Щербак П.Н. Реконструкция и усиление ж.д. инфраструктуры. Учеб. пособ. 2017

Из названных показателей только два могут определяться количественно, при четком обосновании исходных значений. К ним относятся: коэффициент местной и общей устойчивости насыпей и выемок, определяемый как отношение сдвигающих сил к удерживающим с учетом изменения прочностных свойств грунтов под влиянием вибродинамической нагрузки; коэффициент стабильности грунтов основания земляного полотна.

Показатели прочности тела земляного полотна в зоне контакта с балластным и защитным слоями рассчитываются чаще всего по величине действующих напряжений от подвижного состава и собственного веса верхнего строения пути. Обычно прочность земляного полотна считается обеспеченной, если указанные напряжения не превышают 0,8 кг/см2.

Несущую способность земляного полотна, особенно для скоростных и высокоскоростных магистралей, следует определять в динамической постановке. Эта задача была сформулирована и получила решение в ЛИИЖТе (ПГУПСе) на основе теории предельного равновесия в условиях плоской задачи.

Под несущей способностью железнодорожного земляного полотна понимается наибольшая нагрузка, передающаяся на его основную площадку и обусловливающая такое напряженное состояние грунта, минимальное превышение которого вызывает нарушение существующего равновесия с образованием так называемой «поверхности смещения» в теле полотна.

Следовательно, для расчета несущей способности земляного полотна достаточно по реальным показателям прочностных характеристик грунтов определить предельные напряжения, при которых начинается разрушение грунта. Естественно, что при расчете напряжений следует учитывать снижение прочностных характеристик грунтов под влиянием вибродинамического воздействия — распространения по телу земляного полотна и действия инерционных сил, возникающих при колебании грунтов.

В процессе разработки проекта переустройства земляного полотна существующих железных дорог несущая способность полотна должна сопоставляться с максимальной величиной напряжений, возникающих от действия поездов на основной площадке в подрельсовом сечении. Это сопоставление позволяет выявить дефицит или избыток несущей способности при учете перспективных осевых нагрузок и скоростей движения поездов. По действующим в настоящее время нормативным документам (СТН Ц-01—95) напряжения от проходящих поездов должны определяться при скоростях движения грузовых поездов 90 км/ч и при осевых нагрузках 30 т.

Значение величины дефицита несущей способности земляного полотна позволяет обоснованно проектировать конструктивные решения по усилению полотна и таким образом повысить до требуемой величины его несущую способность.

Проектирование переустройства земляного полотна должно осуществляться не только по данным о его несущей способность, но и с обязательным учетов дефектов и деформаций полотна, сведения о которых существуют в дистанциях пути или выявляются в процессе тщательного инженерногеологического обследования его рабочей зоны.

9

Содержательную информацию можно получить при нагрузочных испытаниях комплексами ЛИГО и ВНИИЖТа. Она включает в себя:

• попикетные значения фактической упругой осадки Yip:

Yip= Yi+2,5 S,

где Yi – среднеарифметическое значение упругой осадки при измерении на пикете через каждые 5 м; S – среднеквадратическое отклонение;

Среднюю расчетную упругую осадку для рассматриваемого пере-

где N – число пикетов на оцениваемом перегоне;

Показатель качества основания ∆ для переустраиваемого под ско-

ростное движение земляного полотна:

где 1 – скорость движения пассажирских поездов до переустройства дороги;2 – скорость движения пассажирских поездов после переустройства железной дороги.

Методическими указаниями по усилению основания пути при подготовке его к пропуску пассажирских поездов с повышенными скоростями вводятся пять категорий качества основания пути.

I категория качества основания имеет место при ∆ ≤ 0, что свидетельствует о наличии малодеформируемого основания пути, не требующего усиления. Объем инженерно-геологического обследования минимален и ограничивается увеличением толщины балластной призмы.

II – категория качества основания при 0 < ∆ ≤ 0,5 мм. Усиления земляного полотна не требуется, достаточно реконструкции балластной призмы. Объем инженерно-геологического обследования ограничивается толщиной балластной призмы и защитных слоев земляного полотна.

III – категория качества основания при 0,5 < ∆ ≤ 1,0 мм. Необходимо усиление основания. Инженерно-геологическое обследование для проектирования переустройства земляного полотна проводится на глубину до 1,5 м от подошвы шпалы с определением состава и свойств накопленных балластных материалов, засоренных песков и грунтов основной площадки, включая их реакцию на вибродинамическую нагрузку.

IV– категория качества основания при 1,0 < ∆ ≤ 1,5 мм. Необходимо усиление балластной призмы, защитных слоев и земляного полотна. Инже- нерно-геологическое обследование должно быть длительным и подробным на всю глубину рабочей зоны земляного полотна с определением состава, свойств и состояния всех геологических элементов слагающих, составляющих его рабочую зону.

10

V – категория качества при ∆ > 1,5 мм. Необходимо усиление всех элементов рабочей зоны основания пути. Инженерно-геологическое обследование должно проводиться на глубину до 4 м от подошвы шпал с получением подробных сведений по прочностным и деформативным характеристикам, по показателям влажности и плотности материалов рабочей зоны.

Для участков пути повышенной деформируемости (IV и V категорий качества основания) стандартные проектные решения и технологии усиления пути могут оказаться недостаточными для обеспечения необходимой прочности и деформируемости земляного полотна. В этом случае необходимы индивидуальные проектные решения, разрабатываемые на основе подробного индивидуального инженерно-геологического обследования участков с исчерпанной несущей способностью земляного полотна и с экстремальной деформируемостью. На этих участках следует бурить геологические скважины на обочине у основания балластной призмы, у концов шпал, в подрельсовых сечениях, по осям путей и по оси межпутного расстояния. Глубина заложения скважин до 4 м.

1.2 Контроль качества земляного полотна реконструируемых железных дорог

При возведении насыпей, устройстве выемок и сооружении земляного полотна на нулевых местах и в виде полунасыпей-полувыемок должны строго контролироваться уплотнение грунтов и обеспечение минимальных величин модуля деформации.

На скоростных железных дорогах следует постоянно контролировать величины прочностных характеристик грунтов с тем, чтобы их значения были не менее тех, которые приняты в расчетах несущей способности земляного полотна. Целесообразно определять чувствительность уложенных в полотно грунтов к вибродинамическим нагрузкам, но можно использовать и табулированные значения прочностных показателей грунтов.

При сооружении земляного полотна на слабых основаниях, сложенных илами, торфами и текуче-пластичными глинами, производят полную или частичную замену сжимаемого слоя основания. В зависимости от толщины слоя слабых грунтов в основании полотна производится их уплотнение соответствующими широко известными способами.

Перед сдачей в эксплуатацию проводят проверку земляного полотна движущейся нагрузкой в комплексе испытаний железнодорожного пути, с выделением деформаций рельсошпальной решетки, балластного слоя и земляного полотна. Для этого могут быть использованы испытательные вагоны-лаборатории ЛИГО и вагоны типа «ВНИИЖТ».

Воздействие на путь осуществляется двумя колесными парами с нагрузкой на каждую 300 кН. Если при возведении земляного полотна скоростных железных дорог полностью выполнены требования соответствующих норм и технических условий, то принято считать, что 95 % осадки полотна произойдет до укладки песчаной подушки балластного слоя в процессе строительства. Осадка на 1 см в течение первого года эксплуатации железной дороги считается допустимой и свиде-

11

тельствует о хорошем состоянии земляного полотна. При таких показателях проведение испытаний движущейся нагрузкой не обязательно.

2 РЕКОНСТРУКЦИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

Скоростное движение пассажирских поездов и рост грузонапряженности требует новые конструкции нижнего строения пути, так как повышаются требования к прочности и устойчивости земляного полотна, изменяются в соответствии с СТН Ц-01-95 его размеры, в конструкцию вводятся новые элементы.

Отдельные участки земляного полотна, считавшегося прежде устойчивыми, в таких условиях не отвечают предъявляемым требованиям. Возможность применения того или иного прогрессивного способа реконструкции во многом зависит от местных условий – состояния основания насыпей, типа грунтов ядра насыпи и их влажности, наличия балластных шлейфов и других «болезней» земляного полотна.

Земляное полотно включает в себя защитный слой (дополнительный или обычный) и основное тело насыпи или выемки, водоотводные сооружения. Верхняя часть тела земляного полотна является фактически защитным слоем, в конкретном случае это может быть насыпь, нулевое место, выемка. Устройство этого слоя может осуществляться по одному из двух вариантов.

Первый вариант. Грунт основного тела насыпи (или местный грунт на уровне дна выемки) не обладает необходимой несущей способностью и по своему качеству не соответствуют требованиям, предъявляемым к грунтам земляного слоя. В этом случае он называется дополнительным защитным слоем, отсыпается из несвязных, дренирующих, непучинных грунтов.

Второй вариант. Грунт основного тела насыпи (или местный грунт на уровне дна выемки) обеспечивает необходимую несущую способность земляного полотна и по своему качеству соответствует требованиям, предъявляемым к грунтам защитного слоя. В этом случае он называется обычным защитным слоем, а слагающие его грунты должны дополнительно уплотняться с коэффициентом уплотнения не менее 95 % от максимального.

При выборе толщины защитного слоя следует учитывать возможные изменения свойств грунта в теле земляного полотна под влиянием гидрогеологических условий, которые могут возникнуть как в процессе строительства, так и в период эксплуатации. Прогноз этих изменений наряду с регулярным мониторингом является одним из обязательных условий обеспечения необходимой несущей способности земляного полотна, предназначенного для скоростных железных дорог. Гидрогеологические условия считаются благоприятными при устойчивом горизонте грунтовых вод на глубине не менее 2 м от естественной поверхности земли.

Если при отсыпке основного тела земляного полотна используются глинистые грунты, на его границе с защитным слоем укладывается геотекстиль в качестве разделительного слоя и с целью улучшения дренирования

12

атмосферных осадков. В тех случаях, когда основания слабые (сложенные, например, торфами, илами, глинистыми грунтами текучей консистенции и т. п.), с ярко выраженным дефицитом несущей способности, в процессе проектирования разрабатываются конструктивные решения по усилению оснований, в частности, могут быть применены свайно-ростверковые конструкции, сваидрены, полная замена слабых грунтов основания, погружение насыпей на минеральное дно болот и т.п.

Крутизна заложения откосов насыпей и выемок зависит от состояния грунтов и должна быть не меньше 1:1,5. Как правило, такие откосы устраивают у насыпей, опирающихся на твердое минеральное основание. При слабых основаниях, усиленных свайно-ростверковыми конструкциями, заложение откосов менее крутое: 1:1,75. Если насыпь погружается на минеральное дно болота, то проектируются откосы с заложением 1:2. Окончательная величина крутизны откосов определяется на основании расчетов их устойчивости при действии вибродинамических нагрузок.

Параметры земляного полотна скоростных и высокоскоростных железных дорог при реконструкции устанавливаются на базе инженерного решения и анализа работы сооружения. Основными являются следующие:

•ширина основной площадки земляного полотна скоростных двухпутных дорог определяется исходя из необходимости размещения балластной призмы, опор контактной сети, ширины обочин и лотков для прокладки кабеля; в ряде зарубежных ВСМ эта ширина составляет 14 м и более.

•наименьшая высота насыпи в уровне бровки земляного полотна, опирающегося на сухое, прочное основание из глинистых грунтов, определяется величиной не менее высоты защитного слоя;

•возвышение бровки основной площадки земляного полотна устанавливается: над уровнем снежного покрова – не менее чем на 1 м; над расчетным уровнем длительного стояния воды (более 20 дней) или над уровнем фунтовых вод – не ме-

нее чем на 1,5 м; над расчетным уровнем воды при паводках – не менее чем на 0,2 м и при исключении обводнения подошвы защитного слоя;

•уплотнение грунтов оснований в выемках с использованием грунтоуплотнительной техники, армирования и других средств, если в природном сложении плотность грунтов меньше 98 % от максимального его значения;

•система водоотводных сооружений должна защищать земляное полотно от грунтовых и поверхностных вод. Элементы этой системы должны иметь межремонтный срок, равный сроку межкапитального ремонта пути.

Способы различаются в зависимости от того, в каком состоянии находятся грунты основания — в твердом (плотном) или слабом (неустойчивом). На рисунке 2 приведена классификация некоторых из существующих способов усиления эксплуатируемого земляного полотна.

13

Рис. 2. Способы усиления эксплуатируемого земляного полотна

2.1 Усиление земляного полотна, расположенного на твердом основании

В наибольшей степени деформациям подвержены высокие насыпи на твердом основании. В ходе длительной эксплуатации их конфигурация претерпевает значительные изменения – в верхней части крутизна откосов становится больше нормативной, наблюдается их деформация (смещение), просадки. Для усиления таких насыпей следует обеспечить общую устойчивость всей насыпи и местную устойчивость верхней ее части.

Выбор способа усиления земляного полотна зависит от следующих факторов: высоты и очертания насыпи, мощности и вида балластного шлейфа, состояния грунтового ядра насыпи, состояния основной площадки. В результате многократных подъемок пути и сдвижки загрязненного балласта на откосы развиваются шлейфы из рыхлого песчаного материала и щебня. Основные классификационные признаки шлейфов: по расположению (с одной или с двух сторон насыпи), по очертанию шлейфы делят на «совершенные», доходящие до подошвы насыпи, и «несовершенные», расположенные только в верхней части насыпи. Совершенные шлейфы присущи в основном невысоким насыпям, а несовершенные — насыпям высотой более 6 м. Последние представляют большую опасность для устойчивости насыпей. Материал шлейфа зависят от типа верхнего строения пути, существовавшего до капитального ремонта пути. Наиболее общим случаем является многослойный шлейф.

Методы усиление земляного полотна на твердом основании: боковыми присыпками грунта с уположением откосов и уширением основной площадки земляного полотна; досыпками и подрезками насыпи и выемок; устройством контрбанкетов в нижней части земляного полотна; сооружением в нижней части насыпи контрбанкета, а в верхней части – боковой присыпкой; подпорными стенами сооруженными из габионных конструкций и армо-грунтовые; способами армирования (стягивающими элементами, анкерными конструкция-

14

ми, буро-инъекционными и изготовленными по разрядно-импульсной технологии сваями) для усиления земляного полотна с балластными шлейфами и при невозможности его уширения боковыми присыпками и контрбанкетами.

2.1.1 Усиление земляного полотна боковыми присыпками

Боковую присыпку ведут грунтами, однородными с примененными в существующей насыпи или обладающими лучшими дренирующими свойствами. При уширении существующего земляного полотна за счет боковых присыпок (рис. 3) особое внимание обращают на уплотнение стыка между старой и новой насыпью – с обязательной проверкой качества уплотнения по стыку, а также откосной части.

Рис. 3. Боковая присыпка

К основным работам относятся боковые присыпки к нижней и верхней частям насыпи. К нижней части насыпи грунт присыпают с использованием экскаваторно-автосамосвальных модулей (рис. 4). Обязательной сопутствующей работой является нарезка уступов. Уступы проектируют шириной от 1 до 1,5 м, с устройством поперечного уклона, равного 0,02–0,04, в сторону поля. Уступы нарезают бульдозерами с откосниками одновременно с боковой присыпкой грунта к откосам насыпи (в ходе отсыпки слоев) или экскавато- рами-планировщиками. После нарезки первого уступа отсыпают и уплотняют 2–3 слоя присыпки. Далее переходят к нарезке следующего уступа и послойной присыпке к насыпи. Грунт, получаемый при нарезке (если он подходит по своим качествам), разравнивают ровным слоем по всей ширине присыпаемой части насыпи. Нарезка уступов относится к скрытым работам, выполняемым в присутствии представителя заказчика и оформляемым актом.

Если существующая насыпь сооружена из дренирующих грунтов, то вместо устройства уступов с откосов удаляют дерн, кустарник и деревья. Присыпку грунта к существующему пути осуществляют по однополосной схеме ведения работ

15

захватками длиной до 50 м. Автосамосвалы к месту укладки грунта подают задним ходом. После заполнения захватки грунтом, рассчитанным на отсыпку одного слоя толщиной 35–40 см, производят его разравнивание бульдозером и уплотнение грунтоуплотняющей техникой, а автосамосвалы подают грунт (также задним ходом) на захватку, находящуюся с другой стороны участка.

Рис. 4. Присыпка грунта с использованием экскаваторно-автосамосвальных модулей

Устройство контрбанкетов является методом усиления существующего земляного полотна (высоких насыпей) на твердом основании, если насыпь имеет недостаточный запас устойчивости как в верхней ее части, так и откоса в целом. Как правило, устройство контрбанкетов в нижней части усиливаемой насыпи сочетается с боковыми присыпками к верхней их части. Способ требует расхода больших объемов дренирующих грунтов, удлинения существую-

16

щих водопропускных труб, сноса и переноса зданий и сооружений, выноса коммуникаций.

Контрбанкеты отсыпаются дренирующим грунтом, песчано-гравийной смесью, а откосы досыпаются щебнем и уполаживаются. В ходе отсыпки контрбанкета бульдозер срезает дерн с основания, нарезает уступы в глинистой части откосов насыпи. Отсыпку контрбанкетов производят послойно (толщина слоя 30 см), на всю его ширину с тщательным уплотнением каждого слоя. Если ширина верхней присыпаемой части позволяет, то откосы верхней досыпаемой части насыпи формируют машиной СЗП-600. Полки и откосы контрбанкета укрепляют гидропосевом многолетних трав в два приема или обсыпают слоем щебня в 15 см.

При усилении насыпей с устройством контрбанкетов может быть использована двухполосная схема с кольцевым движением автосамосвалов или с их разворотом на насыпи. Работы ведут одновременно на двух захватках: на одной разгружают грунт, на другой – разравнивают и уплотняют его. Разгрузку грунта выполняют от начала захватки со стороны въезда автосамосвалов. Присыпки к насыпям высотой до 6 м сооружают с одновременным устройством въездов и съездов.

Присыпки к насыпям высотой более 6 м и шириной, достаточной для организации работ по двухполосной схеме, ведут только с устройством съездов. Для заезда на насыпь автосамосвалов и другой техники используют нулевые места на отметке отсыпаемого слоя. Насыпи протяженностью до 500 м возводят без устройства съездов — одной захваткой. Автосамосвалы во время разравнивания и уплотнения грунта (так же как и грунтоуплотняющую машину во время отсыпки слоя) используют на смежных участках работ.

Если боковую присыпку верхней части усиливаемых высоких насыпей осуществляют поездной возкой грунта по существующему пути, то нижнюю часть боковой присыпки (на высоту до 3 м) следует отсыпать по однополосной схеме ведения работ. В присыпаемую верхнюю часть насыпи грунт с действующего пути выгружают из думпкаров с откидным бортом (при высоте существующей насыпи до 5 м) или из думпкаров с подъемным бортом (при высоте насыпи до 3 м) (рис. 5).

Грунт с откоса и обочин существующего пути перемещают путевым стругом, кюветочной машиной СЗП-600 (при работе плугом с последующей планировкой после уплотнения), экскаватором-планировщиком, который находится на спланированной нижней части насыпи. Отсыпку и уплотнение производят послойно. После выгрузки очередной партии дренирующего грунта его послойно разравнивают бульдозером и уплотняют катками.

Откосную часть балластной призмы существующего пути во избежание ее засорения дренирующим грунтом перед разгрузкой думпкаров покрывают мешковиной, полиэтиленовой пленкой или щитами. После сдвижки грунта в присыпаемую часть насыпи защитное покрытие снимают и используют на следующем участке.

Уплотнение грунта производят мощными виброкатками, уплотняющими слой высотой до 0,7 м. Если ширина присыпаемой верхней части насыпи не

17

позволяет разместить виброкаток, учитывая еще и то, что он не может подойти к бровке насыпи ближе чем на 0,5 м, то для уплотнения откосной части могут быть использованы виброплиты (навесное оборудование к крану на железнодорожном ходу).

Рис. 5. Боковая присыпка верхней части усиливаемых высоких насыпей поездной возкой грунта по существующему пути

2.1.2 Классификация и область применения армогрунтовых конструкций

Для стабилизации и усиления земляного полотна железных дорог применяются армогрунтовые конструкции, в которых в качестве основного материала используется армированный грунт (армогрунт). Армированный грунт (армогрунт) – композитный материал, образуемый армирующими элементами, которые укладываются (устанавливаются) в грунт, обладающий трением. Взаимодействие между грунтом и армирующими элементами обеспечивается за счет трения, вызванного гравитационными силами. Армирующие элементы создают дополнительные связи между частицами грунта вследствие этого армогрунт может воспринимать растягивающие напряжения. Армирующие прослойки, работая совместно с грунтом, вызывают перераспределение напряжений между участками массива, обеспечивая передачу напряжений с перегруженных зон и вовлекая в работу недогруженные.

Классификация армогрунтовых сооружений выполняется по:

-назначению (укрепительная, защитная функция сооружения);

-типу фасадной облицовки (крупноблочный, модульный, каркасный,

гибкий)

-функции лицевых стен: несущая (воспринимает нагрузку) или защитнодекоративная(нагрузка не передается на облицовку);

-материалу армирующих элементов (металлические полосы и сетки, геосинтетические материалы: тканые геотекстили, геосетки, плоские и объемные георешетки);

18