Основными элементами поперечного профиля насыпей являются: основная площадка, откосы и основание. Основание для земляного полотна может быть ровное или в виде косореза (при большом уклоне местности, чтоб насыпь не соскальзывала) При возведении насыпи на косогоре в зависимости от его поперечного уклона рекомендуют различные по сложности меры для придания ей устойчивости. Если уклон находится в пределах 1:10–1:5, то ограничиваются перед отсыпкой насыпи снятием с основания дерна и вспашкой грунта. При уклоне 1:5–1:3 основание насыпи устраивают в виде уступов. При уклоне круче 1:3, помимо уступов, сооружают подпорные стены, контрбанкеты, контрфорсы. Для устройства подпорной стены, которая может иметь различную форму, используют местные грунтовые материалы. Контрбанкет отсыпают из камня, щебня, гравия, песка, а при затруднениях с этими материалами возможно использование местного грунта. Контрфорсы – это отдельные массивы из бетона или камня, врезанные в откос, поддерживают не только тот грунт, который расположен над ними, но и грунт, находящийся между ними, за счет трения грунта о стенки контрфорсов.

Площадка, на которой размещено верхнее строение пути, называется основной площадкой (рис. 2, 3, 5). Она всегда делается выпуклой либо в виде трапеции, либо в виде треугольника. Такие ее очертания способствуют быстрому стеканию воды, просочившейся через балластный слой, и поэтому, ее называют сливной или водосливной призмой. Только на земляном полотне из крупнозернистых песков и скалы, а также на насыпях из камня эту площадку делают горизонтальной. Все параметры основной площадки на отечественных железных дорогах и на дорогах развитых зарубежных стран регламентируются нормативными документами. На отечественных железных дорогах для скоростных и особогрузонапряженных линий, а также линий I категории с двумя главными путями ширина площадки земляного плотна составляет 11,7–12,1 м на прямых участках пути с нормальным междупутьем 4,1 м и больше при междупутье 4,5 м (на глинистых, крупнообломочных с глинистым заполнителем, скальных легковыветривающихся грунтах, недренирующих мелких и пылеватых песках); на линиях I и II категорий, III и IV с одним главным путем на тех же грунтах – соответственно 7,6; 7,3; 7,1 м. На скальных, крупнообломочных с песчаным заполнителем и дренирующих грунтах эти размеры несколько меньше: 10,6–11,1; 6,6; 6,4; 6,2.

Рис. 5. Насыпь (структурные элементы): 1 – основная площадка; 2 – сливная призма; 3 – бровка; 4 – откос; 5 – основание насыпи; 6 – основание откоса; 7 – берма; 8 – водоотводная канава; 9 – резерв

С развитием железнодорожного транспорта, по мере увеличения мощности верхнего строения пути, размеры основной площадки постепенно увеличивали (в 1917 г. ее величина составляла 5,5 м, в современных условиях – 7,6 м). Уширение основной площадки связано с увеличением размеров балластной призмы, а также с уширением обочин. Обочина предназначена для обеспечения большей устойчивости откосов, а также для удобства выполнения путевых работ. На ней размещают путевой инструмент, необходимые детали ВСП, расставляют путевые знаки и сигналы. Она нужна для безопасного прохода путейцев, для складирования материалов и размещения инструмента или небольших механизмов, а также для размещения сооружений и устройств СЦБ, связи и энергоснабжения. С уширением обочин увеличивается устойчивость откосов земляного полотна. По этим причинам рекомендуется при строительстве новых железных дорог величину ширины обочины назначать в приделах 0,6–0,7 м, но не менее 0,5 м.

На насыпи слева и справа от основной площадки в направлении основания насыпи расположены откосы, которые обеспечивают стабильность грунтов и из которых сложено земляное полотно. Откосы – искусственные, а склоны – естественные наклонные поверхности. Все типы земляного полотна, кроме «нулевых мест», имеют такие поверхности. Нарушение устойчивости откосов или склонов, на которых размещено земляное полотно, является, как правило, аварийной деформацией. Для того чтобы они были устойчивы, выбирают (или рассчитывают) в зависимости от вида земляного сооружения, его высоты (глубины) и характеристик грунта, из которых это сооружение возводится или разрабатывается необходимую их крутизну. Для повышения устойчивости откосов высоких насыпей им придают ломаное очертание. После каждого перелома устраивают все более пологий откос. Например, если верхняя часть насыпи имеет откос крутизной 1:1,5, то ниже принимают крутизну 1:1,75, а иногда 1:2. При таких пологих откосах получается очень широкое основание насыпи. Нередко бывает выгоднее сделать у насыпи берменную присыпку из грунта или возвести подпорную стену для поддержания более крутого откоса. Главное же назначение бермы – отдалить от тела насыпи воду, текущую в канаве или резерве. Она располагается у подошвы откосов, с обеих сторон или с одной (нагорной) стороны насыпи и отделяет канавы или резервы от тела насыпи. Ее ширина, как правило, 3 м с уклоном 0,02–0,04 ‰ от тела насыпи. Нередко берму используют как дорогу для автомобильного транспорта при подвозке людей и материалов к месту работ. В этих случаях тщательно отслеживается недопущение на ней углублений, в которых может скапливаться вода. В зависимости от условий возведения насыпей, поперечного уклона местности, количества воды, стекающей после ливней или таяния снега (чаще говорят расхода воды, который измеряется в кубических метрах за 1 с), за бермами закладывают либо резервы, либо продольные водоотводные канавы (см. рис. 3, 5). Их назначение перехватывать воду, текущую к насыпи и выпускать ее в ручей, овраг или пониженные места, подальше от насыпи. В местностях с жарким климатом, где вода быстро испаряется, и там, где почва быстро впитывает воду, допускаются глухие резервы, без выхода для воды.

Для того чтобы уменьшить волну воды, в них делают земляные перемычки через каждые 100 м. На поймах рек резервы не рекомендуется устраивать из-за больших скоплений воды, если же обстоятельства принуждают это делать, то в этих случаях увеличивают берму до 4 м. Кроме того, внутри резервов целесообразно иметь полуперемычки (траверсы), которые надежно защищают основание насыпи от подмыва.

На расстоянии 1–2 м от резервов или канав назначается граница полосы отвода под железную дорогу. Границу полосы отвода в ряде случаев приходится отодвигать дальше от пути. Это делают для размещения переездов, путепроводов, путевых построек, при необходимости установки снегозащитных заборов и щитов, создания лесозащитных насаждений, устройства защитных сооружений в поймах рек, пескозащиты. На станциях граница полосу отвода назначается по отдельным проектам.

На местности через каждые 250 м вдоль границы полосы отвода и в углах ее поворота устанавливают межевые знаки.

В случае, когда при возведении насыпи, требуется очень большой объем грунта, его доставляют из грунтовых карьеров располагаемых за пределами полосы отвода железной дороги.

Структура и конструкция земляного полотна должна быть гибкой, адаптивной к местным природным условиям. На рис. 6, 7 отображены структура насыпи, и соответственно выемки, с полным комплексом инженерных сооружений, устройств и мероприятий, обеспечивающих надежную работу земляного полотна в различных региональных природно-климатических условиях.

Рис. 6. Структура насыпи

Рис. 7. Структура выемки

3.2. Групповые поперечные профили выемок

В выемках основная площадка такая же, как и на насыпях (рис. 8). По обе стороны от основной площадки выемки расположены кюветы, которые предназначены для сбора воды с основной площадки и, как правило, с откосов выемки. Поэтому им приданы стандартные размеры. Бывают исключительные случаи, когда в кюветы по отмосткам на откосах выемки спускают воду с обреза или из нагорных канав и оросительных каналов; в этих случаях размеры кюветов увеличивают, а водопропускные сооружения устраивают по индивидуальным проектам.

Если выемка расположена на площадке, то дну кювета придают уклон от ее середины к концам. Для этого глубину кювета посередине выемки уменьшают до 0,2 м (при сохранении ширины кювета поверху или понизу). В местностях, где атмосферные осадки в любое время года полностью впитываются в грунт (мелкие, рыхлые, сухие пески), выемки устраивают без кювета. В этом случае, ширину горизонтальной основной площадки (между подошвами откосов) принимают не менее 9,5 м.

Откосы выемки в зависимости от рода грунта имеют различную крутизну: от 1:1,5 до 1:0,2 и 1:0,1, что соответственно относится к обычным грунтам, скальным и лёссу. При поперечном уклоне местности положе 1:5 на обрезе выемки с нагорной стороны расположены банкетный вал и забанкетная канава. Ширина канавы по дну 0,3 м. Чтобы не допускать ее заиливания, дну придается по возможности наибольший уклон не меньше 0,005 ‰.

На расстоянии 0,5 м от забанкетной канавы расположен кавальер, (см. рис. 8.) представляющий собой насыпь из грунта, изъятого из выемки при ее постройке. В случае, если грунт полученный при разработки выемки, не удается разместить в пределах полосы отвода его перемещают в отвал. На этом же рис. видно, что с подгорной стороны выемки на обрезе нет ни банкетного вала, ни забанкетной канавы, однако, вконце обреза может быть заложен второй кавальер, тогда вода которая скапливается на обрезе с подгорной стороны, выпускается в сторону поля через разрывы сделанные в нем через каждые 50 м. Высота кавальеров обычно не превышает 3 м, так как иначе его вес начинает угрожать потерей устойчивости откоса. С нагорной стороны за кавальером может быть расположена спланированная в сторону поля берма, а за ней нагорная канава. Ширина бермы принимается в пределах 1:5 м. Если местность сильно снегозаносима, то целесообразно берму оставлять пошире, чтобы толщина снега над канавой была меньше, тогда весной легче прокапывать траншею в снегу перед его таянием. Если возведение бермы проектом не предусматривается, то перед кавальером с полевой стороны устраивается только нагорная канава.

Рис. 8. Выемка (структурные элементы): 1 – основная площадка; 2 – сливная призма; 3 – бровка; 4 – откос; 5 – кювет; 6 – откосная бровка; 7 – банкет; 8 – забанкетная канава; 9 – кавальер; 10 – нагорная канава

Если выемки устраивают в таких специфических грунтах, как лёссы, жирные глины, мелкозернистые пески, слабо- и сильновыветривающиеся скалы, подвижные пески, а также на болотах, на засоленных грунтах, где обеспечивается полное впитывание осадков, на снегозаносимых участках, то применяют типовые специальные поперечные профили земляного полотна.

В сухих лёссах можно делать почти вертикальные откосы выемок (крутизной от 1:0,1 до 1:0,5). Это связано с тем, что лёсс как бы пронизан вертикальными трубочками из извести. Они армируют грунт, и его вертикальные стенки могут стоять устойчиво.

В жирных и пылеватых глинах, мелких и пылеватых песках, в легко вы ветривающихся скалах, в переувлажненных и пылеватых суглинках, в лёссах и лёссовидных грунтах в основании откосов (между кюветом и подошвой откоса) закладывают горизонтальные полки шириной 1 м ( при глубине выемки от 2 до 6 м) и шириной 2 м при глубине более 6 м. На этих полках могут скапливаться обрушившиеся или сплывшие массы грунта или скалы, не засоряя кювет. Продукты этих обрушений систематически убирают.

Перед выполнением расчетно-графической работы студентам следует изучить устройство земляного полотна и относящиеся к нему сооружения.

Выполнение работы производится в соответствии с индивидуальным заданием согласно номеру варианта по исходным данным, приведенным в прил. 4.

Работа состоит из двух чертежей, выполненных на миллиметровой бумаге карандашом в масштабе 1:100, и пояснений к ним.

После изучения исходных данных и заполнения бланка задания студенту необходимо определиться с номенклатурой сооружений и устройств, входящих в комплекс земляное полотно, которые согласно заданным условиям, обеспечивают устойчивость и надежность рассматриваемых насыпи и выемки. В текстовом сопровождении выполняемой работы следует обосновать свой выбор.

Проектирование групповых профилей насыпи и выемки целесообразно начинать выполнять с построения их основных сооружений. В первую очередь, на чертеже наносится линия земной поверхности с заданным уклоном местности, что для насыпи будет являться ее основанием, а для выемки лишь основанием сопутствующих сооружений. Затем, наносится линия оси основного сооружения. На этой линии от места пересечения с поверхностью земли вверх (для насыпи) или вниз (для выемки) откладывается заданная высота (глубина) сооружения. На полученном уровне проводится горизонтальная линия. На этой линии по обе стороны от оси сооружения, откладывается половина ширины основной площадки земляного полотна. Полное ее значение определяется по табл. 3, 4. и согласно рекомендациям, приведенным на стр. 27, с учетом возможного уширения земляного полотна за счет увеличения количества путей, и в случае расположения проектируемого профиля на кривом участке пути. Затем на основной площадке земляного полотна размещается сливная призма, форма которой определяется количеством путей и видом грунта.В случае необходимости при построении выемки на чертеже наносятся кюветы.

Заканчивается построение основного элемента группового профиля (насыпи и выемки) нанесением линии откосов, которая может быть как постоянной, так и переменной крутизны. Например, для насыпи с высотой до 12 м, расположенной на горизонтальной площадке, поверхность откоса будет иметь на высоте 6 м по одному перелому на каждой из поверхностей.

На поперечном профиле выемки линия поверхности земли от одной бровки земляного полотна до другой (ширина раскрытия выемки) проводится штриховой линией. Штриховая линия наносится и для отделения основной площадки земляного полотна от сливной призмы.

Следующим этапом построения является определение местоположения укрепительных и водоотводных сооружений, состав которых определяется, исходя из региональных условий строительства (см. рис. 4) с учетом конструктивных особенностей насыпи и выемки (рис. 6, 8.). Например, если возведение насыпи производится полностью из разработанного грунта выемки то, в качестве сооружения для сбора и отвода воды с нагорной стороны насыпи будет находиться водоотводная канава. Если же тело насыпи возводится из резерва, то он и будет защищать насыпь от подмывов и размывов. Или другой пример. В случае, когда при проектировании выемки отсыпка кавальера не предусматривается, то нагорной канавы тоже может не быть, а ее функцию может полностью на себя взять забанкетная канава. Однако если район прохождения трассы характеризуется большим количеством выпадающих осадков, то наличие только забанкетной канавы может оказаться недостаточным, и поэтому в качестве водоотводных сооружений может применяться как забанкетная, так и нагорная канава. Точно также необходимо поступать при выборе любого из сопутствующих сооружений, таких, например, как бермы, и т. п. Все перечисленные конструктивные элементы, а также численные характеристики с подробным описанием их построения приведены в глоссарии. Окончанием проектирования является нанесение на групповой профиль межевых знаков, ограничивающих полосу отвода земель, входящих в реестр железнодорожного пути.