Сооружение земляного полотна на вечномерзлом грунте

Требования к земляному полотну на вечномерзлом грунте. В настоящее время на ВМГ в России построено и эксплуатируется несколько тысяч километров железных дорог. Накопленный опыт проектирования и строительства дорог на ВМГ позволяет получить выводы об использовании принципа сохранения мерзлого состояния грунта в основании. Этот принцип является основным при разработке проектов. Однако на практике мероприятия, предусмотренные проектом для сохранения мерзлоты, не были осуществлены в производственных масштабах ни на одной из дорог, построенных в районах с ВМГ.

Несмотря на то, что проектные решения, направленные на сохранение мерзлоты в основании не реализованы, земляное полотно эксплуатируемых железных дорог удовлетворяет эксплуатационным требованиям, а появившиеся на них деформации (длительные осадки, пучины, сплывы откосов и др.) связаны с плохим состоянием водоотводных устройств, скоплением воды непосредственно около земляного полотна, высокой влажностью грунтов и отсутствием укрепления откосов. Таким образом, земляное полотно в районах с ВМГ проектируют и сооружают с учетом свойств грунтов деятельного слоя и ВМГ, залегающих в основании, а также наличия мерзлотных явлений и подземных льдов. С точки зрения использования ВМГ в качестве оснований земляного полотна их можно разделить на следующие основные группы:

· скальные грунты слабовыветривающиеся (граниты, порфиры, песчано-глинистые сланцы);

· скальные грунты легковыветривающиеся (песчаники, туфы, глинистые сланцы);

· щебенистые и гравийно-галечниковые грунты с примесью песка, имеющие суммарную влажность 15...30 %;

· супеси и суглинки с естественной влажностью 30…37 %;

· супеси и суглинки оторфованные с влажностью 40…80 %;

· торф с естественной влажностью до 100 %.

При проектировании и строительстве сооружений считают, что если основанием сооружений служит скальный грунт, то его мерзлотное состояние можно не учитывать, поскольку при промерзании и оттаивании его физические свойства практически не меняются.

На участках с прочным основанием следует проектировать земляное полотно обычной конструкции независимо от глубины, характера залегания и температуры ВМГ. На участках, где ВМГ при оттаивании дает осадку, земляное полотно выполняют по индивидуальным проектам с определением расчетных глубин протаивания и осадки грунтов основания по поперечным профилям не реже, чем через каждые 50 м трассы.

Технология сооружения насыпей на вечномерзлом грунте. Земляное полотно в районах с ВМГ проектируется преимущественно в виде насыпей. Технология работ при возведении насыпей на ВМГ подчинена требованиям сохранения мерзлоты или ее оттаивания.

Когда конструкцией насыпи предусматривается оттаивание ВМГ, принимаются меры, способствующие осушению грунта:

· своевременная вырубка леса и кустарника;

· устройство постоянных и временных водоотводных канав;

· расчистка полосы отвода от растительного грунта и торфа.

На участках, где проектом предусматривается сохранение ВМГ (чаще всего на марях) принимают меры, исключающие повреждение растительно-мохового покрова:

· отсыпку насыпи ведут зимой;

· первый слой насыпи отсыпают с «головы», не допуская движения машин по естественному основанию;

· систематически удаляют снег с площади основания насыпи с целью увеличения глубины промерзания грунта.

В том случае, когда производится отсыпка насыпи в летнее время, работы выполняются либо в один, либо в два этапа. При двухэтапной отсыпке насыпи сначала сооружают так называемую насыпь пониженного профиля, т. е. поднимают ее на такую отметку, которая не препятствует полному промерзанию грунта в теле насыпи и основании (при наступлении периода с отрицательными температурами воздуха). После полного промерзания нижнего слоя насыпи производят досыпку ее до проектных отметок (II этап). Если проектная высота насыпи меньше (или равна) насыпи пониженного профиля, то ее и зимой, и летом можно отсыпать сразу до проектных отметок (по одноэтапной схеме).

Насыпи на ВМГ следует возводить из скального или дренирующего грунта, используя глинистые грунты в исключительных случаях. Резервы при наличии ВМГ закладывать не целесообразно. Для возведения насыпей на участках ВМГ с прочным основанием могут применяться все виды землеройных и землеройно-транспортных машин, а также автомобильный и железнодорожный транспорт для перемещения грунта, как и в обычных условиях.

На недостаточно прочном и слабом основаниях с высокотемпературной вечной мерзлотой, включая мари (III и IУ категория просадочности), при значительных дальностях возки и объемах работ целесообразно использовать железнодорожный подвижной состав в комплексе с автосамосвалами, как при возведении насыпей на болотах. В благоприятных условиях и при соответствующих грунтах возможно применение самоходных скреперов с ковшами 10…15 м³ и более. Технология отсыпки слоев насыпи с применением автосамосвалов, железнодорожного подвижного состава и скреперов в основном аналогична технологии возведения насыпей на болотах, особенно на марях с высокотемпературной вечной мерзлотой, где учитывают понижение поверхности ВМГ.

Важнейшей технологической операцией при возведении насыпей, в том числе на ВМГ, является послойное уплотнение грунта. Эффективность пневмокатков массой 25 т на щебенистых и других дренирующих грунтах невелика. Наиболее подходят для этих целей решетчатые и виброкатки.

В отечественной практике для уплотнения грунтов чаще всего применяют прицепные катки на пневматических шинах, организуя их работу по круговой схеме: легкие (до 10 т) – для подкатки, тяжелые (до 25…50 т) – для окончательного уплотнения. Количество проходов катка зависит от влажности грунта и определяется пробным уплотнением. Ориентировочное число проходов катков по следу можно назначать по табл. 5.7.

Таблица 5.7

Определение количества прохода катков

Грунт	Коэффициент уплотнения	Толщина слоя (при W = 1), см, при массе катка	Количество проходов	Толщина слоя (при W = 1,1), см, при массе катка	Количество проходов	Толщина слоя (при W = 1,2), см, при массе катка	Количество проходов
10 т	25 т	10 т	25 т	10 т	25 т
Супесь	0,90			4–6			5–7			6–8
легкая	0,95			6–8			7–9			8–10
	0,98			8–10			9–11			10–12
Супесь	0,90			5–7			6–7			7–9
тяжелая,	0,95			7–9			7–8			9–11
суглинок	0,98			9–11			9–10	–	–	–
легкий
Суглинок	0,90			6–8			7–9			8–10
тяжелый,	0,95			8–10			9–11			10–12
глина	0,98			10–12			11–13	–	–	–

При возведении насыпей на ВМГ приходится выполнять ряд операций, которых нет в обычных условиях:

· вырезку слабых глинистых грунтов в основании насыпей;

· отсыпку откосов слоем камня;

· отсыпку берм у подошвы насыпи и др.

Вырезку талого грунта производят бульдозерами, придавая дну траншеи уклон (продольный) не менее 0,005. Грунт собирают в валы, из которых его погружают экскаваторами в автосамосвалы и вывозят за пределы насыпи. Аналогично выполняют работу в мерзлом грунте, который разрабатывают с помощью тракторных рыхлителей.

Теплоизоляционную прослойку укладывают по мере возведения
1-го слоя насыпи. Предварительно завозят автосамосвалами теплоизоляционный материал и выгружают его перед отсыпаемой насыпью, затем бульдозером перемещают вперед на расстояние до 50 м, распределяя его равномерно по всей ширине основания насыпи. После этого отсыпают слой грунта в тело насыпи без заезда автосамосвалов на изоляционный слой.

Отсыпку откосов насыпи слоем камня целесообразно производить по мере ее возведения. После возведения насыпи на высоту 2…3 м завозят автосамосвалами камень и выгружают его около откосов насыпи, а затем бульдозером сдвигают на откосы. Выравнивают слой камня на откосе экскаватором-планировщиком, размещаемым на насыпи. При пологих откосах (под углом 30º) выравнивать камень можно бульдозерами. Бермы по сторонам насыпи возводят из местного грунта по мере отсыпки нижнего слоя насыпи. Грунт доставляют по отсыпанному слою насыпи, выгружают около пониженного места, надвигают бульдозером и уплотняют грунтоуплотняющей машиной. Верх бермы должен быть выше поверхности мари на 0,2…0,3 м с поперечным уклоном 0,02…0,04 в сторону от насыпи.

До начала сооружения насыпей и выемок устраивают водоотводные канавы. Объем работ по устройству водоотводных канав включают в основные земляные работы. Насыпи на просадочных грунтах сооружают по принципу I – с сохранением мерзлого состояния грунта. При этом важно избежать оттаивания грунта в период строительства. Это требование легко выполняется в зимних условиях. Однако строительство целесообразно вести круглогодично. Кроме того, летнее время имеет ряд преимуществ по организации работ. Но для возведения насыпи летом требуется проведение специальных мероприятий. Одно из таких мероприятий – этапное сооружение насыпи.

Для выбора способа сооружения насыпи предварительно производят анализ ее высоты. Цель – определить максимальную высоту насыпи, отсыпаемой летом, чтобы она полностью промерзала за предстоящий зимний период, включая и основание. Это так называемая насыпь пониженного профиля. После ее полного промерзания можно досыпать насыпь до проектного положения.

Высота насыпи пониженного профиля может быть определена ориентировочно из выражения

(5.12)

где h_псп – глубина потенциального сезонного промерзания грунтов в районе строительства насыпи (принимается по данным многолетних наблюдений); h_пр – глубина протаивания деятельного слоя на момент начала отсыпки насыпи, определяется по формуле

(5.13)

где h_gс – мощность деятельного слоя; i – темп протаивания грунтов в районе строительства; k₃ – коэффициент запаса, учитывающий отклонение значений расчетных параметров (температура отсыпаемого грунта, мощность деятельного слоя, темп протаивания грунта и т. д.), k₃ принимается в пределах 0,6…0,9. Коэффициент запаса должен быть уточнен в ходе строительства по фактическим изменениям глубин промерзания и оттаивания. Величину h_нпп определяют для всех характерных участков, имеющих примерно одинаковую глубину протаивания естественного основания.

Выявление этапности производства земляных работ осуществляется путем сравнения проектной высоты насыпи H_н и высоты насыпи пониженного профиля h_нпп:

(5.14)

. (5.15)

Неравенство (5.14) показывает, что при его соблюдении отсыпку насыпи на данном участке можно производить сразу на проектную величину (одноэтапная отсыпка). Неравенство (5.15) соответствует двухэтапной отсыпке. Дополнительные требования к технологии двухэтапной отсыпки насыпей на ВМГ:

· отсыпку насыпи пониженного профиля в летнее время следует производить непрерывно (круглосуточно) без длительных перерывов между смежными технологическими процессами по отсыпке слоев грунта, их разравниванию и уплотнению, обеспечивая сохранение возможно более низкой температуры грунтов тела насыпи;

· досыпку насыпи пониженного профиля в зимний период до проектных отметок следует производить послойно с технологическими перерывами между отсыпкой каждого последующего слоя, достаточными для промерзания предыдущего слоя грунта.

Технология сооружения выемок в вечномерзлых грунтах. В ВМГ выемки закладывают, как правило, в скальных, песчано-гравийных и других непросадочных (после оттаивания) грунтах. ВМГ разрабатывают как в зимнее, так и в летнее время. Грунт в зависимости от его пригодности и времени года перемещают в насыпь или отвал.

Технология разработки выемок в скальных грунтах в зоне вечной мерзлоты не имеет особых отличий от разработки в обычных условиях. Спецификой является, например то, что в трещиноватых грунтах в летнее время при рыхлении буровзрывным способом попадающая в скважины вода из деятельного слоя замерзает, препятствуя их зарядке. Поэтому разрывы между бурением и зарядкой скважин допускать не следует.

Нескальные ВМГ в зимнее время разрабатывают с использованием технологических приемов, применяемых на разработке сезонномерзлого грунта. В летнее время ВМГ находится как в мерзлом, так и в талом состоянии. Особенности разработки ВМГ в летнее время рассмотрены выше. В зимних условиях низкотемпературные ВМГ разрабатываются буровзрывным способом; высокотемпературные – с помощью тракторных рыхлителей.

Мерзлые грунты по трудности дробления взрывом делятся на легко-, средне- и труднодробимые. К легкодробимым грунтам относятся песчаные сыпучемерзлые грунты малой влажности и грунты IV группы, кроме суглинков и глин с влажностью более 5 %; к среднедробимым – грунты V группы и грунты, содержащие крепкие включения размером более 0,2 м в количестве не свыше 30 % объема массива. К труднодробимым грунтам относятся грунты VI и VII групп, суглинки и глины с влажностью до 5 %, грунты с крепкими включениями размером более 0,2 м в количестве свыше 30 % объема массива. Опыт показывает, что в зимнее время наиболее эффективным приемом, позволяющим достичь хорошего дробления ВМГ, является максимальное сближение зарядов ВВ с расположением их по сетке с размерами квадратов от 1,5´1,5 до 2´2 в зависимости от вязкости грунта при уменьшении диаметра скважин до 70…100 мм.

Для лучшего дробления вечномерзлых скальных грунтов, когда они прикрыты сверху коркой сезонномерзлого грунта, рекомендуется в верхнем слое размещать заряды в дополнительно пробуренных мелких скважинах меньшего диаметра, расположенных в центре квадратов между основными скважинами (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схема расположения зарядов при рыхлении вечномерзлых грунтов взрывом: 1 – основные скважины; 2 – дополнительные скважины

При расчете параметров буровзрывных работ, кроме породных условий (мерзлого грунта), необходимо учитывать конструктивные и технические возможности землеройных машин, занятых на разработке взорванного грунта. Учет характеристик машин необходим для того, чтобы обеспечить минимальный выход негабаритных кусков в массе взорванного грунта.

Вечномерзлые нескальные грунты в отличие от скальных не имеют естественной трещиноватости, поэтому при их взрывании выход негабаритов значительно больше, чем при взрывании скальных пород. С целью более равномерного дробления грунтов применяют ВВ и конструкции зарядов, обеспечивающие большую продолжительность воздействия взрыва на массив породы: простейшие гранулированные ВВ, заряды с воздушными промежутками, врубово-трапецеидальные схемы взрывания и др.

Для образования взрывных скважин в районах с ВМГ в основном применяют обычные буровые машины с теми же рабочими органами, которые используют в обычных условиях. При этом бурение скважин в ВМГ сопряжено с некоторыми трудностями. Так как мерзлые грунты имеют различную температуру по глубине, они обладают различной прочностью. Поэтому по мере проходки неоднородных по крепости и льдосодержанию участков необходимо постоянно регулировать параметры режима бурения.

Характерной особенностью ВМГ в северных районах является то, что в них преобладают гравийно-галечные включения с глинистыми или песчаными заполнителями, с прослойками и линзами льда. Часто в таких грунтах встречаются валуны значительных размеров. При проходке скважин через различные слои породы возникают вибрация бурового станка, искривление скважины и даже поломки бурового оборудования. Для предотвращения сбоев прибегают к снижению осевого нажима на буровой стан и уменьшению частоты вращения бура.

При бурении нескальных ВМГ за счет выделения тепла в процессе разрушения породы и разогрева бурового шлама происходит налипание (запрессовка) на рабочие органы шлама, образуются грунтовые пробки. Это снижает скорость бурения ВМГ, приводит к быстрому выходу из строя шарошечных долот. Для улучшения выноса продуктов бурения из скважин и повышения скорости бурения в ВМГ нашло широкое применение комбинированное пневмошнековое удаление бурового шлама. Другим видом осложнений, которые часто встречаются при бурении ВМГ, являются так называемые прихваты (примерзания) бурового инструмента в скважине. Во избежание прихвата бурового инструмента необходимо при перерывах в работе более получаса извлекать инструмент из скважины. Кроме того, следует регулярно в процессе бурения очищать шнеки, штанги и долота от налипшего на них шлама.

В настоящее время в летний период выемки в вечномерзлых нескальных и выветрелых скальных грунтах (IV…VI групп) разрабатывают, как правило, путем послойного рыхления тракторными рыхлителями мощностью 235…300 кВт и более. Впервые массовое рыхление ВМГ механическим способом стали применять на БАМе. В результате на каждые 1000 м³ разрабатываемого грунта было получено сокращение трудозатрат на 2…3 чел.-дня и стоимости работ на 300…350 р.

Наиболее приемлемой схемой механического рыхления ВМГ следует считать продольную схему, которая позволяет работать наклонным забоем; при этом за счет увеличения тягового усилия трактора производительность рыхлителя возрастает. Наклонный забой дает возможность также увеличивать глубину рыхления грунта.

Производительность тракторного рыхлителя П_т в конечном счете определяется толщиной разрыхленного слоя, при которой грунт может быть сдвинут бульдозером после рыхления. Эта толщина, называемая глубиной эффективного рыхления, зависит от глубины борозды рыхления, вида грунта и схемы движения машины. При работе рыхлителя с поворотом определяется по формуле

(5.16)

где В – средняя ширина полосы рыхления за один проход при многозубном рабочем органе или между двумя смежными проходами при однозубном рабочем органе, м; h_эф – эффективная глубина рыхления (0,4…0,9) h; L – длина борозды рыхления (не более 60…100 м); t_ц – продолжительность цикла, с.

Продолжительность рабочего цикла, с:

– при разработке грунта продольными проходками с разворотами на концах участка

; (5.17)

– при челночном движении рыхлителя

(5.18)

где V_p, V_x – скорости соответственно рабочего и холостого ходов; t_п – время на повороты (не превышает 20…30 с); t_у – время на установку (заглубление) колонки рыхлителя (30–60 с).

При послойном рыхлении каждый разрыхленный слой сдвигается бульдозерным оборудованием за пределы захватки рыхления грунта. В зависимости от дальности транспортирования грунта к месту укладки используются различные транспортные средства: автосамосвалы с погрузкой экскаваторами, автосамосвалы с погрузкой фронтальными погрузчиками, бульдозеры (при дальности возки не более 100 м), фронтальные погрузчики (при дальности возки не более 10…20 м).

Наиболее высокие показатели работы рыхлительно-бульдозерного комплекта машин, занятых на послойном рыхлении грунта и перемещении его в насыпь на расстояние более 100 м, достигнуты в тех случаях, когда погрузка грунта в автосамосвалы осуществлялась фронтальным погрузчиком. При использовании рыхлительно-бульдозерных комплектов выемки в ВМГ разрабатываются ярусами сразу на всю их ширину торцовым забоем при движении погрузчиков по челночной схеме или с разворотом. Высота яруса обычно принимается 5…6 м.

Работа комплекта организуется на двух захватках (по ширине разрабатываемого яруса): на одной захватке выполняется рыхление слоя грунта и штабелирование его бульдозером в бурты; на другой – ведется погрузка грунта из буртов в автосамосвалы (рис. 5.5). Затем машины меняются местами, переходя с захватки на захватку.

Рис. 5.5. Схема разработки выемки рыхлительно-бульдозерным комплектом и погрузчиком: 1 – автомобиль-самосвал; 2 – тракторный погрузчик;
3 – бульдозер-рыхлитель

При работе погрузчика по челночной схеме минимальная ширина торцового забоя зависит от конструктивных параметров машин:

(5.19)

где b_a – габаритная ширина автосамосвала; l_п – габаритная длина погрузчика; L_a – длина базы автосамосвала с учетом его части, выступающей относительно передней оси; R_a – наименьший радиус поворота автомобиля; a – запас, оставляемый по условиям техники безопасности (не менее 2 м). При движении погрузчика по схеме с разворотом минимальная ширина торцового забоя:

(5.20)

где b_п – габаритная ширина погрузчика.

В тех случаях, когда ширина выемки оказывается меньше значений, подсчитанных по формуле (5.15) или (5.16), в основании выемки остается недобор грунта. Этот слой грунта разрабатывается при перемещении фронта забоя «на себя». При этом погрузчик и автосамосвалы находятся на поверхности слоя недобора (рис. 5.6) и туда же бульдозером перемещают предварительно разрыхленный грунт.

Рис. 5.6. Разработка нижнего слоя выемки погрузчиком в комплекте с бульдозером-рыхлителем: 1 – автомобиль-самосвал; 2 – тракторный погрузчик; 3 – бульдозер-рых­литель

Такую же схему работ применяют при разработке выемок в вечномерзлых просадочных грунтах, что позволяет сохранить основную площадку выемки от деформаций и преждевременного оттаивания до засыпки ее дренирующим или скальным грунтом.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие грунты являются вечномерзлыми, какие встречаются виды вечномерзлых грунтов?

2. Укажите: а) основные факторы, влияющие на механическую прочность вечномерзлых грунтов; б) способы расчета температуры, влажности и сопротивления резанию вечномерзлых грунтов.

3. Поясните, в чем заключается сущность дорожно-мерзлотной классификации грунтов и каково ее назначение.

4. Перечислите основные особенности организации земляных работ в условиях залегания вечномерзлых грунтов.

5. Как учитывается состояние вечномерзлых грунтов при выборе способов их разработки?

6. Назовите основные принципы комплексной механизации земляных работ в условиях северной строительно-климатической зоны.

7. Какие мероприятия по защите окружающей среды необходимо предусматривать при производстве земляных работ в районах распространения вечной мерзлоты?

8. Перечислите основные особенности проектирования земляного полотна железных дорог, сооружаемых в условиях вечной мерзлоты.

9. В чем заключается принцип двухэтапной отсыпки насыпей на вечномерзлом основании?

10. Изложите основные правила и способы: а) подготовки трассы и полосы отвода земель в районах вечной мерзлоты; б) проектирования и сооружения притрассовых и подъездных автомобильных дорог; в) сооружения железнодорожных насыпей на вечномерзлых грунтах; г) разработки выемок в вечномерзлых грунтах; д) инженерной подготовки строительных площадок в условиях залегания вечномерзлых грунтов.

11. Что подразумевают под пионерным освоением района строительства и как его организуют?

12. Укажите основные направления снижения стоимости строительства при производстве земляных работ в условиях распространения вечномерзлых грунтов.

6. ПЕРЕУСТРОЙСТВО ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
С ПРИМЕНЕНИЕМ ФИЛЬТРУЮЩИХ НАСЫПЕЙ
(НА ПРИМЕРЕ ДВЖД)

6.1. Основные предпосылки применения
фильтрующих насыпей

Значительная часть Дальневосточной железной дороги, включая БАМ, характеризуется сложными природно-климатическими условиями: вечной мерзлотой, высокой сейсмичностью некоторых участков, горными условиями и др. Традиционный подход к строительству без учета особенностей вечномерзлых грунтов привел к тому, что почти 25 % земляного полотна на БАМе подвержены непрекращающимся осадкам. В период эксплуатации из-за недостатков проектирования и строительства дороги в земляном полотне стремительно начали развиваться различные деформации.

Несмотря на определенные затраты на ремонт и усиление земляного полотна, состояние его практически не улучшается, а протяженность деформирующегося земляного полотна имеет тенденцию к увеличению. Так, если на начало 2000 г. на участке северного хода ДВЖД от Тынды до Хальгасо (включая линию Известковая–Ургал) действовало 48 постоянных и длительных ограничений скорости (25 и 40 км/ч) по дефектам земляного полотна, то на начало 2001 г. наблюдается рост в среднем на 22 %. И это при размерах движения в 2000 г. (7+1) пп/сут и средневзвешенной приведенной грузонапряженности 7,82 млн ткм/км (по данным отчетности Службы пути ДВЖД).

В перспективе на Восточном БАМе ожидается увеличение перевозок в 2,5–3 раза за счет угля Эльгинского месторождения, транспортировки грузов из стран Азиатско-тихоокеанского региона. При этом переход на осевую нагрузку 30 тс вызовет резкий рост деформаций земляного по­лотна. Без реконструктивных мер железной дороге не освоить растущие объемы перевозок. Большинство устройств железнодорожного пути
БАМа построено по нормам 1-й категории, поэтому основные объемы
реконструктивных мероприятий необходимо выполнить преиму­ществен­но по ликвидации дефектов земляного полотна.

Основная причина непрекращающихся осадок – это обводнение земляного полотна из-за отсутствия малых водопропускных сооружений и деформирования водоотводных сооружений. Большинство таких мест совпадает с пониженными участками рельефа: межгорными впадинами, котловинами и т. д. Практически 90 % деформаций земляного полотна в той или иной мере связано с переувлажнением его тела или основания, на котором оно расположено. Если в обычных условиях основание, сложенное из заторфованных суглинков или супесей твердой консистенции, выдерживает нормативные нагрузки, то в мягкопластичном или текучем состоянии при переувлажнении оно теряет прочность. Деформации при этом происходят за счет пластического течения (выдавливания) грунтов под нагрузками от собственного веса насыпи и динамического воздействия поездов. При росте грузонапряженности железных дорог эти деформации соответственно увеличиваются.

На слабых при протаивании вечномерзлых грунтах переувлажнение способствует нарушению термовлажностного режима, возникновению и увеличению глубины «чаши» протаивания и соответственно интенсивному росту деформаций в виде просадок и осадок насыпей. При наличии в основаниях насыпей грунтов 3-й и 4-й категорий просадочности осадки земляного полотна длятся десятилетиями и при этом полной стабильности не наступает.

Обеспечить стабильность земляного полотна можно за счет отвода воды от тела земляного полотна. Но в условиях слабого стока крайне сложно осуществить поперечный перепуск воды из-за малого уклона местности. Водопропускная труба в этих условиях будет работать только на ливневый сток и аккумулировать воду на дне, тем самым способствовуя увлажнению основания и его самодеформации в результате морозного пучения и осадки.

В этих условиях целесообразно устройство эстакадного моста. Но такие мосты – дорогостоящие сооружения и часто экономически их применение не будет оправдано на участке с малым расходом воды с бассейна. Но, самое главное, сооружение такого моста в условиях эксплуатации практически невозможно на существующем земляном полотне без устройства временного и постоянного обхода участка железной дороги.

Как показала практика эксплуатации и результаты обследовательских работ прошлых лет, наиболее эффективной конструкцией земляного полотна в условиях вечной мерзлоты на участках плохо обеспеченного стока и малого расхода является дренирующая насыпь из сортированного скального грунта, а на участках сосредоточенного стока – фильтрующая или (при большем расходе) комбинированная с трубами фильтрующая насыпь.

Фильтрующие насыпи (рис. 6.1) допускается при­менять в качестве водопропускных сооружений при пересече­нии логов, местных понижений, а также постоян­ных водотоков с расчетным расходом: не более 10 м³/с при залегании в основании земляного полотна прочных скальных, крупнообломочных грунтов, крупных и средней крупности песков, плотных глин и суглинков; не более 3 м³/с – на торфяных и заторфованных грунтах. При необходимости пропуска расхода воды более 10 м³/с следует применять комбинирован­ные фильтрующие насыпи с водопропускными трубами (рис. 6.2).

Рис. 6.1. Фильтрующая насыпь при рабочих отметках более 4 м: 1 – железнодорожная насыпь; 2 – фильтрующая часть водопропускного сооружения; 3 – изоляция верха фильтрующей насыпи из синтетического нетканого материала; 4 – песчаная или песчано-гравийная подушка; 5 – контрбанкет; 6 – оголовок фильтрующей части; 7 – изоляция откосов и низа фильтрующей насыпи из синтетического нетканого материала; 8 – кривая депрессии водного потока в пределах сооружения; 9 – откосы котлована до возведения фильтрующей насыпи

В условиях дальневосточного Севера фильтрующая насыпь повышает устойчивость сооружения в результате уменьшения знакопеременных деформаций: осадки и пучения. Это связано с тем, что такая конструкция способствует удалению влаги и уменьшению величины пучения за счет постоянного проветривания грунтов основания. Проветривание осуществляется путем конвективного теплообмена в поровом пространстве скальной призмы между основанием и воздухом.

Рис. 6.2. Поперечный разрез комбинированной фильтрующей насыпи (при высоте насыпи до 4 м): 1 – железнодорожная насыпь; 2 – фильтрующая часть водопропускного сооружения; 3 – изоляция верха фильтрующей насыпи из синтетического нетканого материала; 4 – песчаная или песчано-гравийная подушка; 5 – откосы котлована до возведения фильтрующей насыпи; 6 – изоляция откосов и низа фильтрующей насыпи из синтетического нетканого материала

В результате происходит температурная сдвижка и соответственно уменьшается период протаивания основания и последующей осадки. Вечная мерзлота превращается в средство повышения устойчивости. Верхняя ее граница в процессе эксплуатации железной дороги поднимается. Это способствует стабилизации основания.

Возможность и целесообразность применения фильтрующих насыпей устанавливается в зависимости от местных условий на основе сравнения вариантов с учетом эксплуатационных расходов, срока службы сооружений и условий их текущего содержания.

Применение фильтрующих насыпей наиболее целесообразно:

1) на новостройках (в районах с наличием местных скальных слабовыветривающихся грунтов в качестве матери­ала насыпи; в случаях необходимости выполнения строи­тельных работ в зимнее время; на участках, где в последующем потребуется смягчение продольных уклонов дороги или введение более мощных подвижных единиц, требующих перестройки мостов и труб; в сейсмических районах);

2) действующих линиях (в дополнение к указанному в п. 1 также для поперечного перепуска воды через тело насыпи на обводненных участках в депрессионных формах рельефа; на участках высокотемпературной вечной мерзлоты; в составе комплексов противодеформационных мероприятий).

Одним из важных условий применения фильтрующих насыпей является отсутствие илистых стоков. Фильтрующие насыпи можно применять напорные и безнапорные. Напорные фильтрующие насыпи, имеющие большую водопропускную способность и требующие меньшего расхода камня по сравнению с безнапорными, целесообразно применять в местах пересечения логов.

На равнинных участках трассы в местах залегания торфяных грунтов более целесообразны безнапорные фильтрующие насыпи. Для фильтрующих насыпей в условиях Дальневосточного региона рекомендуется пре­дусматривать использование скальных обломков прочных пород размером 0,20…0,50 м, морозостойких и неразмягчаемых.

Фильтрующие насыпи в зависимости от очертания лога и принятой технологии производства работ назначают прямоугольного, параболического, треугольного или трапецеидального поперечного сечения. При отметках более 4 м для экономии объемов земляных работ следует принимать форму поперечного сечения в виде обратной трапеции. Фильтрующая часть (см. рис. 6.1) выполняется в виде призмы 2 из сортированного скального грунта (фракция от 20 до 50 см), размещенной в теле железнодорожной насыпи.

Изоляция 3 и 7 ее поверхностей по внешнему контуру осуществляется синтетическим нетканым материалом (СНМ). Тело фильтрующей части насыпи выступает с обеих сторон земляного полотна в виде берм на 0,5...1,0 м, эти выступы являются оголовками фильтрующей насыпи. По контуру входного оголовка устраивается противофильтрационный экран (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Фасад фильтрующей насыпи: 1 – железнодорожная насыпь; 2 – оголовок фильтрующей насыпи; 3 – изоляция оголовка фильтрующей насыпи из синтетического нетканого материала;
4 – тело фильтрующей насыпи (см. на рис. 6.1); 5 – контрбанкет;
6 – противофильтрационный экран; 7 – водоотжимная берма

Основание фильтрующей насыпи и русло водотока должны быть укреплены на 3 м в верхнем и нижнем бьефах от размыва в соответствии с расчетной скоростью движения воды через насыпь. При этом растительный слой на участках с сильно размываемыми грунтами удалять не допускается. Для предохранения входного оголовка от засорения в подходном русле устраивается противоиловый вал. При стабилизации деформирующихся насыпей фильтрующие насыпи применяются в составе комплексов противодеформационных мероприятий.

Комплекс противодеформационных мероприятий (ПДМ ЗП) – это система инженерных сооружений, реализующая проектные решения по предотвращению деформаций земляного полотна в определенных условиях. Комплекс ПДМ ЗП состоит из водопропускного сооружения (филь­трую­щая насыпь (ФН), комбинированная фильтрующая насыпь (КФН), прорезь, мост или труба), которое работает в едином режиме с прочими конструктивными элементами, такими как нагорные и водоотводные канавы, водоотжимные бермы, контрбанкеты и др. Комплекс необходимо выполнять как единый строительный объект. Для наиболее часто встречающихся условий деформаций земляного полотна Восточного участка БАМ в ДВГУПС запроектированы типовые комплексы противодеформационных меропр