CC BY
74МЕТОДЫ УСИЛЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Мухамедали Казбек угли Кенжалиев
Докторант, Ташкентский государственный транспортный университет,
mkenj aliyev@mail .ru
АННОТАЦИЯ
В статье рассмотрена необходимость разработки конструкции усиления земляного полотна для обеспечения необходимых показателей прочности, устойчивости, стабильности и деформативности в условиях повышения скорости движения пассажирских и ускоренных грузовых поездов, массы грузовых поездов, увеличения погонных и осевых нагрузок перспективного подвижного состава. Проведен сравнительный анализ существующих технологий усиления с применением различных материалов.
Ключевые слова: земляное полотно, конструкция, усиление, устойчивость, геоматериал, анализ.
METHODS OF REINFORCING THE RAILWAY EARTH BED
ABSTRACT
The article considers the necessity of ground bed reinforcement design development to ensure the required strength, stability, stability and deformability indicators under conditions of increased speed of passenger and accelerated goods trains, increased weight of goods trains, increased line and axle loads of prospective rolling stock. A comparative analysis of existing reinforcement technologies using different materials has been carried out.
Keywords: earth bed, structure, reinforcement, stability, geomaterial, analysis.
Введение
Мировая тенденция развития железнодорожного транспорта, особенно европейских стран (Германия, Франция, Испания, Италия и др.), предусматривает реализацию высокоскоростного движения поездов со скоростями до 300-500 км/ч. Подобная тенденция развития железнодорожного транспорт предусматривается и в Республике Узбекистан [1, 2].
Стратегической целью работ по сооружению земляного полотна железных дорог является обеспечение надежной работы пути в перспективных условиях эксплуатации, связанных с повышением скорости движения пассажирских и ускоренных грузовых поездов, массы грузовых поездов, увеличением погонных и осевых нагрузок перспективного подвижного состава, и снятие ограничений на
развитие конструкций подвижного состава, зависящих от качества и состояния земляного полотна [3].
Для выполнения указанной стратегической цели, как указывается в [4, 5], необходимо, в частности, усовершенствовать существующие и разработать новые конструкции земляного полотна и технологии работ по его усилению, обеспечивающие необходимые показатели прочности, устойчивости, стабильности и деформативности для перспективных условий эксплуатации и реально реализуемые на эксплуатируемой сети железных дорог.
Актуальность разработки конструкции усиления земляного полотна с
применением геоматериалов Согласно [4, 5], при строительстве и ремонтов пути необходимо реализовывать мероприятия по обеспечению необходимой несущей способности основной площадки, упругих и остаточных деформаций земляного полотна в нормативных пределах. Обеспечить устойчивость насыпей при эксплуатации подвижного состава с повышенными погонными и осевыми нагрузками; реализовать технологии ремонта и текущего содержания пути, не нарушающие нормальной работы водоотводных сооружений.
Многолетние исследования и опытно-производственные работы, выполненные в нашей стране и за рубежом, показали эффективность применения геоматериалов в конструкциях усиления земляного полотна.
Анализ существующих работ показывает, что недостаточно широко изучено напряженное состояние земляного полотна, а также мало внимания уделялось исследованиям деформативности армированных геоматериалами грунтовых конструкций. Кроме того, отсутствует разработанная методика расчета напряженно-деформированного состояния земляного полотна, усиленного геоматериалами, что не даст возможности обосновано рекомендовать те или иные конструкции усиления земляного полотна с применением геоматериалов при строительстве и реконструкции железных дорог. Актуальность разработки такой методики возрастает в связи с ужесточением политики ресурсосбережения, проводимой на железных дорогах Узбекистана.
Современные условия эксплуатации железных дорог Современные условия эксплуатации железных дорог, характеризующиеся увеличением скоростей движения поездов, ростом погонных и осевых нагрузок и внедрением новых конструкций верхнего строения пути, предъявляют повышенные требования к прочности и устойчивости земляного полотна. Земляное полотно как инженерное сооружение, выполненное из грунта в разные годы и по разным техническим условиям, весьма чувствительно к неблагоприятным воздействиям окружающей природной среды и постоянно обращающегося подвижного состава. Существовавшее представление о многовековом сроке службы земляного полотна
во многих случаях практикой опровергнуто. Увеличение вибродинамических нагрузок способствует интенсивному накоплению в земляном полотне остаточных деформаций, что зачастую происходит даже на сравнительно новых линиях [5].
Изучение напряжений на эксплуатируемом железнодорожном пути были начаты в 1944 г. путеиспытательной лабораторией ВНИИЖТа под руководством Вериго М.Ф. в целях разработки метода расчета напряжений в балластном слое и на основной площадке земляного полотна.
На основании выполненных исследований установлено, что верхняя часть земляного полотна находится в неравномерно напряженном состоянии при проходе подвижной нагрузки. Наибольшие напряжения, как под деревянными, так и под железобетонными шпалами, наблюдаются в подрельсовом сечении, наименьшие -по оси пути. Существенное влияние на характер напряженного состояния, по мнению многих исследователей, оказывают подбивочные работы. После выполнения этих работ напряжения, регистрируемые при проходе первых 10-15 поездов, превышают среднестатистические при данной скорости движения в 1,5 -2,7 раза. После пропуска 0,2 млн.т напряжения под рельсовыми нитями в значительной степени выравниваются.
Наиболее интенсивно деформации основной площадки накапливаются, по данным [6], под шпалами в подрельсовой зоне бровочной нити. Под междупутной нитью они в среднем на 17% меньше, чем под бровочной, под торцами шпал на 25% и под осью пути в среднем на 13% меньше, чем под рельсами. При этом деформации основной площадки под шпалами в среднем на 14-17% больше, чем под шпальными ящиками.
Прогрессивные способы усиления земляного полотна
В прошлом в качестве противодеформационных мероприятий применяли, в основном, традиционную замену грунта, виброуплотнение, стабилизацию путем увеличения толщины балласта под шпалой [6] и увеличения плеча балластной призмы. Однако, использование традиционных способов усиления не всегда эффективно и приводит к большим затратам средств и времени.
Согласно [7], увеличение мощности балластных материалов приводит к дефектам земляного полотна, а именно, к уменьшению и даже ликвидации обочин с образованием шлейфов из балластных материалов. По мнению Блажко Л.С. [8], компенсация остаточных деформаций методами утолщения и увеличения плеча балластной призмы при сохранении стандартной конструкции балластной призмы требует значительного увеличения объема щебня на 1 км и, кроме того, не всегда возможна из-за фактических размеров основной площадки.
В настоящее время одной из самых актуальных проблем на железных дорогах мира стала проблема снижения затрат на реконструкцию и ремонт пути при соблюдении его надежности и стабильности. Политика ресурсосбережения,
принятая на железных дорогах за рубежом, и постоянно повышающиеся требования к прочности и устойчивости земляного полотна диктуют необходимость разработки и широкого внедрения прогрессивных способов усиления земляного полотна. К ним относятся различные способы армирования земляного полотна буроинекционными сваями, армогрунтовыми стенами, геосинтетическими материалами, устройство подбалластного грунтобетонного слоя, забивка шпунта устройство свайного фундамента и др.
С начала 80-х годов в железнодорожном строительстве и путевом хозяйстве железных дорог США в конструкциях пути начали выборочно применять асфальт горячей укладки (НМА) - материал, подобный используемому в полотне автомобильных дорог [9]. Асфальт укладывают в качестве опорного слоя под балластной призмой вместо щебеночного подбалластного слоя и геотекстиля (рис. 1). Как правило, слой асфальта толщиной 125 - 200 мм помешают между земляным полотном и обычным балластом.
Рисунок 1- Схема конструкции пути со слоем асфальта
В Ростовском государственном университете путей сообщения на кафедре "Путь и путевое хозяйство" под руководством д.т.н., проф. В.И.Грицыка также разработан способ повышения стабильности железнодорожного пути путем усиления основной площадки земляного полотна устройством асфальтового покрытия по уплотненному слою старого щебеночного материала в подбалластной зоне пути и стрелочных переводов. Согласно [9] асфальтовое покрытие фиксирует положение ОП; исключает загрязняемостъ балласта подстилающим грунтом; избыточное увлажнение грунта атмосферными осадками; не препятствует поровой миграции и испарению влаги; повышает несущую способность грунтов основной площадки земляного полотна; в 1,5-2,0 раза увеличивает межремонтные сроки.
Основным недостатком вышеописанного способа усиления земляного полотна является отсутствие разработанной технологии, позволяющей при реконструкции укладывать слой асфальтового покрытия без снятия рельсошпальной решетки, ограничиваясь подъемкой пути и вырезкой балласта. Кроме того, материальные затраты при устройстве асфальтового подбалластного слоя по сравнению с альтернативным увеличением толщины балластного слоя по данным [5] выше на 70-100%.
Достаточно широко используется и такой метод повышения несущей способности основной площадки, как химическое закрепление грунтов. Эти методы известны и используются в строительстве сравнительно давно. Наиболее
распространенными из них являются цементация, смолизация, силикатизация, обработка грунтов кремний органическими соединениями, известкование [10, 11]. Фирма Bеratеndеn Ingеnieur ARCADIS Trischler&Partner предлагает концепцию стабилизации грунта насыпи цементом или известью с целью снижения практически до нуля ее осадки [12].
Немецкая фирма J. Mobius Bau Gcscllschaft& Со. предложила изготавливать и устанавливать в грунт сваи особой конструкции, которые воспринимают вертикальные нагрузки и передают их на нижележащие слои с высокой несущей способностью [6]. Технология изготовления сваи заключается в том, что в стальную трубу, погруженную в грунт виброспособом, закладывают предварительно сформированный в виде рукава геотекстиль.
В конструкциях безбалластного пути самый слабый элемент классического пути, а именно балласт, заменяется равномерно распределяющей нагрузку несущей плитой из бетона или асфальта, на которую укладываются рельсы [6].
К преимуществам безбалластного пути, как показали длительные исследования в Японии и Германии, относятся низкие затраты на текущее содержание, малая строительная высота, позволяющая сооружать тоннели меньшей высоты, исключение возможности выброса пути, высокая надежность и отсутствие необходимости в борьбе с растительностью. Недостатки заключаются в высоких капитальных затратах и расходах на модернизацию или корректировку, а также в необходимости укладки шумопоглощающих покрытий [6].
В последние годы одним из наиболее перспективных и широко используемых в транспортном строительстве способов усиления земляного полотна стало применение различных видов геосинтетических материалов (геотекстили, геосетки, георешетки, геоячейки, геомембраны, геоматы, геокомпозиты различных видов). Геоматериалы используются в транспортном и гражданском строительстве многих ведущих стран мира и хорошо зарекомендовали себя при решении различных инженерных задач.
Геосинтетики (геосинтетические материалы, геоматериалы) представляют собой широкий спектр различных полимерных материалов, используемых в геотехническом, гидротехническом и транспортном строительстве, применение которых в конструкциях земляного полотна может быть разделено по следующим основным признакам:
- по типу конструктивных элементов;
- по назначению применения;
- по месту расположения в земляном полотне;
- по материалу геосинтетика.
Современные геосинтетические материалы применяются на железных дорогах всех стран Европы при строительстве и реконструкции пути, зданий и сооружений
разного назначения с контактом или без контакта с другими строительными и конструкционными материалами. Однако наибольшее распространение геосинтетические и некомпозитные материалы нашли в конструкциях земляного полотна [13-15].
Эксперименты, проведенные австрийской фирмой Polyfeltm.b.H. Ges. также показали, что геотекстильные материалы повышают несущую способность земляного полотна на 15-20 %, по сравнению с конструкцией без геотекстиля.
Выводы
Техническая политика на железнодорожном транспорте Узбекистана, направленная на сохранение и увеличение достигнутого веса поезда и статической нагрузки ведет к росту силового воздействия на путь. К этому же приводит повышение скоростей движения поездов. В современных конструкциях пути в первую очередь нуждаются в усилении основная площадка и откосы полотна. В СНГ и особенно в дальнем зарубежье, идет активный поиск экономичных и технологичных средств, способов укрепления земляного полотна в сложных природно-климатических районах. Для повышения устойчивости откосов и укрепления земляного полотна необходимо выбирать самый надежный, а вместе с тем и самый экономичный вариант для конкретных условий.
REFERENCES
1. Umarov Kh., Botirov O. The role of construction of the Angren-Pap railway line in the plans of international transport and economic relations // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. - 2021. - 6(87). - c. 36-41.
2. Умаров Х.К., Свинцов Е.С. Математическая модель по прогнозированию грузопотока Китая и Южной Кореи между Центральной и Южной Азией // Вестник. Ростовского государственного университета путей сообщения. - 2017 - Вып. 2 (66). - С. 69-75.
3. Lesov K.S., Kenjaliyev M.K., Mavlanov A.Kh. and Tadjibaev Sh.A. Stability of the embankment of fine sand reinforced with geosynthetic materials. //E3S Web of Conferences; CONMECHYDRO - 2021, Les Ulis, - Vol. 264. DOI: 10.1051/e3sconf/202126402011.
4. Прокудин И.В., Грачев И.А., Колос А.Ф. Организация переустройства железных дорог под скоростное движение пассажирских поездов. Учебное пособие - М.: Маршрут, 2005 - 717с.
5. Яковлева Т.Г. Железнодорожный путь: Учебник для вузов / Т.Г. Яковлева, Н.И. Карпущенко, СИ. Клинов. — М.: Транспорт, 1999. — 405 с.
6. Журавлев И.Н. оценка влияние геоматериалов на напряженно-деформированное состояние железнодорожного земляного полотна. Автореферат дисс. на соиск. канд.техн.наук. С-П.: 2005.
7. Фришман М.А., Хохлов И.Н., Титов В.П., Земляное полотно железных дорог: Учебное пособие для вузов железнодорожного транспорта.-М.: Транспорт, 1972.-288с.
8. Блажко Л.С. Геоматериалы при высоких осевых нагрузках. //Путь и путевое хозяйство. - 2002 - №10 -с.36.
9. J.G. Rose. International Railway journal. - 1998. - N9. - p. 21-25.
10. Muzaffarova M.K., Mirakhmedov M. Differences and commonalities impregnation of dry and wet sand. //TRANSPORT PROBLEMS. - 2014. - volume 9 Issue 3. - p. 91-97.
11. Музаффарова М.К. Проектирование защиты железных дорог от песчаных заносов. //COLLOQUIUM-JOURNAL. - 2020 г. - №3-1 (55). - с. 9-10.
12. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М.: Транспорт, 1987. - 479 с.
13. Lesov K.S., Tadjibaev Sh.A. and Kenjaliyev M.K. Experimental researches on strengthening the slopes of the roadbed with geomaterials on the experimental section of the Bukhara Misken railway line. //JournalNX- A Multidisciplinary Peer Reviewed - Feb. -2021 - Volume 7, ISSUE 2. - p. 230-233.
14. Lesov, K.S. Technology of strengthening of embankment of railways of sandy soils with application of geosynthetic materials. //Journal of Tashkent Institute of Railway Engineers. - 2019. - vol. 15: Iss. 2, Article 2. - p. 11-16.
15. Lesov K.S., Tadjibaev Sh.A. Calculation of the reserve coefficient of local stability of the slopes of the roadbed reinforced with a volumetric geogrid. //ACADEMICIA: An International Multidisciplinary Research Journal. - November 2021. - Vol. 11, Issue 11. -p. 115-120. DOI: 10.5958/2249-7137.2021.02423.X
