Узнай больше

Выберите список(-ки):

Выполним контрольные, курсовые, дипломные работы жд техникумов
 banerputeetz2

Укрепление земляного полотна от размыва и волноприбоя

Укрепление земляного полотна

Для защиты земляного полотна от размыва и волноприбоя, когда происходит чрезмерное воздействии на него атмосферных и паводковых вод, применяют различные типы укрепления поверхностей, с целью уменьшения или предотвращения инфильтрации их в грунты. Тип укрепления и вид защиты выбирается в зависимости от конкретных условий объекта: топографического расположения, климатических условий, гидрологи и других условий.

Укреплению подлежат следующие элементы земляного полотна:

—             откосы насыпей, выемок и защитного слоя при всех видах грунтов, кроме скальных слабовыветривающихся и выветривающихся, а также крупнообломочных грунтов;

—             обочины насыпей и выемок при песчаных, а в выемках, кроме того, и при переувлажненных глинистых грунтах;

—             бермы, разделительные площадки на откосах насыпей и выемок, регуляционные сооружения, кавальеры, банкеты;

—             откосы и дно водоотводных канав и кюветов;

—             поверхности нарушенных при выполнении земляных работ площадей.

Основными расчетными параметрами при проектировании укреплений земляного полотна являются:

—             скорость течения поверхностной воды;

—             глубина потока;

—             высота волны с заданной обеспеченностью ее непревышения;

—             нагрузка от льда.

Для защиты используются следующие основные виды укрепительных устройств: искусственный дерновой покров, каменные и бетонные укрепления и др.

Искусственный дерновый покров образуется в результате посева семян многолетних трав. Дерновой покров предохраняет поверхность земляного полотна от размывания при скорости текущей воды до 0,9 метр/сек и при глубине до 0,4 метра, до 1,2 метр/сек при глубине до 1 метра и до 1,3 метр/сек при глубине до 2 метров. Сплошная дерновка может выдерживать до 20 сут волнения с высотой образовывающейся волны до 0,2 метра. При этом травяной покров в два раза увеличивает испарение воды из грунта в результате транспирации; армирует корневой системой верхний слой грунта, защищая от водной и ветровой эрозии, инфильтрации и возникновения усадочных трещин при высыхании грунта.

Для многолетних трав применяют гидропосев с мульчированием (добавление в смесь опилок, торфяной крошки и т.д.) без применения растительной земли или механизированный способ — по слою растительного грунта. Подбор состава семян многолетних трав осуществляется согласно агротехническим требованиям с учетом региона, климатических условий, состава почв и прочих особенностях региона. Рекомендуется использовать семена трав трех видов злаковых (рыхлокустовых, корневищевых, стержнекорневых) и бобовых. Засев семенами производят в лучшее время для вегетационноного периода растений, но не позднее чем за месяц до первых заморозков.

На откосах, сложенных из переувлажненных пылеватых грунтов, либо когда есть вероятность смыва семян до образования устойчивого травяного покрова, посев производится в растительный грунт, размещаемый в железобетонных обрешетках, объемных георешетках или в геоматах (рис. 1).

Рис. 1. Укрепления для откосов: а — железобетонные обрешетки для посева трав; 1 — обрешетка; 2 — посев трав; 3 — железобетонные свайки; б — план объемной георешетки; в — общий вид геомата

По технологии производства работ и оправданной стоимости преимущество имеют гибкие пластиковые типы укрепления на основе георешеток и геоматов. Объемные пластиковые георешетки состоят из объемной пластиковой конструкции, анкеров, материала для заполнения ячеек георешетки. Уложенные на откосе материалы образуют сплошной защитный ковер.

Георешетка — это складывающаяся объемная ячеистая конструкция прямоугольной формы, изготавливаемая из полиэтиленовых полос, соединяемых между собой сварными швами, располагающимися в шахматном порядке и перпендикулярно основанию георешетки. Схема георешетки в растянутом положении приведена на рис. 1, б. Конструктивный модуль георешетки имеет следующие основные размеры.

Длина конструктивного модуля в рабочем состоянии А выбирается из стандартных длин, выпускаемых производителем (диапазон от 6 до 14 метров), и зависит от длины укрепляемого откоса. Ширина модуля В также принимается стандартной, выпускаемой производителем (диапазон размеров от 2,4 метра до 2,8 метров). Размеры ячеек георешетки в плане а и b должны быть не менее 200 мм. Толщина георешетки (высота полосы) h в укреплении принимается от 75 до 150 мм, а толщина полосы 5 не меньше 1,5 мм.

Полосы могут быть как сплошными, так и перфорированными отверстиями, выполняющими дренажные функции. Действующая растягивающая нагрузка при этом условном достижении в  пределе текучести полосы с шириной 50 миллиметров и при расстоянии между зажимами испытательной машины 100 мм должна быть не ниже 1 кН, а удлинение при этом не более 15 %.

Закрепление георешеток на откосе производится с помощью Г-образных анкеров, которые изготавливают из стальной арматуры диаметр прутка d = 10—14 мм, длина 50—120 сантиметров. Их устанавливают внутри конструктивного модуля равномерно по площади в шахматном порядке с установленным шагом 1,0—1,5 метра и более часто (в каждую ячейку) по границам модуля (рис. 2, а). Конкретные размеры арматурных анкеров и шаг их прокладки определяют проектом в зависимости от грунта, крутизной укрепляемого склона и весом заполнителя решетки, с учетом надежного закрепления конструктивного модуля на откосе от сдвига.

После прокладки и закрепления на грунтовой поверхности георешетки необходимо защитить от воздействия солнечных (ультрафиолетовых) лучей материалом заполнения. Заполнение георешеток производится растительным грунтом или торфопесчаной смесью с таким расчетом, чтобы грунт выступал над верхней поверхностью георешеток на толщину 5—7 см. После заполнения георешеток грунтом выполняется посев семенами многолетних трав.

Геоматы представляют собой трехмерные водопроницаемые высокопористые структурные модули из полимерных хаотически расположенных волокон, соединяемых между собой термическим способом (см. рис. 1, в). Для укрепления откосов геоматы укладывают в определенном порядке, затем высевают семена, образующие покров из трав и небольших растений.

Геоматы выпускаются рулонами с шириной не менее 2 метров. Длина рулона не лимитируется и определяется в зависимости от длины укрепляемого склона, так чтобы при необходимости она была бы не меньше последней.

Применение геоматов должно допускаться при температуре окружающей среды от минус 65 °С до плюс 40 °С в грунтах с параметром кислотности рН от 3 до 10.

Основные требования к прочности материала геоматов для укрепления поверхностей откосов земляного полотна указаны в таблице ниже

.

Геоматы должны применятся гибкими и выдерживать максимальный изгиб в 180 градусов, при этом видимых разрушений волокон наблюдаться не должно, радиус изгиба 10 миллиметров и температура — 5 °С. После монтажа и крепления на грунтовой поверхности геоматы необходимо защитить от воздействия солнечных (ультрафиолетовых) лучей.

Закрепление геоматов на откосе осуществляют при помощи П — образных скоб, изготавливаемых из металлической арматуры с диаметром прутка 6—8 миллиметров, длина прутка l = 30 см. Их устанавливают внутри конструктивного модуля по всей площади с равномерным шагом 1,0—1,5 метров.

Верхняя часть геомата закрепляется на верхней бровке склона в специально изготовленной траншее треугольной формы, глубина траншеи должна быть не менее 30 сантиметров, в последующем траншею заполняют местным грунтом с уплотнением. Схема закрепления геомата на откосе приведена на рис. 2, б, в.

Рис. 2. Схемы укрепления откоса: а — объемная георешетка; б — геомат в профиле; в — геомат в плане

Соседние рулоны укладываются внахлест друг к другу с перекрыванием не менее 10 сантиметров. При необходимости по длине откоса укладки нескольких рулонов, они также укладываются внахлест с перекрыванием не менее 10 сантиметров. После укладки и закрепления на грунтовой поверхности геоматы покрываются слоем растительного грунта (возможно добавление песка) с семенами многолетних трав. Толщина слоя грунта принимается не менее 10 сантиметров.

Крупнообломочные и скальные грунты (галечниково-гравийные, щебенисто-дресвяные и др.) применяются для покрытия откосов в местах, где посев многолетних трав невозможен по причине климатических, технологических условиях или экономически нецелесообразен, либо скорость течения воды превышает 1,0 м/с. К ним относятся мощение, каменные наброски, габионные структуры.

Кроме того, покрытие откосов насыпей набросками из крупного фракционного камня производится при наличии в основании насыпи мерзлоты, производящей охлаждающее действие, предотвращающее ее деградацию.

Покрытия из крупнообломочных и скальных грунтов имеют разные конструктивные решения. Рассмотрим основные из них.

Мощение из булыжного камня (размер камня 0,15—0,3 метра укладываемый тычком) одиночное или двойное (два ряда камня) представляет собой способ защиты исключительно с использованием ручного труда, применяется в настоящее время редко и при малых объемах работ (например, для конусов мостов). Способ надежен и позволяет укреплять откосы при скорости течения до 2—5 м/с с высотой волны до 1,5 метра.

Каменные наброски из разрыхленных слабовыветриваемых скальных грунтах (горной массы — сортированной или несортированной) выполняется в виде защитных призм (набросок) на откос. В качестве материала наброски должен использоваться камень значительной прочности (> 50 МПа), морозостойкости (более 50 циклов замерзания и оттаивания) и высокого удельного веса (>24 кН/м3). Устройство укрепления в виде каменных набросок экономически и технически целесообразно при скоростях вдоль берегового течения 1,5—5,0 м/с и высоте волны до 2,5 метра.

Верхнее крепление принимается не менее чем на 0,25 метра выше наибольшего расчетного уровня воды (НРУВ) при пропуске паводка с учетом подпора, волнового наката на откос, ветрового нагона, приливных и ледовых проявлений. Наибольший расчетный уровень воды устанавливается с вероятностью превышения 1:100 (1 %) для линий III и более высоких категорий и 1:50 (2 %) для линий IV категории.

При постоянном подтоплении откоса насыпи водотоком в верхней части укрепления, где скорости течения и волновое воздействие максимальны, укрепление может быть основным (более мощным), а нижняя часть облегченной.

При неразмываемых грунтах основания применяют конструктивное решение в виде одной защитной призмы (рис. 3, а), а в случае возможности размыва грунтов основания защитные призмы дополняют в нижней части при постоянном водотоке упорными бермами (рис. 3, б) и при периодическом подтоплении — рисбермами (рис. 3, в).

Рис. 3. Укрепление насыпи набросками из горной массы: а — при неразмываемых грунтах основания; б — при размываемых грунтах осно¬вания; в — при подтоплениях двухслойной каменной наброской с рисбермой; 1 — каменная наброска; 2 — упорная призма; 3 — песчано-гравийная смесь; 4 — геотекстиль; 5 — рисберма; а — ширина защитной призмы; dBy — отметка верха укрепления; НУРВ и МУВ — наивысший расчетный и меженный уровни воды

Размеры рисбермы и упорных берм выбираются из условия предотвращения размыва основания у подошвы откоса и восприятия составляющей веса вышележащего массива наброски. Расчетный размер камня в наброске dK выбирается наибольшим исходя из требований обеспечения устойчивости камня на откосе данной крутизны в зависимости от скорости вдольберегового течения и высоты волны:

где vp — расчетная скорость течения, м/с, принимаемая как средняя скорость потока по вертикали у подошвы откоса в рассматриваемом сечении;

А — коэффициент, учитывающий устойчивость камня на откосе; А = 1 на участках крутых поворотов русла реки при радиусе менее 300 метров и А — 1,15 во всех остальных случаях;

g — ускорение силы тяжести, м/с2;

gK и gB — удельный вес камня и воды соответственно, кН/м3;

а — угол наклона откоса насыпи к горизонту, град;

QK — вес расчетного камня, кН;

hi%— высота волны i%-ной обеспеченности, м (обеспеченность i принимается 1 % для всех дорог от 111 категории и выше и 2 % для дорог IV категории);

X — средняя длина волны, м; величины и X определяется по СНиП 2.06.04-82.

Сортированная горная масса должна содержать не более 25 % неполномерных камней, а несортированная более 50 % камней расчетного веса. При этом степень неоднородности в горной массе Сц- d60/dl0 принимается в пределах от 3 до 15.

Каменная наброска может быть как однослойная, так и многослойная. При многослойной каменной наброске размеры камня нижних слоев dK_i определяются из условия их фильтрационной устойчивости

где dK_j+l — диаметр вышележащего контактирующего слоя каменной наброски.

Толщина однослойной каменной наброски (защитной призмы) t должна быть не менее t > 3dK при несортированной горной массе и не менее t> 2,5dK — при сортированном камне. При многослойной каменной наброске толщина каждого i-го слоя наброски определяется tj > 2dK_j. При этом ширина защитной призмы а (см. рис. 3) принимается не менее 1 метра, а если призма сооружается по местным условиям отдельно от насыпи, то исходя из технологии производства работ, не менее 3 метров.

Под каменной наброской в случае, если коэффициент междуслойности нижнего слоя камня и грунта насыпи хк_г > 30, устраивается обратный фильтр, в качестве которого может быть слой щебня, песчано-гравийная смесь либо геотекстиль (нетканый материал). Коэффициент междуслойности нижнего слоя камня и насыпи определяется как

где d5о_г — размер частиц грунта насыпи, меньше которых по массе в грунте содержится 50 %.

Обратный фильтр служит для предотвращения механических суффозий мелкими частицами грунта откосов в поры каменной наброски при снижении уровня подтопления, уменьшения уровня пойменных вод, накате и откате волн на откос. Обратный фильтр, как правило, по технологическим соображениям принимается однослойным. При этом обратный фильтр проектируется из условия недопущения выноса частиц грунта в фильтр и его кольматации, а также вымывания частиц самого фильтра через наброску. Для однослойных фильтров из зернистых материалов требования к их гранулометрическому составу определяются формулами:

где Си_ф — степень неоднородности гранулометрического состава фильтра;

d60-ф’ d50-ф и d10-ф размеры частиц фильтра, меньше которых по массе в нем содержится соответственно 60, 50 и 10 %.

Если не выполняется условие, то рассматривают возможность укладки каменной наброски с большим количеством слоёв и соответственно уменьшение величины d50_ф либо укладку под фильтр геотекстиля. В качестве геотекстиля применяют нетканый материал, имеющий толщину не менее 4 мм и поверхностную плотность не менее 500 г/м2.

Толщина обратного однослойного фильтра из зернового материала 5ф принимается

При этом минимальная толщина фильтра 5ф принимается не менее 20 см при отсыпке посуху и не менее 30 см при отсыпке в воду. Если по формуле толщина фильтра 5ф получилась более 35 см, то переходят на двухслойный фильтр.

Если зерновой материал применяется в комбинации с геотекстилем, то его толщина уменьшается до величины 5ф>4d 50-ф, а минимальная толщина может быть уменьшена до 10 см.

При постоянном подтоплении откоса насыпи технологически целесообразно применять обратные фильтры из геотекстиля без дополнительного слоя зерновых материалов. В качестве такого геотекстиля используют специальные толстые фильтрационные нетканые материалы, толщина которых не менее 10 мм и поверхностная плотность не менее 1000 г/м2.

Габионные структуры в виде коробчатых габионов или матрасов Рено (плоские габионы) или их сочетание широко применяются для создания защит от размывов откосов, берегов и конусов мостов. Устройство укрепления в виде габионных структур экономически и технически целесообразно при скоростях вдольберегового течения 1,5—5,0 м/с и высоте волны до 1,5 метра.

Конструктивно габион представляет собой проволочный остов коробчатого типа, заполняемый камнем. Коробчатый габион — ящик прямоугольной формы с откидными крышками (рис. 4), изготовленный из металлической оцинкованной сетки, которая имеет шестигранные звенья (ячеи) с двойным кручением.

Рис. 4. Коробчатые габионы: а, б— габионы соответственно без диафрагмы и с диафрагмой; в — матрас Рено; г — металлическая сетка с двойным кручением ячей: 1 — кромка сетки; 2 — проволока; 3 — двойное кручение; Z) и В — размеры ячеи

Ящики заполняются камнем, крышки закрываются и связываются со стенками такой же проволокой. Стандартная высота коробчатых габионов устанавливается 0,5 и 1,0 метр при ширине 1,0 метр, а матрасов Рено — 0,17, 0,23 и 0,30 метра при ширине 2,0 метра. По длине коробчатые габионы изменяются от 2,0 до 4,0 метра, а матрасы Рено — от 3,0 до 6,0 метров.

Для придания габионам большей жесткости в них через 1,0 метр по длине могут устанавливаться из той же сетки диафрагмы (см. рис.4, б). Для особых целей (при высоких скоростях течения) существуют габионы больших размеров («джамбо»), ширина которых составляет 2,0 метра, а длина — 6,0 метров.

Проволока, которая используется для изготовления габионов, должна иметь цинковое покрытие с плотностью 0,240—290 кг/м2, а для применения габионов в особокоррозионной среде оцинкованная проволока должна дополнительно покрываться оболочкой из поливинилхлорида (ПВХ) толщиною 0,4—0,6 миллиметра. Проволока должна иметь соответствующий предел прочности 380—500 МПа при соразмерном удлинении менее 12 %, диаметр проволоки 2—3 мм, размер звеньев от 5×7 см до 10×12 см. Разрывная нагрузка звеньев сетки 35—53 кН/м.

Для заполнения габионов применяется каменный материал, в основном состоящий из булыжника, карьерного камня, гальки. Рекомендуется использовать камень с большим удельным весом (не меньше 17 кН/м3) и пористостью не более 0,40, прочный, неразмягчаемых пород, морозоустойчивый (марка по морозостойкости выше МР350). Размер камня должен быть больше чем 1,0—1,5 размера ячейки сетки.

Из габионов устраиваются подпорные стены, а матрасы Рено укладывают в виде покрытий на откосы. Варианты укреплений откосов и других защитных сооружений с применением габионов указаны на рис. 5.

Рис. 5. Укрепления из габионов: а — стена из габионов, опирающаяся на матрасы Рено; б — стена из габионов, опирающаяся на каменную наброску; в — покрытие из матрасов Рено; г — комплексное укрепление в виде стены из габионов и покрытия из матрасов Рено; / — габионы сечением 1,0×1,0 м; 2 — матрасы Рено; 3 — максимальный размыв дна; 4 — основание из каменной наброски; 5 — фильтр из геотекстиля; 6 — обратная засыпка; НРУВ и МУВ — соответственно наивысший расчетный и меженный уровни воды

Укрепления и защитные сооружения из габионных структур рассчитываются на скорость вдольберегового течения, волновое воздействие, ледовую нагрузку и возможность подмыва основания.

Использование габионных конструкций в качестве укрепления земляного полотна, имеет свои преимущества: высокое сопротивление нагрузкам (скорости течения и высоте волны), и одновременно гибкость лучше, чем покрытия из бетона, устойчивость к деформациям и усадкам.

Бетонные и железобетонные укрепления являются индустриальными укреплениями и широко применяются для защиты от размыва и волноприбоя. Укрепляемые плитами откосы из условия устойчивости плит на откосе должны быть не круче чем 1:2. Эти укрепления имеют разные типы.

Бетонные плиты сборные, свободнолежащие применяются если скорость течения воды составляет до 1,5 м/с, и высоте волны до 0,7 метра и слабом ледоходе. Типовым являются размер плит 1,00×1,00×0,16 метров, укладываемые на щебеночной или гравийной подготовке при толщине 0,1 0,2 метра. Размер шва между плитами 0,01—0,02 метра.

Железобетонные конструкции, разрезные плиты (шарнирно-соединенные между собой) применяются если скорость течения воды составляет до 3,0 м/с а высота волны до 1,5 метра. Типовыми являются плиты размером 2,50×3,00 толщиной от 0,10 метра до 0,20 метра, укладываемые на сплошном слое обратного фильтра. Размер шва между плитами применяется 0,01—0,02 метра (рис. 6).

Рис. 6. Покрытия из плит, омоноличенных по контуру: 1 — железобетонные плиты; 2— обратный фильтр; 3 — геотекстиль; НРУВ — наивысший расчетный уровень воды; В — размер плиты, перпендикулярный урезу воды; а — длина плиты; b — ширина шва между плитами

В качестве обратного фильтра под железобетонными плитами применяют слой щебня или песчано-гравийной смеси. Требования к материалу такого фильтра аналогичны, как и для обратного фильтра под каменной наброской, и он должен предотвращать вымывание частиц грунта и частиц самого фильтра через швы в плитах. Для однослойного обратного фильтра параметры подбираются по формулам:

где Си_ф, d60_ф, d50_ф, d25_ф, и d50_r — те же параметры гранулометри­ческого состава фильтра и грунта, что и в предыдущих формулах; b — ширина шва между плитами.

Если не выполняется условие, то под фильтр предусматривают укладку геотекстиля в виде нетканого материала, имеющего толщину не менее 4 мм и поверхностную плотность не менее 500 г/м2. Толщина обратного однослойного фильтра под плитами определяется аналогично, как и при каменной наброске по формуле.

Железобетонные плиты, омоноличенные по контуру в карты, применяются при скорости течения до 6,0 м/с и высоте волны до 3,0 метров. При этом используются плиты тех же размеров, что для разрезных покрытий, соединенных шарнирно. Эти плиты соединяются сваркой арматуры, выпуски которой делают по краям, а сами края плит во избежание сколов при поворотах имеют скосы. Карты могут иметь размеры до 20—30 метров. Шов между соседними картами принимается 0,06—0,10 метра и заделывается пластичными смесями. Омоноличенные карты укладывают на подготовку из разнозернистого гравия или щебня толщиной 10 см, а под швами делается ленточный фильтр (рис. 7).

Рис. 7. Конструкция ленточного фильтра: а — продольного; б — поперечного; 1 — железобетонная плита; 2 — подготовка из разнозернистого гравия или щебня; 3 — крупный гравий или щебень; 4 — крупнозернистый песок; 5 — мелкий гравий или щебень

Монолитные железобетонные покрытия изготавливают на месте и обычно применяют при больших площадях защищаемых поверхностей и криволинейных откосах. Размеры карт, изготавливаемых на месте, могут изменяться в широких пределах в зависимости от потребности в температурно-усадочных швах, принятой технологии и местных условий. Швы между картами заделываются аналогично, как и для карт, выполненных из плит, омоноличенных по контуру. Монолитные покрытия применяют при скорости течения до 8,0 м/с и высоте волны до 3,0 метров.

При применении всех перечисленных бетонных и железобетонных покрытий их толщина определяется исходя из требований обеспечения плиты от всплытия (из-за противодавления воды), сдвига и опрокидывания ее расчетной волной по формуле

Где Кб— коэффициент запаса (для линий: скоростных, особогрузонапряженных и I категории — 1,30; II категории — 1,20; III категории — 1,15 и IV катего­рии — 1,10);

nпл — коэффициент, учитывающий тип плиты (1,00 — при монолитных и 1,10 — при сборных и омоноличенных плитах);

hi% высота волны /%-й обеспеченности,

X — средняя длина волны,;

В — размер плиты, перпендикулярный урезу воды,

упл и yb — удельный вес материала плиты и воды соответственно, кН/м3;

m — показатель заложения откоса.

В тему укрепления земполотна, смотри далее «Защита земляного полотна в зоне водохранилищ, озер и на морском побережье»

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Яндекс
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal

Также на эту тему Вы можете почитать

1 комментарий “Укрепление земляного полотна от размыва и волноприбоя”

Оставить комментарий

Место вашей рекламы