Земляное полотно Земляное полотно одно из

Земляное полотно

Земляное полотно – одно из самых сложных инженерных сооружений железнодорожного транспорта. Сложность определяется характерными особенностями основного материала – грунта: • изменчивостью характеристик грунта во времени и пространстве в зависимости от изменений природных и техногенных факторов; • нелинейностью связей между напряжениями и деформациями.

Природно-климатические воздействия Свойства грунтов ЗП Подвижной состав

Основные требования, предъявляемые к земляному полотну: • земляное полотно должно быть прочным, устойчивым, надежным и долговечным; • расходы на его устройство и содержание должны быть минимальными при максимальной возможности механизации и автоматизации работ; • обеспечивать быстрый отвод атмосферной воды с поверхности земляного полотна при минимальной впитываемости в грунты.

В комплекс сооружений земляного полотна входят: • собственно земляное полотно; • устройства для перехвата и отведения поверхностных вод; • сооружения для перехвата и отведения подземных вод; • сооружения для защиты земляного полотна от разрушений и повреждений (подпорные стенки, волнобойные стенки, струенаправляющие дамбы, запруды); • укрепительные сооружения и сооружения для защиты от природных воздействий.

Типы поперечных профилей земляного полотна • • • насыпи, выемки, нулевые места, полунасыпи, полувыемки, полунасыпи-полувыемки.

- насыпь - выемка - нулевое место - полунасыпь - полувыемка - полунасыпь-полувыемка

Основная площадка земляного полотна Для обеспечения стока атмосферной воды, проникающей через балластный слой, основной площадке земляного полотна придается выпуклая форма: - трапецеидальная для однопутных линий; - двухскатная – для двухпутных (устраивается так называемая сливная призма). Трапецеидальная форма сливной призмы на однопутных линиях принята для того, чтобы при укладке на нее рельсошпальной решетки до балластировки - шпала не сломалась под поездом (опираясь серединой на бугор); - не образовывались замкнутые углубления от вдавливания шпал в грунт (ширина сливной призмы поверху 2. 3 м, что меньше длины шпалы, концы шпал будут свисать).

Однопутный участок Шпала Балластная призма обочина 2. 3 b 0. 15

Двухпутный участок 4. 1 b/2 0. 20

Конструкции земляного полотна • Типовые конструкции: проверены опытом строительства и эксплуатации, применяются без обоснования инженерными расчетами - при простых инженерно-геологических, гидрологических и других условиях; - при возведении из обычных грунтов ((дренирующих); - при прочном основании; - при рабочих отметках до H = 12 м и в некоторых других случаях. • Групповые проекты (поперечные профили земляного полотна) разрабатываются для групп сходных объектов на участках со сложными, но многократно повторяющимися на данной линии инженерногеологическими условиями. Они требуют индивидуального обоснования на основе серийных расчетов сходственности параметров или интегральных характеристик.

Конструкции земляного полотна • Индивидуальные проекты разрабатываются для объектов земляного полотна, сооружаемых в сложных физико-географических, климатических и инженерногеологических условиях: - для насыпей и выемок при H > 12 м; - для пойменных насыпей на мостовом переходе; - для насыпей на участках со слабым и просадочным основанием; - на участках, подверженных мерзлотным явлениям. Требуются детальные инженерно-геологические изыскания, определение физико-механические и прочностные свойства грунтов, а все принимаемые решения обосновываются инженерными расчетами.

Групповой поперечный профиль выемки глубиной Н≤ 12 м в глинистых грунтах твердой и полутвердой консистенции

Проектировании поперечных профилей земляного полотна Основное требование при проектировании поперечных профилей - обеспечение устойчивости откосов насыпей и выемок с учетом необходимого запаса, обусловленного несовершенством расчетных схем и недостаточной точностью расчетных параметров грунта. Запроектированный профиль должен быть экономичным (обеспечивать минимум земляных работ без излишних запасов).

Расчет устойчивости откосов насыпи Пользуясь типовыми решениями, намечают первый вариант поперечного профиля пойменной насыпи. • Ширину основной площадки принимают в зависимости от категории линии и характеристик используемых грунтов: • Крутизна откосов насыпи принимается 1: 1. 5 в верхней ее части высотой до 6 м и 1: 1. 75 при высоте от 6 до 12 м. • В пойменных насыпях при высоте насыпи более 12 м для повышения их устойчивости устраивают бермы. В первом варианте ширину бермы обычно принимают 4 м, крутизну откоса бермы 1: 2.

Основные характеристики грунтов • удельный вес γ ; • удельное сцепление с; • угол внутреннего трения φ.

Общий случай расчета устойчивости (модель проф. Шахунянца) Массив грунта блока смещения с внешними нагрузками вертикальными плоскостями условно делится на отдельные части (отсеки) так, чтобы в пределах отсека поверхность возможного смещения можно было бы заменить плоскостью с длиной li. Устойчивость возможного блока смещения в данной модели определяется из условия равновесия сил удерживающих от сдвига к силам, стремящимся 7 его сдвинуть. 8 В А 3 4 Tсд 5 6 Q Туд N 2 1

I Равновесие одного i–го отсека блока смещения. Схема действующих на отсек внешних и внутренних сил II Ц. т. Ti Еi Ei-1 Ni Qi fi. Ri cili i li Ri II Qi – сила веса i-го отсека (с учетом внешней нагрузки); в простейшем случае Qi = i 1 i, (1) где i и i – площадь и удельный вес грунта i-го отсека; сила веса Qi раскладывается на две силы: нормальную Ni и тангенциальную Ti к плоскости основания отсека Ni = Qi cos i ; Ti = Qi sin i, (2) где i – угол наклона основания i-го отсека к горизонту; Ei-1 и Ei – силы, заменяющие действие на i-й отсек соответ. I ственно вышележащей и нижележащей части массива блока смещения; Ri – нормальная реакция основания; cili – сила сцепления (ci – удельное сцепление грунта основания отсека, li – длина основания отсека), fi. Ri – сила внутреннего трения (fi – коэффициент внутреннего трения, fi = tg i, i - угол внутреннего трения грунта).

Схема модели (круглоцилиндрическая поверхность смещения) • Коэффициент устойчивости определяется как соотношение момента удерживающих сил к моменту сдвигающих сил После сокращения на величину R получим расчетную формулу Терцаги

Влияние воды на устойчивость откосов • • • Насыщая грунт, вода существенно изменяет его свойства: удельный вес грунта, параметры сопротивления сдвигу (удельное сцепление c и угол внутреннего трения φ), при фильтрации в грунте возникают дополнительные фильтрационные силы. Все это, как правило, уменьшает запасы устойчивости При расчетах устойчивости пойменных насыпей в качестве расчетного принимают следующий случай: после длительного подъема и стояния паводка водопроницаемый грунт насыпи оказывается насыщенным до отметки наивысшего уровня воды (НУВ); при начале спада паводка вода из поймы уходит быстро и начинается ее эксфильтрация (вытекание) из тела насыпи под действием сил гравитации; при этом верхний уровень воды очерчивается кривой депрессии, ниже ее располагается зона сплошного насыщения грунта водой; над ним располагается зона сплошного капиллярного насыщения; выше находится зона естественной влажности грунта.

Схема насыщения насыпи при паводке Влияние воды на устойчивость в рамках расчетной схемы учитывается следующим образом: удельный вес: - выше уровня капиллярного насыщения (площадь отсека I) определяется фактической величиной с учетом естественной влажности

Схема насыщения насыпи при паводке (продолжение) В зоне сплошного капиллярного насыщения вода является дополнительной нагрузкой и удельный вес грунта увеличивается. = бр = ( s + e · в) / (1 + e) В зоне сплошного насыщения грунта водой проявляется взвешивающее действие воды и удельный вес грунта уменьшается (при водопроницаемом основании). = взв = ( s – в) / (1 + e) параметры сопротивления сдвигу грунта во II и III зонах снижаются (удельное сцепление c и угол внутреннего трения φ). CII, III = 0. 75 – 0. 50 CI, φII, III = 0. 85 – 0. 75 φI.

Силы, удерживающими грунт насыпи от смещения • силы сцепления грунта по линии смещения, равные ci · l i , где ci - удельное сцепление грунта, li – длина основания i-ого отсека в плоскости чертежа, м; • силы внутреннего трения грунта, равные fi · Ni, где fi – коэффициент внутреннего трения, fi = tg i i - угол внутреннего трения грунта, Ni - нормальное давление на поверхность смещения от веса грунта i-ого отсека; • тангенциальные составляющие веса i-ых отсеков грунта, направленные в сторону, обратную направлению возможного смещения, Ti-уд Ti = Qi · sin i.

Силы, стремящиеся сдвинуть блок грунта • тангенциальные составляющие веса отсеков, направленные в сторону возможного смещения, Ti-сдв • фильтрационное давление, возникающее при эксфильтрации пойменной воды из грунта насыпи (давление движущейся в порах воды на частицы грунта)

Коэффициент устойчивости откосов подтопляемой насыпи ( ci · li + Ni · fi + |Ti-уд | ) · cos i / cos ( i - i) K = ——————————------- Ti-сдв · cos i / cos ( i - i) + Do

Нормативные коэффициенты устойчивости • для скоростных и особо грузонапряженных линий [K] = 1. 25, • для линий I и II категорий - [K] = 1. 20, • для линий III категории - [K] = 1. 15; • для линий IY категории – [K] =1. 10. Если K > [K], устойчивость насыпи будет обеспечена

Дефекты и деформации земляного полотна

Виды природных воздействий • Вода - атмосферная - паводковая - подземные • Температура • Гравитационные процессы

Основные причины деформаций • • некачественное проведение ремонтов; плохое содержание водоотводов; низкое качество строительства; отсутствие комплексной системы диагностики и усиления ЗП; • недостаток техники для ремонта земляного полотна.

ДЕФЕКТЫ И ДЕФОРМАЦИИ ОСНОВНОЙ ПЛОЩАДКИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

1. Балластные корыта / — балластное корыто; 2 — балластный слой; 3 — глинистые грунты; 4 — контакт балласта и глинистых грунтов

2. Балластные ложа

3. Балластные мешки / — балластный мешок; 2 — построечный поперечный профиль; 3 — выпор грунта вследствие образования балластного мешка; 4 — глинистые грунты; 5 — контакт балласта и глинистых грунтов

4. Балластные гнезда / — балластные гнезда; 2 — построечный поперечный профиль; 3 — выпор грунта вследствие образования балластного гнезда; 4 — глинистые грунты; 5 — контакт балласта и глинистых грунтов

5. Термокарстовые понижения и провалы на мари и земляном полотне / — водоотводная канава; 2 — термокарстовое понижение у подошвы откоса насыпи; 3 — термокарстовый провал; 4 — верхняя граница вечной мерзлоты

Весенние пучинные просадки

. Пучины

Дефекты и деформации откосов

2. Сплывы откосов выемок

3. Сплывы откосов насыпей

Оползание откосов насыпи

Защита земляного полотна от неблагоприятных природных воздействий

Мероприятия по защите земляного полотна от неблагоприятных природных воздействий Структура мероприятий Мелиорация грунта Регулирование поверхностного подземного тепловых стока процессов Планировка Биологические дренажи Теплозащитные устройства и покрытия Защита от размывов, волноприбоя и фильтрации Дренажи временного действия Охлаждающие устройства Водосборноводоотводные сооружения Гравитационные дренажи Регулирование гравитационных процессов Террасирование Поддерживающие сооружения Удерживающие сооружения

Регулирование поверхностного стока • Планирование поверхности • Защита от размывов • Водосборные и водоотводные устройства

Защита от размывов и инфильтрации Способы зависят от скорости течения воды!!! Планировка – придание таких уклонов элементам ЗП, позволяющие избежать их размывов

Защита посевом трав • Применяются многолетние злаковые. Стебли предотвращают размыв, корневая система армирует грунт. Ускоряется испарение. • Для закрепления семян производится мульчирование (опилками, торф. крошкой) • Использование обрешетки

Обрешетки дерна • Если откосы сложены переувлажненными пылеватыми грунтами либо есть вероятностью смыва семян до образования устойчивого травяного покрова, их посев производится в железобетонных обрешетках, объемных георешетках или в специальных матах. Обрешетки из жб Объемная георешетка Мат-путанка

Защита от размывов мощением, плитами, монолитным бетоном, габионами

Мощение для защиты от размывов откосов насыпей в зависимости от скорости выполняется из: • булыжного камня (одиночное или двойное на щебеночной подготовке) • покрытие крупнообломочным грунтом,

Примеры укрепления насыпи защитными призмами из горной массы

Каменная наброска на обратном фильтре 1 – основное укрепление; 2 – облегченное укрепление; 3 – обратный фильтр

Двухслойная каменная наброска на геотекстиле 1 – рисберма; 2 – геотекстиль; 3 – песчано-гравийная смесь;

Зашита из плит с открытыми швами 1 – рисберма; 2 – бетонный упор; 3 – геотекстиль; 4 – облегченное укрепление; 5 – бетонные плиты; 6 – песчаная или гравийная подготовка

Защита из габионов

Габионные структуры

1. 2. Конструкции водоотводных устройств • канавы • лотки • быстротоки

Канавы (типы сечений)

Лотки (индустриально изготовленные конструкции) • Применяют вместо канав в следующих случаях: • в стесненных условиях; • при нарушении канавами; благоустройства территории; • на раздельных пунктах.

Водоотводные лотки • а) Железобетонные б) Композитные • рамной конструкции бесраспорные секционные 0, 72 м 0, 14 м 0, 15 м 1, 00 м 0, 60 м 1, 00 м 0, 57 м 0, 80 м 0, 50 м

Быстротоки (применяются при больших уклонах)