CC BY
66
УДК 625.1.5
И. В. Колос, Е. С. Свинцов, Г. М. Стоянович, А. Э. Горев, В. В. Говоров
ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ОСЕВЫХ НАГРУЗОК И СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ НА УЧАСТКАХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СЛАБЫХ ГРУНТОВ
Дата поступления: 05.10.2017 Решение о публикации: 28.1 1.2017
Аннотация
Цель: Рассмотреть основные проблемы, с которыми могут столкнуться предприятия путевого хозяйства при организации движения поездов с повышенными скоростями и с нагрузками на ось свыше 25 тс. Определить основные факторы, влияющие на стабильность земляного полотна железных дорог, опирающихся на слабые основания в условиях повышенного вибродинамического воздействия, вызванного повышением скоростей движения поездов и осевых нагрузок. Методы: Использован сравнительный анализ состояния железнодорожного пути, земляное полотно которого опирается на прочное и слабое основание, основанный на статистических данных. Результаты: Показано, что важнейшим показателем, определяющим надежность конструкции железнодорожного пути в целом, является несущая способность слабого основания, которая должна определяться с учетом действия вибродинамических нагрузок и снижения под ее влиянием прочностных свойств грунтов основания земляного полотна. Практическая значимость: Анализ проблем позволил сделать вывод о необходимости разработки паспортов несущей способности земляного полотна и его основания.
Ключевые слова: Земляное полотно, слабые грунты, слабое основание, повышенные осевые нагрузки, несущая способность основания земляного полотна.
*Irina V. Kolos, Cand. Sci. Eng., associate professor, [email protected]; Yevgeniy S. Svintsov, D. Sci. Eng., professor; Vadim V. Govorov, D. Sci. Eng., professor (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University); Gennadiy M. Stoyanovich, D. Sci. Eng., professor (Far Eastern State Transport University); Andrey E. Gorev, D. Sci. Eng., professor (St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering) THE ISSUES OF AXLE LOADING INCREASE AND TRAIN SPEED AT LIGHT SOIL RAILROAD SECTIONS
Summary
Objective: To study the main problems which enterprises of track facilities may face in the process of train operation with high speeds and axle load over 25 tnf. To determine the basic factors, which affect the stability of roadbed, bearing on a weak base, in the conditions of the i ncreased vibrodynamic impact, caused by the increase of train speed and axle load. Methods: The comparative analysis of track condition, the roadbed of which bears on strong and weak
base, was applied based on statistical data. Results: It was demonstrated that the key indicator, determining construction reliability of track in general, is the efficiency of weak subgrade soil that should be identified with allowance for vibrodynamic load and reduction of strength properties of roadbed supporting subsoil under its influence. Practical importance: The analysis of the given problems made it possible to draw a conclusion on the necessity of subgrade support efficiency certificates elaboration.
Keywords: Roadbed, light soil, weak base, increased axle loading, efficiency of subgrade soil.
В России железнодорожные линии в районах с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями имеют значительную протяженность, в частности, это касается участков с земляным полотном, построенным на слабых основаниях. Зачастую это линии, которые построены с начала до середины ХХ в. Нормы проектирования того времени учитывали невысокие скорости движения и осевые нагрузки.
Из-за роста объема перевозок, наблюдаемого в последние годы, пропускная способность отдельных линий и участков железнодорожных магистралей исчерпана. Для пропуска возросшего грузопотока сегодня рассматриваются варианты повышения скоростей движения грузовых поездов до 90 км/ч, увеличения осевой нагрузки до 25-27 т, пропуска составов повышенной длины и массы.
Однако организация обращения грузовых поездов с указанными скоростями и осевыми нагрузками невозможна без реконструкции, ремонта и усиления земляного полотна и искусственных сооружений, опирающихся на слабые водонасыщенные грунты, такие как торф, иольдиевые глины, переувлажненные глинистые грунты. Прежде всего вызывает опасение прочность основания насыпей, сложенного слабыми грунтами.
Анализ эксплуатации земляного полотна, отсыпанного на мощные отложения слабых водонасыщенных грунтов на линиях Беломорск - Маленга, Беломорск - Кемь, Санкт-Петербург - Выборг и других, показывает, что на некоторых участках происходили и продолжают регистрироваться осадки земляного полотна за счет повышенной деформативности основания насыпей. Такая ситуация приводит к необходимости ограничить скорость движения поездов до 30-40 км/ч, а иногда - и до 25 км/ч. В целом в сети железных дорог имеются перегоны, на которых расположены 2-4 места с «больным» земляным полотном. Работы, выполняемые дистанциями пути по устранению просадок и перекосов, возникших в результате деформирования земляного полотна, не могут устранить основных причин деформаций.
Кафедра «Строительство дорог транспортного комплекса» ПГУПС исследовала железнодорожные пути при скоростях движения грузовых поездов до 90 км/ч и осевых нагрузках до 27-30 т и выяснила, что без соответствующей подготовки земляного полотна для таких условий эксплуатации коли-
чество «барьерных» мест с ограничениями скоростей движения возрастет. Такой вывод сделан на основе многочисленных расчетов несущей способности земляного полотна и его основания, выполненных на базе результатов инженерно-геологического обследования целых перегонов железных дорог.
Разумеется, что наличие таких «барьерных» мест приводит к снижению среднеучастковых скоростей движения и как следствие - к уменьшению пропускной и провозной способности железных дорог, а иногда может просто угрожать безопасности движения.
На основе изложенного можно сделать следующий вывод. При проектировании реконструкции пути, намечаемого к обращению поездов с повышенными скоростями либо осевыми нагрузками, для уменьшения объема инвестиций, направляемых на усиление земляного полотна, необходимо прежде всего знать несущую способность (прочность) земляного полотна и его основания [1]. Разумеется, ее величина должна рассчитываться при действии вибродинамических нагрузок, передаваемых от подвижного состава земляному полотну [2]. Следовательно, сопоставлением предельных напряжений с фактически действующими можно точно выяснить, на каких участках имеются резервы прочности, и как следствие - возможности повышения скоростей движения и осевых нагрузок, а где, наоборот, наблюдается дефицит несущей способности и, следовательно, такой участок пути нуждается в усилении. Кроме того, знание величины дефицита прочности позволяет обосновано принимать проектные решения. Такой подход к проектированию приведет к уменьшению объема инвестиций, направляемых на реконструкцию земляного полотна.
Сегодня в ПГУПС разработана и внедряется в практику проектирования методика расчета, позволяющая определять несущую способность земляного полотна и его основания при действии вибродинамической нагрузки [3, 4]. Учитывая, что инженерно-геологическое обследование всех направлений железных дорог требует больших финансовых затрат, в практику проектирования реконструкции верхнего строения пути, реконструкции пути, а также отдельных видов ремонта (капитального, усиленного среднего) целесообразно ввести разработку паспортов несущей способности земляного полотна и его основания.
По предложению ПГУПС в проектной документации на усиленный капитальный ремонт пути на участках Колежма - Ухтица, Ухтица - Руйга, Сумской Посад - Ухтица направления Беломорск - Маленга разработаны паспорта несущей способности земляного полотна и его основания, анализ которых положен в основу данной работы.
Стабильность земляного полотна, как известно, зависит от соответствия его основных геометрических размеров требованиям основных нормативных документов: СП 119.13330.2012 «Железные дороги колеи 1520 мм» и СП 32-104-98 «Свод правил по проектированию земляного полотна же-
лезных дорог колеи 1520 мм». Опыт проектирования модернизации железнодорожных путей, выполненного кафедрами ПГУПС, показывает, что основной геометрический параметр земляного полотна - ширина основной площадки - на многих участках не обеспечивается. Такая ситуация возникла по нескольким причинам. Первая связана с различием норм проектирования конца XIX - начала ХХ вв. и современных требований. Вторая причина - периодическая подъемка пути на балласт, в результате чего на протяжении целых километров отсутствуют обочины либо их ширина недостаточна. Таким образом, в комплексе работ по реконструкции пути эти отступления от норм должны быть полностью ликвидированы. Требуемая ширина основной площадки и обочины земляного полотна должна обеспечиваться за счет бокового уширения насыпей дренирующими грунтами с коэффициентом уплотнения не менее 0,98 в верхней метровой части и 0,95 в нижней либо за счет раскрытия выемок до требуемых размеров.
Анализ поперечных профилей эксплуатируемого земляного полотна показывает, что очень часто встречаются насыпи и выемки с завышенной крутизной откосов, иногда достигающей 1:1. Наиболее часто это проявляется на участках насыпей высотой более 3 м. Разумеется, такие откосы должны быть спланированы, и их крутизна доведена до требований норм проектирования. Основными причинами такой крутизны откосов являются нарушение технологии ремонтно-путевых работ либо выпор грунта основной площадки на откос. В связи с этим для обеспечения безопасности движения поездов с повышенными скоростями или (и) осевыми нагрузками необходимо в первую очередь выявлять причины такой завышенной крутизны и на основе этого принимать обоснованные проектные решения. Поскольку выпор грунта на откос связан с недостаточной несущей способностью основной площадки земляного полотна, причину деформирования откосных частей также можно выявить на основе данных, приводимых в паспорте несущей способности.
Немаловажную роль в обеспечении стабильной и безотказной работы земляного полотна играет быстрый сбор и отвод воды от конструкций насыпей и выемок, в особенности в районах избыточного увлажнения. Анализ состояния водоотводных устройств в сети железных дорог показывает, что большинство канав, лотков и кюветов находится в неудовлетворительном состоянии. Большинство водоотводных устройств не ремонтировалось много лет, в результате чего они либо заросли кустарником или травой, либо просто отсутствуют. В результате этого не обеспечивается отвод воды от земляного полотна, снижается его стабильность. Основными причинами неудовлетворительного состояния продольных водоотводов являются: засорение русла водоотвода при текущем содержании пути, нарушение требований проектной документации при производстве работ по устройству водоотводов, ошибки при проектировании плана и продольного профиля водоотводных сооружений.
При обследовании земляного полотна и его обустройств нередко выясняется, что старые деревянные шпалы, порубочные остатки от расчистки полосы отвода складируются в канавах, кюветах. Во время устройства водоотводных канав допускаются грубые нарушения требований проектной документации. К примеру, не соблюдаются уклоны дна канав, крутизны откосов, тип их укрепления, плановое положение оси водоотводного сооружения. Встречаются участки, где водоотводная канава своей бровкой примыкает к подошве откоса насыпи. Все это затрудняет сток воды к местам сброса, происходят застой и заиливание водоотводов, снижается устойчивость откосов, тем самым нарушается стабильность земляного полотна.
Нередко возникают и просчеты в проектировании плана водоотводов. Такие ошибки могут привести к недопустимым деформациям земляного полотна. Особенно это касается участков со слабым основанием. Опираясь на опыт проектирования насыпей на слабых грунтах, следует учитывать, что опасно располагать водоотводные устройства в пределах ширины зоны выпора слабого грунта, поскольку снижается величина пригрузки. В этом случае канавы целесообразно выносить за пределы этой зоны.
Таким образом, для повышения скоростей движения и осевых нагрузок на участках с земляным полотном, опирающимся на слабое основание, необходимо:
• обеспечить в процессе проектирования и производства работ нормативные геометрические размеры земляного полотна;
• выявить резервы (либо дефицит) прочности земляного полотна и его основания по паспортам несущей способности в связи с повышением скоростей движения, осевых нагрузок и др.;
• определить участки, требующие повышения несущей способности земляного полотна и его основания;
• запроектировать усиливающие конструкции на участках с выявленным дефицитом несущей способности или основной площадки земляного полотна либо его основания;
• отремонтировать все водоотводные сооружения для обеспечения быстрого отвода воды, в том числе нарезать новые канавы, кюветы и уложить новые лотки.
Библиографический список
1. Соколовский В. В. Статика сыпучей среды / В. В. Соколовский. - М. : Физматлит, 1960. - 241 с.
2. Колос А. Ф. Исследование распространения виброускорений частиц балластного слоя в условиях движения поездов с повышенными осевыми нагрузок / А. Ф. Колос, А. А. Морозова // Изв. ПГУПС. - 2014. - Вып. 2 (39). - С. 29-35.
3. Прокудин И. В. Прочность и деформативность железнодорожного земляного полотна из глинистых грунтов, воспринимающих вибродинамическую нагрузку : дис. ... доктора техн. наук : 05.22.06 / И. В. Прокудин ; ЛИИЖТ. - Л., 1982. - 455 с.
4. Черников А. К. Решение жесткопластических задач геомеханики методом характеристик : учеб. пособие / А. К. Черников. - СПб. : ПГУПС, 1997. - 191 с.
References
1. Sokolovskiy V. V. Loose medium statics [Statyka sypuchey sredy]. Moscow, Phiz-matlit, 1960, 241 p. (In Russian)
2. Kolos A. F. & Morozova A.A. The study of propagation of ballast bed particles vibration accelaration under the conditions of train operation with increased axle loading [Issledovani-ye rasprostraneniya vibrouskoreniy chastyts ballastnogo sloya v usloviyakh dvyzheniya poyez-dov s povyshennymy osevymy nagruzok]. Proc. Petersburg Transp. Univ. [Izvestija PGURS], 2014, is. 2 (39), pp. 29-35. (In Russian)
3. Prokudyn I. V. Strength and deformability of clay pan soil railway roadbed, bearing vibrodynamic load [Prochnost i deformatyvnost zheleznodorozhnogo zemlyanogo polotna iz glynystykh gruntov, vosprynymayushykh vybrodynamycheskuyu nagruzku]: diss... D. Sci. Eng: 05.22.06. Leningrad, LIIZhT Publ., 1982, 455 p. (In Russian)
4. Chernikov A. K. The solution of plastico-rigid tasks in geomechanics using the method of characteristics [Resheniye zhestkoplastychnykh zadach goemekhaniky metodom kharakter-istik]. St. Petersburg, PGUPS Publ., 1997, 191 p. (In Russian)
*КОЛОС Ирина Владимировна - канд. техн. наук, доцент, [email protected]; СВИНЦОВ Евгений Степанович - доктор техн. наук, профессор; ГОВОРОВ Вадим Владимирович - доктор техн. наук, профессор (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I); СТОЯНОВИЧ Геннадий Михайлович - доктор техн. наук, профессор (Дальневосточный государственный университет путей сообщения); ГОРЕВ Андрей Эдливич - доктор техн. наук, профессор (Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет).
