Земляное полотно

Общие сведения

Железнодорожный путь обычно подразделяют на земляное полот­но, верхнее строение и искусственные сооружения.

Земляное полотно железных дорог — основной элемент ниж­него строения железнодорожного пути; комплекс инженерных фунто­вых сооружений, предназначенный для укладки верхнего строения пути, восприятия нагрузок от подвижного состава и верхнего строения пути, для обеспечения устойчивости пути.

Верхнее строение пути непосредственно на земную поверхность не укладывают. В пониженных местах приходится насыпать грунт, а в по­вышенных — срезать его, обрабатывая полосу земли определенной ши­рины практически по всей длине пути. Таким образом, земляное полот­но предназначено также для выравнивания земной поверхности в пре­делах железнодорожной трассы и придания пути необходимого плана и профиля. Получающиеся при этом насыпи и выемки вместе с необхо­димыми для обеспечения их устойчивости водоотводными и укрепитель­ными сооружениями являются земляным полотном (рис. 1.1).

Назначение земляного полотна и предъявляемые к нему требования

К земляному полотну предъявляют следующие основные требо­вания: земляное полотно должно быть прочным, устойчивым, надеж­ным и долговечным; все поверхности земляного полотна, устройств на нем и полосы отвода должны быть спланированы и защищены так, чтобы атмосферная вода не размывала откосы и основание земляно­го полотна, своевременно отводилась в стороны или в соответствую­щие водоотводные сооружения; конструкции земляного полотна дол­жны обеспечивать наименьшие затраты на техническое обслужива­ние и ремонты.

Земляное полотно должно обеспечивать длительную эксплуатацию железнодорожного пути в современных и перспективных условиях экс-плуатации.

Типы конструкций земляного полотна

К основным конструкциям земляного полотна относят: насыпи (рис. 1.2, а), выемки (рис. 1.2, б), нулевые места (рис. 1.2, в), полунасыпи (рис. 1.2, г), полувыемки (рис. 1.2, д’), полунасыпи-полувыемки (рис. 1.2, е).

Нулевыми местами называют места перехода земляного полотна из насыпи в выемку и другие участки, где земляное полотно на коротком протяжении проходит в уровне с земной поверхностью, которую только планируют, но не срезают и не досыпают.

Полувыемка, полунасыпь, полувыемка-полунасыпь — грунтовые сооружения на косогоре, устраиваемые срезкой естественного грунта уступами с дальнейшим использованием его для полунасыпи или скла­дируемого в отвал.

Земляное полотно представляет собой вытянутое в длину сооруже­ние и основной частью его проекта является поперечный профиль. По­перечным профилем земляного полотна называют инженерно-геологичес­кий разрез земляного полотна в плоскости, перпендикулярной продоль­ной оси трассы. На чертеже поперечный профиль земляного полотна показывают на всю ширину полосы отвода (см. рис. 1.2). В попереч­ном профиле земляного полотна различают следующие основные ча­сти: 1 — основная площадка; 2 — собственно земляное полотно; 3 — основание земляного полотна (см. рис. 1.2).

Поперечные профили земляного полотна характеризуются формой и шириной основной площадки, крутизной откосов, расположением водоотводных устройств, высотой насыпи и глубиной выемки. Разли­чают поперечные профили: типовые — нормальные (обычные) и спе­циальные (региональные), индивидуальные и групповые.

Откос земляного полотна — наклонная боковая поверхность насы­пей и выемок. Откосы крутизной 1:1 называют одиночными, 1:2—двой­ными, 1:1,5 — полуторными. Крутизну откосов насыпей и выемок оп­ределяют отношением высоты откоса И (высоты насыпи, глубины вы- 11 емки) к заложению а (горизонтальной проекции откоса) и обозначается 1: п. Крутизну откосов назначают в зависимости от вида грунта, высоты насыпи и глубины выемки с учетом геологических, гидрогеологичес­ких и климатических условий местности. Верхняя кромка откоса зем­ляного полотна или канавы называется бровкой. На насыпях бровка — линия пересечения основной площадки земляного полотна и ее отко­са; в выемках — линия пересечения основной площадки и путевого откоса кювета.

С основными сооружениями непосредственно связаны водоотвод­ные сооружения: у насыпей — бермы, продольные канавы или резервы, у выемок — кюветы, банкеты и забанкетные канавы, кавальеры и на­горные канавы предупреждения.

Для подтопления земляного полотна насыпей, построенных вдоль рек или водоемов, на крутых косогорах, в скально-обвальных районах, районах возможного схода снежных лавин и осыпей и др., устраивают защитные и укрепительные устройства и сооружения.

Типовые поперечные профили земляного полотна применяют без допол­нительных расчетов для конкретных местных условий (типовые нор­мальные) или для определенных районов (типовые специальные) — рас­пространения подвижных песков, лессов, скальных пород, болот глу­биной до 3—4 м и т.п.

Типовые поперечные профили насыпей и выемок, в том числе нор­мальные и специальные, их форму и размеры выбирают в соответствии со СНИП 32-01-95 «Железные дороги колеи 1520 мм» и Альбомом ти­повых поперечных профилей в зависимости от категории железнодо­рожной линии, вида грунта, числа путей и других условий сооружения земляного полотна.

Типовые нормальные поперечные профили разработаны:

• для насыпей высотой до 2 м из глинистых грунтов, мелких и пыле­ватых песков и легко выветривающихся скальных пород;
• для насыпей высотой до 6 м из глинистых грунтов, мелких и пыле­ватых песков и легко выветривающихся скальных пород с резервами при поперечном уклоне местности не круче 1:5;
• для насыпей высотой от 6 до 12 м из глинистых грунтов, мелких и пылеватых песков и легко выветривающихся скальных пород с резер­вами при поперечном уклоне местности не круче 1:5;
• для насыпей из глинистых грунтов, мелких и пылеватых песков на косогоре крутизной от 1:5 до 1:3;

• для выемок глубиной до 12 м в глинистых грунтах твердой и полу­твердой консистенции, а также в крупнообломочных грунтах с глинис­тым заполнителем, мелких и пылеватых песках и сильновыветриваю- щихся скальных породах.

Специальные типовые поперечные профили разработаны:

• для насыпей на болотах I и III типов глубиной до 4 м, на болотах II типа глубиной до 3 м; при поперечном уклоне дна болота I типа не круче 1:10, II типа — 1:15, III типа — 1:20;
• для насыпей на естественном основании из засоленных грунтов; для насыпей в районах подвижных песков; для выемок в лессах засуш­ливых районов; для выемок в малоподвижных и подвижных песках на сильнозаносимых участках.

Индивидуальные проекты земляного полотна разрабатывают для сложных объектов, сооружаемых в сложных физико-географических, климатических и инженерно-геологических условиях. Профили земля­ного полотна проектируют так, чтобы обеспечить равноустойчивость откосов высоких насыпей и выемок. При обычных очертаниях попе­речного профиля земляного полотна устойчивость обеспечивают назна­чением конструктивных мер для ее повышения: в зависимости от мест­ных условий и способа производства работ прибегают к уположению откосов, устройству берм и т.п. При этом обязательно проводят провер­ку устойчивости откосов берм. Важнейшим является требование обес­печения достаточной плотности грунта, которая обеспечивает возмож­ность телу насыпи работать в упругой стадии.

Для защиты от неблагоприятных природных воздействий земляное полотно имеет комплекс различных водоотводных защитных и укрепи­тельных сооружений и устройств.

Земляное полотно воспринимает нагрузку от подвижного состава и верхнего строения пути, равномерно распределяет ее и передает на естественный грунт основания. Высота насыпи и глубина выемки обыч­но составляет от 1—3 до 25—30 м. При необходимости больших рабочих отметок продольного профиля пути насыпи заменяют виадуками, а вы­емки — тоннелями.

Для строительства земляного полотна используют скальные или оса­дочные грунты — при устройстве сооружений, выемок и крупнообло­мочные, песчаные или глинистые для насыпей.

Грунты для земляного полотна

Грунты — обобщенное наименование многокомпонентных рыхлых горных пород и почвы, являющихся объектом инженерно-строитель­ной деятельности человека и используемых как основания сооружений или строительные материалы. Грунты, используемые для сооружения насыпей, и грунты, в которых устраивают выемки, классифицируют в соответствии с ГОСТ 25100—95 «Грунты. Классификация» в зависимо­сти от крупности минеральных частиц, сцепления между ними, содер­жания органических веществ и легкорастворимых солей.

Грунтовые частицы — элементарные частицы грунтов, которые в за­висимости от крупности (0,05—2 мм) относят к песчаным, (0,002—0,05 мм) — к пылеватым, (менее 0,002 мм) — к глинистым грунтам.

По степени связности частиц грунты подразделяют на следующие основные группы: скальные и полускальные, крупнообломочные, гра­вийные, песчаные и глинистые. Наиболее распространенные песчаные, гравийные и глинистые грунты состоят обычно из смеси указанных грун­тов. При сооружении земляного полотна могут быть использованы так­же лессовые, торфяные (кроме насыпей) и шлаковые грунты.

К скальным грунтам относят породы с жесткой связью между зерна­ми, залегающие в виде монолитного или трещиноватого массива. Пе­ред разработкой и укладкой в насыпь такие грунты предварительно раз­рыхляют. К крупнообломочным грунтам относят несцементированные обломочные: дресвяные грунты с преобладанием более 50 % неокатан- ных зерен, гравийные — более 50 % окатанных зерен крупнее 2 мм, га­лечниковые — более 50 % окатанных зерен крупнее 10 мм, щебенистые — более 50 % неокатанных зерен крупнее 10 мм, валунные (глыбовые) грун­ты — более 50 % окатанных зерен и каменистые с преобладанием нео­катанных зерен крупнее 200 мм.

Песчаные грунты (гравелистые, крупные, средние, мелкие, пылевид­ные) представляют собой продукт физического выветривания горных пород. Эти грунты обладают хорошей дренирующей способностью и представляют собой наилучший материал для основания и тела зем­ляного полотна.

Глинистые грунты — связные мелкодисперсные грунты, содержащие более 25 % глинистых частиц с числом пластичности более 27. В зави­симости от числа пластичности и содержания песчаных частиц разли­чают супеси, суглинки и глины.

Лесс — мелкозернистый грунт, состоящий из мельчайших зерен квар­ца, глинистых минералов и кальция с примесью слюды и других мине­ралов. В естественном состоянии лесс имеет невысокую влажность, зна­чительную прочность и способен продолжительное время удерживать крутые, почти вертикальные откосы. При насыщении водой (влажность более 10 %) связность грунта нарушается и он может проседать даже под действием собственного веса.

Основные характеристики грунтов: плотность грунта, пористость грунта, весовая влажность, консистенция (влагосодержание по отношению к пределам текучести и раскатывания), коэффициент бо­кового расширения (коэффициент Пуассона), коэффициент фильтрации, угол внутреннего трения (коэффициент внутреннего трения), сцепление.

Влажность — выраженное в долях (или процентах) отношение ко­личества воды (по массе или объему), содержащейся в грунте, к массе абсолютно сухого грунта.

Удельный вес грунта — отношение веса грунта, включая вес воды в по­рах, к занимаемому грунтом объему, включая поры. Удельный вес сухо­го грунта — отношение веса сухого грунта ко всему занимаемому грун­том объему; удельный вес частиц грунта — отношение веса частиц грун­та к объему твердой части этого грунта.

Способность грунта пропускать через поры воду под влиянием на­пора называется водопроницаемостью.

По водопроницаемости грунты и горные породы подразделяют на:

• водопроницаемые (песок, галька, гравий, трещиноватые горные породы);
• полупроницаемые (супеси, легкие суглинки, лесс, пористые песча­ники и известняки);
• водонепроницаемые или водоупоры (глины, тяжелые суглинки, плот­ные горные породы). К дренирующим грунтам относятся грунты, име­ющие при максимальной плотности коэффициент фильтрации не ме­нее 0,5 м в сутки.

При положительных температурах грунт может состоять из трех (твер­дые минеральные частицы, образующие скелет грунта, вода и воздух) или двух (твердые частицы и вода) фаз. При отрицательных температу­рах в состав грунта входят не только минеральные частицы, вода, газы, но и лед. Если поры грунта не полностью заполнены водой, то в них всегда имеется водяной пар, который передвигается из областей с по­вышенным давлением в области с более низким давлением.

В грунтах может находиться вода в связанном состоянии с твердыми частицами или в свободном виде.

Связанная вода удерживается на поверхности твердых минеральных частиц грунта силами молекулярного притяжения настолько прочно, что ее считают входящей в состав самой частицы (гигроскопическая вода). За слоем гигроскопической воды вокруг твердой минеральной частицы находится слой воды, в виде обволакивающей частицу пленки (пленоч­ная вода), которая удерживается также молекулярными силами, быстро убывающими по мере удаления от поверхности частицы (рыхлосвязан­ная вода). Пленочная вода не перемещается под влиянием силы тяжес­ти, а движется от толстых пленок к тонким. Вода, заполняющая поры в грунте за пределами сил молекулярного притяжения и перемещающа­яся независимо от них, является свободной. Свободные воды атмосфер­ного происхождения, не имеющие постоянного горизонта, называются верховодкой, а грунтовые воды с установившимся горизонтом — грави­тационными (капиллярными). Гравитационная вода перемещается в грунте под действием силы тяжести.

Грунтовая вода — безнапорная подземная вода первого от поверхно­сти водоносного горизонта с сезонными изменениями уровня и дебита. Грунтовые воды могут быть напорными, когда они заполняют все попе­речное сечение водоносного пласта и находятся под гидростатическим давлением.

Поверхность земляного полотна и полосы отвода планируют так, чтобы вода имела возможность свободного и быстрого оттока от земля­ного полотна в стороны или в специальные водоотводные устройства.