главная || контактная информация || написать || гостевая книга
фотографии: Выпуск 30 лет || "Сигналу" 40 лет!

Содержание:

1. Общие положения

2. Сезонные деформации пути и проблема обеспечения  надежности подшпального   основания

2.1. Влияние неравномерности сезонных деформаций на надежность пути

2.2. Водно-тепловой режим земляного полотна

2.3. Балластные материалы и глубина промерзания подшпального основания

2.4. Как совместить щебень с асбоотходами в противопучинной  конструкции

3. Техническое обеспечение противодеформационных мероприятий

3.1. Исходные  предпосылки для сооружения эффективной противодеформационной конструкции

3.2. Расчет противодеформационной конструкции по условию обеспечения несущей способности глинистых грунтов земляного полотна

3.3. Проектирование противопучинных конструкций  с  использованием тепловой изоляции из пенополистирола

4. Организационное  обеспечение и мероприятия по повышению эффективности противодеформационных конструкций

Список литературы

1. Общие положения

Согласно "Положению о системе ведения  путевого  хозяйства..." [1]  бесстыковой  путь  принят  в качестве основной конструкции на главных и второстепенных линиях.

При этом перед укладкой бесстыкового пути должны быть:

- ликвидированы  деформации морозного пучения в виде пучин;

- ликвидированы деформации "равномерного" пучения;

- ограничена до возможного минимума интенсивность накопления  остаточных  деформаций балластной призмы и основной площадки земляного полотна.

Решение этих задач должно осуществляется в следующей последовательности:

1) выполняется сплошное инженерно-геологическое  обследование  ремонтируемых участков пути;

2) проектируется противодеформационная конструкция;

3) данная конструкция укладывается в путь силами ПМС при усиленном капитальном, капитальном и усиленном среднем ремонтах пути.

Указанные ремонты пути выполняются по проектам,  разрабатываемым  проектными  организациями в соответствии с действующей нормативно-технической документацией [2, 3, 4, 5, 6, 7].

Документы, входящие  в проект,  регламентируются "Техническими условиями ...” [2]. Основанием для составления проектов является техническое задание на проектирование,  выдаваемое службой пути проектно-изыскательскому институту.

Проекты по лечению земляного полотна и его сооружений  составляются  на основании материалов натурной съемки и инженерно-геологического обследования, а также имеющихся материалов по эксплуатации и текущему содержанию пути.

Рабочие чертежи лечения земляного полотна включаются в  состав проекта вышеназванных ремонтов пути в тех случаях, когда эти работы могут быть выполнены одновременно с работами по ремонту верхнего строения пути.

При больших объемах ремонта земляного  полотна  и  водоотводов работы  по лечению земляного полотна выполняются по индивидуальным проектам за год до планируемого капитального ремонта.

В настоящем  учебном пособии рассматривается техническое и организационное обеспечение усиления подшпального основания,  выполняемое при усиленном капитальном ремонте пути с укладкой бесстыкового пути.

 2. Сезонные деформации пути и проблема обеспечения  надежности подшпального основания

 2.1. Влияние неравномерности сезонных деформаций на надежность  пути

В эксплуатационных условиях Западно-Сибирской ж.д.  в середине 70-х годов на грузонапряженном направлении  Омск-Новосибирск  была сделана попытка массового внедрения бесстыкового пути. Однако достаточно быстро от этих планов отказались,  т.к.  плети  интенсивно из-за  дефектов теряли свою целостность и бесстыковой путь превращался в звеньевой.

Анализ первого опыта эксплуатации бесстыкового пути  в  Сибири показал,  что необходимо более высокое качество изготовления и укладки данной конструкции пути, в частности необходимо повысить качество  сварки рельсов.

При бесстыковом пути крайне нежелательны дополнительные напряжения,  возникающие от неравномерных деформаций подшпального основания, которые формируются при его промерзании и последующем оттаивании.

К сожалению,  в  то время при укладке бесстыкового пути специальных противо-деформационных мероприятий не проектировалось и повсеместное сооружение противопучинных конструкций не выполнялось.

При внедрении бесстыкового пути необходимо определять  участки пути  с  сезонными деформациями и ликвидировать их до укладки плетей.

На первый взгляд задача кажется несложной,  т.к.  участки подверженные пучинам фиксируются дистанциями пути в форме  ПУ-10.  Но многолетними исследованиями кафедры "Путь и путевое хозяйство" НИИЖТа установлено, что кроме таких участков существуют и другие, на которых пучинные карточки не укладываются, но пучение есть. Данные участки и являются наиболее опасными при введении скоростного движения,  т.к. считаются достаточно стабильными. Объясним почему это происходит.

Сезонные деформации  пути,  возникающие в результате морозного пучения подбалластного основания при промерзании и последующей его осадки при оттаивании,  ухудшают микропрофиль пути. Поскольку данные деформации накапливаются неравномерно в продольном и  поперечном  направлениях,  то  и  значительные нарушения профиля и уровня рельсовых нитей могут возникать не только зимой,  но и  в  весенний период  из-за неравномерной осадки распученых грунтов при оттаивании.  Следовательно,  период оттаивания пути и  является  наиболее опасным сезоном года для скоростного движения поездов.

По результатам  многократных нивелировок пути на главных путях Траннсиба установлено, что летом средняя интенсивность осадок составляет  1...2  мм в месяц,  что объясняется деформативностью балластного слоя. При оттаивании пути весной эта величина существенно выше и составляет уже 10...20 мм/месяц.

На рис.1   показано  как изменяются по сезонам года средние отметки пути М и показатели неравномерности пути по уровню PH и  PS (PH - вероятность  появления перекосов пути больше 8 мм;  PS - вероятность отклонения пути по уровню больше 6 мм).  Практическим аналогом PH и PS считается длина участка в метрах на километр пути,  на котором наблюдаются перекосы или отклонения по уровню больше  указанных допусков.  Средняя отметка пути М - это среднее значение отметок фиксированных точек на наблюдаемом участке относительно  неподвижного репера.

Из анализа рис.1 видно,  что зимой имеет место пучение пути до 30  мм и поэтому величина М достигает своих максимальных значений. Весной наблюдается ее снижение,  что связано с оттаиванием и осадками  пути.  Динамика  показателей PH и PS повторяет динамику М по сезонам года.  Максимальные значения PH и PS наблюдаются  в  конце зимы-начале весны и минимальные - в летне-осенний период.

Традиционно путейцы обращают внимание на процессы  пучинообразования  в  тех  случаях,  когда  для выправки пути в профиле и по уровню приходится укладывать пучинные подкладки,  что бывает,  как правило, при пучении более 30-40 мм. Если же такие работы в зимнее время не выполняются,  то считается, что пучение либо отсутствует, либо равномерно и поэтому безвредно.

Однако ежегодно из-за морозного пучения даже 20-30 мм, которое считается  безвредным при существующих скоростях движения поездов, неравномерность пути возрастает в 6-12 раз. А при возрастании скоростей допуски на содержание пути ужесточаются, и ранее допустимая неравномерность морозного пучения в новых  условиях  начинает  существенно  препятствовать  обеспечению надежности железнодорожного пути.

Это хорошо видно на рис.2. Здесь приведена гистограмма распределения местных дополнительных продольных уклонов пути К, формирующихся в результате неравномерного морозного пучения, расчет которых выполнялся по данным нивелировки согласно формуле

 Ki =  (hi+1 - hi) / L,                                                    (1)

где hi и hi+1 - величины пучения в двух соседних точках, мм;

                  L - расстояние между точками, 5 метров.

Согласно нормам по текущему содержанию при скоростях  движения поездов до 100 км/час величина К не должна превышать 0,003 и 0,001 при скоростях до 120 км/час.  А из рис.2 видно, что при пучении 30мм  доля  пути  (в  метрах на километр) с К>0,003 составляет всего 6,6%, а c К>0,001 - уже 40,3%.

Иначе, просто  повысить  скорость  без  повсеместного усиления подшпального основания практически невозможно.

Расчеты показывают,  что для гарантированного безопасного пропуска скорых пассажирских поездов весной пучение в  зимний  период на таких участках должно быть равным нулю.

Однако в районах с холодным  климатом  пучение  распространено повсеместно, т.к. все необходимые для этого атрибуты присутствуют: глинистые грунты, вода и морозные зимы. Глинистые грунты земляного полотна увлажняются не только атмосферными осадками,  но и за счет капиллярного поднятия грунтовых вод. Влажность в выемках более высокая,  чем на насыпях,  поэтому и величина пучения здесь в 3 раза больше.

На рис. 3, 4, 5 представлены усредненные за три года опытные данные, собранные на участке со следующими эксплуатационными условиями:  грузонапряженность  80  Мт,  среднеосевая  нагрузка  201,1 кН (рельсы Р65,  шпалы деревянные). На рис.3 приведена динамика отказов  рельсов по месяцам,  На рис.4 - изменение по сезонам года неравномерности пути по уровню (Рd - относительная длина пути на километр, на которой наблюдаются отклонения по уровню более 6 мм, Рн - относительная длина пути на километр, на которой наблюдаются перекосы более 8 мм),  а на рис.5 - график накопления остаточных деформаций по сезонам года.

Из графиков видно,  что наименьший выход  рельсов  наблюдается летом,  в  этот  же период показатели неравномерности пути Рd и Рн наилучшие,  а интенсивность накопления остаточных деформаций минимальная.

В период промерзания-оттаивания (ноябрь-май)  наблюдается  обратная  картина  -  все вышеназванные показатели резко возрастают. Увеличение неравномерности пути по уровню в этот период вызывается пучением грунтов земляного полотна при промерзании.  Рост неравномерности пути по уровню приводит к возрастанию динамических нагрузок,  а,  вследствие этого, увеличивается и выход рельсов. Естественно, что зимой не обходится без негативного влияния и низких отрицательных температур воздуха.

Однако весной,  когда температура воздуха положительная,  выход рельсов также существенно выше,  чем летом. В этот период происходит оттаивание подшпального основания и оседание неравномерно распученных зимой грунтов земляного полотна. Возрастает интенсивность накопления остаточных деформаций (см. рис.5). Осадки протекают неравномерно как вдоль, так и поперек оси пути. Наблюдается повышенная  неравномерность  пути  по  уровню  по  сравнению с летом (см. рис.4).   И, вследствие этого, рост динамических нагрузок, что приводит  к  увеличению отказов рельсов в период оттаивания пути (апрель-май).

 2.2. Водно-тепловой режим земляного полотна

Известно, что  при  промерзании  увлажненных глинистых грунтов происходит увеличение объема грунта,  что вызывается замерзанием и расширением воды.  При оттаивании таких грунтов наблюдается их разуплотнение. Отсюда, пучение при промерзании и просадки при оттаивании.

При эксплуатации пути в районах с сезонным промерзанием-оттаиванием подшпального основания наблюдаются пять стадий водно-теплового режима земляного полотна (в течении года). I стадия - начальная,  связанная с осенним периодом увлажнения.  Вследствие инфильтрации гравитационной воды влажность земляного полотна может повыситься относительно летних значений и достигнуть 0,7WL (WL -граница текучести грунта). Стадия продолжается до установления температуры воздуха -3...-5 градусов.

II стадия - зимнее накопление. Опускается граница промерзания, вызывая подтягивание влаги из талого слоя грунта в зону  промерзания. Влажность возрастает до 0,85WL.

III стадия - равновесное состояние влаги в  земляном  полотне. Глубина промерзания и величина пучения достигают максимума.  Влажность почти не меняется.

IY стадия насыщения.  Сходит снеговой покров, наблюдается резкий подъем грунтовых вод.  По мере оттаивания  снижается  морозное пучение, происходит весенняя осадка.  Появляется избыток свободной воды, которая под воздействием поездов отжимается на основную площадку земляного полотна.  Грунты основной площадки переувлажняются и снижают свою прочность. Влажность грунтов достигает 0,9WL.

Y стадия - восстановление летнего режима.

Для усиления подшпального основания в этих условиях традиционно применяют  подъемку пути на балласт,  а также замену пучинистых грунтов дренирующими (балластными материалами).

  2.3. Балластные материалы и глубина промерзания подшпального основания

Глубина промерзания  подшпального основания зависит от толщины слоя балластных и дренирующих материалов,  а также  их  вида.  Это обусловлено разными теплофизическими характеристиками укладываемых материалов (с учетом их влажности и плотности).

В практических  целях  для  оценки  глубины промерзания удобно воспользоваться  методом  эквивалентности  согласно  исследованиям Г.П. Бредюка.  В  этом  случае расчет выполняется на основе эквивалентности,  т.е. приведения глубины промерзания конкретной многослойной конструкции к глубине промерзания эталонного грунта,  в качестве которого принимают тяжелый суглинок [8].

Коэффициент эквивалентности  Ri  представляет  собой отношение глубины  промерзания Zi данного материала или грунта к глубине промерзания Zэ эталонного грунта

Ri =  Zi / Zэ                                                                (2)

Значения коэффициентов эквивалентности приведены в табл.1.

                                                       Таблица 1.

Коэффициенты эквивалентности Ri

Из табл.1 видно,  что замена пучиноопасных грунтов  (например, глины) на  дренирующие песчаные приводит к увеличению глубины промерзания подшпального основания.  А укладка накладных  подушек  из асбоотходов или  шлака - уменьшает глубину промерзания.  Очевидно, при этом уменьшается объем земляных работ при  строительстве.  Это важно  учитывать при выборе вида противодеформационной конструкции для конкретного участка пути.

Отсюда становиться понятным, что при вырезке (замене) асбестового балласта и укладке на его место щебеночного  наблюдается  существенное возрастание глубины промерзания и, как следствие этого, увеличение сезонных деформаций пути.

Для расчета противопучинных конструкций введено понятие о расчетной глубине промерзания - это максимальная глубина  промерзания за 10  лет.  Например,  для железнодорожного участка Новосибирск-Красноярск согласно  многолетним  исследованиям  НИИЖТа  расчетная глубина промерзания составляет более 2 м (табл.2). Зная расчетную  глубину промерзания и коэффициенты эквивалентности,  несложно убедиться насколько мощной должна быть противодеформационная конструкция, чтобы обеспечить безопасную эксплуатацию бесстыкового пути в районах с холодным климатом.

Таблица 2.

Расчетная глубина промерзания грунтов земляного полотна для проектирования противопучинных устройств (по исследованиям Г.П. Бредюка)

2.4. Как совместить щебень с асбоотходами в противопучинной конструкции

При укладке щебеночного балласта на подушку из асбоотходов необходимо учитывать специфические особенности обоих балластов.

В зависимости от крупности щебень подразделяется  на  фракции. ГОСТом  для  любой грузонапряженности рекомендуется щебень фракции 25-60 мм.  При этом количество зерен размером 60-70 мм  не  должно превышать 5%  общей массы щебня, а количество зерен размером менее 25 мм - не более 5% общей массы щебня [9].

В отличии от щебня балласт из отходов асбестового производства представляет собой мелкие фракции дробленых пород (серпентиниты) с небольшим  содержанием  свободных волокон несортового хризотил-асбеста. Требования ТУ [10] к асбестовому балласту по зерновому составу  следующие.  Зерен  размером более 25 мм должно быть не более 20%,  а размером 0,14 мм и менее - 80-100%.  Иначе,  по  зерновому составу асбоотходы близки к гравелистому песку.

К вещественному составу (содержанию свободных волокон асбеста) ТУ требований не предъявляет.  Однако,  в Технических указаниях по применению асбестового балласта сказано, что после выдувания волокон асбеста,  оставшаяся галь не обладает необходимой несущей способностью.

Таким образом,  для  того чтобы обеспечивалась несущая способность щебеночной балластной призмы необходимо иметь крупные  зерна щебня  и  не допускать мелкие примеси.  А для асбестового балласта очень важно иметь не только мелкие фракции, но и обязательно наличие свободных волокон асбеста.

Отсюда следует,  что несущая способность щебеночного  балласта формируется  за  счет сцепления между частицами,  а асбестового за счет так называемого эффекта естественного армирования.

Иначе, мелкие частицы асбоотходов в уплотненном состоянии, защемляя свободные волокна, образуют армированную структуру. Для образования такой структуры необходимо,  чтобы размеры зерен асбоотходов не превышали размеров свободных волокон, имеющих обычно длину 0,25-1 мм и более. Отсюда, асбоотходы перестают быть пригодными для укладки в качестве балласта не только когда  отсутствуют  свободные волокна асбеста, но и когда объем крупных зерен значительно превышает установленные нормы.  В этом случае свободные волокна не могут  связать  между собой зерновой состав в единую конструкцию с образованием уникальной естественно армированной структуры.

Поэтому смешивать  щебеночный балласт с асбестовым при ремонте пути недопустимо.  (Смешение двух балластов  может  происходить  в процессе ремонтов пути при работе машин).

В отличии от щебня  асбоотходы обладают  также  специфическими водными свойствами. А именно, асбоотходы впитывают воду, имеют относительно высокую влагоемкость, но при этом и значительную водоудерживающую и слабую фильтрационную способность в уплотненном состоянии (2 м/сутки, что соответствует недренирующим грунтам). Отсюда,  асбестовый балласт насыщается водой,  а излишки ее сбрасывает по поверхности призмы на откосы,  не допуская переувлажнения основной площадки земляного полотна [11].

Поэтому при постановке щебеночного слоя на подушку из  асбоотходов  в конструкции подшпального основания необходимо обязательно предусмотреть следующие мероприятия (рис.6):

- планировку асбоотходов с уклоном  0,04  в  сторону  откосов  для   обеспечения отвода воды;

- укладку  геотекстиля как разделительного слоя между щебнем и асбестом;

- одновременную укладку щебеночного балласта на обоих путях,  т.к. эксплуатация двухпутных участков с разными балластами приводит к накоплению  воды в междупутье и неравномерному промерзанию подшпального основания и,  как следствие этого, к неравномерному пучению.

3. Техническое обеспечение противодеформационных мероприятий

 3.1. Исходные  предпосылки для сооружения эффективной противодеформационной конструкции

Для сооружения эффективной  противодеформационной  конструкции необходимо:

- знание местных природно-климатических особенностей эксплуатации   железнодорожного участка;

- соблюдение  требований  нормативно-технической  документации по   проектированию конструкций;

- учет эффективности работы ранее сооруженных  противодеформационных конструкций в рассматриваемом районе;

- постоянный контроль за  качеством  проектирования  и  сооружения конструкций.

Исходные данные для проектирования противодеформационных конструкций получают при инженерно-геологическом обследовании участков пути. Обследование проводится в соответствии с требованиями нормативных документов  [3].

Сплошное инженерно-геологическое  обследование  ремонтируемого участка пути выполняется в следующем объеме:

 - обследование балластного слоя на каждом пикете проходкой шурфов глубиной до 1,5 м (шурфование выполняется по оси пути);

 - бурение  скважин глубиной 3 м по краю шпал и у основания насыпи через 300 м (для выявления грунтового сложения земляного полотна);

 - отбор монолитов грунтов земляного полотна с глубины 1-2 м;

 - во всех геологических выработках проводят наблюдение за положением уровня грунтовых вод;

 - по данным ближайших метеостанций  определяют W сумму  градусо-суток отрицательных температур воздуха за год, а также среднюю и максимальную за последние 10 лет;

 - по данным метеостанции устанавливают среднее многолетнее  количество осадков по месяцам и толщину снежного покрова.

Лабораторными исследованиями образцов и  монолитов  определяют необходимые  для  проектирования расчетные характеристики грунтов. Результаты лабораторных работ оформляются в виде "Ведомости  физико-механических  свойств грунтов",  в которую включаются следующие характеристики: местонахождение скважины или шурфа, глубина отбора пробы грунта,  толщина слоя балластных материалов h,  естественная влажность Wе, влажность на границе раскатывания Wр и границе текучести WL,  число пластичности Ip,  показатель текучести IL,  плотность сухого грунта, коэффициент пористости е и др.

По числу пластичности Iр определяют вид глинистого грунта. Интенсивность пучения f определяют по значениям влажности  Wp  и  We [12].  При  f>0,05  грунт  считается  сильнопучинистым,  при 0,03<f<0,05 - среднепучинистым, при 0,01<f<0,03 - слабопучинистым, при f<0,01 - непучинистым.

Результаты инженерно-геологического обследования  отображаются на продольном профиле ремонтируемого участка для последующего проектирования противодеформационных мероприятий (рис.7).

Составляется технический отчет об инженерно-геологическом обследовании обьекта следующего содержания:

 - физико-географические условия;

 - характеристика верхнего строения пути;

 - характеристика грунтов земляного полотна;

 - характеристика грунтов основания насыпи;

 - гидрологические условия;

 - пучинистость грунтов и деформации земляного полотна;

 - заключение.

В заключении  указываются причины сезонных деформаций,  эффективность ранее осуществленных  противодеформационных  мероприятий, предложения  о  возможных вариантах ликвидации деформаций с учетом наличия техники в путевой машинной станции.

Многолетние  исследования  сезонных  деформаций,  выполненные НИИЖТом, показали:

- в  условиях  Транссиба пучение распространено повсеместно,  т.к. все необходимое для этого имеется:  глинистые грунты, вода и морозные зимы;

- грунты  земляного  полотна  увлажняются  не  только атмосферными осадками, но и за счет капиллярного поднятия грунтовых вод;

- влажность в выемках более высокая,  чем на насыпях,  поэтому и  величина пучения здесь в 3 раза больше;

- средняя  величина пучения для выемок составляет 30-40 мм,  а для  насыпей - 5-10 мм;

- сезонные деформации пути накапливаются неравномерно в продольном и поперечном направлениях со значительными нарушениями профиля и уровня  рельсовых  нитей не только зимой, но и в весенний период при оттаивании пути;

- ежегодно из-за морозного пучения в 20-30 мм неравномерность пути возрастает в 6-12 раз,  а интенсивность отказов рельсов при этом увеличивается в 1,3-2 раза (в зависимости от осевых нагрузок).

Наиболее потенциально  пучиноопасными участками в условиях Сибири являются выемки, нулевые места и низкие насыпи высотой до 2м. Влажность земляного полотна высоких насыпей,  как правило, не превышает порог пучения.  Поэтому при наличии асбестового балласта  и песчано-гравийного  слоя из старых балластных материалов толщиной до 1 м морозного пучения здесь не наблюдается.

Для усиления подшпального  основания  целесообразно  в  первую очередь предусматривать мероприятия, хорошо вписывающиеся в технологию усиленного капитального ремонта пути:

 - очистка щебня на глубину не менее 40 см под шпалой;

 - подъемка пути на балласт или устройство накладных подушек;

 - замена пучинистых грунтов непучинистыми материалами;

 - укладка  защитного  слоя из гравийно-песчаной смеси на основную площадку земляного полотна;

 - укладка геотекстиля в основание балластной призмы для повышения несущей способности;

 - укладка  теплозащитного  слоя из пенопласта назначается на всех участках,  где пучинистые грунты входят в зону возможного  промерзания;

 - устройство гидроизоляционного покрытия из полимерных пленок для уменьшения влажности основной площадки;

 - устройство новых и ремонт или замена существующих водоотводов.

Учитывая активизацию пучинных деформаций при вырезке  асбестового  балласта с постановкой пути на щебень,  целесообразно оставлять старый асбестовый балласт в качестве противопучинной подушки, а  для снижения стоимости ремонта необходимо максимально использовать уже  отсыпанные  в  предыдущий  период  эксплуатации  данного участка пути балластные материалы (песчано-гравийный,  щебеночный и асбестовый балласты).

С целью обеспечения стабильной работы бесстыкового пути  рекомендуется  проектировать  сплошную укладку геотекстиля в основание балластной призмы,  который уменьшает неравномерное накопление остаточных деформаций.

Для отвода воды из  щебеночной  балластной  призмы  необходимо обязательно  выполнять  срезку  обочин земляного полотна до уровня геотекстиля или пенопласта,  при этом важным  является  инструментальный  контроль  (геодезическими  приборами)  за отметками среза старых балластных материалов и созданием уклонов в  сторону  откосов.

Согласно ЦПИ-24  [3]  расчет противодеформационных конструкций должен выполнятся исходя из условий:

1) обеспечение  требуемой несущей способности подстилающих глинистых грунтов;

2) ликвидации деформаций пути под воздействием морозного пучения.

    3.2. Расчет противодеформационной конструкции по условию обеспечения несущей способности глинистых грунтов земляного полотна

Согласно техническим указаниям [3] минимальная толщина Н  слоя балластных  и дренирующих материалов над глинистыми грунтами может быть назначена по данным табл.3.

                                                    Таблица 3.

    Минимальная толщина Н слоя балластных и дренирующих материалов

Примечания.

  1. Величина Ω и глубина промерзания Zпр  соответствуют  многолетним средним данным.

  2. Величина Н определяется от верха балластного слоя.

___________________________________________________________________________

Для предотвращения пластических сдвигов в верхней части толщи глинистых грунтов должно быть выполнено условие равенства несущей способности Ркр и суммарного напряжения σ от поездной нагрузки и веса грунта

 Ркр  =   σ                                                        (3)

Согласно [3] зависимость напряжений  σ от глубины залегания расчетного  уровня  принимается  по рис.8 (кривая 1).

В общем случае исходными данными для  расчета  являются  следующие характеристики  грунтов:

WL - влажность на границе текучести;

 Wp - влажность на границе раскатывания;

 Iр - число пластичности;

 We - природная (естественная) влажность грунта;

 f  - интенсивность пучения;

 e  - коэффициент пористости;

rd - плотность сухого грунта;

rs - плотность частиц грунта.

По исходным данным определяют Ркр согласно нормативной методике приведенной в ЦПИ-24.  Далее строят зависимость Ркр=f(h) и  сопоставляют   с   расчетным  напряженным  состоянием  этих  грунтов (см. рис.8). До глубины Нр, на которой обеспечивается равенство Ркр=σ, глинистые грунты должны быть заменены на более прочные дренирующие материалы.

3.3. Проектирование противопучинных конструкций  с  использованием

тепловой изоляции из пенополистирола

Условиями пучения  являются  значительное увлажнение грунтов и их промерзание.  Исключение любого из этих условий  (а  тем  более обоих) предотвращает само пучение.

Применение пеноплистирола для  ликвидации пучин регламентируется Техническими условиями [2] и Руководством [4].  Укладка теплозащитного слоя  из пенополистирола назначается на всех участках,  где пучинистые грунты входят в зону возможного промерзания с вероятностью повторения 1 раз в 10 лет.

Толщина покрытия П для ликвидации морозного пучения при укладке бесстыкового пути определяется расчетом из условия полного  выведения границы промерзания из пучинистых грунтов.

Расчетную толщину Пр увеличивают на 1 см с  учетом  возможного уменьшения  защитных  свойств  покрытия при вдавливании в него отдельных щебенок.  Минимальная толщина  покрытия  Пmin  принимается равной 4 см.

На рис.9  приведена  расчетная схема противопучинного устройства. Задача состоит в том, чтобы при известных значениях дренирующей  подушки под  покрытием d (слой старых балластных материалов) определить толщину слоя Пр тепловой изоляции  из  пенополистирола. Согласно ЦПИ-24 расчетная толщина Пр определяется по формуле

Пр = 19 hт lт gн(1+0,18Wоб),                                              (4)

где hт - нормативная толщина пенопласта;

      lт - коэффициент теплопроводности пенополистирола;

      gн - коэффициент надежности, 1,2;

   Wоб - нормативное водопоглощение по объему, 0,5%.

В общем  случае  нормативная толщина пенопласта hт  определяется по номограмме на рис.6 Технических указаний ЦПИ-24 в зависимости от  толщины дренирующей подушки d под пенопластом при известной (для данного климатического района) суммы  градусо-суток  отрицательных  температур воздуха  W.

Величину W определяют по данным  геофизических  станций  железных дорог для опорных пунктов рассматриваемого участка. При этом в качестве расчетной принимают максимальную в  десятилетнем  периоде  величину W10 (при средней величине Wср <2500ºС сут).

Значение толщины дренирующей подушки d   вычисляется с  использованием расчетных величин по формуле

 d  = Нпр - hщ - 15,                                                               (5)

где Нпр  - толщина слоя балластных и дренирующих материалов после ремонта, см;

        hщ  - толщина щебеночной балластной призмы, 40 см;

         15  - толщина слоя балласта в шпальном ящике, см.

Для решения  данной задачи рекомендуется построить зависимость Пр от толщины d  (согласно техническим указаниям [3]).

На рис.10 приведена зависимость Пр=f(d), построенная для величины W10 равной 2500 град.сут. и при  коэффициенте  теплопроводности пенополистирола lт = 0,04.

Теперь можно определить толщину пенополистирола, при которой глубина промерзания не будет достигать глинистых грунтов

                          Ппр = Пр + 1,                                                                (6)

где 1 - запас на смятие пенополистирола щебнем, см.

4. Организационное  обеспечение и мероприятия по повышению

эффективности противодеформационных конструкций

К организационным  основам  эффективного сооружения противодеформационных конструкций следует отнести:

    выполнение большого  объема по инженерно-геологическому обследованию пути и  проектированию  противодеформационных  мероприятий требует   привлечения   специализированных  подразделений  проектно-изыскательских институтов,  и финансирования их  в  необходимых объемах;

    сооружение противодеформационных конструкций силами ПМС с  использованием современных  путевых  машин  с  закрытием перегона на достаточно продолжительное время;

    укладка элементов  противодеформационных  конструкций с обязательным использованием геодезических приборов с целью  обеспечения точности и соответствия проекту;

    комиссионная приемка отремонтированных участков пути с составлением актов на скрытые работы: толщина балластной призмы под шпалами, соответствие уклонов уложенного геотекстиля в основание балластной призмы проектным, проверка толщины пенопласта, наличие переходных участков с разной толщиной пенополистирола и соответствие их нормативным размерам, точность привязки уложенного пенополистирола пикетажу;

    введение специальной базы данных на ЭВМ по основным параметрам сооружения противодеформационной конструкции:  место укладки, мощность конструкции, переходные участки и т.п.;

    повышение квалификации  инженерно-технических работников путевого хозяйства с учетом современного состояния вопроса  по  техническому,  технологическому и организационному обеспечению усиления подшпального основания бесстыкового пути.

Кроме этого, практика показывает, что внедрение новых технологий, конструкций верхнего строения пути и земляного полотна требует организовать повсеместное  научное  сопровождение  как  проектно-изыскательских работ, так и капитальных.

Это обуславливается тем, что немало объектов сооружается с существенными отклонениями от проекта, либо укладываются недостаточно надежные противопучинные конструкции. Наиболее часто встречающиеся недостатки: отсутствие планировки обочин;  откосы завалены старыми балластными материалами; отсутствие кюветов; новый щебеночный балласт укладывается в “корыто”, созданное при работе щебнеочистительной машины.

Следует вспомнить  и  стрелочные  переводы  с  железобетонными брусьями,  для  которых  усиление  подшпального основания является обязательным. В противном случае, при эксплуатации таких переводов существенно возрастает количество отказов металлических элементов.

Вместе с тем,  существуют сложности связанные  с  недостатками определенных  положений  нормативно-технической документации.  Так действующими нормативами предусматривается проектирование одинаковой противодеформационной конструкции на оба пути.  Однако это невозможно при существующей технологии усиленного  капитального  ремонта. Отсюда,  укладка  эффективной  противопучинной конструкции, например, по I пути дистанции входит в противоречие с участками II пути, где пенополистирол вообще не укладывался, а поэтому деформации будут наблюдаться на обоих путях.

Практически нет нормативных решений по ликвидации сезонных деформаций на старых малых мостах с ездой на балласте с наращенными бортами. Здесь режим промерзания-оттаивания подшпального основания на подходах и на мосту существенно  различается.  Отсюда,  условия для  развития сезонных деформаций.  В расчетах проектные институты этого не учитывают из-за отсутствия соответствующих рекомендаций.

Следует отметить также несогласованность нормативных  документов по вопросу о допустимой величине пучения Рдоп, которая используется при расчете мощности противопучинных конструкций. Так, согласно п.4.1 Технических указаний ЦПИ-24,  величина Рдоп принимается в зависимости от  скорости  движения  поездов  V  и  класса  путей (табл.4).

Таблица 4.

Согласно же п.2.2.1 Технических указаний ТУ-2000 на  бесстыковой путь [13] "не допускаются пучины высотой более 10 мм...",  что явно не согласуется с вышеприведенными требованиями о ликвидации деформаций пучения.  Так  какую  же величину Рдоп закладывать в расчеты противопучинных конструкций?

Исследования НИИЖТа показали,  что для реализации стратегического направления по созданию бесстыковой конструкции пути, обеспечивающей долговременную стабильность и минимальные затраты на  текущее содержание,  сезонные деформации недопустимы и величину Рдоп следует принять равной нулю и зафиксировать это в нормативных  документах [14].

К недостаткам следует отнести и отсутствие конкретных рекомендаций по  вопросу о требуемом объеме инженерно-геологического обследования объектов при сплошном усилении  подшпального  основания. Так, согласно  техническим  указаниям  ЦПИ-24 [3] "для определения величины пучения,  точного месторасположения,  вида и размеров пучинных неровностей производят двухразовое нивелирование пути" (перед промерзанием и в конце зимы).  По этим замерам нужно  составит профиль, по  которому  "определяют  наиболее  близко расположенные друг к другу места с максимальной и минимальной величиной пучения. В этих местах (не менее двух для сравнения),  а также на прилегающих участках равномерного пучения устраивают...  прорези", где определяют толщины  слоев  слагающих материалов и их влажность.

Данные рекомендации относятся к  пучинистому  месту  небольшой длины. Если ими воспользоваться при сплошном обследовании ремонтируемых участков,  то штаты геологов потребуется увеличить во много раз, а, соответственно и финансирование.

В настоящее время задача  достаточности  (оптимизации)  объема сплошного инженерно-геологического обследования для проектирования эффективного усиления подшпального основания  не  решена.  Поэтому проектные институты  выполняют  работы  по обследованию подлежащих ремонту участков пути в объемах перечисленных в п.3.1.

С целью снижения стоимости инженерно-геологического обследования пути целесообразно разработать групповые решения  по  усилению подшпального основания  бесстыкового пути для конкретных районов с одинаковыми природно-климатическими условиями.

Таким образом,  можно  перечислить  следующие  основные задачи требующие безотлагательного решения:

 - разработать  методы проектирования вторых путей с учетом фактически сооруженных ПМС противодеформационных конструкций;

 - разработать  и утвердить групповые решения по противодеформационным конструкциям земляного полотна;

 - усилить меры,  обеспечивающие гарантированную укладку эффективных противопучинных конструкций;

 - внедрить  в  диагностических  центрах специальную базу данных об укладываемых противодеформационных конструкциях;

 - разработать  и  внедрить  в диагностическом центре компьютерную систему прогнозирования сезонных деформаций пути с  учетом  фактических климатических параметров текущего года.

Список литературы

1. Положение  о  системе  ведения путевого хозяйства на железных дорогах РФ. Утв. 27.04.01. М., 2001. 79 с.

2. Технические условия на работы по ремонту и  планово-предупредительной выправке пути. ЦПТ-53. М., 2003. 180 с.

3. Технические указания по устранению пучин и просадок  железнодорожного пути. ЦПИ-24: Утв.29.05.97. М., 1997. 73 с.

4. Руководство по применению полимерных материалов (пенопластов, геотекстилей, георешеток, полимерных дренажных труб) для усиления земляного полотна при ремонтах пути / МПС РФ. - М., 2002. 110 с.

5. СТН Ц-01-95.  Железные дороги колеи 1520 мм.  М.:  Транспорт, 1995. 78 с.

6. Инструкция по содержанию земляного  полотна  железнодорожного пути. ЦП-544. М., 1998. 200 с.

7. Стандартные проектные решения и технологии усиления земляного полотна при  подготовке  полигонов  сети  для введения скоростного движения пассажирских поездов. Вып.1, 2, 3. МПС России. М., 1997...99.

8. Бредюк Г.П.,  Палькин Ю.С.  Проектирование земляного  полотна на подходах к мостам и тоннелям. Новосибирск, НИИЖТ, 1991. 72 с.

9. ГОСТ 7392-2002. Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути. М., 2002.

10. Смесь песчано-щебеночная из отсевов  дробления  серпентинитов для балластного слоя железнодорожного пути. ТУ 32-ЦП-782- 92: Утв.15.08.92. М., 1992.

11. Щепотин  Г.К.  Укладка  щебеночного балласта на асбестовый // Путь и путевое хозяйство. 1998. No 1. С.31-32.

12. Справочник по земляному полотну эксплуатируемых железных  дорог / Под ред.  А.Ф.  Подпалого,  М.А. Чернышева, В.П. Титова. М.: Транспорт, 1978. 767с.

13. Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути: Утв.31.03.00. М., 2000. 95 с.

14. Щепотин Г.К.  Надежность подшпального основания  бесстыкового пути в суровом климате // Путь и путевое хозяйство. 2002. No5.