Сооружение земляного полотна на болотах

3.1. Типы болот, их классификация, конструкции насыпей
на болотах

Болота образуются и развиваются на избыточно увлажненных участках земной поверхности. По происхождению болота разделяют на два вида: сплавинные, образовавшиеся при зарастании водоемов и рек; торфяные, появившиеся вследствие заболачивания суши. По условиям расположения и питания водой различают болота: низинные – грунтового, озерного или речного питания; переходные – смешан­ного питания; верховые – атмосферного питания.

В строительной практике пользуются классификацией (табл. 3.1), принципы которой разработаны Н.П. Кузнецовой (1936), а позже несколько дополнены К.С. Ордуянцем (1943) и В.Д. Казарновским (1976). Эта классификация основана на характеристике строения болотной толщи.

Таблица 3.1

Классификация болот (строительная)

Тип болота	Характеристика болота
Ia	Заполнено торфом, перекрытым сверху слоем минерального грунта (алювий)
Iб	Сплошь заполнено торфом
IIa	Включающее слой торфа, подстилаемый слоем сапропеля, мергеля или ила и перекрытый сверху слоем минерального грунта
IIб	Включающее слой торфа, подстилаемый слоем сапропеля, мергеля или ила
III	С торфяным слоем, плавающим на поверхности воды (сплавинное болото)

Для строительных целей необходима характеристика грунтов, слагающих болотную толщу, поэтому при проектировании и возведении земляного полотна болота принято разделять на три типа: I тип – грунты, выдавливание которых из-под насыпи невозможно; II тип – грунты, выдавливание которых возможно; III тип – грунты, выдавливание которых происходит обязательно. Наиболее часто приходится иметь дело с болотами I типа, кото­рые занимают на территории России около 90 % всех заболоченных участков.

Конструкции земляного полотна на болотах принимают с учетом типа болот, свойств болотных грунтов, категории железной дороги и экономических факторов. При выборе конструкции, как правило, для каждого болота рассматривают несколько возможных вариантов. Для возведения насыпей на болотах предусматривают использование преимущественно дренирующих грунтов. При отсутствии дренирующих грунтов на болотах I и II типов допускается применять пылеватый песок, а также легкую супесь. На болотах III типа – пылеватые пески, легкие супеси и др., глинистые грунты разрешается укладывать только в верхнюю, надземную часть насыпей. Насыпь из пылеватого песка и легкой супеси, сооружаемая в пределах осушенных или осушаемых болот, должна возвышаться на 2 м и более над уров­нем воды в болоте или в водоотводной канаве.

На болотах I типа при отсыпке насыпи до 3 м, полностью или частично удаляют торф из основания и заменяют его минеральным грунтом. На болотах глубиной до 2 м торф удаляют полностью. Частично удаляют торф на болотах глубиной более 2 м (рис. 3.1). При этом глубину траншей для дорог I и II категорий назначают так, чтобы сумма величин высоты насыпи над поверхностью болота и глу­бины траншеи была не менее 3,5 м, для дорог III категории – не ме­нее 3 м. Отношение общей высоты насыпи (включая высоту части, расположенной ниже поверхности болота, и величину расчетной осадки) к толщине уплотненного слоя торфа в основании насыпи должно быть не менее 2:1. Крутизну откосов траншеи выторфовывания назначают от 1 : 0 до 1 : 0,5 в зависимости от принятого способа производства работ (при устройстве траншеи драглайном – 1:0, при использовании бульдозеров – 1 : 0,5).

Рис. 3.1. Поперечные профили насыпей высотой до 3 м на болотах I типа: а – из дренирующих грунтов на болотах глубиной до 2 м; б – из мелких и пылеватых песков, легких супесей на болотах глубиной до 2 м; в – из дренирующих грунтов на болотах глубиной 2…4 м

Насыпи высотой более 3 м на болотах I типа (рис. 3.2) устраива­ют без выторфовывания с расчетом использования торфа в качестве естественного основания земляного полотна.

Рис. 3.2. Поперечные профили насыпей высотой более 3 м на болотах I типа: а – из дренирующих грунтов; б – из мелких и пылеватых песков, легких крупных супесей

На болотах II типа, независимо от высоты насыпи, предусматривают полное удаление торфа устойчивой консистенции и посадку насыпи на минеральное дно болота (рис. 3.3). На расстоянии не менее 2 м от подошвы откоса насыпи с обеих сторон устраивают канавы – торфоприемники, ширину которых назначают не менее 2 м, а глубину – равной толщине растительно-корневого покрова, но не менее 1 м.

На болотах III типа насыпи сооружают с использованием минерального дна для их основания с предварительным удалением (рис. 3.4) или без удаления торфяной корки. Если сплавина не удаляется, то высота насыпи над ней должна быть не менее 3 м.

Рис. 3.3. Поперечные профили насыпи на болотах II типа: а – из дренирующих грунтов; б – из мелких и пылеватых песков, легкой крупной и легкой супеси

Рис. 3.4. Поперечный профиль насыпи на болотах III типа

3.2. Технология возведения насыпей с полным
или частичным выторфовыванием

Возведение насыпей на болотах включает следующие процессы: осушение болота, если это предусмотрено проектом; подготовку основания; отсыпку нижней части насыпи (ниже уровня болота); отсыпку верхней части насыпи. Подготовку основания под насыпь увязывают с отсыпкой насыпи так, чтобы разрывы во времени были минимальны. До начала основ­ных работ на болотах, так же как и на других участках, выполня­ют подготовительные работы, которые состоят из расчистки дорожной полосы от леса, осушительных работ и устройства подъездов для движения транспортных средств.

Несущая способность болотных грунтов очень низкая (14...18 кПа), поэтому для таких условий применяют машины специальной болотной модификации, давление которых на грунт составляет около 25 кПа, что также часто превышает допустимую нагрузку. Для улучшения условий работы проводят осушение болот путем устройства канав. Несущая способность осушенных болот приблизительно равна 30 кПа, что уже достаточно для прохода специальных машин, однако при длительной работе машин с одной стоянки такая прочность болотного грунта все же мала.

Подготовительные работы часто выполняют в зимний период, ког­да при достаточной глубине промерзания можно применять обычные машины. При устройстве подъездных дорог на участках слабых грун­тов применяют деревянные колейные покрытия или покрытия из эле­ментов сборного железобетона.

Выторфовывание машинами. Для удаления торфа применяют бульдозеры или экскаваторы. При неглубоких осу­шенных болотах (до 2 м) или при естественном невысоком уровне воды над минеральным дном выторфовывание производят бульдозером путем послойной разработки торфа перпендикулярно оси дороги. От­валы торфа располагаются по краям выработки. На мелких болотах выторфовывание производят на полную глубину. Отсыпку насыпи на подготовленном участке производят при послойной укладке по схеме « с головы» . Выторфовывание бульдозером экономичнее, чем экскаватором, и его применяют всегда при наличии необходимых условий.

Выторфовывание экскаватором производят с оборудованием дра­глайна. При этом возможны две схемы работ: первая – при движении по оси траншеи или вдоль бровки ее с односторонней или двусторонней разработкой; вторая – при движении вдоль траншеи тремя проходками. По стоимости и трудоемкости всего комплекса работ эти схемы приблизительно равноценны.

При организации работ по первой схеме экскаватор, двигаясь по оси траншеи, разрабатывает ее на полный профиль и укладывает грунт в два отвала по обе стороны траншеи (рис. 3.5, а). Схема обес­печивает наименьшую стоимость и трудоемкость благодаря наимень­шим углам поворота стрелы экскаватора. Объем работ по перемеще­нию торфа в кавальер бульдозером наибольший, причем бульдозер ра­ботает в стесненных условиях ввиду близости отвала торфа к бров­ке траншеи. Поэтому торф из отвала в кавальер перемещается толь­ко после засыпки траншеи минеральным грунтом до уровня болота.

Эта схема применяется в случаях, не требующих предварительно­го устройства водоотводных канав.

При односторонней схеме экскаватор движется вдоль бровки траншеи, разрабатывая ее на полный профиль за одну проходку, и укладывает грунт в один отвал (рис. 3.5, б). Углы поворота стрелы экскаватора здесь больше, чем при движении его по оси траншеи, и производительность уменьшается примерно на 6 %. По этой схеме одновременно с разработкой траншеи возможно устройство одной водоотводной канавы.

Рис. 3.5. Схемы организации работ при выторфовывании экскаватором: а – при движении экскаватора по оси траншеи; б – при одностороннем движении экскаватора;
в – при двустороннем (I;II) движении экскаватора; г – тремя проходками (I; II; III) экскаватора

При двусторонней разработке траншеи (рис 3.5, в) работы ведутся двумя проходками. Экскаватор идет по одной стороне траншеи, разрабатывая ее на половину ширины, и затем, возвращаясь по другой бровке, разрабатывает траншею на полный профиль. Торф укладывается в два отвала. Одновременно с разработкой траншей возможно устройство водоотводных канав. Работы можно вести либо одним, либо двумя экскаваторами одновременно.

Приведенная схема обеспечивает наименьшую трудоемкость перемещения торфа в кавальер; бульдозер только разравнивает отвал торфа слоем до 0,5 м.

При разработке тремя проходками (рис. 3.5, г) экскаватор снача­ла разрабатывает среднюю часть траншеи, а затем ее крайние части. Из отвала у центральной части траншеи торф перемещается за пределы очертаний основания насыпи бульдозером или драглайном. Рабо­ты можно производить одним или двумя экскаваторами одновременно.

При устройстве широких и глубоких траншей с большим объемом выторфовывания, особенно на болотах с низкой несущей способнос­тью, торф транспортируется в специальные отвалы автосамосвалами, занятыми на возведении насыпи. Экскаватор в этом случае перемещается по отсыпаемой насыпи. Эта схема получила название «от себя».

На глубоких болотах более качественным выторфовыванием считают метод взрывания зарядов под насыпью. Заряды закладывают в скважинах, пробуренных через насыпь, и в стороне от нее рядами через 3…4 м. Сначала взрывают внешние заряды, которые образуют торфоприемные траншеи, затем с замедлением в 20…30 миллисекунд (мс) заряды под насыпью. При широких насыпях первыми взрывают осевые заряды, затем с замедлением – крайние, тогда раньше опускается средняя часть насыпи и отжимает разрыхленную массу в стороны.

Взрывные работы на болотах эффективны и их применяют во всех случаях, когда позволяют условия обеспечения безопасности.

Взрывами можно производить полное и частичное удаление торфа, рыхление торфа (разрушение структуры), устройство торфоприемников, канав, выравнивание минерального дна или устройство упор­ных канав при уклоне дна болота для предотвращения скольжения насыпи. На болотах I типа обычно ведут разработку торфа на выброс с расчетом получения полного профиля до дна болота.

Расчет взрывных работ ведут по эмпирическим формулам, в основе которых использована зависимость количества взрывчатого вещества от объема разрабатываемой породы:

, (3.1)

где a – показатель выброса; q – расход ВВ, кг/м³; W – расчетная линия сопротивления, равная глубине взрываемого слоя торфа. Расстояния между зарядами (в ряду) принимают равными 0,9 W; 1,1 W; 1,2 W, в зависимости от плотности торфа (чем плотнее торф, тем расстояние между зарядами меньше). Расстояние между рядами зарядов принимают равным 0,85 W.

Выторфовывание средствами гидромеханизации. Применение гид­роме­ханизации эффективно при определенных условиях. В частности при достаточно больших сосредоточенных объемах работ, наличии достаточного объема воды и дешевой электроэнергии. При возведении земляного полотна на болотах такие благоприятные условия встречаются сравнительно редко, однако при наличии этих условий применение гидромеханизации весьма эффективно.

Сущность работ состоит в размыве торфа мощной струей воды, в результате чего образуется рыхлая жидкая масса, которая легко отжимается грунтом возводимой насыпи. На болотах I типа торф размывают гидромонитором, гидросмесь перекачивают передвижными землесос­ными установками в отвал. Образовавшуюся траншею заполняют грунтом насыпи при отсыпке ее с головы или комбинированным способом.

На болотах II и III типов производят только размыв верхнего сплавинного слоя торфа гидромониторами. Разжиженный торф не удаляют; он отжимается грунтом насыпи в боковые прорезы, сделанные также гидромониторами. Подачу грунта для насыпи осуществляют также по способу гидромеханизации. На болотах II и III типов применяют метод инъекции песчаного грунта, при котором гидросмесь подают по трубе непосредственно в разжиженную торфяную массу, и песок вытесняет торф.

Работу проводят в такой последовательности: установка насос­ной станции и прокладка трубопровода; размыв торфа в траншее гидромониторами; отсыпка грунта в траншею с погружением на минеральное дно; возведение верхней части насыпи. Отсыпку грунта насыпи производят с помощью машин, а также по способу гидромеханизации. Грунт для насыпи получают путем размы­ва гидромонитором или добычей со дна водоема землесосной установ­кой (земснарядом). Намыв насыпи осуществляют безэстакадным спосо­бом путем укладки трубопровода непосредственно на поверхность на­мываемой насыпи.