Земляное полотно (лекция 2,3)

1.

Земляное полотно
1

2.

-Назначение земляного полотна и требования к
-Поперечные профили ж.д линий на перегонах,
станциях
-Водосборные, водоотводные и дренажные устройства
-Деформации
земляного
полотна,
меры
их
предотвращения
-Полоса
отвода
железной
дороги
2

3.

Земляное полотно – это комплекс грунтовых сооружений,
являющихся основанием для верхнего строения пути.
Назначение земляного полотна – воспринимать давление от
подвижного состава, передаваемое через элементы верхнего строения
пути, защищать от разрушения и обеспечивать стабильность, как самого
земляного полотна, так и железнодорожного пути в целом.
Верхнее строение пути непосредственно на земную поверхность не
укладывают. Нужно предварительно убрать растительный слой,
обладающий очень низкой несущей способностью, и произвести
выравнивание земной поверхности по всей трассе срезками грунтов в
одних местах и подсыпками в других. При этом устраивают различные
водоотводные, противоразмывные и другие укрепительные сооружения,
придают верху и откосам земляного полотна соответствующие уклоны,
чтобы на них не задерживалась вода и не происходило осыпание грунта.
В горных местностях, где требуются очень глубокие срезки грунта,
вместо них часто прокладывают тоннели, а там, где необходимы очень
высокие досыпки грунтов, устраивают высокие мосты – виадуки. В
местах пересечений железных дорог с трамвайными путями или
автомобильными дорогами сооружают путепроводы
3

4.

Земляное полотно работает в сложных условиях, находясь с одной стороны,
под воздействием динамических нагрузок, и, с другой, под постоянным
воздействием агентов природы – влаги, температуры, ветра и других. Поэтому при
сооружении и эксплуатации земляного полотна приобретает особое значение
регулирование человеком сил природы в нужном направлении.
Чтобы противостоять этим воздействиям, земляное полотно должно обладать
следующими свойствами:
• высокой прочностью, надежностью и долговечностью;
• способностью выдерживать поездную нагрузку без каких-либо разрушений и
допускать лишь упругие деформации, исчезающие после снятия нагрузки.
Остаточные изменения должны быть столь ничтожными, чтобы поддержание
земляного полотна в постоянной исправности не требовало больших трудовых
затрат и производилось без длительных перерывов в движении поездов;
• иметь надежную защиту от разрушающего воздействия воды, ветра и других
природных факторов, не допускать неравномерных вспучиваний при промерзании
грунтов и неравномерного оседания при оттаивании;
• допускать, как правило, использование для сооружения местных грунтов, в
том числе в качестве основания;
• иметь конструкцию, благоприятствующую широкому применению средств
механизации как при сооружении, так и при эксплуатации.
4

5.

Все защитные, укрепительные и водоотводные устройства земляного
полотна должны в возможно лучшей мере отвечать своему назначению,
обладать продолжительным сроком службы, не требовать больших затрат
на сооружение и содержание в процессе эксплуатации. Сооружение их
необходимо предусматривать при возможности из местных и
недефицитных материалов.
Важнейшим условием прочности и устойчивости земляного полотна
является наличие постоянно исправно действующих водоотводных
сооружений, являющихся составной частью земляного полотна,
обеспечивающих сток к ним воды, как с прилегающей территории, так и
выпавшей на поверхность земляного полотна.
Значителен удельный вес земляного полотна и по стоимости среди
основных сооружений железнодорожного транспорта. Так, из общей
стоимости 1 км строительной длины дороги на земляное полотно
приходится более 25%.
5

6.

Поперечные профили земляного полотна
Поперечным профилем земляного полотна называется его поперечный разрез
вертикальной плоскостью, перпендикулярной продольной оси пути.
Поверхность земляного полотна, на которую укладывают верхнее строение пути,
называется основной площадкой.
Линии пересечения основной площадки с откосами называются бровками
земляного полотна.
Расстояние между бровками представляет собой ширину основной площадки.
Боковые части основной площадки, не прикрытые балластом, называются
обочинами.
Типы поперечных профилей земляного полотна:
насыпь (рис. 1, а) – основная площадка расположена выше земной поверхности;
выемка (рис. 1, б) – основная площадка земляного полотна ниже поверхности
земли;
полунасыпь (рис. 1, в) и полувыемка (рис. 1, г) – основная площадка с одной
стороны совпадает с земной поверхностью, а с другой выше или ниже ее;
полунасыпь-полувыемка (рис. 1, д) – основная площадка с одной стороны выше,
а с другой ниже поверхности земли;
нулевое место (рис. 1, е) – основная площадка расположена на уровне земной
поверхности.
6

7.

Рис. 1 – Поперечные профили земляного полотна: а – насыпь;
б – выемка; в – полунасыпь; г – полувыемка; д – полунасыпьполувыемка; е – нулевое место
7

8.

Наиболее распространены на железных дорогах насыпи и выемки.
Нулевые места, которые хотя и неизбежны при переходе из выемки в
насыпь, при проектировании продольного профиля не допускаются и
заменяются насыпями высотой не менее толщины снегового покрова, но
не менее 0,6 м, так как путь на нулевых местах легко заносится снегом.
Крутизна наклонов боковых поверхностей – откосов выемок и
насыпей – зависит от их высоты или глубины и свойств грунта. Чем
прочнее грунт, тем круче могут быть откосы.
Поперечные профили земляного полотна делят на типовые и
индивидуальные. Типовые в свою очередь подразделяются на нормальные
и специальные.
Типовые нормальные поперечные профили – это такие профили,
которые применяются повсеместно при сооружении земляного полотна из
обычных грунтов, в обычных условиях и проверены многолетним опытом
их эксплуатации.
Типовые специальные профили применяются при наличии
некоторых особенностей местных условий, но встречающихся
сравнительно часто, например, при сооружении земляного полотна на
вечной
мерзлоте, в горных районах.
8

9.

Индивидуальные поперечные профили с обоснованием принятого
решения технико-экономическими расчетами проектируются в
следующих случаях:
• при высоте насыпей и глубине выемок свыше 12 м;
• на крутых или неустойчивых косогорах;
• при устройстве выемок в переувлажненных грунтах;
• на болотах;
• при разработке выемок способами взрыва на выброс;
• при возведении насыпей способом гидромеханизации и при прочих
неблагоприятных условиях.
Поперечные профили земляного полотна характеризуются шириной и
формой основной площадки, крутизной откосов, расположением
водоотводных устройств, высотой насыпей и глубиной выемок,
поперечным профилем земной поверхности в месте устройства земляного
полотна.
9

10.

Водосборные, водоотводные и дренажные устройства
Сбор и отвод поверхностных вод от земляного полотна
Для сбора и отвода поверхностных вод от земляного полотна
служат канавы и лотки.
Водоотводные канавы, как правило, имеют трапецеидальное
сечение, наиболее удобное для их устройства, ремонта и содержания.
При неустойчивых грунтах, а также при большой глубине канав для
сокращения объема земляных работ вместо канав устраивают лотки,
преимущественно железобетонные (рис. 2), каменные, бетонные, а в
местностях, богатых лесом, как исключение, – деревянные. Форма их
может быть различной: трапецеидальной, прямоугольной, полукруглой и
треугольной.
10

11.

Рис. 2 – Железобетонный лоток рамного типа: 1 – железобетонные плиты;
2 – заполнение песком; 3 – железобетонные рамы; 4 – цементная смазка; 5
– тощий бетон; 6 – песчано-щебеночная подготовка толщиной 5 см; 7 –
тощий
бетон; 8 – дренажные отверстия
11

12.

При крутом уклоне местности, чтобы не делать дорогостоящее укрепление канав,
последние проектируют с пологими уклонами, сопрягая отдельные участки быстротоками
или перепадами.
Перепад представляет собой устройство с одним или несколькими уступами,
позволяющими на относительно коротком расстоянии значительно понизить уровень
текущей воды (рис. 3). Та же цель может быть достигнута устройством быстротока (рис.
4), то есть короткого канала с большим продольным уклоном (i = 0,1÷0,8). В перепадах и
быстротоках течение воды достигает больших скоростей, поэтому в конце их сооружают
водобойные колодцы и уступы.
Рис. 3 – Двухступенчатый перепад с водобойными уступами
12
Рис. 4 – Железобетонный быстроток: 1 – входной участок;
2 – примыкание быстротока к трубе

13.

Отвод воды на станциях имеет особое значение, так как это
необходимое условие для обеспечения не только прочности и
устойчивости земляного полотна, но и всех станционных устройств.
Поверхностные воды, стекающие с нагорной стороны к станционной
территории, перехватываются нагорными канавами в выемках и
продольными водоотводными канавами у насыпей. Собранная вода
отводится к искусственным сооружениям или к пониженным местам.
Сбора и отвод воды, попадающей непосредственно на территории
путевого развития и площадки станционных устройств, применяют
систему продольных и поперечных водоотводов.
При пилообразном профиле земляного полотна станций в
пониженных междупутьях укладывают типовые сборные железобетонные
лотки глубиной 0,75–2 м. Собранная ими вода поступает в поперечные
подземные трубы – коллекторы и отводится ими на поверхность земли, во
внешний продольный водоотвод, в продольный коллектор станционной
или городской канализации. Дну лотка придают уклон 0,002–0,005. В
водораздельной точке глубина лотка должна быть не менее 0,25 м.
Расстояние между коллекторами устанавливается расчетами (не менее
100–200 м).
13

14.

При большом количестве осадков для облегчения стока на станциях к
продольным лоткам укладывают через 25–50 м междушпальные
деревянные или железобетонные лотки (рис. 5).
Рис. 5 – Междушпальный водоотводный лоток на станциях
От централизованных стрелочных переводов на щебеночном балласте
воду собирают вдоль границы их балластной призмы со стороны притока
поверхностных вод и выпускают ее в поперечные междушпальные лотки
глубиной 0,2 м.
На пассажирских, грузовых и технических станциях в черте городов с
развитой системой канализации возможно устройство продольного закрытого
14
водоотвода
из труб

15.

Деформации земляного полотна
Прочность грунтов земляного полотна резко меняется под
воздействием физико-химических процессов. Увлажнение глинистых
грунтов, например, может стать причиной перехода их из твердого
состояния в пластичное и даже текучее. Под воздействием динамических
нагрузок (вибрации, удары) грунты, взаимодействуя с содержащейся в них
водой, становятся неустойчивыми. Промерзание и оттаивание их
сопровождаются объемными и прочностными изменениями. Эти
изменения в сочетании с ошибками и неудачными решениями при
проектировании, сооружении и эксплуатации иногда приводят к
катастрофическим последствиям.
В земляном полотне и его основании под действием поездной
нагрузки, собственного веса и под влиянием атмосферных факторов
возникают упругие и остаточные деформации. Накопление остаточных
деформаций при определенных условиях эксплуатации может привести к
нарушению целостности земляного полотна или отдельных его частей.
Деформации могут быть постоянными и временными, развиваться
медленно и равномерно или быстро и неравномерно. Бывают и внезапные
деформации.
15

16.

Основные виды деформаций земляного полотна:
• деформации основной площадки;
• пучины;
• оседания( просадки) и выпирания;
• расползания;
• провалы;
• оползни и сдвиги;
• обвалы;
• осыпи;
• лавины;
• размывы и подмывы;
• повреждения и загромождения.
16

17.

Основные виды деформаций основной площадки земляного полотна:
• балластные корыта;
• ложи;
• мешки;
• гнезда.
Развитию этих деформаций способствуют переувлажнение грунтов при
оттаивании или скопление воды, выпадающей в виде атмосферных осадков,
во
впадинах
под
шпалами,
на
основной
площадке
из-за
неудовлетворительного содержания или недостаточной толщины балластного
слоя, неисправности водоотводных устройств (кюветов, лотков),
использования непригодных грунтов или недостаточного их уплотнения при
сооружении земляного полотна.
Углубления в основной площадке земляного полотна, расположенные под
шпалами, называют балластными корытами.
Они образуются из-за
неравномерной передачи давления от шпал на земляное полотно при
недостаточной толщине балластного слоя и несущей способности грунта.
По мере углубления и уширения корыта сливаются и образуют так
называемые балластные ложа .
17

18.

а) Балластное корыто: 1 – корыто; 2 –
балластный слой; 3 – глинистый грунт; 4 –
контакт балласта и глинистого грунта
б) Балластный мешок: 1 – балластный
мешок; 2 – построечный профиль; 3 –
выпирание грунта вследствие образования
балластного мешка; 4 – глинистый грунт; 5
– контакт балласта с глинистым грунтом
г) Балластное гнездо: 1 – балластное гнездо;
в) Балластное ложе: 1 – ложе; 2 – балластный 2 – построечный профиль; 3 – выпирание
слой; 3 – глинистый грунт; 4 – контакт
грунта вследствие образования балластного
балласта и глинистого грунта
гнезда; 4 – глинистый грунт; 5 – контакт
балласта с глинистым грунтом
18

19.

Наличие балластных корыт и лож весной и в периоды дождей
приводит к просадкам пути, а зимой – к появлению пучин. На участках с
глубокими балластными гнездами возможны сплывы и обвалы верхней
части откосов.
Балластные корыта и неглубокие ложа можно ликвидировать срезкой
всего верха полотна ниже дна корыт и лож на 20–25 см и засыпкой его
крупно- и среднезернистым песком или шлаком. Этот способ
радикальный, но дорогой и сопряжен с перерывами движения поездов.
Широкое распространение получило более дешевое осушение корыт и
неглубоких лож срезкой части земляного полотна с последующей
засыпкой песком (рис. 2).
Более глубокие ложа, балластные мешки и гнезда иногда осушают
поперечными прорезями, заполняемыми песком (смотрите рис. 2). При
большой глубине прорези стоят дорого и поэтому целесообразно отводить
воду из глубоких мешков и гнезд горизонтальной дренажной трубой,
которую заводят сбоку специальной машиной горизонтального бурения.
Лучшие результаты при осушении гнезда достигаются забивкой с откоса
наклонных металлических труб (с отверстиями в стенках).
19

20.

1) Частичная срезка для осушения земляного
2) Срезка бортов балластных корыт: а – на
полотна
насыпи; б – в выемке
3) Двусторонняя прорезь насыпи
20
4) Односторонняя прорезь: а – в насыпи с
выпуском воды на откос; б – в выемке с
выпуском воды в углубленный кювет

21.

На станционных путях ввиду трудности осушения углублений основной площадки
земляного полотна рекомендуется ликвидировать корыта и ложа вырезкой загрязненного
грунта и трамбованием чистого (рис. 3).
Рис. 3 – Вырезка загрязненного балласта на станции
21

22.

Пучением грунтов называют общее или местное поднятие земной
поверхности в результате промерзания грунта и увеличения в объеме
замерзающей в нем воды.
При неоднородности грунта основной площадки и различных
условиях попадания воды высота поднятия грунта по длине пути
неодинакова, поэтому на поверхности земляного полотна образуются
неровности (бугры, впадины и перепады), называемые пучинами (рис. 4).
Соответственно этому искажается и рельсовая колея. Движение по
искаженной так колее становится небезопасным. Выравнивание
искаженного пучинами профиля пути – очень трудоемкая работа.
Виды пучин:
• поверхностные (верховые, балластные);
• грунтовые (коренные).
22

23.

Поверхностные пучины (балластные) появляются в начале зимы при
замерзании воды в загрязненном балласте и в углублениях основной
площадки земляного полотна. Высота этих пучин 2–4 см.
Весной обычно появляются весенние пучинные просадки
вследствие переувлажнения и резкого понижения несущей
способности оттаивающих грунтов.
Меры борьбы с балластными пучинами и весенними пучинными
просадками:
• выравнивание основной площадки земляного полотна;
• замена или очистка загрязненного балласта;
• устранение застоя воды на земляном полотне (прочистка кюветов,
срезка наслоения грунта и грязного балласта на обочинах, устранение
различных впадин на основной площадке);
• увеличение толщины балластного слоя.
23

24.

Грунтовые пучины образуются при замерзании в пучащих грунтах воды, не
только имевшейся к началу зимы в зоне промерзания, но и воды, поступающей из
ниже лежащих талых слоев грунта в течение всего периода промерзания. Они
появляются после поверхностных пучин при более глубоком промерзании грунта
и достигают высоты 100–200 мм.
Причины появления грунтовых пучин: неоднородные грунты в
промерзаемой части земляного полотна, различно увлажняемые, с неодинаковой
интенсивностью пучения; бессточные неровности в глинистом грунте из-за
местного недобора или перебора его при строительстве, а также из-за балластных
лож, мешков и гнезд. Осадка грунтовых пучин продолжается до полного
оттаивания грунта.
Основные способы ликвидации грунтовых пучин:
• осушение грунта с понижением уровня грунтовых вод ниже горизонта
промерзания;
• теплоизоляция грунта – устройство теплоизоляционной подушки из
асбестового балласта;
• укладка пенопластовых плит на основную площадку земляного полотна;
• подъемка пути на песчаный балласт или шлак;
• замена пучинистого грунта крупнозернистым и средней крупности чистым
песком.
24

25.

Другие виды деформаций земляного полотна
Оседания земляного полотна происходят или вследствие уплотнения
грунта основания под нагрузкой от массы насыпи и проходящих поездов,
или из-за выпирания грунта из-под основания насыпи (рис. 7).
В первом случае просадки пути исправляют подъемкой на балласт в
течение всего периода уплотнения.
Во втором случае отсыпают пригрузочные бермы, препятствующие
выпиранию грунта. Если недостаточная несущая способность основания
вызвала высокой влажностью грунта, то принимаются меры к его
осушению.
Просадки могут возникать также над горными выработками из-за
деформации крепления шахт и штолен.
Рис. 7 – Оседание насыпи: 1 – выпирание слабых грунтов в основании; 2 –
недостаточное уплотнение грунта (основание насыпи неизменно); 3 –
пригружающие присыпки грунта или камня
25

26.

Расползание насыпи возникает, главным образом, из-за грубых
нарушений технических условий на сооружение земляного полотна,
например, насыпь сооружена из мокрых грунтов или зимой из грунтов с
комьями мерзлой глины. До восстановления нормального профиля
расползшийся грунт осушают обычно поперечными дренажными
прорезями.
Провалы насыпей случаются вследствие разрыва торфяной корки на
болотах (рис. 8), а также из-за разрыва кровли над горными выработками.
При восстановлении разрушенной насыпи принимаются меры для ее
стабилизации или трасса переносится в обход провала.
Чтобы избежать провалов земляного полотна, пустоты от шахтных
выработок или карстовые воронки закладывают породой или
дренирующим грунтом.
26

27.

При обвалах происходит падение с опрокидыванием грунтовых масс
сверху.(рис. 9). Обвалы отдельных камней и глыб, а также снега, каменные
и снежные лавины, осыпи продуктов разрушения в горных районах могут
загромоздить путь. Для предупреждения и борьбы с этими явлениями
создаются специальные проекты.
Рис. 9 – Обвал скальной породы: а – завал пути; б – улавливающая стена
из каменной кладки; 1 – выветривающаяся скала; 2 – стена; 3 – окно для
выпуска воды; 4 – фильтр; 5 – амортизирующая засыпка
27

28.

Оползни – это перемещения грунта по грунту без падения или
опрокидывания смещающихся масс. Оползневые процессы иногда
распространяются на обширные районы. Оползни могут происходить в
однородных грунтах при большой крутизне склонов и откосов и в результате
чрезмерного увлажнения, а также в разнородных грунтах, когда поверхность
скольжения предопределена геологической структурой склона (рис. 10) и
если недостаточна прочность и устойчивость ниже лежащих наклонно
расположенных слоев.
Мероприятия по стабилизации оползневых участков проектируют на
основе инженерно-геологических обследований индивидуально для каждого
косогора.
В комплекс противооползневых мероприятий обычно включают:
• уменьшение влажности грунтов оползневого склона;
• планировку территорий и заделку трещин;
• регулирование поверхностного и подземного стока воды;
• укрепление грунтов растительным покровом или другими способами;
• сооружение устройств, поддерживающих и разгружающих оползневой
массив;
• берегоукрепительные мероприятия.
28

29.

Бывают
случаи
размыва
насыпей
вследствие
засорения
водопропускных труб (рис. 13), подмывы их откосов реками, озерами,
водохранилищами (рис. 14), осыпи выветривающихся горных пород из
откосов выемок, внезапные разрушения и загромождения при
землетрясениях, селевых потоках.
Рис. 13 – Размыв пути при
засорении водопропускной
трубы
29
Рис. 14 – Подмыв насыпи: 1 –
промоина; 2 – земляная или
каменная отсыпка