Деформации земляного полотна и борьба с ними

Железнодорожное земляное полотно имело много общего с валами фортификационных сооружений, дамбами, плотинами и т. д. Поэтому многие практические методы укрепления земляных масс, защиты их от размыва и разрушения просто приспосабливались в новой области. В результате арсенал технических мер по стабилизации земляного полотна уже в прошлом веке был достаточно широк. В книге [174] издания 1859 г. содержатся приемлемые и с современных позиций рекомендации по защите откосов растительностью: "Чернозем употребляется для обделки откосов, потому что он благоприятствует образованию дерновой оболочки. По неимению его откосы обкладывают дернинами. В сырых и заливаемых водою местах откосы укрепляются кустовыми растениями (ивами и ольхами) - при слабом течении, а при сильном - фашинной отделкой и камнями".

В работе [41], изданной в 1875 г., освещаются многие способы укрепления откосов против размыва: засев откосов травой с предварительным покрытием растительной землей, дерновка сплошная и в клетку с засевом травой между дерновыми полосами, укрепление плетнями из ивового или ольхового хвороста с заполнением хворостяных клеток растительной землей и засевом травой, сплошное мощение на мху, покрытие откоса фашинами в расстилку и в стенку, усиление нижней части фашинной одежды каменной наброской, покрытие откосов плетнями с пришивкой их кольями и т. д.

Однако, зная множество частностей, инженер был безоружен в главном: он не владел общими принципами проектирования защиты земляного полотна и должен был полагаться лишь на свою инженерную интуицию и выработанное годами искусство. В требованиях к грунтам и описании их свойств оперировали чисто качественными понятиями. Вот, например, как регламентировались эти требования Техническими условиями [164] уже в нашем веке: "Насыпи должны быть устроены из соответственных надежных грунтов". Что нужно понимать под такими надежными грунтами, не разъяснялось. Сугубо качественный подход к оценке состояния и несущей способности такой сложной, изменчивой, неоднородной среды, как грунт, которая выполняла функции фундамента всей путевой конструкции, имел очень неблагоприятные, порой тяжелые последствия. Устранение деформаций земляного полотна и обусловленных ими повреждений пути составляло на русских дорогах одну из важнейших статей расходов.

Особенно велики эти расходы были на дорогах, построенных с излишней поспешностью в районах со сложными природными условиями, например Сибирской дороге. На многих участках она проходила по переувлажненным грунтам. При первоначальном строительстве из-за крайне сжатых сроков и недостатка опыта на профилактические мероприятия обращали мало внимания, стремясь главным образом обеспечить нормальный ход работ. В результате было возведено немало укрепительных и водоотводных устройств, которые лишь короткое время выполняли свои функции и становились ненужными после осушения грунта. Зато в случаях медленного протекания влажностных процессов в разрабатываемых массивах, не затруднявших строительство, никаких мер по регулированию стока вообще не принимали. Это потребовало впоследствии больших работ для стабилизации земляного полотна - осушения и укрепления откосов выемок, их срезки и уположения, устройства лотков вместо кюветов, закладки дренажей и т. д.

Позднее, при переустройстве отдельных участков дороги, нашли простой способ подсушки, состоящий в вырубке за год до работ широкой просеки с уборкой срубленного леса к границе отчуждения и в устройстве нагорных канав. Выяснилось также, что выемки, прокладываемые в переувлажненных грунтах, успешно выполняли роль дренажа и способствовали осушению местности, хотя временный избыток грунтовых вод, стекавших в выемку, конечно, осложнял и удорожал работы.

Особенно много беспокойств на Сибирской дороге причиняли осадки насыпей. Отсыпанные без необходимого уплотнения, нередко из непригодных для этого местных грунтов, они подвергались длительным неравномерным деформациям. К этому добавлялись на ряде участков изменения термического режима вечно-мерзлых грунтов, которые таяли под несвоевременно возведенными насыпями, недостаточная несущая способность грунтов основания, дававших большие осадки, наличие многочисленных истоков грунтовых вод, обводнявших подошву насыпи и нижние слои насыпного грунта, и многое другое [51], [57].

Земляное полотно для инженеров даже конца прошлого века стояло особняком от верхнего строения и воспринималось почти как природный объект, со стихийным поведением которого приходилось по необходимости мириться.

Для иллюстрации этого можно привести рекомендации по ремонту земляного полотна, относящиеся к последней четверти прошлого века [41].

"Обыкновенно, в течение нескольких лет после окончания постройки, полотно в насыпях садится, потому что земля, рыхло насыпанная, слеживается, уплотняется от времени и пробега поездов.

Осадки насыпей бывают внезапные и постепенные; первые случаются от подмыва насыпей большою водою, от осадки болот, на которых возведены насыпи, и наконец, оттого, что насыпь, или часть ее была возведена при заморозках из мерзлой земли... Летом, когда земля оттает, эти насыпи садятся очень быстро. Если полотно подобных насыпей устроено под двойной путь, а уложен на самом деле только одиночный, то сторона полотна, на которой положен путь, обыкновенно садится от тяжести поездов больше, чем свободная сторона, поэтому, первым делом после внезапной осадки полотна, следует передвинуть путь на незанятую сторону его, засыпать провал и снова передвинуть путь на прежнее место. Постепенная осадка насыпей неизбежна в течение долгого времени после открытия движения по дороге. Она неопасна, но требует досыпки полотна по мере его оседания".

Подобная безысходность по отношению к борьбе с повреждениями и осадками земляного полотна коренилась в тогдашней практике строительства и эксплуатации, которая еще совсем слабо владела сложными комплексами природных условий, определявших поведение грунтовых масс. Даже гидравлические характеристики рек за отсутствием систематических наблюдений еще были почти не изучены, хотя первые водомерные наблюдения по рекам России выполнялись еще в петровские времена. В 60-е годы в периодической железнодорожной печати появились материалы о вскрытии крупнейших рек и ледоставе, а также некоторые гидрометрические характеристики. Но они были слишком скудны и отрывочны. В результате половодье редко не вызывало более или менее серьезных повреждений земляного полотна.

Однако приспособление железнодорожных сооружений к режиму крупных постоянных водотоков все же проходило успешнее, чем к режиму мелких рек, ручьев и вообще водотоков временного характера. С середины 70-х годов началась работа навигационно-описных комиссий, в задачу которых входило систематическое изучение рек России. Оно выполнялось Министерством путей сообщения главным образом для целей организации судоходства, но постепенно накапливавшиеся материалы наблюдений водомерных постов явились основой для поисков методов статистического прогноза гидравлических характеристик рек. С 1881 г. стали издавать "Сведения о колебаниях уровня воды на реках и озерах Европейской России", которые содержали материалы для расчета гидравлических уровней рек и постановки его на научную основу. В последнем десятилетии прошлого века за поведением больших рек наблюдали почти 400 водомерных постов, данные которых использовались при проектировании мостов.

Гораздо труднее оказалось изучить чрезвычайно изменчивый снеговой и в особенности ливневый сток. Поэтому были нередки катастрофические повреждения земляного полотна и пути у малых мостов и труб. В первые годы строительства железных дорог отверстия таких сооружений назначались весьма ориентировочно, что приводило к серьезным ошибкам. Например, "Мост на овражке между станциями Краматоровка и Дружковка был разрушен в течение каких-нибудь 20 мин потоком ливня, заполнившим все отверстие моста и несшимся наподобие гигантской струи из пожарного рукава... Впоследствии по измерении бассейна оврага... пришлось увеличить отверстие названного моста до 5 саж., вместо первоначальных 2-х" [100].

В 1882 г. произошла печально известная Кукуевская катастрофа на Московско-Курской дороге. Необычайно сильный ливень создал мощный подпор перед неисправной чугунной трубой и вода прорвала насыпь незадолго до прохода пассажирского поезда. Эта катастрофа заставила приступить к разработке правил определения отверстия труб на пропуск ливневого стока. В 1884 г. издали циркуляр, регламентирующий порядок определения максимального расхода воды, поступающей к водопропускному сооружению в единицу времени. В основу его были положены старые нормы Кестлина, выработанные еще в 1868 г. по наблюдениям за интенсивностью одного парижского ливня. Выбор этих норм определяется тем, что ливень, вызвавший Кукуевскую катастрофу, был по интенсивности близок к парижскому.

Однако ориентация на любой единственный норматив для такой огромной территории, какую занимала Россия с ее разнообразными топографическими, почвенными, климатическими условиями, была ошибочной. Метеорологическими наблюдениями на территории страны, несмотря на их недостаточность, еще до парижского фиксировались ливни гораздо большей интенсивности, например в сентябре 1857 г. в Закавказье. Более сильные ливни случались и позднее [189]. Принятие норм Кестлина являлось необоснованным еще и потому, что в России имелись оригинальные собственные исследования ливневого стока, например работа А. Н. Пушечникова [138], в которой предлагались иные нормы. На Закавказской дороге ими пользовались при расчете отверстий труб. Таким образом, официальные рекомендации уже в момент их введения оказались явно недостаточными и устаревшими.

В июне 1900 г. вновь произошла тяжелая катастрофа с поездом из-за размыва земляного полотна на Харьково-Балашовской линии. Это обострило настоятельную необходимость инженерного овладения ливневым стоком. Но общегосударственное решение этого вопроса, хотя им и начали заниматься, безнадежно затягивалось.

В этих условиях настоящим творческим подвигом было создание Н. Е. Долговым близ станции Пологи первой дождемерной обсерватории для детального исследования ливневого и весеннего стоков в естественной обстановке. На основании своих наблюдений и измерений, продолжавшихся с 1907 по 1912 г., Долгов сделал выводы, которые не утратили значения до настоящего времени, хотя, конечно, и устарели в части научного обоснования количественных характеристик [50], [56].

Долгов не остановился на разработке теории, а продолжал исследования в области разработки расчета достаточных отверстий водопропускных сооружений и уточнения гидрометрических характеристик [47], [49]. С целью расширения эксперимента и распространения наблюдений на другие районы страны он выдвигал предложения о создании системы метеостанций и обеспечения их соответствующими приборами и аппаратурой [46], [48]. Однако инициатива Долгова в дореволюционной России не нашла поддержки.

Весьма важное место в числе мер по стабилизации земляного полотна на русских дорогах занимала борьба с пучинами. По сведениям, собранным Главной инспекцией железных дорог в конце прошлого века, все дороги, за небольшим исключением, вынуждены были в той или иной мере бороться с пучинами. На некоторых дорогах протяжение пучинистых мест доходило до 27%, а на отдельных линейных участках (здесь имеется в виду единица административного деления дороги) - до 75-90% [95].

Как уже известно, меры против морозного пучения грунтов намеревались принимать еще на Царскосельской дороге. Во время строительства Николаевской дороги в 1849 г. прибегали к замене пучащего грунта песком [190]. На этой же дороге в 1864 г. инженером Шуберским использовались как противопучинное мероприятие междупутные трубчатые дренажи со стоком воды в кюветы. Несколько позднее земляное полотно пытались осушить глубокими вертикальными колодцами [146].

В работе [41] содержится уже довольно глубокий взгляд и на природу пучения. Автор объясняет пучино-образование замерзанием грунтовых (ключевых) вод и увеличением объема льда в порах грунта. Правда, не понимая еще процесса роста пучин, он интуитивно связывает его с существованием некоторого напора и настоятельно рекомендует прежде всего отыскивать выходы на поверхность - ключи. В качестве наиболее эффективной меры для борьбы с пучинами предлагался "отвод ключевой воды с помощью дренажей. Выкопав в земле канавки на глубине около 6 четвертей^*,... заполняют эти канавки булыжным или битым камнем, крупным гравием или хворостом, четверти на две, а затем канавки снова засыпают землею, плотно утрамбовывают ее и засеивают; необходимо, чтобы каждая такая водоотводная канавка имела выход в нижнюю канаву выемки...". "Дренаж только тогда приносит пользу, когда он положен в земле на такую глубину, что вода, сочащаяся по нем, не замерзает, а вода не замерзает, если не промерзнет земля, под которою он находится; стало быть дренаж следует закладывать на глубину около 6 четвертей, ибо в наших холодных местах земля промерзает приблизительно на такую глубину". В упомянутой книге описывается устройство дренажа с гончарными трубами, причем в случае недостаточной глубины заложения труб рекомендуется "поверх того места, где они уложены, ... наваливать землю с навозом, иначе трубы промерзнут и могут от этого лопнуть". Таким образом, на первых русских дорогах уже практиковали поверхностную теплоизоляцию дренажей, применявшихся для борьбы с пучением грунтов.

^* (Здесь четверть - старая русская мера длины, равная 17,8 см.)

Первая попытка проникновения в природу пучино-образования принадлежит В. А. Штукенбергу [193], [194], который объяснял приток воды явлением капиллярности, а появление волосных трещин в грунте - увеличением объема льда в сравнении с объемом воды. Таким, образом, по Штукенбергу, лед, увеличиваясь в объеме, способствовал образованию трещин, по трещинам подтягивалась вода, которая замерзала, соприкасаясь со льдом, его объем дополнительно увеличивался, вновь возникали трещины и т. д. Штукенберг ориентировочно подсчитывал объем льда, образующегося, в грунте за определенное время, и высоту пучения, значение которой имело порядок, не противоречивший наблюдаемой высоте.

Книга Л. Н. Любимова [95] явилась первым крупным обобщением знаний, добытых русскими инженерами (это специально подчеркивалось в предисловии), для постановки борьбы с пучинами на научную основу. В ней имеется классификация пучин на коренные, верховые и мостовые^*, географическое распределение пучин с указанием времени появления их на дорогах, глубины промерзания грунтов и т. д. Сделан вывод о двух основных принципах устранения пучин: снижении уровня грунтовых вод и выводе из зоны обводнения линии промерзания грунта за счет покрытия земляного полотна "добавочным слоем плохо проводящего теплоту вещества".

^* (Изменение уровня пути вследствие пучения по отношению к неизменному уровню проезжей части мостов.)

Исправление пути на пучинах заключалось в то время в устройстве отводов колеи с горбов при помощи карточек, коротких и сквозных нашпальников, прикрепляемых удлиненными пучинными костылями к шпалам. В качестве мер для устранения пучин рекомендовалось осушение соответствующих зон земляного полотна за счет понижения уровня грунтовых вод открытыми водотоками (канавами и лотками) и дренажами различных конструкций, покрытие полотна материалами, свободно пропускающими воду и плохо проводящими тепло.

В отличие от многих переводных работ, которыми в то время широко пользовались как учебными пособиями и учебниками, например [12], [18], в книге Л. Н. Любимова приведены не просто широкие обобщения, но именно те методы, которые практиковались на русских дорогах. В порядке борьбы с пучинами осушение выемок канавами или лотками, заложенными на месте кюветов, было предпринято на Московско-Нижегородской, Московско-Курской, Московско-Брестской, Либаво-Роменской, Двинско-Витебской, Риго-Двинской дорогах; дренажами различных конструкций - на Сызрано-Вяземской, Московско-Брестской, Московско-Нижегородской, Юго-Западных, Юго-Восточных, Балтийской, Уральской, Рыбинско-Бологовской дорогах. Увеличение толщины балластного слоя для повышения уровня промерзания применяли на Николаевской, Московско-Нижегородской, Самаро-Златоустовской, Юго-Западных, Юго-Восточных дорогах; замену грунта - на Московско-Казанской, Сызрано-Вяземской, Петербурго-Варшавской, Николаевской, Привислинской, Варшавско-Тереспольской и других дорогах. В книге кратко освещается опыт этих дорог и анализируются полученные результаты.

При выполнении этих мероприятий выявился ряд важных конструктивных положений. В частности, первоначально для выемки пучащего грунта устраивали котлован с почти вертикальными стенками. Это приводило даже к увеличению видимой высоты пучин на границах участка замены. В результате стали устраивать плавный отвод от границ котлована. Длина отвода иногда достигала десятков метров. На опыте познали и важность надежного водоотвода из котлована, который в последующем выполнялся в нескольких конструктивных разновидностях в соответствии с профилем вырезки. Для замены пучащего грунта использовали крупнозернистый песок, гравий, иногда щебень или булыжник, а в отдельных случаях, например, на Сызрано-Вяземской дороге близ Ряжска, угольный шлак. Вероятно, при этом принимались во внимание и теплоизоляционные свойства шлака, поскольку еще с конца 80-х годов практиковалась укладка угольного шлака на главных путях именно в пучинистых выемках [83].

На некоторых дорогах в порядке опыта применяли и другие способы борьбы с пучинами. Так, на главной линии Юго-Западных дорог в конце 80-х годов осуществили по предложению ремонтных рабочих искусственный подогрев полотна за счет "горения" навоза. "От согревания полотна указанным выше путем пучины почти совсем уничтожились, хотя высота таковых ранее доходила до 0,06 сажени" [95]. Оригинальный способ борьбы с пучением был предложен С. К. Волобуевым. Исходя из того, что образование пучин аналогично наледным явлениям и сопряжено с напором грунтовой воды, который слой замерзшего грунта способен выдержать без существенных деформаций, он предложил укладывать под балластом на основной площадке железобетонные плиты. По мысли Волобуева, плиты, как и замерзший грунт, могли бы выдерживать напор воды за счет собственной тяжести и веса верхнего строения. Плиты были запроектированы в двух вариантах [28]. Испытывались ли они в действующем пути, неизвестно. Следует отметить в заключение, что на ряде дорог проводились систематические наблюдения за процессом пучинообразования методами нивелировки от специальных реперов.