Лекция 3. Строительство земляного полотна на слабых грунтах и в сложных природных условиях

1. Основные причины нарушения стабильности
земляного полотна на слабых основаниях
Многолетний опыт строительства и эксплуатации земляного полотна показывает, что причиной потери его стабильности являются следующие основные виды разрушений и деформаций:
потеря устойчивости откосов
потеря прочности основания
осадка насыпи из-за уплотнения грунтов основания
Наличие деформаций сопровождается длительным отсутствием стабилизации, появлением просадок и перекосов. Таким образом, для того чтобы запроектировать земляное полотно, удовлетворяющее эксплуатационным требованиям, необходимо, чтобы были соблюдены основные условия стабильности: обеспечена несущая способность основания; обеспечена устойчивость откосов; достигнута требуемая консолидация слабого основания; разработаны мероприятия, обеспечивающие нормальную эксплуатацию земляного полотна с учетом осадки. Выполнение этих условий достигается проектированием земляного полотна на основании специальных расчетов.

Использование слабого грунта в качестве
естественного основания всегда приводит к появлению деформаций насыпи. Одной из причин этих деформаций является разрушение основания, связанного с потерей его несущей способности (прочности).
Формы нарушения несущей способности
С выдавливанием грунта из-под насыпи без нарушения устойчивости откосов
Выпор
С выдавливанием грунта из-под насыпи с потерей устойчивости откосов
Выдавливание грунта с боковым уплотнением без образования бугров выпирания

Примеры потери нарушения стабильности земляного полотна на слабом основании
Потеря прочности слабого основания, сопровождающаяся разрушением насыпи
Земляное полотно
новой автомобильной дороги на торфе
При уширении земляного полотна на иольдиевых глинах
При строительстве второго пути на иольдиевых глинах

2. Особенности системы расчетов земляного
полотна, опирающегося на слабые основания
Расчеты земляного полотна
По I – ому предельному состоянию:
по несущей способности
По II – ому предельному состоянию:
по деформациям
Должна быть обеспечена несущая способность слабого основания в любой момент времени, начиная с момента начала строительства.
Должна быть обеспечена устойчивость откосов насыпи в любой момент времени, начиная с момента начала строительства.
Деформация равномерного морозного пучения грунтов не должна превышать допустимую (мм).

3. Нагрузки на слабое основание земляного
полотна
Общая схема передачи нагрузки на земляное полотно и его основание
Слабый грунт
Прочный минеральный грунт
При расчетах прочности и осадок (упругих и остаточных) слабого основания нагрузка от веса верхнего строения пути и поездная нагрузка учитываются при высоте насыпного слоя с учетом просевшей части менее 4,0 м. В противном случае – не учитываются, поскольку при мощности насыпного слоя 4,0 м и более их значения на поверхности основания практически равны нулю

Нагрузка на основание в процессе осадки насыпи
t, месяцы (годы)
Начало строительства
t, мес.
На примере, когда уровень воды совпадает с поверхностью болота
t
t

5. Методы оценки несущей способности слабого
основания и устойчивости откосов земляного полотна
Условие прочности Мора - Кулона
В тех точках основания, где выполняется это соотношение, наступает предельное напряженное состояние.
Дальнейшее изменение соотношения полусуммы и полуразности главных напряжений может привести к разрушению грунта в этих точках, т. е. к переходу его в запредельное состояние.
Если не только в одной точке, но и в соседних с ней, возникает запредельное напряженное состояние, то образуются целые зоны разрушения, локализация которых может быть различной в зависимости от очертания поперечного профиля насыпи
1 – зона разрушения
2 – дополнительное боковое сжатие
1
1

6. Строительная классификация болот.
Болото I типа - заполненные торфом и другими болотными грунтами устойчивой консистенции, сжимающимися под нагрузкой от насыпи высотой до 3 м
Болото II типа - заполненные торфом и другими болотными грунтами разной консистенции, в том числе выдавливающимися под нагрузкой от насыпи высотой 3 м
Болото III типа - заполненные болотными грунтами в разжиженном состоянии, выдавливающимися под нагрузкой, с торфяной коркой (сплавиной) или без нее

1. Общие положения производства земляных работ.
1. Варианты организации работ по возведению земляного полотна
Директивные сроки строительства
Директивные сроки строительства
Сравнение вариантов
– изменение себестоимости строительно-монтажных работ по сравнению с вариантом
с большей продолжительностью за счет изменения прямых затрат и накладных расходов.
– экономический эффект от досрочного ввода строящейся железной дороги в
эксплуатацию.
– дополнительные затраты, способствующие сокращению продолжительности
сооружения земляного полотна

2. Использование машин и транспортных средств повышенной проходимости
Тракторы и бульдозеры с уширенными гусеницами
Скреперы, автогрейдеры, автомашины – шины из морозоустойчивой резины
Организация ремонтной базы
Мобильные производственные базы технического обслуживания (ТО) и ремонта (ТР)

3. Разработка вечномерзлых грунтов
В естественном состоянии
С применением предварительного оттаивания

Естественное оттаивание грунта
При разработке карьеров, резервов, выемок и водоотводов
В дренирующих грунтах
При расположении объекта на склонах южной экспозиции
I захватка - оттаивание
II захватка - разработка
Производительность землеройной техники, время оттаивания и осушения слоя грунта

Искусственное оттаивание грунта
При незначительных объемах работ (в резервах, котлованах)
По направлению распространения тепла в грунте
По виду применяемого теплоносителя

Огневой способ
Для отрывки небольших траншей
1 – камера сгорания;
2 – вытяжная труба;
3 – обсыпка талым грунтом.
Электропрогрев
Гор. электродами
Верт. электродами сверху - вниз
Верт. электродами сверху – вниз и снизу-вверх
1 – трехфазная электрическая сеть; 2 – горизонтальные полосовые электроды; 3 – слой опилок, 4 – слой толи или рубероида;
5 – стержневой электрод
Паровое оттаивание

4. Применение временных и долговременных обходов на участках сосредоточенных
объемов земляных работ или временных переходов через водотоки, лимитирую-
щих укладку пути.
5. До начала работ - дополнительное обследование района с целью выявления дополнительных карьеров с грунтами, пригодными для насыпей.
6. Оборудование объектов производства работ искусственным освещением и пунктами обогрева рабочих.

2. Организация подготовительных работ.
1. Рубка леса и кустарника – только в пределах границ, установленных проектом.
Спиливание
Валка деревьев с корнями и корчевка пней - ЗАПРЕЩЕНА
В пределах марей, участков с подземным льдом, участков с льдонасыщенными
глинистыми грунтами.
Повреждение дернового и мохового покрова - ЗАПРЕЩАЕТСЯ
3. Устройство водоотводных канав - до начала основных работ.
Разработка на полный профиль – в период полного оттаивания деятельного слоя
Снятие растительного покрова на ширину большую размера канавы поверху – ЗАПРЕЩАЕТСЯ

4. Заготовка грунтов для отсыпки земляного полотна в штабели (бурты).

5. Предварительное оттаивание грунтов в карьерах, резервах, котлованах, выемках.
Удаление снежного покрова с наступлением первой весенней оттепели
Снятие растительного почвенного слоя сразу после его оттаивания
6. Уменьшение глубины промерзания грунта в карьерах, выемках, резервах и т.д.
Снегозадержание в осенне-зимний период
Теплоизоляция грунта
7. Работы по очистке трассы и устройству технологических автодорог следует выполнять в зимнее время.

3. Возведение насыпей и выемок.
1. Насыпи на прочном и недостаточно прочном основании
По существующим технологическим схемам.
Всеми видами землеройных машин.
2.Насыпи в пределах марей
По технологии отсыпки земляного полотна на болотах.
Без удаления растительно-мохового покрова.
Без выторфовки
3.Насыпи из глинистых грунтов, мелких и пылеватых песков
В теплое время года.
С использованием грунтов в талом состоянии.
С использованием мерзлых грунтов – при условии оттаивания каждого слоя грунта до момента отсыпки следующего слоя
при обеспечении требуемой плотности и
НАСЫПИ

4. Насыпи на участках залегания подземного льда
1. Строгое соблюдение последовательности выполнения отдельных видов работ.
НАСЫПИ
2. Сохранение естественного мохо - растительного покрова.
3. Укладка в основание насыпей неделовой древесины.
4. Возведение насыпей методом «с головы».

Возведение насыпей на участках залегания подземного льда
На участках удаления подземного льда.
Бульдозерами
Рыхлителями
Взрывной способ
1. Вырезка льда и льдистых грунтов

Возведение насыпей на участках залегания подземного льда
Вырезка льда бульдозерами
Технологическая схема
1 – ось трассы; 2 – подошва насыпи;
3 – баровая машина; 4 – участок работы баровой машины;
5 – бульдозеры; 6 и 7 – участки работы бульдозеров;
8 – отвалы грунта
Состав работ:
1 – нарезка щелей баровой машиной
2 – вырезка льда бульдозером
3 – разравнивание отвалов льда слоем
1-1,5 м за пределами водоотводных канав

Возведение насыпей на участках залегания подземного льда
Вырезка льда с использованием взрывов
Технологическая схема
1 – ось трассы; 2 – подошва насыпи;
3 – буровая машина; 4 – участок подготовки к взрыванию;
5 – экскаваторы; 6 и 7 – участки работы экскаваторов;
8 – отвалы грунта
Состав работ:
1 – бурение шпуров в грунте;
2 – взрывание грунта;
3 – вырезка льда экскаваторами в отвал;

Возведение насыпей на участках залегания подземного льда
2. Засыпка траншеи привозным грунтом взамен удаленного льда методом «с головы».
Технологическая схема
1 – деятельный слой;
2 – автосамосвал;
3 – трамбующие устройства;
4 – подземный лед;
5 – каток;
6 - бульдозер

Возведение насыпей на участках залегания подземного льда
3. Отсыпка нижнего слоя насыпи методом «с головы».
Технологическая схема
Без заездов автосамосвалов на поверхность основания насыпи и прилегающей полосы отвода
Толщина слоя – в зависимости от несущей способности грунтов основания (не менее 0,5 м)

Возведение насыпей на участках залегания подземного льда
На участках без удаления подземного льда.
1. Отсыпка нижнего слоя насыпи («тропы») методом «с головы».
Толщина слоя – по расчету (1,0-1,2 м)
2. Отсыпка верхней части насыпи по существующим технологиям.

Сооружение подтопляемых насыпей на поймах рек
1 – бермы-дамбы из скального грунта;
2 – нижняя часть насыпи из дренирующего грунта;
3 – верхняя часть насыпи
I - III этапы строительства

1. Выемки в песках, крупнообломочным и скальных грунтах, а также глинистых грунтах с
Разработка круглогодично.
2. Выемки в глинистых грунтах с
или с наличием подземного льда
Разработка в зимнее время
ВЫЕМКИ
Способы производства работ
Рыхление грунта механическим или взрывным способом с погрузкой экскаваторами в автосамосвалы
Послойное естественное оттаивание грунта с разработкой бульдозерами и погрузкой экскаваторами и погрузчиками в транспортные средства
Разработка оттаявшего грунта скреперами