Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Анализ причин и механизма нарушения устойчивости участка железнодорожной насыпи (Вурнары-Канаш)

Тема «Анализ состояния земляного полотна…

Тема «Анализ состояния земляного полотна, выявление причин и механизма нарушения его устойчивости и разработка предложений по защитным мероприятиям на объекте: 657 км перегона Вурнары-Канаш» была поставлена в ИГЭ РАН в связи с возникновением в октябре 2012 года аномальных просадок земляного полотна и 1 пути на исследуемом участке. Службой пути (ПЧ-17) были проведены срочные аварийные работы по восстановлению работоспособности 1 пути и первоочередные мероприятия по укреплению земляного полотна – деформированного откоса насыпи со стороны 1 пути.

После проведения первоочередных мероприятий восстановлено движение поездов на участке 657 км. Однако необходимо предусмотреть обоснованные защитные мероприятия, чтобы исключить возможность внезапных деформаций земляного полотна и железнодорожного пути на участке.

В соответствии с Техническим заданием по теме ИГЭ РАН предусматривалось выполнить:

— анализ материалов наблюдений и исследований по участку, включая данные инженерно-геологических изысканий и геофизических исследований;

— оценка оползневой обстановки, выявление причин и механизма нарушения устойчивости земляного полотна и развития оползневых деформаций;

— разработка расчетных схем и проведение расчетов устойчивости;

— разработка предложений по эффективным защитным мероприятиям.

На Фото: Оползневое деформирование тела железнодорожной насыпи, в т.ч. водопропускного канала в основании насыпи.

Выводы о причинах и механизме деформирования насыпи

Появление отдельных трещин на основной площадке земляного полотна и прилегающем левом откосе в начале 2012 г. привели в конечном итоге к образованию оползня шириной 40 м и длиной (от трещины в междупутье до языка оползня) 50 м. По механизму деформирования это оползень сжатия-выдавливания.

Согласно проведенным исследованиям и результатам расчетов устойчивости одним из главнейших факторов, обуславливающих нарушение устойчивости земляного полотна и развитие оползневых деформаций являются особенности свойств и состояния глинистых грунтов насыпи. Данные грунты находятся в состоянии водонасыщения, обладают слабой водоотдачей. Нижние горизонты насыпи находятся под нагрузкой от верхних слоев, значительно превышающей структурную прочность грунта. Эти грунты раздавливаются от запредельной нагрузки и, не находя упора в нижней части откоса, смещаются к тальвегу. При этом верхняя часть (основная площадка) оседает с образованием опущенной трещины растяжения (трещины «закола»).

Если бы не были приняты срочные меры, по сооружению нижней бермы-контрфорса, по трещине закола могла образоваться стенка срыва оползня высотой до 4 м и более.

Особенностью проявления оползня на данном участке также является развитие трещины «закола» и по правой боковой границе оползневого массива. В отдельных местах амплитуда оседания масс, по сообщениям путейцев, по трещине достигала 1 м. Т. е. вектор смещения оползня направлен под углом к тальвегу оврага, к водопропускной трубе.

Вероятно это своеобразие связано с тем, что насыпь находится на кривой радиусом 616 м и основное воздействие ж.д. составов, с образованием центробежной силы происходит со стороны Канаша. Подобных эффектов по левой границе оползня, в отличие от правой, не наблюдалось.

По данным изысканий выявлено наличие напора подземных вод, который, может быть связан также с наличием слабой (замедленной) водоотдачей глинистых насыпных грунтов. В определенной степени напор может характеризовать и повышение порового давления при нагружении водонасыщенного глинистого грунта. При периодическом нагружении и разгрузке от движения ж.д. поездов, особенно тяжеловесных, происходит накопление порового давления, так как его рассасывание затруднено.

Действие напора или повышенного порового давления снижает несущую способность грунта и устойчивость массива за счет уменьшения вертикального давления (пригрузки) в нижней части откоса, а также вследствие снижения величины предельного давления для ослабленного грунта.

Таким образом, причинами нарушения устойчивости земляного полотна на участке являются:

• предельная устойчивость левого откоса на момент начала деформирования;
• наличие водонасыщенных насыпных глинистых грунтов, находящихся под вертикальной (раздавливающей) нагрузкой, превышающей их прочность;
• отсутствие условий дренирования грунтовых вод из нижних горизонтов насыпи, вследствие чего возникает повышение порового давления и снижение несущих свойств грунтов;
• действие центробежной силы от движения тяжеловесных поездов по кривой радиусом 616 м, вызывая периодически дополнительную сдвигающую силу с отклонением вектора от оси оползня к левому его борту;
• вибрационное воздействие от движения поездов, понижающее ресурс прочности грунтового массива, особенно в условиях затрудненной фильтрации грунтовых вод.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ЗАЩИТНЫМ МЕРОПРИЯТИЯМ

Если бы рассматриваемый участок находился не на кривой, воздействие от поездной нагрузки, что имело место, судя по характеру деформаций земляного полотна, было бы существенно меньше. Но кривая радиусом 616 м и движение поездов, в том числе и тяжеловесных, со скоростью 60 км/час и выше, являются исходными условиями для земляного полотна в виде насыпи высотой 15 м.

Как показали расчеты устойчивости, сооружение нижней бермы, а также другие первоочередные мероприятия по предотвращению деформаций левого откоса, оказались эффективным и своевременным защитным средством. Устойчивость и удерживающие функции двух берм значительно повысились.

Вместе с тем, проведенный комплекс инженерно-геологических, геофизических и геомеханических аналитических исследований позволил выявить причины и механизм деформирования земляного полотна и предложить следующие защитные мероприятия.

1. Дренирование грунтовых вод с целью устранения условий для повышения порового давления.

Предложено водопропускную трубу преобразовать в дренажную путем сооружения отверстий в ее стенках и установки металлических перфорированных труб. Это позволит устранить подпор грунтовых вод у стенок трубы, направить поток фильтрации перпендикулярно вектору оползневого смещения и обеспечить постоянный процесс осушения глинистых грунтов, что повышает их прочность и устраняет влияние порового давления.

2. Удерживающие (подпорные) функции существующих в настоящее время контрфорсных массивов берм целесообразно усилить. Предложено подпорную стенку выполнить из шпунта Ларсена, широко используемого в гидротехническом строительстве (причалы, набережные).

3. Повышение устойчивости подпорных грунтовых массивов может быть достигнуто путем изменения очертания бровки берм. В пределах границ оползневого очага вместо единой бермы создаются три контрфорсных массива с расстоянием между гребнями (по габаритам) 10 м (R > 5 м). Локальная устойчивость массивов берм, как показали расчеты, может быть повышена в 1,4 и более раз (за счет пространственного эффекта).

Кроме того, конкретное исполнение берм разбивает фронтальный участок с протяженностью трещины закола 40 м на два значительно более мелких (между контрфорсами), устраняя при этом возможность общего нарушения устойчивости. Контрфорсы – искусственные гребни хорошо дренируются, сохраняя устойчивые массивные образования.

В устье искусственных врезов (между гребнями) могут быть установлены горизонтальные дренажные трубы для осушения глинистых грунтов

Проектирование и осуществление предложенных защитных мероприятий позволит обеспечить устойчивость земляного полотна и безопасность движения поездов на рассматриваемом участке.