Koleje podstawy. Elementy drogi kolejowej: podtorze, odwodnienie. rok akademicki ; 18; semestr letni

Transkrypt

1 Koleje podstawy Wykład 4 Elementy drogi kolejowej: podtorze, odwodnienie dr hab. inż.. Danuta Bryja, prof. nadzw. PWr dr inż.. Igor Gisterek; ; dr inż.. Jacek Makuch rok akademicki ; 18; semestr letni

2 Podtorze

3 Podtorze Budowla geotechniczna wykonana na gruncie rodzimym jako nasyp lub przekop, wraz z urządzeniami jąj zabezpieczającymi cymi i odwadniającymi Podstawowe zadanie podtorza: przejęcie obciąż ążeń przekazywanych przez podsypkę(podtorze pełni rolę fundamentu toru kolejowego)

4 Kształt t podtorza Elementy podtorza kolejowego: a) w nasypie, b) w przekopie Wymiary geometryczne podtorza dostosowuje się do wymagań eksploatacyjnych

5 Warstwa ochronna Warstwa drobnego materiału u kamiennego (pospółki, grysu, niesortu), ułożona u ona między podsypką i torowiskiem Zadania warstwy ochronnej (filtracyjnej albo szczelnej, mrozoochronnej): zabezpieczenie podsypki przed przenikaniem cząstek gruntu z podtorza rozłożenie nacisków w przekazywanych przez podsypkę na większ kszą powierzchnię torowiska polepszenie parametrów w dynamicznych podtorza polepszenie warunków w filtracji na styku podtorza z podsypką,, odprowadzenie wód w d opadowych ochrona podtorza przed przemarzaniem

6 Elementy nasypu: korpus nasypu (grunt ponad podłożem geologiczno- gruntowym) torowisko stanowiące powierzchnię podtorza ograniczoną górnymi krawędziami nasypu skarpy i ławy skarpowe z umocnieniami Elementy przekopu: Elementy podtorza torowisko wraz z górnymi g warstwami podłoża skarpy i ławy skarpowe z umocnieniami Elementy przypory (wzmocnienia skarpy): korpus przypory (grunt lub inny materiał ponad podłożem geologiczno-gruntowym) gruntowym) ława przypory stanowiąca górng rnąpowierzchnięprzypory, przypory, ograniczoną górnymi krawędziami przypory skarpy i ławy skarpowe z umocnieniami

7 Elementy podtorza Elementy odwodnienia: drenaże e liniowe naziemne (np( np.. rowy, rynny, wały odprowadzające) drenaże e liniowe podziemne do odwodnienia powierzchniowego i głęg łębokiego (np( np.. sączki, s ciągi drenarskie rurowe) drenaże e skarpowe (np( np.. sączki s skarpowe, drenaże punktowe, przyporowe) drenaże e płytowe p (np( np.. warstwy filtracyjne) drenaże e pionowe (w których dominuje pionowy kierunek przepływu wód) w urządzenia specjalne i pomocnicze

8 Podtorze wymagania ogólne Podtorze musi byćtak zaprojektowane, zbudowane i utrzymywane, aby: było o dostatecznie wytrzymałe e i trwałe e oraz stanowiło stateczną i jednorodną podstawędla dla nawierzchni linii kolejowej o określonych parametrach eksploatacyjnych (nośno ność,, sztywność ść,, trwałość ść,, stateczność ść,, jednorodność ść) w występuj pujących warunkach klimatycznych i eksploatacyjnych nie ulegało o nadmiernym trwałym i spręż ężystym odkształceniom ceniom,, zagrażaj ającym bezpieczeństwu ruchu, bądźb stwarzającym potrzebęzbyt zbyt częstych napraw nawierzchni koszty budowy i eksploatacji były y możliwie małe,, bez pogarszania walorów w użytkowychu zapewniona była a możliwo liwość łatwego,, także zmechanizowanego, prowadzenia robót podtorzowych, nawierzchniowych, trakcyjnych, teletechnicznych itp.

9 Podtorze wymagania ogólne Wymagania spełnia siępoprzez : stosowanie odpowiednich materiałów w oraz właściwe w ich ułożenie, zagęszczenie i odwodnienie nadanie budowli odpowiedniego kształtu tu wynikającego z przepisów w i warunków w miejscowych niedopuszczanie do wystąpienia w eksploatacji podtorza warunków w gorszych niżza założone one na etapie projektowania, tzn. właściwe w konserwowanie oraz wykonywanie niezbędnych napraw i modernizacji budowli przestrzeganie obowiązuj zujących przepisów w dot. ochrony środowiska

10 Podtorze wymagania szczegółowe Stateczność Utrata stateczności ci budowli ziemnej polega na masowych ruchach gruntu, takich jak osuwiska czy zsuwy Stateczność jest zapewniana głównie g przez dobór odpowiedniego kształtu tu budowli ziemnej Skarpy podtorza muszą mieć odpowiednie kształty ty i nachylenia Szczegółowej analizy geotechnicznej wymagająskarpy o wysokościach większych od: 12 m w w gruntach kamienistych, żwirowych, pospółkach 8 m w gruntach piaszczystych i piaszczysto-gliniastych 6 m w w gruntach gliniastych i ilastych oraz na obszarach objętych eksploatacją górniczą i terenach osuwiskowych

11 Podtorze wymagania szczegółowe Stateczność ść-c.d. Skarpy podtorza muszą mieć kształty ty i nachylenia zapewniające stateczność śćskarp i całej budowli (nie występuj pują ruchy masowe gruntu takie jak osuwiska czy zsuwy). Typowe nachylenia skarp podtorza (instrukcja Id-3 Warunki techniczne utrzymania podtorza kolejowego ) Rodzaje budowli Rodzaje gruntów Współczynniki nachylenia n Nasypy Piaski gliniaste drobne i pylaste w rejonach zawilgoconych Grunty kamieniste, żwiry, piaski grube i średnie, pospółki 1,5-1,8 1,7-1,8 1,5-1,8 Odłamki skalne odporne na wietrzenie 1,3-1,7 Piaski bardzo drobne równoziarniste (w tym piaski wydmowe) 2,0

12 Podtorze wymagania szczegółowe Stateczność ść-c.d. Większe wartości współczynnik czynników n przyjmuje siędla linii kolejowych dużych prędko dkości. Typowe nachylenia skarp podtorza (instrukcja Id-3 Warunki techniczne utrzymania podtorza kolejowego ) Rodzaje budowli Rodzaje gruntów Współczynniki nachylenia n Przekopy Grunty piaszczyste i piaszczysto gliniaste, kamieniste, żwirowe, pospółki 1,5-1,7 Grunty spoiste 1,5-2,0 Lessy w rejonach bardzo suchych 0,1-0,5 Skały odporne na wietrzenie (lite i mało spękane) 0,2-1,0 Skały łatwo wietrzejące 0,5-1,5

13 Podtorze wymagania szczegółowe Trwałość Podtorze należy y projektować przy założeniu trwałości równej 100 lat Górnączęść podtorza (torowisko), na której jest ułożona u ona nawierzchnia, należy y projektować przy założeniu trwałości lat,, zależnie od parametrów eksploatacyjnych linii Trwałość śćpodtorza a także e jego wytrzymałość śćjest uzyskiwana przez dobór r odpowiedniego materiału, zastosowanie właściwej w technologii budowy w tym zagęszczania, właściwe w odwodnienie, właściwe w zabiegi utrzymaniowe

14 Podtorze wymagania szczegółowe Materiały Grunty stosowane do budowy i naprawy podtorza dzieli się na: grunty niskiej jakości ci,, które mogąby byćwykorzystane po uprzedniej analizie zachowania się nasypów w lub po specjalnych zabiegach uzdatniających grunty, które mogąby byćstosowane tylko w pewnych warunkach(np np.. po przesuszeniu, w niskich nasypach, zabezpieczone warstwą lepszych gruntów w lub układane na przemian z innymi gruntami) grunty, które mogąby byćstosowane bez ograniczeń-w zależno ności od klas jakości określonych w Id-3

15 Podtorze wymagania szczegółowe Materiały- c.d. Grunty,, które mogąby być stosowane bez ograniczeń: skały y o średniej twardości ci, np.. o współczynniku Los Angeles 30 < LA 40 (miara odporności gruntu na mechaniczne rozdrabnianie) skały twardeo o współczynniku Los Angeles LA 30 grunty dobrze uziarnione(u 6) zawierające mniej niż 5% cząstek drobnych U-wskaźnik różnoziarnistor noziarnistości gruntu: : miara nachylenia krzywej uziarnienia gruntu niespoistego, określaj lająca możliwo liwośćjego zagęszczenia i odporności na drgania U = d 60 / d 10 d 60 60, d 10 -średnice cząstek lub ziaren gruntu, które wraz z mniejszymi stanowią odpowiednio: 60% i 10% masy gruntu

16 Podtorze wymagania szczegółowe Materiały- c.d. krzywe uziarnienia -określaj lają skład granulometryczny gruntu niespoistego

17 Podtorze wymagania szczegółowe Materiały- c.d. Gruntystosowane do budowy i naprawy podtorza (z wyjątkiem torowiska) powinny umożliwia liwiaćuzyskanie modułów w odkształcenia podtorza nie mniejszych niż: 45 MPa-dla gruntów w spoistych 60 MPa-dla gruntów w piaszczystych i żwirowych E-moduł odkształcenia (spręż ężystości) gruntu: : miara nośno ności gruntu (jednorodnego czyli nieuwarstwionego podłoża a gruntowego), określona przy statycznym obciąż ążeniu tego gruntu sztywną okrągłą płytą Δp -przyrost obciąż ążenia powierzchniowego [MPa[ MPa] Δs - odpowiadający przyrost osiadania płyty p [mm] D -średnica płyty p [mm]

18 Podtorze wymagania szczegółowe Materiały- c.d. aparatura do pomiaru modułu u odkształcenia gruntu

19 Wymagania dotyczące ce górnej g warstwy podtorza Grunty stosowane do budowy i naprawy górnej g warstwy podtorza muszą spełnia niaćbardziej szczegółowe wymagania w zakresie : nośno ności i sztywności ci(wytrzymałości doraźnej ) trwałości ci(wytrzymałości eksploatacyjnej) jednorodności

20 Nośno nośći i sztywność 1. Modułodkształcenia podtorza mierzony na torowisku, przy drugim obciążeniu statycznym płytąokrągłąo śr. 30 cm nie może byćmniejszy od wartości minimalnej Minimalne wartości modułów odkształceńpodtorza mierzonych na torowisku E 0 [MPa] (wartości w nawiasach dotycząpodtorza na liniach eksploatowanych, przed nawiasem linii nowych) Prędkość v max [km/h] Obciążenie przewozami T [Tg/rok] T T < 25 3 T < 10 T < < v max < v max < v max < v max 120 v max (80) 120 (80) 120 (70) 110 (60) 100 (50) 120 (80) 120 (70) 110 (60) 100 (55) 90 (45) 120 (80) 110 (60) 100 (50) 90 (45) 80 (40) 110 (70) 100 (55) 90 (45) 80 (40) 80 (40)

21 Nośno nośći i sztywność

22 Nośno nośći i sztywność 3. Osiadania torowiska nie powinny przekraczać wartości dopuszczalnych. Dopuszczalne różnice r osiadań torowiska wynoszą: 4 mm/rok na długod ugości 30 m lub 10 mm/rok na długod ugości 200 m jeśli nie określono innych wymagań. Jeśli przyjęte wymagania nie mogąby byćspełnione, należy zastosować odpowiednie wzmocnienie podtorza lub podłoża (gruntu rodzimego). Przy obiektach inżynieryjnych należy y stosowaćodcinki odcinki przejściowe w celu zmniejszenia różnic r osiadańtorowiska i zapewnienia stopniowej zmiany sztywności podtorza.

23 Grunty wbudowane w górng rnączęść podtorza powinny być: 1. odporne na wodę nie powinny zawieraćsubstancji rozpuszczalnych 2. odpowiednio wodoprzepuszczalne wskaźnik wodoprzepuszczalności ci k m/s, gdy grunt warstwy ochronnej musi przepuszczać wody opadowe wskaźnik wodoprzepuszczalności ci k 10 < 10-6 m/s, gdy należy y zapobiec infiltracji wód w d opadowych w grunty podtorza (torowisko musi byćwtedy dostatecznie utwardzone i wyprofilowane z nachyleniami poprzecznymi w kierunku drenażu) 3. mrozoodporne Trwałość nie powinny byćgruntami wysadzinowymi,, do głęg łębokości przemarzania w danej strefie klimatycznej

24 Grunty wbudowane w górng rnączęść podtorza powinny być: 4. dobrze uziarnione wskaźnik różnoziarnistor noziarnistości U v max /160, aby nie rozgęszcza szczały y siępod wpływem drgań 5. stabilne mechanicznie nie mieszające sięz z materiałami ami innych warstw, zwłaszcza na styku z podsypką migrację drobnych cząstek z podtorza w podsypkę uniemożliwiaj liwiają materiały y zawierające 10-20% ziaren mniejszych od 0,2 mm 6. pozbawione zanieczyszczeń Trwałość zawartośćczęści organicznych nie większa niż 0,2% zawartość siarczanów w nie większa niż 0,2%

25 Jednorodność Konstrukcja górnej g częś ęści podtorza powinna być jednakowa na ca na całych szlakach lub grupach stacyjnych, w celu zapewnienia jednorodności podparcia toru. Zmiany konstrukcji dopuszcza się w przypadku: skomplikowanych warunków w hydrologiczno-geologicznych geologicznych torów w lub ich odcinków w o wyraźnie odmiennych funkcjach napraw lub modernizacji podtorza Konieczne zmiany konstrukcji wprowadza sięskokowo skokowo na międzytorzach oraz stopniowo na długod ugości toru (odcinki przejściowe).

26 Jednorodność

27 Wzmacnianiepodtorza np.. poprzez zastosowanie geosyntetyków

28 Odwodnienie

29 Odwadnianie podtorza Zabezpieczanie przed napływem wód d oraz zbieranie i odprowadzanie wódw w celu zapewnienia ciągłej sprawności eksploatacyjnej drogi kolejowej Odwadnianie realizuje się przez: drenażpowierzchniowy (naziemny) odprowadzanie wód d opadowych, drenaż wgłę łębny (głę łęboki, podziemny) zabezpieczanie torowiska przed wodami gruntowymi: płynp ynącymi, stojącymi i kapilarnymi. Prawidłowe odwodnienie jest warunkiem koniecznym: utrzymania stateczności ci budowli ziemnej (podtorza), zapewnienia odpowiedniej wytrzymałości gruntów podczas budowy i eksploatacji podtorza.

30 Skutki braku odwodnienia Brak właściwego w odwodnienia prowadzi do szybkiej degradacji całej nawierzchni kolejowej, może e spowodować utratę stateczności ci podtorza. Osuwisko spowodowane dużymi opadami Całkowicie zamulona podsypka oraz duże e pełzanie podkład adów w betonowych, przejawiające sięich ich nierównomiernym rozstawem

31 Rodzaje drenaży 1. Drenaże e liniowe naziemne (poziome): rowy, rynny, wały y odprowadzające (groble) Rowy nieobudowanelub obudowane wykopy zlokalizowane najczęś ęściej wzdłuż drogi kolejowej, chroniące ce jąprzed j dopływem wód w d powierzchniowych i odprowadzające te wody do sieci odprowadzającej lub bezpośrednio do odbiornika Rów w przy nasypie Rowyprzy przekopie pie Linia kolejowa w przekopie z rowami odwadniającymi

32 Rodzaje drenaży Rynny monolityczne lub prefabrykowane koryta, stosowane zamiast rowu w przypadku potrzeby zapewnienia szczelności rowu, trudności w budowie lub utrzymaniu umocnienia rowu itp. Wały odprowadzające(groble) nasypy z gruntu, tworzące wraz z terenem naziemny ciek, chroniące podobnie jak rów budowlę przed dopływem wód powierzchniowych i odprowadzający te wody, stosowane gdy budowa rowu mogłaby spowodować zmniejszenie stateczności podtorza Koryto odwadniające z prefabrykatów w betonowych

33 Rodzaje drenaży 2. Drenaże e liniowe podziemne do odwodnienia powierzchniowego i głęg łębokiego: np.. sączki, s ciągi drenarskie rurowe Sączki płytkie drenaże wypełnione zasypką filtracyjną, z drenem rurowym lub bezrurowe: podłużne wzdłuż osi toru poprzeczne prostopadłe e do osi toru

34 Rodzaje drenaży 3. Drenaże e płytowe: p warstwy filtracyjne Pokrycia ochronne z gruntu mineralnego (pospółka, żwir, piasek) lub kruszywa (niesortkamienny, kliniec, grys), wykonywane jako warstwa ochronna torowiska i na równiach r stacyjnych Powłoki oki z materiału u przepuszczalnego (geowłókniny) Grunty stabilizowane różnymi spoiwami (cement, wapno, bitum, żywice itp.), stosowane np.. aby uniknąć ąćdużych grubości warstw filtracyjnych gruntowych Zabezpieczenia wielowarstwowe: : w warstwie gruntowej zastosowane sąs cienkie pokrycia przepuszczalne (np( np. geowłókniny kniny, geosiatki) ) jako elementy wzmocnieńoraz oraz pokrycia nieprzepuszczalne (np( np.. folie, powłoki oki bitumiczne) w celu zapobieżenia enia infiltracji wód w d powierzchniowych w grunty

35 Rodzaje drenaży Warstwa filtracyjna na podtorzu, po wyrównaniu wnaniu i ubiciu Warstwy filtracyjne sąs obowiązkowo stosowane na równiach r stacyjnych Przykład zastosowania warstwy filtracyjnej na równi r stacyjnej

36 Rodzaje drenaży 4. Drenaże e pionowe: sączki, studzienki drenarskie, studnie chłonne, rury ssące opróżniane za pomocą pomp Studzienki drenarskie elementy podziemne rurowej sieci drenarskiej, służąs żące do łączenia, kontroli i oczyszczania drenaży i ciągów w odprowadzających wody Studnie chłonne sztuczne zbiorniki w postaci obudowanego drenu pionowego, umożliwiaj liwiającego odprowadzenie wód w d do znajdujących sięni niżej gruntów przepuszczalnych

37 Rodzaje drenaży 5. Drenaże skarpowe: sączki skarpowe, drenaże punktowe, przyporowe Sączki skarpowe przykłady

38 Drenaże punktowe e punktowe(pionowe) drenaże e podziemne rurowe lub bezrurowe,, zakładane adane w skarpowej częś ęści budowli, zwykle prostopadle do jej obrysu w planie, umożliwiaj liwiające odprowadzenie wód w d z korpusu budowli Drenaże e przyporowe (tzw. rigole ) drenaże e warstwowe w częś ęści skarpowej budowli, pozwalająnie tylko osuszyć część skarpową, ale także e zwiększy kszyćjej stateczność śćdzięki częś ęściowej lub ciągłej wymianie gruntu Rodzaje drenaży Przykład drenażu u skarpowego przyporowego ze schodkowaniem skarpy w warstwie wodonośnej nej

39 Zasady odwadniania podtorza Zasady ogólne lne: 1. Podtorze należy y odwadniać przede wszystkim powierzchniowo: a) kształtuj tując c odpowiednio jego powierzchnie, b) stosując c rowy i płytkie p drenaże, e, c) w miarę potrzeby stosować warstwy filtracyjne, ew. warstwy szczelne. 2.Urz Urządzenia odwadniające muszą powodować obniżenie wód w gruntowych o: 1,2 mod m poziomu główki g szyny na liniach eksploatowanych 1,5 mw przypadku linii nowobudowanych i modernizowanych. 3.Urz Urządzenia odwadniające muszą zapewniać szybki spływ wody z warstw filtracyjnych. Nie mogą niekorzystnie wpływa ywaćna stateczność podtorza, sąsiadujs siadujących budowli i urządze dzeń.

40 Zasady odwadniania podtorza Zasady szczegółowe ukształtowanie towanie podtorza: 1. Spływ wód w powierzchniowych z podłoża a torów w szlakowych zapewnia się stosując poprzeczne spadki (3-5%) torowisk w kierunku skarp, bocznych rowów w lub drenaży y podziemnych. 2. Spływ wód w powierzchniowych z równi r stacyjnych zapewnia się przez nadanie powierzchniom gruntu podtorza spadków poprzecznych (2-5%) i przy użyciu u drenażu u płytowegop ytowego,, czyli ułożenie warstw filtracyjnych. 3. Pozostałe e powierzchnie podtorza (z wyjątkiem skarp) profiluje się ze spadkami poprzecznymi równymi r 5-10% w kierunku możliwego spływu wód. w 4. Krawędźtorowiska przy ciekach i zbiornikach wodnych oraz na terenach zalewowych musi znajdować sięna rzędnej Hnie niższej niżh H = H w +h f + 0,6 [m]. H w -rzędna stuletniej wysokiej wody, h f -wysokość fal według danych hydrologicznych

41 Zasady odwadniania podtorza Zasady szczegółowe rowy odwadniające 1. Rowy odwadniające stosuje sięgłównie do zbierania i odprowadzania wód w d powierzchniowych a także e w celu niewielkiego obniżenia poziomu wód w d gruntowych. 2. Rowy odwadniające sąs stosowane: a) we wszystkich przekopach, b) przy górnych g krawędziach przekopów od strony napływaj ywających wód, w c) przy nasypach o wysokości do 0,6 m, d) przy nasypach od strony dopływaj ywających wód, w e) w celu przeprowadzenia wód w d powierzchniowych przez stacjęlub odprowadzenia ich poza podtorze. 3. Jeżeli eli rowy zmniejszają stateczność podtorza, można je zastąpi pićwałami ami odprowadzającymi (np.. przy przekopach) lub drenażami ami podziemnymi(np np.. przy nasypach).

42 Zasady odwadniania podtorza Zasady szczegółowe rowy odwadniające ce: 4. Pochylenie podłużne dna rowu nie powinno byćmniejsze od 3% (wyjątkowo 1%). Rowy o spadkach większych niż 10% należy wyposażać w progi, stopnie, kaskady, itp. 5. Całkowita głęg łębokośćrowu nie może e byćmniejsza od 0,5 m i większa od 1,90 m, musi byćo o 0,3 m większa od głęg łębokości wynikającej z niezbędnej przepustowości rowu. Szerokość śćdna rowu w przekroju trapezowym przyjmuje się równą0,4 m. m 6. Na liniach nowobudowanych i przystosowywanych do prędko dkości v > 160 km/h, rowy boczne powinny byćobudowane i budowane z odsadzką od strony skarpy(o min. szerokości 0,2 m) lub zastępowane drenażem em podziemnym.

43 Zasady odwadniania podtorza Zasady szczegółowe rowy odwadniające ce: 7. Skarpy i dna rowów w umacnia się,, gdy jest to wskazane ze względów utrzymaniowychoraz oraz gdy istnieje niebezpieczeństwo stwo: a) rozmycia gruntu wskutek zbyt dużych prędko dkości przepływaj ywających wód d (prędko dkości przepływu sprawdza się przy spadkach większych od 1,5% i jeśli sąone s zbyt duże e stosuje sięodpowiednie wzmocnienie), b) zamulenia rowu wskutek zbyt małych prędko dkości przepływu wód w (prędko dkości przepływu sprawdza sięprzy spadkach mniejszych od 0,4% i jeśli prędko dkości sąmniejsze s od 0,3 m/s stosuje sięgładkie obudowy umożliwiaj liwiające zwiększenie prędko dkości i ułatwiaju atwiające usuwanie zanieczyszczeń), c) wypierania gruntów w podtorza przy przyjętych pochyleniach skarp rowów w (np( np.. po poszerzeniu torowiska w przekopie).

44 Rowy odwadniające Umocnienia skarp i dna rowu: prefabrykowane korytka betonowe plastikowe kratki trawnikowe prefabrykowane betonowe płyty ażurowe a) trapezowe (tzw. krakowskie), b) głębokie kryte, c) płytkie korytka płytkie (konstr. słowacka)