Защита земляного полотна от неблагоприятных природных воздействий

Для защиты земляного полотна осуществляют ряд мероприятий, обеспечивающих его стабильность: регулирование поверхностного сто­ка и защита земляного полотна от его вредных воздействий; пониже­ние или перехват подземных вод; устройство теплозащитных устройств и покрытий; устройство поддерживающих сооружений; мелиорация грунтов. Классификация мероприятий по защите земляного полотна от не­благоприятных природных воздействий представлена структурной схе­мой на рис. 1.33.

Защита от селей осуществляется комплексами селезадерживаю- щих, селепропускных, селенаправляющих и селеотводящих сооруже­ний с целью предотвращения железнодорожного пути от разрушения или загромождения селевыми выносами. Селезадерживающие соору­жения (верховые запруды и глубинные селеуловители) задерживают се­левую массу выше земляного полотна.

Защита от лавин включает комплексы лавинопредупредительных и лавинозащитных инженерных средств, предназначенных для пре­дупреждения схода снежных лавин или для защиты железнодорожного пути от разрушительного действия движущихся снежных масс. Лавино­защитные сооружения — комплекс инженерных сооружений для борь­бы с лавинами и защиты железной дороги от лавиносброса, изменяю­щих направление движения лавины {галерея, отбойная дамба, лавинорез и др.) или движение снеговетрового потока, приводящее к аккумулиро­ванию снега на склонах.

Защита от обвалов и оползней сводится к задержанию скальных об­ломков, движущихся в обвалах, осыпях и вывалах, или к закреплению 46 их на склонах и предотвращению падения на путь. Противообвальные и удер­живающие сооружения предназначены для задержания скальных облом­ков, двигающихся в обвалах, осыпях и вывалах, или для закрепления их на склоне.

Противообвальная галерея — железобетонное, бетонное или камен­ное сооружение вдоль железнодорожного пути у крутых (более 50°) от­косов склонов, защищающее путь и подвижной состав сверху от снеж­ных лавин, обвалов, камнепадов. Противообвальные галереи состоят из подпорных стенок и перекрытий (арочного, балочного, консольного и рамного типов). Для удаления воды, скапливающейся за внутренней стенкой, устраивают дренаж и прокладывают водоспускные трубки. Применяется устройство противооползневых сооружений — комплексов инженерных сооружений (осушающих, перехватывающих воду, укрепи­тельных и др.), повышающих сопротивление движению оползней.

Защита от размывов состоит в собирании и отводе атмосферных осад­ков с помощью канав и лотков. При постоянном или временном под­топлении земляного полотна защита от размывов осуществляется укре­пительными сооружениями или устройствами.

Защита от песчаных заносов осуществляется закреплением прилега­ющих к железнодорожному пути песков защитными насаждениями или скреплением поверхности песка вяжущими веществами. Предусматри­ваются также противоналедное заграждение — комплекс устройств (валы, дамбы, заборы) для борьбы с наледями и предотвращения продвиже­ния наледей к железнодорожному пути.

Защитные сооружения и конструкции — постоянные или временные инженерные устройства или сооружения, предназначенные для защи­ты железнодорожного пути от неблагоприятных природных воздействий: от размывов и подмывов водой, растущих оврагов, селей, снежных ла­вин, скальных обвалов, осыпей и оползней, наледей, песчаных заносов и выдувания.

Лесонасаждения (защитные) — специально выращенные совокупно­сти деревьев и кустарников на полосах земельного отвода железных до­рог для защиты железной дороги от природных воздействий. Различают лесонасаждения снегозадерживающие, оградительные, ветроослабляю­щие, пескоукрепительные, почвоукрепительные, водоемозащитные, озеленительные и др.

Регулирование поверхностного стока. Водоотводные
устройства и сооружения

Устойчивость, прочность и надежность работы земляного полотна зависят от наличия и исправности водоотводных сооружений и уст­ройств. Проникающая в тело земляного полотна вода снижает физи­ко-механические характеристики грунтов, неблагоприятно сказыва­ется на стабильной и долговечной работе железнодорожного пути.

Водоотведение — сбор и удаление атмосферной, грунтовой и техно­логической воды с территории железнодорожной станции, земляного полотна, различных железнодорожных сооружений системой водоот­водных устройств. Водоотводные устройства и сооружения применяют для регулирования поверхностного стока дождевых и весенних вод (во­доотводные канавы и лотки, грунтовые валы, устройства ливневой ка­нализации на станциях, быстротоки, перепады с гасителями энергии текущей воды и др.); для регулирования стока подземных вод (перехва­та и понижения уровня грунтовых, трещинных и межпластовых вод).

Водоотводная канава — сооружение в грунте, предназначенное для защиты земляного полотна (обычно насыпей) от размыва и переувлаж­нения, сбора поверхностных и грунтовых вод и отвода их в ближайший водоток. Канавы — наиболее распространенные устройства для регули­рования стока поверхностных вод. Канавы имеют различные виды се­чений: трапецеидальное (рис. 1.34, а), прямоугольное (рис. 1.34, б) (тор- фоприемники на болотах II типа или канавы с укреплением стенок), треугольное (забанкетные канавы, а также в скальных грунтах) (рис. 1.34, в), полукруглое (в лессовых грунтах рис. 1.34, г).

Различают канавы банкетные (забанкетные), дренажные, нагорные, водоотводные. Проектирование канав заключается в определении бас­сейна и расчетного расхода воды, плана и продольного профиля, раз­меров поперечного сечения канавы, в выборе способа укрепления дна и откосов канавы, если скорость воды будет выше допускаемой для грун­та, в котором будет проложена канава (рис. 1.35). В стесненных услови­ях (населенные пункты, станции), а также в слабых малоустойчивых оплывающих грунтах, не способных удерживаться в откосах канав, вме­сто открытых канав применяют водосборные и водоотводные лотки.

Лотки — инженерные сооружения, стенки которых могут воспри­нимать боковое давление грунта; водоводы незамкнутого поперечного сечения с безнапорным течением воды.

Лотки применяют вместо ка­нав на основных площадках раздельных пунктов (попереч­ные и продольные лотки) и в выемках на перегонах.

Лотки, как и канавы, могут иметь трапецеидальную, пря­моугольную, полукруглую или треугольную форму (рис. 1.36). За стенками лотка отсыпаются фильтры из песка, щебня или гра­вия, предохраняющие лотки от за­сорения через щели, которые уст­раиваются в его стенках, чтобы ло­ток служил в качестве дренажа. Ка­навы и лотки, подходящие друг к другу в разных уровнях (имею­щие разные бьефы), сопрягают быстротоками, перепадами, во­добойными колодцами, консоль­но-леечными водосбросами.

Устраивают также гидротехнические сооружения в виде открытых об­лицованных каналов или железобетонных лотков — быстротоки — имею­щие значительные (до 1:2) продольные уклоны, для перевода потока воды большой скорости из верхового участка водовода (водоема) в нижний уча­сток. В быстротоках вода движется, не отрываясь от дна (рис. 1.37). В ко­ротких лотках — перепадах вода движется водопадом (с отрывом от дна).

Перепад — одно- или многоступенчатое водоотводное гидротехни­ческое сооружение в виде коротких каналов (лотков) из сборных или монолитных железобетонных конструкций для перевода потока воды большой скорости из верхового участка водовода (водоема) в нижний. Высокие скорости течения воды вызывают необходимость устройства в конце перепада специального гасителя энергии в виде водобойного колодца, водобойного уступа или водобойной стенки (рис. 1.38).

В выемках для пропуска через земляное полотно водотоков (например, оросительных каналов) укладывают специальные трубы — дюкеры (рис. 1.39).

При проектировании вые­мок специально рассчитывают нагорные канавы, при проекти­ровании насыпей — продольные водоотводные канавы.

Проектирование канав зак­лючается в определении бассей­на и расчетного расхода воды; плана, продольного профиля, размеров поперечного сечения канавы в выборе способа укреп­ления дна и откосов, если рас­четные скорости движения воды в канаве окажутся выше допуска­емых скоростей для грунта, в ко­тором прокладывают канаву.

Бассейном называют всю площадь, с которой вода стека­ет в данную канаву. Расположе­ние, поперечные размеры и про­дольные уклоны канав проекти­руют таким образом, чтобы вода протекала без переполнения ка­навы, а скорость была достаточ­на для предотвращения заили­вания канавы и не достигала величин, при которых возможен размыв дна и откосов канавы. Во избе­жание заиливания продольный уклон канав не должен быть менее 3 %о.

 

Размеры поперечного сечения канавы (рис. 1.40) устанавливают с рас­четом пропуска максимального расчетного расхода воды. Наименьшую глубину канав определяют получаемой расчетной величиной с прибав­лением 0,2 м для возвышения бровки канавы над расчетным уровнем воды. Глубина канавы и ее ширина по дну должны быть не менее 0,6 м (на болотах — не менее 0,8 м). Откосы канавы в глинистых грунтах, суг­линках, супесях и песках крупных и средней крупности делают крутиз­ной 1:1,5, в песках мелких и пылеватых, обводненных и илистых грун­тах — 1:2, в щебенистых и скальных грунтах — 1:1 и круче.

Для большого бассейна проектируемую канаву разделяют по внут­ренним водоразделам на участки длиной 50—150 м и расчеты ведут для каждого участка отдельно. На каждом последующем по течению участ­ке канава пропускает воду, стекающую со всех предыдущих и данного усчастка бассейна.

Расход воды в канаве нарастает по ее протяжению постепенно, но так как непрерывно изменять размеры сечения канавы затруднительно, то на протяжении того или иного участка канавы от самого его начала при­нимают сечение, определенное для конца этого участка.

Допускаемые средние скорости течения воды (для канав и искусствен­ных сооружений) зависят от рода грунта (типа укрепления) и средней глубины потока воды (табл. 1.6).

При правильном проектировании канавы расчетные скорости дви­жения воды по мере приближения к устью канавы должны увеличивать­ся. В примере это требование выполнено — 1,40 < 1,54 < 1,84.

Полученные скорости движения воды необходимо сравнить с допус­каемыми скоростями при заданном грунте канавы. По табл. 1.7 нахо­дим, что допускаемая скорость при глубине канавы 1,0 м не превышает 0,45 м/с, что намного меньше расчетных скоростей (1,40, 1,54, 1,84). Поэтому необходимо предусмотреть укрепление откосов на всем про­тяжении канав (см. п. 1.4.4).

Регулирование подземного стока

Наличие в земляном полотне и его основании воды отрицательно сказывается на обеспечивающих устойчивость и прочность земляного полотна характеристиках грунта. Для защиты земляного полотна от вред­ного воздействия грунтовых вод устраивают специальные комплексные устройства — путевые дренажи, служащие для перехвата и понижения уровня грунтовых вод, сбора и отвода воды за пределы грунтового со­оружения, а также для снижения влажности грунта (рис. 1.41).

Дренажные сооружения предназначены:

• для осуществления полного перехвата подземных вод на глубину до водоупорного слоя (совершенный дренаж);
• для понижения уровня подземных вод в местах, где не представля­ется возможным или нецелесообразно осуществить полный перехват вод (несовершенный дренаж, глубина которого определяется расчетом);
• для создания упора (контрфорса) из осушенного грунта для удер­жания от сползания вышележащих грунтовых массивов;
• для выпуска воды из балластных корыт, мешков и гнезд, располо­женных в теле земляного полотна;
• для понижения влажности слагающих земляное полотно грунтов.

По принципу осушения дренажи разделяют на гравитационные (вода поступает из грунта за счет силы тяжести), вентиляционные (поступа­ющая из грунта влага удаляется испарением) и биологические дрена­жи, в которых осушение грунта происходит посредством испарения вла­ги растительностью (деревьями, кустарником, травяным покровом).

По характеру сбора и отвода подземных вод, способам сооружения и конструктивным особенностям дренажи делятся на горизонтальные, вертикальные и комбинированные. Горизонтальные дренажи могутбыть открытые (в виде канав и лотков) и закрытые. Закрытые дренажи мо­гут быть траншейного типа (беструбные, трубчатые и галереи), а так­же в виде прорезей, штолен и «кротовых» дренажей (скважин, пробури­ваемых в теле земляного полотна с небольшим наклоном к горизонту). Вертикальные дренажи устраивают в виде буровых или шахтных водоспус­кных колодцев. В сложных гидрогеологических условиях и при осушении оползневых склонов применяют комбинированные дренажи, представляю­щие собой сочетания горизонтальных и вертикальных дренажей.

По охвату осушаемого объекта и характеру работы дренажи разделя­ют на одиночные дренажи (изолированное сооружение самостоятельно обеспечивает осушение), групповые дренажи (осушение объекта про­изводится отдельными не связанными друг с другом сооружениями) 58
и дренажную сеть, представляющую собой единую систему комплекса дренажей. Различают дренажи совершенного типа (дренаж полностью пересекает водоносные слои и доходит до водоупора, перехватывая вод­ный поток) и несовершенного типа (дренаж перерезает водоносный слой грунта частично и не достигает водоупора).

Как правило, дренаж состоит из следующих элементов: дренажная траншея, дренирующий заполнитель, гидроизоляционный экран, пре­дотвращающий поступление атмосферной воды в дренаж или исклю­чающий потерю собранной дренажем грунтовой воды, смотровые ко­лодцы или скважины, выпуски дренажей на поверхность земли и отво­дящие открытые канавы.

Для исправной работы выпуска дренажа и защиты вытекающей воды от промерзания на последнем участке дренажа дают трубам наиболь­ший уклон, утепляют дренаж, поднимают низ трубы не менее чем на 0,5 м над дном отводящей канавы (лотка) и др. Трассу дренажа проектируют так, чтобы обеспечить наиболее полное осушение грунтов при наимень­ших строительных и эксплуатационных затратах.

Ограждающие дренажи обычно располагают перпендикулярно на­правлению потока воды. Дренажи для осушения грунтов основной площадки в выемках, на нулевых местах и невысоких (до 2 м) насы­пях, а также откосов выемок располагают параллельно оси пути. Если необходимо не допустить воду из выемки в насыпь, устраивают дрена­жи-преградители перпендикулярно оси пути.

Наиболее простым гравитационным дренажом является открытая дре­нажная канава. Откосы и дно водоотводной канавы, предназначенной для регулирования стока поверхностной воды, укрепляют так, чтобы по­верхностная вода не проникала в грунт. В дренажной канаве, предназна­ченной для перехвата неглубоко залегающего потока или снижения уровня поступающей к сооружению грунтовой воды, стремятся обеспечить сво­бодное вытекание воды из грунта в канаву через ее откосы и дно. Живое сечение и уклоны дренажной канавы рассчитывают на пропуск суммар­ного расхода попадающих в канаву поверхностных и грунтовых вод.

Поверхность грунтовых вод в зоне действия канавы имеет плавно искривленное очертание, понижающееся к канаве. Кривую, получаю­щуюся на вертикальном разрезе этой поверхности поперек канавы, на­зывают кривой депрессии. Средние уклоны кривых депрессии в песча­ных грунтах составляют 0,003—0,02; в супесчаных грунтах 0,02—0,05; в суглинках 0,05—0,1; в глинах 0,1—0,2.

Одновременный отвод поверхностных и грунтовых вод при трудностях их раздельного отвода канавами или дренажами осуществляются дренаж­ными лотками. Врезанный в водоупорный слой дренажный лоток, пересе­кающий направление течения грунтовых вод и перехватывающий грунто­вые воды, называется надоткосным дренажем-преградителем (рис. 1.42).

Для понижения уровня фун­товых вод под основной пло­щадкой земляного полотна наи­большее распространение по­лучили трубчатые подкювет­ные дренажи. При потоке фунтовой воды, направленном поперек пути с нагорной сто­роны закладывают совершен­ный дренаж (рис. 1.43). В связ­ных фунтах с обеих сторон пути устраивают несовершенный дренаж (рис. 1.44). Глубина дренажной траншеи опреде­ляется типом дренажа (совершен­ный, несовершенный) и необходи­мой величиной снижения уровня грунтовых вод.

При сравнительно неглубоком (до 3—4 м) залегании водоупорного слоя устраивают совершенный дренаж. Глубина траншеи равна расстоянию от поверхности земли до водоупорного слоя плюс 0,2—0,3 м для заглубления траншеи в водоупорный слой. Шири­на траншеи совершенного дренажа зависит от технологии производства работ по устройству дренажа и приме­няемых землеройных механизмов.

Глубина Н траншеи несовершен­ного дренажа (рис. 1.45) определяет­ся расчетом:

Для отвода воды, просочившейся в дренажную канаву, вдоль нее по дну укладывают дренажные трубы. Наиболее распространены тру­бы керамические или асбоцементные безраструбные, керамические ра­струбные (рис. 1.46), трубофильтры с соединительной муфтой из круп­нопористого бетона (рис. 1.47), гладкие круглые и фальцевые трубофиль­тры (рис. 1.48), трубофильтры с плоской подошвой (рис. 1.49). Диаметр дренажных труб определяют расчетом.

В стенках трубопровода устраивают определяемое расчетом число и раз­меры отверстий, через которые в трубу поступает вода. Отверстия в дре­нажных трубах располагают в нижних и боковых частях труб, чтобы вместе с водой в трубы не попадали частицы фунта и заполнителя. Отверстия делают круглыми диаметром 5—15 мм или в виде щелей длиной по 100 мм и шири­ной 8—10 мм и располагают их с каждой стороны в два ряда в шахматном поряд­ке. Обычно общая площадь отверстий со­ставляет примерно 0,5 % поверхности трубы. В коротких трубах отверстия не де­лают, вода фильтруется через стыки труб.

Трубы окружены дренирующим ма­териалом; диаметр частиц грунта-запол­нителя должен быть не менее 0,3—0,5 ширины щели (не менее 0,25—0,3 диа­метра круглого отверстия). У самой тру­бы укладывают прогрохоченный щебень или гравий размерами 50—70 мм, а по­том гравий или песок.

Для предохранения заполнителя от засорения сверху и дренажа от проник­новения поверхностной воды на всю ширину траншеи в ее верхней части ук­ладывают глиняный замок толщиной 0,2—0,5 м.

Если грунтовые воды залегают на глубине от 6 до 10 м, дренаж устра­ивают в виде дренажной галереи (рис. 1.50) большой дренажной трубы (диаметром 1,5—1,7 м), используемой для сбо­ра и отвода с одного или нескольких водонос­ных горизонтов грунтовых вод, залегающих на глубине от 6 до 10 м. Размеры галереи обес­печивают возможность прохода человека для осмотра и обслуживания сооружения.

В стенках галереи делают дренажные от­верстия, а за стенками устраивают обратный фильтр из среднезернистого песка, защища­ющий дренажный заполнитель от механичес­кого выноса частиц грунта и предупреждения заиливания дренажа.

У выхода галерея имеет оголовок в виде подпорной стены. Если галерея сооружа­ется из железобетонных колец, между ними оставляют зазоры 1,5—3,0 см, а дре­нажные отверстия не устраивают.

Чтобы следить за работой дренаж­ных сооружений и производить их си­стематическую прочистку устраивают смотровые колодцы — устройства для систематической прочистки дренаж­ных сооружений и вентиляции грунта в летнее время.

Верхнюю часть колодца во избежа­ние попадания в него поверхностной воды выводят выше уровня земля на 0,5 м. Для спуска в колодец заделыва­ют в стены металлические скобы через каждые 0,3—0,4 м по высоте. В нижней части колодца делают отстойник, глу­бина которого составляет 0,35—0,5 м.

Колодцы устраивают на расстоянии через 50—75 м друг от друга, а также во всех точках поворота линии и в точках перелома продольного профиля дренажа. Колодцы бывают железобетонные, бетонные, каменные. Ши­роко применяются колодцы из железобетонных колец (рис. 1.51).

Выпуски горизонтальных дренажей (рис. 1.52) устраивают в виде подпорных стен; свес концевого участка дренажной трубы возвышает­ся над дном русла на 0,25—0,5 м. Для предохранения выпуска от про­мерзания в зимнее время концевой участок дренажа утепляют подуш­кой из торфа или шлака; трубы в пределах концевого участка укладывают без отверстий в стенках и без зазоров в стыках. Для предотвращения об­разования зимой наледей концевой участок дренажа укладывают с боль­шим уклоном (обычно 1:10). Отводное русло при необходимости укреп­ляют и утепляют.

Для осушения отдельных водоносных линз, небольших массивов с рассеянным выходом грунтовых вод устраивают откосные дренажи. Откосные дренажи бывают траншейные, скважинные и пристенные.

Траншейные дренажи (рис. 1.53) на откосах выемок располагают перпен­дикулярно оси пути под углом 30—45° или по ломаной линии на расстоянии 15—20 м друг от друга. Глубина траншеи таких дренажей на 0,2—0,3 м пре­вышает глубину промерзания грунта; ширина траншеи обычно 0,8—1,0 м. Глухая дрена (рис. 1.54) обеспечивает выпуск воды по щебеночному запол­нению без трубы. Выпуск воды из откосных дренажей в выемках произ­водят в продольный подкюветный дренаж (рис. 1.55) или в лоток.

Поперечные дренажи (прорезы в насыпи) устраивают для выпуска воды из углублений основной площадки земляного полотна, как правило, без дрен.

Ширину прорези принимают в зависимости от способа произ­водства работ и глубины тран­шеи, продольный уклон — не менее 1/10. Дно прорези заглуб­ляют ниже дна углубления ос­новной площадки не менее чем на 0,25—0,5 м. На насыпях уст­раивают по 2—3 прорези на про­тяжении 25 м, в выемках — реже.

Поперечные прорези на на­сыпях бывают с односторонни­ми (рис. 1.56) или двусторон­ними (рис. 1.57) выпусками на откосы. Прорези в выемках раз­мещают так же, как и на насы­пях, а выпуски делают в углуб­ленный кювет (рис. 1.58), лот­ки или продольные дренажи (рис. 1.59).

Для выпуска свободной воды из замкнутых водосодержащих зон (бал­ластные мешки, глубокие ложа, гнезда) в насыпях высотой более 3 м устраивают поперечные дренажные скважины (рис. 1.60).

Вертикальные дренажи устраивают при необходимости сбора воды из обводненной зоны (несколько водоносных слоев) чтобы сбросить ее в нижележащий водопринимающий слой грунта или в штольню (рис. 1.61). Такие дренажи делают или в виде буровых скважин с трубами диаметром 68 от 150 до 500—600 мм, или в виде шахтных колодцев, сооружаемых из железобетонных колец диамет­ром не менее 1 м. Штольня — инже­нерное сооружение для перехвата грунтовых вод, залегающих на глу­бине более 12 м. При строительстве штольни используют или щитовую проходку, или горный способ.

Водоотводы на раздельных пунк­тах устраивают для защиты пути от воды, поступающей «с поля», от­ведения с территории раздельных пунктов поверхностных атмосфер­ных вод, а также промышленной и технологической воды. В системах водоотводов используют как откры­тые сооружения (канавы, кюветы, лотки), так и закрытые сооружения (коллекторы, дренажи, водопоглоща­ющие колодцы). Сток воды к этим со­оружениям обеспечивают придани­ем поверхности балластного слоя и земляного полотна поперечного уклона 0,01—0,03.

В качестве поперечных поверхностных водоотводов применяют междушпальные железобетонные лотки коробчатого сечения в виде отдельных блоков длиной 1 и 2 м, отверстием 0,25 м и глубиной 0,2 и 0,3 м (рис. 1.62, а, б) или отверстием 0,3 м и глубиной 0,45; 0,65 и 0,85 м (рис. 1.62, в). Лотки закрывают сверху железобетонными съемными плитами.
Продольный водоотвод устраивают на раздельных пунктах в виде собирательных закрытых сверху железобетонных лотков с продольным уклоном не менее 2 %о, размещаемых на пониженных междупутьях или в виде собирательных дренажей, в трубы (длиной 0,4—1,0 м) которых втекает вода через щели в их стенках, или через зазоры между трубами.

Теплоизолирующие устройства и покрытия

Земляное полотно постоянно находится под непосредственным воз­действием климатических факторов. При периодических изменениях температуры воздуха изменяется температура поверхностных слоев грун­та. Это приводит к изменениям содержания влаги, структуры и прочно­сти грунтов. В связи с этим разрабатывают мероприятия, направленные на регулирование тепловых процессов в грунтах земляного полотна.

Теплоизолирующие устройства и покрытия используют для предот­вращения морозного пучения грунтов при сезонных изменениях тем­пературы и для предотвращения оттаивания вечномерзлых грунтов.

Теплоизолирующими устройствами считают различные подушки из теплоизолирующих материалов, имеющих толщину, составляющую 0,1 и более их ширины; покрытиями — тонкие подушки или плиты, у которых отношение толщины к ширине составляет 0,02 и менее.

В качестве теплоизолирующих материалов применяют шлаки, отходы асбестовой промышленности, опилки, а также пенопластовые покрытия.

Пенопластовое покрытие — защитное покрытие основной площад­ки земляного полотна железнодорожного пути в целях 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 (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.

При расчетах теплоизолирующих устройств и покрытий определяют глубину промерзания утепляемого грунта и толщину подушки или по¬крытия. За глубину промерзания обычно принимают максимальную из максимальных глубин промерзания за период не менее 10 лет.

Защитные и укрепительные устройства и сооружения

Борьба с проникшей в грунт водой всегда сложнее и дороже мер по отводу поверхностной воды. Для предупреждения разрушения от­косов насыпей, выемок и всех защитных и водоотводных земляных со­оружений и устройств, возводимых из грунтов или сооружаемых в грун­тах, подверженных разрушению от природных воздействий, а также под­топляемых, их всегда укрепляют.

Укрепительные устройства земляного полотна по их назначению подразделяют на два основных вида: укрепление откосов выемок и не подтопляемых насыпей; укрепление водоотводных сооружений и под­топляемых откосов насыпей и берегов.

Укрепление откосов земляного полотна. Устойчивость откосов коли­чественно оценивают отношением факторов, удерживающих откос в со­стоянии равновесия (силы трения и сцепления, составляющие веса, про­тиводействующие сдвигу и др.), к факторам, способствующим наруше­нию устойчивости (гидродинамические силы, сдвигающие составляю­щие веса и др.). Коэффициент (степень) устойчивости (стабильности) изменяется во времени, имея как годовые, так и многолетние измене­ния. Если устойчивость откосов не обеспечивается, прибегают к строи­тельству укрепительных устройств и сооружений.

Укрепительные устройства и сооружения представляют собой покры­тия откосов насыпей, выемок, конусов мостов, кюветов и канав, дна водоотводных сооружений и русел рек вблизи малых искусственных сооружений. Они предназначены для предохранения поверхностных слоев грунта от размыва водой, от осыпания, образования трещин в грун­те, а также от повреждения земляного полотна и его сооружений тече­нием воды, ледоходом и др.

Откосы не подтопляемых насыпей и выемок до 12 м при благопри­ятных почвенных, климатических и гидрогеологических условиях ук­репляют травосеянием, одерновкой и посадкой древесно-кустарнико­вых насаждений.

Травосеяние — способ механизированного укрепления откосов по­севом многолетних трав по нанесенному на откос слою растительного грунта, при котором создается дерновый покров, предотвращающий эрозионные деформации.

Засев травой — один из основных видов укрепления откосов выемок и незатопляемых насыпей. Для засева травой применяют смеси из мно­голетних быстрорастущих трав, имеющих сильно развитую корневую систему: рыхлокустовые (например, тимофеевку), корневищные (напри­мер, костер безостый) и стержнекорневые травы (например, люцерну). Травяной покров увеличивает механическое сопротивление сплывам и аналогичным деформациям земляного полотна, уменьшает количе­ство поверхностной воды, способствует осушению грунта.

Дерн — верхний слой почвы, скрепленный корнями и корневищами многолетних трав, увеличивает механическое сопротивление сплывам и способствует осушению грунта.

Для ускорения укрепительного слоя производят одерновку откосов, которую выполняют свежим дерном с густой низкорослой травой. При песчаных грунтах под дерн укладывают слой растительной земли тол­щиной около 10 см.

Откосы выемок, где возможны поверхностные сплывы, откосы кю­ветов и канав при скоростях течения воды более 1 м/с укрепляют одерновкой «в клетку», сплошной, «в стенку» (рис. 1.63). При одерновке «в клетку» дерновые ленты на от­косе укладывают по взаимно пер­пендикулярным направлениям. Об­разующиеся клетки размерами 1,5×1,5 м засевают травой. Для скрепления дерна с грунтом заби­вают деревянные спицы длиной 0,25—0,30 м и сечением 2×2 см.

Клетки из дерновых лент (рис. 1.64) или дерновка в плетнях (рис. 1.65) являются более сильным крепле­нием, чем сплошная одерновка.

Одерновка обеспечивает сопротив­ление откосов размыву водой, текущей со скоростью до 0,9 м/с при глубине потока 0,4 м, до 1,2 м/с при глубине потока 1,0 м, до 1,3 м/с при глубине потока 2,0 м. Если укрепление одерновкой недостаточно, применяют же­лезобетонную обрешетку (рис. 1.66), гибкое решетчатое покрытие (рис. 1.67) или плитные конструкции.

Длительно или постоянно подтопляемые откосы насыпей при скорос­тях течения воды в зависимости от глубины потока от 2 до 6 м/с или высоте волны до 1,5 м укрепляют одиночным (рис. 1.68) или двойным мощением из камня размером 0,15—0,3 м на слое щебня или гравия толщи­ной не менее 0,10 м.

Откосы насыпей из мелко­зернистого песка укрепляют сплошным одевающим слоем толщиной 10—15 см из гравия или щебня (рис. 1.69). При этом бровку земляного полотна ук­репляют рядом щитов из камы­ша или кустарника. Применяют также покрытие песчаных отко­сов глиной с добавлением пес­ка, предупреждающего появление в покрытии усадочных трещин.

На насыпях, откосы которых подвержены сплывам, при на­личии углублений на основной площадке земляного полотна, способ­ствующих увлажнению грунта атмосферными осадками, укладывают гидроизоляцию — в качестве материала применяют полимерные плен­ки или асфальтобетон толщиной 10—15 см.

При недостаточности поверхностных укрепительных покрытий со­здают капитальные защитные сооружения.

Укрепление водоотводных сооружений и подтопляемых откосов насы­пей и берегов. Вид укрепления водоотводных канав выбирают в соответ­ствии с допускаемыми средними скоростями течения воды. Если ско­рость течения воды в канаве превышает допустимую для данного грунта (см. табл. 1.6), канаву укрепляют различными одеждами (рис. 1.70).

Плиты укладывают на песчаную подготовку. Продольные швы меж­ду плитами заливают цементным раствором; поперечные — асфальто­вой мастикой. У подошвы откоса на высоту до 0,25 м швы оставляют открытыми для вытекания воды из-за стенок покрытия. Скорость воды в канаве при таком покрытии допускается до 5—6 м/с.

Пример 1.2. Выбор укрепления дна и откосов канавы. При гидравли­ческом расчете канавы установлено, что на всех трех участках канавы скорости движения воды (1,4—1,84 м/с) превышают допустимую ско­рость 0,45 м/с. Глубина канавы изменяется от 0,8 до 0,9 м. Согласно табл. 1.6 канаву можно укрепить бетонными плитами или укрепить дно кана­вы щебнем, а откосы — одерновкой.

Для защиты берегов водоемов от разрушительного воздействия вол­новых течений, напора льда и других природных явлений устраивают берегоукрепительные сооружения.

Короткие поперечные траверсы позволяют избежать сильного тече­ния воды вдоль пойменной насыпи, а струенаправляющие дамбы обес­печивают поперечное движение воды под мостом и препятствуют опас­ному прижатию потока пойменной массы воды к одному из берегов. Поперечные регуляционные сооружения — речные буны (шпоры), снижающие скорости течения воды и вызывающие накопление нано­сов; запруды и полузапруды, направляющие водный поток в основное русло, или прокопы, спрямляющие русло реки.

При небольших размерах регуляционных сооружений с ограничен­ным сроком службы применяют габионы, фашины (хворостяные вязан­ки, скрепленные проволочными поясами), сипаи (бревенчатые устрой­ства в виде вышек, заглубляемые в дно водоема и имеющие горизон­тальную площадку, загружаемую камнем).

По характеру взаимодействия с водным потоком различают актив­ные и пассивные берегоукрепительные сооружения.

Активные сооружения используют энергию потока при намыве и со­хранении береговых наносов (регулирующие дамбы, поперечные полу­запруды, наносозадерживающие буны, волноломы). Пассивные бере­гоукрепительные сооружения противопоставляют водному потоку проч­ность и устойчивость своей конструкции (бетонные и железобетонные плиты, наброски из крупных блоков и фигурных массивов, габионы, волноотбойные стенки и др.).

Тип и размеры защитных сооружений назначают с учетом силы удара расчетной волны, ледовых нагрузок, характера грунта и других факторов.

Сборные разрезные железобетонные плиты 3,0 х 2,5 х 0,15 (0,20) м, армированные сварными сетками, используют для защиты откосов кру­тизной 1:2 и положе от постоянного или временного воздействия теку­щих вод, а также от ударов волн высотой до 1,0—1,5 м. Плиты уклады­вают на сплошной трехслойный фильтр: 0,1 м крупнозернистого песка; 0,1 м мелкого щебня или гравия и 0,15 м крупного гравия или щебня. Плиты соединяют в сплошной ковер металлическими хомутами.Сборные железобетонные плиты, омоноличенные по контуру (рис. 1.71), представляют собой покрытие в виде плит с упором, обеспечивающим устойчивость основания укрепления, и фильтра из дренирующего ма­териала, укладываемого под плитами. Такое покрытие защищает отко­сы, работающие в условиях постоянного или временного подтопления и воздействия волн высотой до 3 м.

Каменная наброска представляет собой присыпное к защищаемому откосу или склону сооружение из сортированного по крупности камня твердых пород, предназначенное для уменьшения энергии набегающих на откос или склон волн или предохранения подстилающего слоя грун­та от размыва водой, текущей со скоростями 1,5—4,0 м/с (рис. 1.72). Ка­ме н н ые н аброски могут б ыть од носл о й н ы ми ил и двухсл ойными(рис. 1.73) из камней разного размера (большего в верхнем слое).

Конструкции каменных набросок зависят от качества грунта осно­вания и местных условий. Ценное качество набросок — приспосабли­ваемое^ их к неравномерной осадке поверхности укрепляемого откоса земляного полотна. Каменную наброску обычно делают зимой, врезая нижнюю часть наброски в грунт и устраивая обратный фильтр.

Обратный фильтр — подготовка, на которой устраивают каменную наброску, мощение или плитные покрытия. При устройстве обратного фильтра используют щебенисто-гравийно-песчаные грунты (рис. 1.73, б), а также геотекстиль в слое гравийно-песчаного грунта. Геотекстиль пре­дотвращает вынос частиц грунта через отверстия в конструкциях укреп­лений при действиях течения, волн и фильтрационного потока.

Габион представляет собой конструкцию в виде ящика из металли­ческой оцинкованной сетки на каркасе, заполненного камнем, и пред­назначен для защиты русел рек от размыва, устройства регуляционных и берегоукрепительных сооружений.

Габионы разделяют на коробчатые габионы и низкие габионы, так называемые матрасы Рено (рис. 1.74). В зависимости от высоты ящика коробчатые габионы подразделяются, в свою очередь, на высокие габи­оны (высота от 0,5 до 1,0 м) и низкие. Для заполнения габионов применяется каменный материал с боль­шим удельным весом и пористостью, обладающий хорошей твердо­стью. Габионные конструкции широко применяются для усиления зем­ляного полотна (рис. 1.75) и защиты подтопляемых откосов и русел рек (рис. 1.76).

Габионы рекомендуют применять при наличии плотного грунта ос­нования, сравнительно высоких скоростях течения воды (4—6 м/с), имеющей большое количество взвесей.

Волноотбойная стена — инженерное сооружение для защиты соору­жений от воздействия морских и речных вод при наличии береговых оползней (рис. 1.77). Нередко волноотбойная стена предназначается также для поддержания береговых уступов и земляного полотна. В та­ком случае она называется подпорно-волноотбойной стеной. Таким образом, пассивные защитные сооружения укрепляют берега и откосы, не изменяя режима потока воды.

Активные защитные со­оружения регулируют движе­ние воды и используют энер­гию потока при намыве и со­хранении береговых наносов.

Регуляционные сооружения могут быть продольными и поперечными. К продоль­ным сооружениям относят струенаправляющие дамбы, изменяющие течение воды у инженерного сооружения; отжимные дамбы, отклоня­ющие водный поток от зем­ляного полотна; прокопы, спрямляющие русло реки.

Дамба — инженерное гидротехническое сооруже­ние, представляющее собой земляную насыпь с укреп­ленными откосами. В месте мостового перехода дамбы непосредственно примы­кают к устоям моста. Раз­личают дамбы оградитель­ные, регуляционные, струенаправляющие и струеотво­дящие.

К поперечным регуляционным сооружениям относят речные (шпо­ры) и морские буны (рис. 1.78), снижающие скорости течения воды и вызывающие накопление наносов; донные волноломы (рис. 1.79), эф­фективные при защите берегов с оползневыми откосами, а также на уча­стках берега с крутизной подводного склона более 0,03; запруды и полу­запруды, направляющие водный поток в основное русло или прокоп.

Волноломы устраивают на глубинах не менее 3 м с расположением гребня на 0,5—0,7 м ниже среднего уровня моря. Со стороны моря гра­ни волнолома имеют наклон 1:2 и положе. Со стороны берега грань волнолома вертикальна.

Иногда возникает опасность внезапного подмыва или размыва земля­ного полотна. В таких случаях применяют временные укрепления с огра­ниченным сроком службы — фашины, хворостяные покрытия, сипаи.

Фашины — связанные проволочными поясами через 1 м хворостяные вязанки (пучки свежесрубленного ивового или дру­гого гибкого хвороста) длиной 2,0—4,5 м. Применяют в качестве временного укреп­ления подмываемого или размываемого земляного полотна.

Хворостяные покрытия применяют в рай­онах, богатых хворостом, когда применение других укрепительных средств нецелесооб­разно из технико-экономических соображе­ний. Хворостяную выстилку толщиной 0,2—0,3 м устраивают из ивовых прутьев. Для устойчивости выстилку закрепляют поперек прутьев хворос­та тонкими жердями, прикрепляемыми к откосу кольями-вилками.

Поддерживающие и армогрунтовые сооружения. Укрепление грунтов

Устойчивость нестабильных откосов и склонов обеспечивают устрой­ством поддерживающих и удерживающих сооружений, а в отдельных случаях укреплением и мелиорацией грунтов. Удерживающие и проти­вообвальные сооружения приведены на рис. 1.80.

Контрбанкеты — сооружения из камня, щебня, гравия, песка или местного грунта в виде присыпки к насыпи — наиболее распространен­ные поддерживающие сооружения (рис. 1.81, а, б). Контрбанкет заме­няет подпорную стену, как правило, на крутом поперечном уклоне ос­нования насыпи (круче 1:3). Сооружается для укрепления грунтовых сооружений и предупреждения выпора основания на крутых косогорах у подошвы насыпей или полунасыпей-полувыемок. Размеры и конфи­гурация контрбанкета определяются условиями обеспечения устойчи­вости насыпи. Крутизна откосов каменных контрбанкетов обычно Г. 1, галечных — 1:1,5, песчаных — от 1:10 до 1:30.

Армированные контрбанкеты применяют для уменьшения объема контрбанкета и увеличения сил сопротивления его сдвигу по поверхно­сти контакта с основанием (рис. 1.82). Армируют контрбанкеты в осно­вании конструкциями и материалами, повышающими сопротивление сдвигу по поверхности АВ — сваями, старогодными железобетонными шпалами (рис. 1.82, а), крупнообломочным грунтом, щебнем (рис. 1.82, б) и др., а внутри массива грунта — арматурой в виде металлических сеток, геотекстиля и пр. Расстояние между слоями арматуры, между сваями и глубина их заделки определяются расчетом. Контрбанкет может быть заменен армогрунтовой стеной (рис. 1.83), представляющей собой массив дренирующего грунта, армированный снаружи облицовочными железобетонными блоками, а внутри укреп­ленный арматурой.

Для поддержания неустойчивых откосов насыпей, выемок или скло­нов применяют также контрфорсы — поперечные стенки (вертикаль­ные выступы или ребра) из камня, бетона или железобетона, усилива­ющие основную несущую конструкцию и воспринимающие в основ­ном горизонтальные усилия. Подпорная стенка — также удерживает от обрушения находящийся за ним грунтовый массив. Подпорная стен­ка сооружается взамен откоса насыпи (см. рис. 1.15) или выемки для восприятия давления грунта. По конструкции различают массивные (каменные или бетонные) и облегченные (железобетонные) подпор­ные стенки.

В качестве поддерживающей конструкции применяют стены систе­мы Террамеш — массивы дренирующего грунта (рис. 1.84, а, б), армиро­ванные единой конструкцией из габионов снаружи, и металлическими сетками внутри массива. Габион и сетка в такой стене составляют еди­ный элемент системы.

Без использования габионов система Террамеш (рис. 1.84, в) имеет вертикальную или наклонную лицевую сторону, выполненную из пане­лей сетки двойного кручения, к которой прикрепляется биологическое полотно, инициирующее рост травяного покрова («зеленый» Террамеш).

Подпорную стену, выполненную из габионов (рис. 1.85), называют гравитационной габионной стеной. В качестве удерживающих сооруже­ний используют также анкерные конструкции (рис. 1.86), представляю­щие собой один или несколько рядов инъецируемых анкеров 3, закреп­ленных в устойчивом ядре насыпи 4, которые передают необходимое усилие натяжения через железобетонные плиты 1 на поверхность бал­ластных шлейфов 2, обжимая их и повышая сопротивление сдвигу.

Закрепление и мелиорация грунтов

Повысить защитные свойства земляного полотна можно с помо­щью закрепления, укрепления грунтов. Закрепление грунтов — про­цесс изменения свойств и состояния грунта, придания грунту новых физико-механических свойств (повышение прочности, связности, водонепроницаемости) для повышения его несущей способности. Применяется для повышения несущей способности оснований со­оружений, укрепления откосов насыпей и выемок, основной площад­ки земляного полотна, при проходке выработок тоннелей, отрытии котлованов и др.

Укрепление грунта производится специальной обработкой: цемен­тацией, силикатизацией, битумизацией, методами электрохимическо­го, термического воздействия и др.

Укрепление цементацией заключается в перемешивании или инъек­ции цементного раствора в грунт, а также нанесении цементного раство­ра на защищаемую поверхность грунта.

При силикатизации в грунт нагнетают жидкое стекло (раствор крем­некислого натрия). После того как раствор пропитает грунт, нагнетают раствор хлористого кальция. При химическом взаимодействии этих ра­створов образуется гидрогель кремниевой кислоты, который и цемен­тирует грунт.

При термическом укреплении однородных глинистых грунтов грунт прогревается в течение 5—10 суток до температуры 300—1 100 °С и при­обретает свойства клинкера. Путем обжига в грунтовом массиве можно создавать сооружения, которые по характеру работы могут служить под­порными стенами или контрфорсами.

При электрохимическом укреплении грунта в грунт забивают ме­таллические электроды, через которые в течение нескольких часов пропускают постоянный электрический ток. Вода в грунте переме­щается к катоду, выполненному в виде перфорированной трубы. Та­ким образом из грунта выводят гравитационную и капиллярную воду, осушая грунт.

Замораживание грунтов — искусственное охлаждение грунтов в ес­тественном залегании до температуры ниже 0 °С с целью их упрочнения и обеспечения водонепроницаемости.