с целью создания дренирующих, арми­рующих или капилляропрерывающих прослоек. При глубине балластных корыт и балластных лож менее 0,5 м по­крытие из нетканого материала размещают на всю ширину земляно­го полотна на глубину не менее 0,4 м ниже подошвы шпал с уклоном нс менее 0,04 в полевую сторону. При использовании в балластном слое щебня фракции 25—60 мм на нетканый материал укладывают слой пес­ка или щебня фракций 10—25 мм толщиной 5—10 см.

При глубине балластных лож и корыт более 0,5 м применяют комби­нированное покрытие из нетканого материала и гидроизоляционной пленки, размещаемой между двумя слоями нетканого материала.

Способы устранения деформаций земляного полотна зависят от вида деформации и повреждения основной площадки земляного полотна:

• балластные корыта, ложа, мешки и гнезда устраняют односторонней или двусторонней срезкой грунта ниже дна корыт и лож с заменой его дре­нирующим грунтом; планировкой основной площадки для устранения за­стоя воды на ее поверхности, нагнетанием в балластные мешки и гнезда вяжущих растворов для прекращения доступа воды, подъемкой пути на балласт с целью увеличения его толщины; выпуском воды из шлейфов, усилением насыпей армогрунтовыми удерживающими сооружениями;
• весенние пучинные просадки и пучины устраняют подъемкой пути на балласт; устройством противопучинных подушек, ликвидацией бал­ластных корыт и лож с вырезкой переувлажненного грунта основной площадки и заменой его балластом, с помощью осушения грунтов от­крытым и закрытым дренажами, срезкой обочин, препятствующих сто­ку воды из балластного слоя;
• повреждения откосов — укреплением откосов травосеянием, одер- новкой; планировкой откосов с последующим покрытием их дрениру­ющими грунтами толщиной не менее 0,5 м, уположением откосов, уст­ройством разделительных берм, устройством откосных дренажей, закю- ветных полок; присыпкой берм или контрбанкетов, защитой от осыпей и обвалов террасированием откосов, устройством улавливающих тран­шей и полок у основания неустойчивого откоса и др.

В зависимости от конфигурации основной площадки, поврежден­ной балластными корытами и ложами, производят или срезку только бортов, или полную двустороннюю вырезку с заменой грунта основной площадки дренирующим грунтом (рис. 1.94). В отдельных случаях мо­жет быть достаточной односторонняя срезка борта. Борта балластных корыт и лож срезают на глубину не менее 0,15—0,2 м ниже дна с расче­том полного выпуска воды. Балластные ложа, балластные гнезда и мешки осушают и устройством поперечных прорезей с заполнением их дрени­рующим грунтом (рис. 1.95). В качестве заполнителя применяют круп­нозернистый песок.

Поперечные дренажные проре­зи закладывают на глубину не ме­нее чем на 0,2 м ниже дна ложа, мешка или гнезда. Если грунты ниже дна насыщены водой, то прорези закладывают на глуби­ну не менее 0,2 м ниже слоя грун­тов с повышенной влажностью. Для отвода воды из поперечных дренажных прорезей их дну при­дают уклон в насыпях не менее 0,1, а в выемках 0,05.

Из поперечных дренажных прорезей однопутных участков

воду выпускают в сторону, противоположную ожидаемой присыпки вто­рого пути: в насыпях — на откос насыпи; в выемках — в водоотводные сооружения (углубленные кюветы, лотки, подкюветные дренажи).

Балластные шлейфы образуются при выбрасывании на откосы насы­пей старого загрязненного балласта при проведении капитальных путе­вых работ. Шлейфы покрывают откосы от трети до полной высоты на­сыпи, имеют откосы от 1:1 до 1:1,5. Накапливающаяся в балластных шлейфах вода увлажняет контактные поверхности с глинистыми грун­тами и способствует развитию дефектов земляного полотна.

Пучины. Предотвращение и методы ликвидации

Одним из наиболее распространенных видов деформаций основной площадки земляного полотна является пучина.

Пучение грунта представляет собой общее или местное поднятие зем­ной поверхности в результате промерзания грунта и увеличения в объе­ме замерзающей в нем воды. Пучащими грунтами являются суглинки, глины, супеси, мелкозернистые глинистые грунты. В отдельных местах равномерное вспучивание грунта нарушается из-за возможных разли­чий в форме основной площадки земляного полотна, различий в лито­логическом составе грунтов, гидрологическом режиме, в толщине бал­ластного слоя, в толщине снежного покрова и т.п. Эта неравномерность называется пучиной.

Пучины земляного полотна — деформации, образующиеся при сезон­ном промерзании и оттаивании подбалластной зоны из увлажненных пучинистых глинистых грунтов и проявляющиеся в неравномерном поднятии и опускании основной площадки земляного полотна и рель­совых нитей.

Пучины земляного полотна возникают из-за неоднородности или различной увлажненности промерзающих грунтов, наличия бессточных неровностей на основной площадке земляного полотна, близкого зале­гания грунтовых вод и др.

По характеру искажения положения рельсовых нитей пучины раз­деляют на прямые (искажения на одном месте пути по обеим нитям), косые (искажения на одной нити сдвинуто относительно искажения на другой), перекосные и односторонние (искажения только по одной рельсовой нити).

В результате пучения промерзающего балластного слоя возникают балластные пучины, в результате пучения грунтов земляного полотна — грунтовые пучины, проявляющиеся в виде горбов, впадин и перепадов (рис. 1.96).

Причиной возникновения балластных пучин является скопление воды в балластном слое из-за загрязненности, наличия грязевых углуб­лений на контакте щебеночного и песчаного слоев балласта, загрязнен­ности песчаной подушки, завышенной обочины из загрязненных мате­риалов, препятствующей выходу воды из балластного слоя. Балластные пучины возникают в первой половине зимы; глубина (высота) их около 50 мм; в начале весны пучины быстро спадают.

Балластные пучины ликвидируют срезкой обочин для отвода воды из балластного слоя (рис. 1.97), очисткой щебня с удалением грязевых корыт, устранением неровностей основной площадки, срезкой обочин.

Грунтовые пучины разделяют на три вида:

• I — пучины, возникающие при промерзании грунтов верхней части земляного полотна после промерзания балластного слоя и растущие в пер­вой половине зимы, характерны для участков пути, где грунты основной площадки переувлажняются из-за наличия балластных корыт, лож и др.;
• II — пучины, образующиеся при промерзании грунтов всей замер­зающей зоны и растущие до конца зимы;
• III — пучины, проявляющиеся при промерзании нижней части замер­зающей зоны и растущие во второй половине зимы, характерны для участков, где под балластной призмой залегают тонкодисперсные глинистые и суглинистые грунты земляного полотна или залегает толща старых заг­рязненных балластных материалов.

Причиной появления грунтовых пучин является замерзание воды в суг­линках, глинах, супесях, пылеватых мелких песках. В процессе промер­зания влажность таких грунтов повышается за счет поступающей снизу воды. Грунтовые пучины появляются преимущественно в выемках и нулевых местах, когда балластный слой уже замерз и начинают замер­зать грунты земляного полотна. Грунтовые пучины продолжают увели­чиваться до тех пор, пока растет глубина промерзания грунта.

В замерзшем грунте в местах пучения в конце зимы появляются прослойки и линзы льда толщиной от долей миллиметра до нескольких сантиметров.

Грунтовые пучины достигают высоты 10—15 см, а в отдельных слу­чаях — 20 см и более, их высота тем больше, чем медленнее происходит промерзание грунта на полную глубину. В конце весны или начале лета грунтовые пучины быстро спадают. В конце весны или начале лета, когда быстро спадают грунтовые пу­чины, возникают весенние пучинные просадки (рис. 1.98), сопровождающиеся на участках с большим пучением (40—50 мм) интенсивным на­растанием местных искажений очертаний рельсовых нитей в продоль­ном и поперечном направлении. Опознавательными признаками весен­них пучинных просадок являются просадки рельсовых нитей, частые нарушения положения рельсовых нитей в плане и профиле, выжима­ние воды, а также выплески разжиженного грунта у концов шпал, иног­да на обочинах и в междупутье.

Поскольку главная причина возникновения грунтовых пучин — сочетание пучинистого грунта с грунтовой водой в зоне промер­зания, то и способы ликвидации грунтовых пучин подразделяют на три группы.

Первая группа способов предус­матривает вывод пучинистого грун­та, расположенного под основной площадкой земляного полотна, из зоны промерзания (рис. 1.99).

Для этого путь поднимают или на балласт (рис. 1.100), или на противопучинную подушку, а потом на балласт. В этом случае можно сохранить существующий балластный слой и механизиро­вать работы по ликвидации пу­чин. Подъемка пути на балласт как противопучинное мероприя­тие применяется довольно часто, так как производство работ пол­ностью механизировано.

Толщину подушки и высоту подъемки принимают так, чтобы грунт под ними не выпучивался.

Подушка противопучинная — вид теплоизолирующего покры­тия, применяемого для предотвра­щения промерзания пучинистых грунтов.

Различают накладные (рис. 1.101), врезные (рис. 1.102) и комбинированные подушки (рис. 1.103) из непучинистых грунтов или теплоизолирующих материалов.

Накладные подушки осуществляют подъемкой путевой решетки сна­чала на материал подушки, а затем на балласт. Накладные подушки из теп­лоизолирующего материала устраивают в местах, где невозможно или эко­номически не выгодно сделать достаточной высоты подъемку на балласт.

Врезные подушки устраивают заменой пучинистого грунта непуча­щими материалами с устройством сопряжений в продольном направле­нии и сохранением существующих отметок рельсов. Комбинированные противопучинные подушки устраивают частичной заменой пучинисто­го грунта (врезная часть) и подъемкой пути на материал подушки (на­кладная часть) и балласт (или только на балласт).

Ширину подушки определяют в зависимости от геометрических раз­меров земляного полотна и балластного слоя в поперечном сечении, а также из условия недопущения бокового промерзания грунта. Тол­щину подушек определяют с учетом теплофизических свойств мате­риала подушки. В продольном профиле противопучинные подушки сопрягают с грунтом земляного полотна так, как показано на рис. 1.104.

Сопряжение устраивают таким образом, чтобы зимой отводы I, %о головки рельса на его протяжении имели бы уклон, не превышающий при установленной скорости И, км/ч приведенных в табл. 1.10 значений.

Отвод воды (выпуск) из врезных подушек может быть в лотки и дре­нажи (в выемках), на откосы в насыпях (рис. 1.105).Вторая группа способов ликвидации грунтовых пучин связана с осу­шением пучащих грунтов. Осушение грунтов осуществляют или перехватом дренажными соору­жениями водоносного го­ризонта, питающего грун­ты, или понижением уров­ня грунтовых вод с помо­щью вывода капиллярной воды из зоны промерзания. При этом используются под­кюветные или закюветные дренажи.

Третья группа способов ликвидации пучин включает в себя замену пучинистого грунта дренирующим грун­том (рис. 1.106). Эффектив­ным способом предотвраще­ния пучин, а также предуп­реждения неравномерной осадки вспученного грунта весной, сопровождаемой иногда разжижением грун­тов и пучинными выплеска­ми, является укладка в путь противопучинных пенопла­стовых покрытий — защит­ных покрытий основной площадки земляного полот­на железнодорожного пути с целью теплоизоляции грун­тов и предотвращения пу­чин земляного полотна.

Пенопласт представляет собой материал с системой не сообщаю­щихся между собой ячеек (пор), содержащих газ. Жесткие пенопласты в форме плит (см. табл. 1.9), изготовленные по прессовому методу, ук­ладывают во всех гидрогеологических и климатических условиях. Пе­нопласты, изготовленные по беспрессовому методу (ПСБ и ПСБ-С), применяются в районах сезонного промерзания при залегании грунто­вых вод на глубине в 1,5 раза большей глубины промерзания.

Пенопласт располагают на глубине не менее 0,4 м ниже подошвы шпал с поперечным уклоном 0,04 в полевую сторону. Допускают уклад­ку щебня непосредственно на пенопласт. Минимальная ширина покры­тия — 4м под один путь, минимальная толщина покрытия — 0,04 м. Обязательной является срезка обочин земляного полотна до уровня пе­нопласта с целью обеспечения отвода воды из балластного слоя.

Повреждения откосов земляного полотна

Наиболее распространенными являются сплыви откосов насыпей и вы­емок, смыв материала откоса, вывалы отдельных камней и скальных обломков, обвалы.

Сплывы откосов насыпей и выемок — глубокие деформации откосов на глубину 2—3 м и более, характерные для сравнительно «молодого» земляного полотна, а также для «старых» насыпей с сильно развитыми балластными мешками с карманами. Основной причиной сплывов яв­ляется избыточное увлажнение грунтов откосов, приводящее к резко­му снижению сопротивления грунта сдвигу. Опознавательными при­знаками на ранней стадии развития сплыва откоса являются корот­кие трещины на поверхности и у бровки откоса, а также выпирание грунта у основания откоса и вздутие поверхности откоса.

Сплывы откосов выемок нарушают нормальную работу кюветов, способствуют накоплению в них воды и увлажнению основной площад­ки. Основным видом укрепления откосов для предупреждения сплыва и других деформаций является посев трав. В сложных случаях прибега­ют к увеличенным нормам высева трав или укладке на откосы слоев ра­стительного грунта большей толщины.

Для предотвращения сплывов, связанных с сезонным промерзани­ем и оттаиванием грунта, откосы выемок специально укрепляют, осо­бенно в переувлажненных пылеватых грунтах. Тип укрепления устанав­ливают в зависимости от глубины выемки, вида и состояния слагающе­го ее грунта, характера возможных деформаций и т.п. При большой влаж­ности грунтов на откосах укладывают теплоизолирующие постоянные или временные покрытия. Временные покрытия применяют при посадке кустарников (комбинированный способ укрепления откосов). Цель вре­менных покрытий — укрепить откосы дна за время прорастания кус­тарника. Применяют также уположение откосов до крутизны, предуп­реждающей возникновение сплывов.
Защитные покрытия из теп­лоизолирующих материалов ус­траивают по всей поверхности откоса, начиная от его подошвы до уровня ниже верхней бровки откоса на 1,5—2,0 м. Толщину постоянных и временных по­крытий определяют на основа­нии теплотехнических расчетов. Откосы можно укреплять и шла­когрунтобетоном (рис. 1.107).

Появление трещин на обо­чине, бугров на откосе и ув­лажненных складок в нижней части откоса насыпи указыва­ет на возможность оползания откосов насыпи.

Оползание откосов — разрушение откосов земляного полотна под действием грунтовых вод при наклонном расположении водоносных слоев. Для защиты от оползания при наличии балластных шлейфов про­изводят срезку шлейфа, нарезку уступов на глиняном ядре и отсыпку откосной части местным грунтом (рис. 1.108).

Вывалы отдельных камней, а также шелушение поверхности свой­ственны откосам, разработанным в легковыветривающихся скальных породах. Вывалы камней с высоких откосов могут повлечь за собой дру­гие неустойчивые камни и вызвать обвал.

Мероприятия по предотвращению и ликвидации последствий выва­лов включают укрепление неустойчивых участков скальных откосов под­держивающими и подпорными стенами (рис. 1.109), а также устройство улавливающих сооружений (рис. 1.110).

Повреждения и разрушения тела, и основания земляного полотна

Повреждения и разрушения тела земляного полотна могут’ происходить при сооружении насыпей из переувлажненных глинистых грунтов, а в зим­нее время из грунтов с повышенным содержанием мерзлых комьев и льда; из-за недостаточного уплотнения фунтов при отсыпке земляного полот­на, накопления влаги в балластных мешках и ложах; из-за наклонно рас­положенных и разжиженных верхних слоев грунта в основании насыпи. Насыпь может осесть и из-за уплотнения слагающих ее грунтов.

Оседание земляного полотна — опускание его основной площадки, выз­ванное недостаточной плотностью тела земляного полотна и/или подат­ливостью основания. Опознавательными признаками расползания насы­пи может служить постепенная просадка рельсовых нитей и основной площадки земляного полотна, искажение очертаний откосов и обочин; уменьшение высоты насыпи и увеличение ее ширины у основания.

Мероприятия по восстановлению и усилению насыпи включают подъемку пути и уположение откосов насыпи с использованием дрени­рующих или балластных материалов (рис. 1.111), устройство одно- или двухсторонних контрбанкетов, осушение тела насыпи, инъецирование в него вяжущих материалов.

Повреждения и разрушения основания земляного полотна могут про­исходить из-за уплотнения грунтов основания, оседания слабого осно­вания (болота, ил), вызванного процессами осушения, подъема уровня грунтовых вод в основаниях из лессовидных грунтов, т.е. из-за слабости самого основания. При выпирании грунтов основания проектируют присыпку пригрузочных берм (рис. 1.112), а при переувлажнении грун­тов — устройство ограждающих дренажей для понижения уровня грун­товых вод.

Разрушение основания земляного полотна может произойти из-за оползней, при которых происходит смещение земляных масс в сторону без их падения или опрокидывания.

Оползень — медленное смещение масс грунта склонов и откосов зем­ляного полотна, возникающее под действием силы тяжести в условиях изменения физических свойств грунтов или конфигурации склона. Раз­личают оползни: пластические, оползни-потоки, обвалы.

Борьба с оползнями, как правило, состоит из комплекса мероприя­тий (рис. 1.113), принимаемых на основе технико-экономического срав­нения возможных вариантов. В комплекс могут быть включены следую­щие мероприятия: уменьшение влажности грунтов оползневого склона; регулирование поверхностного и подземного стоков; создание сети по­верхностных водосборно-водоотводных устройств за пределами ополз­невого склона и на нем; защита поверхности склона от атмосферных осад­ков; устройство дренажей; использование существующего или создание нового травяного покрова, кустарниковых и лесных посадок; удержание оползневых масс поддерживающими сооружениями различного рода: контрбанкетами, подпорными стенами, контрфорсами и др.; специаль­ное укрепление грунтов; перераспределение земляных масс оползневого тела — террасирование склона; берегоукрепительные мероприятия.

Разрушение основания земляного полотна может быть вызвано про­валами, а также просадками над горными выработками. Провалы могут быть карстовыми или на болотах. Причинами кар­стовых провалов является растворение горных известняковых пород движущимися подземными, а также поверхностными внерусловыми водами. Мероприятия для предотвращения карстовых провалов включают предохранение растворимых пород от воздействия поверхностных и подземных вод. Карстовые породы укрепляют цементацией, глиниза­цией или битумизацией. Карстовые полости заполняют инертными ма­териалами, применяют разгружающие мероприятия (рис. 1.114).

Повреждение и разрушение тела или основания земляного полотна, рас­положенного на оползневых участках, расползание насыпи, оседание или сползание насыпи устраняют по индивидуальным проектам.