Земляное полотно

Земляное полотно

ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО, земляное основание, на котором помещается верхнее строение рельсового пути. Земляное полотно, образованное посредством насыпки грунта, называется насыпью; образованное посредством удаления земли - называется выемкой. В тех случаях, когда земляное полотно устроено на косогоре, оно м. б. расположено частью в выемке и частью в насыпи. В состав земляного полотна входят также: а) откосы - боковые поверхности земляного полотна; б) кюветы - канавы, устраиваемые в выемках около земляного полотна для отвода воды с полотна и откосов выемки; в) нагорные канавы, устраиваемые перед выемками, и отводные канавы - перед насыпями для отвода от них воды; г) резервы, из которых берется земля для образования насыпи и которые служат одновременно для осушения основания насыпи и отвода от него воды; д) насыпные бермы - площадки, устраиваемые в соответствующих случаях вдоль нижних частей откосов насыпей для придания откосам большей устойчивости и для предупреждения проникновения воды к откосам и основанию насыпи; е) естественные бермы, в виде земляных полос определенной ширины, оставляемых с той же целью, что и насыпные бермы между резервом и подошвой насыпи; ж) банкеты - насыпки вдоль верхних бровок выемок с поперечным уклоном от пути для отвода дождевой воды от выемки; з) контр-банкеты - бермы, устраиваемые на косогорах вдоль нижней части откоса насыпи для большей ее устойчивости; и) кавальеры - земляные насыпи, образованные из лишней земли, вынутой при устройстве выемки, расположенные вдоль выемок и предназначенные для защиты выемок от снежных заносов (защитные валы) и для предупреждения прорыва воды с нагорной стороны к выемке. К элементам земляного полотна относятся также различные дренажные устройства для осушения земляного полотна и прилегающей к нему земляной полосы.

Насыпи должны устраиваться из надежных грунтов, по возможности однородных, не мерзлых и не изобилующих органическими веществами; следует избегать употребления грунтов, содержащих гипс, синих и серых расплывчатых глин, илистых грунтов, мелких песков, обращающихся в присутствии воды в плывуны, а также молодых торфянистых грунтов.

Условия устойчивости земляного полотна. При постройке железной дороги стремятся получить железнодорожный путь без резких изменений высоты и потому размещают массы земли так, чтобы в возвышенных местах получались выемки, а грунт из них шел в пониженные места для устройства насыпей. При таком нарушении естественного быта местности новое расположение земляных масс не м. б. устойчивым, т. к. силы природы, в виде грунтовых и поверхностных вод, колебаний температуры и влажности воздуха, будут стремиться привести искусственное расположение к первобытному виду. Не менее неблагоприятно влияет на устойчивость земляного полотна воздействие поездов в виде давления на грунт и сотрясения почвы. Для устойчивости и долговечности земляного полотна строители должны учесть влияние сил обеих категорий как в отношении выбора его местоположения, очертаний, способа устройства и укрепления, так и в отношении содержания и ремонта полотна. Понятно, что более глубокие выемки и высокие насыпи, при прочих равных условиях, нуждаются в более бдительном надзоре и усиленном ремонте, чем сравнительно мелкие сооружения.

Очертания земляного полотна. Вдоль пути глубина выемок и высота насыпей определяются для каждого места продольным профилем линии. Что касается поперечного очертания, то оно зависит от целого ряда местных условий. Главнейшее значение при этом имеют: 1) род, качество и напластование грунтов, из которых строится полотно, 2) обилие и направление течения поверхностных и грунтовых вод до сооружения линий и вызываемые постройкой изменения естественных условий, 3) поперечный уклон местности, 4) степень устойчивости земляных масс в районе постройки. При постройке железной дороги нередки случаи, что выбранное первоначально направление линии не может рассчитывать на достаточную прочность и устойчивость, и потому земляное полотно приходится переносить в более благоприятные местные условия. Если, однако, условия сооружения земляного полотна таковы, что нет причин опасаться сползаний или внезапных просадок слоев грунта, на которых основывается само полотно, и если грунтовые и поверхностные воды не угрожают полотну размывом или разрушением, а применяемые для постройки грунты надежны, б. или м. однородны и не поддаются быстрому выветриванию, то такое полотно считают находящимся в нормальных условиях. Для таких условий установлены типы нормальных поперечных профилей полотна.

Нормальные поперечные профили земляного полотна. Если железная дорога строится одноколейной, то насыпи и выемки устраиваются также под один путь, причем, однако, при размещении отдельных частей полотна должна быть предусмотрена возможность удобной, без излишних затрат, постройки второго пути в будущем. Насыпи и выемки одноколейного пути на перегонах должны иметь нормальную ширину полотна по верху, в зависимости от толщины балластного слоя и принятой длины шпал, т. е. на магистралях нормального типа не менее 5,50 м, на магистралях облегченного типа, на пионерных дорогах и на подъездных путях - 5,0 м, а при особо благоприятных условиях грунта - 4,60 м. Верхней части полотна придается в середине очертание трапеции, у которой на магистралях нормального типа ширина по верху 3,00, а высота - 0,10 м, на магистралях же облегченных, на пионерных дорогах и подъездных путях соответственно - 2,70 и 0,08 м. При устройстве под два пути полотно д. б. по верху расширено против указанных размеров на 4,10 м.  На фиг. 1 указано очертание насыпей малой высоты без резервов в предположении постройки в будущем второго пути правее первого (для нормальных магистралей).

Очертание насыпей малой высоты

Соответственно этому ширина левой бермы между подошвой насыпи и бровкой кювета задана наименьшая - 2,00 м, а правая берма оставлена шириной 6,10 м, с тем чтобы после присыпки на ней будущего второго пути на ширину 4,10 м расстояние от подошвы откоса до кювета получилось, как и слева, 2,0 м. На фиг. 2 приведено очертание двупутной насыпи малой высоты.

Очертание двупутной насыпи малой высоты

Резервы должны иметь правильные уклоны в сторону от пути не менее 0,02 и вдоль пути к месту отвода воды от полотна не менее 0,002. Нормальная крутизна откосов для насыпей из обыкновенных однородных грунтов принимается в 1 (высота): 1,5 (основание). Однако для различного рода грунтов полуторная крутизна откосов ограничивается определенной высотой насыпей. Свыше этого предела откосы насыпей должны уположиваться по ширине основания на 1/4 высоты. Для различных грунтов установлены особые пределы по высоте насыпей как для полуторного откоса, так и для промежутков, через которые должно производиться уположение откосов на    1/4 высоты (см. табл.).

Крутизна откосов насыпей

Таким образом, откосы высоких насыпей получают очертание по ломаной линии, вогнутой внутрь полотна. Для мелкопесчаных и супесчаных грунтов ломаный откос должен фактически заменяться прямым при той же ширине основания. Для прочих же приведенных в таблице грунтов ломаные откосы могут заменяться ступенчатыми (с бермами), с тем чтобы бермы имели ширину не менее 1 м и уклон в поле 0,1 и были расположены по высоте через 2—4 м. Ширина основания при этом д. б. не менее определяемой по ломаным откосам, а откосы между бермами - не круче полуторных. Поперечные очертания высоких насыпей указаны на фиг. 3.

Поперечные очертания высоких насыпей

Левый откос построен применительно к данным таблицы, а правый откос - с бермами.

Резервы вдоль насыпей должны закладываться с таким расчетом, чтобы от их верхнего ребра до подошвы откоса насыпи оставалась полоса нетронутого грунта (берма), ширина которой зависит от высоты насыпи, а именно:

Zemljanoe polotno 5

При этом для однопутного полотна на магистралях посредством уширения бермы на 4,10 м с соответствующей стороны должна быть учтена возможность устройства на сыпи под второй путь. На поймах рек ширина бермы, независимо от высоты насыпи, д. б. не менее 6,00 м. Со стороны пути бровка резерва должна иметь как  можно более плавное очертание. Возведение насыпей должно производиться слоями, по возможности горизонтальными, на всю ширину полотна.

На фиг. 4 показан нормальный поперечный профиль выемки под два пути нормальной магистрали.

Нормальный поперечный профиль выемки под два пути нормальной магистрали

Крутизна откосов выемок определяется свойствами и родом грунтов, в которых они возводятся. В сухих обыкновенных грунтах нормальной крутизной откосов выемок считается полуторная. В твердых грунтах допускается большая крутизна откосов, а именно: при плотнощебеночном грунте - 1:1, при скалистых выветривающихся породах - до 1:0,33 и в твердых невыветривающихся скалах - до 1:0,1. Если местность имеет поперечный к пути уклон, то с нагорной стороны выемка д. б. ограждена канавой достаточного сечения для отвода всего количества воды, которое могло бы получить доступ к полотну. На фиг. 5 указано нормальное очертание выемки без кавальера.

Нормальное очертание выемки без кавальера

Полоса между бровкой выемки и ребром кавальера должна быть шириной не менее 5,00 м и спланирована с уклоном в сторону нагорной канавы. На фиг. 6. приведены очертания выемки, снабженной кавальером, с банкетной канавой (А) и без нее (Б).

Очертания выемки, снабженной кавальером

Если полоса между откосом выемки и кавальером спланирована с уклоном в сторону последнего, то у подошвы кавальера д. б. устроена банкетная канава для отвода воды, как с этой полосы, так и с внутреннего откоса кавальера. Между подошвой наружного откоса кавальера и верхним ребром нагорной канавы д. б. оставлена полка шириной не менее 1 м со скатом в канаву. В сильно заносимых снегом местах мелкие выемки глубиной менее 2,00 м должны раскрываться по типу насыпей, как представлено на фиг. 7.

Zemljanoe polotno 9

Ограждение земляного полотна от повреждения водами. Почти при всех видах повреждений земляного полотна главной причиной является вода в том или ином виде. Поэтому как при устройстве земляного полотна, так и при поддержании его в исправности главное внимание д. б. обращено на борьбу с вредным влиянием воды. В затопляемой местности земляное полотно должно быть поднято выше самого высокого горизонта воды, а где развивается волнение, - не менее чем на 0,50 м выше гребня волны (для пионерных дорог второстепенного значения этот подъем м. б. уменьшен до 0,40 м). Для защиты железнодорожного полотна от воздействия поверхностных вод служат водоотводные сооружения - кюветы, канавы различных наименований, резервы и, в известных случаях, кавальеры. При этом ни в коем случае не должно получаться ни застоя ни подпора, которые позволили бы воде выйти на бровку земляного полотна. С этой целью водоотводные сооружения должны иметь достаточные поперечные сечения и соответствующий продольный уклон. Вместе с тем полотно д. б. везде обеспечено искусственными сооружениями (мостами, трубами и пр.) достаточных отверстий для пропуска поверхностных вод с одной стороны пути на другую. Кюветы, канавы, резервы и русла должны поддерживаться в своих нормальных очертаниях путем расчистки заилений и наносов, скашивания травы и прочей растительности и немедленного исправления всяких повреждений. Особенное внимание должно обращаться на исправное поддержание бровок полотна. Всякий застой поверхностных вод в пределах земляного полотна должен считаться ненормальным явлением, и неотложно д. б. изысканы меры к осушению таких мест путем улучшения имеющихся водоотводов или устройства новых.

В отношении грунтовых вод должны соблюдаться следующие основные меры для обеспечения исправности и устойчивости земляного полотна. Выходы грунтовых вод на поверхность - в виде родников, ключей и пр. - при возведении насыпей или устройстве выемок не должны засыпаться, а должны предварительно отводиться за пределы основания насыпи подземными дренами или галереями-штольнями в зависимости от мощности. Если окажется, что потоки грунтовых вод перерезаны выемками, то д. б. приняты меры к свободному выходу их на поверхность откоса и к отводу соответствующими устройствами (дренами, лотками, трубами и пр.) в кювет. Задача эксплуатации в этом отношении заключается в том, чтобы при малейшей неисправности такого отвода грунтовых вод тотчас были выяснены причины иссякания его и приняты меры против скопления воды в теле полотна. Такого рода скрытые скопления воды в полотне всегда приводят к его повреждению - в виде оползней откосов выемок или обвалов насыпей. Если, несмотря на сухое время и правильный уклон кюветов, в них постоянно наблюдается сырость, то это служит признаком близости грунтовых вод, и для устойчивости пути и ограждения его от пучин зимой полезно заменить нормальные кюветы специальным глубоким типом, чтобы понизить уровень грунтовых вод. В тех же целях в болотистых местах проводятся глубокие водоотводные канавы как вдоль, так и поперек полотна.

Укрепление земляного полотна. Способность грунтов сохранять приданные им при сооружении земляного полотна очертания весьма различна. Одни из грунтов (скальные, щебенистые, крупнопесчаные) устойчиво сохраняют свои формы, другие же (мелкопесчаные, суглинистые, черноземные) легко утрачивают их под влиянием воды и ветра. При грунтах последней категории земляное полотно нуждается в укреплении. Тип укрепления в каждом отдельном случае д. б. выбран в соответствии, как с родом защищаемого грунта, так и с характером и величиной действующей на полотно силы. Для защиты откосов полотна против поверхностного смывания дождевой водой чаще всего применяются: сплошная или в клетку дерновка и засеивание травами или злаками. Кюветы и канавы в сухих местах и при пологих уклонах дернуются сплошь. В сырых местах, а также при крутых уклонах, целесообразным укреплением является мощение. На поймах рек и в других затопляемых местах откосы насыпей, возведенных не из камня, д. б. укреплены на 0,5 м выше самого высокого уровня воды. Если насыпь, сделанная не из камня, подвергается действию речного течения или ударам волн, то она должна ограждаться бермой, шириной не менее 1 м, на высоту 0,25 сверх наивысшего горизонта воды и гребня наибольшей волны. В таком случае укрепление устраивается по откосу бермы. Очень целесообразным видом укрепления в местах, подверженных действию волн или проточной воды, является насаждение ивовых пород в несколько рядов вдоль земляного полотна и мощение откосов берм в клетку с плетнями и кольями из живого ивняка.

Неисправности полотна. Грунты в дне выемок наиболее часто обнаруживают тяжелые формы неисправности. Легко разжижающиеся от поверхностных и грунтовых вод грунты в дне выемок, подверженные в зимнее время пучению, являются не только постоянным тормозом для нормального движения, но и угрозой его безопасности. Частичной мерой к исправлению этого зла может служить устройство глубоких специальных кюветов (из деревянных или иного рода рам с заборками со стороны пути и откоса), хорошо дренирующих и проводящих без застоя воду вдоль пути. Хорошо влияет также устройство поперечных прорезей, шириной не менее лопаты, до уровня дна кюветов, и заполнение этих прорезей хорошо дренирующим грунтом. Однако, вполне и на продолжительный срок такое слабое место пути м. б. исправлено лишь устройством глубоких лотков и совместной заменой всего негодного грунта между ними хорошо дренирующим слоем (песчаным или гравелистым) не менее чем на глубину промерзания. Работы по смене негодного грунта в дне выемок на однопутных линиях производятся обычно при помощи двукратных передвижек пути от его постоянной оси. После первой передвижки в сторону производится замена грунта в освободившейся из-под шпал другой половине дна выемки. Затем путь передвигается в противоположную сторону, и заменяется грунт во второй половине выемки. После этого путь устанавливается на постоянную ось и приводится в надлежащее положение по высоте подъемками на балласт. На двупутных линиях работы по смене негодного грунта в дне выемок производятся с временным переводом движения обоих направлений на один путь и с уборкой верхнего строения другого пути за пределы сменяемой полосы. Т. к. при эксплуатации железных дорог работы по смене грунта в дне выемок неизбежно вызывают стеснения движения поездов, то производство их является обязательным во время постройки линий во всех местах, где в дне выемок окажутся плывучие и пучинистые грунты.

Далее, очень часто встречающимися видами неисправностей выемок являются осыпи и сплывы их откосов. Повреждения откосов выемок могут вызываться следующими главнейшими причинами: ненадежностью грунта в откосах выемки; присутствием грунтовых вод в откосах выемки выше дна кюветов; неправильным устройством и содержанием частей выемки. Грунты, как уже сказано, имеют неодинаковую способность удерживать крутизну откоса; помимо того, некоторые породы грунтов (мергелистые), выдерживая хорошо крутые откосы, подвергаются сильному поверхностному выветриванию, вследствие чего нарушается связь между частицами грунта на поверхности откосов и они непрерывно осыпаются. Для предохранения кюветов в таких выемках от засорения вдоль последних устраивают бермы. По мере заполнения берм осыпями последние должны убираться за пределы выемки. Особенную опасность такие грунты представляют в глубоких выемках во время ливней. Выветрившиеся частицы откосов легко смываются потоками дождя в кюветы, где образуют грязевые заторы, которые могут послужить причиной переполнения кюветов и выхода воды на путь. Для предупреждения подобных явлений полезно устраивать на берме, ограждающей кювет, илоудержатели в виде продольных и поперечных плетней из ивовых пород, укрепляемых по ивовым кольям, возвышающимся над поверхностью берм на 0,50—0,60 м. Расстояние между рядами плетней принимается 0,50—1,00 м. По мере заиления плетни необходимо очищать. Дерновка, хотя бы и по защитному слою растительной земли, не предохраняет откосов мергелистых выемок от осыпания, т. к. проникающая через дерн поверхностная вода, смачивая поверхность мергелей, вызывает сползание дерна вместе с подсыпкой. В сухих глинистых выемках откосы должны дерноваться. Попадающая через трещины в откосы вода нарушает сцепление между частицами глины и делает ее весьма склонной к поверхностным сползаниям. Сплошная же дерновка по слою растительной земли является в таких условиях прекрасным средством защиты откосов. Независимо от свойств грунтов присутствие грунтовых вод в откосах всегда осложняет задачу исправного содержания выемки. Если грунт выемки однороден и вода в нем размещена равномерно, то для придания откосам устойчивости в большинстве случаев бывает достаточным устройство поверхностного дренажа. Наиболее простой и исправно действующей системой дренажей является устройство нормальных к длине выемки прорезей. Откосы прорезей должны сплошь одерновываться, а по дну прокладываются ивовые круглые фашины диаметром 0,10—0,20 м, пришиваемые к откосу ивовыми кольями (фиг. 8).

Zemljanoe polotno 10

Указанного вида обделка откосов выемки имеет целью осушить поверхностный слой, благодаря чему он приобретает большую устойчивость. По отношению к лежащим ниже массам грунта, более насыщенным водой, а потому менее устойчивым, этот поверхностный слой исполняет роль подпорной стенки. Фашины, прорастая в грунт, укрепляют его своими корнями и связывают отдельные части в одно целое.

При большом обилии грунтовых вод указанный способ может оказаться недостаточным для надлежащего осушения грунта. В таких случаях рекомендуют делать более глубокие и частые прорези но откосу и заполнять их хорошо дренирующим материалом, например щебнем, крупным песком и пр.

При неоднородном грунте в выемке грунтовые воды выступают на откос только по водопроницаемым прослойкам. Если пласты грунта расположены наклонно в сторону выемки, то особую опасность представляют поверхности скольжения, которые образуются на глинистых или мергелистых слоях, смачиваемых вышележащими водоносными слоями. При неблагоприятных условиях масса земли, расположенная выше поверхности скольжения, может сплыть в выемку. Самой действительной мерой для предотвращения этого является устройство продольного дренажа за откосом с верховой стороны выемки, с тем, чтобы этот дренаж перехватывал грунтовые воды и отводил их за пределы выемки. Если потоки грунтовых вод особенно велики, то вместо дренажа приходится устраивать штольни. Обычный тип штольни из пропитанных пластин представлен на фиг. 9.

Обычный тип штольни из пропитанных пластин

Для наиболее свободного выхода воды из штольни, а также для предотвращения проникания воды в грунт дно штольни бетонируется в виде лотка.

Особую осторожность необходимо соблюдать при устройстве кавальеров над откосами выемок, т. к. эти кавальеры до известной степени являются нагрузкой, уменьшающей устойчивость откосов; в мокрых выемках при длительной дождливой погоде это может послужить причиной серьезных сплывов откосов. В таких случаях исправление откоса не может считаться вполне надежным без соответствующей разгрузки его от кавальера. Нередко вследствие вырезки случайных сплывов на откосах верхнее ребро выемки чрезмерно приближается к кавальеру, и в таких случаях возникает опасность сплывов вследствие давления кавальера на откос. Здесь разгрузка выемки от кавальера становится безусловно необходимой. Особое внимание при этом д. б. обращено на правильный отвод воды с полосы между ребром выемки и кавальером. Если выемка пролегает по местности со значительным поперечным уклоном, то весьма важное значение получают исправность нагорной канавы и правильный сток воды по ней. Застой воды способствует прониканию ее в грунт, благодаря чему усиливаются потоки грунтовых вод и вредное влияние последних на откос выемки.

Для насыпей грунт берется из выемок или из резервов. И в том и в другом случае тело молодой насыпи составляется из разрыхленного грунта, способного в дальнейшем к уплотнению. По мере уплотнения грунта и насыпи высота последней будет постепенно уменьшаться, пока насыпь не сядет окончательно. Степень разрыхляемости грунтов при разработке различна. Для песчаных грунтов она м. б. принята 10—20%, для глин различной плотности – 20—35% от первоначального объема. Неизбежность осадки насыпей учитывается при постройке железнодорожного полотна т. о., что им придают по высоте и ширине несколько большие размеры, чем требуется по проекту. Для равномерной и правильной осадки необходимо употреблять по возможности однородный грунт и вести работу по всей ширине горизонтальными слоями с возможно плотной укаткой или утрамбовкой. Появление продольных трещин в молодых насыпях по откосам или на поверхности является указанием неравномерной осадки. Чтобы предупредить проникание в эти трещины воды, которая может нарушить сцепление частиц и послужить причиной раскола медленно и тщательно затрамбовываться. Если окончательно осевшая высокая насыпь обнаруживает просадку, нарушающую проектную линию пути, то выправление таких мест производят обычно посредством досыпки земляных бровок и подъемки пути на балласт (фиг. 10).

Досыпка земляных бровок и подъемка пути на балласт

Необходимо во всех таких случаях применять на досыпку исключительно хорошо водопроницаемый грунт. В противном случае для поверхностной воды, проникающей в балласт, будет создана плотина, и задержанная вода будет скапливаться в насыпи, что неизбежно влечет за собой обвал насыпи. При этом обвал может произойти неожиданно, если скопление воды в теле насыпи не будет своевременно установлено. Признаками скопления в насыпи воды могут служить выпучивающиеся наружу откосы или появляющиеся зимой пучины. В смысле скопления воды в особенно неблагоприятных условиях находятся насыпи, расположенные через короткий нуль ниже глубокой мокрой выемки на сплошном с ней уклоне. В такие насыпи может поступать не только дождевая вода, выпадающая на поверхность самой насыпи, но также и та вода, которая стекает через нуль под балластным слоем по поверхности непроницаемого грунта. Во всех случаях, когда по наружным признакам или иным соображениям можно ожидать скопления воды в теле насыпи, д. б. немедленно произведено подробное обследование для установления истинной картины явлений, происходящих в насыпи.

Помимо качеств грунтов, примененных при сооружении насыпей, и их осадки, повреждение насыпей может обусловливаться свойствами оснований или грунтов, на которых они возведены. Сюда относятся осадка оснований и смачивание подошвы насыпей грунтовыми водами. Если насыпь значительной высоты расположена на легко сжимаемом основании (болото, синяя глина), то полотно под воздействием поездов будет претерпевать б. или м. значительные колебания по высоте. Эти перемещения будут неблагоприятно отражаться на сцеплении частиц грунта в теле насыпи и могут легко повести к трещинам и расслоению. Проникновение воды в эти трещины не замедлит проявить свое губительное влияние в сторону дальнейшего разрушения насыпи; в этом случае трещины в насыпи д. б. также немедленно затрамбованы грунтом, однородным с телом насыпи. При близости грунтовых вод к поверхности основания расположение на нем высокой насыпи может, благодаря сильному сжатию грунта основания, поднять уровень грунтовых вод настолько, что будет смачиваться подошва насыпи. При наклонной местности и грунтах, способных к образованию зеркала скольжения, при таких условиях может возникнуть стремление насыпи скользить по основанию. При появлении признаков такого скольжения наиболее надежным средством предохранить полотно от повреждения будет осушение основания посредством открытых канав или штолен. При значительных поперечных уклонах в тех же целях применяется устройство подпорных стенок с подгорной стороны.

Основным правилом ухода за насыпями является постоянное поддержание их как по очертанию, так и по роду укреплений в строгом соответствии с проектными данными. Конечно, земляное полотно, находящееся в нормальных условиях, требует меньше надзора, чем отдельные места его, проявившие уже признаки неустойчивости. В этом отношении особое внимание д. б. обращаемо на поддержание в исправности полотна, пролегающего по поймам рек, болотами, на горных участках.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 8 - 1929 г.