Поддерживающие и удерживающие при строительстве и реконструкции земляного полотна. Расчет поддерживающих сооружений

В зависимости от крутизны и геологических условий склонов и откосов выемок, а также причин обвальных явлений на горных железных дорогах осуществляют различные укрепительные мероприятия:

1. Бетонные клетки с каменным или булыжным мощением - для защиты откосов выемок и склонов, сложенных легковыветриваемыми размываемыми породами. Преимущество: простота устройства, хорошая водопроводимость, гибкость сооружения в целом и легкая восстанавливаемость при повреждении. 43

2. Каменные и бетонные подпорные стены - наиболее распространенный вид укрепления. Они служат для поддержания крутых откосов выемок, а также подрезанных напластований породы, простирающихся в сторону пути. Подпорные стены из сухой кладки не могут обеспечить надежной защиты укрепляемого откоса от процессов выветривания и тем более его надежного поддержания, в некоторых случаях необоснованного применения могут даже усугубить последствия обрушений. Их применяют в качестве бордюрных стен высотой не более 2 м при условии устройства по середине и сверху стены бетонного прокладного ряда толщиной 0,4 м. Монолитные подпорные стены обладают, как правило, достаточной устойчивостью, долгловечны в работе и не требуют особого ухода. Необходимо лишь обеспечивать нормальную работу застенного дренажа, т.к. кольматация последнего может привести к переувлажнению прилегающих грунтов, понизить коэффициент их трения, увеличить распор земли и тем самым повлиять на устойчивость стены.

3. Одевающие стены служат для защиты откосов выемок, а также крутых горных склонов, обладающих достаточной статической устойчивостью, но подверженных процессам интенсивного выветривания, от обрушения поверхностных слоев. В отличие от подпорных стен они не несут нагрузки, кроме собственного веса. В поперечном сечении одевающим стенам придают различные очертания и размеры в зависимости от конфигурации защищаемого откоса, характера горной породы, ее трещиноватости и других причин.

4. Подпорно-одевающие стены - выполняют одновременно функции подпорных и одевающих стен. Их возводят для поддержания откосов, сложенных связными грунтами, которые до устройства стены могут быть срезаны до угла 20-30о к вертикали.

5. Поддерживающие стены устраивают для поддержания козырьков, заделки значительных вывалов и закрепления подрезанных слабых напластований горной породы в выемках. Они мало чем отличаются от укрепления выветривающихся откосов одевающими стенами.

6. Контрфорсы служат для поддержания сомнительных в отношении устойчивости скальных напластований, простирающихся в сторону железнодорожного пути, а также скальных массивов и нависаний, угорожающих произвольным обрушением на путь. Контрфорсы полностью оправдывают свое назначение и не требуют ухода, а поэтому рекомендуются для надежного укрепления отдельных скальных блоков. 7. Анкерные закрепления при помощи штанг и тросов для поддержания на месте напластований и отдельностей скальной породы. Преимущества: надежность закрепления, возможность сохранения крутых скальных откосов вплоть до отдельных нависаний, отсутствие габаритных ограничений в выемках и помех для движения поездов; малый объем затрачиваемых материалов и незначительная стоимость работ по сравнению с другими видами укреплений.

8. Заделку трещин осуществляют нагнетанием цементного раствора в естественные трещины скальной породы, а также в специально забуренные скважины с целью омоноличивания отдельных скальных блоков. Цементация может быть допущена только для укрепления трещиноватых напластований, не имеющих крутого падения в сторону железнодорожного пути.

9. Уположение откосов выемок для устранения обвальных явлений в глубоких выемках, крутизна откосов которых не соответствует характеру залегания и свойствам горных пород, во многих случаях может дать положительный эффект. Чаще всего этот способ устранения обвальной угрозы применяют в верхней части крутых откосов глубоких выемок, в зоне так называемых "козырьков".

10. Агролесомелиорация предусматривает в основном защиту поверхностного чехла делювальных отложений от эрозионных смывов, способствующих обрушениям крупнообломочных включений. 44 Защита пути от последствий горных обвалов, т.е. противообвальные сооружения, применяемые для ограждения железнодорожного пути от падающих камней с прилегающих горных склонов и откосов выемок, подразделяется по своему назначению на 2 основных вида: сооружения заборного типа, предназначаемые для улавливания и удержания скатывающихся со склонов гор и откосов выемок обломков породы; сооружения кровельного типа, служащие для транзитного пропуска обломков породы над или под полотном железнодорожного пути. Улавливающие сооружения заборного типа проще и дешевле и поэтому чаще применяются в качестве противообвальной защиты. К сооружениям заборного типа относятся: улавливающие полки, улавливающие траншеи, улавливающие стены, надолбные поля, сетчатые заградители. К сооружениям кровельного типа относятся: галереи: консольные, рамные, балочные и арочные; тоннели; эстакады. Наиболее радикальным решением является обход обвального участка. Укрепление осыпных склонов и откосов выемок. В эксплуатационных условиях горных дорог меры по укреплению осыпных склонов предусматривают в основном: защиту обнаженных от растительного покрова горных склонов и откосов выемок от процессов интенсивного выветривания, способствующих образованию осыпного материала; укрепление отложенных на горных склонах осыпей в целях предотвращения возможности их расползания и осовов. В первом случае осуществляют следующие мероприятия: укрепление осыпных откосов выемок каменными или бетонными одевающими стенами; укрепление откосов выемок, заложенных в прочных, но легко выветриваемых скальных породах, торкретированием; укрепление осыпных откосов выемок коллоидным аэрированным раствором "Аэроцемом", состоящим из цемента, песка, воды и вспенивающей добавки. Во втором случае осуществляют следующие мероприятия: террасирование осыпных склонов в целях трансформации общего крутого уклона на ряд составляющих пологих уклонов с углами менее естественного откоса осыпающегося материала; укрепление монолитными подпорными стенами из камня на цементном растворе, бетона и железобетона применяют для удержания осыпного материала и уполаживания невысоких осыпных склонов до крутизны 40о, при которой прекращается движение осыпей; сооружение ряжевых железобетонных стен для защиты пути от загромождения осыпным материалом (наиболее рационально). На участках осыпей применяют и агролесомелиоративные мероприятия, в том случае, когда склоны и откосы выемок подвержены процессам интенсивного выветривания, с целью создания условий для их закрепления и образования хорошей подстилки.

Подпорные стены предназначены для удержания грунта неустойчивого земляногополотна или оползневого косогора. Они могут быть бутобетонными, бетонными, железобетонными, армогрунтовыми, габионными; по конструкции – монолитными, сборными и сборно-монолитными. Со второй половины XX в. стали применять подпорные стены из забивных и буронабивных свай. Бетонные и бутобетонные массивные стены устраивают секциями длинной 10–20 мсо сквозными поперечными швами между ними. Для сбора и отвода воды, попадающей застену, устраивают застенный дренаж с выпусками.По расположению относительно пути стены могут быть низовыми (удерживаютнасыпь и полунасыпь на крутых и оползневых косогорах) и верховыми (обеспечиваютустойчивость откосов выемок и полувыемок или косогора с верховой стороны пути (рис.35, а, б).

 

Сборные железобетонные стены дешевле монолитных за счет вовлечения в работу

против сдвига давления местного грунта Qг. Пример сборной железобетонной подпорной

стены уголкового типа показан на рис. 36.

 

Свайные подпорные стены (рис. 37) предпочтительнее отдельно работающихзабивных свай или буронабивных большого диаметра (шпон). Свайные стены из забивныхжелезобетонных свай рассчитываются на действие горизонтального давления грунта, и когда они объединены железобетонным ростверком в единую конструкцию,

сопротивление стены давлению грунта увеличивается.

Армогрунтовые конструкции. Около 70 % полных отказов земляного полотна,

приводящих к перерывам в движении поездов, приходится на насыпи, особенно высокие.

Традиционным способом усиления эксплуатируемых деформирующихся насыпей

является отсыпка контрбанкетов из дренирующего грунта. Однако этот способ, являясь

надежным мероприятием, имеет ряд недостатков: требует больших объемов привозных

дренирующих грунтов, удлинения водопропускных труб, отвода значительных площадей

культурных земель под основания контрбанкетов, выноса коммуникаций в ряде случаев,

приводит к большим затратам средств и времени и, кроме того, не может быть применен в

стесненных условиях.

В связи с этим МИИТом разработан ряд прогрессивных способов и технологий

усиления и стабилизации эксплуатируемых деформирующихся или дефектных насыпей

армогрунтовыми поддерживающими сооружениями, сетчатыми конструкциями в виде

гравитационных габионных стен. Армогрунтовые поддерживающие сооружения являются

альтернативой обычным контрбанкетам и устраняют присущие им недостатки.

Армогрунтовые поддерживающие сооружения представляют собой грунтовые

сооружения в виде поддерживающих стен (армогрунтовые стены) или контрбанкетов,

армированных снаружи облицовочной стенкой из стандартных железобетонных блоков

(например 2,40,60,6 м), уложенных друг на друга и опирающихся на фундамент, а

внутри – арматурой с антикоррозийной защитой (металлические сетки,

крупнообломочные грунты, щебень, сваи, старогодные железобетонные шпалы, лом

железобетона, синтетические нетканые материалы (геотекстиль), (рис. 38).

Применение армогрунтовых стен и армированных контрбанкетов является

рациональным в случаях:

– возникшей необходимости экономии дренирующего грунта при сооружении

обычного контрбанкета;

– стесненных условий (промышленная и гражданская застройка);

– возникшей необходимости переноса различных коммуникаций при сооружении

обычного контрбанкета;

– необходимости экономии площадей культурных земель под основаниями обычных

контрбанкетов;

– нецелесообразности удлинения водопропускных труб. Гравитационные габионные стены выкладываются из коробчатых габионов (рис. 39),выполняемых из отечественных проволочных сеток двойного кручения с шестигранными ячейками. Эти стены по своему поддерживающему эффекту также могут заменять контрбанкеты из дренирующих грунтов.

Вышеперечисленные армогрунтовые сооружения могут применяться как

самостоятельный способ, так и в сочетании с устройством традиционных контрбанкетов за пределами концевых участков стен.

Стена системы Террамеш (рис. 40) представляет собой массив дренирующего

грунта, армированный снаружи габионами, а внутри массива – металлическими сетками.

При этом габион и сетка составляют единый элемент системы.

Анкерные конструкции применяют для укрепления откосов насыпей и выемок от

сплывов грунта, а также для стабилизации балластных шлейфов на насыпях. В анкерных

конструкциях оползневое давление неустойчивого массива грунта частично передается на

анкер, частично гасится увеличенными силами трения и сцепления по поверхности сплыва и дополнительными аналогичными силами, действующими по поверхности контакта пригруза с откосом. На рис. 41 показаны три вида анкерных конструкций.

 

В качестве поддерживающих сооруженийнасыпей наибольшее распространение

сейчас получили контрбанкеты –грунтовые призмы, отсыпаемые у откосов

насыпей (рис. 42). Контрбанкеты могут быть из камня, щебня, галечника, гравия, отходов щебеночных заводов, песка или местного грунта (в зависимости от местных условий). Они могут применяться для повышения устойчивости земляного полотна, укрепления оползневых и неустойчивых косогоров. Контрбанкеты широко используются на дорогах, их отсыпка в основном выполняется грунтом, доставляемым думпкарными поездами. Недостатками контрбанкетов являются их большой объем, невозможность использования в стесненных условиях, необходимость в ряде случаев удлинения водопропускных труб, выноса коммуникаций, потребность большого количества «окон» при производстве работ по их сооружению. Контрфорсы представляют собой прерывистые небольшой длины поддерживающие сооружения большого поперечного сечения (рис. 43). Контрфорсы работают на сдвиг и опрокидывание. В зависимости от вида и состояния грунта основания могут заанкериваться в него или нет. Выполняются они из бетона, каменной кладки или

бутобетона. Упорные призмы (рис. 44) сооружают способом выкладки при наличии

сортированного камня или как обычную каменную наброску из несортированной горной

массы. Второй способ не требует затрат ручного труда. Для защиты пустот между

камнями от проникновения грунта насыпи утрамбовывают разделительный слой из

мелкого камня, щебня или других дренирующих грунтов. Крутизна откоса упорной

призмы зависит от способа производства работ. При устройстве призмы способом

выкладки камня крутизна откоса может быть увеличена до 1:1.

 

В отдельных случаях для поддержания сползающих неустойчивых масс грунта

применяют прошивающие сваи, забивные или набивные шпоны, контрфорсные столбы –

массивы. Наиболее распространены железобетонные шпоны.

При выпирании грунтов основания проектируется присыпка пригрузочных берм (рис.

45). Пригрузочные бермы устраивают у подошвы откосов насыпи в виде контрбанкетов

небольшой высоты, но значительной ширины; возможно ступенчатое очертание берм.

7.2.1 При проектировании армогрунтовых сооружений необходимо учитывать, что предельное состояние будет достигнуто при наступлении одного из следующих явлений:

а) полного разрушения или серьезного повреждения;

б) деформации свыше допустимых пределов без разрушения отдельных частей сооружения;

в) других форм разрушений или незначительных повреждений, которые нарушают нормальную эксплуатацию сооружения и требуют непредвиденного обслуживания или сокращают срок эксплуатации сооружения.

Состояние, определенное в пункте а) - это предельное состояние разрушения, а в пунктах б) и в) - предел эксплуатационной надежности.

7.2.2 Расчетная модель должна адекватно описывать предполагаемое поведение армированного грунта. Расчетная методика может основываться на любой из следующих моделей: аналитической; полуэмпирической; численной. Любая расчетная модель должна иметь допустимую погрешность и может включать в себя упрощения [8].

7.2.3 Разрушающую силу, которая используется при расчете, следует принимать такой, чтобы она не превышала предела прочности арматуры при разрыве в конце выбранного расчетного срока службы сооружения. При этом следует учитывать снижение площади сечения арматуры за счет коррозии [3].

7.2.4 При вычислении таких сил необходимо принимать во внимание параметры сопротивления грунта срезу с учетом величины порового давления [3].

7.2.5 При расчете армогрунтового сооружения для полосовой арматуры из сеток, решеток и геотекстильного материала необходимо устанавливать нагрузку на единицу ширины полосы, а для узких полос необходимо устанавливать нагрузку на всю полосу [3].

7.2.6 При расчете рабочего усилия в полимерной арматуре должна быть принята меньшая из характеристик:

- предела текучести при растяжении;

- предельно допустимой деформации при растяжении.

7.2.7 Из-за чувствительности полимерных материалов к изменению температуры расчет при проектировании должен быть проведен для максимальной эксплуатационной температуры в грунте, характерной для площадки строительства [3].

7.2.8 При расчете армогрунтового сооружения необходимо учесть два механизма взаимодействия арматуры с грунтом:

- механизм, при котором потенциальная поверхность разрушения пересекает армоэлементы и прочность связи армоэлементов с грунтом определяется сопротивлением их вырывания (выдергивания) из грунта;

- механизм, при котором потенциальная поверхность разрушения совпадает с поверхностью по меньшей мере одного армоэлемента и прочность связи армоэлементов с грунтом определяется прочностью фрикционной связи [3].

7.2.9 При расчете армогрунтовых сооружений рекомендуется использовать четыре коэффициента запаса [3]:

ff, ffs - коэффициенты нагрузки, учитывающие массу грунта;

fq - коэффициент запаса, относящийся к внешним динамическим нагрузкам;

fm, fms - коэффициенты запаса, учитывающие характеристики материалов;

fn - коэффициент запаса, учитывающий экономические потери от нарушения эксплуатационной надежности конструкции.