УДК 625.12;656.256

 

Омаров Амангельды Джумагалиевич – д.т.н., профессор,

ректор  Казахского университета путей сообщения, Алматы

Нусупбеков Серик Имансерикович – к.э.н.

директор Алматинского политехнического колледжа (Алматы)

 

Оценка надёжности балластного слоя и исследования упругих осадок шпал

 

Повышение нагрузок и скоростей движения поездов на железных дорогах Казахстана предъявляет все более высокие требования к расчету и конструированию железнодорожного пути и, в частности, к обеспечению надёжности балластной призмы и верхней части земляного полотна.

Интенсивный рост грузонапряжённости, осевых нагрузок и скоростей движения поездов, появление в связи с этим новых конструкций верхнего строения пути, внедрение комплексной механизации, основанной на новом принципе уплотнения щебня (вибрационном обжатии), а также стремление к обеспечению наиболее полной стабилизации пути в период «окна» вызывают необходимость соблюдения требований к качеству путевого щебня.

Для того чтобы выполнить свою функцию, балластный слой должен /1/:

- передавать наиболее равномерно давление от рельсовых опор на возможно большую площадь земляного полотна;

- обладать возможно большей равноупругостью;

- обеспечивать наименьшую неравномерность остаточных осадок;

- оказывать максимально возможное сопротивление поперечному и продольному сдвигу шпал;

- позволять наиболее качественно и удобно выполнять выправочные работы;

- устраиваться из прочного материала, хорошо сопротивляющегося механическому износу и выветриванию, не пылящего при проходе поездов с высокими скоростями;

- обеспечивать по возможности более постоянный влажностный режим вокруг деревянных шпал.

Наиболее пригодным материалом, могущим одновременно удовлетворить всем перечисленным требованиям, является щебень, приготовленный из прочных каменных пород. Однако эффект усиления верхнего строения пути достигается только в том случае, если укладывается щебень хорошего качества. Низкое качество щебня не обеспечивает ожидаемого эффекта в повышении устойчивости пути, увеличении срока службы элементов верхнего строения пути и сокращении расхода средств на текущее содержание /11/.

Максимальный размер отдельных зерен определялся размещением их под шпалой. При этом ширина нижней постели шпалы принималась 300 мм и считалось, что наиболее устойчивое положение шпалы будет в том случае, если она опирается в четырех точках. В таком случае размер отдельных зерен под шпалой не должен превышать 75 мм, и эта величина определяла верхний предел крупности щебня.

Нижний предел, т.е. минимальный размер отдельных зерен, также имел свое обоснование. Считалось, что для равномерной осадки и недопущения скалывания граней у крупных частиц пустоты между ними необходимо заполнить более мелким щебнем. Однако мелкий щебень не должен заполнять пустоты сплошной массой, поскольку в этом случае понизилась бы водопроницаемость балластного слоя. На основе опыта отечественных и зарубежных дорог установлено, что зерна щебня величиной 25 мм ещё не заполнят сплошной массой промежутков между щебнем размером 75 мм.

В связи с этим нижний предел размера отдельных зёрен был принят 25 мм.

В настоящее время, несмотря на многочисленные исследования, отсутствуют физически обоснованная общепризнанная методика априорного определения (предвидения) остаточных деформаций засоренного балласта с учетом образования выплесков, динамического (вибрационного) воздействия шпал на балласт под колесами подвижного состава и климатических сезонных его изменений. Многократные попытки решить эту задачу классическими методами теории упругости через использование монотонно изменяющегося (в процессе наработки тоннажа) модуля деформации не давали приемлемых результатов. Причина в том, что модуль деформации балластного слоя, в частности, и подшпального основания, в целом, величина стохастическая, чрезвычайно изменчивая как по протяжению пути, так и во времени (по сезонам года). Поэтому в детерминистической постановке эта задача решена быть не может. Для решения ее в стохастической постановке нет и в обозримой перспективе, видимо, не будет необходимого количества экспериментальных данных по фактическим значениям модуля деформации подшпального основания различного (реального) его состава и состояния. По нашему мнению, в современных условиях существует единственное возможное решение - это использование аппроксимирующих функций фактических экспериментальных и эксплуатационных данных по накоплению остаточных деформаций в зависимости от наработки тоннажа при интегральном учете напряжений и вибраций. Таких данных накоплено уже много /1-7/. Известно, что в пути балластный слой в процессе эксплуатации в зависимоти от пропущенного тоннажа может находиться в одной из трех стадий состояния /8/:

стадия 1 - синхронизация интенсивности развития остаточных деформаций после ремонтов пути, включающих очистку балласта, когда осадка и уплотнение после очистки происходят с наибольшей скоростью вследствие переупаковки частиц, которая (скорость) постепенно уменьшается с пропущенным тоннажом;

стадия 2 - стабилизация интенсивности развития остаточных деформаций, когда осадка происходит с постоянной скоростью вследствие истирания частиц при неизменном уплотнении. Этот процесс ограничивается возникновением локальных расстройств - выплесков;

стадия 3 - критическая интенсивность развития остаточных деформаций при значительной аккумуляции засорителей, воды, болезнях основной площадки земляного полотна, когда осадка сопровождается разуплотнением частиц щебня и это происходит с постепенно увеличивающейся скоростью.

Продолжительность первой стадии после ремонта пути с очисткой балласта определяется величиной пропущенного тоннажа, при котором происходит переупаковка частиц в толще очищенного слоя балласта. Эта стадия начинается после приемки пути в эксплуатацию и зависит от толщины очищенного слоя балласта, степени его уплотнения перед вводом в эксплуатацию, прочности основания балластной призмы.

Продолжительность второй стадии стабилизации интенсивности развития остаточных деформаций при незначительном засорении балласта определяется величиной пропущенного тоннажа, при котором засорение и увлажнение  пространства в щебне достигают значений, предельно допустимых по условию возникновения выплесков у концов шпал.

Величина Т окончания второй стадии определена в документе «Нормы глубины и периодичности очистки щебня для скоростного совмещенного движения», утвержденном ЦП МПС в 1997 г. /9/. Максимально допускаемое засорение балласта устанавливается в два раза меньшим объема пустот между частицами щебня, т.е. 20% от объема балласта. При этом среднесетевое предельно допустимое весовое содержание сухого засорителя одинакового со щебнем удельного веса не должно превышать 17 %.

Продолжительность третьей стадии критической интенсивности развития остаточных деформаций, когда интенсивная осадка пути сопровождается разуплотнением балласта и его повышенной пластичностью, определяется максимально допускаемым засорением балласта, равным 35% от объема балласта. При этом предельно допустимое весовое содержание сухого засорителя одинакового со щебнем удельного веса не должно превышать 26%.

Известно, что наиболее благоприятное взаимодействие пути и подвижного состава обеспечивается при максимальной равноупругости подрельсового основания. И наоборот, неравноупругость является основной причиной неравномерности остаточных осадок шпал, которая в свою очередь вызывает появление опасных расстройств пути в целом.

Исследования упругих и остаточных осадок шпал в эксплуатационных условиях были проведены П.П. Цукановым /10/, на основе которых доказано, что между закономерностями изменения упругих и остаточных осадок шпал и, процессом развития неисправностей пути по уровню имеются тесные корреляционные связи. Однако при этом не рассматривался вопрос о влиянии зернового состава щебня на неравномерность осадок шпал.

Изучение влияния зернового состава щебня на величину упругих и пластических (остаточных) деформаций щебеночного балласта проводилось в Австрии /11/.

Исследования показали, что при щебне недостаточной прочности упругие деформации возрастают в два раза, а пластические (остаточные) деформации - в пять раз по сравнению со щебнем высокого качества.

При исследованиях /1/ ставилась задача выявить в условиях действующего пути различие в упругости подрельсового основания и особенно ее неравномерности в зависимости от зернового состава щебня. Для этих целей были использованы хорошо обкатанные опытные участки, заложенные на экспериментальном кольце ЦНИИ МПС: Опыты проводились при щебне из гранита и песчаника при железобетонных шпалах. При этой влияние упругости шпал сводилось к минимуму.

Наиболее важным показателем является неравномерность упругих осадок, которая в конечном счете приводит к появлению неравномерных остаточных осадок и общему расстройству пути. Опыт показал, что, прослеживается тенденция возрастания неравномерности упругих осадок по мере увеличения крупности зерен щебня при любой его породе. В этом отношении целесообразно применять более мелкий щебень (до определенного предела).

Аналогичная тенденция прослеживается и в отношении величины упругих уклонов вдоль пути и их неравномерности.

При щебне фракции 25-50 мм как уклоны, так и их неравномерность в 1,18-1,93 раза меньше, чем при щебне 25-70 мм. Известно, к каким последствиям приводят динамические уклоны и как они отражаются на перерасходе локомотивами топлива и электроэнергии. Щебень фракции 15-40 мм обеспечивает достаточно хорошую равноупругость и равномерность упругих продольных уклонов, однако нецелесообразность его использования для балластного слоя вытекает из других показателей (недостаточная устойчивость при воздействии вибрационной нагрузки и др.).

В практических расчетах на эксплуатируемых участках пути используют эмпирические формулы, связывающие осадку у, мм, поверхности балласта и пропущенный тоннаж Т, млн. т брутто.

Накопление остаточных деформаций на всех трех стадиях интенсивности развития остаточных деформаций можно описать двучленной формулой вида /4/

.                                                                                    (1)

где    a1, b1 а2, В - эмпирические коэффициенты, характеризующие изменение прочностных характеристик в процессе многократного загружения, засорения и увлажнения балласта, которые определяются путем аппроксимации экспериментальной зависимости у(Т) на засоренных участках функцией

                                                                                                (2)

где    lx – исправление пути, требующее исправления по уровню;

s - средние квадратические отклонения разности осадок рельсовых нитей.

Главный показатель накопления остаточных деформаций в балласте в процессе эксплуатации - величина динамических сил, передаваемых на балласт под поездами.

Учитывая прямую пропорциональную зависимость между удельными давлениями и интенсивностью накопления остаточных осадок, составим уравнения у1 = j1(i) Для пути с деревянными и железобетонными шпалами. При этом исходным значением интенсивности накопления остаточных осадок будет ее величина при отсутствии неровностей на рельсах. По данным С.Н. Попова /12/, она составляет 0,10-0,12 мм/млн. т. Учитывая, что в данных опытах остаточные осадки измерялись по откосной нити, где они накапливаются быстрее, чем на междупутной, а также имея в виду результаты экспериментов, примем значение интенсивности накопления остаточных осадок пути при деревянных шпалах и отсутствии неровностей равным 0,14 мм/млн. т. Удельные давления на балласт при железобетонных шпалах и отсутствии неровностей примерно на 35% больше чем при деревянных. Соответствующее значение интенсивности будет 0,19 мм/млн. т. Это совпадает с результатом экстраполяции до i = 0. Используя полученные значения, получим следующие зависимости:

при железобетонных шпалах

у = 0,0094i + 0,19;                                                                                             (3)

при деревянных шпалах

y = 0,0070i + 0,14.                                                                                             (4)

Сравнивая интенсивности накопления остаточных осадок, полученные экспериментально без неровностей и по формулам (3,4) можно убедиться в значительном влиянии вибраций в балласте на интенсивность накопления остаточных осадок пути при железобетонных и деревянных шпалах. При наличии неровностей на поверхности катания рельсов указанные различия в жесткости и влияние их на работу элементов верхнего строения пути проявляются наиболее резко /13,14/. Именно в этом случае следует ожидать наибольшей разницы в накоплении остаточных осадок пути с обоими видами шпал, так как неровности являются источником дополнительных динамических сил, а следовательно, и вибраций балласта.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Расчёт и конструирование балластной призмы железнодорожного пути // Под ред. B.C. Варьезгина. - М.: Транспорт, 1970. - 190 с.

2.Лысюк B.C., Подняков Б.И., Титов В.П. Методика расчёта несущей способности основной площадки эксплуатируемого земляного полотна. // Тр. ЦНИИ МПС. Вып. 451.-М.: Транспорт, 1971.- 110 с.

3.Троицкий М.Н., Дермелев В.Е. Экспериментальные исследования накопления деформаций в однородных средах и двухслойных системах при различном режиме приложений повторных нагрузок. // Обоснование расчетных параметров для нежестких дорожных покрытий. Сб. тр. - М.: Дориздат, 1952. -С. 61-68.

4.Мотылев Ю.Л. К вопросу об учете повторяемости нагрузки при конструировании нежестких дорожных одежд. // Обоснование расчетных параметров для нежестких дорожных покрытий. Сб. тр. - М.: Дориздат, 1952. - С. 56-60.

5.Шахунянц Г.М. Земляное полотно железных дорог. - М.: Транс-желдориздат, 1953. - 591 с.

6.Гольдштейн М.Н. Вариационный метод решения задач об устойчивости грунтов // Труды ДИИТа. Сб. тр. №16. - Киев: Будівельник, 1969. - С. 12-19.

7.Лапидус Л.С. Исследование несущей способности основной площадки земляного полотна // Труды ДИИТа. Сб. 9. - М.: Транспорт, 1965. - С. 29-41.

8. Надёжность железнодорожного пути / B.C. Лысюк, В.Б. Каменский, Л.В. Башкатова. - М: Транспорт, 2001. - 286 с.

9. Нормы глубины и периодичности очистки щебня для скоростного со­вмещенного движения. Утв. Департаментом пути и сооружений МПС РФ. 1997.- 19 с.

10.Цуканов П.П. Исследование упругих и остаточных, осадок шпал. // Труды ЦНИИ МПС, Вып. 137. Трансжелдориздат. 1957.

11.Klugar К. Uber die Uervormung des Schotterbettes. «Eisenbahn-technische Rundschau», № 11, 1965.

12.Попов C.H. Балластные материалы на железных дорогах. // Труды ЦНИИ МПС. Вып. 4. Трансжелдориздат, 1961.

13.Влияние жесткости и неровностей пути на деформации, вибрации и силы взаимодействия его элементов. // Труды ЦНИИ МПС, Вып. 370. - М.: Транспорт, 1969. - 167 с.

14.Барабошин В.Ф., Лысюк B.C. Улучшение виброзащитных свойств пути с железобетонными шпалами // Вестник ВНИИЖТ, 1980, № 1. - С. 48-51.