Подкюветный дренаж.
Только часть выпадающих осадков используется в естественных и искусственных целях. Остаток воды просачивается в грунт и становится либо грунтовой водой, либо образует зону капиллярного насыщения. Подкюветным дренажем можно регулировать только грунтовые воды. При высоком уровне грунтовых вод подкюветный дренаж обычно является практичным способом их понижения: позволяет стабилизировать основную площадку, устранить морозное пучение и предотвратить разрушение насыпи и откосов выемки. Капиллярную воду удалить подкюветным дренажем не удается, но уровень ее можно регулировать, понижая уровень грунтовых вод.
Подкюветный дренаж во многих случаях полезно сооружать для улучшения водоотвода на переездах, сортировочных станциях, перед станционными платформами и заасфальтированными территориями, где поверхностная вода может течь на путь. Устройство подкюветного дренажа позволяет сократить расходы на содержание пути в мокрых выемках и в нулевых местах, где грунтовая вода подходит к основной площадке земляного полотна.
Типы дренажей.
Закрытый дренаж устраивают для поперечного и для продольного водоотвода. Поперечные дренажи устраиваются под земляным полотном в относительно проницаемых грунтах основной площадки земляного полотна.
В пластичных грунтах они часто деформируются совместно с основной площадкой земляного полотна и разрушаются. Поперечные дренажи должны укладываться ниже уровня скопления воды и соединяться с продольным дренажем.
Продольный дренаж предназначен для сбора воды из поперечных дренажей и перехвата воды, текущей к земляному полотну или просачивающейся через земляное полотно.
Комбинированные дренажные системы.
Иногда устраивают комбинированные системы, состоящие из поверхностных и закрытых дренажей. Назначение этих систем — сбор поверхностной и грунтовой воды при решении специальных задач по ее отводу, например устройство дренажа на сортировочных станциях: поверхностные канавы во многих местах будут мешать безопасной и эффективной работе. В таких случаях устраивают поверхностный водоотвод, т. е. планируют поверхность с наклоном в определенные места и направляют воды через поперечные дренажные трубы в большую закрытую дренажную систему.
Комбинированные дренажные системы устраивают под путями вблизи мест перегрузки с железнодорожного на автомобильный транспорт, станционных платформ и на многопутных линиях. Основной дренаж укладывают между путями или с края асфальтированной территории. В дренаже предусмотрены колодцы для ливневых вод и отверстия через требуемые интервалы.
Комбинированные дренажные системы используются также на автомобильных переездах и железнодорожных остроугольных пересечениях. Экономичное содержание этих пересечений требует хорошо дренированного земляного полотна. Особое внимание в таких местах нужно уделять обеспечению надлежащих выходов для закрытых дренажных систем. Во всех комбинированных системах закрытые дренажи, которые выпускаются в коллектор, должны открываться в верхней части коллекторной трубы, чтобы предотвратить движение воды в обратном направлении из-за затопления закрытого дренажа. Коллектор должен иметь большую пропускную способность, приспособление для очистки и закрываемое выпускное отверстие, исключающее проникновение животных.
Выбирается глубина заложения, протяженность и размеры закрытых дренажей. При наличии не дренирующих грунтов закрытые дренажи могут удалять воду, фильтрующуюся через трещины или слои с лучшей дренирующей способностью, которые могут быть в грунте. Но выявить трещины и такие слои в недренирующем грунте трудно, поэтому нельзя утверждать, что закрытый дренаж в недренирующих грунтах будет эффективным.
Проектирование.
Закрытые дренажи сооружают из перфорированных или пористых труб, в которые вода поступает по всей их длине. Трубы укладывают в траншею, заполненную зернистым материалом, при этом может быть использован нетканый материал. Можно устроить беструбные дренажи из щебня, обернутого нетканым материалом.
Различные виды конструкции дренажей показаны на рисунке. Для обеспечения длительной работы закрытого дренажа очень важно правильно выбрать детали и точно их установить. Нетканый материал, которым обернута дренажная труба (рис. а), должен обладать свойствами среднезернистого песка, т. е. препятствовать инфильтрации пылеватых частиц со стороны местного грунта, что может приводить к засорению заполнителя.
Нетканый материал (рис. б) можно заменить хорошо дренирующими местными грунтами. Если используется щебень или сортированный гравий, обернутый нетканым материалом, то при небольшой длине дренажа (рис. в) можно обойтись без дренажной трубы. Использовать крупнозернистый местный грунт без нетканого материала не рекомендуется, так как местный грунт будет вскоре заилен и дренаж перестанет функционировать. Во всех случаях местный грунт нужно укладывать послойно и уплотнять.
Там, где требуется периодическая очистка дренажа, рекомендуется укладывать трубы диаметром 6 дюймов или более. Необходимость в очистке отпадает, если труба правильно запроектирована и уложена. Глубина заложения дренажа зависит от местных условий и может составлять от 2 до 10 футов. Дренаж нужно располагать вдоль границы слоя недренирующего грунта — это позволяет полностью перехватить влагу.
Планирование.
Закрытые дренажные системы эффективны в дренирующих грунтах, таких, как песок и супеси, и мало или совсем неэффективны при использовании их в качестве гравитационных в недренирующих грунтах. Поэтому решение о выборе закрытой дренажной системы должно приниматься на основании таких данных: вид грунтов, мощность их слоев, направление потока, сезонные колебания уровня грунтовых вод. Лучше всего получить такую информацию при исследовании грунтовых отложений и уровней воды в пробных шурфах, которое предпочтительнее проводить в период влажного сезона.
Схемы сооружения дренажа:
1 — дренирующая труба; 2 — утрамбованный фильтрующий материал; 3 — утрамбованный грунт; 4 — нетканый материал; 5 — щебень или гравий; 6 — поверхность земли; 7 — водоносный слой ; 8 — водонепроницаемый грунт
Примечание. Минимальный диаметр трубы 6 дюймов.
С целью обеспечения скорости течения, при которой происходит самоочистка дренажной трубы, уклон в подкюветных дренажах должен быть не менее 0,15%, а в поперечных дренажах — 0,30%. Уклон дренажа принимается постоянным или возрастающим в направлении низового сечения.
Обычно дренажные трубы диаметром 6 дюймов укладывают на участке длиной не более 500 футов, при большей длине используются трубы большего диаметра, так как увеличивается приток воды. Смотровые колодцы для очистки дренажных труб располагают обычно через равные интервалы.
Выход дренажа устраивается в другой дренаж или в открытую канаву. Во всех случаях он должен размещаться выше уровня воды в потоке, что бы не произошло закупорки дренажа. Во избежание попадания мелких животных в дренажную трубу устанавливают перегородки или заслонки.
Материал для труб.
В качестве дренажных используются трубы из перфорированного гофрированного металла, пластика, битуминизированной фибры и пористого бетона. Получившие одно время широкое распространение керамические трубы для дренажа были заменены трубами из других материалов, которые менее подвержены разрывам, растрескиванию и заиливанию. Гофрированные перфорированные оцинкованные стальные трубы диаметром от 6 до 24 дюймов и длиной от 2 до 20 или 30 футов со спиральными или круговыми рифлениями широко используются для устройства дренажа. Диаметр рифления 3/8 дюйма, расстояние между рифлением от 1 до 1,5 дюйма.
Применяются также трубы без перфорации, стыкуемые при помощи металлических соединительных хомутов. Для соединения создан целый ряд приспособлений.
Гофрированная металлическая труба относительно легкая, поднимается вручную. Металлические трубы оцинковывают для предотвращения коррозии в нормальных условиях. Трубы с асфальтовым покрытием не боятся химического и коррозионного воздействия.
Неперфорированные трубы с асфальтовым покрытием целесообразно использовать в определенных условиях для пропуска воды транзитом. Для устройства закрытых дренажей пригодны различные виды пластиковых труб: жесткие или гибкие, гофрированные или гладкие, перфорированные или с прорезями, через которые осуществляется приток воды. У большинства типов таких труб предусмотрены скользящие стыки — это упрощает сборку в полевых условиях. Для соединения стыков существует большой набор стандартных креплений. Трубы из пластика для закрытого дренажа легки, просты в обращении и часто используются при наличии агрессивных вод.
Существуют различные виды пористых бетонных труб. Стенки трубы проектируются с пористостью, достаточной для того, чтобы допускать инфильтрацию воды, но достаточно малой, чтобы препятствовать проникновению мелких частиц грунта.
Применяются трубы с пазами и выступами или другими самозакупоривающимися стыками. Строи тельный раствор или обертывание стыков не нужны Диаметр таких труб 4—36 дюйма, длина 12- 30 дюймов. Для стыковки труб применяется большое количество креплений. Вес труб из пористого бетона составляет около 60% веса бетонных труб их укладывают и убирают так же, как перфорированные. Трубы из пористого бетона для закрыто го дренажа вступают в такие же реакции с химическими элементами, находящимися в грунте, как и обычный бетон.
Установка.
Укладка труб и засыпка дренажа — наиболее ответственные операции в обеспечении правильного функционирования закрытого дренажа — должны выполняться с большим вниманием. Работу обычно начинают с низового участка и ведут в направлении самой высокой части дренажа, с тем чтобы обеспечить удаление воды от места работ. Траншеи должны быть по крайней мере на 9 дюймов шире, чем диаметр трубы. Перфорированные трубы укладывают прямо на основание траншеи — оно должно быть ровным и чистым — отверстиями вниз для того, чтобы обеспечить максимальный приток воды в трубу и минимальную возможность проникновения в нее суглинистых и песчаных частиц. Для направления потока должны быть уложены внутренние накладки. На тех участках дренажа, где происходит только пропуск воды, перфорированные трубы укладывают отверстиями вверх или применяют трубы без отверстий (неперфорированные). При этом дренирующий заполнитель можно не укладывать. Во всех других случаях дренирующий заполнитель отбирается так же, как песок для изготовления цемента, и аккуратно размещается вокруг трубы слоями толщиной по 3 дюйма; каждый слой тщательно уплотняют. После того, как труба будет покрыта, дренирующий заполнитель укладывают слоями по 6 дюймов, которые также уплотняют. Материал, которым заполняется траншея, не должен загрязняться мелкими частицами. Для за сыпки нельзя использовать грунт, вынутый из тран шеи. Укладка в верхней части траншеи изолирующего слоя из уплотненного водонепроницаемого грунта препятствует проникновению поверхностной воды, которая может нести взвеси, способные за бивать дренирующий заполнитель.
Нетканые материалы для закрытых дренажей.
Нетканые материалы предназначены для замены обычных сортированных минеральных фильтров ι дренажных системах. Они защищают закрытый дренаж от инфильтрации мелких частиц грунта через стенки траншеи, которые стремятся забивать дренирующий заполнитель. В этом случае в качестве заполнителя может быть использован любой гравий крупных фракций, завернутый в материю. Если трубу не укладывают в траншею, то заполнитель должен быть крупным, а уклон траншеи — достаточным для пропуска воды вдоль нее. В таких случаях целесообразно обеспечить проницаемость выбранного заполнителя и запроектировать траншею шириной, позволяющей протекать через заполнитель определенному количеству воды. Рекомендуемые изготовителями технологические процессы следующие.
Устройство закрытых дренажей с использованием нетканых материалов значительно проще, чем дренажей с сортированным дренирующим заполнителем. После того, как траншея отрыта до требуемой глубины, нетканый материал раскатывают и укладывают в траншею, выравнивая и оставляя достаточное количество его с каждой стороны для того, чтобы завернуть сверху дренирующий заполнитель. Если нужно, укладывают дренажную трубу, а заполнитель помещают слоями, каждый из которых уплотняют. Сверху заполнитель накрывают нетканым материалом — сооружение дренажа завершено. Вынутый из траншеи грунт отсыпают сверху закрытой дренажной секции.
Применение закрытых дренажей
Основное назначение закрытых дренажей — уменьшение влияния влаги на земляное полотно на косогорах и понижение уровня грунтовых вод в мокрых выемках. Конструкции таких дренажей показаны на рисунке. Надо иметь в виду, что в обоих случаях поверхностная и закрытая дренажные системы содержатся отдельно. Влага стремится вызвать ослабление (размягчение) земляного полотна на косогоре. Вид грунта, гидрологические условия, а также глубину заложения дренажа определяли на основании исследований буровых скважин или пробных шурфов. Продольный закрытый дренаж устроен для перехвата влаги и понижения уровня грунтовых вод для того, чтобы воздействие их на земляное полотно было незначительным.
Текущее содержание пути в мокрой выемке из- за насыщения земляного полотна водой потребовало больших затрат. Перехват грунтовых вод закрытым дренажем, сооруженным, как показано, с каждой стороны пути, стабилизирует земляное полотно.
Перехват грунтовых вод на косогоре при помощи закрытого дренажа (а) и понижение грунтовых вод в мокрой выемке (б):
1 — утрамбованный грунт; 2 — земляное полотно; 3 — естественный У. Г. В.; 4 — У. Г. В., пониженный при помощи дренажа, 5 — перехватывающая дрена; 6 — У. Г. В., пониженный при разборке выемки.
Машины на гусеничном ходу отрывают относительно широкую траншею бульдозерным отвалом. В такой траншее достаточно места для того, чтобы мог встать человек для соединения труб. Другая машина на гусеничном ходу — многоковшовый цепной траншеекопатель с гидроприводом. Дренажные трубы из пластика можно монтировать при непрерывной отрывке траншеи, подаче и укладке их бульдозером, оборудованным необходимыми приспособлениями, совместно с прицепом, на котором располагается запас труб. Соответствующая глубина, уклон и центровка выдерживаются при помощи лазерного устройства. Смонтированный на тележке скребковый канавокопатель отрывает траншею слишком узкую для размещения в ней человека, но достаточную для укладки кабелей или труб относительно небольших диаметров, которые можно соединить перед укладкой.
Канавокопатели на пневмоходу, оборудованные гидравлическими телескопическими стрелами и ковшами, можно использовать для рытья траншей, но из-за относительно низкой производительности ими преимущественно отрывают кюветы или траншеи вдоль пути, зданий или заграждений.
Машины для рытья траншей.
Сооружение закрытых дренажных систем — трудоемкая операция, которую крайне необходимо механизировать. Целесообразно для рытья траншей использовать машины, аналогичные применяемым для укладки труб. Но это дорогостоящие машины.
Усиление основной площадки земляного полотна.
Нестабильную основную площадку земляного полотна можно укрепить, уложив на нее строительную плиту или создав такую плиту введением цементного или известкового раствора. Плита под балластом распределяет нагрузки от подвижного состава и в то же время предохраняет основную площадку земляного полотна от попадания влаги. Но такой способ усиления основной площадки применяется только на главных линиях с большой интенсивностью движения. На практике асфальтобетонные плиты уложены на грунт в таких случаях:
- в Японии толщиной 2—6 дюйма — между основной площадкой земляного полотна и балластом;
- в Италии толщиной 5 дюймов — в качестве подбалласта;
- на железнодорожной линии Санта Фе на опытных участках уложены слои асфальтобетона толщиной 21/2—71/2 дюйма и между уплотненной основной площадкой и 10-дюймовым слоем балласта.
Преимущества укладки строительных плит: уменьшается проникновение воды, устраняются выплески основной площадки, уменьшается стоимость текущего содержания. Недостатки этого способа: высокая первоначальная стоимость сооружения, сложность проектирования для укладки на основную площадку, размеры которой могут значительно изменяться от места к месту.
Нагнетание раствора под давлением.
Начиная с 40-х годов для стабилизации мягкого земляного полотна начали нагнетать под давлением цементный раствор, асфальтовые эмульсии или зольные смеси. Метод механизирован, многократно подтверждена его эффективность: уменьшается выпирание земляного полотна и, следовательно, стоимость текущего содержания отдельных участков пути.
Полевые испытания всегда должны предшествовать нагнетанию любого раствора, чтобы установить объем требуемых работ, глубину насыщенных водой карманов и технологию работ для данного конкретного случая. Отдельные опытные шурфы или поперечные траншеи полезны для определения условий под путем и планирования работ. Раствор наиболее легко нагнетается через поры балласта или там, где свободные проходы точно установлены. Раствор не будет проникать через глину или балласт, если пустоты забиты мелкими частицами. От состояния балласта зависит выбор машины и вероятность успеха обработки.
Нагнетание раствора под давлением с использованием ручного инструмента — трудоемкая операция, поэтому ручной инструмент был заменен гидравлическим оборудованием, работающим с пути. Наконечники инжектора обычно вводят в грунт через 3, 4 или 5 шпал с двух сторон от оси пути и располагают вертикально или с наклоном так, чтобы наконечник достигал основания карманов, насыщенных водой, в подрельсовом сечении.
В том случае, когда используются наконечники с открытыми концами, на время погружения их закрывают заклепками или путевыми болтами. Перед нагнетанием раствора наконечник поднимают на несколько сантиметров и заглушку удаляют. При использовании наконечников с закрытыми концами, с отверстиями, расположенными выше, лучше нагнетать раствор или воду через наконечник в процессе движения. Вода будет открывать каналы для прохождения раствора. Обычно 10— 15 галлонов воды достаточно для обеспечения приема раствора.
Для приготовления цементного раствора смешивают цемент с песком в соотношении от 1:1-1:4 с добавлением от 3 до 6 галлонов воды 1 куб. фут сухого материала. Пропорции зависят от назначения раствора для нагнетание вида песка. Обычно применяется портландцемент, к нему можно добавить золу для придания мел зернистости и экономии цемента.
Асфальтовую эмульсию можно использовать качестве смазки для гидравлического оборудования, при этом уменьшается его износ и луч протекает цементный раствор.
Работа по нагнетанию раствора должна выполняться, начиная с одного конца участка, подлежащего лечению, последовательно в направлении его конца. Нагнетается раствор в отдельное углубление непрерывно до отказа, т. е. до тех пор пока не будет выливаться на поверхность или произойдет поднятия пути. В течение некоторого времени после нагнетания раствора нужно тщательно следить за положением пути. Раствор будет вытеснять воду из балластных карманов и выдавливать ее на обочину пути. В процессе работ бывали случаи поднятия пути и цементации верхнего слоя балласта.
В выемках при однократной обработке труд добиться полного устранения причин, вызывающ размягчение основной площадки земляного полотна. Но две или три последовательные обработки обычно приводят к желаемым результатам.
Применительно к такому типу стабилизации следует указать, что при расходе раствора менее чем 1 куб. фут на 1 фут длины пути произойдет вероятно, только временное исправление. Расход раствора 2 куб. фута или более на 1 фут для пути обеспечит экономичный результат. Все обрабатываемые места целесообразно пометить для тог чтобы получить сравнительные данные по содержанию пути.
Нагнетание жидкой извести.
Процесс нагнетания под давлением гашеной и вести в виде раствора был недавно применен для упрочнения грунтов основной площадки земляного полотна. Это полезный метод для определенных состояний грунтов и климата. Для того чтоб получить хорошие результаты, нужно заранее определить, удовлетворяют ли местные условия требваниям данного метода. Технология нагнетания раствора должна выполняться строго в соответствии с требованиями метода.
Гашеная известь, смешиваясь с набухающими усадочными глинами, вступает с ними в химическую реакцию. При этом немедленно уменьшаются пластические и набухающие свойства грунтов, увеличивается их рыхлость. В течение нескольких месяцев происходит медленное нарастание прочности грунта, так как известь твердеет после приготовления смеси.
Температура грунта оказывает значительное влияние на твердение извести: при температуре менее 5° С прочность извести повышается незначительно или совсем не повышается. Так как прочность извести значительно повышается с увеличением температуры, желательно, чтобы температура почвы была выше 16° С. Обработка грунта известью в конце года при низких температурах почвы не будет эффективной.
Попеременное замерзание и оттаивание грунта уменьшает прочность глины, стабилизированной известью. Удельная величина этого уменьшения пока неизвестна, но предполагается, что она должна быть значительной.