Земляное полотно

Земляное полотно — это инженерное сооружение, служащее основанием для верхнего строения пути (рельсов, шпал, балластного слоя) и предназначенное для восприятия нагрузок от подвижного состава и распределения их на грунт. Является одним из основных и наиболее ответственных элементов железнодорожного пути, автомобильных дорог, а также взлётно-посадочных полос аэродромов. От прочности и устойчивости земляного полотна напрямую зависят безопасность движения, долговечность пути и скорость движения транспорта.

Общие сведения

Земляное полотно представляет собой грунтовую конструкцию, возводимую из местных или привозных грунтов, а также из скальных пород. Оно может быть выполнено в виде насыпи (при прохождении трассы по пониженным участкам рельефа) или выемки (при прохождении по возвышенностям). В нулевых местах, где отметки поверхности земли и проектная отметка пути совпадают, земляное полотно устраивается без существенного изменения рельефа, но с обязательным снятием растительного слоя и уплотнением основания.

Основные элементы земляного полотна включают:

• Основная площадка — верхняя поверхность, на которую укладывается балластный слой.
• Откосы — боковые наклонные поверхности, обеспечивающие устойчивость насыпи или выемки.
• Подошва насыпи — нижняя часть насыпи, соприкасающаяся с естественным грунтом основания.
• Бермы — горизонтальные уступы на откосах, повышающие их устойчивость.
• Кюветы и нагорные канавы — водоотводные сооружения, отводящие поверхностные воды от полотна.

История

Первые железные дороги в XIX веке прокладывались без тщательной подготовки земляного полотна. Насыпи отсыпались из подручного грунта без уплотнения, что приводило к частым деформациям и авариям. В России, при строительстве Николаевской (ныне Октябрьской) железной дороги в 1840-х годах, впервые были применены научные подходы к проектированию земляного полотна: устанавливались оптимальные крутизны откосов, предусматривался водоотвод.

В XX веке, с ростом нагрузок и скоростей движения, требования к земляному полотну ужесточились. В СССР были разработаны единые нормы и правила (СНиП), регламентирующие типы конструкций, методы уплотнения и контроля качества. В 1930-х годах началось широкое применение механизации — экскаваторов, бульдозеров, катков. В послевоенный период, при восстановлении и строительстве новых магистралей (БАМ, Транссиб), были внедрены методы укрепления откосов посевом трав, георешётками и габионами.

Классификация

Земляное полотно классифицируется по нескольким признакам:

По типу поперечного профиля

• Насыпи — сооружаются при высоте до 20-30 метров (для железных дорог) и до 12-15 метров (для автомобильных дорог). Высокие насыпи требуют специальных расчётов устойчивости.
• Выемки — глубиной до 20-30 метров. В глубоких выемках часто возникают оползневые явления, поэтому их откосы выполняют пологими или укрепляют.
• Полунасыпи-полувыемки — комбинированные профили на косогорах.
• Нулевые места — участки, где отметка пути совпадает с поверхностью земли.

По материалу

• Из глинистых грунтов — обладают высокой влагоёмкостью, требуют тщательного водоотвода и защиты от морозного пучения.
• Из песчаных грунтов — хорошо дренируются, но подвержены размыву и выдуванию.
• Из скальных грунтов — наиболее прочные, но требуют дробления и послойного уплотнения.
• Из торфа — применяются только в исключительных случаях (например, на болотах) с обязательным устройством специальных конструкций (торфяные подушки, свайные основания).

По способу возведения

• Насыпное — отсыпается грунтом с послойным уплотнением.
• Выемочное — разрабатывается в массиве грунта.
• Гидронамывное — возводится с помощью земснарядов (гидромеханизации) на водонасыщенных грунтах или в акваториях.

Устройство и конструкция

Земляное полотно состоит из нескольких конструктивных слоёв. Верхняя часть (основная площадка) для железных дорог имеет ширину от 6,5 до 7,5 метров (на однопутных линиях) и до 10-12 метров (на двухпутных). Для автомобильных дорог ширина зависит от категории дороги и числа полос движения.

Под основной площадкой устраивается дренирующий слой (обычно из песка или щебня) для отвода воды. В зонах вечной мерзлоты применяются теплоизолирующие прослойки из пенополистирола или торфа, предотвращающие оттаивание грунта.

Откосы насыпей и выемок имеют определённую крутизну, выражаемую отношением высоты к заложению (например, 1:1,5 — на каждый метр высоты 1,5 метра горизонтального откоса). Для обеспечения устойчивости на высоких насыпях (более 6 м) устраивают бермы — горизонтальные площадки шириной 2-4 метра.

Применение

Земляное полотно является неотъемлемой частью транспортной инфраструктуры:

• Железные дороги — основной элемент пути, воспринимающий нагрузки от поездов. В России протяжённость железнодорожных линий превышает 85 000 км, и почти на всём протяжении земляное полотно является несущей конструкцией.
• Автомобильные дороги — основание дорожной одежды. В зависимости от категории дороги, земляное полотно может быть усилено геосинтетическими материалами.
• Аэродромы — взлётно-посадочные полосы (ВПП) требуют особо прочного и ровного земляного полотна, способного выдерживать нагрузки от тяжёлых самолётов.
• Гидротехнические сооружения — дамбы, плотины, каналы также возводятся по принципам земляного полотна.

Деформации и их причины

Земляное полотно подвержено различным деформациям, которые могут привести к авариям. Основные виды деформаций:

• Осадки — неравномерное уплотнение грунта под нагрузкой, особенно на слабых основаниях (торф, ил).
• Пучение — поднятие грунта при замерзании воды, характерное для глинистых и пылеватых грунтов. Приводит к перекосам пути.
• Оползни — сползание откосов насыпей или выемок по поверхности скольжения. Часто возникают при переувлажнении грунта.
• Размывы — разрушение откосов и основной площадки водой (ливневые дожди, паводки).
• Сползание — смещение всей насыпи по слабому основанию (например, на склонах).

Для борьбы с деформациями применяются дренажные системы, укрепление откосов (бетонные плиты, георешётки, габионы), замена слабых грунтов, устройство свайных полей.

Интересные факты

• При строительстве Байкало-Амурской магистрали (БАМ) в 1970-1980-х годах земляное полотно возводилось в условиях вечной мерзлоты, что потребовало разработки специальных технологий: грунт отсыпали зимой, чтобы не нарушать тепловой режим.
• Самая высокая железнодорожная насыпь в России находится на перегоне Кизляр — Карланюрт (Северо-Кавказская железная дорога) и достигает высоты 28 метров.
• В СССР для уплотнения земляного полотна применялись тяжёлые катки массой до 25 тонн, а на слабых грунтах — виброкатки и трамбующие машины.
• В некоторых странах (например, в Японии) для защиты земляного полотна от оползней применяют подпорные стены из железобетона высотой до 10 метров.

Источники

• СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги» (Госстрой СССР, 1985)
• СНиП 32-01-95 «Железные дороги колеи 1520 мм» (Минстрой России, 1995)
• «Железнодорожный путь» под ред. В. В. Виноградова (Москва, Транспорт, 1987)
• «Земляное полотно железных дорог» — учебник для вузов (Москва, 2005)
• «Инженерная геология и гидрогеология» — учебное пособие (Санкт-Петербург, 2010)