Види деформацій земляного полотна
Міцність ґрунтів земляного полотна різко змінюється під впливом фізико-хімічних процесів. Зволоження глинистих ґрунтів, наприклад, може стати причиною переходу їх з твердого стану в пластичне і навіть плинне. Під впливом динамічних навантажень (вібрації, удари) грунти, взаємодіючи з міститься в них водою, стають нестійкими. Промерзання і відтавання їх супроводжуються об'ємними і міцності змінами. Ці зміни в поєднанні з помилками і невдалими рішеннями при проектуванні, спорудженні та експлуатації іноді призводять до катастрофічних наслідків.
У земляному полотні і його підставі під дією поїзного навантаження, власної ваги та під впливом атмосферних факторів виникають пружні і залишкові деформації. Накопичення залишкових деформацій при певних умовах експлуатації може призвести до порушення цілісності земляного полотна або окремих його частин. Деформації можуть бути постійними і тимчасовими, розвиватися повільно і рівномірно або швидко і нерівномірно. Бувають і раптові деформації.
Основні види деформацій земляного полотна:
- деформації основного майданчика;
- безодні;
- осідання і випирання;
- розповзання;
- провали;
- зсуви і зрушення;
- обвали;
- осипи;
- лавини;
- розмиви та підмиви;
- ушкодження і захаращення.
Деформації основного майданчика земляного полотна
Основні види деформацій основного майданчика земляного полотна:
Розвитку цих деформацій сприяють перезволоження грунтів при відтаванні або скупчення води, яка випадає у вигляді атмосферних опадів, в западинах під шпалами, на основному майданчику через незадовільного утримання або недостатньої товщини баластного шару, несправності водовідвідних пристроїв (кюветів, лотків), використання непридатних грунтів або недостатнього їх ущільнення при спорудженні земляного полотна.
Поглиблення в основному майданчику земляного полотна, розташовані під шпалами, називають баластними баняками (рис. 1, а). Вони утворюються через нерівномірне передачі тиску від шпал на земляне полотно при недостатній товщині баластного шару і несучої здатності грунту. У міру поглиблення і розширення корита зливаються і утворюють так звані баластні ложа (рис. 1, в).
При неоднаковою щільності ґрунту основного майданчика або через відсипання земляного полотна різними грунтами баласт в менш щільних місцях вдавлюється, утворюючи так звані баластні гнізда (рис. 1, г). Значне місцеве поглиблення ложа називається баластовим мішком (рис. 1, б). Глибина баластних лож зазвичай не більше 1 м; гнізда і мішки розвиваються в глибину до 3 м і більше.
а) Баластне корито: 1 - корито; 2 - баластний шар; 3 - глинистий грунт; 4 - контакт баласту і глинистого грунту
б) Баластний мішок: 1 - баластний мішок; 2 - построечний профіль; 3 - випинання ґрунту внаслідок утворення баластного мішка; 4 - глинистий грунт; 5 - контакт баласту з глинистим грунтом
в) Баластне ложе: 1 - ложе; 2 - баластний шар; 3 - глинистий грунт; 4 - контакт баласту і глинистого грунту
г) Баластне гніздо: 1 - баластні гніздо; 2 - построечний профіль; 3 - випинання ґрунту внаслідок утворення баластного гнізда; 4 - глинистий грунт; 5 - контакт баласту з глинистим грунтом
Мал. 1 - Деформації основного майданчика земляного полотна
Наявність баластних корит і лож навесні і в періоди дощів призводить до осіданням шляху, а взимку - до появи глибин. На ділянках з глибокими баластними гніздами можливі спливи і обвали верхньої частини укосів.
Баластні корита і неглибокі ложа можна ліквідувати зрізанням всього верху полотна нижче дна корит і лож на 20-25 см і засипанням його крупно-і середньозернисті піском або шлаком. Цей спосіб радикальний, але дорогий і пов'язаний з перервами руху поїздів. Широке поширення набуло більш дешеве осушення корит і неглибоких лож зрізанням частини земляного полотна з подальшим засипанням піском (рис. 2).
Глибші ложа, баластні мішки і гнізда іноді осушують поперечними прорізами, що заповнюються піском (дивіться рис. 2). При великій глибині прорізу коштують дорого і тому доцільно відводити воду з глибоких мішків і гнізд горизонтальної дренажної трубою, яку заводять збоку спеціальною машиною горизонтального буріння. Кращі результати при осушенні гнізда досягаються забиванням з укосу похилих металевих труб (з отворами в стінках).
1) Часткова зрізка для осушення земляного полотна
Мал. 2 - Заходи боротьби з заглибленнями
На станційних коліях з огляду на труднощі осушення заглиблень основного майданчика земляного полотна рекомендується ліквідувати корита і ложа вирізкою забрудненого грунту та трамбуванням чистого (рис. 3).
Мал. 3 - Вирізка забрудненого баласту на станції
Обдиманням грунтів називають загальне або місцеве підняття земної поверхні в результаті промерзання грунту і збільшення в обсязі замерзає в ньому води. При неоднорідності ґрунту основного майданчика і різних умовах попадання води висота підняття грунту по довжині шляху неоднакова, тому на поверхні земляного полотна утворюються нерівності (горби, западини і перепади), звані безоднями (рис. 4). Відповідно до цього спотворюється і рейкова колія. Рух по спотвореної так колії стає небезпечним. Вирівнювання спотвореного безоднями профілю колії - дуже трудомістка робота.
- поверхневі (верхові, баластні);
- грунтові (корінні).
Мал. 4 - Безодня
Поверхневі безодні (баластні) з'являються на початку зими при замерзанні води в забрудненому баласті і в поглибленнях основного майданчика земляного полотна. Висота цих глибин 2-4 см. Навесні зазвичай з'являються весняні безодню просадки внаслідок перезволоження і різкого зниження несучої здатності відтають грунтів.
Заходи боротьби з баластними безоднями і весняними безодню просадками:
- вирівнювання основного майданчика земляного полотна;
- заміна або очищення забрудненого баласту;
- усунення застою води на земляному полотні (прочищення кюветів, зрізка нашарування грунту і брудного баласту на узбіччях, усунення різних западин на основному майданчику);
- збільшення товщини баластного шару.
Грунтові безодні утворюються при замерзанні в обдимають грунтах води, не тільки що була до початку зими в зоні промерзання, але і води, що надходить з нижче лежачих талих шарів грунту протягом усього періоду промерзання. Вони з'являються після поверхневих глибин при більш глибокому промерзанні грунту і досягають висоти 100-200 мм.
Причини появи грунтових глибин. неоднорідні грунти в промерзають частини земляного полотна, по-різному зволожуємо, з неоднаковою інтенсивністю пучения; безстічні нерівності в глинистому ґрунті через місцевого недобору або перебору його при будівництві, а також з-за баластних лож, мішків і гнізд. Осадка грунтових глибин триває до повного відтавання грунту.
Основні способи ліквідації грунтових глибин:
- осушення грунту зі зниженням рівня грунтових вод нижче горизонту промерзання;
- теплоізоляція грунту - пристрій теплоізоляційної подушки з азбестового баласту;
- укладка пінопластових плит на основний майданчик земляного полотна;
- под'емкі шляху на піщаний баласт або шлак;
- заміна пучинистого грунту грубозернистим і середньої крупності чистим піском.
Далі більш детально розглянемо кожен з цих способів.
Осушення грунту зі зниженням рівня грунтових вод застосовують, якщо рівень вільної грунтової води розташований вище горизонту промерзання в грунтах з невеликою молекулярною вологоємністю. Для цього влаштовують односторонні і двосторонні подкюветние або закюветні дренажі. Глибину закладення дренажу встановлюють так, щоб із зони промерзання була виведена не тільки вільна, але і пов'язана з нею капілярна вода. З розрахункової схеми двостороннього дренажу (рис. 5) видно, що глибина його закладення, рахуючи від дна кювету,
де Р - глибина промерзання;
е - запас, що враховує можливі коливання глибини промерзання і приймається за місцевими умовами, але не менше 0,15 м;
d - висота капілярного підняття за даними лабораторного дослідження (орієнтовно для пісків d = 0,2 м, для супісків 0,30 м, для суглинків і глин 0,35-0,5 м);
f - стріла підйому кривої депресії; величина її може бути прийнята за середнім ухилу I кривої депресії: f = m · I;
I - для пилуватих пісків дорівнює близько 0,02, супесей 0,02-0,05, суглинків 0,05-0,10, глин 0,10-0,15;
m - відстань від осі колії до стінки дренажу;
h0 - товщина шару води, зібраної дренажем (відстань від дна дренажу до верху труби);
К - відстань від дна кювету до поверхні баластної призми.
Дана формула справедлива і для одностороннього дренажу з урахуванням того, що стріла підйому кривої депресії f визначається для перетину, віддаленого від зовнішнього торця далекої шпали на відстань 0,2-0,5 м в сторону поля.
Мал. 5 - Поперечний перетин двостороннього дренажу: 1 - горизонт води до зниження; 2 - горизонт промерзання; 3 - водоупорами
Теплоізоляція грунту полягає в укладанні під баласт матеріалу малої теплопровідності шаром такої товщини, щоб грунт під ним не замерзав. На дорогах РФ для цієї мети використовують просіяний вугільний котельний шлак крупністю 2-30 мм і азбестові відходи. Товщина виразний шлаковой подушки Z визначається розрахунком в залежності від термічних характеристик шлаку і глибини промерзання, але її приймають не менше 0,4 м:
де Σt - середня за багато років сума абсолютних значень середньомісячних зимових негативних температур повітря, 0 ° С;
n - для глинистих і суглинних грунтів n = 1, а для супісків, дрібних і пилуватих пісків n = 1,2.
При влаштуванні шлакових подушок треба обов'язково відводити від них воду в поглиблені кювети або дренажі траншейного типу (рис. 6, а), а також плавно з'єднувати подушку з грунтом земляного полотна в подовжньому напрямку (рис. 6, б) на довжині l. рівній
де h - висота рівномірного пучения;
i - ухил відведення від неліквідованими рівномірного пучения до невспученному ділянці, що дорівнює 0,001-0,0025.
Мал. 6 - Укладання шлаковой подушки: а - поперечний переріз; б - поздовжнє; 1 - поглиблений кювет; 2 - засипка місцевим грунтом, 3 - шар крупнозернистого піску або щебеню товщиною 0,2 м; 4 - баластний шар; 5 - шлаковая подушка
Укладання пінопластових плит на основний майданчик земляного полотна тягне за собою виведення зони промерзання із зони пучения. Під керівництвом Г. М. Шахунянца покриття з пінопластових плит розміром 2 × 2 м і товщиною 5-5,5 см з 1972 р укладали на дорогах, і отримані позитивні результати.
Под'емкі шляху на баласт або шлак заснована також на принципі видалення пучинистого грунту із зони промерзання. Висоту под'емкі встановлюють спеціальними розрахунками. Виробництво робіт в цьому випадку простіше і дешевше, ніж врізка шлаковой подушки.
Заміна пучинистого грунту непучиністим на всю глибину промерзання доцільна при будівництві. В експлуатаційних умовах з огляду на велику трудомісткість і необхідність в тривалих «вікнах» вона застосовується рідко.
Інші види деформацій земляного полотна
Осідання земляного полотна відбуваються або внаслідок ущільнення грунту основи під навантаженням від маси насипу і поїздів, що проходять, або через випирання грунту з-під підстави насипу (рис. 7). У першому випадку осідання шляху виправляють под'емкі на баласт протягом всього періоду ущільнення. У другому випадку відсипав привантажувальної берми, що перешкоджають випирання грунту. Якщо недостатня несуча здатність підстави викликала високою вологістю ґрунту, то вживаються заходи до його осушенню. Осідання можуть виникати також над гірничими виробками через деформацію кріплення шахт і штолень.
Мал. 7 - Осідання насипу: 1 - випинання слабких грунтів в основі; 2 - недостатнє ущільнення грунту (основу насипу незмінно); 3 - навантажувальний присипки грунту або каменю
Розповзання насипу виникає, головним чином, через грубі порушення технічних умов на спорудження земляного полотна, наприклад, насип споруджена з мокрих грунтів або взимку з грунтів з грудками мерзлої глини. До відновлення нормального профілю расползшійся грунт осушують зазвичай поперечними дренажними прорізами.
Провали насипів трапляються внаслідок розриву торф'яної кірки на болотах (рис. 8), а також з-за розриву покрівлі над гірничими виробками. При відновленні зруйнованої насипу вживаються заходи для її стабілізації або траса переноситься в обхід провалу.
Щоб уникнути провалів земляного полотна, порожнечі від шахтних виробок або карстові воронки закладають породою або дренирующим грунтом.
Мал. 8 - Провал насипу
При обвали відбувається падіння з перекиданням ґрунтових мас (рис. 9). Обвали окремих каменів і брил, а також снігу, каміння і снігові лавини, осипи продуктів руйнування в гірських районах можуть захарастила шлях. Для попередження і боротьби з цими явищами створюються спеціальні проекти.
Мал. 9 - Обвал скельної породи: а - завал шляху; б - уловлює стіна з кам'яної кладки; 1 - вивітрюється скеля; 2 - стіна; 3 - вікно для випуску води; 4 - фільтр; 5 - амортизує засипка
Зсуви - це переміщення грунту по грунту без падіння або перекидання смещающихся мас. Зсувні процеси іноді поширюються на великі райони. Зсуви можуть відбуватися в однорідних грунтах при великій крутизні схилів і укосів і в результаті надмірного зволоження, а також в різнорідних грунтах, коли поверхня ковзання зумовлена геологічною структурою схилу (рис. 10) і якщо недостатня міцність і стійкість нижче лежачих похило розташованих шарів.
Заходи щодо стабілізації зсувних ділянок проектують на основі інженерно-геологічних обстежень індивідуально для кожного косогору.
У комплекс протизсувних заходів зазвичай включають:
- зменшення вологості ґрунтів зсувного схилу;
- планування територій та закладення тріщин;
- регулювання поверхневого і підземного стоку води;
- зміцнення ґрунтів рослинний покрив чи іншими способами;
- спорудження пристроїв, що підтримують і розвантажують зсувній масив;
- берегоукріплювальні заходи.
Мал. 10 - Зсув на косогорі: 1 - початкове положення укосу; 2 - сповз масив грунту; 3 - площина ковзання
Для запобігання зрушень і спливов укоси насипів та виїмок (рис. 11 і 12) роблять більш пологими, зміцнюють нестійкі укоси деревної, чагарникової, трав'яною рослинністю, осушують грунт насипів, відсипав контрфорси і контрбанкети. Щоб підвищити опір зрушенню, перехоплюють інформацію, що надходить до укосів воду і відводять її за межі насипу, осушують і зміцнюють в'яжучими розчинами баластні ложа, мішки, гнізда.
Мал. 11 - спливов укосу виїмки