Author: Ашпиза Е.С.
Tags: железные дороги в целом железнодорожные линии железнодорожное строительство железнодорожный транспорт железные дороги
ISBN: 978-5-89035-689-5
Year: 2013
Text
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ
ПУТЬ
Под редакцией Е.С. Ашпиза
Рекомендовано Экспертным советом по рецензированию
Московского государственного университета путей сообщения,
уполномоченным приказом Минобрнауки России
от 15 января 2007 г. № 10, к использованию в качестве учебника
для студентов, обучающихся по специальности 271501 «Строительство
железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» ВПО.
Регистрационный номер рецензии 366
от 2 июля 2012 г. базового учреждения
ФГАУ «Федеральный институт развития образования»
Москва
2013
УДК 625.1
ББК 39.211
Ж51
Авторы: канд. техн, наук, проф. А.М. Никонов — гл. 1—6 и 9; канд. техн, наук,
проф. А.И. Гасанов — гл. 7; д-р техн, наук, проф. Б.Э. Глюзберг — гл.8;
д-р техн, наук, проф. Е.С. Ашпиз — гл. 10 (кроме п. 10.4, 10.5), гл. 11
(п. 11.3—11.6); д-р техн. наук, проф. Г.Г. Коншин — гл. 10 (п. 10.4, 10.5),
гл. 11 (п. 11.1, 11.2, 11.6.3)
Рецензенты: эксперт зав. кафедрой «Путь и железнодорожное строитель-
ство» УрГУПСа, д-р техн, наук, проф. Г.Л. Аккерман; начальник техниче-
ского отдела Департамента пути и сооружений ОАО «РЖД», канд. техн, наук
Н Е. Селезнева; главный инженер института «Гипротранспуть» А.А. Рябов
Ж51 Железнодорожный путь: учебник / Е.С. Ашпиз, А.И. Гасанов,
Б.Э. Глюзберг и др.; под ред. Е.С. Ашпиза. — М.: ФГБОУ «Учеб-
но-методический центр по образованию на железнодорожном
транспорте», 2013. — 544 с.
ISBN 978-5-89035-689-5
Описаны современные конструкции верхнего строения пути и
земляного полотна, даны основные положения по устройству рельсо-
вой колеи. Приведены принципы устройства и конструктивные реше-
ния для стрелочных переводов, а также по применению бесстыкового
пути. Показаны современные конструкции и перспективы развития
рельсовых скреплений.
Даны основные типы земляного полотна, приведены характеристи-
ки грунтов для отсыпки насыпей, типизация оснований земляного
полотна и особенности природных условий для различных случаев.
Также описаны конструкции водоотводных сооружений и защитных
конструкций земляного полотна.
Книга предназначена в качестве учебника для студентов вузов
железнодорожного транспорта дисциплины «Железнодорожный путь»
по специальности 271501 «Строительство железных дорог, мостов и
транспортных тоннелей» и дисциплин профессионального цикла
специализации № 2 «Управление техническим состоянием железнодо-
рожного пути». Она может быть также полезна широкому кругу инже-
нерно-технических и научных работников, занимающихся проектиро-
ванием, строительством и эксплуатацией железнодорожного пути.
УДК 625.1
ББК 39.211
ISBN 978-5-89035-689-5
© Коллектив авторов, 2013
© ФГБОУ «Учебно-методический
центр по образованию на желез-
нодорожном транспорте», 2013
Предисловие
Российские железные дороги — одна из крупнейших железнодо-
рожных систем мира, которая уступает по эксплуатационной длине
(более 85 тыс. км) только железным дорогам США. Являясь ключе-
вым звеном транспортной системы нашей страны, железные дороги
выполняют 85 % грузооборота (без учета трубопроводного транспор-
та) и свыше 40 % пассажирооборота.
В соответствии со «Стратегией развития железнодорожного
транспорта Российской Федерации до 2030 г.» планируется постро-
ить свыше 20,7 тыс. км новых линий, в результате чего плотность
железнодорожной сети страны будет увеличена на 24 %. В рамках
модернизации и расширения сети должны быть сформированы по-
лигоны скоростного пассажирского и тяжеловесного грузового дви-
жения протяженностью 10,9 и 13,8 тыс. км соответственно.
Намечается эксплуатация локомотивов и грузовых вагонов ново-
го поколения с осевыми нагрузками 27—30тс конструкционной ско-
ростью грузовых вагонов 120 км/ч, а специализированных скорост-
ных платформ — 140 км/ч. Комплекс мероприятий по повышению
скоростей движения предусматривает повышение маршрутных ско-
ростей дальних пассажирских поездов, следующих на расстояние
до 700 км, до 70—80 км/ч.
Мероприятия, направленные на повышение надежности работы
и увеличение эксплуатационного ресурса технических средств,
предусматривают разработку норм для расчета и оценки прочности,
ресурса и безопасности подвижного состава инфраструктуры, а также
разработку новых конструкций, оптимизированных по прочностным
характеристикам. До 2015 г. предстоит снизить уровень отказов тех-
нических средств на 20 %. Решение этих проблем невозможно без
разработки научно обоснованных направлений совершенствования
путевой инфраструктуры и повышения эффективности ведения пу-
тевого хозяйства. От успешного функционирования железнодорож-
ного пути зависит эффективность работы других транспортных
средств. На долю путевого хозяйства приходится более 50 % основ-
3
ных фондов ОАО «РЖД» и около 29 % эксплуатационных расходов,
что существенно влияет на себестоимость перевозок и конкурентос-
пособность железных дорог.
Интенсивность эксплуатации железнодорожной инфраструкту-
ры ежегодно увеличивается. Грузонапряженноть за последнее деся-
тилетие возросла на 5,8 млн ткм, в 2008 г. достигла 34 млн ткм.
Основой технической модернизации путевого комплекса в услови-
ях роста грузонапряженности является создание конструкции пути,
требующей при заданном уровне надежности минимума совокупных
затрат на устройство, ремонт и текущее содержание пути.
Железнодорожный путь с комплексом внутренних факторов и
внешних воздействий представляет собой сложную систему, в осно-
ве которой лежат процессы разной природы. Классы пути, по сути,
должны отражать эксплуатационные условия — внешнее воздей-
ствие, а его типизация и ремонты — внутренние факторы, противо-
стоящие внешним. В совокупности они характеризуют основные
условия функционирования системы «путь—подвижной состав».
В качестве дополнительных основных внешних факторов могут учи-
тываться климатические и геологические условия.
Стратегия развития путевого комплекса предусматривает мас-
совость применения рельсов с ресурсом до 1,5 млн т-км брутто к
2011 г. и до 2,0 млн т км брутто к 2015 г.; массовое применение
скреплений для высокоскоростного тяжеловесного движения; ос-
воение щебнеочистительных машин высокой производитель-
ности; внедрение систем комплексной инфраструктуры при ско-
ростях движения до 200 км/ч; переход к малообслуживаемым
конструкциям железнодорожного пути.
При разработке новой системы ведения путевого хозяйства на
основе применения ресурсосберегающих технологий бесстыковой
путь на железобетонных шпалах был принят в качестве основной
конструкции, а полигон укладки старогодних материалов расширен
до грузонапряженности 25 млн т км. Это предопределило типиза-
цию верхнего строения пути, в качестве унифицированного типа на
сети был принят рельс Р65. Повышение надежности пути является
одним из основных условий обеспечения безопасности пассажиров,
сохранности грузов и сокращения времени их доставки.
Часть I
ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ ПУГИ
И РЕЛЬСОВАЯ КОЛЕЯ
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПУТИ
1.1. Составные части пути
Железнодорожный путь предназначен для безопасного движе-
ния поездов (вообще говоря, подвижного состава) с заданными и
перспективными нагрузками от колесных пар подвижного состава
на рельсы и скоростями движения.
Продольный профиль линии представляет собой вертикальный
разрез по трассе, развернутый на плоскости; планом линии называ-
ется горизонтальная проекция трассы по оси пути на уровне бровки
земляного полотна для новых линий или головки рельса для суще-
ствующих.
Железнодорожный путь состоит из верхнего и нижнего строений.
Верхнее строение различают:
— лежащее на земляном полотне (рис. 1.1);
- применяемое на мостах и называемое мостовым полотном;
— находящееся в тоннелях.
В дальнейшем верхнее строение, лежащее на земляном полотне,
ввиду его подавляющей распространенности на сети железных до-
рог будет называться просто верхним строением.
К верхнему строению относятся следующие элементы: рельсы,
скрепления, шпалы, балласт, а также конструкции для соединения и
пересечения путей.
К нижнему строению относятся земляное полотно, мосты и тон-
нели.
Земляное полотно выравнивает земную поверхность, восприни-
мает давление от подвижного состава и верхнего строения пути и
передает его на земную поверхность. Основными видами земляного
5
Более 19
8 3
Рис. 1.1. Типовой поперечный профиль железнодорожного пути:
В — верхнее строение пути; Н — нижнее строение пути; 1 — резерв; 2—берма; 3 —
граница полосы отвода; 4 — обочина; 5 — межевой знак; 6 — бровка откоса; 7 —
откос; 8— подошва откоса; 9— основная площадка; 10— основание насыпи; 11 —
рельс; 12 — шпалы и скрепления; 13 — балластная призма (размеры указаны в м)
полотна являются насыпи, выемки, полунасыпи-полувыемки и ну-
левые места.
Различные строения и сооружения размещают на таком расстоя-
нии от рельсовой колеи, чтобы они не мешали беспрепятственному
и безопасному движению подвижного состава. Допускаемые наи-
большие размеры подвижного состава и его предельное очертание
должны быть такими, чтобы при движении между ним и строения-
ми был гарантированный запас свободного пространства. Это опре-
деляется габаритами приближения строений и подвижного состава,
на которые имеются государственные стандарты.
Габаритом приближения строений (габарит С ГОСТ 9238—83)
называется предельное поперечное (перпендикулярное оси пути)
очертание, внутрь которого, помимо подвижного состава, не дол-
жны заходить никакие части сооружений и устройств, за исклю-
чением частей устройств, предназначенных для непосредственно-
го взаимодействия с подвижным составом (вагонные замедлите-
ли в рабочем состоянии, контактные провода с деталями крепле-
ния и др.).
6
Положение этих устройств во внутригабаритном пространстве
увязано с размерами элементов подвижного состава с целью ис-
ключения возможности их касания. На рис. 1.2, а показан габа-
рит С для прямых участков пути. Принятые на нем обозначения
следующие:
—х------для сооружений на путях второстепенного или времен-
ного характера, электрификация которых исключается даже при
электрификации данной линии;
--------— временные отступления, допускаемые на линиях, где эк-
сплуатация подвижного состава, построенного по габариту Т, не про-
изводится;
----------линия приближения вновь строящихся зданий, заборов,
опор путепроводов, контактной сети, воздушных линий и линий
СЦБ, расположенных у крайних путей на перегонах и станциях; в
особо трудных условиях расстояние от оси пути до внутреннего края
опор контактной сети может быть уменьшено по разрешению ОАО
«РЖД» до 2450 мм на станциях и до 2750 мм на перегонах;
----------линия, выше которой на перегонах и станциях не дол-
жно подниматься ни одно устройство, кроме искусственных соору-
жений, настилов переездов, стрелочных переводов, напольных ус-
тройств СЦБ на станциях и индукторов локомотивной сигнализа-
ции;
----------линия приближения вновь сооружаемых фундаментов
зданий, фундаментов опор, прокладки тросов, кабелей, трубопро-
водов и других, не относящихся к пути сооружений, на перегонах, за
исключением искусственных сооружений и устройств СЦБ в местах
расположения сигнальных и трансляционных точек;
.....— для тоннелей и перил на мостах.
Примечания. 1. Габарит С на станциях, кроме очертания 1—II—HI—IV, от-
носится также и к остановочным пунктам.
2. Размеры HQ и //п устанавливаются в соответствии с п. 8 ГОСТ 9238—59.
3. Пассажирские и грузовые платформы могут в отдельных случаях стро-
иться высотой более 1100 мм.
Габарит приближения строений шире и выше габаритов подвиж-
ного состава Т (рис. 1.2, б). Ширина габарита С равна 4900 мм, вы-
сота для разных случаев находится в границах от 5550 до 7000 мм.
Габарит 1-Т для подвижного состава, допускаемого к обращению по
всей сети железных дорог, имеет ширину 3400 мм и высоту 5300 мм;
7
оо
а
Габарит С
1120
4500
4250
3850
Рис. 1.2. Габариты:
а — приближения строений С; б — подвижного состава Т; в — зоны негабаритности грузов: 1—IV — соответственно
верхняя совместная, боковая и нижняя негабаритности (размеры указаны в мм)
габарит Т для подвижного состава, допускаемого к обращению по
отдельным участкам реконструированных линий, имеет увеличен-
ную до 3750 мм ширину.
Габариты подвижного состава 0-Т, 01-Т, 02-Т и 03-Т, предназна-
ченные для подвижного состава, допускаемого к обращению по се-
ти железных дорог России колеи 1520 (1524) мм и по железным до-
рогам зарубежных стран колеи 1435 мм, имеют размеры ниже и уже
габаритов Т и 1-Т (лишь габарит 0-Т имеет ту же ширину, что и габа-
рит 1-Т).
Между габаритным пространством называется пространство
между габаритом приближения строений и габаритом подвижного
состава, а также между габаритами смежных подвижных составов.
Это пространство (с необходимым запасом) служит для того, чтобы
в его пределах вполне безопасно для сооружений и устройств или
смежного подвижного состава могли происходить различные сме-
щения подвижного состава, вызываемые возможными отклонения-
ми в состоянии отдельных элементов пути и подвижного состава,
допускаемыми нормами их содержания, а также боковыми колеба-
ниями и наклоном подвижного состава на рессорах.
Расстояние между осями соседних путей на перегонах должно быть
не менее 4100 мм, между вторым и третьим путями на трех- и четы-
рехпутных линиях — не менее 5000 мм. Такое увеличение расстоя-
ния улучшает безопасность работающих на многопутных линиях и
снижает стесненность при производстве путевых работ. В пределах
станции нормальные расстояния между осями соседних прямых пу-
тей находятся в границах от 4800 до 7500 мм в зависимости от назна-
чения пути, размещения на междупутьях различных устройств, бе-
зопасного нахождения на них работающих и т.п. Расстояние между
осями второстепенных путей и путей грузовых дворов — 4500 мм, а
на путях для перегрузки непосредственно из вагона в вагон при очер-
таниях вагонов по габариту 1-Т составляет 3600 мм, т. е. меньше, чем
на перегоне. Наиболее распространенное расстояние между осями
соседних путей на станциях — 5300 мм.
Расстояния между осями соседних путей на кривых увеличивают
на размер А, чтобы расстояние в свету между смежными подвижны-
ми составами было не менее аналогичного расстояния на прямой.
Требование обусловлено тем, что концы экипажей в кривых оказы-
ваются смещенными наружу, а середина внутрь кривой (рис. 1.3).
10
Кроме того, вследствие возможной разницы в скоростях движения
по соседним путям, неодинакового поперечного наклона экипажей
из-за различного возвышения рельсов наружной нити расстояния
между экипажами по высоте будут неодинаковыми. Наиболее
неблагоприятная ситуация возникает при максимальной скорости
движения по внутреннему пути и остановке поезда на наружном
пути (см. рис. 1.3, а). Значение А зависит от радиуса кривой, возвы-
шения наружного рельса внешнего пути и соотношений между эти-
ми возвышениями у соседних путей (рис. 1.3, б). При строительстве
и переустройстве линий и станций, при капитальном ремонте пу-
тей и в других целесообразных случаях уширение дается по так
называемым проектным нормам. Так, например, на кривой ра-
диуса 600 м при расчетном возвышении наружного рельса внеш-
него пути 150 мм, и притом большем, чем на внутреннем пути,
А принимается равным 43 см и даже 49 см (в зависимости от значе-
ния непогашенной части центробежного ускорения).
Расстояния от пути до различных сооружений и устройств на кри-
вых по аналогичным соображениям также увеличиваются на размер Ан
с наружной стороны кривой и Ав — с внутренней. Так, при том же
расчетном возвышении наружного рельса 160 мм и радиусе кривой
600 м на высоте 200 мм от уровня головки рельса Ан = 8 см; Ав = 6 см.
При этом на кривых все расстояния по вертикали отсчитываются
от верха головки внутреннего рельса; горизонтальные расстояния
Рис. 1.3. Схема нарушения габарита С в кривой:
а — при смещении в междупутье концов и середины вагонов; 6 — при разных
возвышениях наружных рельсов на смежных путях; V — скорость движения;
R — радиус кривой; / — центробежная сила; G — вес вагона; А — уширение
междупутья
11
отсчитываются от вертикали, находящейся на расстоянии 1520 : 2 =
= 760 или 1524 : 2 = 762 мм от рабочего канта ближайшего рельса.
Иногда для перевозки громоздких грузов (суда, котлы и т.п.) при-
ходится допускать выход их размеров за пределы габарита подвиж-
ного состава. Это возможно, если между грузом и габаритом при-
ближения строений еще останутся минимальные зазоры, гаранти-
рующие безопасность движения с соблюдением специальных мер:
Различают несколько степеней негабаритности, в зависимости от
которых принимают те или иные меры предосторожности: специ-
альная проверка правильности и надежности закрепления груза;
определение степени негабаритности; специальное сопровождение
груза, систематическая проверка его положения на подвижном со-
ставе во время перевозки; ограничение скорости движения; ограни-
чение или запрещение движения по соседним путям; пропуск впе-
реди негабаритного груза контрольной рамы, точно повторяющей
его очертание, и т.п. Условия негабаритных грузов регламентируют-
ся Инструкцией по перевозке грузов негабаритных и погруженных
на транспортеры по железным дорогам России колеи 1520 (1524) мм.
Зоны негабаритности — нижняя, боковая и верхняя (рис. 1.2, в)
установлены в зависимости от величины выхода за габарит погруз-
ки для верхней негабаритности — три степени, а для боковой и ниж-
ней — шесть степеней.
Строжайшее выполнение требований габарита — важнейшее ус-
ловие надежного обеспечения безопасности движения по железным
дорогам.
Существенное повышение линейной нагрузки грузовых вагонов
и, следовательно, массы поездов при существующей длине станци-
онных путей может быть достигнуто использованием полувагонов и
цистерн в восьмиосном исполнении, которые могут выполнить бо-
лее 60 % объема перевозок по увеличенным габаритам подвижного
состава. Повышение линейной нагрузки грузовых вагонов (и сред-
ней массы поезда) позволит значительно увеличить провозную спо-
собность дорог при наименьших капитальных затратах на развитие сети.
Исследования Всероссийского н.-и. института ж.-д. транспорта
(ВНИИЖТ) показали целесообразность поэтапного увеличения га-
баритов подвижного состава с разработкой для внедрения на пер-
вом этапе промежуточного габарита подвижного состава для грузо-
вых вагонов. На основании теоретических и экспериментальных ис-
12
следований было установлено, что основным требованиям отвечает
габарит Тпр (промежуточный между 1-ТиТ). Для цистерн может быть
использован габарит Тц, ширина которого соответствует полной ши-
рине габарита Т
1.2. Главнейшие принципы проектирования
и выбора конструкции пути
При проектировании и выборе конструкций пути принимаются
следующие главнейшие положения (изложены в работах д-ра техн,
наук, проф. Г.М. Шахунянца).
1. Путь есть единая конструкция, в которой все элементы работают
совместно. Изменения в конструкции или работе хотя бы одного эле-
мента вызывают изменения в работе каждого из них и пути в целом, во
взаимодействии пути и подвижного состава, в расходах по содержанию
и ремонту пути и подвижного состава (в части, зависящей от пути).
2. Конструкция пути, работа пути в целом и каждого его элемента,
сроки службы и расходы на содержание и ремонт пути определяются
объемом и условиями эксплуатационной работы (грузонапряженностью
линии, массой и скоростями движения поездов, конструкциями эки-
пажа, нагрузками от колесных пар на рельсы, родом тяги, видами
средств сношения, характером перевозимых грузов и т.п.). Сущест-
венную роль при этом играют местные особенности (климатические,
геологические и др.)
3. Система организации работ по сооружению пути, его содержа-
нию, ремонту и механизация путевых работ в ряде случаев влияют на
выбор конструкции, ее дальнейшее развитие и совершенствование.
4. Экономическая целесообразность и общегосударственные инте-
ресы и задачи определяют окончательный выбор конструкции пути
и его элементов, системы организации и механизации работ по со-
оружению, содержанию, ремонту и усилению пути.
Железнодорожный путь является инженерным сооружением,
выполняющим тяжелую работу в трудных условиях. По пути прохо-
дят поезда большой массы с высокими скоростями. Колеса подвиж-
ного состава давят на рельсы с большой силой, которая при движе-
нии увеличивается иногда в 1,5 раза и более. Наличие неровностей
на колесах и в пути, стыковых зазоров, вредного пространства, от-
ступлений от норм содержания пути и подвижного состава (в преде-
лах допусков), а также влияние неподрессоренных масс и колеба-
13
ний надрессорного строения приводят к тому, что вертикальные и
горизонтальные силы, передаваемые на рельсы от подвижных на-
грузок, быстро изменяются во времени. Эти нагрузки, перемещаю-
щиеся с большими скоростями, воздействуют на пару сравнитель-
но тонких рельсовых нитей, лежащих на поперечинах толщиной
15—18 см, погруженных в насыпной материал.
Все элементы железнодорожного пути работают солидарно, и
главной задачей каждого элемента является распределение вос-
принимаемой нагрузки на возможно большую площадь, чтобы
этим снизить величину напряжения в ниже лежащих слоях. Ди-
намические нагрузки от колеса передаются на головку рельса по
небольшой площадке около 3 см2 и вызывают контактные напря-
жения 42 000 Н/см2 (рис. 1.4). В кромках подошвы рельса изгибные
напряжения достигают 2000—3000 Н/см2. Рельс распределяет нагруз-
ку от колеса на несколько шпал, у которых в подрельсовых проклад-
ках напряжения смятия достигают 420 Н/см2, а под подкладками —
170 Н/см2. В балласте под шпалами сжимающие напряжения дости-
гают 37 Н/см2. Под балластным слоем на основной площадке зем-
ляного полотна напряжения смятия достигают 10 Н/см2. На первый
взгляд, это — небольшие напряжения. Но если учесть многократ-
ность приложения нагрузки от большого числа вагонных осей, а так-
же ослабленность грунта основной площадки земляного полотна от
атмосферных воздействий, то становятся понятнее причины возник-
новения просадок пути и других его деформаций.
Крайне важно обеспечить оптимальную упругость пути на всем
его протяжении. А этого можно достигнуть только грамотным про-
ектированием каждого элементы пути, обеспечением солидарной
работы всех элементов на весь срок их службы.
Железные дороги Российской Федерации проходят в различных,
нередко в сложных климатических и геологических условиях (в рай-
онах вечной мерзлоты, по болотам и берегам морей, в поймах рек, в
оползневых и горных районах, в песчаных пустынях) и подвергают-
ся непосредственному воздействию атмосферных и климатических
факторов. В знойные дни рельсы, нагреваясь, стремятся удлинить-
ся, при понижении температуры — укоротиться. В зимние периоды
промерзает грунт и балласт, увеличивается жесткость пути и хруп-
кость рельсов; вода, замерзающая в грунте, при значительном ее со-
держании может вызвать недопустимые искажения профиля пути
14
Q = 125 кН
Рис. 1.4. Схемы передачи нагрузки от рельса на подрельсовае основание пути:
1 — подшпальное основание; 2 — основная площадка земляного полотна;
Q — нагрузка на рельс, кН; Лр — площадь распределения нагрузки; р —
напряжения, Н/см2
(пучины) и усилить ударно-динамические воздействия на путь. Сне-
гопады и метели могут привести к заносам пути, а весенние воды и
дожди к его размывам.
Итак, железнодорожный путь подвергается следующим воздей-
ствиям:
- подвижного состава, при этом воздействие локомотива опреде-
ляет прочность пути, а вагонов (как массовых нагрузок) — остаточ-
ные деформации;
— природно-климатических факторов, из которых основными яв-
ляются температура и атмосферные осадки;
— собственных (внутренних) напряжений, возникающих в элемен-
тах верхнего строения пути, главным образом в рельсах, при их из-
готовлении, укладке и эксплуатации.
Кроме этих факторов, необходимо учесть большое различие эксп-
луатационных условий работы отдельных железных дорог или отдель-
15
ных участков разветвленной сети железных дорог России. На некото-
рых направлениях грузонапряженность составляет 10—20 млн т-км,
а на других 150—1180 млн т км на 1 км в год. К 2030 г. намечено увели-
чение грузооборота на ряде направлений в 1,7 раз. В документе «Стра-
тегические направления научно-технического развития ОАО «РЖД»
на период до 2015 г.» намечена подготовка пути и подвижного состава
для организации:
- преимущественно грузового движения тяжеловесных поездов
весом до 10 тыс. т с осевыми нагрузками локомотивов и вагонов
27-30 т;
- смешенного скоростного движения пассажирских поездов со
скоростями до 160—200 км/ч и грузовых — до 100—140 км/ч;
- высокоскоростного движения пассажирских поездов со ско-
ростями 250—400 км/ч.
Очевидно, что для осуществления этих планов необходимо
иметь как минимум три принципиально различных конструкций
пути. А если учесть существенные различия климатических и геоло-
гических условий работы железных дорог, то типов конструкции пути
должно быть больше. Ярким примером могут служить проблемы, воз-
никшие при работе пути в районе полуострова Ямал.
В конструкциях пути должна быть обеспечена надлежащая со-
противляемость этим воздействиям. Непрерывному воздействию
на путь проходящих поездов и природных факторов требуется все
время противопоставлять содержание его в исправном состоянии,
так как даже небольшие отступления от нормальной ширины ко-
леи, правильного положения пути в плане и вертикальной плоско-
сти могут привести к тяжелым последствиям.
Непрерывное содержание пути — его верхнего строения, земля-
ного полотна, искусственных сооружений и всех водоотводных, ук-
репительных, защитных и других устройств пути — в исправном со-
стоянии является главнейшей задачей ведения путевого хозяйства.
Эта задача решается правильной организацией текущего содержа-
ния пути и своевременным производством его ремонтов в необхо-
димом объеме и высокого качества.
Текущее содержание пути включает следующие основные работы:
предупреждение и ликвидация появляющихся дефектов немедленно
по их обнаружении; обеспечение длительных сроков службы всех эле-
ментов пути и содержание его в чистом и опрятном состоянии.
16
Текущее содержание основывается на заботливом, хозяйском от-
ношении к пути, систематическом непрерывном надзоре за его со-
стоянием. В ходе технического содержания пути производится уход
за ним, изучение причин появления неисправностей и выполнение
необходимых работ, виды, объемы и сроки которых устанавливают-
ся с учетом времени года и местных условий.
При работе пути под нагрузкой появляется напряженное состоя-
ние и в нем возникают упругие и остаточные деформации. Упругие
деформации, полностью исчезающие после снятия нагрузки, не дол-
жны быть чрезмерно большими и различными по величине в разных
сечениях пути под одной и той же нагрузкой. Остаточные деформа-
ции (в том числе износ рельсов, шпал, балластного материала и т.п.),
возникающие в результате работы пути под нагрузкой и воздействия
природных факторов, должны быть минимальными, медленно про-
текающими во времени и равномерно проявляющимися по длине
пути.
Ремонт пути требуется вследствие износа и накопления оста-
точных деформаций (повреждаемости) элементов пути, поэтому его
составные части или их комплекс периодически подвергаются мас-
совой замене. Кроме того, приходится считаться с тем, что балласт-
ный слой непосредственно под шпалами работает под нагрузкой в
области упруго-остаточных деформаций. При правильном текущем
содержании пути остаточные деформации балластного слоя разви-
ваются медленно и равномерно на всем протяжении пути. Тем не
менее их накопление требует периодического исправления про-
дольного профиля и приведения его к проектному очертанию. Для
этого производится сплошная подъемка пути на балласт или его вы-
резка.
С течением времени балластный слой загрязняется, балласт, хо-
рошо пропускающий воду, начинает терять это качество и несущая
способность балластного слоя снижается. Принимаются меры пре-
дупреждения загрязненности балластного слоя, сведения ее к ми-
нимуму. Однако полностью защитить балластный слой от загрязне-
ния, как показывает опыт, пока не удается. В связи с этим периоди-
чески требуется очистка или замена балластного слоя.
Следовательно, ремонт пути вызывается износом и повреждае-
мостью его элементов, накапливающимися остаточными деформа-
циями и загрязнением балластного слоя, но неудовлетворительное
17
состояние колеи не должно допускаться при надлежащем техничес-
ком содержании пути.
При ремонтах пути одновременно производится и необходимое
его усиление. Иногда срок назначения ремонта определяется в свя-
зи с потребностью в его усилении. Для коренного усиления пути в
необходимых случаях осуществляется его реконструкция, которая
обычно ведется на целом направлении не только по главным, но и
по станционным путям.
Следует особо подчеркнуть, что состояние пути, интенсивность
динамических воздействий на него подвижного состава, объем ра-
бот, их характер и расходы по текущему содержанию пути в очень
большой степени зависят от своевременности, объема и качества
проводимых ремонтов. Например, большое значение имеет такое
уплотнение балластного слоя в процессе ремонта, в результате кото-
рого балластный слой в период между ремонтами будет работать от
нагрузки практически только в упругой стадии. Одно это может су-
щественно снизить уровень динамических взаимодействий подвиж-
ного состава и пути, в несколько раз уменьшить расходы на текущее
содержание пути и увеличить периоды между ремонтами.
Правильные подбор, сортировка и укладка материалов верхнего
строения в путь при строительстве и ремонтах (например, сплошная
смена шпал с подбором их по состоянию и размерам) могут суще-
ственно увеличить однородность пути и снизить уровень динами-
ческих взаимодействий подвижного состава и пути, что улучшит со-
стояние пути, уменьшит трудоемкость при текущем содержании и
увеличит периоды между его ремонтами.
Эти требования влияют на выбор конструкции пути и его состав-
ных элементов, организацию укладки, на содержание и ремонт пути
и должны рассматриваться комплексно в единой и неразрывной свя-
зи между собой, с учетом назначения главного железнодорожного
пути — обеспечить безопасный пропуск поездов с установленными
скоростями и безусловное выполнение требуемого объема перево-
зок наиболее целесообразным способом.
Высокий уровень эксплуатационной работы требует более мощ-
ной конструкции пути — с длинными рельсовыми плетями, лежа-
щими на основании из сборного предварительно напряженного же-
лезобетона, с высокопрочными и износостойкими рельсами, обла-
дающими высокой сопротивляемостью контактным и местным
18
напряжениям; рельсовыми скреплениями, обеспечивающими опти-
мальную упругость пути, возможность регулировки положения
рельсов по высоте и в плане, малодетальными, прочными и
долговечными. На искусственных сооружениях (мостах, тоннелях)
и в метрополитенах все более широкое применение находят конст-
рукции верхнего строения пути безбалластного типа, которые в со-
четании с бесстыковыми рельсовыми плетями имеют высокую ста-
бильность и экономичность в эксплуатации. В качестве подрельсо-
вых оснований испытываются железобетонные плиты и рамы.
Конструкцию пути выбирают на основании технико-экономичес-
кого сравнения вариантов. При этом изучают и отрабатывают каж-
дую конструкцию пути из числа сравниваемых, так же как и техно-
логию, механизацию и автоматизацию работ по устройству, содер-
жанию и ремонту этих конструкций. При том разнообразии грузо-
напряженности, от весьма незначительной на ветвях местного
значения до грузонапряженности главнейших магистралей, превы-
шающей 100 млн т км брутто на 1 км одиночного пути в год, при
большом различии климатических и геологических условий, оче-
видно, должны существовать и различные типы пути, его верхнего
строения и земляного полотна. Задача заключается в том, чтобы для
каждого конкретного случая применять наилучшие типы. Для этого
в современных условиях бурного технического прогресса требуются
постоянное улучшение и совершенствование существующих типов
и изыскание новых, использование современных материалов, раз-
работка наиболее целесообразных конструктивных решений и от-
крытие новых возможностей.
Контрольные вопросы
1. Составные элементы верхнего и нижнего строения пути.
2. Назначение габаритов приближения строения, подвижного
состава и погрузки.
3. Основные принципы проектирования и выбора конструкции
пути.
Глава 2. РЕЛЬСЫ
2.1. Назначение, требования и геометрические
параметры рельсов
2. /. 1. Назначение и классификация рельсов
Назначение рельсов ~ направлять колеса подвижного состава,
непосредственно и упруго воспринимать динамическую нагрузку
от колес и равномерно передавать ее на подрельсовое основание,
выполнять роль электрических цепей для сигнального тока на учас-
тках автоблокировки, а также обратного тягового тока на участках
с электрической тягой.
Требования к рельсам. Рельсы должны обладать следующими свой-
ствами:
— износостойкостью;
— усталостной прочностью;
— высокой сопротивляемостью хрупкому излому;
— хорошей свариваемостью;
— высокой чистотой стали;
— хорошей обрабатываемостью;
— низкими температурными напряжениями;
— точной геометрией и прямолинейностью;
— большим сроком службы.
Классификация рельсов. В соответствии с ГОСТ Р 51685-2000 рель-
сы железнодорожные подразделяются:
— по типам: Р50, Р65, Р65К (для наружных нитей кривых участ-
ков пути) и Р75;
- по категориям качества: В — рельсы термоупрочненные выс-
шего качества, Т-1 и Т-2 — рельсы термоупрочненные первой и вто-
рой категории качества, Н — рельсы нетермоупрочненные;
— по наличию болтовых отверстий с отверстиями на двух концах
и без отверстий;
— по способу выплавки стали: М — мартеновская сталь, К — кон-
вертерная сталь, Э — электросталь;
20
— по виду исходных заготовок для проката: из слитков или непре-
рывно литых заготовок (НЛЗ);
— по способу противофлокенной обработки: прокатанные из ва-
куумированной стали, прошедшие контролируемое охлаждение,
прошедшие изотермическую выдержку.
Пример', условное обозначения рельса типа Р65, категории Т1, из
стали марки М76Т, длиной 25 м, с тремя болтовыми отверстиями на
обоих концах рельса - Р65-Т1-М76Т-25-3/2 ГОСТ Р 51685-2000.
Тип рельса определяется массой рельса длиной 1 м, значение кото-
рой в килограммах округленно указывается после буквы Р. На главных
путях железных дорог России эксплуатируются рельсы Р65 (95 % про-
тяжения путей), Р75 (0,5 %), Р50 (4 %) и Р43 (0,5 %). В настоящее
время прокатываются и укладываются, в основном, рельсы типа Р65;
частично — Р65К и Р50.
2.L2. Геометрические параметры рельсов
Профиль и размеры рельсов обусловлены их взаимодействием с
колесами подвижного состава. Основные характеристики рельсов
приведены в табл. 2.1. Поверхность катания головки рельсов всегда
делают выпуклой, чтобы обеспечить наиболее благоприятную пе-
редачу нагрузки от колес. Рельсы типов Р75, Р65 и Р50 имеют го-
ловку, средняя часть которой очерчена радиусом 500 мм, переходя-
щим с двух сторон в радиус 80 мм, а с боковыми гранями сопря-
женную радиусами 15 мм (близкому к радиусу выкружки гребней
новых колес (рис. 2.1).
Переход от головки и подошвы к шейке рельса, через которую
головка передает нагрузку от колес подвижного состава на подошву
и от нее на основание, делается особенно плавным, а шейка — кри-
волинейной. Такое очертание позволяет уменьшить концентрацию
местных напряжений в местах перехода шейки в головку и подошву,
а также сделать более равномерным остывание рельсов в процессе
их производства. Ширина подошвы должна обеспечить боковую ус-
тойчивость рельса.
Рельс Р65К укладывают в крутых кривых для снижения интен-
сивности бокового износа. Поверхность катания его головки очер-
чена коробовой кривой с меньшими радиусами, а верхняя часть бо-
ковых граней имеет наклон 3,5:10 вместо 1:10 в сравнении с про-
филем рельса Р65 (рис. 2.2).
21
Рис. 2.1. Рельсы типов Р75, Р65, Р50
Zl:20
Рис. 2.2. Рельсы типов Р65 и Р65К
Характеристики рельсов
Таблица 2.1
Показатели Тип рельса
Р75 Р65 Р50
Площадь поперечного сечения, см2 95,06 92,56 65,93
Масса рельса длиной 1 м, кг 74,41 64,72 51,67
Высота, мм: общая 192 160 162
головки 55 45 42
шейки 105 105 83
подошвы 32 30 27
Ширина головки поверху на уровне 15 мм 72 71 70
от поверхности катания, мм Ширина подошвы, мм 150 150 132
Стандартная длина рельсов — 25,0 и 12,5 м, а укороченных для
укладки в кривых— 24,92; 24,84; 12,46; 12,42; 12,38 м. Рельсы длиной
12,5 м укладываются как правило в уравнительные пролеты бессты-
кового пути и в стрелочные переводы. Длина рельсовых плетей бес-
стыкового пути устанавливается проектом в зависимости от мест-
ных условий. Принято решение начать выпуск рельсов длиной 50 м,
а в перспективе 100—150 м. Такая длина позволит уменьшить число
сварных стыков в бесстыковых рельсовых плетях, а в результате
уменьшить число отказов пути.
2.2. Качество рельсов
2.2.1. Материал для рельсов
Железнодорожный транспорт является самой металлоемкой от-
раслью — он крупнейший потребитель металлопродукции. Основ-
ными потребителями металла являются путевой и вагонный комп-
лексы, соответственно 39 и 30 % (рис. 2.3).
Материалом для рельсов служит высокоуглеродистая рельсовая
сталь, которая различается по способу выплавки — мартеновская, кон-
верторная сталь и электросталь. По способу исходных заготовок для
проката различают рельсы, изготовленные из слитков или из непре-
рывно литых заготовок. При втором способе качество рельсов бывает
24
6
Рис. 2.3. Структура потребления материалов на железнодорожном транспорте:
1 — рельсы, стрелочные переводы и др.; 2— неметаллические материалы; 3 —
цветной металл; 4 — стальное чугунное литье для вагонов и локомотивов; 5 —
колеса грузовых и пассажирских вагонов, бандажи, оси; 6 — металлопрокат
выше. Качество рельсовой стали определяется ее химическим соста-
вом, микро- и макроструктурой. Химический состав характеризуется
добавками к железу других элементов в процентах (табл. 2.2).
С повышением углерода в составе стали повышается общая
прочность рельсов при изгибе, твердость и износостойкость. Мар-
ганец увеличивает твердость, износостойкость и вязкость, а крем-
ний — твердость и износостойкость рельсовой стали. Фосфор и сера
являются вредными примесями, так как они придают стали хруп-
кость. При большом содержании фосфора рельсы становятся хруп-
кими при низких температурах, а при большом содержании серы
во время проката могут образоваться трещины. Добавки легирую-
щих элементов — ванадия, хрома, титана и кремния улучшают
структуру и качество рельсовой стали.
Микроструктура рельсовой стали, определяемая под микроско-
пом с увеличением в 100—200 раз, представляет пластинчатый пер-
лит с небольшими прожилками феррита на границах перлитных зе-
рен. После объемной закалки в масле рельсовая сталь получает мик-
роструктуру сорбита закалки, при которой повышается пластичность
и вязкость стали, увеличивается усталостная прочность и стойкость
рельсов против образования поперечных усталостных изломов.
25
o\
Таблица 2.2
Химический состав рельсовой стали
Марка стали Максимальная доля элементов, %
Углерод Марганец Кремний Ванадий Титан Хром Фосфор Сера Алюминий
не более
К78ХСФ Э78ХСФ 0,74-0,82 0,75-1,05 0,40-0,80 0,05-0,15 0,49-0,60 0,035 0,025 0,005
М76Ф К76Ф Э76Ф 0,71-0,82 0,25-0,45 0,03-0,15 0,035 0,030 0,025 0,040 0,035 0,030 0,020
М76Т К76Т Э76Т 0,71-0,82 0,007-0,025 0,035 0,030 0,025 0,040 0,035 0,030
2.2.2, Технология производства рельсов, их маркировка и приемка
Отечественные рельсы изготовляют на Нижнетагильском и Но-
вокузнецком металлургических комбинатах. Современная рельсо-
вая сталь выплавляется преимущественно с использованием ки-
слородного дутья. Признаками процесса являются:
- подвод перемешивающего газа снизу через днище конвертора
(комбинированная продувка).
— раскисление без добавки алюминия;
— вакуумная дегазация;
— непрерывная разливка.
В процессе изготовления необходимо обеспечить низкое содер-
жание водорода и окислов, равномерный химический состав.
Жидкая рельсовая сталь разливается в блюмсы — стальные квад-
ратные формы соответствующего сечения. Для оптимальной прокат-
ки рельсов большой длины с высоким качеством поверхности, а так-
же жестких размерных допусков необходимо точно соблюдать тем-
пературный режим. Охлажденные рельсы (фирма Пуссен выпускает
длиной до 120 м) в роликовой правйльной машине рихтуются таким
образом, что на поверхности сечения и в подошве возникают мини-
мальные внутренние остаточные напряжения растяжения. После
рихтовки рельс поступает на технический контроль, выполняемый
в автоматическом режиме и включающий:
— ультразвуковую дефектоскопию;
— исследование поверхности рельсов с помощью вихревых токов;
— определение вертикальной и горизонтальной плоскости;
— оценку правильности профиля.
Рельсы могут поставляться в состоянии прокатки (сырые), т.е.
с естественной твердостью (без дополнительной термообработки).
Для улучшения свойств рельсы из перлитной стали могут подвер-
гаться дополнительной термообработке.
Современные рельсы изготовляют из мартеновской высокоугле-
родистой стали. Исходным материалом для ее производства служит
чугун. Чугун получается при переплавке железных руд в доменных
печах и представляет собой сплав железа с углеродом. Чугун, имею-
щий в своем составе примеси кремния от 0,5 до 1,5 %, марганца от
1,2 до 1,5 %, фосфора до 0,3 % и серы до 0,08 %, используется для
получения рельсовой стали в слитках. Размеры слитков выбираются
27
в зависимости от мощности обжимного стана (блюминга) рельсоп-
рокатного цеха того или другого завода. При остывании слитка во
всем его объеме образуются пузыри невыделившегося из стали газа
(пузыри бывают внутри слитка и у его поверхности). При прокатке
рельсов газовые пузыри, расположенные у самой поверхности слит-
ка, во многих случаях выходят на поверхность рельса в виде так на-
зываемых волосовин — тонких продольных трещин. Волосовины наи-
более опасны в подошве рельса, так как они нередко становятся при-
чиной появления опасных дефектов, приводящих к излому рельсов
в пути.
Газовые пузыри внутри слитка служат основной причиной появ-
ления в головке рельса тонких внутренних надрывов металла — фло-
кенов, из которых развиваются внутренние усталостные трещины в
виде светлых или темных пятен и др. Кроме усадочных раковин и
газовых пузырей, в слитках всегда имеется неоднородность металла
по химическому составу, которая создается вследствие замедленно-
го охлаждения жидкой стали в слитке.
Качество стали в значительной степени зависит от загрязнен-
ности ее неметаллическими включениями и содержания в ней та-
ких химических элементов, как углерод, марганец, кремний, фос-
фор и сера. Наиболее вредными из них являются сера и фосфор.
При высоком содержании серы сталь становится хрупкой при вы-
соких температурах (красноломкой), а при высоком содержании
фосфора — хрупкой при низких температурах (хладноломкой). Ха-
рактер и степень загрязненности неметаллическими включениями
также связаны со способом раскисления стали при ее выплавке. При
раскислении стали только алюминием в ней остаются частицы окис-
ла алюминия — глинозема, которые при прокатке вытягиваются в
«строчки-дорожки», нарушающие сплошность металла. В зоне этих
дорожек во время эксплуатации возникают опасные контактно-
усталостные поперечные и продольные трещины. Для предотвра-
щения этого при раскислении стали применяют комплексные рас-
кислители.
На рельсопрокатных заводах процесс прокатки рельсов в рель-
совую полосу состоит из трех последовательных операций: обжим
слитка в квадратную заготовку, обрезка заготовки (блюмса) с го-
ловной и хвостовой частей, окончательная прокатка блюмса в
рельсовую полосу. Перед прокаткой через валки прокатных станов
28
рельсовые слитки подогревают в специальных печах, где происхо-
дит выравнивание их температуры по всему объему и подогрев до
1100—1200 °C. Чтобы получить из слитка рельс, необходимо много
раз пропустить его через валки разных калибров. Размеры калиб-
ров подбираются такими, чтобы постепенно, без излишних напря-
жений, могущих привести к образованию надрывов в металле, про-
катываемая полоса по мере перехода из одного калибра в другой
приближалась в поперечном сечении к правильной форме рельса.
После выхода из прокатных валков рельсовую полосу разрезают на
отдельные рельсы.
Значительного улучшения качества рельсовой стали достигают
ее термоупрочнением или закалкой. Металлургической промыш-
ленностью в настоящее время используется в основном способ тер-
мического упрочнения рельсов — объемная закалка, когда рельсо-
вую сталь закаливают одновременно в головке, шейке и подошве.
Этот способ применяется на Нижнетагильском и Кузнецком ме-
таллургических комбинатах.
При объемном способе закалки рельсы в специальной печи на-
гревают до температуры 840—850 °C, а затем подают в закалочную
машину, заполненную маслом, в котором их постепенно охлажда-
ют до температуры примерно 100—150 °C. После закалки рельсы
перемещают в другую печь для повторного нагрева до 400—450 °C
и постепенного, в течение 2—2,5 ч, замедленного остывания — от-
пуска. Объемно-закаленные рельсы обладают более высокой экс-
плуатационной стойкостью по сравнению с нетермоупрочненны-
ми. В связи с тем что в головке рельса сосредоточено металла больше,
чем в подошве, охлаждение по всему профилю рельса проходит не-
равномерно, поэтому рельсы во время охлаждения коробятся и после
окончательного остывания оказываются искривленными. Правка
рельсов осуществляется на специальных роликоправйльных машинах
с последующей доправкой на штемпельных прессах. После оконча-
тельной правки рельсов их торцы обрезают на специальных фрезер-
ных станках.
Рельсы, предназначенные для укладки в звеньевой путь, посту-
пают на сверлильные станки, на которых производится сверление
отверстий для стыковых болтов.
На шейке с одной стороны каждого рельса в горячем состоянии
выкатывают выпуклую маркировку (рис. 2.4), содержащую:
29
— обозначение предприятия-изготовителя (например К — Куз-
нецкий металлургический комбинат, Т — Нижнетагильский метал-
лургический комбинат);
— месяц (римскими цифрами) и год изготовления (арабскими
цифрами); тип рельса;
- обозначение направления прокатки стрелкой (острие стрелки
указывает на передний конец рельса по ходу прокатки).
Маркировочные знаки должны быть высотой от 30 до 40 мм и
выступать на 1—3 мм с плавным переходом к поверхности шейки.
а
1 -сорт: ------—_____
— один керн
— один знак «Ключ и молоток»
2-й сорт:
— два керна
— два знака «Ключ и молоток»
— половина шейки и нижняя
часть подошвы закрашены
красным («сырой» рельс) или
зеленым (закаленный)
Брак:
— три керна
— торец полностью закра-
шен синим С
234 Я
I группа — контур головки
закрашен голубым
II группа — белым
\ -й класс — фисташковая
поперечная полоса
2-й класс — желтая
,1 — рельс прокатан из го-
ловной части слитка
X — рельс прокатан из дон-
ной части слитка
К — закалены только кон-
цы рельса
3 — рельс закален по всей
длине
I
Номер плавки (П ука-
зывает на принад лежность
к I группе)
б
Т — Нижнетагильский
Месяц и год выпуска
Тип рельса
Указатель на головной конец
«Сырой» рельс: поперечная полоса
голубого (I группа) или белого
(II группа) цвета
|\
________Т IX Р65 К СП1234Я
Номер плавки
II—I группа
700-1000
Закаленный рельс: поперечная
полоса фисташкового цвета или
вдавленное кольцо
Рис. 2.4. Маркировка новых рельсов:
а — в торце; б — вдоль рельса (размеры даны в мм)
30
Маркировку наносят не менее чем в четырех местах (на рельсах
длиной до 12, 52 м — не менее чем в двух местах) по длине рельса.
На шейке каждого рельса на той же стороне, где выкатаны выпук-
лые маркировочные знаки, в горячем состоянии клеймением наносят:
— шифр плавки, который включает: обозначение способа выплав-
ки [для конвертерного (К) и электропечного (Э) производства стали].
Шифр плавки наносят по длине рельса на расстоянии не менее 1 м
от торцов;
— условное обозначение контрольных рельсов;
— условное обозначение термоупрочненных рельсов в виде коль-
ца диаметром 15—20 мм и глубиной не более 1 мм, которое наносят
на расстояние не менее I м от торца.
На каждый принятый рельс на торец головки наносят приемоч-
ные клейма ОТК предприятия-изготовителя, инспекции ОАО «РЖД»
или другого потребителя по его требованию.
На принятые рельсы наносят маркировку несмываемой краской:
голубого цвета — на рельсах категории В; фисташкового (светло-зе-
леного) цвета — на рельсах категории Т1; желтого цвета — на рель-
сах категории Т2; белого цвета — на рельсах категории Н.
Маркировку наносят: на торце рельса — обведением контура го-
ловки с приемочными клеймами; на поверхности головки и шейки
рельса — поперечной полосой шириной 15—30 мм на расстоянии
0,5—1,0 м от торца с приемочными клеймами.
Рельсы, предназначенные для укладки в кривые участки пути, до-
полнительно маркируют несмываемой краской цвета, соответст-
вующего категории рельса: одно перо подошвы на торце рельсов дли-
ной 24,92 и 12,46 м; оба пера подошвы на торце рельсов длиной 24,84
и 12,42 м.
Допускается дополнительная маркировка несмываемой краской
рельсов разной длины, изготовляемых для стрелочных переводов и
других целей. Форма и основные (контролируемые) размеры попе-
речного сечения новых рельсов должны соответствовать приведен-
ным на рис. 2.4 и в табл. 2.1. Расположение, число и диаметр болто-
вых отверстий в шейке на концах рельсов должны соответствовать
приведенным на рис. 2.4 и в табл. 2.3. Болтовые отверстия должны
быть перпендикулярны к вертикальной продольной плоскости рель-
са. На кромках болтовых отверстий должна быть фаска шириной от
1,5 до 3,0 мм под углом около 45,5°.
31
На поверхности рельсов, предназначенных для сварки, не допус-
каются раскатанные пузыри и волосовины на длине менее 100 мм
от торцов.
Длина и допускаемые отклонения (мм) длины рельсов 25 м (12,5 м)
должны соответствовать данным: для категории В ±10 (±4): Т1 ±9 (± 7);
Т2±20 (±15); Н+6 (±6).
Таблица 2.3
Расположение болтовых отверстий в рельсах
Тип рельса Размер, мм Допускаемые отклонения, мм для рельсов категории
d t Z2 l3 В Т1,Т2, Н
Р50 34 68,5 66 216 356 ±0,8 ±1,о
Р65 36 78,5 96 316 446 — —
Р65К 36 78,5 96 316 446 — —
Р75 36 80,4 96 316 446 — —
Поверхность торцов рельсов должна быть без рванин и следов
усадки в виде расслоений и трещин. На термоупрочненных рельсах
с болтовыми отверстиями снятие фаски по верхней и нижним кром-
кам головки на торцах рельсов обязательно. Термоупрочненные рель-
сы подвергают ультразвуковому неразрушаюшему контролю на на-
личие внутренних дефектов по методике, согласованной с ОАО
«РЖД». Рельсы категории В контролируют по сечению шейки и го-
ловки.
Приемку рельсов по ГОСТ 7566 проводит отдел технического
контроля (ОТК) предприятия-изготовителя. Принятую ОТК пар-
тию рельсов предъявляют для приемки инспекции ОАО «РЖД». Ин-
спекции ОАО «РЖД» предоставлено право выборочного контроля
технологии изготовления рельсов, отбора проб от рельсов любой плав-
ки и проведения совместно с ОТК предприятия-изготовителя не-
обходимых дополнительных испытаний и проверки качества рельсов.
2.2.3. Сроки службы рельсов
Рельсы Р65, которые укладывают на основном протяжении
главных путей, являются самыми прочными в мире по изгибной
прочности, но уступают лучшим зарубежным образцам по чисто-
32
те стали, прямолинейности и ресурсу (долговечности и безотказ-
ности). Главной причиной отказов являются дефекты в основном
контактно-усталостного происхождения. Дефекты зарождаются на
стадии выплавки, разлива и обработки металла, а затем появля-
ются при прокате и термообработке. Неэффективность контроля
на всех этапах производства и выпуска рельсов приводит к по-
ставке путевому комплексу рельсов с дефектами заводского про-
исхождения.
По мере наработки тоннажа в процессе эксплуатации в рельсах
накапливаются различные повреждения, деформации, усталостные
дефекты, вследствие чего снижается их надежность, чаще происхо-
дят отказы и возникает необходимость снижения скоростей или пре-
кращение движения поездов. Средний 94%-й ресурс рельсов отече-
ственного производства в звеньевом пути составляет 600 млн т брут-
то, а в бесстыковом — 700 млн т брутто. Из пути ежегодно изымается
120 тыс. дефектных и остродефектных рельсов, из них 50 тыс. — ос-
тродефектных. Ежегодно под поездами ломается около 50—100 рель-
сов. Число пропущенных остродефектных рельсов при дефекто-
скопном контроле достигает 25—40 шт. Основные причины изъятия
остродефектных рельсов, число их изломов и пропусков в 2008 г.
приведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Статистика причин изъятий остродефектных рельсов, их изломов и пропусков в 2008 г.
Причины отказов Общее изъятие Изломы Пропуски
шт. % шт. % шт. %
Контактная усталость 26 235 67,3 22 21 18 51
Термомеханиче- ские повреждения 3305 7,9 3 3 3 9
Дефекты сварки 4535 10.8 37 35 11 31
Содержание стыков 559 13,3 12 11 0 0
Коррозионная усталость 282 0,7 31 30 3 9
Итого 41 948 100 105 100 35 100
33
Основными видами повреждений» деформаций и дефектов рель-
сов являются трещины, отслоения, выкрашивания, смятия, исти-
рания, наплывы, коррозия металла, механические повреждения
рельсов в виде изгибов, пробуксовин, выкола головки или подошвы,
внутренние усталостные дефекты в металле рельса и др.
Интенсивность одиночного выхода рельсов зависит от пропущен-
ного по ним тоннажа (наработка), интенсивности его нарастания
(грузонапряженности), динамических нагрузок от подвижного со-
става конструкции пути и его состояния, плана и профиля пути и
других факторов. На рис. 2.5 приведены зависимости одиночного
отказа нетермообработанных рельсов от пропущенного тоннажа в
прямых и пологих кривых (звеньевой путь на деревянных шпалах).
Рис. 2.5. Зависимость одиночного выхода рельсов («) от пропущенного
тоннажа (Т):
а — на прямых и пологих кривых (для средних условий — деревянные шпалы,
звеньевой путь, рельсы нетермообработанные); б — термообработанные рель-
сы I группы на линии Санкт-Петербург—Москва: /, 2, 3 — на 2-м главном
пути соответственно в середине плети, общее изъятие, на уравнительных про-
летах; 4, 5, 6 — то же на 1-м главном пути
34
Из общего числа отказов элементов пути более 95 % составляют
отказы рельсов, а поэтому они главным образом определяют общую
надежность пути. Отказ рельса вызывается дефектом, при котором
исключается пропуск поездов (полный отказ) или возникает необ-
ходимость в ограничении скорости движения (частичный отказ, на-
пример образование неровностей на поверхности катания головки
и др.), а поэтому при оценке отказа рельсов необходимо учитывать
понятия дефектный и остродефектный рельс.
Дефектный рельс — это рельс, у которого в процессе эксплуатации
произошло, как правило, постепенное снижение служебных свойств
ниже нормативного уровня, однако еще обеспечивается безопасный
пропуск поездов, хотя в ряде случаев уже требуется ограничение ско-
рости движения. Такие рельсы заменяются в плановом порядке. Ре-
жим их эксплуатации до момента устранения дефектов или планово-
го изъятия решается в зависимости от конкретных условий.
Остродефектный рельс — это рельс, представляющий прямую уг-
розу безопасности движения из-за возможного разрушения под по-
ездом или схода колес с рельсов из-за его дефекта. После обнаруже-
ния остродефектный рельс заменяется немедленно. До его замены
движение поездов прекращается.
По дефектности рельсы подразделяются на 9 групп:
1. Отслоения и выкрашивания металла на поверхности катания.
2. Поперечные трещины в головке рельса и изломы.
3. Продольные трещины в головке.
4. Смятие и неравномерный износ головки.
5. Дефекты и повреждения шейки.
6. Дефекты и повреждения подошвы.
7. Изломы по всему сечению подошвы.
8. Изгибы рельсов.
9. Прочие дефекты.
Отказы рельсов по дефектам и изломам зависят от времени года:
минимальный — летом, осенью обычно повышается, а зимой дос-
тигает максимума, что связано с хрупкостью металла при пониже-
нии температуры. В зависимости от плана и профиля пути наиболь-
ший отказ рельсов из-за дефектов возникает в крутых кривых, на
спусках и подъемах.
Причины отказов рельсов можно разделить на две группы: эксп-
луатационные — от неудовлетворительного содержания пути и со-
35
стояния подвижного состава, заводские — дефекты, возникшие при
изготовлении рельсов. Все дефекты имеют соответствующий код.
Наиболее распространенными и опасными дефектами рельсов
являются соответствующие следующим кодам:
— код 20.1 и 20.2 — поперечная трещина в головке (рис. 2.6, 6) в
виде светлых или темных пятен и излома из-за них, вызванные внут-
ренними пороками (флокенами, газовыми пузырями и др.);
— код 21.1 и 21.2 — то же, вызванные недостаточной прочностью
металла (рис. 2.6, а\
— код 30.1 и 30.2 — вертикальное расслоение головки из-за остат-
ков усадочной раковины (рис. 2.7);
— код 53.1 и 53.2 — трещины в шейке от болтовых и других отвер-
стий в рельсах (рис. 2.8).
Рис. 2.6. Остродефектные рельсы:
а — поперечные сечения (код 21.1 и 21.2): б — общий вид (код 20.1)
36
a
Рис. 2.7. Остродефектные рельсы:
а — поперечные сечения (код ЗОВ. 1 и ЗОВ.2); б — общий вид (код ЗОВ. 1)
Рис. 2.8. Остродефектные рельсы:
а — поперечные сечения (код 53.1 и 53.2); б — общий вид (код 53.1)
37
Рельсы отечественного производства обладают достаточно высо-
кой износостойкостью. Как правило, вертикальный износ головки
рельсов не достигает предельных значений до сплошной смены рель-
сов. Однако наметилась тенденция увеличения интенсивности бо-
кового износа рельсов в крутых кривых. Их отказы на 1 млрд т км
брутто в штуках составили в 1975 г. — 1,1; 1995 г. — 12,8, 1996 г. —
10,7; 1997 г. - 8,2; 1998 г. - 5,5; 1999 г. - 3,4; 2000 г. - 4,3; 2005 - 4,0
(рис. 2.9). Основной причиной интенсивного бокового износа рель-
Рис. 2.9. Количество ежегодных замен рельсов с боковым износом
более 15 мм (шт.)
38
сов считают ухудшение взаимодействия пути и подвижного состава
из-за ослабления контроля за их техническим состоянием. Благода-
ря внедрению передвижных средств смазки гребней колес локомо-
тивов и боковой поверхности головок рельсов тенденцию увеличе-
ния бокового износа рельсов, как и гребней колес, удалось приоста-
новить. Применяются и стационарные путевые лубрикаторы для
смазки рабочей грани рельсов в кривых.
Рельсы Р65К, которые предназначены для укладки в наружные
нити крутых кривых, имеют в 1,5—2,0 раза меньшую интенсивность
бокового износа (см. рис. 2.2). Коробовая кривая поверхности ката-
ния этих рельсов очерчена радиусами, мм: 5—10—200—10—5, а у
рельса Р65 — 15—80—500—80—15. Более крутое очертание поверх-
ности катания головки позволяет переместить основную вертикаль-
ную колесную нагрузку от боковой выкружки рабочей грани ближе
к оси головки. Кроме того, увеличен наклон рабочей грани от 1/20 у
рельса Р65 до 3,5/10 — у Р65К. В результате улучшено взаимодействие
рабочих поверхностей гребня колеса и боковой грани головки.
2.2.4. Эксплуатация старогодных рельсов
Все рельсы, лежащие в пути, необходимо различать по следую-
щим признакам. Рельсы первой укладки — это уложенные в главные
пути новые рельсы, имеющие различный уровень наработки тонна-
жа. Старогодные рельсы — рельсы, снимаемые при ремонтах или ре-
конструкции пути.
Старогодные рельсы, в зависимости от их технического состояния,
подразделяются на три группы (I, II и III), а негодные к укладке от-
носят к IV группе. Рельсы перед заменой маркируют светлой масля-
ной краской (рис. 2.10). На рельсах, подлежащих ремонту перед по-
вторной укладкой в путь, дополнительно ставят тире и букву Р.
Эффективность использования снимаемых с пути старогодных
рельсов тяжелых типов можно повысить путем высококачественно-
го их ремонта в стационарных условиях на технологических линиях
рельсосварочных поездов (РСП).
Рельсы тяжелых типов в подавляющем большинстве случаев
имеют повреждения на поверхности катания головки и выкружке
рабочей грани, а шейка и подошва, кроме стыковой зоны, по-
вреждаются редко. Необходима профильная обработка головки, при
которой удаляются дефекты и точки зарождения микротрещин.
39
Рис. 2.10. Образцы маркировки старогодных рельсов:
а — 1 группа годных для укладки в путь без ремонта; б — 11 группа подлежащих
ремонту; в — IV группа негодных для укладки в путь; г — группа покилометро-
вого запаса
Рельсы, снятые из звеньевого пути и уравнительных пролетов
бесстыкового пути при одиночной смене по дефектам или при
сплошной смене, после удаления дефектов при ремонте и сварке в
РСП относятся к разным группам годности в зависимости от про-
пущенного по ним тоннажа, величин износа и повреждений их по-
верхности, а также от вида ремонта — без ремонта или отремонти-
рованных сваркой без профильной обработки головки; отремонти-
рованных сваркой, профильной обработкой головки в РСП.
Все снятые с пути рельсы должны направляться для ремонта в
РСП. Перед отправкой рельсы дефектоскопируются и маркируются
отправителем с указанием дефектных мест. Осмотр и маркировка
рельсов производятся комиссионно, а результаты оформляются ак-
том формы ПУ-81.
Маркировка старогодных рельсов состоит из знаков, определяю-
щих группу годности рельсов, которые указываются на шейке рель-
40
са числом вертикальных линий в соответствии с группой годности,
обозначения комбината изготовителя (К. Т. А) и термического со-
стояния (см. рис. 2.10).
На рельсах типа Р50 и тяжелее I и II групп годности указывается
пропущенный тоннаж в млн т брутто. На рельсах тех же типов и групп
годности, снятых с кривых участков пути радиуса 1000 м и менее,
дополнительно указывается буква К. Рельсы, имеющие дефекты,
маркируются дополнительно в соответствии с Инструкцией по те-
кущему содержанию. Старогодные рельсы всех групп годности, на-
правленные для ремонта, должны иметь в маркировке букву Р (на-
пример Р-1-450-К, Р-11-650). Термически упрочненные рельсы мар-
кируются масляной краской буквой Т
К сварке допускаются старогодные рельсы, удовлетворяющие
требованиям по величине пропущенного тоннажа и износу поверх-
ности катания головки. Согласно ТУ, они должны быть одного типа,
одной группы годности, одинакового термического состояния и с оди-
наковым пропущенным тоннажем (допустимая разница — 50 млн т
брутто). Рельсы переходного профиля разрешается сваривать из рель-
сов разных типов.
Старогодные рельсы укладывают в путь в зависимости от его груп-
пы и категории, а также от группы годности рельсов. Нормативная
длина рельсовых плетей бесстыкового пути — 800 м. Нормативная
длина старогодных отремонтированных сваркой рельсов для звень-
евого пути должна быть 25 и 12,5 м. Отклонения по длине плетей
бесстыкового пути не должна превышать ±30 мм, а для рельсов 25 и
12,5 м — ±6 мм. По концам рельсовых плетей и уравнительных рель-
сов должно быть просверлено по три болтовых отверстия по схеме,
соответствующей данному типу рельсов.
Нормативная наработка старогодных рельсов Р65 в зависимости
от грузонапряженности и категорий пути достигает 300—800 млн т
брутто, а рельсов Р50 и Р43 соответственно 300 и 200 млн т брутто.
Нормативная наработка для рельсов Р50 — 300 млн т, а Р43 —
200 млн т. Нормы уменьшаются на 5 % для участков пути с особой
интенсивностью движения пригородных и пассажирских поездов
(100 и более поездов в сутки по одному пути); на линиях движения
пассажирских поездов со скоростями более 120 км/ч; на участках
применения рекуперативного торможения (для групп путей А, Б, В);
на участках, где средняя осевая нагрузка превышает 17 кН (при
41
скорости более 60 км/ч). На участках пути с неупрочненными рель-
сами нормы уменьшаются: при скорости до 80 км/ч на 30 %, а более
80 км/ч — на 50 %.
2.3. Повышение надежности рельсов
2.3.1. Основные термины и определения надежности рельсов
Надежность пути и его основного элемента рельса — свойство со-
хранять в установленных пределах значения всех параметров, опре-
деляющих способность выполнять требуемые функции (безопасный
и бесперебойный пропуск поездов с установленными скоростями)
в заданных условиях эксплуатации.
Различают четыре возможных состояния пути и в первую очередь
рельса.
Работоспособное состояние — состояние без отступлений от норм
и допусков содержания или с отступлениями от указанных норм и
допусков, если обеспечивается безопасный пропуск поездов с уста-
новленными скоростями.
Частично работоспособное состояние — состояние с отступле-
ниями от норм и допусков его содержания, но обеспечивающее
безопасный пропуск поездов с ограниченной скоростью. Значе-
ния параметров, при достижении которых ограничивается ско-
рость, регламентированы нормативно-технической документа-
цией.
Неработоспособное состояние — состояние, при котором значе-
ние хотя бы одного параметра, характеризующего способность бе-
зопасно пропускать поезда, не соответствует требованиям норматив-
но-технической документации. При этом состоянии пути движение
поездов не допускается.
Предельное состояние — состояние, при котором дальнейшая эк-
сплуатация без капитального ремонта (обновления верхнего строе-
ния пути) недопустима по безопасности движения поездов или по
экономическим соображениям.
Наработка — количество пропущенного по пути груза, млн т
брутто.
Долговечность или ресурс — свойство сохранять работоспособное
состояние до наступления предельного состояния при установлен-
ной системе текущего содержания и ремонтов.
42
Ремонтопригодность — свойство пути, заключающееся в приспо-
собленности к предупреждению и обнаружению причин возникно-
вения его отказов и повреждений, а также поддержанию и восста-
новлению его работоспособного состояния вследствие проведения
предусмотренных нормативно-технической документацией текущего
содержания и ремонтов.
Основным показателем надежности рельсов является интенсив-
ность их отказов. Различают следующие виды отказов.
По объему нарушения случается частичный и полный отказ.
Частичный отказ — частичное местное нарушение работоспособ-
ности (дефектный рельс), требующее местного ограничения скоро-
сти до ликвидации отказа.
Полный отказ — полное местное нарушение работоспособности
(остродефектный или лопнувший рельс), требуется ограждение сиг-
налами остановки до ликвидации отказа.
По времени возникновения и степени влияния на перевозочный
процесс различают постепенный и внезапный отказ:
постепенный отказ развивается вследствие постепенного измене-
ния одного или нескольких параметров (постепенный износ рель-
сов, процесс усталости металла рельса и др.);
внезапный отказ выражается во внезапном изменении одного или
нескольких параметров до величины, превышающей допускаемое
значение.
По связи с производственным процессом различают следующие
виды отказов:
производственный отказ, являющийся следствием недостатков
технологии изготовления рельсов (флокены, газовые пузыри, воло-
совины в рельсах, остаточные напряжения и др.);
технологический отказ, предусмотренный технологическими про-
цессами ремонта и содержания пути (износ рельсов, провисшие сты-
ки и др.), в основном — это частичные отказы;
технический отказ, возникающий в результате накопления в про-
цессе эксплуатации усталостных и износных повреждений и оста-
точных деформаций пути при соблюдении действующей норматив-
но-технической документации по его содержанию;
эксплуатационный отказ, появляющийся в результате наруше-
ния установленных правил эксплуатации пути и его текущего со-
держания.
43
2.3.2. Комплексное исследование рельсов
Комплексное исследование рельсов для повышения их надежно-
сти проводится по этапам:
- лабораторные испытания, выполняемые на стандартных об-
разцах;
— стендовые натурные испытания при статических, динамичес-
ких и ударных нагрузках на полнопрофильных отрезках рельсов;
- полигонные испытания на Экспериментальном кольце ВНИ-
ИЖТ (станция Щербинка);
- эксплуатационные испытания на опытных участках железных
дорог.
За 40 лет работы Экспериментального кольца на нем испытано
более 100 опытных партий рельсов и несравненно больше испыта-
но их на сети железных дорог в различных эксплуатационных усло-
виях. Только такие комплексные исследования позволили вырабо-
тать многие технические решения, существенно повысившие надеж-
ность рельсов отечественного производства. Отметим наиболее важ-
ные технические решения.
2.3.3. Способы повышения качества рельсового металла
Упрочняющая термическая обработка рельсов. В 1960—70 гг. про-
изводились сравнительные испытания рельсов, подвергнутых сле-
дующим видам обработки:
— объемная термообработка в масле после объемного печного
нагрева с последующим печным отпуском;
— поверхностная термообработка водовоздушной смесью после
поверхностного индукционного нагрева;
- поверхностная термообработка водой после печного нагрева.
Полигонные испытания показали, что наиболее высокие и ус-
тойчивые показатели имели рельсы с объемной закалкой и после-
дующим отпуском, произведенные на Кузнецком металлургическом
комбинате (КМК).
В результате закалки твердость рельсов увеличилась в среднем
с 270 до 355 НВ, временное сопротивление (предел прочности)
с 970 до 1270 МПа, пластичность (относительное уменьшение сече-
ния) с 12 до 35 %. Эксплуатационная стойкость объемно закален-
ных рельсов в 1,5 раза выше, чем «сырых». Однако при этом изменилась
44
структура дефектов — уменьшились отказы рельсов из-за повреж-
дений шейки и подошвы, но существенно увеличились отказы по
дефектам в головке.
ГОСТ Р 51685-2000 «Рельсы железнодорожные» предусматрива-
ет четыре категории качества рельсов: термообработанные катего-
рии В, Т1 и Т2; нетермобработанные категории Н.
Твердость термообработанных рельсов должна отвечать нормам,
указанным в табл. 2.5.
Таблица 2.5
Твердость термообработанных рельсов, НВ
Место определения твердости Твердость рельса для категории
В Т1 Т2
На поверхности катания головки 363—401 341-401 321-401
На глубине 10 мм от поверхности катания 341 341 321
На глубине 20 мм от поверхности катания 341 321 300
В шейке и подошве Не более 388
Примечание. Разность значений твердости на поверхности катания одного
рельса не должна превышать 30 НВ.
Переход от объемной термообработки рельсов в масле к диффе-
ренцированной термооработке с охлаждением водовоздушной смесью.
При объемной термообработке снижается ударная вязкость ме-
талла в подошве рельса, и он становится более хрупким. Кроме того,
охлаждение рельса в масле является экологически вредным процес-
сом. На передовых зарубежных рельсопрокатных комбинатах при-
нята дифференцированная термообработка рельсов с охлаждением
водовоздушной смесью или только воздухом. На такую технологию
переходят и отечественные комбинаты.
Уменьшение уровня остаточных напряжений в термообработан-
ных рельсах. В случае появления продольной трещины по болтовым
отверстиям или под головкой рельса возникает большое расхожде-
ние паза, что представляет серьезную угрозу безопасности движе-
ния поездов. Раскрытие паза необходимо исключить или, по мень-
шей мере, уменьшить. По требованию ГОСТ Р 51685-2000 в тер-
45
мообработанных рельсах не допускаются остаточные напряжения,
приводящие к расхождению паза на торце 400-мм пробы более чем
2,0 мм — для рельсов категории В; 2,5 мм — для рельсов категории
Т1; 3,0 мм — для рельсов категории Т2.
Повышение содержания углерода в рельсовой стали. Полигонные
испытания объемно-закаленных рельсов с содержанием углерода до
0,83—0,87 % (по стандарту — 0,71—0,82 %) показали, что их ресурс,
лимитируемый контактной усталостью, повышается на 25—39 %.
Эксплуатационные испытания позволили установить, что износо-
стойкость таких рельсов повышается также на 25—30 %.
Повышение чистоты рельсовой стали путем уменьшения неметал-
лических включений. Загрязненность рельсовой стали неметалличес-
кими включениями оценивают по наибольшей длине строчечного
скопления глинозема. Строчка может быть длиной от 0 до 2 мм у
рельсов 1-й группы и от 2 до 8 мм у рельсов 2-й группы. В эпицент-
рах внутренних продольных трещин в рельсах обнаруживали строч-
ки скопления неметаллических включений длиной более 15 мм.
Строчки такой длины способствуют развитию дефектов контактно-
усталостного происхождения.
Для уменьшения скоплений неметаллических включений нача-
ли широко внедрять промышленное раскисление, микролегирова-
ние и модифицирование рельсовой стали комплексными ферроспла-
вами на основе кремния, содержащими щелочноземельные элемен-
ты (кальций, барий, натрий) и нитродообразующие добавки (вана-
дий, титан, цирконий). После раскисления рельсовой стали такими
ферросплавами (вместо традиционно применявшегося алюминия)
строчки оксидов глинозема и глинозема, сцементированного сили-
катами, длиной более 2 мм были исключены (выполнено требова-
ние ГОСТ 24182-80).
Наиболее эффективны рельсы КМ К, модифицированные вана-
дием — доля их отказов уменьшилась в 1,5 раза. Повысилось каче-
ство и рельсов завода «Азовсталь», модифицированных титаном, —
отказы уменьшились в 1,25 раза.
ГОСТ Р 51685-2000 лимитирует длину строчек хрупко разрушен-
ных сложных окислов (алюминатов, силикатов, шпинелей и др.) раз-
мерами не более 0,5 мм — для категории В; 4,0 мм — для категории
Т1; 8,0 мм — для категории Т2 и Н.
46
Противофлокенная обработка рельсовой стали проводится в соот-
ветствии с ГОСТ Р 51685-2000, которым флокены в рельсах не до-
пускаются. Для этого предусмотрены следующие способы противо-
флокеной обработки рельсовой стали: вакуумирование стали; конт-
ролируемое охлаждение; изотермическая выдержка.
Переход от производства рельсов из мартеновской стали (М) к кис-
лородно-конверторной (К) и электростали (Э). Производство стали в
конверторах сопровождается существенно более быстро протекаю-
щими процессами, чем в мартеновских печах.
До недавнего времени на КМ К сталь выплавляли только в мар-
теновских 420-тонных печах. В настоящее время в одном из цехов
освоено производство высококачественной ванадийсодержащей
рельсовой стали марок Э76В, НЭ76В в дуговых печах ДСП-100И7 с
трансформатором мощностью 80 MB A. Печи дополнительно обо-
рудованы газокислородной дверной горелкой, сводовой водоохлаж-
даемой кислородной фурмой и установкой для вдувания углеродо-
содержащих материалов.
Разработанная в России технология изготовления рельсов низ-
котемпературной надежности из электростали (Р65НЭ) не преду-
сматривает использования азотосодержащих ферросплавов. Содер-
жание фосфора и серы минимальное (суммарная доля не более
0,045 %). Стандарты Англии, Канады, США допускают содержа-
ние фосфора до 0,050 % и серы до 0,045 %, а Японии соответствен-
но — до 0,045 и 0,35 %.
Рельсы, полученные из электростали, особенно при непрерыв-
ном литье, чище, чем из мартеновской. Они содержат значительно
меньше неметаллических включений всех видов. Средняя длина
строчек глинозема, нитритов и карбонитритов алюминия не превы-
шает 0,5 мм, а длина строчек пластичных силикатов в 1,5—2,0 раза
меньше, чем в мартеновской стали, также намного меньше сульфид-
ных включений.
Переход от разливки рельсовой стали в слитки к непрерывной раз-
ливке. В 1997 г. на КМ К приступили к промышленному выпуску
рельсов из кислород но-конверторной стали с последующей их раз-
ливкой на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Дос-
тигнуто эффективное управление процессом кристаллизации рель-
совой стали, повышение качества поверхности заготовок, получе-
ние более мелких размеров неметаллических включений по сравне-
47
нию с традиционными способами разливки стали. В начале внедре-
ния новой технологии были опасения, что уменьшится степень об-
жатия при прокате рельсов из заготовок сечением 300x330 мм по
сравнению с прежней технологией прокатки слитков. Однако при
испытаниях были получены положительные результаты.
Повышение содержания азота. Новая технология применялась при
создании рельсов для железных дорог Сибири, условия эксплуата-
ции на которых на 30—35 % тяжелее, чем в европейской части Рос-
сии. Рельсы низкотемпературной надежности изготовляются из ва-
надий-ниобий-боросодержащей стали, легированной азотированны-
ми ферросплавами. В результате взаимодействия азота с имеющими-
ся в рельсовой стали нитритообразующими элементами возникали
нитриды и карбонитриды, которые приводили к измельчению зерна.
При этом увеличилась ударная вязкость, в том числе и при понижен-
ной температуре. Достигнуты прочностные характеристики: предел
прочности 1340 Н/мм2, предел текучести — 991 Н/мм2 и относи-
тельное удлинение 10,5 %, что полностью удовлетворяет требова-
ниям ГОСТ Р 51685 соответственно 1230 Н/мм2, 885 Н/мм2 и 6 %).
Годы
Рис. 2.11. Объемы поставки рельсов повышенного качества и снижение их
отказов в эксплуатации:
а — рельсы категории Т1; б — рельсы низкотемпературной надежности; в —
рельсы повышенной надежности для скоростного совмещенного движения;
г — рельсы повышенной изломостойкости
48
Поэтапное внедрение комплекса технологических операций в
сталеплавильном производстве позволило значительно повысить
контактно-усталостную прочность рельсов. В результате поставки
рельсов категории качества Т1 интенсивность отказа рельсов в пе-
риод 1960—1970 гг. снизилась с 2,7 до 1,8 шт./км, а за счет укладки
рельсов низкотемпературной надежности, повышенной прямолиней-
ности и износостойкости интенсивность отказов рельсов к 2000 г.
снизилась до 1,2 шт./км (рис. 2.11). Эти и другие работы позволили
приблизить качество отечественных рельсов к зарубежным и суще-
ственно снизить число отказов в 2007 г. до 1,0 шт./км.
2.3.4. Способы повышения качества отделки рельсов и улучшения
их геометрических параметров
Упрочнение болтовых отверстий. Отказы рельсов по дефекту
53.1 (трещины в шейке от болтовых отверстий в рельсе) считают-
ся одними из наиболее опасных. Это объясняется, во-первых, не-
возможностью их обнаружения в большинстве случаев из-за
малой величины трещин (менее 10 мм), а во-вторых, при изломе
рельса образуется много кусков (до 10—20 кусов на 1 м). Дефект
связан с некачественным изготовлением отверстий, снятием фа-
сок, отсутствием упрочнения болтовых отверстий, недостатками
конструкции стыка, а также плохим содержанием стыков.
Упрочнение металла болтовых отверстий в объемно-закаленных
рельсах производят на рельсосверлильных станках СТР2 и СТРЗ.
При этом снимают фаски с обеих сторон отверстия одновременно
за один проход специальным инструментом — фаскосъемником и
упрочняют болтовое отверстие шариковой раскаткой. При испы-
таниях на Экспериментальном кольце в рельсах без упрочнения
болтовых отверстий отказы достигали 25—70 % от общего числа
отказов, тогда как после упрочнения отверстий методами пласти-
ческого деформирования отказов рельсов по дефекту 53.1 не отме-
чалось.
Способы улучшения геометрических параметров рельсов. С 1997 г.
Департамент пути и сооружений ужесточил ряд технических требо-
ваний по улучшению геометрических параметров рельсов и особен-
но поверхности катания головки. С этой целью осуществлен пере-
ход на новую методику контроля искривленности концов рельсов.
Вместо линейки длиной 1 м применяется линейка длиной 1,5 м. Из-
49
мерения производятся по хорде (вместо касательной). Запрещается
искривление концов рельсов в вертикальной плоскости.
ГОСТ Р 51685-2000 оценивает прямолинейность рельсов по
следующим параметрам.
Стрела прогиба рельсов в горизонтальной и вертикальной плоско-
стях при равномерной кривизне по всей длине не должна превышать:
1/2500 длины — для рельсов категории В;
1/2200 длины рельса — для категории Tl, Т2 и Н.
Отклонения концов рельсов от прямолинейности (мм) в верти-
кальной и горизонтальной плоскостях на базовой длине 1,5 м не
должны превышать значений, указанных в табл. 2.6, в зависимости
от категории рельса.
Таблица 2.6
Отклонения от прямолинейности концов рельсов
Направление отклонения (метод измерения) Отклонения от прямолинейности, не более мм
В Т1 Т2 н
Вверх (по хорде) 0,5 0,7 0,8 0,8
Вниз (по касательной) Не допускается 0,2 0,2 0,2
По горизонтали (по хорде) 0,5 0,5 1,0 0,5
Примеры условного обозначения рельсов по ГОСТ-Р 51685-2000
Условные обозначения легирования: Ф — ванадием, С — крем-
нием, X — хромом, Т — титаном.
Рельс Р65-Т1-М76Т-25-3/2 — типа Р65, категории Т1, из марте-
новской стали с содержанием 0,76 % углерода и легированной тита-
ном, длиной 25 м, с тремя болтовыми отверстиями на обоих концах
рельса.
Рельс Р65-В-Э76Ф-25-0 — типа Р65, категории В, из электроста-
ли с 0,76 % углерода и легированной ванадием, длиной 25 м, без
болтовых отверстий на концах рельсов.
2.3.5. Перспективы повышения надежности работы рельсов
Современные требования Российских железных дорог к качеству
рельсов непосредственно связаны с условиям эксплуатации и стра-
50
тегии развития железнодорожного транспорта. Первый этап стратегии
развития железнодорожного транспорта, рассчитанный на 2008—
2015 гг., предусматривает коренную модернизацию производствен-
ной базы основных поставщиков отрасли и снятие ограничений в
пропускных и провозных способностях для того, чтобы обеспечить
растущий спрос на грузовые и пассажирские перевозки.
Уже сегодня объем грузовых перевозок превышает 1,4 млрд т в
год, а к 2030 г. грузооборот увеличится в 1,7 раза, что требует зна-
чительного повышения ресурса рельсов. Если сегодня ресурс рель-
сов отечественного производства, уложенных на прямых участках
пути, составляет (по данным ВНИИЖТ) 600—800 млн т брутто, то
в новых условиях эксплуатации он должен быть срочно повышен
до 1500 млн т брутто. Если сегодня ресурс рельсов, уложенных в
пологих кривых, составляет 300—500 млн т брутто, то его необхо-
димо повышать до 1000 млн т брутто. И наконец, в крутых кривых
ресурс рельсов должен быть повышен со 150—250 до 500 млн т брут-
то. К 2015 г. уровень аварийности рельсов по бракам должен сни-
зиться до 65—76 %, а к 2030 г. — до 43—50 % по сравнению с 2006 г.
Стратегические ориентиры в пассажирских перевозках обуслов-
ливают необходимость значительного увеличения маршрутной ско-
рости движения пассажирских поездов во многих регионах России
и сооружения высокоскоростных линий. Это требует от металлур-
гической промышленности освоения производства рельсов, по ко-
торым возможно движение со скоростями до 350 км/ч. При этом
для уменьшения числа сварных швов необходимо перейти от ис-
пользования рельсов длиной 25 м к выпуску рельсов длиной 50—
100 м.
В недалеком прошлом при всеобщей унификации практически
на всей сети ОАО «РЖД» вне зависимости от грузонапряженности,
скорости движения, плана и профиля пути, климатических условий
использовались только объемно-закаленные рельсы Р65. Действу-
ющим сегодня стандартом (ГОСТ Р 51685-2000) предусматривается
выпуск только высококачественных рельсов категории В, термо-
упрочненных рельсов обычного качества категории Т1 и нетермо-
упрочненных рельсов категории Н. При этом на практике нетермо-
упрочненные рельсы поставляются только для изготовления стре-
лочных переводов и частично подвергаются поверхностному
термическому упрочнению, рельсы категории В на отечественных
51
металлургических заводах не выпускаются из-за отсутствия совре-
менного оборудования.
В то же время Российские железные дороги в настоящее время и
особенно в перспективе нуждаются в поставках по крайней мере
10 различных категорий рельсов. Д-р техн, наук Шур Е.Я. предложил
классификацию рельсов в зависимости от условий их эксплуатации:
В — подвергнутые дифференцированному термическому упрочене-
нию, из углеродистой или низколегированной стали, требования по
прямолинейности «А» и класс точности профиля «X» по Евронормам
ЕЫ 13674-1:2003;
71 — подвергнутые объемному термическому упрочнению, из угле-
родистой стали, требования по прямолинейности «В» и класс точнос-
ти профиля «У» по Евронормам ЕЫ 13674-1:2003;
НК (НЭ) — низкотемпературной надежности, из кислородно-кон-
вертерной или электростали, подвергнутые объемному или дифферен-
цированному термическому упрочнению, требования по прямолинейно-
сти «А» и класс точности профиля «X»;
И — повышенной износостойкости и контактно-усталостной проч-
ности, подвергнутые объемному или дифференцированному термичес-
кому упрочнению, из заэвтектоидной стали, требования по прямоли-
нейности «В» и класс точности профиля «У»;
СС — для скоростного совмещенного движения, подвергнутые объем-
ному или дифференцированному термическому упрочнению, из углеро-
дистой стали, требования по прямолинейности «А» и класс точности
профиля «X»;
ВС250Т — для высокоскоростного движения со скоростью 250 км/ч,
подвергнутые дифференцированному термическому упрочнению, из
низколегированной стали, требования по прямолинейности «А» и
класс точности профиля «X»;
ВС250Н — для высокоскоростного движения со скоростью 250 км/ч,
нетермоупрочненные из низколегированной стали, требования по пря-
молинейности «А» и класс точности профиля «X»;
ВСЗОО — для высокоскоростного движения со скоростью 300 км/ч,
нетермоупрочненные из углеродистой или низколегированной стали,
требования по прямолинейности «А» и класс точности профиля «X»;
ВС350 — для высокоскоростного движения со скоростью 350 км/ч,
нетермоупрочненные из низколегированной стали, требования по пря-
молинейности «А» и класс точности профиля «X»;
52
Н — нетермоупрочненные, из углеродистой или низколегированной ста-
ли, требования по прямолинейности «И» и класс точности профиля «У».
Существенным прогрессом в рельсовом хозяйстве ОАО «РЖД»
явился переход с 2000 г. на заказ и поставку в промышленных масш-
табах на сеть железных дорог рельсов категорий НК (НЭ) и СС, а
также первых пробных партий рельсов категории И по специальным
техническим условиям с повышенными техническими требования-
ми по сравнению с ГОСТ Р 51685-2000.
В 2010-е гг. объемы этих заказов и поставок специальных катего-
рий рельсов уменьшились в связи с тем, что пока не удалось убеди-
тельно показать, какой экономический эффект получают железные
дороги от применения рельсов НК (НЭ) и СС вместо рельсов кате-
гории TI, а также определить зоны обязательного применения.
О том, что железные дороги остро нуждаются в повышении экс-
плуатационной стойкости рельсов, свидетельствуют следующие дан-
ные. В 2006 г. изъято 121 820 рельсов, в том числе 44 658 остроде-
фектных, представляющих потенциальную угрозу для безопасности
движения поездов. При этом 2500—4000 рельсов были изъяты до
пропуска по ним тоннажа, оговоренного в гарантии на рельсы. Наи-
большую опасность представляли 115 рельсов, сломавшихся под ко-
лесами поездов. Информация заводов-изготовителей об изъятии из
эксплуатации рельсов, подпадающих под действие «Условий га-
рантии», не налажена. В то же время в международном стандарте
1ЛС 860-3 четко прописаны следующие условия гарантии: «Не поз-
же 31 марта каждого года поставщик должен быть уведомлен о лю-
бом изъятии из эксплуатации рельсов, на которые распространяет-
ся гарантия (5 лет) и замененных в течение предыдущего года». Не-
обходимо в кратчайшие сроки пересмотреть отечественные «Усло-
вия гарантии», предусмотрев в них оплату дефектных рельсов,
транспортные расходы и расходы на замену дефектных рельсов в
денежном выражении. Решение о коде дефекта (и таким образом
об основной причине образования дефекта) можно принимать на
основе анализа цифровой фотографии, переданной по Интернету.
Важным этапом в улучшении рекламационной и претензионной
работы железных дорог и заводов-производителей должны стать
новая классификация и каталог дефектов рельсов, разработанные
ВНИИЖТом в 2007 г. Основные изменения, внесенные в действую-
щую классификацию дефектов рельсов, сводятся к следующим:
53
— все изломы выделены в одну группу,
— для основных дефектов введено разделение на образовавшиеся «до»
и «после» гарантии',
— введен дефект «контроленепригодные рельсы»',
— рельсы с продольными трещинами отнесены не к остродефект-
ным, а к дефектным',
— приведены конкретные критические размеры для ряда дефектов',
— предусмотрен обязательный долом всех остродефектных рельсов,
снятых по показаниям дефектоскопов',
— расширена установка накладок (ив случае обнаружения трещин в
подошве)',
— введен раздел с нормативами для рельсов на участках скоростно-
го движения',
— изменены нормы по скоростям пропуска поездов после обнаруже-
ния дефектных рельсов.
Разработка конкретного набора технических требований к рель-
сам, необходимых для российских железных дорог, основывается
на широких лабораторных, стендовых, полигонных и эксплуата-
ционных испытаниях не только рельсов отечественного производ-
ства, но и поставляемых металлургическими заводами Германии,
Японии, Франции, Австрии. Сравнение качества российских рель-
сов производства Новокузнецкого металлургического комбината
(НКМК) и Нижнетагильского металлургического комбината
(НТМК), выпускающими приблизительно равноценную продук-
цию, с лучшими образцами зарубежных рельсов свидетельствует о
том, что термически упрочненные рельсы отечественного произ-
водства уступают аналогичным рельсам зарубежного производства
в 2 раза по чистоте стали, прямолинейности и ресурсу.
Проведенные ВНИИЖТом полигонные испытания показали,
что главный интегральный показатель — 80%-й ресурс — наибо-
лее представительных партий отечественного производства был
равен 500 млн т брутто. В этих же условиях эксплуатации 80%-й
ресурс лучших партий рельсов производства японских и француз-
ских заводов был равен 1000 млн т брутто. То же соотношение (2:1)
показывает опыт использования импортных и отечественных рель-
сов на Октябрьской железной дороге.
Эксплуатация рельсов импортного производства в реальных ус-
ловиях отечественных железных дорог подтвердила, что заметное
54
преимущество исходного качества импортных рельсов категории В
по сравнению с рельсами отечественного производства категории Т1
привело к тому, что после пропуска более 200 млн т брутто удельное
одиночное изъятие рельсов категории В было в 2,3 раза меньше, чем
у рельсов категории Т1 (0,9 и 2,1 %).
Неблагополучная ситуация со сварными и эксплуатационными
дефектами не позволила максимально использовать преимущества
импортных рельсов категории В. Если бы не было повышенного
выхода импортных рельсов категории В по сварным дефектам, их
ресурс по сравнению с отечественными рельсами категории Т1 мог
быть повышен не в 1,7, а в 2,5 и более раз.
Ведется разработка нового стандарта на рельсы для российских
железных дорог, который должен включить в себя лучшие достиже-
ния в соответствии с ГОСТ Р 51685-2000 и всеми техническими ус-
ловиями, разработанными начиная с 2000 г. на рельсы категорий НК
(НЭ), СС, И и ВС, а также быть гармонизированным с Евронормами
ЕЫ 13674-1:2003, стандартом канадских железных дорог (СЫ 12-16с),
стандартом CLUA(AREMA, версия 2003 г). ВНИИЖТопределил тех-
нические требования к рельсам 10 категорий, которые должны вой-
ти в новый стандарт:
— временное сопротивление в зависимости от наличия и вида терми-
ческого упрочнения должно быть более 700—900 Н/мм2, наиболее высо-
ким временным сопротивлением должны обладать рельсы категории И\
— относительное удлинение в зависимости от наличия и вида тер-
мического упрочнения должно быть более 9—12 %;
— ударная вязкость в зависимости от наличия и вида термического
упрочнения должны быть более 15—25Дж/см2',
— остаточные напряжения, контролируемые по величине раскры-
тия паза, должны быть менее 1,5—2 мм',
— высота падения груза при копровых испытаниях при температу-
ре минус 60 ° С должна быть более 5 м\
— прямолинейность рельсов в зависимости от их категории должна
соответствовать классу «А» или «В» по ЕЫ 13674-1:2003',
— класс точности профиля рельсов в зависимости от их категории
должен соответствовать классу «X» или «У» по ЕЫ 13674-1:2003’,
— твердость на поверхности катания и на глубине 10 мм в рельсах
категории В должна составлять 363—401 НВ, а в рельсах катего-
рии И — от 375 до 401 НВ',
55
- твердость на глубине 20 мм должна составлять 341—388 НВ;
— колебания твердости по длине рельсов не должны превышать 30 НВ;
— структура металла во всех категориях рельсов должна быть од-
нотипной (перлитной), мартенсит и бейнит не допускаются, вопрос о
предельных размерах зерна и перлитных колоний требует проведения
дополнительных исследований.
По аналогии с лучшими мировыми стандартами ВНИИЖТ ре-
комендует включить в новый стандарт квалификационные испыта-
ния, которые будут периодически производиться при стабильной
технологии производства, а также сопровождать все важные изме-
нения в технологии производства рельсов. В процессе их проведе-
ния должны проверяться важные параметры механики разрушения
рельсов, определяемые при натурных испытаниях и при испытании
специальных образцов:
— критическая величина коэффициента интенсивности напряже-
ний в зависимости от категории рельсов;
— скорость распространения усталостной трещины;
— долговечность при циклическом растяжении-сжатии;
— условный предел выносливости натурных образцов полнопрофиль-
ных рельсов при натурных испытаниях.
В качестве обязательного требования в новый стандарт важно
включить прохождение всеми рельсами трех видов неразрушающе-
го контроля на отсутствие внутренних и поверхностных дефектов и
прямолинейности. При этом необходим лазерный контроль, приня-
тый на большинстве заводов мира, или использование устройства
«Элекон», применяемого на отечественных рельсопрокатных ком-
бинатах.
Без коренной реконструкции рельсового производства на обоих
отечественных рельсопрокатных комбинатах нельзя будет суще-
ственно повысить качество и ресурс российских рельсов. Рельсовая
комиссия из представителей ОАО «РЖД», НТМК, КМ К и др. опре-
делила краткий список оборудования, без замены которого невоз-
можно выполнение современных, тем более перспективных требо-
ваний ОАО «РЖД» к рельсам:
— универсальные прокатные станы;
— оборудование для первичного и вторичного гидросбива окалины;
— оборудование для дифференцированной закалки с прокатного или
отдельного нагрева;
56
— гидравлические прессы для правки с лазерным измерением прямо-
линейности'.
— оборудование для сплошного контроля внутренних и поверхност-
ных дефектов',
— оборудование для компьютеризации всех операций.
На рис. 2.12, а показана схема современного технологического
процесса производства рельсов, начиная от выплавки стали и за-
канчивая складированием и отгрузкой рельсов. Последовательность
операций при дифференцированной термообработке рельсов пока-
зана на рис. 2.12, б. Планируется рядом с рельсопрокатным цехом
расположить рельсосварочный цех, в который со склада готовой
продукции поступают рельсы длиной 100—120 м и свариваются в
плети как можно большей длины. После необходимого контроля
рельсовые плети специальными рельсовозными составами достав-
ляются к местам укладки.
Наиболее сложной задачей является создание оборудования для
нового метода дифференцированной термической обработки рель-
сов. Для создания нового метода упрочнения рельсов необходимо:
— получить прямые рельсы с низкими остаточными напряжениями'.
— увеличить прокаливаемость головки',
— увеличить управляемость процессом закалки',
— получить возможность термически обрабатывать рельсы из
низколегированной стали',
— исключить масло из технологического процесса упрочнения рельсов.
Поставки в небольших объемах на железные дороги России в
1995—1999 гг. (всего 71,3 тыс. т) импортных рельсов повышенной
прочности и прямолинейности в значительной мере стимулировали
достаточно быстрое освоение производства на отечественных заво-
дах-производителях рельсов для скоростного совмещенного движе-
ния; внедрение установок для внепечной обработки жидкой рельсо-
вой стали, включая вакуумирование; освоение современного нагре-
вательного оборудования, а также станков для механической обра-
ботки при изготовлении прокатных валков; введение сплошного
контроля прямолинейности рельсов. Этот опыт показывает, что по-
вышение конкуренции на российском рельсовом рынке будет спо-
собствовать проведению дальнейшей реконструкции отечественных
рельсопрокатных заводов в части прокатки, термической обработ-
ки, отделки и контроля железнодорожных рельсов.
57
C/i
о©
Доменная
печь
Кислородный
конвертер
Установка
печь—ковш
Вакууматор
Установка
дифференцированной
термообработки
Машина
непрерывного
литья заготовок
Чистая Промежуточная Черновая Заготовочный
клеть клеть клеть стан
Методическая печь
Рол и коправйл ьная
машина
Вихре- Ультра- Линия сверл ил ьно- Правильные Осмотри Складирование
токовый звуковой отрезных станков прессы приемка и отгрузка
контроль контроль
Индукционный Охлаждение
нагрев сжатым воздухом
Охлаждение
водой
Роликовая
рихтовочная машина
• ••••
• • • • Выход
Рис. 2.12. Производство рельсов:
а — схема современного технологического процесса; б — принципиальная схема установки для термообработки
головки рельсов
Контрольные вопросы
1. Назначение рельсов, их типы и требования к ним.
2. Материал для рельсов и способы повышения их качества.
3. Основные причины отказа рельсов и способы повышения их
надежности.
4. Использование старогодных рельсов.
Глава 3. РЕЛЬСОВЫЕ СКРЕПЛЕНИЯ
ЗЛ. Назначение скреплений и требования к ним
Скрепления делятся на две группы — промежуточные и стыко-
вые. Промежуточные скрепления соединяют рельсы с их опорами, а
стыковые — рельсы друг с другом.
Промежуточные скрепления должны:
1) длительно обеспечивать неизменность ширины колеи;
2) допускать регулировку положения рельсовых нитей по высоте
и в плане;
3) надежно закреплять рельсы от угона;
4) должны обладать пружинящими свойствами (пружинностью),
обеспечивая оптимальную пространственную упругость пути и на-
дежную упругую связь рельсов с опорами;
5) иметь минимум деталей, быть простыми, надежными и недо-
рогими в изготовлении, удобными при монтаже и эксплуатации;
6) быть экономичными.
Первое требование важно и очевидно; оно прямо связано с безо-
пасностью движения поездов.
Второе отвечает требованию целесообразности регулировки ши-
рины колеи без перешивки рельсовых нитей. Это особенно важно
для пути с железобетонными шпалами (вообще с железобетонным
подрельсовым основанием), так как отверстия в шпалах под кре-
пления устраиваются при изготовлении шпал и, следовательно, стро-
го фиксированы. Неточности в расположении отверстий могут при-
вести к появлению извилистости рельсовых нитей в плане. Для ее
устранения нужно, чтобы конструкция скреплений давала воз-
можность производить регулировку положения рельсовых нитей в
плане, не производя перешивку. Такая регулировка позволяет изме-
нять ширину колеи при ее уширении вследствие бокового износа
головки рельса или при смене на том же железобетонном подрель-
совом основании рельса одного типа на другой. Решение регули-
ровки ширины колеи за счет конструкции скреплений — одно из
60
наиболее сложных. Задача осложняется тем, что регулировку ши-
рины колеи в период между ремонтами и выправку положения рель-
совых нитей по высоте приходится производить в узлах скрепле-
ний, не трогая балластный слой.
Третье требование связано с тем, что при движении поезда под
влиянием ряда факторов возникают продольно действующие силы,
вызывающие угон рельсов, иногда со шпалами. Эти силы, которые
принято называть силами угона, должны передаваться от рельсов на
шпалы и далее на балласт. Для этого ставят противоугоны, которые
располагают так, чтобы возможно равномернее по длине пути
передавались силы угона на балласт. Таким образом, добиваются
того, что появляется сопротивление, которое достаточно для удер-
жания шпал от перемещения по балласту, особенно если балласт
между шпалами (в междушпальных ящиках) хорошо уплотнен.
Угон можно предотвратить, используя такие мощные пружинные
промежуточные скрепления, которые сами служили бы надежными
противоугонами. В этом случае поворот сечения рельса при его из-
гибах осуществляется в результате продольной упругой деформации
скрепления, поэтому не происходит перемещение рельса относитель-
но скреплений и, следовательно, угон рельсов.
В современных условиях большой грузонапряженности, высоких
нагрузок от колесных пар подвижного состава и скоростей движе-
ния обязательно выполнение четвертого требования. Важность про-
дольной упругости скреплений показана при рассмотрении третье-
го требования. Кроме того, пружинность скреплений, особенно на
пути с жестким подрельсовым основанием (железобетонные шпа-
лы, блоки), чрезвычайно необходима для выполнения следующих
задач: упруго перерабатывать вертикальные и горизонтальные
поперечные ударные и динамические воздействия колес на рельсы,
гасить высокочастотные вибрации, расстраивающие путь и особен-
но его болтовые соединения; создавать на длительное время оп-
тимальную пространственную упругость пути (в вертикальном,
горизонтальном поперечном и горизонтальном продольном направ-
лениях), практически одинаковую по его протяжению.
Упругость, создаваемая скреплениями, отделяет массу рельса от
остальной части пути аналогично тому, как рессоры отделяют об-
рессоренную массу экипажа от остальной его массы. Это существен-
но снижает силы инерции, образующиеся при проходе колесом тех
61
или иных неровностей, так как ускорения, возникающие при этом,
действуют лишь на необрессоренную массу подвижного состава,
приходящуюся на одно колесо, и необрессоренную массу пути, ко-
торой является рельс в случае, если он находится на упругом эле-
менте. Если же рельс жестко связан с жесткой опорой, то необрес-
соренная масса пути состоит из массы рельса вместе со шпалами;
сила инерции в этом случае резко увеличивается, особенно при тя-
желых подрельсовых опорах. Из этого следует, как важно создавать
требуемую упругость пути в самых верхних его элементах (а под-
вижному составу — в самых нижних).
На обрессоренные же массы подвижного состава и пути действу-
ют силы, равные ординатам их колебаний (связанных с прохожде-
нием колесом неровности), умноженным на соответствующие жест-
кости рессорного комплекта или подрельсовой опоры. Вследствие
этого при более упругих подрельсовых опорах (при близких значе-
ниях ординат колебаний этих опор) возникают меньшие силы до-
полнительного воздействия на них. Однако при большой вертикаль-
ной и горизонтальной поперечной упругости опор увеличиваются
статический изгиб рельсовых нитей под одной и той же нагрузкой и
статическое давление на опору (в сечении под грузом), поэтому дол-
жны быть силы, противодействующие угону пути. Этим объясняет-
ся существование оптимальной пространственной упругости пути,
при которой взаимодействие пути и подвижного состава будет наи-
лучшим, а напряжения, деформации и накопления последних будут
минимальными. Кроме того, неизменная упругая связь элементов
скреплений с рельсами, подрельсовыми опорами и друг с другом с
заданными натяжениями необходима, чтобы обеспечить нормаль-
ную работу узла скреплений, предотвратить неупругие друг относи-
тельно друга колебания рельсов, скреплений, опор и связанные с
этим расстройства узла скреплений. Упругость всех элементов скреп-
лений должна быть такой, чтобы в целом была достигнута требуемая
оптимальная упругость пути и по возможности неизменное длитель-
ное время при любом нагружении опоры (от нуля до максимума).
При этом упругость должна быть двусторонней и пространственной
(по вертикали и горизонтали, поперек и вдоль пути), обеспечивать
гашение высокочастотных вибраций рельсов.
Пятое и шестое требования очевидны. Скрепления должны спо-
собствовать достижению высоких сроков службы всех элементов
62
пути (в частности, они сильно влияют на сроки службы деревянных
шпал) и оптимальных условий их эксплуатации.
Стыковые скрепления должны обеспечить:
— надежность соединения рельсов;
— на электрифицированных участках и участках, оборудованных
автоблокировкой, — наименьшее сопротивление прохождению
электрического тока;
— на границах блок-участков воспрепятствовать прохождению
сигнального тока.
Общие требования к обеим группам скреплений:
— быть малодетальными, простыми и удобными в изготовлении,
монтаже и содержании;
— обладать большим сроком службы;
— обеспечить экономическую эффективность конструкции верх-
него строения пути в целом.
3.2. Стыки и стыковые скрепления
Стыками называют места соединения рельсов друг с другом. Раз-
личают стыки болтовые, сварные, клеевые и клееболтовые. В бол-
товых стыках между концами рельсов, перекрытых накладками,
оставляют зазоры для возможности изменения длины рельсов в зави-
симости от температуры. Вследствие разрыва непрерывности поверх-
ности катания и изменения жесткости рельсовых нитей из-за наличия
зазоров при проходе колес подвижного состава по болтовым стыкам
образуются дополнительные ударно-динамические взаимодействия
колес подвижного состава и пути. Основным показателем такого
взаимодействия могут быть ускорения, обычно измеряемые на буксах.
Стыкование рельсов между собой производится с помощью че-
тырех- или шестидырных накладок и болтов с пружинными шайба-
ми или тарельчатыми пружинами установленных типов.
По конструкции различают стыки болтовые, электроизолирую-
щие и сварные.
В болтовых стыках (рис. 3.1) между концами рельсов, перекры-
тых накладками, оставляют зазоры для возможных изменений длин
обоих рельсов при изменении их температуры. Максимально допус-
тимая величина зазора при рельсах 25 м — 22 мм, при рельсах 12,5 м —
18 мм. При проходе колес через зазор между рельсами возникают
большие ударно-динамические воздействия на стык, поэтому он яв-
63
Рис. 3.1. Стыковое и промежуточное скрепление при рельсах Р65 и Р75
на деревянных шпалах:
1 — подкладка Д65; 2 — гайка М27; 3 — пружинная одновитковая шайба; 4 —
рельс типа Р65; 5 — двухголовая накладка; 6— путевой болт М37х 160; 7— путе-
вой костыль; 8 — прокладка под подкладку
ляется самым напряженным местом в пути. Около 35—50 % затрат
труда по выправке пути связано с наличием стыков в пути, поэтому
естественно стремление к сокращению числа стыков в пути и по-
вышение надежности стыков остающихся в пути.
Электроизолирующие стыки укладываются на границах блок-
участков. Их назначение не пропускать электрический ток (сигналь-
ный и обратный тяговый) с одной рельсовой цепи к другой. Такие
стыки устанавливают в створе с входными, выходными, проходны-
ми и маневровыми светофорами, а также на стрелочных переводах.
64
Сдвижка изолирующих стыков относительно светофора допускает-
ся до 10,5 м по направлению движения и до 2 м против движения.
Сварные стыки обычно образуются электроконтактной или алю-
мотермитной сваркой при изготовлении бесстыковых рельсовых
плетей из рельсов стандартной длины (25 м).
По расположению стыков относительно опор различают стыки
на шпале, на весу и на сдвоенных шпалах. Стык на шпале при про-
ходе колеса оказывается жестким, при этом еще шпала кантуется
(т.е. поворачивается) под колесом, в результате такой стык быстро
расстраивается. Наиболее распространен стык на весу, достоинством
которого является достаточная упругость, поэтому износ рельсовых
концов меньше, чем при других стыках. Изгиб рельсовых концов и
накладок под колесом в таком стыке больше, чем при стыках на опо-
ре. Но для уменьшения величины изгибающего момента расстоя-
ние между осями стыковых шпал устраивают меньше, чем между
осями промежуточных шпал. В пути с рельсами Р50 стыковой про-
лет равен 440 мм, а с рельсами Р65 и Р75 — 420 мм, в то время как
пролеты (расстояния) между осями промежуточных шпал равны
550 мм при 1840 шпалах на 1 км и 500 мм при 2000 шпал на 1 км.
Стык на сдвоенных шпалах обладает наибольшей сопротивляе-
мостью горизонтальным и вертикальным перемещениям, но глав-
ными его недостатками являются большая жесткость и трудность
подбивки балласта под сдвоенной шпалой.
По взаимному расположению стыков на обеих рельсовых нитях
различают стыки по наугольнику (друг против друга), вразбежку и
расположенные бессистемно.
Расположение стыков по наугольнику является стандартным на
железных дорогах России и большинства стран мира. Правильность
положения таких стыков проверяется шаблоном (наугольником).
Один катет прямоугольного треугольника прикладывается к боко-
вой грани головки одного рельса, а на другом катете должны нахо-
диться стыки обеих рельсовых нитей. Забег стыка по одной рельсо-
вой нити относительно стыка другой нити допускается на прямых
не более 8 см, а на кривых — 8 см плюс половина стандартного уко-
рочения рельса (в данной кривой).
Допускаются следующие забеги одного изолирующего стыка от-
носительно другого: на прямых — не более 5 см, а на кривых — 5 см
плюс половина стандартного укорочения рельса.
65
Преимущества стыков по наугольнику, по сравнению со стыками
вразбежку:
— одновременность ударных воздействий колес при проходе сты-
ков, в связи с чем общее количество ударов в два раза меньше;
— центральность ударов, что снижает раскачивание подвижного
состава;
- возможность механизированной укладки пути путеукладчиками.
Стыки вразбежку не требуют применения укороченных рельсов
для их укладки в кривых. Но при таких стыках невозможна укладка
рельсошпальной решетки, заготовленной на звеносборочной базе.
Величина стыковых зазоров меняется в зависимости от измене-
ния температуры рельсов, а поэтому крайне важно при укладке пути
установить оптимальную величину зазоров и содержать их в допус-
тимых пределах. Большие зазоры приводят к усилению динамичес-
кого воздействия колеса на стык, особенно при гнилых или плохо
подбитых шпалах.
Устройство стыковых скреплений. К деталям стыковых скрепле-
ний относятся накладки, болты с гайками и упругими шайбами, спе-
циальные подкладки при устройстве стыков на сдвоенных шпалах,
а также изолирующие и токопроводящие приспособления. Основ-
ными элементами болтовых стыков являются накладки. Почти по-
всеместно они являются распирающими, т.е. как клин входят меж-
ду наклонными плоскостями головки и подошвы рельсов, образу-
ют пазухи. Между накладкой и шейкой рельсов должен быть зазор.
В накладках чередуются круглые и овальные отверстия. В после-
дние входят стыковые болты с овальными подголовниками, меша-
ющими болтам проворачиваться при завинчивании гаек.
Болтовой стык имеет меньшую прочность, чем сварной (изгиб-
ная прочность — 30—40 %. А усталостная — около 25 % от прочнос-
ти целого рельса). Однако характер разрушения при сварном стыке
обычно бывает более опасным. Прочность этого стыка зависит от
дефектности сварки.
По мере развития железных дорог, роста грузонапряженности,
осевых нагрузок и увеличения скоростей движения повышались и
требования к надежности стыка. В первую очередь усиливались на-
кладки, усложнялась форма их поперечного сечения — от плоской к
уголковой, более сложной у накладок-подкладок и, наконец, к двух-
головой (рис. 3.2). При усложнении формы накладок увеличивалась
66
Рис. 3.2. Стыковые скрепления:
а — с плоскими накладками; б — с уголковыми накладками; в — с накладками-
подкладками
их жесткость и сопротивляемость изгибу в вертикальной и горизон-
тальной плоскости.
Современная двухголовая накладка начала применяться в каче-
стве стандартной на железных дорогах СССР с 1945—1946 гг. Пре-
имуществами таких накладок являются простота формы, постоян-
ное сечение по длине; рациональное использование металла по се-
чению.
Надежная работа стыка обеспечивается мощностью накладок,
плотным прилеганием и достаточным прижатием их рабочих гра-
ней к рельсу, длиной накладок, а также усилием затяжки гаек сты-
ковых болтов.
Гайки должны затягиваться с усилием, соответствующим следу-
ющему крутящему моменту:
- с пружинными одновитковыми шайбами при рельсах типов Р65
и Р75 — 600 Н-м, при рельсах типов Р50 — 450 Н-м; при рельсах
типов Р65 и р75 и высокопрочных стыковых болтах (устанавлива-
ются в стыках уравнительных пролетов бесстыкового пути) гайки
затягивают с усилием 1100 Н м;
— с тарельчатыми пружинами при рельсах типов Р65 и Р75 — 350 Н-м,
а в стыках уравнительных рельсов на болты надевают по две тарельча-
тые пружины «одна на одну» и затягивают гайки с усилием 600 Н-м.
Минимально допустимые (в среднем на стыке) значения усилия
затяжки клеммных болтов, при которых еще не требуется их доза-
тяжка, составляют:
— для рельсов типа Р65 (в том числе уравнительных) — 300 Н-м;
— для рельсов типа Р50 — 225 Н-м, для рельсов длиной 25 м с та-
рельчатыми пружинами — 175 Н-м.
67
Зазоры в стыках (по условию предупреждения изгиба или среза
стыковых болтов при низких температурах) в рельсах длиной 25 м не
должны превышать 22 мм при диаметре отверстий в рельсах 36 мм,
24 мм — при диаметре 40 мм.
По условию боковой устойчивости звеньевого пути в летнее время
не допускается иметь более двух подряд нулевых зазоров при рельсах
длиной 25 м и более четырех — при рельсах длиной 12,5 м, за исклю-
чением случаев, когда нулевые зазоры являются номинальными.
Зазор в стыке, являющимся соседним с изолирующим стыком,
должен быть не менее 3 мм, а при низких температурах не превы-
шать 18 мм при диаметре отверстий в рельсах 36 и 20 мм — при
диаметре 40 мм.
Величины номинальных зазоров в стыках по климатическим ре-
гионам показаны в табл. 3.6.
На участках с электрическими цепями необходимая токопрово-
димость рельсовых нитей обеспечивается за счет применения ос-
новных и дублирующих стыковых рельсовых соединителей и со-
хранения постоянного зазора между подошвой рельса и балластом
(не менее 3 см). Стыковые рельсовые соединители могут быть сле-
дующих видов: приварные, штепсельные и пружинные (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Токопроводящие рельсовые стыки:
а — с приварным рельсовым соединителем; б — со штепсельным соедините-
лем; 1 — шов, выполненный ручной электродуговой сваркой; 2— фартук; 3 —
наконечник (манжета); 4— гибкий тросе; 5 — штепсельный соединитель
68
Рис. 3.4. Изолирующий стык с объемлющими металлическими накладками:
а — при железобетонных шпалах и скреплении КБ; б — при деревянных шпалах
с костыльным скреплением; 7 — рельс; 2— накладка; 3 — прокладка боковая;
4 — полиэтиленовая планка под болты; 5 — металлическая стопорная планка;
6— втулка; 7— пружинная шайба; 8— гайка; 9— стыковой болт; 10— изолиру-
ющая прокладка под рельс; 77 — подкладка; 12 — прокладка под подкладку
Рис. 3.5. Изолирующий стык с двухголовыми металлическими накладками для
пути с деревянными шпалами:
7 — боковая прокладка; 2 — накладка; 3 — втулка; 4 — изолирующая планка
под болт; 5 — стопорная планка; 6 — торцевая прокладка
69
Рис. 3.6. Усиленный изолирующий стык:
а — клееболтовой со специальными (полнопрофильными) накладками; б —
клееболтовой с металлокомпозитными накладками; в — сборный с композит-
ными накладками из стеклопластика; 1 — изолирующий слой; 2— металличес-
кая накладка; 3 — стыковой болт с гайкой; 4 — металлокомпозитная накладка;
5 — изолирующая втулка; 6 — композитная накладка из стеклопластика; 7 —
стопорная планка; 8 — тарельчатая пружинная шайба
В качестве дублирующих соединителей (в местах приближения к пе-
реездам, станциям и др.) применяются рельсовые соединители того
же типа, что и основные, приваренные к подошве рельса.
Для разделения рельсовых цепей на электрически изолированью друг
от друга применяются изолирующие стыки следующих конструкций:
— сборные с объемлющими металлическими накладками (рис. 3.4);
— сборные с двухголовыми металлическими накладками (рис. 3.5);
- клееболтовые с двухголовыми металлическими накладками;
— клееболтовые с полнопрофильными металическими накладка-
ми (рис. 3.6, а)\
- клееболтовые с металлокомпозитными накладками (рис. 3.6, б);
— сборные с композитными накладками из стеклопластика
(рис. 3.6, в).
Изолирующие стыки должны располагаться над серединой
шпального ящика. Торцы рельсов не должны иметь наката. Зазор в
стыке по всей высоте рельса должен оставаться в пределах 5—10 мм.
70
3.3. Промежуточные рельсовые скрепления
3.3.1. Скрепления для деревянных шпал
Промежуточные скрепления делятся на бесподкладочные (без
металлических подкладок под рельсами) и подкладочные. В пос-
леднем случае бывают скрепления нераздельные, при которых рельс
через подкладку соединяется непосредственно с опорой; смешан-
ные, если, кроме того, подкладка самостоятельно прикрепляется к
опоре; полураздельные, у которых с одной стороны рельса скреп-
ление осуществлено как нераздельное, а с другой его стороны —
как раздельное; и раздельные, при которых рельс скреплен только
с подкладкой, а подкладка независимо от рельса соединена с опо-
рой. Общие требования ко всем группам скреплений: быть мало-
детальными, простыми и удобными в изготовлении, монтаже и со-
держании, обладать большим сроком службы, обеспечивать эко-
номическую эффективность конструкции верхнего строения пути
в целом.
Нераздельные скрепления могут быть костыльными и шурупны-
ми. Костыльные скрепления являются самыми простыми, удобны-
ми при сборке и разборке и применяются в основном на звеньевом
пути. Основной недостаток этих скреплений — плохая связь рельса
с подкладкой и подкладки со шпалой, в результате чего снижается
сопротивление угону рельсов и увеличивается износ шпал.
Для придания пружинности скреплению при жестких головках
прикрепителей на ряде дорог например, Франции, применяют оди-
нарную пружинную пластинку-клемму, а под рельс укладывают уп-
ругую рифленую (или вообще с развитой формой) прокладку для
рельсов. Костыли применяют в основном на железных дорогах стран
бывшего СССР и США. Стандартный костыль длиной 165 мм име-
ет массу 0,378 кг. При зимнем ремонте пути на пучинах для обеспе-
чения плавного отвода от горба, впадины или перепада к участку
равномерного пучения между путевыми подкладками и шпалами
укладывают специальные пучинные подкладки разной толщины.
В таких случаях применяют пучинные костыли длиной 206, 230,
255 или 280 мм. Длина позволяет стержню костыля погружаться на
достаточную глубину в древесину шпал. Костыли изготовляют обыч-
но из стали СтЗ. При изгибе в холодном состоянии (во время при-
емочных испытаний) в костыле не должны появляться трещины.
71
Костыли, забиваемые непосредственно в древесину шпалы, раз-
рушают ее волокна. Сопротивление выдергиванию и отжатию кос-
тыля в новых сосновых шпалах при предварительном просверлива-
нии в них дыр для костылей диаметром 12,5 мм на 20—30 % выше,
чем сопротивление костылей, забитых без предварительного про-
сверливания дыр в шпалах. В среднем сопротивление выдергива-
нию костыля из новой сосновой шпалы составляет около 20 кН, а
из шпал более твердых пород — до 35 кН. Сопротивление отжатию
составляет около 3/4 сопротивления выдергиванию при отжатии до
5 мм (для новых сосновых шпал).
Шурупы, применяемые в качестве прикрепителей, имеют винто-
вую нарезку, поэтому их сопротивление выдергиванию в 1,5—2 раза
больше, чем у костылей. Однако сопротивление шурупов отжатию
меньше, по сравнению с костылями (на 50—60 %). Форма головки
шурупа приспособлена для применения торцовых ключей при его
завинчивании и отвинчивании. Шурупы, используемые в скрепле-
ниях на стрелочных переводах, должны быть на 20 мм длиннее путе-
вых. В простейшем, или нераздельном скреплении шуруп головкой
непосредственно ложится на подошву рельса, поэтому нижняя часть
головки делается конической.
Для уменьшения влияния вибрации подкладок, разрушающей
древесину, в результате воздействия нижних ребер подкладки на
шпалу, как ножи, которые перерезают волокна древесины, ребра ок-
ругляют и между подкладкой и шпалой укладывают прокладки-амор-
тизаторы.
В настоящее время, как правило, применяют самостоятельное при-
крепление подкладок к шпалам (в смешанных скреплениях), а также
скрепления с жесткими костылями при рельсах Р43 и тяжелее. Для
того чтобы уменьшить вероятность образования трещин в шпалах,
костыльные отверстия должны быть смещены одно относительно
другого так, чтобы на одной прямой, параллельной продольной оси
шпалы, находилось не более одного костыля. При этом ни одно из
отверстий не должно совпадать с продольной осью шпалы. Последнее
важно потому, что костыль, забитый на продольной оси шпалы, спо-
собствует появлению в ней радиальной трещины по этой оси, а заби-
тый несколько в стороне может даже воспрепятствовать ее развитию.
В настоящее время в постоянной эксплуатации находятся в ос-
новном два типа скреплений — смешанное скрепление ДО (рис. 3.7)
72
и раздельное скрепление КД
(рис. 3.8, а). Применяется также
скрепление Д4 (рис. 3.8, б). Под-
кладку к шпале принято приши-
вать двумя обшивочными косты-
лями, а рельс к шпале на прямых
участках пути — костылями,
расположенными диагонально.
На кривых при необходимости Рис 3 7 Смешанное скрепление ДО
рельсы к шпалам пришивают
дополнительно костылями. Применение простого по конструкции
малодетального костыльного скрепления ДО было оправдано по
технико-экономическим соображениям. В звеньевом пути на де-
ревянных шпалах оно может работать еще длительное время.
На прямых участках и в кривых радиусом более 1200 м рельсы
пришивают на каждом конце промежуточной шпалы четырьмя ко-
стылями, а на стыковой — пятью. В кривых радиусом 1200 м и менее, а
также на мостах, в тоннелях и на участках с движением более 100 км/ч
рельсы на всех шпалах пришивают пятью костылями. Основными
Рис. 3.8. Раздельное скрепление для деревянных шпал:
а — типа КД; б — типа Д4; 1 — прокладка под подкладку; 2 — подкладка; 3 —
подрельсовая прокладка; 4— клеммный болт; 5— клемма; 6— шуруп; 7— гайка;
8 — двухвитковая шайба
73
недостатками этого скрепления являются: смятие древесины под
подкладкой и разработка костыльных отверстий, возможность на-
прессовки снега и засорителей под подошвой рельса, из-за чего по-
дошва рельса выходит за пределы реборд подкладок, что является
причиной уширения колеи и схода подвижного состава. В бессты-
ковом пути такое скрепление не может обеспечить стабильность ко-
леи как в продольном так и в поперечном направлении.
При обнаружении на звеньевом пути зазоров между рельсом и
подкладкой, при которых подошва рельса оказывается выше реборд
подкладок, уменьшается скорость движения поездов в соответствии
с Инструкцией ЦП-774:
— при выходе подошвы рельса на трех шпалах или переводных
брусьях подряд — до 60 км/ч на прямых участках (включая подходы
к мостам и тоннелям протяжением по 200 м при длине мостов и тонне-
лей от 25 до 100 м и по 500 м при длине мостов и тоннелей более 100 м;
- на четырех шпалах или брусьях — до 40 км/ч на прямых, на кри-
вых, а также на прямых при подходах к мостам и тоннелям — за-
крывается движение поездов;
— на пяти шпалах или брусьях — закрывается движение поездов
во всех случаях.
Для уменьшения износа древесины между шпалой и металли-
ческой подкладкой при капитальном ремонте укладываются про-
кладки из резины или других износостойких материалов. В кривых
рекомендуется укладывать под обеими нитями подкладки с увели-
ченными размерами 380x185 (против 360x170 по действующему
стандарту) и шестью костыльными отверстиями. Начато также про-
изводство противораспорной подкладки Д65С с высокими ребор-
дами (30x38 мм) для установки их в кривые через 4—5 шпал. При
этом обеспечивается стабильность рельсовой колеи, подуклонки
рельсов и увеличивается срок службы шпал.
В раздельном скреплении КД металлическая клинчатая подклад-
ка крепится к шпале четырьмя шурупами, а рельс прижимается к
подкладке двумя жесткими П-образными клеммами и клеммными
болтами. Для предохранения болтов от саморазболчивания на них
надевают пружинные двухвитковые шайбы, которые несколько по-
вышают вертикальную упругость скрепления. Под подошву рельса
укладывают упругую прокладку. Это скрепление в отличие от скреп-
ления ДО обеспечивает постоянное прижатие рельса к подкладке и
74
позволяет производить регулировку рельса по высоте до 14 мм, ук-
ладывая под рельсы регулировочные прокладки разной толщины.
При этом скреплении обеспечивается большая стабильность шири-
ны колеи и облегчается смена рельсов. Основной недостаток скреп-
ления КД — его многодетальность и большая металлоемкость.
3.3.2. Скрепления для железобетонных шпал
Особенности условий работы скреплений для железобетонных
подрельсовых оснований состоят в следующем:
— площадь для передачи давления от рельса на бетон вполне дос-
таточна для восприятия этого давления, не требуется ее развитие
подкладками;
— подуклонка рельсов может быть осуществлена наклоном бетон-
ных постелей для рельсов;
— железобетон достаточно электропроводен, поэтому рельсы, если
они служат электрическими цепями, должны быть изолированы от
своего основания;
— путь с железобетонным подрельсовым основанием имеет вы-
сокую жесткость даже в летнее время, если скрепления не обеспечи-
вают необходимой упругости. В этом случае вертикальный модуль
упругости рельсового основания U вместо оптимального может в
среднем доходить до 1960 МПа в летнее время и до 4900 МПа в зим-
нее. На плитах эти значения модуля могут быть значительно выше.
Скрепления для железобетонных шпал могут быть как подкладоч-
ными, так и бесподкладочными, так как железобетон обладает по-
вышенной прочностью. В главном пути РЖД эксплуатируются в ука-
занных объемах следующие промежуточные рельсовые скрепления:
КБ-65 - 88,8 %, ЖБР-65 - 7,9 %, АРС - 2,86 %, ЖБР-65Ш - 0,3 %,
КН-65 — 0,12 %, ЖБР-65П. Как видно, основным промежуточным
скреплением для железобетонных шпал является раздельное скреп-
ление КБ с жесткими клеммами (рис. 3.9). Типовое раздельное
клеммно-болтовое скрепление работает в главном пути более 50 лет.
В таком скреплении рельс прижимается к подкладке двумя жест-
кими клеммами (по аналогии со креплением КД), а подкладка кре-
пится к шпале двумя закладными болтами. Плоская металлическая
подкладка укладывается на наклонную, заглубленную в шпалу на
15—25 мм подрельсовую площадку. На бетоне под подкладкой
располагается упругая электро- и виброизолирующая резиновая
75
Рис. 3.9. Стыковое и раздельное промежуточное скрепление типа КБ65 на
железобетонных шпалах с рельсами Р65 и Р75:
1 — прокладка под подкладку; 2 — подкладка; 3 — гайка М22х22; 4 — клеммный
болт; 5 — двухвитковая шайба; 6 — клемма; 7 — закладной болт; 8 — скоба для
изолирующей втулки; 9 — изолирующая втулка; 10 — прокладка под рельс
76
или полимерная прокладка толщиной 6—8 мм. Высота реборд под-
кладок позволяет укладывать под рельс прокладки толщиной 12—
14 мм для регулировки положения рельса по высоте.
Скрепление КБ широко применяется в бесстыковом пути. Дли-
тельная эксплуатация этого скрепления позволила оценить его по-
ложительные и отрицательные качества. Создание нашпальных и
подрельсовых прокладок повышенной упругости и долговечности
позволило снизить вертикальную жесткость пути и сократить эксп-
луатационные расходы.
Основными недостатками скрепления КБ является его многоде-
тальность (21 деталь), материалоемкость (41,6 т металла и 2,1 т по-
лимеров на 1 км пути) и 16 тыс. болтов на 1 км. Степень натяжения
клеммных и закладных болтов быстро ослабевает, что требует регу-
лярной и частой проверки, смазки и подтяжки гаек болтов.
В пути с железобетонными шпалами проходят проверку скреп-
ления БП (рис. 3.10, а), которые могут применяться как с подклад-
ками, так и без них, а также бесподкладочные скрепления с прутко-
Рис. 3.10. Нераздельные скрепления для железобетонных шпал:
а — подкладочное БП; б — бесподкладочное ЖБР; 1 — прокладка под подклад-
ку; 2— подкладка; 3— подрельсовая прокладка; 4— закладной болт; 5— гайка;
6 — упругая клемма; 7 — подклеммный вкладыш; 8 — двухслойная клемма
77
вой клеммой ЖБР (рис. 3.10, б). Достоинством этих скреплений яв-
ляется большая, чем у скрепления КБ, стабильность натяжения бол-
тов, но имеются и существенные недостатки. Сборка рельсошпаль-
ной решетки на базах ПМС с этими скреплениями имеет существен-
но большую трудоемкость. Недостаточна и стабильность ширины
колеи в кривых.
Нераздельное клеммно-болтовое скрепление БП имеет два заклад-
ных болта, которыми при помощи упругих клемм рельс прижима-
ется к подкладке, а подкладка — к шпале. Опорная площадка, на
которой располагается металлическая подкладка, заглублена в бетон
на 25 мм, что позволяет использовать нашпальные упругие прокладки
толщиной 12 мм. Реборды скрепления БП выше, чем у скрепления
КБ, что позволяет регулировать положение рельса по высоте до 20 мм.
Нераздельное бесподкладочное упругое скрепление ЖБР (см.
рис. 3.10, б) обеспечивает прижатие рельса к шпале при помощи
двухслойных плоских пружинных клемм. Перегиб нижней ветви
клеммы служит упором для подошвы рельса. Поперечные усилия
от клеммы передаются через подклеммный вкладыш на кромку уг-
лубления в шпале. Свисающие закраины упругой подрельсовой про-
кладки предотвращают ее выползание из-под подошвы рельса. При
регулировке положения рельса по высоте до 15 мм заменяют про-
кладки и подклеммные вкладыши на более толстые.
В модернизированном подкладочном скреплении ЖБР-65П
вместо плоских клемм применены пружинные прутковые и метал-
лическая подкладка, которая позволяет надежнее стабилизировать
ширину колеи (рис. 3.11, а). Еще одна особенность этого варианта —
применение для электроизоляции закладного болта (пластмассо-
вого пустообразователя) в железобетонной шпале. Упругость пути
обеспечивают две прокладки — подрельсовая и нашпальная.
Бесподкладочное шурупно-дюбельное скрепление ЖБР-65Ш
имеет два шурупа, которые ввинчиваются в дюбели, заделанные в
шпалу, и прижимают клеммы к подошве рельса (рис. 3.11, б). Ос-
новным достоинством этой конструкции является отсутствие зак-
ладных болтов с гайками, что исключает трудоемкую операцию по
периодическому докручиванию гаек.
В Московском государственном университете путей сообщения
(МИИТ) разработано безболтовое анкерное рельсовое скрепление
АРС, которое может работать на магистральных линиях при лю-
78
Рис. 3.11. Промежуточные скрепления для железобетонных шпал:
а — подкладочное ЖБР-65П; б — шурупно-дюбельное ЖБР-65Ш; 1 — подрель-
совая прокладка; 2 — закладной болт; 3 — гайка; 4 — шайба пружинная; 5 —
пружинная клемма ЖБР; 6— подкладка ЖБР; 7—нашпальная прокладка ЖБР;
8 — скоба упорная; 9 — полимерный вкладыш; 10 — шуруп; 11 — дюбель
бых скоростях движения и грузонапряженности. Его положитель-
ные качества — высокая надежность и обеспечение стабильности
ширины колеи, малая детальность и небольшая материалоемкость
(экономия металла не менее 15 т на 1 км), простота сборки. Скреп-
ление является нераздельным, основ-
ной элемент скрепления (рис. 3.12) —
замоноличенный в железобетонную
шпалу анкер рамноарочного типа.
Прутковые 3-образные пружинные
клеммы и эксцентричные монтажные
регуляторы усилия нажатия клемм.
В конструкцию входят два плоских
полимерных подклеммника, два на-
рельсовых изолирующих уголка, две
подрельсовые упругие прокладки тол-
щиной 14 мм. Скрепление модифика-
ций АРС-4 позволяет регулировать по-
ложение рельса по высоте до 20—24 мм.
Рис. 3.12. Нераздельное упругое
анкерное скрепление АРС-4:
/ — упругая клемма; 2-3— моно-
регулятор-фиксатор; 4 — под-
клеммник; 5 — анкер; 6 — изо-
лирующий уголок
79
Основным недостатком скреплений ЖБР и АРС является недо-
статочная обеспеченность стабильной ширины колеи в кривых уча-
стках пути, особенно в крутых кривых. Причиной этого является
плохое качество полимерных элементов скреплений.
Сроки службы скреплений в настоящее время не позволяют повы-
сить надежность работы пути. Назначенный ресурс скреплений дол-
жен составлять не менее 1 млрд т брутто. Для повышения надежно-
сти скреплений допускается периодическая замена подрельсовых
прокладок при смене рельсов. Выход металлических элементов
скреплений не должен превышать 0,5 % на каждые 100 млн т брут-
то, клемм не более 2 % в прямых участках и 5 % — в кривых радиу-
сом менее 650 м.
Из зарубежных скреплений безболтового типа наибольшее рас-
пространение получили английское анкерное скрепление Пэндрол
(Pandrol) и немецкое шурупно-дюбельное системы Фоссло (Vossloh).
Английское скрепление широко применяется на железных дорогах
скандинавских стран, Канады и некоторых стран Азии, а немецкое
является основным на линиях высокоскоростного движения на же-
лезных дорогах Германии и ряда других стран.
Скрепление Пэндрол для железобетонных шпал (рис. 3.13) являет-
ся безболтовым, имеет анкеры 1 из ковкого чугуна (или стального
Рис. 3.13. Безболтовое скрепление Пэндрол:
1 — анкер; 2 — головка анкера; 3 — прутковая клемма; 4 — подрельсовая про-
кладка; 5 — изолирующий уголок
80
литья), втапливаемые вертикальными хвостовиками в бетонное ос-
нование. Головки анкеров, опирающиеся на верхние постели шпал,
образуют реборды, между которыми помещается подошва рельса и
боковые закраины нейлонового изолирующего уголка 5, огибающе-
го подошву рельса. Горизонтальный конец прутковой клеммы 3
вставляется в отверстие головки анкера. Клемма всей верхней час-
тью опирается на изолирующий уголок, создавая необходимое при-
жатие рельса к опоре. Между подошвой рельса и шпалой размеща-
ется упругая прокладка. Это скрепление принято стандартной кон-
струкцией на железных дорогах Англии.
Однако испытания этого скрепления на железных дорогах Рос-
сии выявили ряд недостатков, в том числе невысокую надежность в
кривых участках, деформированность анкеров, большой износ по-
лимерных материалов, невозможность регулировать усилие прижа-
тия рельсов к шпалам.
Скрепления Фоссло для железобетонных шпал (немецкая компа-
ния Фоссло Фастенинг Системе) эксплуатируются на железных
дорогах многих стран как на участках совмещенного грузопассажир-
ского, высокоскоростного, так и тяжеловесного движения W14HH
(рис. 3.14). С учетом особенностей высокоскоростного движения
Рис. 3.14. Безболтовое упругое скрепление системы Фоссло для тяжеловесного
движения (W14HH): а — общий вид на рельсовом пути; б — элементы конст-
рукции; 7 — дюбель; 2— подрельсовая прокладка; 3 — изолирующий и регули-
рующий уголок; 4 — пружинная клемма SKL- 14R; 5 — шуруп; 6 — рельс
81
разработана так называемая система 300 (рис. 3.15). На новых вы-
сокоскоростных участках китайских железных дорог, в том числе
«олимпийском» пути Пекин—Тяньцзинь, уложены скрепления си-
стемы 300 на железобетонных шпалах. При отсутствии щебня элас-
тичность обеспечивается за счет промежуточных упругих прокла-
док с жесткостью 22,5 кН/мм. Это гарантирует просадку рельса око-
ло 1,5 мм, что достаточно для скоростного движения.
Система W14HH представляет собой рельсовое скрепление,
разработанное специально для участков тяжеловесного движения.
Эта система предназначена для железобетонных шпал и включа-
ет в себя пружинные прутковые клеммы SKL14R; воздействую-
щие на рельс силы передаются через боковые упоры непосред-
ственно на шпалу, что позволяет выдерживать воздействие осе-
вых нагрузок до 35 т. Система обеспечивает высокое сопротив-
ление сдвигу пути.
На строительную площадку рельсовые скрепления доставляют
в предварительно смонтированном состоянии вместе со шпалой.
Рис. 3.15. Упругие скрепления Фоссло для высокоскоростного движения
(система 300):
1 — пружинная клемма SKL-15; 2 — шуруп; 3 — регулирующий и изолирую-
щий упорный уголок; 4 — подрельсовая прокладка
82
Система 300, предназначенная для высокоскоростного движения
(см. рис. 3.15), представляет собой бесподкладочное и безболтовое
скрепление. В шпале с каждого конца заделаны по два полимерных
дюбеля, в которые ввинчиваются шурупы. С двух сторон рельса в
шпальные углубления укладываются полимерные уголковые регу-
ляторы, торцы которых образуют желоб для размещения подошвы
рельса. Между подошвой и шпалой находится упругая изолирую-
щая прокладка. Пружинная прутковая клемма наружными частями
опирается в углубления шпалы через уголковый регулятор, а внутрен-
ними концами — на подошву рельса. Прогиб клеммы — до 13 мм,
усилие нажатия 2x10 кН. Имеется возможность регулировки шири-
ны колеи в пределах ±10 мм. Регулировка рельсов по высоте осуще-
ствляется подрельсовыми прокладками разной толщины.
В соответствии с Инструкцией по текущему содержанию пути
ЦП -774 способы прикрепления рельсов к шпалам выбирают в зави-
симости от вида и конструкции шпал, классности пути и плана ли-
нии (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Способы прикрепления рельсов к шпалам
Звеньевой путь на деревянных шпалах
Пути классов 1 и 2 и 2 кате- гории; все кривые R 1200 м, все мосты, тоннели и под- ходы к ним на длине 50 м Подкладки и рельс прикрепляются к шпале пя- тью костылями
Пути классов 3 и 4 Двумя основными и двумя обшивочными косты- лями, кроме стыковых и предстыковых шпал, на которых подкладка и рельс скрепляются со шпа- лой пятью костылями. На путях класса 5 допус- кается пришивать подкладки к шпалам двумя (в кривых радиусом менее 350 м — тремя) основны- ми костылями. На стыковых шпалах с двухголо- выми накладками основные костыли располага- ются в сторону рельса «затылком»
Бесстыковой и звеньевой путь на железобетонных шпалах
Все пути классов 1—5 неза- висимо от типа рельсов и плана линии При раздельном скреплении рельс прикрепляет- ся к шпале двумя клеммами на конце шпалы, а подкладка прикрепляется к шпале двумя заклад- ными болтами. При шурупном креплении — в со- ответствии с действующей инструкцией
83
3.3.3. Перспективы развития промежуточных
рельсовых скреплений
Промежуточные скрепления в существенной степени определя-
ют параметры геометрии и пространственной жесткости рельсовой
колеи, а следовательно, условия взаимодействия пути и подвижно-
го состава. В настоящее время эффективных скреплений для желе-
зобетонных шпал на российских железных дорогах нет. На основе
проведенного анализа работы этого важного элемента пути д-р техн,
наук Ермаков В.М. выделил пять ключевых требований, от которых
зависит выбор той или иной конструкции.
1. Важнейший показатель, влияющий на взаимодействие пути и
подвижного состава, динамические силы, вибрации и т.д. — это же-
сткость рельсовой колеи. Очевидно, что ее оптимальный уровень, в
первую очередь в вертикальном и поперечном направлениях, зави-
сит от условий эксплуатации, которые в первом приближении мож-
но ранжировать так:
— участки высокоскоростного или преимущественно скоростного
пассажирского и пригородного движения, характеризующиеся невы-
сокими осевыми нагрузками, высокой частотой воздействия под-
вижного состава, как правило, необходимостью защиты от вибра-
ции и шума;
— участки смешанного движения с высокими осевыми нагрузками и
относительно небольшими скоростями;
— регионы с суровым и жарким климатом, например, на Забайкаль-
ской дороге — зима, когда балласт находится в смерзшемся и прак-
тически несжимаемом состоянии, длится семь месяцев, и единствен-
ным упругим элементом в скреплении на этот период остается про-
кладка-амортизатор, а на Северо-Кавказской магистрали, наоборот,
подшпальное основание остается упругим практически весь год.
Действующие «Технические требования на промежуточные
скрепления», утвержденные в 1986 г., не предусматривают какой-
либо дифференциации по жесткости, нет указаний и в «Техниче-
ских условиях на изготовление прокладок-амортизаторов». В то же
время в зарубежных нормативах (например, в стандарте железных
дорог Германии BN 918235 «Упругие прокладки и подкладки») ста-
тическая и динамическая жесткости, причем как для низких, так и
для средних, а также высоких частот воздействия, являются глав-
ными показателями.
84
2. Промежуточные рельсовые скрепления нельзя рассматривать
в отрыве от пути в целом. Их свойства и параметры — наиболее уп-
равляемые из элементов верхнего строения. Важнейшее обстоятель-
ство, влияющее на конструкцию скрепления, — качество и стабиль-
ность подшпального основания. В большинстве наиболее развитых
стран не предусматривается возможность выправки пути по уровню
укладкой регулировочных прокладок. Благодаря здоровому земля-
ному полотну, прочному и чистому балласту, прямолинейным рель-
сам, а также колесам без ползунов и наваров геометрия рельсовой
колеи расстраивается медленно, и ее выправка осуществляется в
плановом порядке подбивкой балласта высокопроизводительны-
ми путевыми комплексами. Это позволяет применять малодеталь-
ные, а значит, и высоконадежные скрепления.
3. Дифференциация конструкции скрепления в зависимости от пла-
на пути необходима для прямых и кривых участков (ориентировоч-
но при радиусах менее 600—800 м). Это требование обусловлено сле-
дующими условиями. Отношение вертикальных и боковых сил, пе-
редающихся от подвижного состава на рельсы, на прямых участках
составляет около 5:1, а в кривых по наружной нити — может быть
1:1 и даже 0,7:1, т.е. разница в 5—7 раз и более. Очевидно, что скреп-
ления, оптимизированные по критерию «надежность—цена», долж-
ны быть разными для таких неодинаковых условий работы.
Кроме того, для кривых малых радиусов может оказаться эффек-
тивной конструкция, позволяющая регулировать ширину колеи для
компенсации бокового износа рельсов. Использовать единую кон-
струкцию во всех условиях эксплуатации невыгодно. В более лег-
ких условиях будет необоснованно «оплачиваться» чрезмерный ко-
эффициент надежности, а в сложных надежность будет недостаточ-
ной. При этом перечисленные условия как правило «пересекают-
ся», формируя дополнительные требования, например, для кривых
малых радиусов в регионах с суровым климатом.
4. Общее для всех условий эксплуатации требование в настоящее
время — малые затраты времени на обслуживание из-за отсутствия
резьбовых соединений (например, в скреплении КБ на 1 км — до
16 тыс. болтов, которые нужно один-два раза в год смазывать и под-
тягивать). Крайне важно также применять материалы, стабилизиру-
ющие служебные характеристики деталей скрепления в течение всего
жизненного цикла. Ермаков В.М. во второй половине 90-х гг. 20 в.
85
проанализировал стоимость жизненного цикла верхнего строения
пути нескольких конструкций, а также его элементов в различных
условиях эксплуатации. Оказалось, что общая сумма затрат, связан-
ных с рельсами, за период между двумя капитальными ремонтами
пути возрастает по сравнению с их первоначальной стоимостью в
1,07 раза, а связанных со скреплениям типа КБ, — в 1,57 раза. Это
означает, что при сопоставлении скреплений оценивать их только
по первоначальной цене недостаточно, необходимо сравнивать зат-
раты за весь срок службы (табл. 3.2).
Таблица 3.2
Сравнение промежуточных рельсовых скреплений
Показатели Тип скрепления
КБ-65 КНУ-65 И ГД АРС-4 ЖБР-65 ЩЦ SKX-14 Fastclip SB-3
Число элементов на 1 узел, шт. 21 17 10 11 9 7 7
Регулировка по высоте, мм 14 14 15 15 10 — —
Масса узла скрепления, кг 12,3 11,3 7,9 7,0 2,9 3,9 5,0
5. Мировой опыт, в том числе тяжеловесного и высокоскорост-
ного движения, свидетельствует, что эффективные практически
необслуживаемые скрепления должны иметь упругую клемму, как
правило, торсионного типа. В качестве крепежного элемента нуж-
но использовать анкеры, замоноличенные в шпалу, или шурупы,
вворачиваемые в замоноличенный полимерный дюбель.
По мнению ряда специалистов ВНИИЖТа подкладочные скреп-
ления должны лучше работать в кривых участках благодаря увели-
чению доли сил трения узла в противодействии значительным бо-
ковым силам. Однако пока не создано эффективное подкладоч-
ное скрепление для кривых малого радиуса. На Эксперименталь-
ном кольце ВНИИЖТа испытываются скрепления ЖБР, АРС, КБ,
а также SJd-14 Фоссло в кривой радиусом 400 м при воздействии
грузовых поездов с осевыми нагрузками 25—27 тс при скоростях
70 км/ч. Испытания свидетельствуют о том, что нет надежной кон-
86
струкции для эксплуатации в таких условиях. В то же время в кри-
вых радиусом 250 м и менее на перевальных участках направления
Уссурийск—Находка Дальневосточной дороги высоконадежным
зарекомендовало себя бесподкладочное шурупно-дюбельное
скрепление ЖБР-65Ш.
На прямых участках Экспериментального кольца скрепления
ЖБР, АРС, КБ свои основные функции выполняют, а поэтому нет
необходимости в подкладочных скреплениях. Важно, чтобы беспод-
кладочные скрепления были проработанными и изготовленными из
высококачественных материалов. Например, на линии Санкт-Пе-
тербург—Москва уже 7—10 лет успешно эксплуатируются опытные
участки со скреплениями Пэндрол и Фоссоло. На железных доро-
гах США, Австралии, других стран даже на участках с преимуще-
ственно грузовым движением, в том числе при осевых нагрузках до
30 тс, бесподкладочные скрепления работают эффективно.
Базовое отечественное скрепление типа КБ. применяющееся с кон-
ца 1950-х гг., не в полной мере соответствует представленным требо-
ваниям. Оно имеет жесткие клеммы и четыре болтовых соединения
на узел (восемь — на шпалу), которые надо ежегодно смазывать и
подтягивать; имеет большую металлоемкость, много деталей, рабо-
тает в кривых ненадежно.
Шурупно-дюбельное скрепление ЖБР-65Ш — некий аналог скреп-
ления SKL-8 системы Фоссоло, созданное в 1960-х гг., является ма-
лообслуживаемым, имеет положительный опыт применения в кри-
вых малых радиусов. Но для него необходим чрезмерный расход ста-
ли, в том числе пружинной. На изготовление практически плоской
клеммы рычажного типа (не торсионной) необходимо вдвое больше
металла при сопоставимом усилии прижатия и меньшем (что хуже)
упругом ходе, чем при шурупно-дюбельном скреплении SKL-14 (си-
стемы Фоссоло).
Анкерное скрепление АРС-4 — малообслуживаемое, нуждается в
оптимизации параметров пространственной жесткости, имеет чрез-
мерный расход металла. Клемма неэффективна так же, как в ЖБР, в
кривых работает ненадежно.
Необходима разработка на основе отечественного и зарубежного
опыта дифференцированных технических требований к скреплени-
ям для различных условий эксплуатации (регулировка по уровню и
без нее, поездные нагрузки, план и профиль линии, климатические
87
условия и др.). Отдельно следует выделить требование по демпфи-
рованию вибраций, которого до настоящего времени нет в норма-
тивных документах на скрепления и их элементы.
Следует проводить мониторинг эксплуатационных показателей
имеющихся и новых скреплений с целью определения стоимости
жизненного цикла.
3.3.4. Повторное использование старогодных скреплений
На железных дорогах России созданы цеха для обследования, рас-
сортировки ремонта скреплений, которые поступают из цеха разбор-
ки снятой рельсошпальной решетки. На ряде дорог разработаны тех-
нические требования к старогодным скреплениям типа Р-65, в ко-
торых по основным деталям даются рекомендации на их вторичное
использование (табл. 3.3).
Таблица 3.3
"Любования к элементам старогодных скреплений
Элементы скрепления Вид дефекта Требования к элементам скрепления по группам годности
I II
Подкладки Усталостные трещины Высота реборды в зоне клеммного болта, мм Вогнутость подрельсо- вой части, не более, мм Не допускаются До 37 1,0 Допускаются Не нормирует- ся 2,0
Клеммы Износ короткой (внутренней) опоры, мм До 2,0 Не нормирует- ся
Болты закладные и клеммные Уменьшение диаметра болта в месте износа, мм До 18,0 До 16,0
Болты заклад- ные Уменьшение диагонали подголовника, мм До 30,0 Не нормируют- ся
Шайбы двухвит- ковые Бывшие в эксплуатации Не допускаются Допускаются без признаков разрушения
Втулки изолиру- ющие Трещины Не допускаются То же
Прокладки нашпальные и подрельсовые Бывшие в эксплуатации Не допускается —
88
Исследования ВНИИЖТа показали, что к моменту первого ка-
питального ремонта большинство деталей скреплений КБ способ-
ны еще работать в пути: 60 % старогодных клемм, 52 % подкладок и
30 % изолирующих втулок удовлетворяют требованиям повторной
укладки. Старогодные болты могу быть повторно использованы для
укладки в путь, кроме болтов с поврежденной резьбой.
Нашпальные и подрельсовые прокладки и около 70 % изолирую-
щих втулок использовать повторно нельзя.
3.4. Противоугоны и схемы их расстановки
Продольное перемещение рельсов относительно шпал (или
рельсов со шпалами вместе) относительно балластного слоя под
действием продольных сил вызывают угон пути. Угон пути про-
является на площадках, но в большей мере на уклонах, на тор-
мозных участках и на участках форсирования тяги. При этом
шпалы сдвигаются с уплотненных постелей. В крутых кривых
возникает явление обратного угона, т.е. одна рельсовая нить
перемещается по ходу поезда, а вторая против хода. При угоне
пути изменяется эпюра шпал, появляются нулевые зазоры, воз-
никает опасность выброса пути летом или среза болтов зимой при
максимальных зазорах.
Основными причинами угона пути являются сопротивление дви-
жению колес подвижного состава; изменение длины рельсов под
действием температурных сил; удары колес о торцы рельсов в сты-
ках и изгиб рельсов под подвижной нагрузкой. Особенно неблаго-
приятны силы, возникающие при экстренном и рекуперативном
торможении.
Продольные силы, вызывающие угон пути, необходимо пере-
дать от рельсов на шпалы и балласт. Для этого при нераздельном
и смешанном скреплении на подошве рельса крепятся противо-
угоны.
Стандартными противоугонами являются клиновые (самозак-
линивающиеся) и пружинные (рис. 3.16, а, б). Наиболее просты в
эксплуатации и экономичны пружинные противоугоны. Сопро-
тивление перемещению такого противоугона по подошве рельса
составляет 5000—6000 Н. Сопротивление перемещению неза-
груженной шпалы вдоль пути с деревянными шпалами на щебе-
ночном балласте — 7000 Н и железобетонных шпалах — 8000 Н,
89
Рис. 3.16. Противоугон:
а — пружинный РЖД; б — клиновой; в — пружинный XL-1 Fair; / — клин;
2 — скоба; 3 — подошва рельса
а пути с деревянными шпалами на песчаном балласте — 6000 Н.
У одной шпалы ставят два противоугона — по одному на рельсо-
вую нить.
На двухпутных линиях противоугоны обычно прижимают к
шпалам с одной стороны, а на однопутных — в разных направле-
ниях от середины звена. Схемы установки пружинных противо-
угонов при костыльном скреплении зависят от класса, группы и
категории пути (табл. 3.4).
90
Таблица 3.4
Схема установки противоугонов на звене длиной 25 м
Класс, группа и категория пути Номера схем и число пар противоугонов
Тормозные участки Не тормозные участки
двухпутные однопутные двухпутные однопутные
А1-А4, Б1-Б6 1 (44) — 4(40) —
В1-В6 1 (44) 2 (40/0*) 4(40) 4(22/0*)
Г1-Г6 2(40) 3 (36/0*) 3(36) 5 (13/13)
Д1-Д6 2(40) 3 (36/0*) 3(36) 5(13/13)
Пути 5 класса 5 (13/13) 5(13/13) 5 (13/13) 5 (13/13)
Примечание. В скобках дробью показано число противоугонов в одном и
другом направлениях движения поездов.
* Противоугоны у шпал устанавливаются со стороны преобладающего раз-
мера движения поездов (грузонапряженности); при появлении следов угона в
противоположную сторону 13 пар противоугонов устанавливают и с другой сто-
роны шпал.
На путях метрополитена обычно устанавливают клиновые про-
тивоугоны.
В США компания «Портек Рейл» (Portec Rail) производит стан-
дартные пружинные противоугоны XL-1 Fair, которые широко при-
меняются на железных дорогах США и Канады. Их достоинством
является Т-образная форма сечения, при которой обеспечивается
полное прилегание к подошве рельса, и увеличенная поверхность
опирания на шпалу. Для линий с высокой грузонапряженностью
выпускаются усовершенствованные противоугоны Impruved Fair.
Контрольные вопросы
1. Назначение рельсовых скреплений и требования к ним.
2. Достоинства и недостатки промежуточных скреплений и по-
вышение их надежности.
3. Дифференцирование промежуточных скреплений для различ-
ных эксплуатационных условий.
Глава 4. ПОДРЕЛЬСОВЫЕ ОПОРЫ
4.1. Назначение и требования к подрельсовым опорам
Подрельсовые опоры могут быть в виде шпал, брусьев, продоль-
ных лежней, рам и плит. Их основное назначение:
— воспринимать давление от рельсов и передавать его на балласт-
ную призму;
— упруго перерабатывать динамические воздействия на путь;
— сохранять неизменность ширины колеи;
— совместно с балластом обеспечивать стабильность пути в гори-
зонтальной и вертикальной плоскостях;
- обеспечить электрическую изоляцию друг от друга рельсовых
нитей.
Подрельсовые опоры должны обладать:
— прочностью, устойчивостью и долговечностью;
- надежной сопротивляемостью продольным и поперечным пе-
ремещениям в балласте;
— упругостью и диэлектрическими свойствами;
- дешевизной, недефицитностью и технологичностью.
4.2. Деревянные шпалы и брусья
4.2.1. Достоинства и недостатки деревянных шпал и брусьев
Основными достоинствами деревянных шпал и брусьев являются:
— хорошая упругость;
— простота формы, изготовления и эксплуатации (транспортиров-
ка, смена, прикрепление рельсов, изменение ширины колеи и т.п.);
- хорошее сцепление со щебнем;
- сравнительно небольшая масса (около 70 кг);
- большое электрическое сопротивление.
Недостатки деревянных шпал и брусьев:
— малый срок службы из-за гниения, механического износа и ра-
стрескивания (около 15 лет);
92
— большой расход дефицитной древесины (на 1 км пути около
2 га леса с деревьями диаметром 26—28 см возраста 80—100 лет);
— неоднородность упругости пути по длине из-за разных разме-
ров шпал.
Основными породами для шпал и брусьев могут быть сосна, ель,
пихта, лиственница, кедр и береза. На отечественных дорогах шпа-
лы и брусья изготовляются в основном из хвойных пород; в том чис-
ле из сосны — около 70 %, ели и других пород — 30 %. Сосна имеет
прямой ствол, мягкую и упругую древесину, меньше растрескивает-
ся; ель имеет слабую древесину, труднее поддается пропитке.
По форме поперечного сечения шпалы подразделяются на три
вида (рис. 4.1, а): обрезные — пропилены четыре стороны; полуоб-
резные — пропилены три стороны, необрезные — пропилены две
противоположные стороны (пласти шпалы).
Переводные брусья изготавливаются двух видов (рис. 4.1,6): об-
резные — пропилены четыре стороны; необрезные — пропилены две
противоположные стороны; на мостах используют только обрезные
брусья.
Обрезные шпалы или брусья предпочтительнее, так как обеспе-
чивают более устойчивую работу противоугонов, а также балласта
на контакте с боковыми поверхностями шпал.
В зависимости от размеров и назначения шпалы и стрелочные
брусья делятся на три типа.
Рис. 4.1. Поперечные сечения деревянных шпал (а) и переводных брусьев (6):
1 — обрезные шпалы; 2— полуобрезные; 3 — необрезные; 4 — обрезные брусья;
5— необрезные; h — толщина; />, Ь' — ширина верхней пласти; Ьх, Ь7 — ширина
нижней пласти
93
Шпалы (табл. 4.1) типа 1 предназначены для главных путей клас-
сов 1 и 2, а также для путей класса 3 при грузонапряженности более
50 млн ткм брутто/км в год или скоростях движения более 100 км/ч;
типа II — для главных путей классов 3 и 4, станционных и подъезд-
ных путей с интенсивной работой, типа III — для путей 5-го класса.
Переводные брусья (табл. 4.2) типа I применяют для главных
путей классов 1 и 2, а также на путях класса 3 при грузонапряженно-
сти более 50 млн ткм брутто/км в год при скоростях более 100 км/ч;
типа II — на главных путях классов 2, 3 и 4, подъездных путях с интен-
сивной работой и на станционных путях: типа III — на любых путях
класса 5, в т.ч. на станционных, малодеятельных и подъездных путях.
Таблица 4.1
Размеры деревянных шпал, мм
Тип шпалы Тол- щина h Высота бокового пропила обрезных шпал, А1 Ширина пласти Длина
верхней нижней, 1>1
b h'
I 180±5 150 180 210 25О±5 275О±2О
11 160±5 130 150 195 230±5 275О±2О
III 15О±5 105 140 190 230±5 2750±20
Таблица 4.2
Поперечные размеры деревянных переводных брусьев, мм
Тип брусьев Тол ши- на Толщина верхней пласти Ширина нижней непропиленной пласти Высота пропи- ленной боковой стороны
уширен- ной (У) широкой (Ш) нормаль- ной (Н)
I 180±5 22О_,о 22О_|() — 260^° 300 150*
11 160±5 220„10 — 175_,о 260*“ 260 130*
111 160±5 — 220-10 175_,о 23о+2О 230 130*
* Плюсовые отклонения ширины верхней пласти — до ширины нижней
пласти.
94
Длина деревянных шпал 275 см; по индивидуальному заказу для
линий с высокой грузонапряженностью поставляются шпалы дли-
ной 280 см, а на участках совмещенного движения с разной шири-
ной колеи (1520 мм и 1435 мм вблизи границ государств Западной
Европы) укладывают шпала длиной 300 см.
Длина стрелочных брусьев изменяется от 3,0 до 5,5 м (удвоен-
ная длина шпалы) с шагом 0,25 м. Количество переводных брусьев
в комплекте стрелочного перевода составляет 80 шт. при марке 1/11;
137 шт. — при 1/18 и 170 шт. — при 1/22.
Длина мостовых брусьев обычного сечения — 3,25 м. Чем больше
расстояние между осями продольных балок или ферм моста, тем
большим должно быть поперечное сечение мостовых брусьев (до
24x37 см) и их длина (по индивидуальному заказу до 4,2 м).
Области применения деревянных шпал:
— звеньевой путь, особенно в кривых малых радиусов (менее 300 м),
где необходимо уширение колеи до 1530 и 1535 мм;
— новостройки с нестабилизированным земляным полотном,
особенно на вечномерзлых и болотистых основаниях;
— участки с пучинообразованием;
— засоряемые участки (угольно-рудные, торфяные маршруты и
т.п.), где периодичность ремонтов пути, связанныых с очисткой ще-
беночного балласта, всего 2—3 года;
— высокогрузонапряженные участки (более 80—100 млн т-км
брутто/км в год), где применение бесстыкового пути с железобе-
тонными шпалами малоэффективно.
4.2.2. Продление срока службы деревянных шпал и брусьев
Шпалы и брусья снимают с пути из-за гниения или механиче-
ского износа. Фактически оба процесса происходят одновременно
и взаимно дополняют друг друга. Расчетные или перспективные сро-
ки службы шпал из различных пород деревьев, пропитанных мас-
лянистыми антисептиками, для среднегодовых условий эксплуата-
ции следующие в годах: сосновые — 19, лиственничные — 18, ело-
вые, пихтовые и кедровые — 17, а пропитанные водными антисеп-
тиками (вне зависимости от пород древесины) — 13,5.
Реальные сроки службы деревянных шпал несколько ниже нор-
мативных: при средних осевых нагрузках 150 кН/ось — 500 млн т брут-
то или 15 лет, а при высоких осевых нагрузках 250 кН/ось — 12 лет.
95
Для предупреждения появления дефектов в деревянных шпалах,
переводных и мостовых брусьях следует соблюдать основные тех-
нологические приемы. Укладываемые в путь деревянные шпалы и
брусья должны быть обязательно пропитаны маслянистыми анти-
септиками, а их концы закреплены от растрескивания. Забивка в
шпалы и брусья костылей и завертывание шурупов должны произ-
водиться в предварительно просверленные и антисептированные от-
верстия. Отверстия для костылей должны иметь глубину 130 мм и
диаметр 12,7 мм при мягких породах древесины и 14 мм при твер-
дых, а отверстия под шурупы — диаметр 15 мм и глубину 155 мм.
При работах по перешивке колеи должны применяться пластинки-
закрепители длиной 110 мм и сечением 4x15 мм.
Для уменьшения механического износа шпал и брусьев эффек-
тивно применение прокладок (из резинового регенерата, кордонита,
гомбелита) под металлическими подкладками скреплений ДО или КД.
Такие прокладки уменьшают износ шпал под подкладками в 4—6 раз.
Шпалы по отношению к оси пути располагаются в прямых учас-
тках — перпендикулярно, а в кривых — по радиусу. Брусья на стре-
лочных переводах располагаются в соответствии с утвержденными
эпюрами.
Концы шпал с полевой стороны на двухпутных участках (с пра-
вой стороны по счету километров — на однопутных) должны быть
выравненными. Расстояния между осями шпал должны соответство-
вать эпюре шпал данного класса пути, а отклонения от эпюрных
значений допускаются не более 8 см.
Срок службы деревянных шпал, как и безопасность движения,
зависит от строгого соблюдения правил текущего содержания пути.
Особое внимание необходимо уделять разрядке «кустов» негодных
шпал. На основании исследований ВНИИЖТа необходимо соблю-
дать следующие правила:
- между «кустами» из двух негодных шпал должны лежать не ме-
нее трех исправных;
— между «кустами» из трех негодных шпал должны лежать не ме-
нее четырех исправных;
— между «кустами» из трех и двух негодных шпал должны лежать
не менее четырех исправных.
Целесообразно установить следующий порядок выполнения работ
по оздоровлению шпального хозяйства. В первую очередь должна про-
96
изводиться разрядка «кустов» в кривых участках пути, а затем — в пря-
мых. Во вторую очередь негодные шпалы заменяются на звеньях, где
скорость движения снижена по признаку их недопустимого числа,
сначала в кривых, затем — в прямых. Работы следует проводить в пер-
вую очередь в кривых, где непогашенное ускорение при снижении
скорости у грузовых поездов будет превышать 0,4 м/с2. Дефектные
шпалы, подлежащие изъятию из пути в плановом порядке, заменя-
ются при плановых видах ремонта.
Необходимо учитывать, что в перспективе количество деревян-
ных шпал годных для эксплуатации будет постоянно уменьшаться,
а эксплуатация старогодных шпал не эффективна, так как их срок
службы — не более 5—7 лет. Целесообразно на путях 3—5 классов
для перехода на железобетонное основание производить при раз-
рядке «кустов» негодных шпал укладывать железобеетонные, остав-
шиеся после переборки старой путевой решетки.
4.2.3. Утилизация деревянных шпал
В настоящее время на базах ПМС скапливается большое количе-
ство старых деревянных шпал, при хранении которых в окружаю-
щую среду попадают загрязняющие вещества. В Рижском институте
инженеров железнодорожного транспорта (РИИЖТ) был проанали-
зирован отечественный и зарубежный опыт в решении проблемы
утилизации деревянных шпал. Определены основные способы их
утилизации на основе следующих технологий:
— термическое обеззараживание;
— химическая иммобилизация;
— локализация источников загрязнения;
— биохимическая и биотермическая утилизация;
— применение новых антисептических материалов;
— вторичная переработка материалов.
Технологии термического обезвреживания наиболее разрабо-
таны.
Европейская Ассоциация конвертирования пластмасс предлага-
ет изготовлять из старых шпал древесно-стружечные плиты (ДСП).
При переработке старых ДСП и ДВП используют старые шпалы,
которые измельчают, обрабатывают дереворазрушающими грибами
и горячей щелочью, а затем прессуют с добавлением связующего
вещества.
97
Среди термических способов утилизации старых деревянных
шпал предпочтение отдается пиролизу, так как это способ позволя-
ет не только ликвидировать и обезвредить отходы, но и регенериро-
вать энергию и материалы.
4.3. Железобетонные шпалы и брусья
Массовая укладка железобетонных шпал на отечественных же-
лезных дорогах начата в 1959 г. и в настоящее время они лежат
на 60 % протяжения главных путей. На путях 1-го и 2-го классов
применяют только новые шпалы первого сорта, а на путях 3, 4 и
5-го классов — старогодные. В зависимости от величины откло-
нений размеров шпалы подразделяются на два сорта: первый и
второй.
Железобетонные шпалы являются цельнобрусковыми, изготов-
ляются из тяжелого бетона и армируются предварительно напря-
женной стальной проволочной или стержневой арматурой пери-
одического профиля диаметром 3 мм. В отличие от деревянной
шпалы, форма которой была предопределена природой, при про-
ектировании железобетонной шпалы ей придали более целесооб-
разную форму, улучшающую рабочие параметры. Поскольку наи-
большие прогибы и давление на балласт возникают у торцов шпа-
лы, ширина ее подошвы уменьшена в средней части до 250 мм и
увеличена у торцов до 300 мм (рис. 4.2). Толщина шпалы пере-
менная по длине — больше в подрельсовом сечении, т.е. под на-
грузкой, в этом же месте сделано углубление 25 мм с подуклон-
кой 1 /20 для установки рельса, а также передачи боковых сил на
бетон и улучшения работы закладных болтов и нашпальных рези-
новых прокладок.
Серийно выпускают шпалы следующих типов:
- Ш1 — для раздельного клеммно-болтового скрепления КБ,
(рис. 4.2), а также подтипы этой шпалы Ш 1-38x3 с экономичным
армированием, Ш1-Р с увеличенной высотой средней части и эко-
номичным армированием, ШI - КН для скрепления КН-65; Ш1 -4х 10
со стержневой арматурой, LLI1-M для пути на мостах с охранными
приспособлениями, 1111-Ч для челноков на мостах;
— Ш2 — для скрепления БПУ (см. рис. 4.2);
- ШЗ — для скреплений ЖБР-65 и ЖБР-65П, закладной болт,
пластмассовый вкладыш (рис. 4.3);
98
а = 2016±2
Тип шпалы Для Ш2 j_i
Рис. 4.2. Железобетонные шпалы Ш1 и Ш2
ВидА
ВидА
Рис. 4.3. Железобетонные шпалы ШЗ и ШЗ-Д
99
— ШЗ-Д — для скреплений ЖБР-65Ш и ЖБР-65ШП для шуру-
па удлиненного с шестигранной головкой и дюбеля пластмассово-
го (см. рис. 4.3);
— ШС-АРС для анкерного скрепления АРС-4 (рис. 4.4);
— ШСТ — опытная утяжеленная.
Уклон подрельсовых площадок шпалы должен быть в пределах
от 1:18 до 1:22.
Шпалы должны быть изготовлены из тяжелого бетона, имеющего
прочность на сжатие В40 по ГОСТ 26633-91, морозостойкость не ме-
нее F200 по ГОСТ 10060.03-95 и отпускную прочность не менее
34,2 МПа (349 кгс/см2).
В зависимости от конструкции шпал их применяют на путях
различного назначения и места укладки. Так на бесстыковом пути
1—4 классов следует укладывать железобетонные шпалы, а на мос-
тах с балластным слоем — специальные шпалы с индексом Ч (чел-
ноковые) или М (мостовые), конструкция которых позволяет кре-
Рис. 4.4. Железобетонная шпала ШС для анкерного скрепления АРС-4
100
пить контруголки. Для участков бесстыкового пути, работающего в
трудных условиях (с большой температурной амплитудой, с кри-
выми малого радиуса) разработаны специальные шпалы ШЗ-ДУ
с сопротивлением поперечному сдвигу, увеличенным в 2 раза
по сравнению со шпалой Ш1, в результате чего повышена устой-
чивость пути против выброса.
В круговых кривых радиусом 349—300 м с шириной колеи 1530 мм
укладывают шпалы типоразмера Ш-К30, а при радиусе 299 м и ме-
нее с колеей 1535 мм — Ш-К35. В переходных кривых с перемен-
ной шириной колеи следует укладывать специальные шпалы с индек-
сом К: К-22, К-24, К-28, К-30 и К-32. На опытном участке пути
Дальневосточной дороги со шпалами Ш-К35 в кривой R = 240 м
с шириной колеи 1535 мм получили снижение бокового износа
рельсов в 2 раза по сравнению с износом на участке с деревян-
ными шпалами.
К достоинствам железобетонных шпал относятся увеличение меж-
ремонтного периода благодаря долговечности шпал (до 30—50 лет);
повышение (на 15—20 % по сравнению с деревянными шпалами) ус-
тойчивости бесстыкового пути против выброса; повышение стабиль-
ности ширины рельсовой колеи, а также улучшение однородности
упругих свойств по длине пути и плавности движения поездов (осо-
бенно важно на скоростных линиях).
Недостатком железобетонных шпал является повышенная (в 2—
3 раза продольная и поперечная жесткость пути, которую приходит-
ся снижать с помощью резиновых прокладок амортизаторов; хруп-
кость и чувствительность к ударным воздействиям; повышенное
давление на балласт; недостаточную работоспособность под рельсо-
выми стыками (отказы в два раза чаще, чем под средней частью
рельса). Кроме того, электропроводность шпалы вызывает необхо-
димость укладки электроизолирующих элементов (имеют малый
срок службы). Большая масса шпалы (около 265 кг) затрудняет
одиночную смену дефектных шпал без мощных кранов.
Области рационального применения железобетонных шпал: в соче-
тании с бесстыковыми рельсовыми плетями (звеньевой путь с желе-
зобетонными шпалами — конструкция, не оправданная технически
и экономически); на линиях со скоростями движения пассажир-
ских поездов более 140 км/ч благодаря высокой стабильности и рав-
ноупругости такого пути. Так мировой рекорд скорости 515 км/ч
101
достигнут во Франции на линии TGV на пути с двухблочными желе-
зобетонными шпалами.
Оптимизация верхнего строения пути на балласте возможна путем
увеличения площади соприкосновения железобетонных шпал с бал-
ластом. На рис. 4.5 приведены формы и размеры шпал из преднапря-
женного бетона, выпускающихся в Германии с начала 1950-х гг., а в
табл. 4.3 — их масса и площадь опирания. Длина шпалы увеличи-
лась с 2,3 м (В55К) до 2,4 м (В58 — на рис. не показана), а затем и до
2,6 м. С 1970 г. шпала В70 является стандартной в Германии. В экс-
периментальной шпале В90 длиной 2,6 м увеличение площади опира-
ния достигалось увеличением ширины основания, а в шпале В75 —
за счет ширины 0,33 м и длины до 2,8 м.
320
Рис. 4.5. Железобетонные шпалы, применяемые на железных дорогах Германии
102
Таблица 43
Параметры железобетонных шпал Германии
Параметры Тип шпалы
В55К В70 В90 В75
Масса, кг 229 304 330 380
Площадь основания, см2 5130 5700 6680 7560
После многолетних испытаний на многих экспериментальных
участках шпалы В75 были уложены на 13,65 км Эти шпалы имеют
повышенную сопротивляемость поперечному сдвигу пути. На ли-
ниях, где обращаются высокоскоростные поезда с вихретоковым
тормозом, дополнительно нагревающим рельсы, шпалы В75 гаран-
тированно исключают выброс пути.
Многолетний опыт эксплуатации железобетонных шпал показал
их надежность и долговечность, уровень их дефектности не превы-
шал 0,6—0,7 % от их числа в главных путях и 1,2 % в станционных
по сравнению с 9 и 16 % для деревянных шпал соответственно.
Срок службы железобетонных шпал пока не регламентирован. На
основе предварительного анализа их эксплуатации предполагают,
что наработка пути с железобетонными шпалами и рельсами Р65 со
скреплениями КБ может быть до 2000 млн т брутто. Общий выход
железобетонных шпал в дефектные при всех видах ремонта и теку-
щем содержании не превышает 5—6 % после пропуска 1000 млн т
брутто. При этом около 60 % отказа шпал связано с эксплуатацией
пути, а 40 % — с их изготовлением. На малодеятельных линиях ре-
альный срок службы железобетонных шпал — около 50 лет.
В применяемых при эксплуатации шпалах не допускаются тре-
щины в бетоне (кроме местных усадочных); местные наплывы бето-
на на подрельсовых площадках, в каналах для закладных болтов и
каналах дюбелей.
Причиной дефектов могут быть как скрытые недостатки изготов-
ления шпал, не обнаруженные при их приемке, так и действие на
шпалы в пути эксплуатационных и климатических факторов.
Повторное применение железобетонных шпал регламентируется
Техническими указаниями по ведению шпального хозяйства с же-
лезобетонными шпалами, 2005 г. Старогодные шпалы подразделя-
ются на группы: 1-я группа — шпалы, не имеющие дефектов и по-
103
вреждений; 2-я группа — шпалы с дефектами первой степени раз-
вития; негодные — шпалы с дефектами второй степени развития.
Области применения старогодных железобетонных шпал: на пу-
тях классов 1 и 2 — применение старогодных шпал не допускается;
на путях класса 3 укладываются старогодные шпалы 1-й группы, а
при их отсутствии — новые; на путях классов 4—5 укладываются ста-
рогодные шпалы 1-й и 2-й групп.
Негодные шпалы повторной укладке в действующие пути не
подлежат.
Большое экономическое значение имеет система перекладки ста-
рогодных железобетонных шпал, снятых с путей 1—2-го классов при
капитальном ремонте, на пути 3—4-го классов и станционные пути
с укладкой старогодных бесстыковых рельсовых плетей.
В снятой при капитальном ремонте пути рельсошпальной решет-
ке с железобетонными шпалами, укладываемой повторно без раз-
борки в главный путь, следует заменить все обнаруженные шпалы
2-й группы годности и негодные шпалы. А при укладке в станцион-
ные или подъездные пути заменить только негодные шпалы. Часть
негодных шпал может быть отремонтирована в специализирован-
ных мастерских для укладки на станционных и подъездных путях.
4.4. Блочные подрельсовые основания на балласте
Путь на балласте еще не исчерпал свой потенциал в качестве аль-
тернативы более сложному и дорогому пути на жестком основании,
в том числе в условиях эксплуатации при высоких осевых нагрузках
и скоростях движения.
Железнодорожный путь современной типовой конструкции —
рельсошпальная решетка с железобетонными шпалами на щебеноч-
ном балласте достаточно надежно работает при скоростях движе-
ния до 200—250 км/ч, а также на участках с высокой грузонапря-
женностью. Однако этой конструкции пути при сложных эксплуа-
тационных условиях присущи и значительные недостатки, в том
числе непрерывное и достаточно интенсивное накопление остаточ-
ных деформаций. Они распределяются вдоль пути неравномерно,
поэтому возникает необходимость значительных расходов сил и
средств для содержания и ремонтов пути. По мере возрастания осе-
вых нагрузок и увеличения числа проходящих единиц поездов при-
нимаются меры по дальнейшему совершенствованию пути и улуч-
104
шению его технико-экономических характеристик. На железных
дорогах разных стран внедряются новые конструкции пути — на
широких шпалах, продольных лежнях, рамном основании. Эти и
другие конструкции предназначены для решения общей задачи
уменьшения нагрузки на балласт и обеспечения более равномерной
осадки пути, что способствует увеличению таким образом сроков
службы пути между очередными ремонтами.
В случае применения блочного основания пути на щебеночной
балластной призме интенсивность накопления остаточных дефор-
маций уменьшается в 3—4 раза. Существенно повышается сопротив-
ляемость смещению пути в горизонтальной и вертикальной плоско-
стях. Однако трудоемкость работ по выправке пути после просадок,
особенно в зоне стыков блоков, возрастает, следует учесть и повы-
шенные расходы на изготовление и укладку блочной конструкции.
При стабильном земляном полотне блочные подрельсовые осно-
вания пути должны позволить свести к минимуму текущее содержа-
ние верхнего строения пути, ограничив его в основном работами по
недопущению ослабления упругого контакта в узлах скреплений.
Ремонты верхнего строения пути должны ограничиться сменой от-
служивших рельсов и скреплений. При незначительных просадках
блоков выправка пути должна производиться регулировкой поло-
жения рельсов по высоте укладкой под рельсы прокладок.
Мировой опыт работы пути на высокоскоростных магистра-
лях убедительно показал, что при высококачественном изготов-
лении и укладке блочных подрельсовых оснований пути на ста-
бильном земляном полотне они работают более 20—30 лет без
ремонта. В последние годы разработаны новые конструкции и
элементы пути на балласте:
— путь с широкими шпалами (Германия);
— рамная конструкция подрельсового основания (Австрия, Гер-
мания, Италия);
— лежневая конструкция подрельсового основания (Япония);
- подшпальные прокладки для предотвращения истирания бал-
ласта;
— шпалы повышенной массы для увеличения стабильности пути.
Широкие шпалы типа BBS2 и BBS3 (рис. 4.6) с увеличенной пло-
щадью опирания способствуют равномерному распределению на-
грузки на балласт. Параметры шпалы BBS2: ширина 57 см, длина
105
2400 см, площадь опорной поверхности — 10 260 см2 , площадь тор-
ца — 830 см2, масса — 560 кг. Теоретическая опорная поверхность
шпалы на 80 % больше, чем у стандартной немецкой шпалы В70, а
давление на балласт на 56 % меньше. Особенностью пути с широ-
кими шпалам является отсутствие балласта между ними. В среднюю
зону нижней части шпалы заделан твердый слой толщиной 2 см из
вспененного материала (пенопласт или геотекстиль). Между шпа-
лами при их укладке оставляется узкий зазор, который закрывают с
помощью дополнительного покрытия. Давление на балласт при этих
шпалах на 28 % меньше, чем при шпалах В-70.
Малогабаритные шпалы. Эксплуатационные испытания малога-
баритных рам (МГР), проведенные во ВНИИЖТе, показали, что за
счет увеличения площади опирания уменьшается интенсивность
накопления остаточных деформаций бесстыкового пути по срав-
нению со шпальным основанием. Институтом рекомендовано при-
менение МГР с типовыми скреплениями на прямых участках и в
кривых с радиусом до 600 м.
Рамные шпалы, уложенные на опытных участках железных дорог
Австрии, Италии и Швейцарии, показали, что они имеют суще-
ственные преимущества перед шпалами по несущей способности и
стабильности за счет увеличения площади опирания на балласт и
упругих прокладок.
106
Рамная шпала (рис. 4.7) является переходной конструкцией между
железобетонными шпалами и плитным подрельсовым основанием.
Рамные шпалы представляют собой сочетание двух обычных железо-
бетонных шпал и двух продольных балок-лежней, соединяющих эти
шпалы, образуя прямоугольную раму. В месте пересечения продоль-
ных и поперечных элементов шпалы устанавливают четыре комплек-
та пружинных рельсовых скреплений с упругими прокадками, так
что каждый рельс опирается на шпалу в двух местах. Эта конструкция
обеспечивает повышенное сопротивление поперечному сдвигу рель-
сошпальной решетки (в 6 раз выше, чем с обычными шпалами), что
крайне важно для предотвращения выброса бесстыкового пути, так
как давление на балласт на 50 % меньше, чем при обычных шпалах.
Рис. 4.7. Шпала рамной конструкции из преднапряженного бетона RS96
Основной идеей при создании рамных шпал являлось располо-
жение рельсов над непрерывным продольным основанием. Можно,
однако, обеспечить опирание рельсов и в большем числе точек, не
нарушая общей концепции системы. Для этого в продольных эле-
ментах шпалы заделывают одну или две упругие опоры, что способ-
ствует частичному поглощению шума, издаваемого при качении ко-
лес по рельсам.
Лежневые шпалы укладывались в Японии на линиях с шириной
колеи 1067 мм (рис. 4.8). Благоприятное распределение нагрузки на
107
450
Рис. 4.8. Лежневая шпала типа Ладдер:
/ — соединительная труба; 2 — скрепления Пэндрол; 3 — лежневый блок
балласт достигается не только за счет увеличения поверхности опи-
рания, но, прежде всего, благодаря изгибной жесткости лежней.
Однако существует ряд проблем, в частности, связанных с шири-
ной колеи и недостатками самой конструкции, а также с трудностя-
ми, возникающими при образовании отвода возвышения рельса в
кривой. Новая конструкция Ладдер (Ladder), разработанная в Япо-
нии, представляет собой раму, образованную двумя лежнями дли-
ной 12 м с предварительно напряженными в продольном направле-
нии пучками арматуры и соединительными трубами (диаметр 80 мм,
толщина стенки 9 мм), установленными поперек пути с шагом 3 м.
Для снижения уровня шума трубы покрывают слоем резины. Рель-
сы крепятся к лежням скреплениями Пэндрол с шагом 75 см.
Лежневая конструкция позволяет снизить нагрузку на балласт на
50 % по сравнению с традиционной конструкцией пути. При этом
нагрузка распределяется более равномерно.
4.5. Блочные безбалластные основания пути
Блочное безбалластное основание пути, получившее в последние
годы широкое распространение, имеет много типов конструкций:
рельс может опираться на отдельные опоры или лежать на сплош-
ном основании; плиты могут быть сборными или монолитными;
рельс удерживается скреплениями или закреплен в желобе плиты.
Несмотря на относительно высокую начальную стоимость (в 2 раза
дороже пути с рельсошпальной решеткой) ожидаются низкие эксп-
луатационные расходы. Кроме того, зарубежный опыт укладки, ис-
следований и эксплуатации безбалластного пути показал его надеж-
108
ность и предполагаемый срок службы до 60 лет. Путь такой конст-
рукции, уложенной в Германии и Японии, служит уже более 30 лет.
Небольшая строительная высота безбалластного пути дает ему пре-
имущества для укладки в тоннелях, на мостах и эстакадах.
К достоинствам безбалластного пути относится надежная и
простая технология укладки; надежная малообслуживаемая и ма-
лозатратная технология содержания; увеличение срока службы
элементов пути; высокое сопротивление поперечному сдвигу, ко-
торое предотвращает выброс бесстыкового пути; сохранение гео-
метрических и динамических характеристик в течение длитель-
ного времени службы.
Для гашения низкочастотного шума, вибраций и предотвраще-
ния их распространения в окружающую среду требуется динамичес-
кая жесткость около 50—100 МН/м, но большая эффективность до-
стигается при жесткости 20 МН/м. Наибольший опыт проектирова-
ния, укладки и эксплуатации безбалластного пути с 1972 г. получен
при работе пути типа RHEDA (Реда). Этот путь рекомендуется укла-
дывать на земляном полотне, мостах, в тоннелях, под стрелочными
переводами и в зонах, чувствительных к вибрации. В настоящее вре-
мя известно более 10 типов конструкции такого пути.
В немецкой конструкции RHEDA 2000 рельсошпальная решет-
ка с двухблочными шпалами и скреплениями Фоссло DFF 300 вы-
вешивается над разложенными плитами и закрепляется в проект-
ном положении с большой точностью (рис. 4.9). Шпальные ящики
и пространство у торцов шпал заполняется жидким бетоном с тол-
щиной слоя 24 см и шириной 280 см. Для предотвращения трещи-
нообразования под шпалами располагается арматурная сетка, ко-
торая имеет диаметр продольной арматуры 20 мм, степень армиро-
вания — 0,8—0,9 % поперечного сечения слоя бетона. Важнейши-
ми достоинствами являются следующие: простота конструкции;
опирание рельсов на железобетонные шпалы; небольшая строи-
тельная высота и ширина; применение литого бетона и долговеч-
ных материалов; оптимальная связь железобетонных шпал с осно-
ванием; точность установки рельса в проектное положение; надеж-
ная поперечная и продольная устойчивость пути; малая обслужи-
ваемость конструкции.
В отличие от большинства конструкций безбалластного пути, в
которых используют забетонированную рельсошпальную решетку,
109
3400
Рис. 4.9. Безбалластное подрельсовое основание RHEDA:
1 — шпалы В 355 (через 65 см); 2 — рельсовое скрепление Фоссло DFF 300-1;
3 — рельс 60 Е1; 4 — продольное армирование (18 шт. d = 20 мм); 5 — гидравли-
чески связанный несущий слой; 6 — защитный слой от промерзания; 7— зем-
ляное полотно; 8 — поперечная арматура d = 20 мм
в этой конструкции применена сплошная бетонная плита. Ее изго-
товляют из модифицированного бетоноукладчика со скользящей
опалубкой. Опорная армированная плита изготовляется без зазоров
из бетона марки В35 (среднее содержание цемента 340 кг/м3). Про-
дольная арматура — стержни арматурной стали диаметром 20 мм и
длиной 24 м, сваренные в сплошные плети. Поперечная арматура из
таких же стержней укладывается под рельсами. Доля армирования
0,8—0,9 % исключает возможность неконтролируемого образования
трещин при низких температурах (ширина трещин менее 0,5 мм).
Последовательность укладки слоев конструкции: морозостойкий
слой — 50 см; гидравлически связанный слой — 30 см, шириной 3,4 м;
бетонная плита шириной 2,8 м и толщиной 24 см, которая служит
опорой рельсошпальной решетки.
Модули упругости слоев основания: бетонная плита — 34 000 Н/мм2;
гидравлически связный слой — 5000—10 000 Н/мм2; морозостойкий
защитный слой — более 120 Н/мм2; слой основной площадки — бо-
лее 45 Н/мм2. Конструкция рассчитана на нагрузку рельса U1C 71.
110
Другая конструкции типа RHEDA применяется для железобетон-
ных шпал длиной 2,6 м, которые укладываются в железобетонную
корытообразную опорную плиту, после вывешивания закрепляют-
ся в проектном положении, междушпальное пространство запол-
няется бетоном. В период твердения бетона рельсы остаются не зак-
репленными (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Безбалластная конструкция пути типа RHEDA (Реда):
1 — бетонная шпала; 2— регулировочные винты; 3 — продольная арматура;
4 — несущий слой; 5 — защитный слой; 6 — поперечная арматура; 7 — битум-
ная эмульсия
Безбалластное основание типа Bogl (Бёгл) уложено на 70-километ-
ровом участке Нюрнберг—Ингольдштадт для движения со скорос-
тью 300 км/ч. В конструкции верхнего строения пути использованы
соединенные в продольном направлении плиты, которые изготавли-
вают заранее, с высокой точностью укладывают в путь и заливают
цементно-битумным раствором (рис. 4.11, а). Плиты шириной 2,5 м,
толщиной 20 см и длиной 6,5 м имеют продольную арматуру и попе-
речную продольно напряженную. При изготовлении на каждой пли-
те отформовывают 10 пар опорных выступов с гнездами для установ-
ки подкладок и скреплений. Между этими точками выполнены в по-
перечном направлении пазы с шагом 5 м, что предотвращает неконт-
ролируемое образование трещин в плите. Продольно связанные плиты
можно рассматривать как широкие шпалы.
111
Рис. 4.11. Безбалластная конструкция пути типа Bogl:
а — на земляном полотне: 1 — рельс UIC 60, скрепления Фоссло 300; 2 — асфальтовая полоса; 3 — мелкий щебень;
4 — сборная плита толщиной 20 см; 5 — слой цементно-битумного раствора 3 см; 6 — гидравлически связанный
несущий слой; 7— слой, защищающий от промерзания, прочность более 120 Н/см2; б — на мосту: 1 — боковая на-
правляющая балка; 2— эластомерная опора толщиной 10 мм; 5 — водоспуск (полуоболочка) ширина 1 м, высота 75 мм;
4— сборная плита с 3x2 анкерами d = 25 мм; 5— слой битумно-цементного раствора; 6— выравнивающий армиро-
ванный бетон; 7— поверхность скольжения; 8 — плита из жесткого пенопласта; 9 — защитный бетон толщиной
более И см, армированный; 10 — эластомерные опоры толщиной 10 мм
о
Рис. 4.12. Безбалластная конструкция пути типа Цублин:
1 — бетонная опорная плита; 2 — гидравлически связанный несущий слой;
3 — шпала
Разработана конструкция пути типа Bogl для укладки на рамном
основании — мосты, тоннели и т.п. (рис. 4.11, б).
Безбалластный путь типа Zublin (Цублин) укладывают на шпалы,
которые не заливаются бетоном. Пакет из 10 шпал, связанных за-
хватным устройством, укладывают на поверхность незатвердевшего
бетона. Шпалы под действием вибрации частично погружаются в бе-
тон (рис. 4.12 ). Междушпальное пространство может быть заполне-
но асфальтом.
Контрольные вопросы
1. Назначение подрельсовых опор и требования к ним.
2. Достоинства и недостатки различных видов подрельсовых опор.
3. Блочные основания пути на балласте и безбалластные.
Глава 5. БАЛЛАСТ И БАЛЛАСТНАЯ ПРИЗМА
5.1. Назначение балластной призмы
Балластная призма должна обеспечивать устойчивость рель-
сошпальной решетки в пространстве под воздействием как вер-
тикальных, так и горизонтальных поперечных и продольных сил
без остаточных деформаций. Она должна передавать давление от
шпал на возможно большую поверхность основной площадки
земляного полотна наиболее равномерно. Для обеспечения дви-
жения подвижного состава должна иметь необходимую упругость
подрельсового основания. Строение балластной призмы должно
предусматривать отвод воды от верхнего строения пути. Эти тре-
бования обеспечиваются применяемыми при строительстве ма-
териалами.
Материал балластной призмы должен быть прочным и упру-
гим, водо- и морозоустойчивым, хорошо сопротивляться переме-
щениям и быть плохим проводником тока. В последнее время по-
явились дополнительные требования к форме зерен балласта: они
должны иметь форму, близкую к кубической, при которой улуч-
шается износостойкость; балласт не должен содержать зерна вытя-
нутой формы (лещадные и игловатые), прошивающие и расклини-
вающие балластную призму. Этим требованиям в разной степени
удовлетворяют такие материалы, как щебень, гравий, асбест, пе-
сок, шлаки и ракушечник.
5.2. Материалы для балласта
Щебеночный балласт приготовляется на щебеночных заводах
путем дробления естественного камня, предпочтительно маг-
матического происхождения, с последующей сортировкой образо-
вавшейся массы. В зависимости от вида исходной горной породы
щебень может изготовляться из скальных пород (100 %) дробленых
частиц); из валунов и гравия (дробленых зерен не менее 50 % по
массе).
114
Щебень является наилучшим материалом и применяется в боль-
шинстве стран мира, но он должен изготовляться из прочных гор-
ных пород и удовлетворять ряду требований.
По зерновому составу щебень должен содержать количество зе-
рен крупнее верхнего номинального размера (60 мм) 60—70 мм не
более 5 % по массе, а свыше 70 мм — не допускается; зерен мельче
нижнего номинального размера (25 мм) не более 5 %, в том числе
частиц размером менее 0,16 мм — 1,5 % по массе.
По прочности щебень испытывается на истираемость. При этом
определяется потеря массы в % (при испытании в полочном ба-
рабане типа шаровой мельницы) или на сопротивление удару в
условных единицах (при испытании на копре ПИ). Для балласт-
ной призмы путей 1, 2 и 3-го классов должен применяться ще-
бень только твердых пород марки И20 (истираемость 20 % потери
массы) или У75 (удар при условной единице копровых испыта-
ний), на путях 4-го и 5-го классов можно применять щебень сред-
ней твердости марок И40 или У50; сопротивление удару — не ме-
нее 50 условных единиц при испытаниях на копре ПМ. Содержа-
ние зерен слабых пород допускается не более 10 % массы зерен с
пределом прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии
менее 20 МПа. При испытаниях на барабане допускается истира-
емость (потеря массы) — не более 30 % первоначальной массы типа
полочной шаровой мельницы. Щебень должен обладать водопо-
глощаемостью не более 15 % массы сухого щебня; морозостойкос-
тью, выдерживать без разрушения 25, 20 и 15 циклов заморажива-
ния и оттаивания соответственно для суровых, умеренных и мяг-
ких климатических условий. В зависимости от количества циклов
попеременного замораживания и оттаивания образцов щебня без
разрушения щебень подразделяется по маркам Мрз 50 и Мрз 25
(с разрешения РЖД).
Щебеночный балласт из прочных магматических материалов
(глубинные породы — граниты, габбро, диариты, сиениты; излив-
шиеся породы — диабазы, базальты) является лучшим из совре-
менных балластных материалов. Щебень низкого качества изго-
товляется из осадочных пород — известняков, доломитов, песча-
ников.
Асбестовый балласт широко применялся в России в главных пу-
тях всех классов. В 70—80-е гг. 20 в. около 1/3 главных путей были
115
уложены на асбестовом балласте, который считался рациональным
и наиболее экономичным. Но многолетний опыт его эксплуатации
позволил выявить ряд серьезных недостатков. Асбестовый балласт
является концерогенным (вредным для дыхательной системы че-
ловека), а поэтому санитарные нормы требуют, чтобы все виды ра-
бот с асбестовым балластом (погрузка-выгрузка, укладка в путь,
подбивка) проводились с обязательными мероприятиями, на-
правленными на снижение его пыления, что трудно выполнимо на
практике. Большие объемы загрязненного асбестового балласта, от-
служившего свой срок и вырезаемого из пути при капитальном
ремонте с заменой щебнем, представляет серьезную экологиче-
скую проблему, поэтому необходимо его захоронение. В связи с
этим применение асбестового балласта ограничивается участками
пути с интенсивным засорением сыпучими грузами, а также зоной
месторождения (Урал).
При переходе балластной призмы с асбестового балласта на ще-
беночный асбест полностью вырезают. Допускается оставлять в ниж-
них слоях призмы асбестового слоя не более 15 см. При этом толщи-
на слоя щебня под шпалой над оставшимся асбестовым балластом
должна быть не менее 35 см на пути с железобетонными шпалами.
На участках с интенсивным засорением пути сыпучими грузами ре-
комендуется защищать щебеночную балластную призму сверху сло-
ем асбестового балласта.
Гравийный и гравие-песчаный балласт применяется на станцион-
ных и подъездных путях; используется в качестве подушки под все
виды балластов (щебеночный, асбестовый), допускается также бал-
ластировка главных путей 4-го класса.
5.3. Поперечные профили балластной призмы
По конструкции балластные призмы могут быть однослойными
(из любых балластных материалов, кроме щебеночного) и двухслой-
ными (щебеночный или асбестовый балласт поверх песчаной или
гравийно-песчаной подушки). Назначение балластной подушки —
предотвратить засорение щебня грунтом основной площадки зем-
ляного полотна, предохранить грунт от разжижения (весной), пере-
сыхания и растрескивания (летом).
Толщина балластной призмы (табл. 5.1) различная в зависимости
от эпюры шпал. Под шпалой толщина h должна быть достаточной
116
для равномерного распределения нагрузки на основную площадку
земляного полотна (рис. 5.1). Шпала, над которой расположено ко-
лесо, передает 40 % нагрузки, соседние шпалы — по 25 %, а располо-
женные за ними - по 5 %. Толщина балластного слоя h зависит от
расстояния между шпалами а и угла распределения давления на-
грузки в балласте а:
h = tf/2tga.
Типовые поперечные профили балластной призмы на прямых и
кривых участках пути приведены на рис. 5.2, а ее размеры в табл. 5.2.
Верх балластной призмы должен располагаться при деревянных
шпалах ниже верха шпалы на 3 см, а при железобетонных шпалах в
одном уровне с верхом средней части шпалы.
Таблица 5.1
Толщина балластной призмы при разной эпюре шпал и разном угле а
Эпюра шпал Расстояние между шпалами, см Толщина призмы при углах
30° 39° 42°
1667 60 52 37 33
1600 63 55 39 35
1530 65 56 40 36
5 /25 ж /40^ Г25%\ /5%
fliiiiiiiiiiiijnniiiiiiiiiijSHiiiiiiiiiiigsaiiiiiiiiiiiiSHiiiiiiiiiiiiju
Рис. 5.1. Схема определения толщины балластного слоя:
а — расстояние между шпалами; р — уровень напряжений на основной пло-
щадке земляного полотна; h — толщина балласта под шпалой; а — угол распре-
деления давления в балластном слое
117
Рис. 5.2. Поперечные профили балластной призмы:
а — балластная призма на однопутном участке на прямой при деревянных шпалах;
б — то же в кривой; в — балластная призма на двухпутном участке на прямой при
деревянных шпалах; г — балластная призма на однопутном участке на прямой
при железобетонных шпалах; д — то же в кривой; е — балластная призма на
двухпутном участке на прямой при железобетонных шпалах; ж — то же в кривой;
з — балластная призма на двухпутном участке в кривой при деревянных шпалах;
d — плечо балластной призмы; — толщина щебня под шпалой; /?п — толщина
подбалластной подушки; А — уширение междупутья в кривой
118
Таблица 5.2
Размеры балластной призмы в зависимости от класса пути, см
Класс пути Толщина балластного слоя под шпалой (в кривых — под внутренней нитью) Толщина песчаной подушки Ширина плеча призмы Крутизна откосов призмы
1-2 35/40 20 40/45 1:1,5
3 25/30 20 35/40 1:1,5
4 20/25 20 25/30 1:1,5
5 15 15 20/25 1:1,25/1:1,5
Примечание. В числителе — для деревянных шпал, в знаменателе - для же-
лезобетонных.
При отступлении от нормативной ширины балластной призмы
на протяжении более 10 м на звеньевом пути в кривых со стороны
наружной нити и на бесстыковом пути в прямых и кривых должны
обеспечиваться меры безопасности движения поездов в зависимос-
ти от величины отступлений и ожидаемых температур. Для звенье-
вого пути при ширине плеча менее 20 см, а для бесстыкового - ме-
нее 25 см и ожидаемом повышении температуры на 15 °C и более
относительно температуры закрепления рельсовых плетей скорость
ограничивается до 60 км/ч или менее в зависимости от конкрет-
ной ширины плеча балластной призмы или ожидаемого повышения
температуры.
Сроки службы балласта определяются: процессами измельчения
его частиц при текущем содержании, ремонтах и под поездами
(внутренние засорители); попаданием в балласт внешних засори-
телей — просыпание сыпучих грузов с поездов (уголь, руда, торф,
инертные материалы), а также засорителей, принесенных ветром.
Загрязненный щебеночный балласт необходимо своевременно
(не дожидаясь образования выплесков пути) очищать от загрязни-
телей, а загрязненный асбестовый и песчаный балласт — заменять.
Поверхность балластной призмы требуется периодически очищать
от засорителей и растительности.
На участках массовой перевозки сыпучих грузов на звеньевом
пути высыпается в 3—4 раза больше засорителей по сравнению с
бесстыковым, что ведет к образованию выплесков и необходимо-
сти частых очисток балластной призмы.
119
В зависимости отдели (%) протяженности пути на 1 километре с
выплесками (состояние балласта) скорости движения не должны
превышать значения (в соответствии с Инструкцией ЦП-774):
Доля протяжений пути с выплесками, % Скорость, км/ч
До 5 включительно............................ 140
5-7.................................... 120
7-10................................... 100
10-15...................................80
15-20...................................60
20-30...................................40
Более 30..................................25
Главной задачей при разработке конструкций верхнего строения
пути на балласте является решение проблемы осадки пути. На пути
старых конструкций проведение работ по текущему содержанию
требуется после пропуска 30—60 млн т брутто. Как показал много-
летний опыт эксплуатации высокоскоростных линий с путем на бал-
ласте, интервал между этими работами 2 года.
При заданных свойствах балласта величину осадки определяют
климатические условия (влажность, низкие температуры) и условия
эксплуатации. Последний фактор имеет наибольшее значение, если
на линии осуществляется смешанное грузопассажирское движение
(грузовые - ночью, а пассажирские днем). Осадка в большей степе-
ни обусловлена сжатием балласта. Мировой опыт эксплуатации пути
на балласте показал, что изменение положения пути в среднем про-
порционально третьей степени силы сжатия балласта. Уменьшить
величину давления на баласт можно увеличив площадь опирания
шпал на балласт, что можно осуществить путем увеличения ширины
шпал или заменой балласта блочным основанием.
С целью повышения стабильности щебеночного балластного слоя
предпринимаются попытки создания искусственных связей между
зернами щебенки настолько значительных, чтобы остаточные дефор-
мации балластной призмы под поездами сократились в несколько
раз, но чтобы эти связи не препятствовали производству необходи-
мых путевых работ с балластным слоем (подъемка, подбивка и т.п.).
В США, Франции, Англии, ФРГ, Японии, Италии проводятся опы-
ты по закреплению щебеночного балластного слоя битумными, ре-
зино-битумными мастиками, латексами (промежуточный продукт
при производстве синтетического каучука), опрыскиванием различ-
ными эмульсиями и т.п.
120
Проведенный во ВНИИЖТе комплекс исследований, в том чис-
ле на опытных участках железных дорог, позволил установить сферы
рационального применения омоноличивания щебеночной балласт-
ной призмы: откосная часть балластной призмы на участках бессты-
кового пути особенно в крутых кривых радиусами 300—349 м; зона
стыков (звеньевых, уравнительных пролетов бесстыкового пути).
При обработке балластной призмы связующим жидкой консис-
тенции (латекс) путем полива образуются эластичные полимерные
связки только в местах контакта зерен щебня также препятствуют
перемещению частиц относительно друг друга, сколу и износу в ме-
стах их контакта, а после снятия нагрузки позволяют частицам щеб-
ня возвращаться в исходное положение (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Контактирование зерен щебня в балластной призме при обработке:
а — вяжущим густой консистенции; б — связующим жидкой консистенции
Все более серьезную экологическую проблему представляют хи-
мические методы борьбы с растительностью на балластном пути.
Использование грунтовых гербицидов запрещено в ряде стран. Тер-
мическая обработка пути оказалась слишком дорогой, тем не менее
пока нет альтернативы. В перспективе, возможно, придется сокра-
щать интервалы между дорогостоящими работами по очистке бал-
ласта.
Контрольные вопросы
1. Назначение балластной призмы и требование к ней.
2. Балластные материалы, их виды, достоинства и недостатки.
3. Повышение надежности работы балластной призмы.
121
Глава 6. БЕССТЫКОВОЙ ПУТЬ
6.1. Основные положения
Бесстыковой путь — наиболее прогрессивная и широко распрос-
траненная в мировой практике железных дорог конструкция верх-
него строения пути. Он прокладывается в различных эксплуатаци-
онных и климатических условиях и дает существенный технико-
экономический эффект. Идея бесстыкового пути была выдвинута
русским инженером И.Р. Стецевичем еще в 1903 г. В 1935 г. на
ст. Подмосковная Калининской железной дороги построен пер-
вый участок бесстыкового пути длиной 477 м, а в 1949 г. на Томской
железной дороге уложена опытная конструкция бесстыкового пути
М.С. Боченкова с саморазрядкой напряжений. Массовая укладка
бесстыкового пути на отечественных железных дорогах началась в
1960 г. после того, как на основных направлениях железных дорог
был завершен переход с песчаного на щебеночный балласт, а также
освоен выпуск надежных рельсовых скреплений. В России эксплу-
атируется температурно-напряженная конструкция бесстыкового
пути. Бесстыковой путь — это железнодорожный путь, содержащий
сварные рельсовые плети столь большой длины, что продольные силы,
возникающие в них при максимальных колебаниях температуры про-
порциональны этим изменениям и не в состоянии преодолеть силы со-
противления продольному сдвигу по всей длине плетей. В России бес-
стыковой путь уложен на 50 % протяжения главного пути, в том числе
на Московской железной дороге — 70 %, Калининградской — 65 %,
Октябрьской — 60 %, Приволжской — 50 %. При сохранении темпов
перевода пути на железобетонное основание доля укладки бестыково-
го пути на главных напрывлениях может достигнуть 75 % к 2015 г.
К достоинствам бесстыкового пути следует отнести:
— продление сроков службы верхнего строения пути до 25 %; воз-
никновение отказов в рельсовых плетях по дефектам (контактно-ус-
талосным и в стыках) в 1,8—2,0 раза реже, чем в рельсах звеньевого
пути (без учета уравнительных пролетов в 3—4 раза);
122
— сокращение объемов работ по выправке пути на 25—30 %;
- сокращение расхода металла на стыковые рельсовые скрепле-
ния — 9 т на 1 км;
— уменьшение потребностей в очистке балласта на угольно-руд-
ных маршрутах в 1,5—2,0 раза, так как при отсутствии стыков сни-
жается уровень динамического взаимодействия колеса и рельса, а
как следствие, уменьшаются потери сыпучих грузов, являющихся
засорителями;
— уменьшение удельного сопротивления движению поезда и в
связи с этим экономия топлива и электроэнергии на тягу поездов до
12—15 % (или около 7 млн кВт-ч) и 3,9 тыс. т дизельного топлива на
1000 км в год;
— улучшение комфортабельности поездки пассажиров.
Бесстыковой путь — температурно-напряженная конструкция.
Помимо напряжений от действия поездной нагрузки в сварных рель-
совых плетях действуют продольные температурные силы, достига-
ющие в средней (основной) части 1,0—1,1 тыс. кН. При повышении
температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой зак-
репления в них возникают продольные силы сжатия, которые могут
вызвать выброс пути. При понижении температуры — появляются
растягивающие силы, которые могут привести к разрыву плети и об-
разованию большого зазора, опасного для прохода поезда, или раз-
рыва рельсового стыка в уравнительных пролетах из-за среза бол-
тов. Дополнительное воздействие на бесстыковой путь оказывают
силы, создаваемые при рихтовке и выправке пути, очистке щебня и
других работах.
6.2. Конструкция бесстыкового пути
Бесстыковой путь укладывается в прямых участках пути и кривых
радиусом не менее 350 м, а при технико-экономическом обоснова-
нии, утвержденном начальником службы пути, — в кривых ради-
усами 300—350 м. Под укладку бесстыкового пути земляное полот-
но должно быть прочным и устойчивым. Не допускаются пучины бо-
лее 10 мм, просадки, сплывы и оползания откосов. Минимальная ши-
рина обочины земляного полотна для внеклассных линий и линий
1—2-го классов — 50 см; 3-го — 45 см, 4—5-го — 40 см.
Балластный слой на участках внеклассных линий и 1—4-го клас-
сов должен быть щебеночный, на линиях 3—5-го классов — допус-
123
кается асбестовый. Щебень должен иметь фракции 25—60 мм толь-
ко твердых пород с прочностью И20 и У75. Балластная призма на
участках внеклассных, а также на линиях 1—2-го классов должна
иметь ширину плеча 45 см; 3—5-го классов — 40 см; крутизну отко-
сов — 1:1,5. Толщина слоя щебеночного балласта под железобетон-
ными шпалами — 40 см, под деревянными — 35 см.
Рельсовые плети для бесстыкового пути могут иметь длину 800 м
и менее (короткие), более 800 м (длинные), в том числе могут быть
равны длине блок-участка, перегона или иметь неограниченную дли-
ну. Для вновь укладываемых рельсовых плетей бесстыкового пути
длина устанавливается проектом в зависимости от местных условий
(расположение стрелочных переводов, мостов, тоннелей, кривых
радиусом менее 350 м и др.) и должна быть, как правило, равной
длине блок-участка, но не менее 400 м. На участках с S-образными
кривыми и одиночными кривыми, где наблюдается интенсивный
боковой износ головки рельсов, с разрешения начальника службы
пути могут использоваться короткие плети длиной не менее 350 м.
Более короткие плети, но не менее 100 м, могут укладываться на стан-
циях между стрелочными переводами. При этом концы их должны
бать отделены от стрелочных переводов двумя парами уравни-
тельных рельсов длиной по 12,5 м. Длина плети определяется и
указывается при температуре +20 °C.
Имеется опыт применения сварки на стрелочных переводах в бес-
стыковых рельсовых плетях. Для этого стрелочные заводы выпуска-
ют крестовины в комплекте с рельсовыми окончаниями, которые
приваривают электроконтактным способом. Стыки в пределах стре-
лочного перевода, кроме двух электроизолирующих, сваривают
алюминотермитным способом.
Рельсовые плети для бесстыкового пути внеклассных линий и ли-
ний 1-го и 2-го классов свариваются электроконтактным способом из
новых термоупрочненных рельсов типа Р65 1-й группы 1-го класса
длиной 25 м без болтовых отверстий. Они укладываются с раздельны-
ми скреплениями и железобетонными шпалами на путях всех классов
в прямых и кривых участках пути радиусом не менее 350 м. На путях
4-го и 5-го классов бесстыковой путь можно эксплуатировать на щеб-
не из валунов и гальки, на гравийном и песчано-гравийном балласте.
Между рельсовыми плетями, независимо от их длины, при отсут-
ствии изолирующих стыков должны быть уложены на Калинин-
124
(радской, Юго-Восточной, Северо-Кавказской и Приволжской желез-
ных дорогах по две пары уравнительных рельсов длиной по 12,5 м, а
на других дорогах, в том числе и на дорогах Сибири, — по три пары.
Это требование связано с различием расчетных температурных амп-
литуд в этих регионах. В случае примыкания бесстыкового пути к
звеньевому или к стрелочным переводам, не ввариваемым в пле-
ти, на примыкании должны быть уложены две пары уравнитель-
ных рельсов. Уравнительные рельсы всех типов соединяют между
собой и со сварными рельсовыми плетями шестидырными наклад-
ками без применения графитовой смазки. При этом гайки стыко-
вых болтов обычного качества затягивают с крутящим моментом
не менее 600 Нм, а высокопрочных — 1100 Н м. Не допускается
расположение стыков в пределах переездного настила.
Плети, укладываемые в кривых, должны иметь разную длину по
наружной и внутренней нитям для того, чтобы их концы размеща-
лись по наугольнику. Допускается в процессе эксплуатации забег
концов плетей в стыках по одной и другой нитям не более 8 см.
Содержание бесстыкового пути связано со специальными тре-
бованиями по сравнению со звеньевым путем, что обусловлено
наличием значительных внутренних температурных сил, появля-
ющихся в рельсовых плетях при больших перепадах фактической
температуры рельсов относительно температуры в момент уклад-
ки их на постоянное закрепление.
При временном закреплении плетей при температурах ниже оп-
тимальной необходимо в уравнительный пролет уложить заранее за-
готовленные удлиненные рельсы 12,54; 12,58 и 12,62 м, которые дол-
жны быть заменены рельсами длиной 12,5 м при закреплении плети
на постоянный режим эксплуатации.
В летнее время в каждой плети появляются силы сжатия, могу-
щие достигать 600—1000 кН. При сочетании с силами, вызывае-
мыми воздействием на путь подвижного состава (например, силы
угона) и наличии отступлений в содержании пути (неровности в
плане, нарушенные размеры плеча балластной призмы и др.), силы
сжатия могут стать причиной выброса пути (рис. 6.1), а в зимнее
время в плетях возникают растягивающие силы, достигающие при
чрезмерно низких температурах 1200—1700 кН. При слабой затяж-
ке клеммных и закладных болтов такие силы могут привести к раз-
рыву стыковых болтов в уравнительных пролетах, а в случае изло-
125
Рис. 6.1. Выброс бесстыкового пути
ма плети — образование большого зазора, опасного для прохода
поезда (при величине зазора более 50 мм). Одним из основных
требований, предъявляемых к текущему содержанию бесстыково-
го пути, поэтому является предотвращение продольных перемеще-
ний рельсовых плетей от совместного воздействия температурных
и поездных динамических сил. Это достигается обеспечением по-
стоянного прижатия подошвы рельсов к подкладкам и подкладок —
к шпалам, а также контролем за угоном плетей и состоянием пути
(положение в плане, изменение вида и размеров балластной при-
змы и др.). Для обеспечения требуемого погонного сопротивления
нормативное прижатие рельса к основанию должно составлять
не менее 20 кН. При скреплении КБ это достигается при среднем
нормативном усилии затяжки гаек клеммных и закладных болтов,
соответствующим крутящему моменту, равному 150 Н-м (15 кгс-м)
и 120 Н м (12 кгс-м).
Для обеспечения запаса усилия прижатия гайки клеммных и зак-
ладных болтов при укладке плетей должны затягиваться с крутящи-
ми моментами соответственно 200 и 150 Н-м. В процессе эксплуата-
126
ции затяжка контролируется динамометрическими ключами. При па-
лении среднего усилия затяжки на гайках клеммных болтов до 100 Нм,
а закладных — до 70 Н м проводится их подтяжка.
В бесстыковом пути должны применяться железобетонные шпа-
лы с промежуточными рельсовыми скреплениями, обеспечивающи-
ми достаточное сопротивление продольным перемещениям плетей
(25—30 кН/м), стабильность ширины колеи, возможность быстрого
закрепления плетей на шпалах при укладке и освобождения их при
разрядке напряжений, ремонтах пути и замене плетей. Основными
типами скреплений являются КБ, АРС и КД (на мостах).
Бесстыковой путь укладывают, как правило, при реконструкции
или капитальном ремонте пути по типовой технологии с временной
укладкой инвентарных рельсов длиной 25 м, впоследствии заменя-
емых рельсовыми плетями. Для обеспечения прочности и устойчи-
вости бесстыкового пути все вновь укладываемые плети должны зак-
репляться при оптимальной температуре рельса в соответствии с
нормативами, например, для Московской и Октябрьской дорог
30±5 °C, Горьковской и Северной — 25±5 °C. При необходимости
укладки плетей при температурах выше или ниже оптимальных,
следует принимать меры для введения плетей в необходимый
температурно-напряженный режим в соответствии с утвержден-
ными технологическими процессами. Не рекомендуется укладывать
рельсовые плети при температурах ниже —15 °C в прямых участках
и кривых радиусом более 800 м, ниже -10 °C в кривых радиусом
501—800 м и ниже -5 °C в кривых радиусом 500 м и менее.
Бесстыковой путь на скоростных магистралях. При скоростном
движении пассажирских поездов к пути предъявляются повышен-
ные требования. Первое — это практически полная ликвидация сты-
ковых соединений как на границах блок-участков, так и в зоне стре-
лочных переводов. В отдельных случаях при скоростях до 200 км/ч
до введения тональной автоблокировки сварные плети на границах
блок-участков могут быть соединены изолирующими накладками
специальной конструкции, выдерживающими на растяжение усилие
не менее 50 кН. Второе — поверхность катания головки рельсовых
плетей должна иметь высокую прямолинейность (вертикальная волно-
образная неровность на длине 1,5 м — высотой не более 0,2—0,4 мм;
концевая искривленность горизонтальная — до 0,3 мм, а вертикаль-
ная вниз не допускается).
На железобетонных мостах с ездой на балласте с балочными
пролетными строениями длиной до 33,6 м и арочными бесстыко-
вой путь укладывается без ограничения суммарных длин пролет-
ных строений. На безбалластных мостах с деревянными мостовы-
ми брусьями, металлическими поперечинами и железобетонны-
ми плитами БМП бесстыковой путь укладывается: на однопролет-
ных — при длине пролетных строений до 55 м и многопролетных —
при суммарной длине пролетных строений до 66 м с соблюдением
следующих условий:
- на мостах с суммарной длиной пролетных строений до 33 м рель-
совые плети крепятся к основанию без защемления подошвы рельса;
— с суммарной длиной пролетных строений 33 м и более рельсо-
вые плети над неподвижными опорами каждого пролетного строе-
ния имеют усиленное закрепление, а на остальном протяжении —
без защемления подошвы.
На металлических мостах — на многопролетных при суммарной
длине пролетных строений более 66 м и на однопролетных длиной
свыше 55 м укладывается звеньевой или бесстыковой путь по спе-
циальным указаниям Департамента пути ОАО «РЖД».
6.3. Сопротивления продольным перемещениям
рельсовых плетей
Величина свободного удлинения или укорочения рельса зависит
от длины плети и амплитуды изменения его температуры:
\в=а£А/р’ (6-1)
где а — коэффициент линейного расширения рельсовой стали; а - 0,0000118 град”1:
Д/р — изменение температуры, °C;
L — длина рельсовой плети.
Свободное изменение длины рельсовой плети можно зафиксиро-
вать, если положить ее на ролики или прокладки, обеспечивающие
малый коэффициент трения. В реальных условиях удлинение свар-
ной рельсовой плети бесстыкового пути происходит по более слож-
ному закону, преодолевая сопротивления в стыках и по длине рель-
са (погонные сопротивления).
Концы рельсовых плетей соединены стыковыми накладками и до
преодоления стыкового сопротивления Рн плеть перемещаться не
будет, несмотря на значительное повышение температуры. Повыше-
128
ние температуры вызывает рост продольных температурных сил, а
следовательно, и напряжений, величина которых будет
(6.2)
где Е — модуль упругости рельсовой стали, Е-21-104 МПа.
Подставляя в формулу значение Лсв =аЛД/р и переходя ко всей
площади рельса F, получаем величину продольной силы, которая
будет действовать в рельсе
Nt=EFabtp. (6.3)
Из этого выражения легко получить величину изменения тем-
пература рельса, при которой стыковое сопротивления может быть
преодолено, т.е. Nt = Ри:
^tK=PH/aEF. (6.4)
После повышения температуры на величину большую Дгн начи-
нается удлинение его концов с одновременным преодолением по-
гонных сопротивлений по длине рельса. Эпюра (в общем виде) сты-
ковых Рн и продольных р сопротивлений в бесстыковом пути пока-
зана на рис. 6.2.
Величина удлинения Хп рельсовой плети с одновременным пре-
одолением летних погонных сопротивлений рл изменяется по зако-
ну квадратной параболы: Хп = рл fj/2EF.
х
Рис. 6.2. Эпюра температурных сил в рельсовой плети:
L — полная длина рельсовой плети; 1{ — длина температурно-подвижных учас-
тков; Nt — величина продольной температурной силы; F — площадь попереч-
ного сечения рельса; Д/н — интервал изменения температуры относительно
нейтральной; Рн — стыковое сопротивление перемещению рельса; pt — погон-
ные сопротивления перемещению рельса
129
Рассматривая сечение b—b\ на расстоянии х от конца плети,
можно написать равенство ря lr = EFoAtp
Отсюда длина подвижной части конца рельсовой плети при из-
менении температуры на Дгр достигнет величины
lt=EFa&t?/ра. (6.5)
От величины перемещения концевых участков зависят размеры
стыковых зазоров. Средняя часть плети L-2lt (преимущественно
большей длины) остается всегда неподвижной.
Величина продольных сил на этом неподвижном участке опреде-
ляется выражением (6.3):
Nf = F = EFaM^. (6.6)
Необходимо обратить внимание, что длина подвижных концевых
участков, как и неподвижной части, не зависят от длины бесстыко-
вой плети и определяются только погонными сопротивлениями и
величинами изменения температуры рельсов. Это определяет одно
из основных требований к содержанию бесстыкового пути: необхо-
димость предотвращения продольных перемещений рельсовых пле-
тей от совместного воздействия температурных и поездных дина-
мических сил. Рельсы должны быть постоянно надежно прижаты к
подкладкам, а подкладки — к шпалам.
На участках бесстыкового пути организован постоянный кон-
троль за температурой рельсов, осуществляемый на специальных
температурных постах дистанций пути, на стендах дорожных ме-
теостанций, а также непосредственно в местах производства ра-
бот.
Летом с наступлением температур, близких к наивысшей для
данной местности, а зимой при понижении температур на 60 °C и
более по сравнению с температурой закрепления или при темпера-
туре воздуха минус 30 °C и ниже на весь период действия таких тем-
ператур надзор за бесстыковым путем усиливается.
Осенью и зимой, до наступления периода наиболее низких тем-
ператур должны быть отрегулированы зазоры в стыках уравнитель-
ных рельсов и закреплены болты таким образом, чтобы при особо
низких температурах не было разрыва стыков или рельсов. При
невозможности такой регулировки зазоров, например при чрез-
мерно растянутых зазорах во всех стыках уравнительного проле-
130
та, необходимо заменить уравнительный рельс на удлиненный и
соответственно уменьшить зазоры в стыках. При наступлении вес-
ны снятый рельс в уравнительном пролете следует поставить на
свое место.
Уравнительные рельсы всех типов соединяют между собой и со
сварными рельсовыми плетями шестидырными накладками без при-
менения графитовой смазки. При этом гайки стыковых болтов обыч-
ного качества затягивают с крутящим моментом не менее 600 Н-м
при рельсах Р65 и Р75. В этом случае стыковое сопротивление Рн =
= 7-600 = 420 кН, при высокопрочных болтах для затягивания болтов
Мкс = 1100 Н м и Рн = 7-1100 = 770 кН, а на эксплуатируемых участках
с рельсами Р50 величина крутящего момента должна быть не менее
400 Нм и Рн= 7-400 = 280 кН.
Сопротивление продольным деформациям клееболтовых изоли-
рующих стыков, вваренных в середину плети, должно быть не менее
продольных сил, реализуемых в длинных сварных плетях при тем-
пературах близких к минимальным.
Погонные сопротивления сдвигу рельсов образуются на опорах при
отсутствии поезда и относятся к 1 м длины рельсовой плети (кН/м).
Величины погонных сопротивлений чаще определяют экспери-
ментально в зависимости от типа скреплений, вида балласта и со-
стояния балластной призмы, но могут быть получены и расчетным
путем.
Различают летние погонные сопротивления рл и зимние р3. Под
действием продольных температурных сил рельсы летом перемеща-
ются вместе со шпалами за счет деформации балласта при раздель-
ном скреплении или по шпалам — при костыльном.
При раздельном скреплении летние погонные сопротивления
растут с увеличением сдвига шпал (с уплотнением сыпучей сре-
ды). В практических расчетах принимают гипотезу о независимо-
сти сопротивления от величины продольного сдвига. Эксперимен-
тально определяется величина сопротивления сдвигу одной шпа-
лы ( в щебеночном балласте /?шп — около 7 кН). При этом погон-
ное сопротивление сдвигу двух рельсовых нитей при эпюре шпал
/V = 1840 шт/км
рл = Vion /200°; Рл = 7’ 1840 /2000 = 6,5 кН/м.
Здесь 2000 — длина двух рельсовых нитей на 1 км пути.
131
При наиболее распространенном раздельном скреплении КБ
зимнее погонное сопротивление зависит от сил трения между по-
дошвой, клеммами и подрельсовой подкладкой.
В соответствии с ТУ-2000 для обеспечения требуемого погон-
ного сопротивления нормативное прижатие рельса к основанию
должно составлять не менее 20 кН. При скреплении КБ это дости-
гается при среднем нормативном усилии затяжки гаек, клеммных
и закладных болтов (одновременно с затяжкой производится сма-
зывание резьбы болтов и гаек), соответствующим крутящему мо-
менту, равному 150 и 120 Н м.
Для обеспечения запаса усилия прижатия клемм затяжку гаек
при укладке плетей и при подтягивании их в процессе эксплуата-
ции необходимо производить с крутящим моментом для клеммных
болтов — 200 Нм, а закладных — 150 Н м; для других типов скрепле-
ний — по техническим условиям, утвержденным ЦП ОАО «РЖД».
Во избежание угона плетей бесстыкового пути средний крутя-
щий момент затяжки клеммных болтов в эксплуатации должен быть
не менее 150 Нм, а закладных — 70 Н м.
6.4. Устойчивость бесстыкового пути
6.4. L Расчетная схема
Как было показано на рис. 6.2, среднюю, большую, часть рель-
совой плети можно рассматривать как стержень, заделанный по
концам. Реакция заделок соответствует сумме погонных сопротив-
лений на подвижных (дышащих) частях. Изменение температуры
на аД/р увеличивает продольные силы на Nt = EFaAtp. В дальней-
ших расчетах будем учитывать силы, возникающие в обеих рельсо-
вых нитях. Это необходимо потому, что поперечным перемещени-
ям пути препятствуют все элементы рельсошпальной решетки, в
том числе балласт в ящиках и по торцам шпал. Так, если рельсовые
плети типа Р65 закреплены утром при температуре рельса 20 °C, а к
14 часам нагреты до 45 °C, то продольные силы в двух нитях будут
равны:
N” = 0,0000118-2,1 -104-82,7-2(45-20) = 1033,75 кН.
Такие силы уже могут нарушить устойчивость пути и привести
к его выбросу в кривых радиусом 300 м и менее. Специальными
132
испытаниями, проведенными ВНИИЖТом на стенде в натурных
условиях, определены критические продольные силы, при кото-
рых начинаются заметные поперечные подвижки рельсошпальной
решетки, вслед за которыми следует резкое изменение кривизны
пути, что приводит к выбросу (см. рис. 6.1). При этом происходит
резкое нарушение продольной устойчивости бесстыкового пути в
виде одно- или многоволнового горизонтального или вертикаль-
ного искривления путевой решетки под действием сжимающих
продольных сил (температурных и угона).
Процесс начала потери устойчивости рельсошпальной решетки
сопровождается (по мере роста продольных сил в рельсах) местны-
ми небольшими искривлениями колеи в поперечном направлении,
которое, как правило, происходит в зоне упругих деформаций. При
уменьшении в этот момент температуры рельса происходит сниже-
ние действия продольных сил и далее — ликвидация этих местных
микроискривлений. Если же, наоборот, продолжится нагрев плетей
и температура рельсов увеличится еще на несколько градусов, то
произойдет резкое, почти мгновенное, искривление рельсового пути.
Максимальная продольная сила, при выбросе пути — критическая
сила — NK не может приниматься как расчетная, т.е без коэффици-
ента запаса устойчивости ку. Устойчивость бесстыкового пути бу-
дет обеспечена, если продольная температурная сила на превысит
ее допустимую величину:
(6.7)
Единого мнения о величине ку пока нет, его принимают равным 1,5.
6.4.2. Расчет устойчивости пути
При повышении температуры рельсовой плети в ее средней не-
подвижной части возникают значительные продольные температур-
ные силы сжатия и происходит увеличение запаса потенциальной
энергии. Наступает критический момент, когда рельсошпальная
решетка оказывается неустойчивой, следствием чего может быть
выброс пути в сторону или кверху. Это сопровождается освобожде-
нием части потенциальной энергии.
Расчет устойчивости бесстыкового пути сводится к определению
наибольшего допустимого значения продольной температурной
силы.
133
На основе энергетического метода д-р техн, наук проф. С.П. Пер-
шин получил расчетную формулу для определения критической тем-
пературной силы, при достижении которой колея в целом теряет ус-
тойчивость:
N^k\k2kr (6.8)
где А и ц — параметры, зависящие от типа рельсов и плана линии (табл. 6.1);
i — средний уклон начальной неровности (2—3 %);
— коэффициент, зависящий от сопротивления балласта поперечному
сдвигу шпалы (рис. 6.3, а);
к2 — коэффициент, зависящий от эпюры шпал (0,9 при 1600 шт/км; 1 при
1840 шт/км; 1,08 при 2000 шт/км);
к3 — коэффициент, учитывающий влияние сопротивления повороту рель-
сов по подкладкам и шпалам (рис. 6.3, б).
Рис. 6.3. Зависимость коэфициента к} от сопротивления балласта Q попереч-
ному смещению шпал (а) и коэффициента от усилия затяжки гаек клеммных
болтов (б): М — величина крутящего момента на гайках клеммных болтов
134
Таблица 6,1
Параметры Ли ц для определения критической силы
Тип рельса Параметр Прямая Радиус кривой, м
1000 800 600 400
Р75 А Р 6500 0,560 4280 0,385 3760 0,350 3210 0,280 2560 0,175
Р65 А Р 5830 0,585 3830 0,410 3610 0,385 3150 0,335 2480 0,232
Р50 А Р 5170 0,600 3600 0,450 3320 0,410 2950 0,365 2380 0,300
Допускаемая предельная температурная сила по условию устой-
чивости пути
N
(69)
У
где ку — допускаемый коэффициент запаса устойчивости — 1,5.
Повышение температуры рельсовой плети, допускаемое по усло-
вию устойчивости пути
Д/
- yj 2£aF 5F
(6.10)
где в кН;
F— в м2;
Е— модуль упругости рельсовой стали (2J-104 МПа);
a — коэффициент линейного расширения (0,0000118 1/град).
Полученные значения J нужно сравнить с нормативными для
существующих отечественных конструкций верхнего строения пути
(табл. 6.3). В дальнейших расчетах нужно принимать значения
6,4.3. Комплексный расчет прочности
и устойчивости бесстыкового пути
Рельсовые плети бесстыкового пути, кроме изгибных и других
напряжений от воздействия колес подвижного состава испытывают
значительные температурные напряжения — сжимающие летом и
135
растягивающие зимой. Следовательно, в рельсах необходимо иметь
значительный запас прочности с учетом этих температурных напря-
жений.
Расчет прочности бесстыковой рельсовой плети основан на ус-
ловии, чтобы наибольшие напряжения от воздействия на путь под-
вижного состава и изменений температуры рельсов не превышали
допустимые значения:
*пстк+ст^[аР) Ы-Ы_*пстк’ <611>
где ск — кромочные напряжения, возникающие в подошве и головке рельса от
подвижного состава;
<з{ — напряжение в рельсе от воздействия температуры;
Кп — коэффициент запаса прочности (для рельсов первого срока службы —
1,3; для старогодных — 1,4);
[ор] — допускаемые напряжения.
В качестве допускаемых напряжений приняты оценочные кри-
терии прочности пути, зависящие от грузонапряженности (табл. 6.2).
Указанные критерии прочности пути, полученные ВНИИЖТом по
условию обеспечения его надежности в зависимости от класса пути,
нормируются в соответствии с Положением о системе ведения пу-
тевого хозяйство на железных дорогах Российской Федерации.
Таблица 6.2
Оценочные критерии прочности пути
Критерии Значения оценочных критериев прочности, МПа при грузонапряженности млн т-км брутто на 1 км в год
Более 50 50-25 35-10 Менее 10
кр] 190/150 200/160 240/200 340/300
[<U 1,2/1,1 1,6/1,5 2,0/1,8 3,0/2,7
кб1 0,40/0,26 0,42/0,30 0,45/0,35 0,50/0,40
[азп1 0,10/0,08 0,10/0,08 0,11/0,09 0,12/0,10
Примечание. Числитель — для локомотивов, знаменатель — для вагонов.
[пр] — допускаемые напряжения растяжения в наружной кромке подошвы
рельса;
[аш] — допускаемые напряжения смятия деревянных шпал под подкладками;
[сгб] — допускаемые напряжения сжатия балласта под шпалой;
[азп] — допускаемые напряжения сжатия грунта на основной площадке зем-
ляного полотна.
136
Напряжения в поперечном сечении рельса соответственно от дей-
ствия сжимающих и растягивающих температурных сил, возника-
ющие при повышении и понижении температуры рельса относи-
тельно нейтральной оси:
о <[о]-Л^ о ; о <[0]-^ о , (6.12)
гс п кг’ /р п кл’
где окг, сткп — нормальные напряжения в кромках соответственно головки и
подошвы рельса от изгиба под нагрузкой от колес подвижного состава.
Сжимающие напряжения в кромках головки рельса ос рассчи-
тываются для лета, когда сжимающие напряжения в головке от из-
гиба рельса акг суммируются с сжимающими температурными о/с
(рис. 6.4).
Рис. 6.4. Эпюры нормальных напряжений в рельсах в летний (л) и зимний (з)
периоды их эксплуатации:
а — изгибные напряжения от поезда; б — температурные напряжения; в —
суммарные поездные и температурные напряжения в кромках подошвы <ткп и
головки рельса сткг; — температурные напряжения в рельсе
137
Растягивающие напряжения в кромках подошвы рельса рассчи-
тываются для зимних условий, когда растягивающие напряжения
в подошве от изгиба рельса суммируются с растягивающими тем-
пературными напряжениями. Наибольшее допускаемое повыше-
ние температуры рельсов по сравнению с нейтральной, при кото-
ром обеспечивается необходимый запас устойчивости бесстыко-
вого пути против выброса,
г п г п 350-К о
Гдг 1=Гдг -------п__к11 13)
L nrj L cj Ст£ 2,5
Наибольшее допускаемое понижение температуры рельсов по
сравнению с нейтральной, при котором обеспечивается необходи-
мый запас прочности на растяжение подошвы рельса при совмест-
ном действии температурных и поездных нагрузок,
г п Гсто1"*псткп 350-АГ о
Гдг П=Гаг —---------------=-------" *п, (6.14)
L nnj L pj а£ 2,5
где а — коэффициент линейного расширения рельсовой стали (0,0000118 1/град.);
Е — модуль упругости рельсовой стали (2,1103МПа).
Если значение J получено для незакаленных рельсов, то при тер-
моупрочненных рельсах первого срока службы значение увели-
чивают на 20 °C, при старогодных рельсах в главных и приемо-отпра-
вочных путях сквозного прохода J уменьшают на 5 °C.
При укладке бесстыкового пути с гравийным балластом [д,р]
уменьшают на 3 °C, а с песчано-гравийным — на 5 °C, Уменьшение
эпюры шпал до следующей типовой приводит к снижению |jVp J на 3 °C.
6.4.4. Определение температурных интервалов
закрепления рельсовых плетей
Для обеспечения прочности и устойчивости бесстыкового пути в
режиме работы без разрядки напряжений все вновь укладываемые
плети должны закрепляться при оптимальной температуре.
Закрепление плетей при скреплении КБ осуществляется завин-
чиванием гаек клеммных и закладных болтов с усилиями, указан-
ными в инструкциях, при других видах скреплений — по отдельным
нормативам, утвержденным ОАО «РЖД».
138
Построим температурную диаграмму работы бесстыковых рель-
совых плетей (рис. 6.5) в прямом участке пути и кривой с радиусом
400 м в средней полосе России (максимальная температура рельсов
+ 58 °C и минимальная -42 °C). Расчетные параметры приведены в
табл. 6.3.
По оси абсцисс диаграммы откладываем напряжения в рельсах
по условию прочности подошвы зимой и устойчивости летом сткп,
акг, а по оси ординат — температуру рельсов Ср.
Отметим по оси ординат граничные условия - tp min min, tp max max,
т.е. максимальную летнюю и минимальную зимнюю температуры
рельсов, которые приведены в Технических указаниях.
Граничными условиями оси абсцисс являются наибольшие до-
пускаемые температурные напряжения:
акп ~ по Условию прочности подошвы рельса зимой а^п = 2,5ДГр;
оу — по условию устойчивости пути летом (/J = 2,5Д/у.
Таблица 6.3
_____Параметры для температурной диаграммы работы рельсовых плетей_
Параметры Прямая Кривая R = 400, м
Допускаемое понижение температуры по условию прочности рельсов на растяжение АГ , °C р 88 77
Допускаемые расчетные напряжения на растяжение окп, МПа 220 197,5
Допускаемое повышение температуры по условию устойчивости пути ДГу, °C 54 32
Допускаемое напряжения сжатия по усло- вию устойчивости пути оу, МПа 135 82
На рис. 6.5 образовались два контура лля прямой и кри-
вой. Границы предельного изменения температур рельсов обозначе-
ны линиями A|J2 зимой и летом, а линия — предельные
напряжения в рельсах по условию прочности подошвы и А2В2 — по
условию устойчивости пути. По их пересечению с линией AqBq оп-
ределяют температуру закрепления рельсовой плети, так как на этой
линии напряжения в рельсах равны нулю.
139
Рис. 6.5. Диаграммы температурной работы бесстыковых рельсовых плетей (цифровые величины для заданного района):
а — прямая; б — кривая R = 400 м; окп — допускаемые напряжения по условию прочности подошвы на растяжение
зимой; оу — допускаемые сжимающие напряжения по условию устойчивости пути летом; Аоу — «резерв» допускае-
мых сжимающих напряжений летом; min/3 и тах/3 — минимальная и максимальная расчетные температуры закреп-
ления рельсовых плетей
Проведем из угловых точек двух контуров А2 и Вх ограничиваю-
щие наклонные линии, показывающие текущие значения напря-
жений в рельсах при изменениях их температуры. Линия пе-
ресекает линию Л0Я0 в точке min/pac4, что соответствует минималь-
ной расчетной температуре закрепления рельсовой плети. Точка
тах?зрасч на линии А2В2 соответствует максимальной расчетной тем-
пературе закрепления плети. В этом случае расчетный интервал зак-
репления плетей Дграсч =гпах/расч-min/pac4.
Если в прямой (рис. 6.5, а) рельсовую плеть закрепить при темпе-
ратуре minZ3pac4, то летом путь будет работать при tp max max в пре-
дельно допустимых условиях по устойчивости, а зимой будет иметь
большой резерв по условию прочности подошвы Дп^. Если плеть
закрепить при температуре шах/расч, то зимой могут возникнуть пре-
дельно допустимые напряжения в подошве рельса, а летом в самое
жаркое время путь будет иметь резервы по устойчивости пути Доу.
Этот случай предпочтительнее.
Анализ диаграммы на рис. 6.5 показывает, что бесстыковой путь
может работать без сезонных разрядок напряжений, но необходимо
установить оптимальный режим его работы.
При достаточно большом расчетном температурном интервале
закрепления Дграсч в прямой рекомендуется выбрать в его пределах
оптимальный интервал закрепления плетей.
По условию прочности на растяжение рельсовой плети
тах/опт <тах/расч =/ . +Д/ . (6.15)
з з тттт р ' '
По условию устойчивости рельсовой плети
minronT >minfpac4 =/ +ДГ , (6.16)
з з max max с v '
где ДГр, Дг, — допускаемые понижения и повышения температуры по
условиям прочности и устойчивости пути.
Полученные значения и нужно сравнить с нормативными по ТУ
(табл. 6.4).
141
Таблица 6.4
Оптимальные температуры закрепления плетей на железных дорогах России
Железная дорога Оптимальная температура закрепления плетей Гопт, °C
общая исключение
Октябрьская 30±5 Севернее С.-Петербурга гопт = 25±5
Калининградская 30±5 —
Московская 30±5 —
Горьковская 25±5 В кривых R < 500 м Гопт = ЗО±5
Северная 25±5 В кривых R < 500 м гопт = 30±5
Севере- Кавказская 35±5 —
Юго-Восточная 35±5 —
Приволжская 35±5 —
Куйбышевская ЗО±5 В кривых R < 500 м
Свердловская 25±5 В кривых R< 500 м, расположенных в райо- нах с /mjn mjn < —50 z‘onT - 28±3
Южно-Уральская ЗО±5 В кривых R < 500 м /опт = 32±3
Западно-Сибирская ЗО±5 В кривых R < 500 м, расположенных в райо- нах с rmin min < —50 fonT = 29±3
Красноярская 25±5 В кривых R < 500 м, расположенных в райо- нах с rmin mjn < -50 /опт = 28±3
Восточно-Сибирская 25±5 В кривых R< 500 м, расположенных в райо- Haxc'min min < -50 'опт = 28±3
Забайкальская 25±5 В кривых R < 500 м, расположенных в райо- нах с /min min < —50 гопт = 28±3
Дальневосточная 30±5 —
При выборе максимальной температуры закрепления плетей
нужно обеспечить недопущения чрезмерного раскрытия зазора в
изломе рельсовой плети и стыках. Допускаемое понижение темпе-
ратуры рельсов не должно превышать ~ 60—70 °C. С учетом
этого наибольшая температура закрепления
тахгопт-г . . <М , =60-70°С.
з min min р(заз)
(6.17)
142
При применении высокопрочных стыковых болтов (класс проч-
ности 10.9) это ограничение для стыков не учитывается.
Экспериментами, проведенными во ВНИИЖТе и за рубежом,
установлены допустимые значения критической температурной силы
/V"p Для разных конструкций пути и кривых различных радиусов.
В нормативные документы по бесстыковому пути включены два
термина — выброс пути (см. выше) и сдвиг пути, которые объясня-
ют основные причины потери устойчивости пути. Сдвиг пути — рез-
кое нарушение продольной устойчивости бесстыкового пути под дей-
ствием боковых сил поезда и поперечных составляющих сил.
6.5. Расчет величины зазора в месте разрыва рельсовой плети
Разрыв рельсовой плети может произойти зимой под действием
больших температурных растягивающих сил. В месте разрыва обра-
зуется зазор, от величины которого зависит безопасность движения
поездов.
Максимальная величина зазора будет в случае разрыва плети
при минимальной температуре рельса rmin min или при изменении
температуры рельса:
Дг = гп-г . • ,
и 0 mm min
где г0 — нейтральная температура закрепления рельса (можно принять
/0 = тах/“пт ).
В месте излома (точка А — величина зазора Л) температурные
напряжения равны нулю, а в пределах подвижных концов на длине
/и они возрастают до величины До, = 2,5ДГИ (рис. 6.6). Длина под-
вижных участков в момент разрыва плети
Р aEFAt 2,5 F&t
/ _ / _и _ ’и
(6.18)
где Pf — максимальная температурная сила, кН;
р3 — погонное сопротивление зимой (р3 ~ 25 кН/м);
F — площадь поперечного сечения рельса м2.
Величина зазора на месте разрыва плети
P2I Р2 a2 EF At2
_ Г__И _ I _____________и
и 2EF EFp3 рз
(6.19)
143
Рис. 6.6. Расчетная схема в месте разрыва рельсовой плети:
N( — продольная температурная сила; Рн — сопротивление продольному пере-
мещению рельса в накладках; F— площадь поперечного сечения рельса; Дги —
интервал понижения температуры (относительно нейтральной) к моменту раз-
рыва рельсовой плети; /и — длина перемещения конца рельса после разрыва
плети; р3 — зимнее погонное сопротивление скреплений продольному переме-
щению рельса; Л — величина зазора в месте разрыва рельсовой плети (точка Я);
lf — температурноподвижного участка
Величина зазора прямо пропорциональна квадрату изменения
температуры рельса и площади поперечного сечения рельса и обратно
пропорциональна погонному сопротивлению сдвига рельса по опо-
рам. Следовательно, пользуясь указанной зависимостью, можно ре-
шить две задачи:
- определить величину крутящего момента на гайках клеммных
болтов, при котором зазор не превысит допустимую величину 50 мм;
— определить среднюю величину крутящего момента по извест-
ной величине раскрытия зазора при разрыве рельсовой плети.
Величина крутящего момента на гайках клеммных болтов
_ а2£ТдА103
М =-------и---
к I07Z Nn
и 0
(6.20)
где — число шпал на 1 км.
Размерности величин: а, 1/град; Е, Па; F, м2; Д/и, °C; Ли, м.
Величина крутящего момента должна быть не менее 120 Нм.
После подстановки известных величин получим формулы для
определения величин зазоров ( мм ) при разных типах рельсов:
Д?2 Д/2 Д/2
\75=0,27-J.; Лри =0,24-14 Хр5„ =O,I9-J-. (6.21)
к3 Н3
144
А если принять р3 = 25 кН/м при нормальном натяжении клемм-
ных и закладных болтов, то
Х_7 =0,11Дг2; = 0,010Д/2; = 0,008Д/2.
Р75 ’ и’ Р65 ’ и’ Р50 ’ и
Увеличение начальных зазоров (мм) между концами плетей и
уравнительных рельсов можно приблизительно подсчитать по фор-
мулам:
Хо7С=0,006Д/ -72; = 0,005Д/ -72; Хо =0,004Д/ -72.
Р75 и ’ Р65 ’ и ’ Р50 и
Расчетная величина зазора не должна превышать ее максималь-
но допустимое значение — 50 мм. В противном случае необходимо
повысить надежность работы бесстыкового пути путем увеличения
погонного сопротивления продольному перемещению рельса.
В табл. 6.5 приведены рекомендуемые минимальные радиусы кри-
вых, в которых может быть уложен бесстыковой путь стандартной
конструкции. Из этих данных следует, что для укладки его на ряде
полигонов необходимо увеличить сопротивление пути поперечному
сдвигу и продольному перемещению плети относительно шпал.
Таблица 6.5
Допускаемые минимальные радиусы кривых для бесстыкового пути
типовой конструкции
Дороги Радиус, м
1 2
Северо- Кавказская 250-400
Юго-Восточная 350-600
Приволжская 350-700
Московская 350-750
Северная 350-800
Горьковская 400-900
Октябрьская, Куйбышевская 300-900
Свердловская 500-1000
Западно-Сибирская 700-1500
Южно-Уральская 600-2000
145
Окончание табл. 6.5
1 2
Дальневосточная Восточно-Сибирская Забайкальская Красноярская 300—прямые 350—прямые 600—прямые 800—прямые
6.6. Бесстыковой путь на мостах
При укладке бесстыкового пути на мостах необходимо учитывать
особенности совместной работы пути и металлического пролетного
строения моста. Основная особенность — подвижность подрельсо-
вого основания, вызванная изменением длины пролетного строения
при изменении температуры воздуха при проходе подвижного сос-
тава. Подвижность пролетного строения при интенсивном торможе-
нии поезда может достигать от 20 до 30 % его температурного переме-
щения. В то же время сварные рельсовые плети должны оставаться
неподвижными. Металлические пролетные строения длиной до 25 м
на отечественных железных дорогах в плановом порядке заменяют на
железобетонные. Укладка бесстыкового пути на деревянных мостах
и на мостах с деформированными опорами в России не разрешается.
Рассмотрим работу бесстыковой рельсовой плети на металличе-
ском мосту безбалластного типа. При понижении температуры от-
носительно нейтральной (температуры закрепления плети), т.е. от
г0 до Г] в бесстыковой плети возникают продольные температурные
силы (рис. 6.7). При этом следует учитывать:
- собственная растягивающая сила в бесстыковой плети от по-
нижения температуры на Д/= /0 — постоянная по всей длине:
N^aEFMy (6.22)
где а — коэффициент температурного удлинения рельса, 0,0000118 1/грал;
Е — модуль упругости рельсовой стали, 2,1105 МПа;
F — площадь поперечного сечения рельса;
А/ — изменение температуры, °C;
— переменные по длине растягивающие силы над подвижной
опорой и сжимающие над неподвижной
рм0,5/м,
где рм — погонное сопротивление продольным перемещениям рельсовой пле-
ти по мосту;
/м — расстояние между опорами пролетного строения, м;
146
Рис. 6.7. Эпюры продольных температурных сил зимой в рельсовой плети,
перекрывающей металлический мост:
а — схема моста; б — эпюра продольных сил растяжения в плети; в — то же в
пролетном строении; г — суммарная эпюра растягивающих сил в рельсовой
плети; /V — максимальные величины растягивающих сил
— суммарная продольная растягивающая сила над опорами моста
АмВ
NA = aEFbt-pMQ,5lM; NB= aEFAt + рм0,5/м. (6.23)
Рассмотренный случай позволяет сделать несколько важных вы-
водов по обеспечению безопасной работы бесстыкового пути:
— наибольшая растягивающая сила возникает над подвижной
опорой;
— при неблагоприятных сочетаниях условий эксплуатации пути
над подвижной опорой возможен разрыв бесстыковой плети;
— величина растягивающей силы зависит от изменения темпе-
ратуры плети, величин погонных сопротивлений и длины пролета
моста;
147
— управлять работой плети можно оптимальным выбором таких
трех параметров, как тип рельса, температура закрепления плети и
погонное сопротивление продольному перемещению рельса.
В связи с изложенным Технические указания требуют, чтобы
проект укладки бесстыкового пути на мостах учитывал конструк-
цию и длины пролетных строений моста, конструкцию мостового
полотна, поездную нагрузку, максимальные и минимальные тем-
пературы рельсов в районе моста и на подходах. Наибольшая тем-
пература рельсов для летних условий при расчетах и проектирова-
нии бесстыкового пути на мостах принимается на 10 °C, а на мос-
тах через суходолы и на путепроводах — на 15 °C больше, чем тем-
пература воздуха.
На безбалластных мостах с деревянными мостовыми брусьями,
металлическими поперечинами и железобетонными плитами БМП
бесстыковой путь укладывается на однопролетных — при длине про-
летных строений до 55 м и на многопролетных — при суммарной дли-
не пролетных строений до 66 м с соблюдением следующих условий:
— на коротких мостах с суммарной длиной пролетных строений
до 33 м рельсовые плети должны прикрепляться к мостовым бру-
сьям скреплениями КД-65 (рис. 6.8, а), к металлическим попере-
чинам и железобетонным плитам БМП — скреплениями КБ-65 с
подрезанными лапками (рис. 6.9), т.е. без защемления подошвы
рельса;
— на средних однопролетных мостах с суммарной длиной про-
летных строений 33—55 м и на многопролетных при длине 33—66 м
рельсовые плети закрепляются у неподвижных опорных частей каж-
дого пролетного строения на участках длиной 0,2—0,25 /м клемм-
ными скреплениями с защемлением подошвы, т.е. с нормативным
затягиванием гаек клеммных болтов 150 Нм (нормативное прижа-
тие рельса не менее 20 кН), а на остальном протяжении пролет-
ных строений — так же как на мостах с суммарной длиной до 33 м,
т.е. без защемления подошвы рельса (см. рис. 6.8, б);
- на длинных мостах с суммарной длиной пролетов более 66 м,
а на однопролетных — более 55 м укладывать одну бесстыковую
плеть нельзя. Над подвижными концами пролетных строений не-
обходимо устраивать уравнительные пролеты (рис. 6.8, в, г, д), но
предпочтительнее вместо них укладывать уравнительные приборы
(рис. 6.10).
148
Рис. 6.8. Схемы закрепления бесстыковых рельсовых плетей на металлических
мостах:
а, б — скреплениями КД-65; в, г, д — с уравнительными пролетами над раз-
движными концами пролетов; 1 — рельсовая плеть; 2 — уравнительный про-
лет; 3 — сезонный сменяемый уравнительный рельс; о — подвижная опор-
ная часть; ▲ — неподвижная опорная часть
149
Рис. 6.9. Рельсовое скрепление КБ с подрезанными лапками клемм (с опира-
нием клемм на реборды подкладок)
Острие остряка
4187+а
Начало изгиба
рамного рельса
1045
1405
2868
6360
11419 (длина рамного рельса)
12487 (длина уравнительного прибора)
Рис. 6.10. Схема геометрических размеров уравнительного прибора типа Р65
и его расположение
В уравнительном пролете обычно укладывают три рельса дли-
ной по 12,5 м, при этом средний или крайний рельс должен пере-
крывать промежуток между смежными пролетными строениями или
пролетным строением и устоем моста. Компенсация изменения дли-
ны рельсовых плетей на мостах с уравнительными рельсами осу-
150
ществляется за счет стыковых зазоров, изменяющихся от 0 до 21 мм.
В случае недостаточности суммы зазоров необходима замена сезон-
ных уравнительных рельсов нормальной длины весной на укоро-
ченные, которые осенью заменяют на рельсы длиной 12,5 м.
Безопасность движения поездов зависит от правильности выбо-
ра величины зазора и суммы зазоров в стыках уравнительного про-
лета. Для определения величины зазоров 8 в стыках уравнительных
рельсов при различных температурах составляется таблица их изме-
нения при температурном интервале Д/ = 5 °C:
8 = (0,118/прД/)/7, (6.24)
где /пр — длина температурного пролета;
* п — число стыков в уравнительном пролете.
Ь Расчетные зазоры в стыках устанавливаются в зависимости от
$ максимальной (Zmax) и минимальной (/min) температуры рельсов на
мостовом переходе, общей длины сварных рельсовых плетей и урав-
нительных рельсов. Максимальная температура на мостах прини-
мается равной максимальной температуре рельсов на подходах,
уменьшенной на 10 °C. С учетом силы трения в стыках уравни-
тельных рельсов получение значения rmax и rmin уменьшаются на
5 °C. Например, для Москвы при максимальной и минимальной
температурах рельсов на земляном полотне rmax тах = 58 °C и
fminmin= “42 °C значения максимальных и минимальных темпера-
тур рельсов на мосту будут равны rmax = 58-10-5 = +43 °C ; rmin = -42 -
-(-5) = -37 °C. Округляя значения /тах и rmin до 5 в ближайшую сто-
, рону, получим rmax = 45 °C и rmin = -35 °C. Отсюда годовой перепад
| температуры рельсов на max Г = 80 °C. При длине температурного
' пролета lt = 112 м изменение длины рельсовой плети в пределах про-
\ Лета в годовом цикле изменения температуры рельсов составит:
। Д/р = англах 125 мм.
Полученное изменение длины рельсовой плети может быть компен-
р сировано стыками уравнительных рельсов (см. рис. 6.10), изменяющи-
I мися от 0 до 21 мм, и заменой сезонных уравнительных рельсов нор-
£ мальной длины весной на укороченные и, наоборот, укороченных
? на нормальные осенью. Укладывая три уравнительных рельса с
: одним сезонным длиной 12,46 м, получают компенсационный проме-
жуток 214 +40 = 124 мм, практически равный расчетному удлинению.
1 151
Для определения величины зазоров в стыках уравнительных
рельсов при различных температурах устанавливается таблица их
изменения на 5 °C (Д5):
Д5 = (0,Н8//5)/л, (6.25)
где lt — длина температурного пролета;
п — число стыков уравнительных рельсов;
t5 — температурный интервал — 5 °C.
Для принятых значений lt при известном п и установленном из-
менении интервала Д5 = 1,65 м.
С учетом полученных значений Д5 определяются величины зазо-
ров и суммы зазоров в стыках уравнительных рельсов при различ-
ных значениях температур.
При Гтах указываются зазоры, необходимые для компенсации
перемещений рельсов, вызванных проходом временной гагрузки (в
уровне рельсового пути), для других температур зазор определяется
путем добавления значений Д5. Сумма зазоров определяется путем
умножения величины зазора на количество стыков.
Концы рельсовых плетей, перекрывающих мосты, должны на-
ходиться за их пределами на расстоянии не менее 100 м от шкаф-
ной стенки устоя при длине моста 33 м и более и 50 м при длине
моста до 33 м.
Наибольшую угрозу безопасности движению поездов представ-
ляет раскрытие зазора в месте разрыва рельсовой плети. Исключить
раскрытие зазора при разрыве плети нельзя, но ограничить его ве-
личину можно и нужно. На железных дорогах России допускаемая
величина такого зазора — 50 мм. Величина зазора при разрыве плети
на мосту
( a2EFAt
б = al +------------- Д/ , (6 26)
рп М р и’ VV.XU/
где а — коэффициент температурного укорочения рельса, (а = 0,000118 I/ °C);
/м — длина пролетного строения;
ЛГИ — температурный перепад в момент излома ЛГИ = Го - /и;
/0 — нейтральная температура;
ги — температура при изломе рельса (минимальная расчетная температура
рельса);
рп — погонное сопротивление продольному перемещению рельса;
Е — модуль упругости рельсовой стали (2,1• 10 5 МПа);
F— площадь поперечного сечения рельса, м2.
152
Величина зазора в месте излома прямо пропорциональна квад-
рату изменения температуры. Исследования показали, что интер-
вал температуры Д?и не должен превышать 40—45 °C.
Серьезную угрозу безопасности движения может представлять
угон пути на мостах, который приводит к росту величин продоль-
ных сил. При костыльных скреплениях поэтому необходимо путь
дополнительно закрепить противоугонами на всех шпалах на под-
ходах к мосту. В пределах моста противоугоны нужно ставить на
длине 5—10 м в зоне неподвижных опор пролетных строений.
Наряду с выполнением требований по прочности, устойчиво-
сти пути, величине зазора, образующегося в случае излома пле-
ти, на мостах необходимо соблюдать условие, при котором гори-
зонтальные силы, передаваемые рельсовыми плетями на мосто-
вое полотно в момент разрыва плети зимой, не превышали бы
значений расчетных тормозных сил, на которые расчитываются
опорные части и опоры мостов. На однопролетных мостах свы-
ше 55 м и многопролетных свыше 60 м закрепление плетей толь-
ко в зоне неподвижных концов пролетных строений в климати-
ческой зоне железных дорог России не обеспечивает требование
по зазору. На этих мостах укладывают либо звеньевой путь, либо
рельсовые плети не более длины температурного пролета моста.
Для компенсации температурных удлинений рельсов, а также уд-
линений, вызванных проходом поезда, на мосту применяют урав-
нительные приборы.
На практике уравнительные приборы применяют на мостах,
имеющих длину температурных пролетов 100 м и более. В преде-
лах таких мостов укладывают рельсовые плети типа Р65 с дере-
вянными брусьями, костыльными или раздельными скреплени-
ями КД-65, а на мостах с металлическими мостовыми брусьями
или железобетонными плитами — с раздельными скреплениями
КБ-65.
Для предупреждения угона пути в пределах моста рельсовые пле-
ти закрепляются в зоне неподвижных концов пролетных строений.
На мостах с деревянными мостовыми брусьями и костыльны-
ми скреплениями рельсовые плети закрепляются винтовыми или,
как исключение, пружинными противоугонами, устанавливаемы-
ми в замок. Винтовые противоугоны (рис. 6.11, а) устанавливают-
ся у брусьев, прикрепленных к противоугонным уголкам.
153
Рис. 6.11. Винтовой противоугон (а) и П-образная металлическая прокладка (б)
На безбалластных мостах с металлическими поперечинами, же-
лезобетонными плитами и с ездой по балласту устанавливают под-
рельсовые резиновые или резинокордовые прокладки-амортизато-
ры для уменьшения коэффициента трения между подошвой рельса
и амортизаторами. В пределах участков, где плети крепятся без за-
щемления подошвы рельса, используют металлические П-образные
прокладки из листовой стали толщиной 0,5—2,0 мм (рис. 6.11, б).
В последние десятилетия на многих мостах России с температур-
ными пролетами 100 м и более вместо дорогостоящих уравнитель-
ных приборов начали укладывать уравнительные рельсы. Компен-
сация изменения длины рельсовых плетей на мостах с уравнитель-
ными рельсами осуществляется за счет стыковых зазоров, а в необ-
ходимых случаях — разности на 40—60 мм одного-двух сезонных
(укороченных) уравнительных рельсов. Сезонные рельсы — это
рельсы для летних и зимних условий. В зимний период, как прави-
ло, используют рельсы стандартной длины 12,5 м, в летний — уко-
роченные, длиной 12,46; 12,45 или 12,44 м.
Укладка плетей с уравнительными рельсами выполняется по
специально разработанному проекту, который обязательно дол-
жен включать схему укладки сварных рельсовых плетей и урав-
нительных рельсов; расчет зазоров в стыках и определение тем-
пературного интервала замены сезонных уравнительных рельсов;
схему закрепления рельсовых плетей на мостовом полотне и под-
ходах.
154
6.7. Особенности верхнего строения пути в тоннелях
Тоннели — наиболее сложное и дорогостоящее искусственное со-
оружение. Любой вид схода поезда в тоннеле имеет очень серьез-
ные последствия. Стесненность габарита, плохая вентиляция и ув-
лажненность большинства тоннелей создают большие трудности при
ликвидации чрезвычайных ситуаций и восстановлении движения.
Предъявляются повышенные требования к выбору конструкций
пути в тоннеле, их прочности, устойчивости, долговечности, а так-
же к снижению трудоемкости содержания и ремонта пути.
В коротких хорошо проветриваемых сухих тоннелях, кроме габа-
ритных ограничений, условия работы пути мало отличаются от ус-
ловий на открытых участках. В тоннелях большой длины условия
работы крайне не благоприятные, характеризуются:
— повышенной влажностью и поступлением подземных вод;
— повышенной запыленностью и загазованностью;
- образованием наледей на сводах, стенах и рельсовом пути;
- замерзанием воды в лотках.
В тоннелях необходимо обращать особое внимание на образова-
ние наледей и пучин. Кроме общего ухудшения состояния пути они
могут вызвать или увеличить негабаритность по внутреннему кон-
туру тоннеля, что может явиться угрозой для безопасности движе-
ния. Наледи необходимо скалывать и вывозить за пределы тоннеля.
В местах образования пучин необходимо укладывать теплоизоли-
рующие покрытия.
В тоннелях серьезную проблему представляет интенсивная кор-
розия рельсов и других металлических деталей, особенно на элект-
рифицированных участках, где возникает электрокоррозия. Для сни-
жения коррозии необходимо предупреждать обводнение балластной
призмы, обеспечивать надежную электроизоляцию рельсов от бал-
ласта, очищать от загрязнителей балластную призму и шпалы, осо-
бенно в зоне рельсовых подкладок. При значительной электрокор-
розии элементов пути должны применяться антикоррозионные ус-
тройства.
В тоннелях необходимо укладывать самый надежный тип верх-
него строения пути: рельсы Р65, новые, термоупрочненные, сварен-
ные в рельсовые плети. Применение старогодных рельсов в тонне-
лях запрещается.
155
Бесстыковой путь может быть как с балластным, так и с безбал-
ластным основанием. В местах сопряжения безбалластных конст-
рукций пути с путем на земляном полотне при необходимости дол-
жны укладываться специальные переходные участки пути перемен-
ной жесткости, разработанные по индивидуальным проектам.
Применение бесстыкового пути наиболее полно соответствует по-
вышенным требованиям к конструкции пути в тоннелях. Но его
работа в тоннелях имеет некоторые особенности. Температура рель-
сов в тоннелях практически совпадает с температурой воздуха, осо-
бенно в тоннелях длиной более 300—400 м. Зимой температура рель-
сов в длинных тоннелях на 5—7 °C выше, чем на подходах. В корот-
ких тоннелях (до 300 м) температура воздуха зимой практически не
отличается от наземной из-за их продуваемости.
Рис. 6.12. Схема расположения бесстыковых рельсовых плетей в тоннелях:
а — коротких (до 300 м); б — длиной 300—950 м; в — длинных (более 950 м)
156
Бесстыковой путь в тоннелях устраивают так же, как и за их пре-
делами. Но в тоннелях длиной более 300 м при расположении пле-
тей полностью внутри тоннеля расчетную амплитуду температур
рельсов принимают на 20 °C меньше, чем вне тоннеля. Рельсовые
плети сваривают электроконтактным способом машиной ПРСМ на
длину блок-участков, между которыми устраивают изолирующие
стыки повышенной прочности.
Толщина слоя щебня под шпалой в тоннеле и на подходах к нему
должна быть не менее 25 см. В тех случаях, когда габариты тоннеля
не позволяют иметь указанную толщину балластного слоя, разре-
шается уменьшить ее до 20 см, а в виде исключения с разрешения
«РЖД» — до 15 см. При толщине балласта более 20 см бесстыковой
путь укладывается в тоннелях и на подходах к ним на железобетон-
ных шпалах. Число шпал на 1 км в тоннелях и на подходах к ним на
длине 100 м должно быть 2000 шт. (вместо 1840 шт. на перегоне).
В тоннелях длиной более 300 м рекомендуется концы рельсо-
вых плетей размещать внутри тоннеля на расстоянии 10—15 м от
портала, соединяя их уравнительным пролетом с бесстыковым или
звеньевым путем за пределами тоннеля (рис. 6.12, а).
В тоннелях длиной более 950 м, рекомендуется укладывать пле-
ти, длина которых равна длине тоннеля за вычетом 20—30 м, даже
при наличии изолирующих стыков внутри (рис. 6.12, б). В коротких
тоннелях (до 300 м), если у порталов нет изолирующих стыков заг-
радительной сигнализации и автоблокировки, целесообразно сде-
лать плети возможно большей длины, чтобы тоннель находился в
средней части плети, а концы ее были надежно закреплены на под-
ходах к тоннелю (рис. 6.12, в).
6.8. Особенности конструкции, укладки и содержания
бесстыкового пути в суровых климатических условиях
Укладка бесстыкового пути в суровых климатических условиях
России — на Севере, в Сибири и на Дальнем Востоке — в районах,
которые относятся к участкам с высокими годовыми амплитудами
колебания температур рельсов (могут достигать 120 °C), произво-
дится по согласованию с Департаментом пути РАО ЖД. Причем от-
ношение среднесезонных значений максимальных летних и мини-
мальных зимних значений температур воздуха к их абсолютным эк-
стремальным значениям составляет соответственно 0,82—0,92 и
157
0,85—0,92, тогда как для европейской части России они находятся
на уровне 0,8 и 0,6—0,7.
К особенностям этих районов относится также длительное сто-
яние температур, близких к экстремальным значениям (до меся-
ца и более), и большие суточные перепады температуры рельсов,
достигающие 40—50 °C. Отмеченные особенности требуют допол-
нительных мер, обеспечивающих надежную работу бесстыкового
пути.
Рельсовые плети сваривают на РСП из новых термически упроч-
ненных рельсов Р65 длиной 25 м, изготовленных в соответствии с тре-
бованиями Технических условий «Рельсы железнодорожные типа Р65
низко-температурной надежности». Рельсы марки НМ (из мартенов-
ской стали) предназначены для зоны с температурой до —40 °C, а
марки НЭ (из электростали) для зоны с температурами ниже -40 °C.
Уравнительные рельсы друг с другом и с концами плетей долж-
ны соединяться шестидырными накладками, стягиваемыми полным
комплектом высокопрочных болтов с крутящим моментом не ме-
нее 1100 Н-м.
В регионах с годовыми амплитудами температур рельсов более
112 °C при укладке бесстыкового пути вне зависимости от плана ли-
нии железобетонные шпалы укладываются по эпюре 2000 шт./км.
Применяются скрепления с нашпальными и подрельсовыми про-
кладками, изготовленными из морозостойких материалов, обеспе-
чивающих их работу при температуре до —65 °C.
6.9. Бесстыковой путь из старогодных материалов
На путях классов 3—5 для замены верхнего строения на более
мощное или менее изношенное следует укладывать рельсошпаль-
ную решетку, собранную либо полностью из старогодных материа-
лов, либо в сочетании старогодных материалов с новыми. Снимае-
мая с пути старогодная рельсошпальная решетка должна доставлять-
ся на производственую базу и разбираться с сортировкой материа-
лов верхнего строения на годные к укладке (по группам годности),
требующие ремонта, негодные к укладке.
Рельсовые плети, предназначенные для укладки в пути 3-го клас-
са, а также в главные пути 4-го класса, шлифуются в пути рельсош-
лифовальным поездом. В остальные пути 4-го и 5-го классов рель-
совые плети можно укладывать без шлифовки.
158
В зависимости от пропущенного тоннажа, износа и поврежде-
ний сторогодные рельсовые плети делятся на три группы годности.
Величины этих показателей приняты такими же, как для одиноч-
ных перемонтированных рельсов. При обнаружении в плети, под-
готовленной для перекладки, опасных дефектов, относящих рельс
к разряду остродефектных, требующих вырезки и последующего вос-
становления сваркой, а также при наличии в ней мест, не восста-
новленных сваркой, если их общее число в плети длиной 600—800 м
превышает пять штук, в плети длиной 400—599 м — три и в плети
длиной менее 400 м — две, такую плеть, как правило, повторно не
укладывают, а разрезают на рельсы длиной 25 м. При меньшем чис-
ле таких дефектов и мест, не восстановленных сваркой, дефектные
места вырезают и плеть восстанавливают сваркой. Если в процессе
эксплуатации плети имели изломы (см. рис. 6.6) или при дефекто-
скопировании и осмотре подошвы рельсов при снятии рельсовой
плети обнаружены места возможного зарождения этих дефектов, то
плети могут перекладываться только в пути 5-го класса.
Признаки, определяющие группу годности старогодных плетей
бесстыкового пути, отремонтированных в пути с обработкой головки
рельсошлифовальными поездами (РШП) приведены в табл. 6.6 и 6.7.
Таблица 6.6
Признаки, определяющие группу годности старогодных плетей бесстыкового
пути, отремонтированного в пути с обработкой головки рельсошлифовальными
поездами (РШП)
Показатель Показатели для рельсов Р75 и Р65 и групп годности
1-А-ШП 1-ШП 11-ШП 111-ШП
1 2 3 4 5
Наработка тоннажа, млн т брутто До 300 От 300 доТн До 30% сверх Гн До 50% сверх 7Н
Износ головки после обработки, мм, не более: горизонтальный вертикальный 6 6 6 6 8 8 10 10
Плавные вмятины и выбоины на подош- ве рельса, мм, не более 1 2 3 4
Уменьшение толщины подошвы от кор- розии, мм, не более 0,5 0,5 1,0 2,0
159
Окончание табл. 6.6
1 2 3 4 5
Равномерный наплыв металла без тре- щин и расслоений со стороны необра- ботанной грани, мм, не более 0,5 1,5 2,0 2,5
Глубина волнообразного износа поверх- ности катания головки, мм, надлине 1 м, не более 0,3 0,3 0,8 1,0
Седловины и локальные неровности на поверхности катания головки, мм, не более 0,3 0,5 0,8 2,0
Вертикальное смятие головки в сумме с провисанием концов, мм, не более 0,5 1,5 1,8 2,0
Таблица 6.7
Сфера применения старогодных термически упрочненных рельсов, повторно
используемых в пути без ремонта или отремонтированных сваркой в РСП
без профильной обработки головки
Тип рельса Группа годности рельсов Класс Группа и категория пути Способ использо- вания рельсов
Р65 1-А 1-3 Без ограничения О
Р75 1, 1-И, 1-А-И 3 А6, Б5, Б6, В4, В5, ГЗ, Г4, Д2, ДЗ,Д4 О, Р, PC, К
II 3 Б5, Б6, В4, В5 О, Р, PC, К
4 В6, Г5, Гб О, Р, PC, К
П-И, Ill, Ш-И 4 Гб, Д5, Д6 О, Р, PC, К
П-И, П-1И II 1-Т, ш-ти 5 А7, Б7, В7, Г7,Д7 О, Р, PC, К
Р50 I, 1-И 4 Г6.Д5.Д6 О, Р, PC
II, П-И 5 Д6,Д7 О, Р, PC
III, Ш-И 5 Д7 О, Р, PC
Р43 II, III, Ш-И 5 Д7 О
Примечания. 1. Термически не упрочненные рельсы I—II группы годности ис-
пользуются на путях 4-го класса, a III и II1-T — на путях 5-го класса.
2. О — одиночная замена; Р — сплошная замена; PC— сплошная замена рель-
сов, сопровождаемая средним ремонтом пути; К — капитальный ремонт пути.
3. Рельсы группы годности 1-АИ, I-И, П-И, Ш-И, 111-ТИ укладывают в путь
с переменой рабочего канта в прямые участки пути.
160
Нормативная длина рельсовых плетей бесстыкового пути — 800 м.
Рельсы для бесстыкового пути сваривают по заказам предприятий
в соответствии с проектом. Отклонения по длине рельсовых пле-
тей не должны превышать ±30 мм. По согласованию с потребите-
лем допускается изготовление плетей с отклонением по длине не
более 1 м.
Рельсовые плети сваривают из рельсов, пропустивших одинако-
вый тоннаж, с разницей до 59 млн т брутто одной группы годности и
длиной не менее 7 м. Сварные рельсы длиной 25 м должны иметь не
более трех сварных стыков для I группы годности, четырех — II и 111
групп.
Контрольные вопросы
1. Что такое бесстыковой путь, особенности его работы?
2. От чего зависят прочность и устойчивость бесстыкового пути?
3. Как определить температурные интервалы закрепления рель-
совых плетей?
4. В чем заключаются особенности обеспечения прочности и ус-
тойчивости бесстыкового пути на искусственных сооружениях?
Глава 7. УСТРОЙСТВО И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ
7.1. Общие сведения об устройстве колеи и ходовых частей
подвижного состава
Рельсовая колея характеризуется тремя основными параметра-
ми: шириной, положением рельсовых нитей по уровню и подуклонкой
рельсов. В кривых колея имеет особенности — устраиваются ушире-
ние колеи, возвышение наружного рельса, переходные кривые перемен-
ного радиуса, а при звеньевой конструкции по внутренней нити ук-
ладываются укороченные рельсы. В кривых же на многопутных уча-
стках производится уширение междупутных расстояний (расстояний
между осями путей).
Ширина колеи — это расстояние между внутренними гранями рель-
сов в сечении, расположенном на 13 мм ниже поверхности катания
головки рельсов, измеряемое на незагруженном пути. Нормальная
ширина колеи в прямых участках пути на отечественных дорогах ус-
тановлена величиной 1520 мм. Допускаемые отклонения ширины
колеи, не требующие устранений, на прямых и кривых участках
не должны превышать по уширению +8 мм и по сужению —4 мм.
Следовательно, ширина колеи в прямых может колебаться в преде-
лах от 1516 до 1528 мм. На участках, где установлена скорость дви-
жения 50 км/ч и менее, эти допуски составляют от +10 до —4 мм.
На дорогах всего мира применяется около 30 размеров ширины
колеи. Наиболее распространенной является ширина колеи 1435
(1430) мм, на ее долю приходится 62 % мировой длины сети дорог.
На прямых участках верх головок рельсов обеих нитей — положение
рельсовых нитей по уровню — должен находиться водном уровне. При
этом допуск на содержание пути принят от +5 до —5 мм. В соот-
ветствии с Правилами технической эксплуатации железных дорог
Российской Федерации (ПТЭ) разрешается на протяженных прямых
участках содержать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой. На
двухпутных прямых линиях выше ставят бровочную нить, так как
162
она менее устойчива, чем междупутная. На однопутных линиях для
меньшего ослабления концов шпал из-за перешивок через каждые
4—5 лет меняют нить, расположенную выше другой. В этом случае
поперечная составляющая веса подвижного состава направлена в
сторону пониженной нити. Это способствует уменьшению виляю-
щих колебаний колес экипажей и экипажей в целом, т.е. приводит к
плавному ходу поездов и уменьшению расстройства колеи.
Отводы отклонений положения рельс от норм их содержания как
по ширине, так и по уровню не должны превышать определенных
величин, зависящих от скоростей движения. Принято измерять от-
воды в содержании миллиметров в 1 м длины пути (%о). Например,
при скоростях движения до 140 км/ч для отвода ширины колеи при-
нята величина 1 мм на 1 м (1 %о); при скоростях более 141 км/ч —
1 мм на 1,5 м длины пути (0,67 %о).
Рельсы по отношению к верхней плоскости (постели) шпал укла-
дывают с подуклонкой, т.е. под некоторым углом, соответствующим
коничности поверхности катания колеса. На железных дорогах Рос-
сийской Федерации принята подуклонка 1/20, т. е. такая же, как основ-
ной уклон конусности поверхность катания колес. Подуклонка рель-
сов в прямых и наружной нити в кривых участках должна быть не
менее 1/60 и не более 1/12, а внутренней нити в кривых при возвы-
шении наружного рельса свыше 85 мм — не менее 1/30 и не более 1/12.
На деревянных шпалах подуклонка рельсов обеспечивается ук-
ладкой клинчатых металлических подкладок промежуточного скреп-
ления, а на железобетонных подрельсовых основаниях — наклоном
подрельсовой опорной площадки шпал или блоков.
На дорогах Европы при коничности поверхности катания колес
1/20 принято устраивать подуклонку рельсов также 1/20. А в США
при коничности 1/20 получила некоторое распространение подук-
лонка рельсов 1/40.
Номинальные размеры параметров рельсовой колеи, их монтажные
и эксплуатационные допуски назначаются так, чтобы обеспечить
безопасное движение экипажей, минимизировать воздействие их на
путь и расходы на содержание пути. Поэтому размеры параметров
рельсовой колеи определяются в тесной взаимосвязи размеров эле-
ментов конструкции пути и конструкции ходовых частей подвиж-
ного состава, а допуски на содержание — безопасностью движения и
технико-экономическими условиями эксплуатации пути.
163
На формирование параметров рельсовой колеи влияют особен-
ности устройства ходовых частей подвижного состава: наличие в них
колесных пар и тележек. Два колеса, жестко насаженные на ось, об-
разуют колесную пару. Колесные пары закрепляются в раме двух или
трехосных тележек (рис. 7.1). Расстояние между крайними осями
тележки, остающимися параллельными друг другу при движении
экипажа по прямым и кривым, называется жесткой базой этого эки-
пажа £жб = £0. Расстояние между крайними осями всего экипажа
называется его полной колесной базой £п. У двухосных экипажей
полная и жесткая базы совпадают. Чем больше жесткая база экипа-
жа, тем труднее при прочих равных условиях вписывается экипаж в
кривые и стрелочные переводы. Современные экипажи в основном
являются тележечными. Расстояние между осями современной те-
лежки для грузовых вагонов £жб = 1,85 м. У современных тележечных
локомотивов жесткие базы больше 1,85 м, но обычно меньше 5,0 м.
Колеса имеют гребни (реборды), фиксирующие положение ко-
лесной пары на рельсах. Поверхность катания колес имеет кониче-
скую форму с уклоном в средней части 1/20 (рис. 7.2). На расстоя-
нии 100 мм от внутренней грани колеса начинается элемент с
коничностью 1/7.
Благодаря коничности колес экипаж, выведенный по каким-
либо причинам из среднего положения по отношению к оси пути,
будет стремиться вернуться в это положение из-за появления го-
ризонтальной составляющей давления колеса на рельс. Однако при
определенных скоростях движения колесные пары начинают дви-
гаться по волнообразной кривой (вилять), создавая этим условия
для возникновения виляющего движения как тележек, так и кузо-
ва, что ухудшает взаимодействие подвижного состава и пути. Кро-
ме того, принятая форма поверхности катания колеса предотвра-
щает образование желобчатой формы его износа, которая приводит
к увеличению контактных напряжений в металле головки рельса.
а
Рис. 7.1. Колесные схемы экипажей двухосных (а) и трехосных (б) тележек
164
Рис. 7.2. Поперечный профиль колеса:
а — локомотивного; б — вагонного
Рабочие грани гребней вагонных колес имеют наклон к поверх-
ности катания 60°, а локомотивных — 70°. Наружный край поверх-
ности катания имеет фаску 6x6 мм.
В процессе эксплуатации поперечный профиль колес изменяет
свою форму, появляется прокат (вертикальный износ) колеса и бо-
ковой износ (подрез) гребня колеса. При скоростях движения поез-
дов свыше 140 км/ч прокат Z, измеряемый по среднему кругу ката-
ния, не допускается более 5 мм. При меньших скоростях движения
прокат колес локомотивов и пассажирских вагонов допускается до
7 мм, а грузовых вагонов — до 9 мм. При этом форма износа будет
приближаться к очертанию (штриховая линия), гребень колеса име-
ет номинальную ширину, равную 33 мм и измеряемую в расчетной
плоскости, как показано на рис. 7.2.
165
Тележки соединены с рамой экипажа шкворнем и могут при дви-
жении поворачиваться относительно этой рамы. Вертикальные на-
грузки от кузова передаются на тележки (рис. 7.3) либо центрально
через шкворни (например, у четырехосного, шести- и восьмиосно-
го грузового вагона) или через боковые опоры (скользуны), как у
современных пассажирских вагонов КВЗ-ЦНИИ. В последнем слу-
чае на шкворни передаются лишь продольные силы (тяги, тормо-
жения). В первом случае при большом крене кузов будет опираться,
кроме шкворня, также на один из скользунов тележки; при отсут-
ствии крена имеется зазор 2—4 мм между скользунами тележки и
рамой кузова.
Между тележками и кузовом могут устанавливаться демпфиру-
ющие и возвращающие устройства. Эти устройства способствуют
гашению колебаний виляния тележек на прямых, но увеличивают
поперечные силы, передаваемые на рельс в кривых участках пути.
Колесные пары в пределах зазоров имеют в буксовых направляю-
щих свободные поперечные перемещения (разбеги), т. е. возможность
перемещений вдоль своих осей в ту или другую сторону на некото-
рую величину. У некоторых трехосных локомотивов для улучшения
вписывания создаются разбеги до ±22 мм. Наличие разбегов облегча-
ет проход (вписывание) экипажами криволинейных участков пути.
Рис. 7.3. Схемы железнодорожного экипажа:
1 — кузов; 2— тележка; 3 — центральная опора (шкворень); 4— боковые опоры
(скользуны); £() ~ — жесткая база; £п — полная колесная база; £к — длина
кузова; £с — полная длина экипажа (между осями сцепления автосцепок)
166
Шириной колесной пары (колесной колеей) q называют расстоя-
ние между рабочими гранями гребней колес в расчетной плоскости
(рис. 7.4). Расстояние между внутренними гранями колес Т носит
название насадка колес. Толщина гребней колес в расчетной плоско-
сти равна йj и й2. Между вертикальными плоскостями, где измеря-
ется насадка колес и толщина гребней, имеется расстояние ц = 1 мм
для вагонных колес и ц = 0 для локомотивных колес.
Отсюда ширина колесной пары равна:
q = Т + Л| + Л2 + 2ц + (7.1)
где учитывает изменение ширины колесной пары за счет упругого изгиба ее
оси под нагрузкой. Для загруженных вагонов = 2—4 мм, для локомотивов —
около 1 мм.
Для предотвращения заклинивания колесной пары, что может
привести к нарушению условий безопасности движения экипа-
жей, ее ширина должна быть меньше ширины колеи 5. Для это-
го на прямых участках пути и в кривых без специального увеличе-
ния номинальной ширины колеи между рельсовыми нитями и
гребнями колес предусмотрено образование зазоров 3( и 32 (сум-
марный зазор 3 = 8| + 32). Большая величина зазора, однако, может
приводить к возникновению существенных по величине горизон-
тальных сил при вилянии колесных пар и ударов гребнями колес
при входе экипажей в кривые. Суммарный зазор в прямых с шири-
Рис. 7.4. Положение колесной пары в рельсовой колее
167
ной колеи 5П равен между гребнями колес и боковыми внутренни-
ми гранями рельсов:
5 = 5'п-<7 + ег (7.2)
Величина es отражает упругие изменения ширины колеи под
подвижным составом. Обычно при исправном состоянии пути и
подвижного состава происходит упругое расширение колеи до 2 мм,
а в кривых до 4—8 мм и даже более.
Величины с. и £_ учитывают лишь при особо ответственных рас-
четах.
В табл. 7.1 приведены параметры колесных пар и рельсовой ко-
леи на прямых (насадка колес Г, толщина гребней А, ширина колес-
ных пар q, ширина колеи S и зазоры между гребнями колес и рельсо-
выми нитями 5).
Средняя величина нормального зазора между гребнями колес и
рельсами 5ср - 1520 - 1508 = 12 мм (для вагонов) и 5ср = 14 мм (для
локомотивов). Минимальный зазор, имеющий место при крайних
допусках в размерах колеи и колес, определится из выражения
^min “ ^rnin “ ^max* (7.3)
Для вагонной колесной пары 5nlin =1516-1511=5 мм, для локо-
мотивной колесной пары 5min = 7 мм.
Предельные отклонения ширины колеи по уширению и суже-
нию определяют из условия безопасности движения поездов. Мак-
симально допустимой считается такая ширина колеи, при превы-
шении которой возможен провал колес внутрь колеи. Опасность
схода может наступить, когда колесо покатится по рельсу той своей
частью, которая имеет коничность 1/7, а не 1/20 и, следовательно,
возникнет дополнительное распирание колеи колесами.
Следует считать недопустимой такую ширину колеи, при кото-
рой точка перехода коничности поверхности катания колеса 1/20 в
1/7 совпадает с началом закругления боковой выкружки головки
рельса радиуса 15 мм (рис. 7.5).
Такое положение колесной пары может стать возможным при
ширине колеи
5тах = Amin + И +7min + а ~ 45> <7-4)
где Amin — минимально допустимая толщина изношенного гребня;
ц — несовпадение плоскостей, от которых производится измерение тол-
щины гребня и насадки колес;
168
Таблица 7.1
Параметры колесных пар и рельсовой колеи на прямых в мм
Колеса Скорость движения, км/ч Т h <7 5 8
max норм. min max норм. min max норм. min max норм. min max норм. min
Локомотивные До 140 1443 1440 1437 33 33 23 1509 1506 1483 1528 1520 1516 45 14 7
Свыше 140 1443 1440 1439 33 33 28 1509 1506 1495 1528 1520 1516 31 14 7
Вагонные До 140 1443 1440 1437 33 33 23 1511 1508 1485 1528 1520 1516 43 12 5
Свыше 140 1443 1440 1439 33 33 28 1511 1508 1497 1528 1520 1516 29 12 5
Лгнп — минимальная величина насадки;
а — ширина колеса; величина 45 мм складывается из ширины колеса от
внешнего его торца до точки перехода от одной коничности к другой (30 мм),
проекции боковой выкружки головки рельса, равной 15 мм.
При минимальных размерах Тт.п = 1437 мм и /zmin = 25 мм; 5ГТПЯУ =
х д ж 111111 111111 ПшЛ
= 1548 мм.
Рис. 7.5. Расчетное положение колесной пары при определении максимально
допустимой ширины колеи
Опасный предел ширины колеи по сужению определяется воз-
можностью заклинивания колесной пары, имеющей максимальные
размеры в расчетном уровне (зазор 5min = 0), т.е.
^min = ^тах ~ ^тах ^^тах + (7.5)
При Гтах = 1443 мм и Лтах = 33 мм Smin= 1511 мм.
В настоящее время принято, что ширина колеи менее 1512 и бо-
лее 1548 мм не допускается, т.е. требуется остановка движения и не-
медленное исправление размера колеи.
7.2. Рельсовая колея в кривых
7.2.1. Расчет возвышения наружного рельса
При проходе подвижного состава по кривой в его элементах воз-
никают центробежные ускорения и, соответственно, центробежная
сила, направленная наружу кривой. Центробежная сила неблаго-
приятно действует на пассажиров, приводит к перераспределению
вертикальных давлений на рельсы обеих нитей (перегруз наружной
170
нити). Она же создает дополнительное воздействие на путь при
вписывании экипажа в кривую, вызывая боковой износ рельсов
наружной нити. Кроме того, поперечные силы могут создавать
сдвиг рельсов относительно шпал, приводящий к уширению рель-
совой колеи и расстройству положения пути в плане.
Для того чтобы избежать указанных явлений, устраивают возвы-
шение наружной рельсовой нити над внутренней. Появляющиеся за
счет наклона полотна железнодорожного пути горизонтальные по-
перечные составляющие веса экипажей частично или полностью ней-
трализуют центробежную силу и негативные последствия ее действия.
Величина возвышения может быть определена исходя из ряда тре-
бований:
— обеспечение одинакового вертикального износа или осадки обе-
их рельсовых нитей в кривых, что достигается равенством давлений
колес на наружный и внутренний рельс;
— ограждение пассажиров от воздействия чрезмерных попереч-
ных ускорений (условие комфортабельности);
- ограничение бокового воздействия экипажа на путь, что может
приводить к интенсификации бокового износа рельсов в кривых, к
контактным повреждениям и поперечному смещению рельсов.
Определение возвышения рельса производят с учетом этих требований.
1. Обеспечение одинакового вертикального износа и осадки обеих
рельсовых нитей требует, чтобы сумма нормальных давлений на на-
ружную нить (или нормальных реакций Ен) от всех колес всех поез-
дов, обращающихся по данной кривой в течение принятого отрезка
времени, равнялась сумме нормальных давлений от тех же поездов на
внутреннюю нить (или ее нормальных реакций Ев). Принято рассмат-
ривать в этом случае расчетную схему с экипажем без рессор (рис. 7.6).
Дополнительно принимается, что экипаж расположен в колее
симметрично, а влиянием ветра пренебрегают. Для обеспечения по-
ставленного условия необходимо, чтобы
(’«)
Из схемы видно, что
h
sin ос =—,
где h — возвышение наружного рельса;
— расстояние между осями головок рельсов; ввиду малости угла можно
принять, что cosa » 1 и tga ® sin а.
171
Центробежная сила при движении экипажа массой т по кривой
радиусом R со скоростью у, приложенная в центре масс экипажа,
будет определяться выражением
mv2 _G v2
(7.7)
где G — вес экипажа;
g — ускорение силы тяжести.
Горизонтальная составляющая веса экипажа при наличии в
кривой возвышения наружного рельса h с учетом малости угла
равна:
„ - . - h h
И = Gsma»G—-mg—,
(7.8)
где 5] — расстояние между осями рельсов.
172
Уравнение моментов относительно середины колеи (точка А на
рис. 7.6) сил веса Gэкипажа и центробежной силы 1, передающихся
на рельсы через одну колесную пару, и нормальных реакций рель-
сов £н и £в (моменты от боковых реакций рельсов Тн и Гв равны
нулю, так как плечи этих сил равны нулю):
Ч Z ,
(/cosa-(zsina)a = (£H-£b)-j-, (7.9)
где а — расстояние от центра тяжести экипажа до уровня головок рельсов. При
расчетах принимается, что величина а для всех экипажей примерно одинакова.
Распространяя это выражение на всю совокупность проходящих
по данной кривой экипажей разных поездов и имея в виду выраже-
ние (7.6), получим
Л. gK л.
или для возвышения в круговой кривой при А = Ло
Откуда
(7.Ю)
Скорость v0 называется средней квадратичной скоростью, взве-
шенной по тоннажу.
При 5| = 1,6 м, g = 9,81 м/с2 и выражении v0 в км/ч, Л в м получим:
у1
й0 = 12’5у- (7-Н)
Рассмотренная схема не учитывает ряд особенностей движения
экипажа: наличие рессорного подвешивания, положение в рельсо-
вой колее (несовпадение оси пути и экипажа), воздействие на рас-
четный экипаж сил тяги, воздействие ветра. Влияние этих факто-
ров может быть интегрально учтено в виде поправочного коэффи-
циента, равного 1,2.
2. Условие ограждения пассажиров от действия чрезмерных
колебаний требует снижения непогашенных горизонтальных уско-
рений.
173
Многолетний опыт железных дорог и исследования показывают,
что большие значения этих ускорений неприятно ощущаются пас-
сажирами. Величина возвышения наружного рельса, вычисленная
по средневзвешенной скорости, может оказаться недостаточной для
гашения центробежных ускорений, возникающих при прохождении
по кривой пассажирских поездов, скорость которых больше грузо-
вых. Требуется установить такое возвышение, чтобы величина непо-
гашенного ускорения, возникающая при прохождении поезда с мак-
симальной скоростью, не превышала допустимой величины по воз-
действию на пассажира [я].
В пассажирском вагоне за счет различия упругого сжатия рессор
по разным ниткам пути (результат крена вагона) на пассажира дей-
ствует большее непогашенное ускорение, нежели на подвижной со-
став при рассмотренной выше схеме с отсутствием рессор. Для уп-
рощения расчета принимается такое ограничение непогашенного
ускорения элементов подвижного состава по рассмотренной схеме,
при котором поперечное ускорение пассажира не превысит допус-
тимых медицинских норм:
R
Из этих допущений вытекает, что
v2 S, S, г ,
0 Rg g
Согласно нормативам железных дорог РФ [а] принимается рав-
ным для пассажирских поездов 0,7 м/с2.
Принимая 5] - 1,6 м, g= 9,81 м/с2, v в км/ч, при h в мм, Л в м,
получим при авд= 0,7 м/с2:
v2 v2
Л =12,5-^-163Ы = 12,5-2^-115. (7.12)
R R
3. Ограничение бокового износа рельсов под грузовыми поезда-
ми зависит от ряда факторов. В последние годы на путях железных
дорог РФ усилился боковой износ головок рельсов в кривых малого
радиуса. Изучение этого явления показало, что указанный износ
174
возможно уменьшить возвышением наружного рельса для обеспе-
чения непогашенного ускорения не более ±0,3 м/с2.
Это условие приводит к выражениям:
h1251тахф._50;
0 R
(7.13, а)
6=12,5—п ф +50.
0 R
(7.13,6)
В этом случае - соответственно максимальная и минималь-
ная скорость обращения грузовых поездов по данной кривой.
В настоящее время практический расчет возвышения произво-
дится по второму и третьему условиям, а окончательный выбор осу-
ществляется с учетом конкретных эксплуатационных условий для
данного участка пути: паспортный радиус данной кривой, макси-
мальные скорости пассажирских и грузовых поездов, минимальные
скорости грузовых поездов.
При этом расчетные скорости определяются из следующих со-
ображений.
В качестве максимальных скоростей принимают скорости, рас-
считанные по тяговому расчету с учетом всех постоянных и дли-
тельных ограничений скоростей.
Минимальная установленная скорость грузовых поездов опреде-
ляется в зависимости от условий:
— на затяжных подъемах как расчетно-минимальная скорость по
тяговым расчетам;
— по заложенному в графиках времени хода на перегоне грузовых
поездов унифицированного веса;
— на участках перед крупными станциями, где большинство по-
ездов отклоняется на боковой путь, по скорости отклонения;
— в отдельных случаях на участках, где вследствие высокой
плотности грузопотока движение устойчиво проходит со скорос-
тями ниже графиковых, разрешается определять минимальную
скорость грузовых поездов по выборочному анализу скоростемер-
ных лент.
При этом руководствуются следующими правилами (табл. 7.2).
175
Таблица 7.2
Определение установленного возвышения
Вариант Возвышение Требование к скоростям
\.h . >h Pmm гр vmax пасс h . > h vmin гр Ртах гр hv > hv Ртах пасс Ртах гр ^Ртах пасс —
2.h . >Л Ртт гр Ртах пасс hv >hv Ртт гр Ртах гр hv > hv Ртах гр Ртах пасс К = У Ртах гр —
З./г . <h Ртт гр Ртах пасс hv >hv Ртт гр Ртах гр /г > Ртах пасс Ртах гр ^У ^Pmin гр Ограничение vmax пасс
4.йу. <h Ртт гр Ртах пасс h . < h Ртт гр Ртах гр hv > h Ртах пасс Ртах гр ^У ^Ртт гр Ограничение vmax пасс и v max гр
5.hv . < hv Ртт гр Ртах пасс Pmin гр Ртах гр /г < Лп, Ртах пасс vmax гр ^У ^Pmin гр Ограничение vmax пасс И V ¥ max гр
6.AV > hv vmm гр Ртах пасс h . < hv Ртт гр Ртах гр hv <hv Ртах пасс Ртах гр hy = hv . У Ртт гр Ограничение vmax гр
Возвышение устраивают в кривых с радиусом менее 4000 м.
Максимальное возвышение на дорогах РФ принято 150 мм, мини-
мальное (кроме стрелочных переводов и закрестовинных кривых) —
15 мм.
Максимальное возвышение наружного рельса величиной 150 мм
принято во многих странах (Англия, США, Польша, Румыния и др.).
На скоростных линиях Японии и Франции Ло тах = 200 мм.
Порядок расчета следующий:
— по формулам определяют соответствующие им возвышения;
— по таблице находят установленное возвышение hy.
Если рассчитанные значения возвышений превышают 150 мм или
в соответствие с таблицей необходимо ограничить скорости пасса-
жирских или грузовых поездов, то соответствующие ограничения
скоростей вычисляют по формулам:
для пассажирских vmax пасс = 0,2834-115^; (7.14, а)
176
для грузовых vmax гр = 0,283+ 50) (7.14, б)
с округлением в меньшую сторону до величины, кратной 5 км/ч.
Устойчивость экипажа против опрокидывания. Принятое возвы-
шение наружного рельса может быть проверено на опрокидывание
экипажей в кривых (рис. 7.7).
Устойчивость экипажа против опрокидывания оценивается ко-
эффициентом п\
Эксцентриситет е относительно середины колеи (точка А) рав-
нодействующих F всех сил, действующих на колесную пару экипа-
жа, нормальная составляющая которой N— ЕИ + £в, найдем из урав-
нения моментов относительно точки А:
Ne + -(E -Е ) = 0;
2 V В н/
' (Е.-Е^
(ЕгЕА2'
(Е +Е )
Откуда ” = (Е* -Е*у (715)
Значения Ец и Ев зависят от скорости движения; их находят из
условий равновесия (рис. 7.7), используя уравнение моментов отно-
Рис. 7.7. Схема сил, действующих на колесную пару, при оценке устойчивости
экипажа против опрокидывания в кривой
177
сительно точки А и уравнение проекций сил на нормаль к каса-
тельной к поверхности катания головок рельсов.
В обычной метеорологической обстановке, при которой влия-
ние ветра на устойчивость экипажа незначительно, при исправном
пути и подвижном составе п > 3. Для относительно редких случаев
сильных ветров ограничивают допустимую скорость движения по-
ездов, а иногда и допустимость самого движения.
7.2.2. Нормы ширины и уширения колеи в кривых
Схемы вписывания экипажа в кривых. Движение тележки экипа-
жа с постоянной скоростью по круговой кривой вызывает поворот
ее (вращение) относительно центра этой кривой, т.е. такое движе-
ние можно рассматривать состоящим из поступательного, совер-
шаемого по направлению продольной оси жесткой базы экипажа,
и поворота ее относительно некоторой точки 0, называемой цент-
ром (полюсом) поворота, за который принимают точку на пересе-
чении продольной оси жесткой базы тележки с радиусом, к ней пер-
пендикулярным (или радиусом-перпендикуляром).
В зависимости от соотношения размеров рельсовой колеи и
колесной пары, сил, приложенных к экипажу, радиуса кривой и
скорости движения могут быть различные схемы вписывания
(установки) экипажа в кривых. Можно выделить заклиненную и
незаклиненную. Незаклиненное вписывание в свою очередь де-
лится на принудительное и свободное.
Заклиненная схема имеет место при минимальной теоретически
возможной ширине колеи для данного экипажа, когда при выбран-
ных разбегах осей экипаж не имеет возможности перемещаться в
поперечном направлении в рельсовой колее (рис. 7.8, а). У двухос-
ных и трехосных тележек при заклиненном вписывании возникают
силы между колесом и рельсом для крайних осей тележки по на-
ружным рельсовым нитям. Третья сила возникает по внутренней
нити для задней оси тележки при двухосной конструкции и для сред-
ней оси при трехосной. При заклиненном вписывании в силу такой
установки колес по наружной нити полюс вращения 0 находится
посередине жесткой базы £жб.
Незаклиненная схема вписывания возникает, когда жесткая база
экипажа имеет возможность перемещаться в поперечном направле-
нии за счет свободных зазоров или разбега колесных пар. Центр по-
ворота О при этом смещен к задней оси.
178
При возникновении попе-
речных сил в первой оси по наруж-
ной нити и в задней оси по внут-
ренней наблюдается принуди-
тельное вписывание (рис. 7.8, б);
если же последняя сила равна
нулю, то такое вписывание на-
зывается свободным (рис. 7.8, в).
Заклиненное вписывание в
эксплуатации не допускается,
так как приводит к очень боль-
шому сопротивлению движе-
нию (большое трение гребней
колес по боковым граням голов-
ки рельсов), боковому износу
рельсов и гребней колес.
При движении многоосных
экипажей с большой жесткой
базой, для обеспечения незакли-
ненного прохода колес требует-
ся производить уширение рель-
совой колеи.
Ширина колеи в кривых. За
расчетную схему определения
ширины колеи в кривых при-
нимают схему заклиненного
вписывания железнодорожного
экипажа, при которой наруж-
ные колеса крайних осей жест-
кой базы своими ребордами упираются в наружный рельс кривой, а
внутренние колеса средних осей упираются во внутренний рельс.
Центр поворота экипажа, как рассмотрено выше, находится посе-
редине жесткой базы (двухосные жесткие базы, многоосные жест-
кие базы с симметричным расположением осей и их разбегов). К по-
лученной на основании такой расчетной схемы ширине колеи (при-
водящей к заклиненному вписыванию) следует добавить некоторую
величину, в качестве которой принимают величину минимального
зазора 8min между боковыми рабочими гранями рельсов и гребнями
Рис. 7.8. Схемы вписывания жестких
баз экипажей в кривые:
а — заклиненное; б — принудительное;
в — свободное — точка контакта греб-
ня колеса и рельса); стрелкой показаны
направляющие усилия
179
колес на прямом участке. Тем самым удается избежать заклиненно-
го вписывания.
Рассмотрим случай определения минимально необходимой ши-
рины рельсовой колеи S из условия вписывания трехосной тележки
с жесткой базой £жб в кривую радиусом R (рис. 7.9). Эта схема вы-
брана потому, что в настоящее время на дорогах РФ наиболее длин-
ную базу имеет тележка трехосного локомотива.
Рис. 7.9. Расчетная схема положения жесткой базы экипажа в кривой для
определения минимально допустимой ширины колеи
Введем обозначения:
О — центр поворота жесткой базы экипажа; при симметричной
тележке центр поворота лежит на оси средней колесной пары;
q— ширина колесной пары;
/ — расстояние от центра поворота до точки гребня первого коле-
са, упирающегося во внешний рельс;
f — стрела изгиба наружного рельса, отсчитываемая от хорды, про-
г
ходящей через точку контакта колеса и рельса; f =—;
2Л
Sy— сумма поперечных разбегов осей.
Запишем выражение для ширины колеи при заклиненном впи-
сывании S, •
^закл = <7 + z-
Но из рассмотрения схемы для прямого участка пути (7.2) сле-
дует
?=5„-S.
180
Величина стрелы z определится с учетом (см. рис. 7.9), что
приближенно /« 0,5£жб:
/2
г=/-У'у=-----Ху= —-Уу,
тогда
5 =S -6 +
закл п
жб
187? )
-2> = 5п+е,
где
(7.16)
Если величина г по расчету больше нуля, то необходимо провес-
ти уширение колеи.
Из двух последних выражений видно, что принципиально ши-
рина колеи в кривых должна быть больше, чем в прямых. Следует
также, что чем больше жесткая база и меньше радиус кривой, тем
большее уширение требуется устраивать, чем больше разбеги колес-
ных пар, тем меньше потребное уширение.
Из выражения для величины уширения (7.16) можно определить
тот радиус кривой, при котором возникает заклиненное вписывание.
Приняв е = 0, получим
______жб____
8О8».)'
(7-17)
Например, при £жб = 4,6 м, 5 = 7 мм, =0 величина /?= 378 м.
Уширение при современном подвижном составе начинают с ра-
диуса круче 350 м по следующим нормативам: при радиусе от 349 м
до 300 м — на 10 мм, а при радиусе менее 299 м — 15 мм.
В случае незаклиненной схемы положение центра поворота не
может быть определено однозначно только геометрически, как в
случае заклиненного вписывания. В связи с этим необходимо оп-
ределение поперечных сил и центра поворота при вписывании же-
сткой базы экипажа в кривую.
Непрерывное вращение экипажа относительно центра поворота
происходит под действием сил, возникающих в точках соприкосно-
181
вения гребней колес направляющих осей с боковой гранью головки
рельсов. Это направляющие силы К(рис. 7.10).
В контактах колес с рельсами возникают силы трения, равные
произведению сил, перпендикулярных плоскости касания колес и
рельсов на коэффициент трения скольжения/Pz. На рис. 7.10 вместо
этих сил показаны равные им по значению и обратные по знаку ре-
акции рельсов. Поперечные составляющие сил трения обозначены
Н{, а продольные — V-r
Алгебраическую сумму нажатия гребня У и силы трения Я одно-
го и того же колеса называют боковой силой:
Yq = Y±H. (7.18)
При расположении колесной пары впереди центра поворота же-
сткой базы для наружного колеса в формуле (7.18) следует брать
разность и для внутреннего — сумму сил; при обратном располо-
жении — колесная пара находится сзади центра поворота, знаки
тоже берутся обратными.
Направляющие силы (см. рис. 7.10) принято считать положитель-
ными, если они направлены наружу колеи, а соответствующие им
реакции рельсовых нитей — внутрь колеи. Боковые силы принято
считать положительными, если они действуют в сторону направ-
ляющих сил, а соответствующие им реакции рельсовых нитей — в
обратном направлении.
Вписывание свободное, если при вписывании экипажа появляют-
ся направляющие силы на наружной нити в контакте с первым по
ходу движения колесом Кн и отсутствуют на внутренней нити Кв.
Поперечная сила, передаваемая рамой экипажа через колесную
пару на рельсы называется рамной силой Ур. Эта сила считается при-
ложенной к геометрической оси колесной пары и положительной,
если она направлена наружу кривой, равна разности боковых сил,
передаваемых одной и той же осью на наружную и внутреннюю
рельсовые нити:
р бн бв*
Для первой направляющей оси
бн 1 1-н
Y .
бв 1-в
(7.19)
182
Рис. 7.10. Схема горизонтальных сил, действующих в контакте колес и рельсов
Подставляя эти значения в формулу (7.19), получим
Y =Y-H. -И. . (7 20)
Р 1 I—Н 1-В
При Я) _н = Я] _в =fP найдем Г = Y{ - 2fP.
Боковые силы Кб, возникающие при движении экипажей, дос-
тигают больших значений (иногда 100 кН и более). Влияние боко-
вых сил на работу пути очень велико. Этим объясняется ряд мер,
направленных на улучшение вписывания экипажей в кривые и сни-
жающих поперечные силы.
При известных положениях центра (полюса) поворота О экипа-
жа (см. рис. 7.10), ширине колеи (измеренной между осями голо-
вок рельсов) и расстояниях /( от центра Одо любой Z-й колесной пары
становится известным направление перемещения каждого колеса.
Это направление перпендикулярно радиусу — вектор проведен-
ному от центра О к середине площадки контакта колеса с рельсом,
приблизительно к точке пересечения оси головки рельса с геомет-
рической осью колесной пары.
Сила трения каждого колеса (наружного, внутреннего) любой z-й
оси направлена в сторону, обратную перемещению колеса. Попереч-
ные Я, и продольные 1< составляющие этой силы определяются из
следующих выражений:
Я. = fP. cosy.;
И. = fP. sin у.;
cosy. =1. / d.;
sin у. =5f /2d.;
Все поперечные силы: трения /7Z, Т, направляющие ^считаются
приложенными не радиально, а перпендикулярно продольной оси
экипажа.
Сила Г, приложенная на расстоянии £ц от первой оси тележки,
представляет собой равнодействующую центробежной составляю-
щей веса экипажа (приходящегося на одну тележку), образующейся
в связи с возвышением наружного рельса, и нормальной составляю-
щей силы тяги, приходящейся на одну тележку:
184
(7.21)
a _ 2L L
J' - nV p________c__x_ p
g ' к R L K’
° T П
где aH — непогашенное поперечное ускорение;
кт — количество тележек в экипаже;
Ln — длина поезда;
£х — длина хвостовой части поезда, считая от середины экипажа, вписыва-
ние которого рассматривается;
£с — длина рассматриваемого экипажа между осями сцепления автосце-
пок;
FK— сила тяги, развиваемая локомотивом на кривой (при толкании или ло-
комотивном торможении FK берется со знаком минус; при толкании £х — дли-
на головной части).
В свою очередь
v2 h
a. =----g—,
H R S,
где v — скорость движения поезда;
h — возвышение наружного рельса.
Демпфирующий момент Л/ образованный силами трения в
шкворне и скользунах, зависит от загрузки вагона и положения груза
относительно продольной оси вагона. Он оказывает сопротивление
в кривой повороту первой тележки (см. рис. 7.10) относительно ку-
зова, который, поворачиваясь, увлекает за собой вторую тележку,
способствуя ее повороту. Следовательно, знаки Мд демпфирующего
момента у первой и второй тележек будут разные.
Для определения демпфирующего момента Л/ обозначим: коэф-
фициенты трения скольжения в шкворне — через цшк, в скользу-
нах — через цск (значения этих коэффициентов находятся в грани-
цах 0,1—0,2); давления на шкворень и скользуны каждой тележки —
через (?шк и QCK; расчетный радиус поворота тележки относитель-
но кузова на шкворне — через гшк, на скользунах — через гск. Тогда:
М =ц Q г +ц Q г .
д ГШК ШК ШК ГСК СК СК
Нормальным положением кузова на шкворневых тележках явля-
ется его опирание на шкворни, на каждый из которых приходится
половина веса кузова: QCK = 0 и £?шк = 0,5(2^. При большом крене
часть нагрузки может передаваться на скользуны, например,
Qшк=(1/3=3/8)0 и О =(1/64-1/8)0 .
11114. IS.у J v/lv 1Ч.У «j
185
Вертикальное давление на тележки КВЗ-ЦНИИ передается толь-
ко через скользуны. В этом случае (2ШК = 0; QCK= 0,5QKV3.
Для нахождения направляющих сил У|_н и К3_в "составим два
уравнения моментов: одно относительно середины С] первой оси и
второе — относительно середины С3 задней оси. Выполнив необхо-
димые промежуточные преобразования, получим:
L M
1-н
= 2fPA + T 1--^- ±-^-;
L0
_ M
, = 2/РЛ + 7’—±—
' £0
d2 LQ
+ Ь^.Ь--
d2 Lo
+ P. = 2P.
/-В
1 1
1-------
d. d~--d,
I 2 ;
LoJ
L
Lo
1
^1
1 v _G_
d3
4A0
52 (1
в=—Ц—.
4Ln d. d~ <
о\ I 2 3 7
/=/-/; /=/-/; P
2 I Г 3 0 1 i-н
(7.22)
Если средняя ось имеет достаточные поперечные разбеги, чтобы
переместиться на нужную величину, то следует в выражениях для А
и В члены с множителем (/2/J2) считать равными нулю, так как от-
сутствуют поперечные составляющие Я2_н и ^2-в сил тРения- Вме-
сто члена 1/^2 следует написать 2/S} в связи с тем, что в этом случае
И2 =fP. Верхние знаки при Л/ относятся к передней тележке, ниж-
ние — к задней. В случае двухосной тележки в формулах (7.22) выпа-
дают члены, содержащие /2 и d2. Формулы верны при любом распо-
ложении полюса поворота.
От полюсного расстояния /| зависят лишь функции А и В. При
заданной ширине колеи величина зависит от сил взаимодействия
экипажа и колеи и не может рассматриваться независимой до тех
пор, пока внутреннее колесо задней оси не дойдет своим гребнем до
внутренней нити. Как только это колесо коснется и начнет прижи-
маться гребнем к этой нити (при заданной ширине колеи), значение
становится неизменным и не зависящим от силовых взаимодей-
ствий экипажа и колеи.
186
Если известен зазор в колее 8, полюсное расстояние 1{ определя-
ется зависимостью
тпах/ = —+ —. (7.23)
1 2 Ло
Здесь 8 определяется с учетом разбегов по первой и последней
осям экипажа.
В случае если ширина колеи подлежит определению (как в дан-
ном случае), то ее всегда можно задать такой, чтобы при любых зна-
чениях действующих сил колесо задней оси, катящееся по внутрен-
ней нити, касалось или прижималось своим гребнем к этой нити,
т.е. чтобы выполнялись условия (7.22).
При заданных Р, Т и Л/д значения У|_н и У3_в являются функ-
циями А и В, а последние — функциями /г При этом функция А
имеет максимум при 1{ = £0, функция В и (А + Б) — при /t = 0,5 £0.
Как видно из формулы (7.23), /| не может быть менее 0,5 £0.
Важно иметь такие значения А и В, при которых У|_ни У3_вбыли
бы минимальны. Особенно большое значение имеет обеспечение
минимума суммы У^ + У3_в, характеризующей сопротивление
движению тележек в зависимости от уровня направляющих сил.
Обычно £ц = 0,5£ 0. В этом случае член с Гв сумме У]_н+ У3_в ра-
вен нулю. Отсюда следует важный вывод о том, что указанная сум-
ма зависит от значений непогашенной части центробежной силы и
нормальных составляющих сил тяги. Так как функция А при £0 > 1{
меньше своего максимума, то, следовательно, и А при max /| * £0
не будет максимальным, поэтому наилучшее силовое взаимодей-
ствие тележки и колеи будет при тах/р Однако /| не может быть
сколь угодно большим по следующим соображениям. Направляю-
щая сила У3_в физически не может быть отрицательной, являясь
давлением гребня колеса на рельсовую нить, поэтому /j физически
не может быть более значения, при котором У3_в = 0. Таким обра-
зом, в пределах принятых ранее допущений наилучшая ширина
колеи найдется из условия У3_в = 0, т. е. из условия свободного впи-
сывания. Ширина колеи больше той, при которой У3_в = 0, не це-
лесообразна, так как не изменяет размер
Определению поперечных сил, действующих на путь при движе-
нии экипажа по кривым, посвящено много работ. Плодотворным
при этом оказалось создание графиков-паспортов вписывания эки-
187
пажей в кривые. Определение основных характеристик такого пас-
порта производится в зависимости от непогашенного ускорения ан.
При этом направляющие, боковые, рамные силы и полюсные рас-
стояния часто аппроксимируются линейными зависимостями:
К = а + Ьа ;
1 н’
/, = х, = c+da ,
11 н’
где a, b,c,d — эмпирические коэффициенты.
В качестве примера на рис. 7.11 приведен график-паспорт боко-
вого воздействия на путь грузового вагона на тележках ЦНИИ-ХЗ с
жесткой базой Lo = 1,85 м и нагрузкой от колесной пары на рельсы
220 кН. Коэффициент трения колес о рельсы/ = 0,25.
Нормы и допуски по ширине колеи в кривых. Ширина колеи в кри-
вых должна устанавливаться такой, чтобы обеспечивалось свобод-
ное вписывание наиболее массовых экипажей (грузовых вагонов).
Ширина колеи должна также обеспечивать техническую возмож-
ность вписывания в кривые наиболее неблагоприятных по воздей-
ствию на путь экипажей без заклинивания. Это условие определяет
минимально допустимую ширину колеи. Максимально допустимая
Рис. 7.11. График-паспорт бокового воздействия на путь в кривой вагона
на тележках ЦНИИ-ХЗ (18-100)
188
ширина колеи определяется из условия надежного предотвращения
провала колес подвижного состава внутрь колеи.
В настоящее время на дорогах РФ установлена ширина колеи
на прямых участках пути и на кривых радиусом 350 м и более —
1520 мм. Ширина колеи на более крутых кривых должна быть при
радиусе от 349 до 300 м — 1530 мм; при радиусе 299 м и менее — 1535 мм.
При этом требуется, чтобы крутизна отводов ширины колеи со-
ставляла не более:
1 мм на 1 м длины пути на участках со скоростями до 140 км/ч;
1 мм на 1,5 м при скоростях 141 — 160 км/ч;
1 мм на 2 м при скоростях 161—200 км/ч.
Отвод уширения колеи в кривых делают на протяжении переход-
ных кривых.
Устройство пути в кривых малых радиусов. В случае если радиус
кривой настолько мал, что максимальная нормативная ширина ко-
леи 1535 мм оказывается меньше минимально необходимой, опре-
деленной по схеме заклиненного вписывания с добавлением мини-
мального зазора 8min, в таких кривых резко возрастает боковой из-
нос рельсов и расстройство рельсовой колеи.
Для облегчения работы наружной нити в таких кривых уклады-
вают контррельсы внутри колеи вдоль внутренней нити. В этом слу-
чае направляющая колесная пара колесом, идущим по внутренней
нити, упирается в контррельс, не распирая наружную нить (рис. 7.12).
В очень крутых кривых приходится иногда укладывать контррельсы
у обеих нитей внутри колеи. Контррельсы увеличивают сопротивле-
Рис. 7.12. Положение колесных пар в кривой при наличии контррельса
189
ние движению, поэтому практически укладку их применяют лишь в
кривых радиусом примерно 160 м и менее. Желоб между контррель-
сом и рельсом внутренней нити кривой должен иметь ширину 60—
85 мм. Контррельсы должны быть надежно соединены с ходовыми
рельсами посредством вкладышей и болтов.
Все новые локомотивы рассчитывают на вписывание в кривые
радиусом не менее 150 м при ширине колеи 1535 мм.
7.2.3. Устройство и расчет переходных кривых
При входе экипажа непосредственно из прямой в круговую кри-
вую заданного радиуса в элементах экипажа возникает центробеж-
ное ускорение. Поэтому для обеспечения плавного перехода под-
вижного состава из прямой в круговую кривую или из круговой кри-
вой одного радиуса укладываются переходные кривые. В пределах
переходной кривой устраивается плавное изменение возвышения на-
ружного рельса и необходимых случаях - ширины колеи. Переход-
ные кривые могут быть как с прямолинейным отводом возвыше-
ния, так и с криволинейным (на скоростных линиях).
Переменная кривизна, отвод возвышения наружного рельса и
ширины колеи в пределах ПК вызывают дополнительные силовые
факторы, которых нет в других участках пути. Основные требова-
ния к устройству и содержанию ПК сводятся к тому, чтобы появля-
ющиеся, развивающиеся и исчезающие силовые факторы (ускоре-
ния, силы, моменты) в пределах длины ПК изменялись постепенно
и монотонно, с заданным графиком, а в начале и конце ПК они
были равны нулю, что обеспечивается при соблюдении требований,
указанных в табл. 7.3.
Таблица 7.3
Требования к переходным кривым
Номер требо- вания Характеристика Содержание требований
нпк КПК Переходная кривая
1 2 3 4 5
1 / у = Jsin ydl 0 J'o Не огра- ничива- ются Должны меняться непрерывно и монотонно. Абсолютные значения и градиенты их измерения по длине не должны выходить за допустимые значения
190
Окончание табл. 7.3
1 2 3 4 5
2 3 1 ср = ^kdl 0 *=’ р 0 0 Фо k-L R То же
4 5 dk dl d2k И2 0 0 0 0 То же, кроме требования «моно- тонно»
При этом принимается, что в пределах переходной кривой те-
кущее значение возвышения наружного рельса h должно быть про-
порционально текущему значению кривизны к, в том числе и в
конце переводной кривой:
h = Л0Л; Ао = h()/k0.
Первые три требования о недопустимости внезапных измене-
ний в НПК, КПК и на протяжении переходной кривой (рис. 7.13)
ординат у, углов поворота ф и кривизны к очевидны без объяснения.
Четвертым является требование криволинейности отвода воз-
вышения наружного рельса и перехода по касательной к положе-
нию наружной рельсовой нити — на прямой и круговой кривой.
Рис. 7.13. Схема положения переходной кривой
191
Рис. 7.14. Схема положения рельсовых ни-
тей на переходной кривой в профиле
На рис. 7.14 показаны рель-
совые нити,спроектирован-
ные на вертикальную плос-
кость в случае криволиней-
ности отвода.
Начало координат поме-
щено в НПК; по оси ординат
отложены текущие значения
возвышения h наружного рельса, по оси абсцисс — текущие длины /
переходной кривой. Текущий угол возвышения h обозначен через у.
При этом
dh л dk
Так как по условию в НПК и КПК tgy=0, то в этих точках должно
быть также ~^ = 0- Ограничение максимума угла у и интенсивности
его нарастания внутри интервала приводит к такому же требованию
в отношении , что и указано в четвертой строке табл. 7.3.
Пятое условие обеспечивает выполнение указанных ранее требо-
ваний в отношении дополнительных силовых факторов. Дополни-
тельные силы и моменты пропорциональны поступательным и уг-
ловым ускорениям, поэтому к тем и другим предъявляются одина-
ковые требования.
При движении по прямой ось колесной пары горизонтальна, а
при движении по круговой кривой колесная пара наклонена под уг-
лом а к горизонту. При движении по переходной кривой текущий
угол наклона оси колесной пары к горизонту у = sinig = h/St.
Из-за незначительности изменений ширины колеи в пределах
переходной кривой будем считать 5[ = const. При движении колес-
ной пары по переходной кривой ее наклон изменяется. Угловая ско-
рость изменения наклона равна:
1 dh
dt dt S}dt '
Скорость поступательного движения v = dl/dt\ отсюда dt = dl/v,
поэтому угловое ускорение при постоянной скорости v равно:
192
d\ _ Aov d dl _ Aov2 d2Jc
dt2 5, dt Sx dl2 '
Из этого выражения вытекает требование, чтобы угловые ускоре-
ния изменения наклона осей экипажей в НПК и КПК были равны
нулю, а на переходной кривой менялись непрерывно. Чтобы абсолют-
ные значения этих ускорений и градиенты изменений ускорений по
длине переходной кривой не выходили за допустимые значения, не-
обходимо эти же требования предъявить и ко второй производной
кривизны подлине переходной кривой, что и записано в виде пятого
условия в табл. 7.3.
Существует множество кривых, удовлетворяющих всем пяти ус-
ловиям табл. 7.3. Из этого множества следует выбрать такую кри-
вую, которая наилучшим образом будет удовлетворять требованиям
разбивки и содержания переходных кривых.
Порядок проектирования и нахождения уравнения переходной
кривой следующий. Задаются таким законом изменения d2k/dfi,
чтобы удовлетворялась пятая строка табл. 7.3. Например,
d2k _ . . I
—— = 5 sin 2 л—.
'о
Известно, что
/
Ф =
о
I I
х = Jcos фdl; у = Jsin qdl.
О о
(7.24)
Из выражений (7.24) могут быть определены координаты х и у
переходной кривой. Приняв за основу уравнение второй производ-
ной кривизны, найдем:
2л
1-cos 2л—
М
193
При / = 0 и / = /0 будут удовлетворены граничные требования чет-
вертой строки табл. 7.3. Далее
BL 7 I
к =—fl 1-cos 2л—dl
Ok ^0
2л
/ —— sin 2л—
2л Л
Из этого уравнения, помня, что при / = /0 кривизна к = к0 = 1/Я,
п 2л
получим В =---.
ч
Назовем параметром переходной кривой выражение
C=Rl0.
(7.25)
Тогда
Интегрируя это выражение в границах от 0 до /,
Если принять приближенно sincp «<р и coscp = 1, то
1 /3 /2
/-—sin 2л— ;
. 1о >
(7.26)
Выполнение всех пяти требований табл. 7.3 создает наилучшие
условия прохода подвижного состава по кривым, что особенно важ-
но при высоких скоростях движения. Кроме того, в этих случаях
требуются небольшие сдвижки круговых кривых для устройства пе-
реходных, что может оказаться нужным в стесненных местах. Од-
нако разбивка и содержание таких кривых требует на их началь-
ных частях значительно более высокой точности, чем при выпол-
нении только первых четырех и особенно первых трех условий.
Действительно, при выполнении всех требований переходная кри-
вая на значительном протяжении своей начальной части имеет не-
значительные ординаты. Например, при R = 1500 м, /0 = 40 м, на
длине / = 10 м у = 0,4 мм.
194
Несколько более интенсивный отход от прямой в начальной час-
ти будет при выполнении лишь четырех и особенно трех первых тре-
бований. На рис. 7.15 показаны: круговая кривая 7 радиуса R, не-
посредственно примыкающая в точке Т к прямой, и круговые
кривые 2, 3 и 4 тех же радиусов, но сопрягаемые с прямой переход-
ными кривыми одной и той же длины при выполнении всех пяти,
первых четырех и трех требований соответственно.
При выполнении лишь первых трех требований в формуле (7.26)
для у останется лишь первый член; выражение для у превратится в
уравнение кубической параболы:
= L (7.27)
6С 6С ’
При выполнении четырех условий, принимая
dk л . I . 1 (! М
— = —sin л—; к =— 1-COS71— ,
dl 2С l' 2R\ L
о \ оу
можно получить приближенную формулу в виде
I2 J
4Я 2я2И
И
l-cosn— .
Для обычных скоростей движения применяются переходные кри-
вые, спроектированные по трем первым условиям, при этом при-
меняется линейное изменение кривизны, а следовательно, и воз-
вышение наружного рельса, а невыполнение двух последних усло-
Рис. 7.15. Положение переходных кривых при использовании разного
количества условий проектирования
195
вий табл. 7.3 компенсируется надлежащим выбором длины переход-
ных кривых.
При этих условиях связь текущего возвышения и длины переход-
ной кривой имеет вид
Апк L LR г
-°-=-2-к = ±-=Ск=±
'оЛо Ло р р
l=ln — =L---------
О h ° А к к
П0 0 О (
Это уравнение радиоидальной спирали — клотоиды (рис. 7.16),
выраженное в натуральной системе координат (р и Z).
В декартовой системе это уравнение имеет вид
х3(. 2 х4 293х8
6С\ 35 с2 237000С4 J
(7.28)
Ряд в скобках быстро сходится. Во многих случаях достаточно
ограничиться первым членом ряда, тогда у определится по форму-
ле (7.27).
Таким образом, кубическая парабола в качестве переходной кри-
вой является первым приближением к радиоидальной спирали. Боль-
ше чем двумя членами ряда в уравнении (7.28) практически пользо-
ваться не приходится. Разность между точными и приближенно вы-
численными значениями координат даже для наиболее неблагопри-
ятного случая (конец переходной кривой) не должна превышать
допустимой неточности разбивки переходной кривой на местности.
Рис. 7.16. Радиоидальная спираль в декартовых координатах
196
Длины переходных кривых определяются рядом условий, кото-
рые можно разбить на следующие три группы.
Первая группа условий связана с отводом возвышения наружно-
го рельса в пределах переходной кривой: предотвращение схода ко-
лес с рельсов внутренней нити; ограничение вертикальной состав-
ляющей скорости подъема колеса на возвышение; ограничение ско-
рости нарастания непогашенной части центробежного ускорения.
Вторая группа условий связана с наличием зазоров между греб-
нями колес и рельсовыми нитями: потери кинетической энергии
при ударе колеса первой оси о рельс наружной нити; значение го-
ризонтальной составляющей ускорения свободного падения, появ-
ляющейся непосредственно перед точкой контакта колеса и боко-
вой гранью рельса, до которой экипаж движется прямолинейно (не
учитывая виляния); интенсивность нарастания этого ускорения;
значения внезапно появляющегося в этой точке центробежного ус-
корения.
Третья группа — необходимость обеспечения практической воз-
можности разбивки на местности переходной кривой и дальней-
шего исправного ее содержания.
Из этих условий наибольшей длины обычно требуют условия пер-
вой группы.
Предотвращение схода колес с рельсов внутренней нити дости-
гается при следующих условиях. Пусть тележка экипажа в начале
переходной кривой оказалась в положении, показанном на рис. 7.17.
В случае заклинивания рессор тележка будет опираться на рельсы
Рис. 7.17. Положение тележки экипажа в начале переходной кривой
197
двумя колесами одной крайней колесной пары жесткой базы и на-
ружным колесом другой крайней пары. Второе колесо этой пары,
катящееся по внутренней нити, окажется приподнятым в случае
прямолинейного отвода i на величину /£0, где — жесткая база
экипажа. Во избежание вползания гребня колеса, имеющего свес
т = 28 (30) мм над средним кругом катания, должно быть т > iL^.
Наиболее длинобазные трехосные тележки локомотивов имеют
Lq = 4,6 м. При т = 30 мм m/L$ = 0,0065. В этом случае должно
быть q< 6,5 %с.
Ограничение вертикальной составляющей скорости подъема
колеса на рельс (второе условие) обеспечивается следующим. При
очень малой длине переходной кривой экипаж проходит ее так
быстро, что взаимодействие колеса и рельса наружной нити в пре-
делах отвода возвышения приближается к ударному воздействию
(рис. 7.14). Для недопущения этого ограничивают вертикальную
составляющую скорости подъема колеса на рельс допустимой
- г dh г
величиной /, т. е. необходимо, чтобы —< f.
dt
i-p , dh u
Так как dt =—,то при максимальной скорости движения vmax
dl
dh ' г
будет v —< f.
J max jy J
гг - dh . .f
При прямолинейном отводе — = i, поэтому i<——.
dt v
max
Скорость подъема колеса по отводу возвышения наружного рельса
на железных дорогах РФ принимается /= 0,1 км/ч, что приводит ко
второму выражению для уклона отвода переходной кривой:
1
10v
max
(7.29)
По третьему условию, ограничивающему скорость нарастания
непогашенного горизонтального ускорения \|/, длина переходной
кривой должна удовлетворять условию:
а у
/о>-н_т-, (7.30)
где \|Г — скорость нарастания поперечного ускорения, м/с3.
198
Определив допускаемые значения уклонов отвода переходной
кривой по приведенным условиям и приняв наименьшее из них за
расчетное значение, находят необходимую длину переходной кри-
вой /0 при прямолинейном отводе возвышения:
/0=А (7.31)
о
Полученное значение /0 проверяют по выполнению условия (7.30).
Крутизна отвода возвышения должна быть не более < 1 %о при
скоростях до 140 км/ч, /0 < 0,67 %о при скоростях 141 — 160 км/ч и
z0 < 0,5 %о при скоростях движения 161—200 км/ч.
Длины переходных кривых находятся в границах от 20 до 180 м
с интервалами по 10 м и зависят от категории линии и скоростей
движения по кривым.
Разбивка переходных кривых. Элементы переходных кривых, не-
обходимые для их разбивки на местности, находятся в зависимости
от способа разбивки. Рассмотрим случай разбивки переходных кри-
вых способом сдвижки круговой кривой вовнутрь. В этом случае для
разбивки кривых по координатам необходимо знать (рис. 7.18)
сдвижку р круговой кривой и расстояние /п0 от НПК (точка А)
до тангенсного столбика То. Но для этого прежде всего находят
199
m — расстояние от начала переходной кривой до нового положения
тангенсного столбика Т, затем определяют сдвижку р, угол <р0 и все
ординаты кривой. Из рис. 7.18 видно, что
m = xQ — 7?sincp0;
Р = Jo - R0 -cos(Po) = З'о - 2J?sin2 у-
Тогда mQ=m +ptg 0/ 2.
Здесь х0 и у0 — координаты конца переходной кривой; угол ка-
сательной к кривой в той же точке с положительным направлени-
ем оси абсцисс равен <р0. В случае радиоидальной спирали
1 ' I /2
О 0 е
Для конца переходной кривой
/2 /
_ 'о
Ф°~2С-2Я’
Во многих случаях значения /п0 и р находят приблизительно,
имея в виду, что
sin(?o=(po=^;
. . 2 Ч’о ф02 /2
2sirr- = -**- =—
2 2 8Я2
хо =/о;
/3 /2
=2о_=2о_
0 6С 67?
(7.32)
Тогда /иЛ«—;
0 2
p.-!L.
24R
Возможность устройства переходных кривых длиной /0 при угле
поворота линии 0 определяется условием — длина круговой кри-
вой должна быть не меньше некоторого минимума Lmin:
200
Я(Р-2ф-)>L . .
r T0' min
(7.33)
При этом £min определяется условием размещения в ее преде-
лах полной колесной базы экипажа. Можно принять £min = 0, если
алгебраическая разность уклонов отводов возвышения наружного
рельса примыкающих друг к другу переходных кривых не будет
превышать максимально допустимого (но не использованного)
уклона отвода возвышения наружного рельса для каждой переход-
ной кривой.
7.2.4. Укороченные рельсы на внутренней нити
На железных дорогах РФ принято расположение стыков рельсов
противоположных нитей в одном створе (по наугольнику). В связи
с этим каждый рельс, лежащий по внутренней нити кривой, дол-
жен быть короче соответствующего рельса наружной нити, для чего
выпускаются рельсы с определенным укорочением. Рельсы длиной
25 м изготовляются для этого с укорочением 80 и 160 мм.
Для расчетов числа укороченных рельсов определим для кри-
вой произвольного очертания величину, на которую внутренняя
нить будет короче наружной на любом отрезке кривой (рис. 7.19).
Рассмотрим отрезок кривой между сечениями ЛА{ и ВВ^ заклю-
ченный в угле ф = ср2 ” 91-
Рис. 7.19. Расчетная схема определения укорочения внутренней рельсовой
нити в кривой
201
Длина дуги АВ по наружной нити
иАВ = J Рн^-
<₽!
Длина дуги Л| В\ по внутренней нити
<₽2
Ч>|
где р — текущее значение радиуса.
При этом укорочение внутренней нити составит
<Р2 Ф2 Ф2
s= fp/ф- Jp/<p= |(рн-рв)*/ф.
*₽1 ф, ф|
Но (рн — рв) = 5|, следовательно,
ф2
J 5^9 = 5](<р2-<?]) = (7.34)
<Р,
Из теории переходных кривых известно, что при описывании ее
кубической параболой,
/2
Ф =—•
2С
Для круговой кривой угол поворота
Здесь /к — любой отрезок круговой кривой.
Укорочение в пределах переходной кривой на расстоянии / от
НПК составит
с /2
Е, . (7.35)
п 2С
Полное укорочение на всей переходной кривой
SJ* s<ln
Е =-LO- = -Ll (7.36)
по 2С 2R
202
Укорочение на круговой кривой внутренней нити по сравнению
с наружной для любого отрезка /к согласно формуле (7.34)
5,/
<7-37)
Суммарное укорочение для двух переходных и круговой кривых
составит
5, /
% = 2% +£ =—L(/ 4-Z ).
^по "к р \ 0 к /
Количество укороченных рельсов на всей кривой
где — стандартное укорочение.
Потребные и фактически осуществляемые укорочения (ведя счет
от начала первой переходной кривой) подсчитывают для конца каж-
дого рельса. При этом укороченные рельсы укладывают так, чтобы
несовпадение стыков не превышало 0,5^. На каждой кривой пред-
почтительно применять один тип укорочения.
7.2.5. Уширение междупутных расстояний в кривых
Расстояние между осями путей на перегонах двухпутных линий
на прямых участках пути должно быть не менее 4100 мм, на мно-
гопутных линиях расстояние между осями на прямых должно быть
не менее 5000 мм, что улучшает безопасность работающих на мно-
гопутных линиях и снижает стесненность при производстве путе-
вых работ. Расстояние между осями смежных путей на станциях
на прямых участках должно быть не менее 4800 мм, на вторых пу-
тях и путях грузовых районов — не менее 4500 мм.
Расстояние между осями соседних путей на кривых увеличивают
на размер Ло, чтобы расстояние между смежными подвижными со-
ставами в свету нигде не было бы меньше аналогичного для прямых
участков. Уширение междупутья необходимо, так как концы эки-
пажей и их середины в кривых оказываются смещенными наружу и
в середину кривой соответственно. Кроме того, вследствие разных
скоростей движения по соседним путям, включая остановку поез-
да, идущего по наружному пути кривой, неодинакового поперечно-
го наклона экипажей из-за разного возвышения рельсов наружной
203
нити расстояния между экипажами могут дополнительно умень-
шиться. Поэтому величина уширения Лф является функцией от ра-
диуса кривой, возвышений наружных нитей.
Увеличение междупутья может осуществляться разными спо-
собами. Один из способов заключается в том, что междупутное
расстояние увеличивают с 4,1 м до 4,1 + Ао на прямых перед каж-
дой переходной кривой введением дополнительных 5-образных
кривых (рис. 7.20, а). Этот способ применяют редко, так как он
имеет крупный недостаток: на отодвигаемом пути появляется по
две кривые с каждой стороны основной кривой, хотя и большого
радиуса.
НПК_______
Рис. 7.20. Схемы увеличения расстояний между осями путей в кривых
на двухпутных линиях
Другой способ (способ разных сдвижек) состоит в том, что при-
меняют разные параметры С переходных кривых наружного и внут-
реннего путей. Переходную кривую наружного пути устраивают
обычным порядком, а параметр С переходной кривой внутреннего
пути подбирают таким образом, чтобы сдвижка внутренней круго-
вой кривой (рис. 7.20, б) Рв была равна сдвижке круговой кривой
наружного пути плюс т.е.
ИЧ (7.38)
204
Переходная кривая внутреннего пути получается больше наруж-
ного. Сдвижка пути
/2
р - ов
в 24/? ’
в
откуда
I =I24R Р . (7.39)
ОВ V в в ' 7
Поскольку Ръ = Рн + А^, окончательно получим
'О.=?Ч(^4)=4-9ЛЧ+Л> (7-40>
Параметр переходной кривой внутреннего пути
С =Rl . (7.41)
в в ов '
Для возможности разбивки кривой должно быть выдержано ус-
ловие (7.33) для внутреннего пути.
7.2.6. Рельсовая колея для высокоскоростных линий
При разработке нормативов рельсовой колеи для строительства
высокоскоростных железнодорожных линий РФ заложен следую-
щий основополагающий принцип: высокоскоростные специали-
зированные линии для пассажирских перевозок должны быть ин-
тегрированы в Трансъевропейскую высокоскоростную железнодо-
рожную систему.
Эти нормативы предусматривают ширину колеи 1520 мм.
Значения минимально допустимого радиуса кривых в плане для
различных интервалов скоростей движения поездов определяются
из условия:
— обеспечения непогашенного поперечного ускорения — не бо-
лее 0,4 м/с2;
— скорости нарастания непогашенного ускорения у — не более
0,4 м/с3;
- крутизны отвода возвышения наружной нити «/», которая дол-
жна быть в следующих интервалах скоростей движения поездов:
201—250 км/ч — не более 0,5 мм/м (0,5 %о);
251—300 км/ч — не более 0,45 мм/м (0,45 %о);
301—350 км/ч — не более 0,4 мм/м (0,40 %о);
351—400 км/ч — не более 0,37 мм/м (0,37 %о).
205
Величина непогашенного поперечного ускорения определена на
уровне буксы вагона с последующим пересчетом для оценки ком-
форта на уровне кузова вагона с учетом характеристик подвеши-
вания соответствующего типа подвижного состава. В требованиях
предусмотрено, что кузов вагона не имеет устройства принудитель-
ного наклона в кривой.
Величина минимального радиуса кривых в плане определяется
по формуле
12,5Г2
— тах
min h + a 163’
нп
где h — возвышение наружного рельса, мм;
Ипах ~ наибольшая скорость движения поезда по кривой, км/ч;
анп - непогашенное ускорение.
При максимально допустимом (расчетном) возвышении на-
ружного рельса Лр = 150 мм и величине непогашенного ускорения
анп = 0’4 м/с2 минимально допустимые значения радиусов кривых
в плане для граничных значений скоростей движения, следующие:
— для скорости 350 км/ч — 7200 м;
— для скорости 400 км/ч — 9400 м.
В табл. 7.4 приведены значения минимальных радиусов кривых
в плане в зависимости от величины возвышения наружного рельса
и для граничных значений скоростей движения поездов 350 км/ч и
400 км/ч без учета эксплуатационных требований.
Таблица 7.4
Значения минимальных радиусов кривых в плане в зависимости от величины
возвышения наружного рельса
1 Л, мм Значения Amjn (м) при величине непогашенного ускорения 0,4 м/с2
350 км/ч 400 км/ч
100 9400 12 000
но 8800 11 500
120 8400 10 900
130 7850 10 400
140 7500 9900
150 7200 9400
206
В трудных условиях при применении безбалластного верхнего
строения пути величина непогашенного ускорения может быть по-
вышена до 0,65 м/с2. Окончательное решение по величинам непога-
шенного ускорения рекомендуется принимать на основе технико-
экономического сравнения вариантов.
При выборе радиуса кривой с учетом эксплуатационных требова-
ний следует принимать значения из табл. 7.4 с уменьшением величи-
ны возвышения на 10 мм. Например: при расчетной величине возвы-
шения наружного рельса —150 мм следует принимать значения ради-
уса кривой в плане как для возвышения наружного рельса 140 мм:
— для скорости 350 км/ч — 7500 м;
— для скорости 400 км/ч — 9900 м.
Максимальная величина радиуса кривых в плане ограничивается
по условию возможности измерения стрел изгиба при текущем со-
держании пути и рекомендуется не более 35 000 м.
Округление расчетных значений радиуса кривых в плане — до 100 м
в большую сторону. Кривые должны иметь постоянное значение ра-
диуса на всем протяжении круговой кривой. Минимальная длина
круговых кривых должна быть не менее 200 м при скорости 350 км/ч
и 250 м — при скорости 400 км/ч. Длина прямых вставок между на-
чальными точками переходных кривых должна быть не менее 400 м.
Минимальное возвышение наружного рельса в кривых опреде-
ляется по формуле
И2
h . = 12,5-^-а 163,
ПИП R НП ’
где /zmin - минимальное необходимое возвышение наружного рельса в кривых (мм);
Илах “ максимальная установленная скорость движения (км/ч);
R - радиус кривой в плане (м);
яНГ1 — принятый максимальный уровень непогашенного ускорения (м/с2).
Максимальное значение возвышения при проектировании не
должно превышать 140 мм. Максимальное допустимое возвышение
наружного рельса в кривой в эксплуатации не должно превышать
150 мм.
Минимальные значения возвышения при анп = 0,4 м/с2 опреде-
ляется по формуле
207
Скорость нарастания непогашенного ускорения принимается не
более 0,4 м/с3, крутизна отвода возвышения — не более 0,4 мм/м.
Длина отвода возвышения проверяется по скорости подъема ко-
леса по отводу по следующей формуле:
hV
J — max
2 3,6/ ’
где Л2 - необходимая длина отвода по скорости подъема колеса (м);
h - возвышение наружного рельса (мм);
Илах- максимальная скорость движения (км/ч);
f - максимально допустимая скорость подъема колеса по отводу (мм/с).
Нормальная скорость подъема колеса по отводу составляет 28 мм/с,
максимальная — 45 мм/с.
Длина отвода кривизны определяется по формуле
а V
т __ нп max
3 3,6\|/
где анп — расчетное непогашенное ускорение в кривой (м/с2);
Итах- максимальная скорость движения (км/ч);
у — максимально допустимая скорость нарастания непогашенного уско-
рения.
При использовании на высокоскоростных магистралях подвиж-
ного состава с принудительным наклоном кузова величина возвы-
шения наружного рельса уменьшается на 28 мм на каждый градус
принудительного наклона кузова у поезда в соответствии с его кон-
струкцией.
Контрольные вопросы
1. Какие параметры характеризуют рельсовую колею в прямых и
кривых участках пути? Нормы и допуски содержания колеи.
2. Какова связь между параметрами рельсовой колеи и ходовых
частей подвижного состава?
3. Основные принципы установления значений минимальной
максимально допустимой ширины колеи.
4. Основные принципы определения величины уширения колеи
в кривых и радиусов, при которых это уширение устанавливается.
5. Принципы расчета требуемого возвышения наружной нити в
кривых; нормы возвышения.
208
6. Каковы причины, определяющие необходимость укладки пе-
реходных кривых? Принципы проектирования геометрии пере-
ходной кривой.
7. Принципы расчета длин переходных кривых; нормы длин ук-
ладываемых переходных кривых.
8. Причины, вызывающие необходимость уширения между-
путий в кривых и укладки укороченных рельсов по внутренней нити
звеньевого пути.
Глава 8. СОЕДИНЕНИЯ И ПЕРЕСЕЧЕНИЯ
РЕЛЬСОВЫХ ПУТЕЙ
8.1. Основные виды соединений и пересечений
рельсовых путей
8,1.1. Классификация соединений и пересечений рельсовых путей
Соединения и пересечения рельсовых путей — это устройства верх-
него строения пути, которые служат для перемещения по ним поезда
или отдельных экипажей с одного рельсового пути на другие, а также
для пересечения путей в одном уровне.
Соединения и пересечения рельсовых путей классифицируются по
количеству и расположению в плане соединяемых или пересекающихся
путей; типам рельсов, из которых соединения путей изготовлены; уг-
лам отклонения путей (маркам); применяемой конструкции.
По количеству и расположению в плане соединяемых и пересека-
ющихся путей в зависимости от назначения соединения и типа пере-
сечения могут быть представлены следующими видами: одиночные
стрелочные переводы; двойные стрелочные переводы (тройники); глу-
хие пересечения; перекрестные стрелочные переводы; съезды; стре-
лочные улицы и сплетения путей.
Основанием стрелочных переводов служат переводные брусья (де-
ревянные, железобетонные или металлические), аналогичные деревян-
ным железобетонным или металлическим шпалам, но отличающиеся
от них по длине. На высокоскоростных линиях в качестве основания
стрелочных переводов могут использоваться специальные железобе-
тонные плиты или монолитные железобетонные конструкции.
Наибольшее распространение на железных дорогах имеют одиноч-
ные стрелочные переводы.
8.1.2. Одиночные стрелочные переводы
Одиночные стрелочные переводы по геометрическим формам в пла-
не разделяются на обыкновенные стрелочные переводы (рис. 8.1, а),
210
Рис. 8.1. Схемы одиночных стрелочных переводов:
а — обыкновенный; б — симметричный; в — разносторонний несимметрич-
ный; г — несимметричный односторонней кривизны
симметричные (рис. 8.1, б), разносторонние несимметричные
(рис. 8.L в) и несимметричные односторонней кривизны (рис. 8.1, г).
Одиночные обыкновенные стрелочные переводы являются ос-
новным видом как среди одиночных стрелочных переводов, так и в
системе многих других видов соединений и пересечений рельсовых
путей. Они имеют господствующее распространение на всех желез-
ных дорогах мира.
Основными элементами современного одиночного обыкновен-
ного стрелочного перевода (рис. 8.2) являются: стрелка с перевод-
Рис. 8.2. Основные конструктивные элементы одиночного обыкновенного
стрелочного перевода:
/ — переводной механизм; 2 — рамный рельс; 3 — острие остряка; 4— остряк;
5 — корень остряка; 6 — усовик; 7— сердечник; 8~ крестовина с контррельсами;
С — математический центр крестовины; R — радиус переводной кривой
211
ным механизмом, крестовина с контррельсами (крестовинная часть),
соединительные пути, переводные брусья или другое подрельсовое
основание.
Стрелка современного стрелочного перевода состоит из двух
рамных рельсов, двух остряков, двух комплектов корневых уст-
ройств, переводного механизма с внешними замыкателями остря-
ков, опорных и упорных приспособлений, противоугонных уст-
ройств, скреплений и других деталей.
Крестовинная часть стрелочных переводов состоит из собствен-
но крестовины (сердечник и два усовика), переднего и заднего
стыковых устройств крестовины, двух контррельсов, лежащих
против крестовины, опорных приспособлений, скреплений и дру-
гих деталей.
Схема одиночного обыкновенного стрелочного перевода пока-
зана на рис. 8.3. Тангенс угла а крестовины называется маркой крес-
Рис. 8.3. Схема одиночного обыкновенного стрелочного перевода:
Ц — центр стрелочного перевода; С — математический центр крестовины; Г —
горло крестовины; Ln и Лт — соответственно практическая и теоретическая
длины стрелочного перевода; а — угол крестовины; 0Н — начальный стрелоч-
ный угол; т| — засечка остряка секущего типа; R^ и R2 — радиусы стрелочной
кривой; и bQ — разбивочные размеры; и т2 — передний и задний вылеты
рамного рельса; /и0 — расстояние от острия остряка до вершины стрелочной
кривой; d — расстояние от математического центра крестовины до конца пере-
водной кривой; h и р — соответственно передний и задний вылет крестовины;
К — расстояние от заднего стыка до середины контррельса
212
товины и стрелочного перевода и обозначается 1/N, где N — число
марки. На магистральных железных дорогах России применяют
переводы следующих марок. На главных и приемо-отправочных пу-
тях — не круче 1/11, а перекрестные переводы, равно как и одиноч-
ные, являющиеся продолжением перекрестных, — не круче 1/9. На
главных и приемо-отправочных путях, по которым пассажирские
поезда проходят только по прямому пути, могут быть использованы
стрелочные переводы марки 1/9. На приемо-отправочных путях гру-
зового движения и прочих путях применяются стрелочные перево-
ды не круче 1/9, а симметричные — не круче 1/6.
Центром (Ц) стрелочного перевода (см. рис. 8.3) называется точ-
ка пересечения осей основного и ответвленного (бокового) путей.
Математическим центром или математическим острием острой
крестовины (Q называется точка пересечения продолжения ра-
бочих кантов сердечника крестовины. Практическое острие, кото-
рым заканчивается сердечник, имеет ширину 9—12 мм. Горлом кре-
стовины (Г) называют сечение, в котором расстояние между рабо-
чими кантами усовиков минимально. Промежуток от горла до
практического острия крестовины, на котором гребни колес не на-
правляются рельсовыми нитями, называется вредным простран-
ством. Направление колес на этом участке осуществляется контр-
рельсами, являющимися поэтому непременным дополнением к кре-
стовине. На линиях скоростного и высокоскоростного движения
применяются крестовины, не имеющие вредного пространства — с
непрерывной поверхностью катания, которая образуется за счет по-
движного сердечника крестовины, перемещающегося с помощью
специального переводного механизма, работающего совместно с пе-
реводным механизмом стрелки. В конструкции таких стрелочных
переводов контррельсы не используются.
По форме в плане крестовины обыкновенных стрелочных пере-
водов могут быть прямолинейные или криволинейные. Прямоли-
нейные крестовины имеют наибольшее распространение из-за
своей относительной простоты и универсальности. Преимущество
прямолинейных крестовин заключается в том, что для правых и ле-
вых стрелочных переводов используются одни и те же крестовины.
При применении прямолинейных крестовин переводная кривая дол-
жна заканчиваться перед крестовиной (точка на расстоянии Jot ма-
тематического центра крестовины, см. рис. 8.3). Это заставляет при
213
проектировании обыкновенных стрелочных переводов использовать
геометрические схемы с переводными кривыми относительно не-
больших радиусов, что ограничивает допускаемые скорости движе-
ния поездов на боковой путь стрелочного перевода.
Повысить допускаемые скорости движения поездов на боковой
путь обыкновенных стрелочных переводов позволяет применение в
их конструкции криволинейных крестовин. В обыкновенном стре-
лочном переводе криволинейная крестовина имеет криволинейное
очертание по боковому пути (как продолжение переводной кривой).
При одной и той же длине стрелочного перевода криволинейные
крестовины дают возможность увеличить радиус переводной кри-
вой (например, с 200 до 275 м при марке 1/9). Благодаря этому ско-
рости движения поездов на боковой путь по обыкновенным стре-
лочным переводам с криволинейными крестовинами можно повы-
сить. Например, в переводе марки 1/9 увеличение радиуса перевод-
ной кривой с 200 до 275 м позволяет увеличить скорости движения
на боковое направление с 25 км/ч до 40 км/ч. Однако устройство
криволинейных крестовин сложнее, чем прямолинейных. Кроме
того, необходимо иметь отдельно крестовины с правым и левым
криволинейным рабочим кантом, а для симметричных переводов —
с двумя криволинейными кантами.
В криволинейной крестовине маркой называется тангенс угла
между касательными к ее рабочим кантам в ее конце. Расстояния от
центра стрелочного перевода до острия остряков (я0) и до матема-
тического острия крестовины (/>0) (см. рис. 8.3) определяют положе-
ние стрелочного перевода в пути. Они называются разбивочными
размерами и используются при расчете укладки стрелочного перево-
да в путь. Теоретической длиной £т одиночного обыкновенного
стрелочного перевода называется расстояние, измеренное по на-
правлению основного пути от острия остряка до математическо-
го центра острой крестовины, а полной (практической) длиной Ln —
расстояние от переднего стыка рамных рельсов до конца крестови-
ны. При этом £п = £т + тх + р. Здесь тх — передний вылет рамного
рельса по отношению к острию остряка; т^ — задний вылет рамного
рельса относительно корня остряка; р — хвостовой вылет крестови-
ны (расстояние от математического центра крестовины до ее хвос-
тового торца); передний вылет крестовины h — расстояние от ее на-
чала в переднем стыке до ее математического центра.
214
По теоретической длине перевода и марке его крестовины мож-
но определить разбивочные размеры (см. рис. 8.3): Z>0 = 5/(2 tg(a/2));
= £т — Z>0, где S — ширина колеи.
<?. 73. Глухие пересечения
Глухие пересечения предназначены для обеспечения возможнос-
ти пересечения рельсовых путей в одном уровне. Преимуществом
таких конструкций является возможность устройства недорогих
компактных пересечений путей без строительства специальных
эстакад и путепроводов. Недостаток глухих пересечений - относи-
тельно невысокие скорости движения поездов по ним и необходи-
мость специальных мер для предотвращения возможных столкно-
вений поездов при проходе по путям, примыкающим к глухому пе-
ресечению или непосредственно по нему. Глухие пересечения при-
меняются на станциях и на путях промышленных предприятий. Из-за
недостатков глухих пересечений, связанных с обеспечением безо-
пасности движения поездов, применение этих конструкций на ма-
гистральном железнодорожном транспорте ограничено. Их, как пра-
вило, применяют там, где необходимо обеспечить пересечение пу-
тей в пределах небольших территорий.
В зависимости от угла, под которым пересекаются рельсовые
пути, глухие пересечения подразделяются на прямоугольные и ко-
соугольные.
Прямоугольные глухие пересечения различаются:
— по ширине колеи пересекающихся путей (с разной шириной
колеи и с одинаковой шириной колеи);
— по конструкции крестовин (цельнолитые, с цельнолитыми кре-
стовинами, со сборными крестовинами типа общей отливки сер-
дечника и изнашиваемой части усовика).
Прямоугольное глухое пересечение (рис. 8.4) состоит из четырех
крестовин /, четырех контррельсов 2, одного замкнутого по конту-
ру контррельса 3 и более мелких деталей. В глухих пересечениях про-
ход колесом разрыва рельсовой нити может сопровождаться резким
вертикальным ударом. Для его предотвращения в сборных кресто-
винах в желоб между рельсом и контррельсом помещают иногда
вкладыш, по которому катится гребень колеса. Концам вкладыша
придается продольный уклон в 0,01—0,25 для обеспечения более
плавной (в вертикальной плоскости) траектории движения колеса.
215
a
б
Рис. 8.4. Прямоугольное глухое пересечение:
а — схема; б — глухое пересечение в пути
Прямоугольные глухие пересечения для путей с шириной колеи
1520 мм типа Р50 и с шириной колеи 1524 мм типов Р50 и Р43 име-
ют цельнолитые крестовины; в большинстве случаев укладываются
на деревянные брусья.
216
Косоугольные глухие пересечения путей также бывают двух ви-
дов: с одинаковой шириной колеи и с разной шириной колеи. На
магистральных железных дорогах применяются в основном косо-
угольные глухие пересечения двух прямолинейных путей с одина-
ковой шириной колеи.
Косоугольное глухое пересечение (рис. 8.5) состоит из двух ост-
рых крестовин, двух тупых крестовин, рельсов и переводных брусь-
ев. Геометрическая основа такого глухого пересечения — ромб с вер-
шинами Ок, 7, Ок, 5. Основными геометрическими характеристика-
ми глухого пересечения являются:
А — большая диагональ ромба глухого пересечения — расстояние
Ок-Ок,
В — малая диагональ ромба глухого пересечения — расстояние
7-5;
С — сторона ромба глухого пересечения — расстояние Ок— 7, из-
меренное по рабочей грани рельса, усовика л0 и сердечника т\
Ln — полная или практическая длина глухого пересечения;
я, w, л0, — размеры крестовин.
Угол крестовин у принимается в зависимости от назначения глу-
хого косоугольного пересечения, а именно:
— для глухого косоугольного пересечения, предназначенного слу-
жить как самостоятельное устройство, как правило, у принимают
равным 75, 60, 45, 30° и 2а, где а — угол крестовины одиночного
обыкновенного стрелочного перевода;
Л/2
Рис. 8.5. Схема косоугольного (ромбического) глухого пересечения
217
— для глухого косоугольного пересечения, предназначенного для
укладки в перекрестный съезд, у принимается равным 2у; в этих
случаях тупые и острые крестовины глухого косоугольного пересе-
чения характеризуются марками 2/7V и называются двойными. Это
позволяет формировать перекрестный съезд в виде комбинации глу-
хого пересечения марки 2/N и четырех обыкновенных стрелочных
перводов марки N. В случае недостаточного размера междупутья при
таком выборе угла острых крестовин глухого пересечения в конст-
рукции перекрестного съезда могут использоваться крестовины,
контррельсы, остряки и другие элементы обыкновенного стрелоч-
ного перевода марки N, чтобы обеспечить удобный доступ при экс-
плуатации в решении вопросов замены износившихся деталей глу-
хого пересечения.
В отдельных случаях угол у принимается равным углу а кресто-
вины одиночного обыкновенного стрелочного перевода, что позво-
ляет в составе глухого пересечения использовать крестовины оди-
ночного обыкновенного стрелочного перевода с таким же углом
крестовины, унифицируя конструкции и упрощая замену элемен-
тов при эксплуатации пути.
Острые крестовины глухого косоугольного пересечения в конст-
руктивном отношении отличаются от крестовин одиночных обык-
новенных или симметричных стрелочных переводов лишь размера-
ми, обусловленными значением угла у. Поэтому конструирование и
расчет их производятся так же, как и конструирование и расчет
крестовин одиночных обыкновенных и симметричных стрелочных
переводов. (При одинаковых углах у, как уже было сказано выше,
могут использоваться одни и те же крестовины.)
Тупые крестовины глухого косоугольного пересечения принци-
пиально отличаются от острых крестовин. Это отличие заключает-
ся в том, что в тупой крестовине угол у может быть равным углу а
(углу крестовины обыкновенного стрелочного перевода), 2а и боль-
ше 2а. Кроме того, в тупой крестовине имеются два сердечника /,
а контррельс 2 является составной частью крестовины и повышен
относительно поверхности катания рельсов (рис. 8.6).
При марках тупых крестовин 1/6 и круче, вредное пространство
перекрывается нижней частью колеса. То есть при таких углах кре-
стовины размер вредного пространства не велик, и свисающий в
желоб крестовины гребень колеса не может занимать положения,
218
Рис. 8.6. Сборная тупая крестовина с литым сердечником:
I — сердечник; 2 — контррельс; 3 — усовик
при котором он не будет направляться ни усовиком, ни сердечни-
ком. При марке крестовин 1/4,5 и круче повышение контррельса
вообще не требуется.
Наличие неперекрытия ограничивает применение крестовин ма-
рок 1/9 и положе. Такие тупые крестовины следует делать с под-
вижным сердечником во избежание схода порожних или малозаг-
руженных вагонов, который характерен для путей надвига этих ва-
гонов на сортировочные горки. При надвиге вагонов на сортиро-
вочные горки и в других случаях неравномерного движения (толчки,
торможения) возникают перекосы тележек, и при наличии непе-
рекрытого вредного пространства колеса попадают в желоб друго-
го направления, что неизбежно приводит к их сходу с поверхности
катания.
Для предотвращения сходов порожних и малозагруженных ваго-
нов при проходе тупых крестовин изготовляются и укладываются в
путь тупые крестовины с подвижными сердечниками-остряками глу-
хих пересечений перекрестных стрелочных переводов (рис. 8.7). При
подготовке заданного маршрута движения соответствующий сердеч-
ник-остряк (позиция 3 на рис. 8.7) переводным механизмом при-
жимается к усовику (позиция 2 на рис. 8.7), создавая непрерывную
219
Рис. 8.7. Тупая крестовина с подвижным сердечником:
1 — наружный рельс перекрестного стрелочного перевода; 2— усовик; 3 — сер-
дечник-остряк; 4 — внутренний рельс перекрестного стрелочного перевода
поверхность катания. В этой конструкции неподвижные сердечни-
ки заменяются двумя подвижными сердечниками-остряками, вы-
полненными из остряковых рельсов пониженного профиля, а вме-
сто рельсового усовика сделан массивный литой усовик из высоко-
марганцовистой стали. В корневой части подвижные сердечники-
остряки выпрессованы и оформлены по типу корневого устройства
вкладышно-накладочного типа.
На линиях, где предусматривается безостановочный пропуск по-
ездов, укладка вновь перекрестных стрелочных переводов и глухих
пересечений в главные пути станций, а также укладка стрелочных
переводов в главные пути на кривых допускается только в случаях,
не вызывающих ограничения установленных скоростей движения
поездов.
220
8.1.4. Перекрестные стрелочные переводы
Перекрестный стрелочный перевод (рис. 8.8) представляет собой
комбинацию укладки глухого косоугольного пересечения и элемен-
тов одиночных стрелочных переводов, позволяющих движение по-
ездов по четырем направлениям. Такой перевод заменяет собой сис-
тему, состоящую из двух обыкновенных стрелочных переводов. При
этом длина перекрестного перевода почти в два раза меньше длины,
занятой двумя обыкновенными стрелочными переводами. Поэтому
такие переводы выгодны в стесненных условиях, особенно на тупи-
ковых пассажирских станциях.
Основными разбивочными размерами двойных перекрестных
стрелочных переводов являются диагонали ромба (позиции А и В), в
вершинах которого расположены математические центры тупых и
острых крестовин стрелочного перевода.
Недостатком таких стрелочных переводов является сложность
конструкции и необходимость ограничения скоростей движения по
ним. Кроме того, при неподвижных сердечниках тупых крестовин
All
Рис. 8.8. Схема двойного перекрестного стрелочного перевода:
£п — полная длина стрелочного перевода; А и В — большая и малая диагонали
ромба; ОК| и Ок2 — математические центры острой и тупой крестовин соответ-
ственно; С — сторона ромба; и — передний и задний вылеты острой крес-
товины; / — расстояние от математического острия острой крестовины до ост-
рия остряка, расположенного внутри ромба; п — расстояние от математического
острия тупой крестовины до корня остряка, расположенного внутри ромба; т —
расстояние от математического острия тупой крестовины до ее заднего стыка
221
не полностью перекрывается контррельсами их вредное простран-
ство, что может вызывать сход колес подвижного состава, если дви-
жение его будет неплавным.
Перекрестный стрелочный перевод состоит из двух острых крес-
товин с контррельсами, двух тупых крестовин с контррельсами, че-
тырех пар остряков, соединительных рельсов и переводных брусьев.
8.1.5. Съезды, сплетения путей, стрелочные улицы
Съезды представляют собой соединение двух близлежащих рель-
совых путей посредством стрелочных переводов, а иногда и глу-
хих пересечений. Различают следующие виды съездов: нормаль-
ный между двумя прямыми параллельными путями; сокращенный
между двумя прямыми параллельными путями; нормальный пере-
крестный между двумя прямыми параллельными путями; сокра-
щенный перекрестный между двумя прямыми параллельными пу-
тями; одиночный между двумя прямыми непараллельными путя-
ми; одиночный между двумя криволинейными путями.
Последние два вида съездов могут быть и перекрестными.
Нормальный съезд между двумя прямыми параллельными путями
представляет собой соединение путей посредством двух обыкновен-
ных стрелочных переводов одной марки и одного типа.
Для определения элементов съезда (рис. 8.9), необходимых при
его разбивке и укладке, известными должны быть: расстояние меж-
ду осями соединяемых путей Е. угол крестовины а, осевые размеры
Рис. 8.9. Схема нормального съезда между двумя параллельными путями
222
а и b. Зная эти данные, необходимо: проверить возможность уклад-
ки такого съезда в зависимости от расстояния Е, определить рассто-
яние хнс между центрами стрелочных переводов, определить прак-
тическую длину съезда Енс.
= х„Р + 2а.
rtC rlU
Из уравнений проекций съезда на горизонталь имеем:
хнс = E/tga = EN.
Возможность укладки стрелочных переводов в съезде проверя-
ется размером /0 — расстоянием между хвостовыми торцами крес-
товин двух переводов. Величину /0 можно определить из проекции
съезда на вертикаль: /0 = (E/sina) - 2b. Если /0 = 0, то укладка воз-
можна; если /0 больше нуля на величину менее 4,5 м, то следует рель-
сы, лежащие на нити бокового пути крестовины, взять длиной,
большей на величину /0; если /0 > 4,5 м, то следует между хвостовы-
ми частями крестовин и рельсами бокового пути стрелочных пере-
водов уложить рельсовые рубки. Если /0 < 0, то уложить стрелоч-
ные переводы в нормальный съезд не удастся из-за невозможности
укладки контррельсов по боковому пути.
Сокращенные съезды между двумя прямыми параллельными пу-
тями обычно используют при больших междупутьях Е (обычно
больше 7 м), для того чтобы получить наименьшие величины хсс и
£сс (рис. 8.10). Достигается это тем, что между хвостовыми торца-
Рис. 8.10. Расчетная схема сокращенного съезда между двумя параллельными
путями
223
ми крестовин укладывают две обратные кривые, разделенные пря-
мой вставкой /0. На рис. 8.10 видно значительное укорочение хсс и
Lcc при сокращенном съезде по сравнению с хнс и £нс при нормаль-
ном съезде.
При определении элементов для разбивки этого сокращенного
съезда должны быть известны следующие характеристики стрелоч-
ных переводов: a, b, a, R (радиусы кривых, расположенных на пере-
ходе между стрелочными переводами), Е, /0 (принимается обычно
не менее 10 м).
Так же как и для нормального съезда, эти величины определяют-
ся из уравнений проекций съезда на вертикальную и горизонталь-
ную оси.
Съезды между непараллельными путями. При непараллельных пу-
тях на пути, соединяющем переводы съезда, вводится сопрягающая
кривая — одна или две, в зависимости от расстояния между осями
путей в начале съезда. Для расчета укладки съезда с одной сопряга-
ющей кривой (рис. 8.11) исходными данными служат разбивочные
размеры стрелочных переводов, угол наклона (непараллельность)
путей 0, радиус сопрягающей кривой R и расстояние между осями
путей против переднего стыка первой стрелки 5С. Расчетная и пол-
ная длина съезда, положение второго стрелочного перевода и перед-
Рис. 8.11. Съезд между непараллельными путями с одной сопрягающей
кривой на соединительном пути
224
него стыка его рамных рельсов находятся через уравнения проекций
контура съезда на его оси.
Начало сопрягающей кривой располагают на расстоянии К от
центра первого стрелочного перевода так, чтобы обеспечить мини-
мально необходимую длину прямой вставки между переводной и
сопрягающей кривыми. Расстояние от центра первого перевода до
середины сопрягающей кривой Р= К + Atg((2/2). Расстояние от се-
редины сопрягающей кривой до центра второго перевода D нахо-
дится из проекции на вертикальную ось:
Psina + ZJsiny = 5С + (М + Pcosa + D cosy) tg£Z
Расчетная Lp и практическая длина съезда Лп определятся из
проекции на горизонтальную ось:
Ар = Pcosa-Z)cosy =Р0 + Z)o;
Лп = £р + Л/(1 + cos Q),
Положение центра и переднего стыка второго перевода находят
из проекции на вертикальную ось:
Н = Psina + D siny; Н{ = Н + A/sinQ.
Для расчета укладки съезда с двумя сопрягающими кривыми
(рис. 8.12) исходными данными служат разбивочные размеры стре-
лочных переводов, угол наклона (непараллельность) путей Q, ради-
усы сопрягающих кривых /?| и /?2 и расстояние между осями путей
против переднего стыка первой стрелки 5С. Расчет укладки съезда
аналогичен расчету укладки съезда с одной сопрягающей кривой.
Дополнительными величинами, которые необходимо определить в
ходе расчета, являются координаты вершин углов сопрягающих кри-
вых у 2 И
Нормальный перекрестный съезд марки 2/N между двумя прямы-
ми параллельными путями (рис. 8.13) имеет четыре комплекта стре-
лок, четыре острых крестовины марки \/N, две острые крестовины
марки 2//V, две тупые крестовины марки 2/N.
Для расчета разбивки и укладки такого съезда должны быть из-
вестны все размеры одиночных обыкновенных стрелочных перево-
дов марки \/N, длины рельсов перевода, междупутное расстояние
£, конструкция и размеры глухого пересечения марки 2/N.
Основные размеры ромба глухого пересечения марки 2//Убудут
следующими:
225
Рис. 8.12. Съезд между непараллельными путями с двумя сопрягающими
кривыми:
5С и Н— расстояния между осями путей в местах расположения центров перво-
го и второго стрелочных переводов; А и В — центры сопрягающих кривых /?|
и R2; Т — расстояние между центрами сопрягающих кривых
5П
— большая ось — диагональ ромба 6-6 = А = ——;
sin а
— малая ось ромба 5-5 = В = ——;
cos а
— сторона ромба С = ——;
sin 2а
А
— осевой размер U = т^ + ycosa.
Острые крестовины глухого пересечения съезда марки 2/N с уг-
лом 2a проектируют так же, как острые крестовины одиночного
обыкновенного перевода. Однако окончательное решение о длинах
усовиков острых крестовин марки 2/У и обыкновенных переводов
марки 1//V необходимо принимать после определения всех разме-
ров перекрестного съезда, так как при малых междупутных рассто-
яниях эти усовики приходится удлинять. Дело в том, что при малых
226
D
Рис. 8.13. Схема нормального перекрестного съезда между параллельными
путями:
О]—О4 — центры стрелочных переводов; 1—6 — крестовины стрелочных пере-
водов и глухого пересечения; 5— 5 и 6—6 — диагонали ромба
междупутных расстояниях расположение острых крестовин обык-
новенного перевода и глухого пересечения друг против друга (на-
пример, крестовин 7, 3 и 6) таково, что внутренние усовики кресто-
вин ] и 3 должны служить контррельсами крестовины 6, а усовики
крестовины 6 — контррельсами крестовин 1 и 3. Для этого эти усо-
вики делают удлиненными.
Тупые крестовины съездов рассчитывают так же, как и тупые
крестовины косоугольных глухих пересечений. Следует лишь по-
мнить, что в данном случае угол крестовины у = 2а.
При компоновке эпюры всего перекрестного съезда, прежде всего
перераспределяют переводные брусья под крестовинами марки 1/7V.
Глухое пересечение съезда укладывается обычно на отдельных пе-
реводных брусьях. В тех местах, где брусья уже могут подходить
своими концами одного прямого направления к концам брусьев
другого направления, их укладывают впритык. При этом в зависи-
мости от размера Е укладку можно комбинировать из различных
брусьев стандартной длины так, чтобы один брус служил продол-
жением другого, а их стыки располагались в шахматном порядке.
227
Рис. 8.14. Сплетение путей
Сплетение путей, схематично изображенное на рис. 8.14, пред-
ставляет собой совмещение двух путей, при котором в местах пере-
сечения рельсовых нитей сплетаемых путей укладываются кресто-
вины, а рельсовые нити на длине сплетения размещаются на общих
поперечинах. К сплетению путей прибегают обычно в случаях вы-
полнения сложных и длительных работ по реконструкции пули или
искусственного сооружения на одном из путей двухпутного участка.
С целью упрощения расчета и разбивки такого устройства оба
его конца устраивают симметрично относительно поперечной оси
АВ. Вся длина сплетения £спл = £+ 2£к. Производственными усло-
виями L определяется по длине участка, необходимой для выпол-
нения работ; определяется расчетом следующим образом. Для
решения поставленной задачи должны быть известны: S() — шири-
на колеи; Е— ширина междупутья; размеры крестовины п, т и угол а,
а также размер d (рис. 8.15) — расстояние между рабочими гранями
Рис. 8.15. Схема для определения размеров сплетений путей
228
близлежащих рельсов и радиус Определению подлежат: Л2,
если принято значение К, или К, если принято значение /?2 и ве"
личина LK.
Как видно на рис. 8.15 (сечение А— А) приу2 = j\
d = br + 2/| + С| + С) -и 3 мм,
где Ьт— ширина головки рельса;
С] — расстояние от подошвы рельса до внутреннего конца подкладки;
С2 — расстояние от подошвы рельса до внешнего конца подкладки.
Размер J определяется следующим образом
В Ь В -Ь
j ___п__г_ _ п г
2 2 2 '
где Вп - ширина подошвы рельса;
— ширина головки.
Проектируя контур MBCD на вертикальную ось (см. рис. 8.15),
будем иметь
(7?l — 50)(1 — cosa) +/i sina 4- /?2(1 — cosa) = Е - d.
Если заранее принята величина К, то из этого выражения вели-
чина радиуса
g-rf-Ksinq
1 -cosa
Если же заранее известна величина /?7, то из предыдущих зависи-
мостей находится значение К:
E-d-(R^ -50)(l -cosa)- /?2 (1 -cosa)
К ------------------------------.
sin a
При этом во всех случаях прямая К между обратными кривыми
не должна быть меньше длины крестовины, т.е. > п + т.
Длина LK находится как проекция контура МВСЬпъ горизонталь:
LK = (R^-Sq) sina + A"cosa + /?2 sina.
Стрелочной улицей называется путь, на котором расположен ряд
стрелочных переводов, а иногда и глухих пересечений.
По назначению стрелочные улицы разделяются на две катего-
рии: I категория включает в себя оконечные стрелочные улицы, рас-
положенные в конце или в начале парка (рис. 8.16 и 8.17); II катего-
рия включает в себя промежуточные или срединные стрелочные ули-
цы, обычно пересекающие парк (рис. 8.18).
229
Рис. 8.16. Схема оконечной стрелочной улицы с ответвлениями в одну
сторону от основного пути
Рис. 8.17. Схема оконечной улицы, расположенной под углом а
к основному пути
Рис. 8.18. Схема промежуточной или срединной стрелочной улицы
230
По геометрическим формам в плане стрелочные улицы каждой
указанной категории в свою очередь подразделяются на следующие
три группы: П — прямолинейные стрелочные улицы, у которых оси
прямые; Л — ломаные стрелочные улицы, у которых оси — ломаные
прямые; С — смешанные стрелочные улицы, у которых оси состоят
из прямолинейных и криволинейных элементов.
При выборе стрелочной улицы необходимо руководствоваться
тем, чтобы рационально принятая стрелочная улица обеспечивала:
безопасное движение поездов с установленной скоростью; наи-
меньшие пробеги подвижного состава при его маневрировании; про-
стоту в устройстве и содержании; возможность переустройства и раз-
вития станции; наименьшие расходы по устройству и содержанию.
Для сравнения вариантов стрелочных улиц по дополнительным
потерям силы тяги или по дополнительному сопротивлению движе-
нию поезда по стрелочным улицам можно пользоваться выражением
и> ~ nw+n’wn,
Дел1
где п — число переводов, которые проходит поезд по улице;
wc — дополнительное удельное сопротивление движению поезда только от
стрелок, когда остряки поставлены в переводах на ответвление;
— дополнительное удельное сопротивление движению поезда от кривой;
п' — число кривых (переводные и сопрягающие), которые проходит под-
вижной состав по рассматриваемой улице.
8.2. Конструкция стрелок
8.2.1. Виды остряков, их корневые крепления
Стрелка наиболее часто применяемого обыкновенного стрелоч-
ного перевода состоит из следующих частей (см. рис. 8.2): двух рам-
ных рельсов (рельсов, имеющих специальную обработку и обеспе-
чивающих совместно с остряками возможность изменения направ-
ления движения экипажей по стрелочному переводу); двух ост-
ряков; двух комплектов корневых устройств; комплекта переводно-
го механизма с внешними замыкателями или без них; опорных и
упорных устройств; стрелочных тяг и других более мелких деталей.
Стрелки могут отличаться друг от друга остряками, рамными рель-
сами, креплением рамных рельсов к опорам, конструкцией перевод-
ного устройства. Кроме этих основных признаков могут быть и второ-
степенные отличия, например, в конструкциях поперечных связей
231
между рамными рельсами, в конструкциях упорных устройств для
остряков, поперечных связей между остряками, специальных стре-
лочных подкладок, устройствах крепления электроприводов.
Остряки стрелок имеют остроганную часть. Передний, острый
конец остряка называется острием, а задний — корнем (рис. 8.19).
Остряки бывают прямые и криволинейные. Достоинством послед-
них является их примыкание к рамным рельсам под меньшим уг-
лом. Это улучшает условия входа экипажей на боковое направле-
ние, а также дает возможность некоторого уменьшения длины стре-
лочного перевода.
В стрелках с прямолинейными остряками угол [3 (см. рис. 8.19, а).
образованный рабочими гранями остряка и рамного рельса, назы-
вается стрелочным углом. Преимуществом таких стрелок считается
возможность применения обоих остряков как для правосторонней,
так и для левосторонней стрелки. Однако эти стрелки имеют срав-
нительно большой угол удара колес в остряк, ухудшающий условие
входа экипажей на ответвленный путь, поэтому для магистральных
железных дорог не изготавливаются.
Криволинейные остряки могут быть касательного и секущего
типов. Остряк касательного типа (рис. 8.19, б) примыкает к рам-
ному рельсу по касательной прямой и иногда во избежание очень
Рис. 8.19. Схемы остряков:
а — прямолинейный; б — криволинейный касательного типа; в — с притуплен-
ным острием; г — секущего типа; д — с подстрожкой боковой грани; [3 — стре-
лочный угол
232
тонкой начальной части, его изготовляют с притупленным ост-
рием. В последнем случае с сечения, где ширина головки остряка
5 мм, его рабочий кант 2доводится до рабочего канта рамного рель-
са / на коротком отрезке х (рис. 8.19, в).
В остряке секущего типа (рис. 8.19, г) его рабочий кант 2 пересе-
кает рабочий кант рельса 1 под углом рн, который называется началь-
ным углом остряка. Угол (3, образованный рабочим кантом рамного
рельса и касательной к рабочему канту остряка в его корне, называ-
ется стрелочным углом. Стрелочные углы обычно малы — от 1 до 2°.
Начальные углы Рн криволинейных остряков находятся в границах
20—60', а в переводах для высоких скоростей движения по ответ-
вленному пути они могут быть и менее 20'.
Остряки касательного типа имеют более тонкое и менее мощное
острие, чем остряки секущего типа. В этой связи большинство оте-
чественных стрелок имеют остряки секущего типа. На железных до-
рогах Германии, Франции и других европейских стран, где эксплуа-
тационные условия (осевые нагрузки, грузонапряженность) срав-
нительно более легкие, распространены в большей мере остряки ка-
сательного типа с притупленным острием.
Остряки могут изготовляться из обычных рельсов или специаль-
ных прокатных профилей. В настоящее время на отечественных же-
лезных дорогах применяют остряки из специальных несимметрич-
ных прокатных профилей, высота которых ниже, чем высота рель-
сов соответствующего типа (рис. 8.20). При их применении подо-
шва рамного рельса не ослабляется строжкой, упрощается обработка
самих остряков. Они более устойчивы от опрокидывания, более на-
дежны в эксплуатации. Корневое крепление таких остряков осуще-
ствляется за счет выпрессовки их корневой части под профиль пу-
тевого рельса, примыкающего к нему в корне. Технология такой
выпрессовки хорошо освоена российскими стрелочными заводами.
В современных стрелочных переводах с гибкими остряками к вы-
прессованной части остряка контактной сваркой приваривается
рельсовое окончание из нормального рельса, что значительно уп-
рощает конструкцию корневого крепления.
Развитие подошвы остряковых рельсов требуется для увеличе-
ния их боковой жесткости. Это развитие может быть сделано толь-
ко внутрь колеи за счет несимметричности профиля, так как сим-
метричному профилю мешает рамный рельс.
233
Рис. 8.20. Поперечное сечение острякового рельса ОР65
Для обеспечения большей мощности сечения остроганной части
и укрытия острия остряка от ударов набегающих колес производит-
ся подстрожка боковой рабочей грани рамного рельса (рис. 8.19, д).
Наименьшая длина остряков отечественных стрелок 4,5 м при-
нята у симметричных стрелочных переводов марки 1/6, наиболь-
шая 21,9 м — у обыкновенных стрелочных переводов марки 1/22.
Криволинейные остряки секущего типа могут быть двойного
радиуса: в начале радиуса Rq, затем радиуса R, меньшего, чем Rq.
Это делается для того, чтобы улучшить плавность входа экипажей
на ответвление перевода и уменьшить угол удара гребней колес в
остряк в его остроганной части. Однако это улучшение незначи-
тельно, а технология изготовления остряков двойного радиуса слож-
нее. В последнее время стрелки изготовляют с остряками круго-
вого очертания радиусом R, равным радиусу следующей за остря-
ком переводной кривой или несколько большим. Так, в обыкно-
венном стрелочном переводе марки 1/9 радиус переводной кривой
примерно равен 200 м, а радиус криволинейного остряка — 300 м.
234
Передний конец остряка в зоне прилегания его к рамному рель-
су подвергается горизонтальной и вертикальной строжке. Горизон-
тальная обработка выполняется по плоскости, имеющей наклон к
вертикали 1/5. Вертикальная строжка выполняется с целью созда-
ния наиболее благоприятных условий накатывания колес на остряк
при противошерстном движении (от стрелки к крестовине). Вели-
чина понижения остряка в различных сечениях для наиболее мас-
совых конструкций стрелочных переводов российских железных
дорог показана на рис. 8.21.
Корневое устройство остряка предназначено для закрепления его
в корне и для обеспечения ему подвижности в горизонтальной плос-
кости. Оно бывает вкладышно-накладочного типа и в виде обычно-
го стыка при гибких остряках. Корневое устройство шкворневого
типа, применявшееся ранее, сложно по конструкции, малонадежно
в эксплуатации; оно уже много лет не изготавливается и на отече-
ственных дорогах не укладывается в путь.
Корневое устройство вкладышно-накладочного типа (рис. 8.22)
наиболее широко применяется на отечественных дорогах в стрелоч-
ных переводах с поворотными остряками. В конструкции стык в кор-
не находится на весу и смонтирован на мостике 2. В корне остряка
между закрепленным упоркой 6 рамным рельсом 1 и остряком 8 с
примыкающим к нему рельсом переводной кривой 3 вставлен сталь-
Рис. 8.21. Схема постепенного понижения остряка относительно рамного рельса:
1 — рамный рельс; 2 — поверхность катания рамного рельса; 3 — поверхность
катания рельса и остряка; 4 — остряк
235
Рис. 8.22. Корневое устройство вкладыш но-накладочного типа:
1 — рамный рельс; 2 — мостик; 5 — рельс переводной кривой; 4 — лапка-удер-
жка; 5 — вкладыш; 6 — упорна; 7 — четырехдырная накладка; 8 — остряк;
9— распорная втулка
ной вкладыш 5. Со стороны оси пути остряк и примыкающий к не-
му рельс соединены четырехдырной накладкой 7. Накладка отогну-
та в середине в сторону оси пути, поэтому между остряком и на-
кладкой имеется зазор, допускающий поворот остряка и перевод его
из одного положения в другое. Для того чтобы предварительно ото-
гнутая в середине накладка при стягивании болтами не разгибалась,
между накладкой и вкладышем на первый от начала остряка болт
надевается стальная термически упрочненная распорная втулка 9.
Преимущества такого корневого устройства: прочность, устой-
чивость, простота конструкции и небольшое количество деталей.
Однако присущи ему и недостатки: в процессе эксплуатации рас-
порная втулка, испытывающая большие нагрузки, быстро изнаши-
вается, а нередко и разрушается; при современных скоростях дви-
жения поездов и большой грузонапряженности пространство меж-
236
ду отогнутой накладкой и остряком забивается мелким песком и пы-
лью, которые сильно уплотняются и препятствуют переводу остря-
ка с одного положения в другое, а удаление этой уплотненной мас-
сы требует разборки корневого устройства.
Обычный стык при гибких остряках (рис. 8.23) принят для стре-
лок в большинстве современных стрелочных переводов. В корне ос-
тряка стык ничем не отличается от обычного стандартного стыка.
Конструкцию корневого устройства с гибкими остряками следует
считать наилучшей. Она проста в устройстве, достаточно надежна и
удобна в эксплуатации. В ней полностью исключается возможность
нарушения работы переводного устройства остряков из-за засоре-
ния корневого стыка.
Перед корневым стыком стрелки с гибкими остряками распола-
гается мостик, на котором смонтировано устройство, обеспечиваю-
щее неподвижность корневого стыка при переводе остряка, и про-
тивоугонное устройство, препятствующее угону рамного рельса (см.
рис. 8.23). Неподвижность остряка в его гибкой корневой части обес-
печивается за счет жесткого закрепления его подошвы клиновыми
распорками (рис. 8.24). Угону рамного рельса препятствуют закреп-
ленные на нем шиповые упорные накладки, которые своими выс-
тупами (шипами) входят в прямоугольные отверстия, расположен-
ные в мостике (рис. 8.25).
Рис. 8.23. Обычный стык при гибких остряках:
/ — противоугонное устройство рамного рельса; 2— задний стык рамного рель-
са; 3 — корневой стык остряка; 4 — противоугонное устройство остряка
237
Рис. 8.24. Заделка гибкой части остряка:
/ — мостик; 2 — заклинивающее устройство; 3 — остряк; 4 — болт; 5 — упругая
шайба; б, 8 — гайка; 7— крепежный болт; 9— шайба
Рис. 8.25. Закрепление рамного рельса от угона:
1 — мостик; 2— отверстие под шип; 3 — шип; 4 — узел крепления; 5— шиповая
упругая накладка
8.2.2. Рамные рельсы, рельсовые скрепления,
противоугонные устройства
Рамные рельсы от обычных путевых отличаются наличием в шей-
ках, кроме отверстий на концах для стыковых накладок, дополни-
тельных отверстий для прикрепления упорных накладок или бол-
тов, для прикрепления самого рамного рельса к стрелочным баш-
макам, а также деталей для монтажа корневого устройства и дета-
лей запорного и переводного механизмов. Рамные рельсы имеют
238
иную форму в плане — один из них прямой, другой, к которому
примыкает прямой остряк основного пути, изогнут в плане, а также
подстрожку боковой грани головки для укрытия начала остряка (см.
рис. 8.19, д).
Различают передний тх и задний т2 вылеты рамного рельса (см.
рис. 8.3).
По условиям производства, транспортировки и укладки рамных
рельсов их длину целесообразно принимать наименьшей, а для
обеспечения наибольшей устойчивости стрелки и плавного отво-
да ширины колеи надлине переднего вылета тх рамный рельс дол-
жен иметь достаточную длину, что более важно.
В обыкновенных стрелочных переводах один рамный рельс, к
которому прилегает криволинейный остряк, является прямым, а
другой — изогнутым в плане (в симметричных стрелочных перево-
дах изогнуты оба рамных рельса). Количество изгибов и места их
расположения по длине рамного рельса определяются геометриче-
ской схемой стрелочного перевода. Изгиб непосредственно перед
острием остряков необходим для обеспечения укрытия острия пря-
мого остряка от ударов гребней колес при противошерстном дви-
жении экипажей по прямому пути и для уширения колеи в перед-
нем вылете рамного рельса, облегчающего вписывание подвижного
состава при движении по боковому пути. Следующий изгиб делают
в конце горизонтальной строжки прямого остряка, где его головка
достигает полной ширины.
В современных обыкновенных стрелочных переводах с поворот-
ными остряками длина рамных рельсов составляет, как правило,
12,5 м, а в переводах с гибкими остряками она определяется усло-
виями обеспечения рационального раскроя рельсов стрелочного
перевода и схемой расположения стыков в его пределах. (Для удоб-
ства укладки стрелочных переводов в путь блоками стыки рам-
ных рельсов и остряков располагают в одном шпальном ящике.)
В пологих стрелочных переводах марки 1/22 длина рамных рель-
сов принята 25 м.
Для обеспечения необходимой устойчивости стрелок рамные
рельсы должны надежно прикрепляться к опорам, а через них — и к
переводным брусьям.
Конструкция крепления рамных рельсов периодически претер-
певает значительные изменения. Для современных стрелочных пе-
239
о
Рис. 8.26. Конструкции стрелочных башмаков:
а — с подушкой на заклепках; б — с приварной подушкой; в — изготовленный методом горячей штамповки
реводов лучшим оказалось крепление на башмаках, конструкция
которых также совершенствовалась на основе опыта эксплуатации
стрелочных переводов.
Стрелочный башмак состоит из подкладки, подушки и упорки.
В стрелочном башмаке подушка соединяется с подкладкой с помощью
заклепок (рис. 8.26, а) или контактной электросваркой (рис. 8.26, б).
Используются также башмаки, в которых подушка формируется за
счет выштамповки из самой подкладки (рис. 8.26, в). Верхняя часть
подушки, на которую опирается остряк, делается более узкой, выс-
тупающей в виде консоли над подошвой рамного рельса.
Используют закрепление рамного рельса с помощью упорок, ко-
торые соединяются с рельсом обычно одним горизонтальным бол-
том. Сама же упорка крепится к башмаку двумя вертикальными
болтами (рис. 8.27).
Повышение скоростей движения поездов, их осевых нагрузок и
грузонапряженности вынуждает вести дальнейшие поиски повыше-
ния надежности конструкции стрелочных башмаков, так как жест-
кое прикрепление рамных рельсов к опорам приводит к неравноуп-
ругости пути и местным контактно-усталостным повреждениям го-
ловки этих рельсов, к ухудшению динамики взаимодействия пути и
подвижного состава. В связи с этим в последнее время реализуется
тенденция перехода к креплению рамного рельса с помощью упру-
гих или жестких клемм снаружи и внутри колеи; в последнем слу-
Рис. 8.27. Прикрепление рамного рельса с помощью упорок:
1 — шуруп; 2 — подкладка; 3 — заклепка; 4 — подушка; 5 — остряк; 6 — рамный
рельс; 7— упорка; 8 — упругая шайба; 9 — гайка; 10, 11 — болты; 12— гайка;
13 — упругая шайба
241
чае — в виде упругих скоб (рис. 8.28), которые удерживают рамный
рельс на опоре только за подошву. Надобность в упорках в этом слу-
чае отпадает.
Остряк под движущимся поездом должен быть устойчив как в
вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Вертикальная
устойчивость обеспечивается плотным опиранием подошвы на стре-
лочные подушки и частично за счет запорных устройств тяг и кор-
невого крепления. Горизонтальная устойчивость обеспечивается
прилеганием его в пределах острожки непосредственно к рамному
рельсу, а за строжкой — прилеганием шейки остряка к специаль-
ным упорным устройствам, установленным на рамном рельсе. В со-
временных стрелках в качестве таких устройств применяются ли-
тые упорные накладки (рис. 8.29), прикрепляемые к рамному рель-
су двумя горизонтальными болтами, что предохраняет передний вы-
ступ такой накладки от перевертывания и перекоса в процессе
эксплуатации.
С целью обеспечения надежности работы переводного устрой-
ства стрелки, вблизи корня остряков на стрелках с гибкими ост-
ряками размещают устройство, ограничивающее взаимные пере-
мещения остряка и рамного рельса в продольном направлении
(рис. 8.30). Устройство состоит из двух половин, одна из которых
Рис. 8.28. Прикрепление рамного рельса с помощью клемм:
7 — шуруп; 2 — подкладка; 3 — приварная подушка; 4 — упругая клемма; 5 —
остряк; 6 — рамный рельс; 7— клеммный болт; 8 — гайка; 9 — упругая шайба;
10 — клемма; 11 — реборда
242
a
p
Рис. 8.29. Упорная накладка (а) и ее прикрепление к рамному рельсу (6):
1— подкладка; 2—узел крепления; 3~ рамный рельс; 4— остряк; 5—упорная
накладка; 6— полушка
Рис. 8.30. Устройство, препятствующее взаимному перемещению остряка
и рамного рельса в продольном направлении
243
прикреплена к рамному рельсу, а другая — к остряку. Работая со-
вместно, половины не мешают переводу стрелки, но не дают воз-
можности перемещаться остряку относительно рамного рельса
более чем на ±20 мм.
8.2.3. Механизмы управления остряками
Перевод остряков из одного положения в другое осуществляется
с помощью специальных устройств, включаемых в механическую
или электрическую централизацию стрелок, или ручными перевод-
ными механизмами. Наиболее широко распространены (и плани-
руются на перспективу) устройства электрической централизации,
в которых перевод остряков выполняется при помощи электропри-
водов.
Стрелочные электроприводы предназначены для перевода, запи-
рания и контроля положения остряков. Они должны обеспечивать
плотное прилегание остряка к рамному рельсу в рабочем положе-
нии, не допускать замыкания стрелки при зазоре 4 мм и более между
прижатым остряком в его начале и рамным рельсом, а также отводить
отжатый остряк от рамного рельса на расстояние не менее 125 мм.
Стрелочные электроприводы бывают взрезные, например, серий
СПВ-5, СПВ-6 и невзрезные серий СП и СПГ (СП-1, СП-2, СП2Р,
СП-3, СП-6, СП-12, СПГ-2, СПГ-3, ВСП-150, ВСП-220). Взрез-
ные электроприводы применяются для стрелок с раздельным хо-
дом остряков, поэтому для стрелок типов Р65 и Р50, укладывае-
мых на главных и приемо-отправочных путях, применяются толь-
ко невзрезные электроприводы.
Все невзрезные электроприводы имеют один рабочий шибер —
элемент механизма электропривода, непосредственно передающий
переводное усилие на рабочую тягу, перемещающую остряки, и две
контрольные линейки, выходящие из корпуса электропривода и со-
единенные с контрольными тягами, каждая из которых соединена
со своим остряком. В конструкции привода предусмотрена возмож-
ность перекладки шибера и контрольных линеек с выходом их из кор-
пуса как с правой, так и с левой стороны, что обеспечивает возмож-
ность их установки с необходимой стороны стрелочного перевода.
Для повышения безопасности движения поездов должно быть
обеспечено контролируемое замыкание прижатого к рамному рель-
су остряка. В стрелочных электроприводах имеется система внут-
244
реннего замыкания, обеспечивающая запирание рабочего шибера
в его крайних положениях, а через него и систему тяг — запирание
остряков.
Недостатком такой системы является то, что внутренний замы-
катель обеспечивает фиксирование расстояния от остряка до элект-
ропривода и не обеспечивает замыкание остряка в прижатом к рам-
ному рельсу положении. В этих условиях не исключаются случаи
наличия зазора 4 мм и более между рамным рельсом и прижатым к
нему остряком в рабочем положении, что снижает уровень безопас-
ности движения поездов.
Отмеченный недостаток исключается при применении внешне-
го механического замыкателя остряков, который широко распрост-
ранен в конструкции стрелочных переводов зарубежных железных
дорог. На российских железных дорогах также начато применение
внешних замыкателей на наиболее интенсивно работающих стре-
лочных переводах. В современных конструкциях стрелочных пе-
реводов для путей 1-го и 2-го классов и в ряде других проектов пре-
дусмотрена возможность установки таких устройств. На скорост-
ных и высокоскоростных стрелочных переводах установка внешних
замыкателей обязательна. Внешние замыкатели для российских стре-
лочных переводов кляммерного типа. Разработаны внешние замы-
катели с горизонтальным (рис. 8.31, а) и вертикальным (рис. 8.31, б)
расположением кляммер. Кляммера — элемент конструкции внеш-
него замыкателя, соединенный с остряком или сердечником кресто-
вины с непрерывной поверхностью катания, обеспечивающий, совме-
стно с подвижной частью замыкателя (планкой), фиксацию остряка
(сердечника) в прижатом к рамному рельсу (усовику) положении.
Для обеспечения плотного прилегания остряков на всем протя-
жении остроганной их части к рамным рельсам и необходимого для
свободного прохода гребней колес размера желоба между рабочей
гранью рамного рельса и нерабочей гранью остряка на стрелках при-
меняются тяги (рис. 8.32). Различают стрелочные переводные и со-
единительные тяги. Стрелочные тяги 1 связывают остряки, обеспе-
чивая правильное их взаимное положение. Часть стрелочных тяг со-
единены стяжными регулировочными муфтами 2. Переводные тяги 3
служат для перевода остряков из одного положения в другое. Рыча-
ги 5 и соединительная тяга 4 необходимы для передачи усилия от
электропривода к второй переводной тяге, обеспечивающей более
245
246
Рис. 8.31. Внешний замыкатель остряков с рамными рельсами:
а — горизонтальный; б — вертикальный; / — основание; 2—остряк; 3— кляммера; 4— планка; 5— комплект упоров;
6 — болт
Рис. 8.32. Схема стрелки с указанием всех тяг:
1 — стрелочные тяги; 2 — регулировочные муфты; 3 — переводные тяги;
4 — соединительная тяга; 5 — рычаг; 6 — электропривод
плотное прилегание остряков в рабочем положении по всей длине
их остроганной части к рамному рельсу и электрический контроль
этого прилегания (через электропривод).
Стрелки (кроме расположенных на горочных и сортировочных
путях), в том числе централизованные, оборудуются приспособле-
ниями для запирания их висячими замками. Для этого они имеют
откидные запорные накладки. В закрытом положении они упира-
ются в шейку остряка и предотвращают отставание его острия от
рамного рельса.
8.3. Конструкции крестовин и контррельсов
8.3.1. Острые крестовины
На всех отечественных и зарубежных железных дорогах острые
крестовины стрелочных переводов с неподвижным сердечником
(рис. 8.33) наиболее многочисленны. Они применяются во всех стре-
лочных переводах, глухих пересечениях (косоугольных), перекрест-
ных съездах и сплетениях путей.
Острые крестовины сборно-рельсовые (рис. 8.34, а) и с литым
сердечником (рис. 8.34, б) для наших магистральных железных до-
рог не изготовляются и сохранились в небольшом количестве в про-
чих путях железных дорог и путях промышленных предприятий,
так как эти конструкции имеют низкую эксплуатационную надеж-
ность.
Острые цельнолитые крестовины (рис. 8.34, в) с начала 1960-х гг.
изготовлялись для скоростных стрелочных переводов типа Р65
марки 1/11 и для стрелочных переводов того же типа марки 1/18.
Однако в последние годы цельнолитые крестовины с неподвиж-
247
Рис. 8.33. Крестовинный узел острой крестовины с неподвижным сердечником:
7 — сердечник; 2 — усовик; 3 — передний вкладыш; 4 — контррельс; 5 — рельс
крестовины
ным сердечником переводов типа Р65 марки 1/18 не выпускают.
Взамен их изготовляют крестовины с подвижным сердечником.
Преимущество цельнолитых крестовин перед сборными состоит
в их малодетальности, отсутствии люфтов в соединениях, удобном
и простом в содержании, устойчивости в работе. Но они не лишены
и недостатков, которые вынудили прекратить их производство в
больших количествах. В частности, они требуют большого расхода
дорогостоящей высокомарганцовистой стали, значительно сложнее
в изготовлении. Стоимость цельнолитых крестовин типа Р65 марки
1/11 в несколько раз выше стоимости аналогичных типовых крес-
товин, а сроки службы крестовин обоих видов (в наработке тонна-
жа до отказа) существенно не отличаются между собой. В настоя-
щее время цельнолитые крестовины изготавливаются в основном
для специальных видов железнодорожного транспорта.
С учетом изложенного в качестве основной на отечественных
железных дорогах принята сборная конструкция острых крестовин
248
Рис. 8.34. Основные виды острых крестовин с неподвижным сердечником:
а — сборно-рельсовая; б — с литым сердечником; в — цельнолитая; г — сбор-
ная с неподвижным сердечником; / — усовик; 2— практическое острие сердеч-
ника; 3 — сердечник; 4 — усовая часть отливки; /г — горло крестовины; /2 —
соответственно передний и задний вылет крестовины; 0к — математический
центр крестовины; /вр — вредное пространство
с неподвижным сердечником типа общей отливки сердечника с наи-
более изнашиваемой частью усовиков (рис. 8.34, г). В этих кресто-
винах сердечник 3 и наиболее изнашиваемые части усовиков 1 со-
249
ставляют единую конструкцию (рис. 8.35), отлитую из высокомар-
ганцовистой стали аустенитного класса, имеющей состав: углерода
1 — 1,30 %, марганца 11,5—16,5 %, кремния 0,3— 0,9 %, фосфора —
не более 0,09 %, серы — не более 0,020 %.
Механические свойства высокомарганцовистой стали сердечни-
ков после закалки должны быть следующими: предел текучести — не
менее 360 Н/мм2; временное сопротивление разрыва — 901 Н/мм2;
относительное удлинение — не менее 30 %, относительное сужение —
не менее 27,1 %, ударная вязкость — 25,1 Н-м/см2.
Рис. 8.35. Крестовина сборная типа обшей отливки сердечника с изнашивае-
мой частью усовиков:
1 — рельсовый усовик; 2 — литая часть
250
Литые части усовиков снизу имеют обработанные наклонные
поверхности, которые опираются на подошвы рельсовых усовиков.
Литая часть крестовины после обработки скрепляется с рельсовы-
ми усовиками с помощью горизонтальных болтов. При этом верх-
няя ее часть помещается в вырезы на головках рельсовых усовиков
(см. рис. 8.35, сечения А—А и Б—Б).
Для улучшения траектории движения колеса — при перекаты-
вании с усовика на сердечник и обратно, а также увеличения пло-
щади опирания его на оба эти элемента — сердечник и литые час-
ти усовиков имеют повышение над поверхностью катания рельсо-
вых усовиков. Оно начинается от переднего стыка врезки литой
части усовика в рельсовую, в сечении сердечника шириной 20 мм
достигает 6,7 мм, затем постепенно уменьшается и в сечении сер-
дечника шириной 40 мм сводится к нулю. Поверхности катания
усовиков и сердечника имеют поперечный уклон крутизной 1:20.
К переднему стыку врезки и заднему стыку крестовины этот ук-
лон сводится к нулю.
Понижение сердечника относительно уровня головки рельсо-
вых усовиков в его сечении шириной 12 мм принято 2 мм, от сече-
ния шириной 20 мм до хвостового торца неизношенный сердеч-
ник плавно понижается до уровня поверхности катания примыка-
ющих рельсов.
В процессе эксплуатации высокомарганцовистая сталь сердеч-
ника и изнашиваемой части усовиков интенсивно упрочняется.
Твердость ее от исходного состояния, составляющая примерно
200 НВ по Бринеллю, после пропуска 20—25 млн т груза повыша-
ется до 400—500 НВ. При этом в зоне перекатывания колес с усо-
вика на сердечник и обратно происходит износ металла за счет его
смятия, что приводит к потере примерно половины высоты усови-
ков и сердечника, допускаемой по износу. С учетом этого делается
запас металла по высоте сердечника и усовиков примерно на 2 мм
(см. рис. 8.35) для того, чтобы после завершения наклепа высоко-
марганцовистой стали траектории перекатывания колес, в отме-
ченной зоне, были более благоприятны по геометрическим пара-
метрам неровности.
С целью уменьшения смятия высокомарганцовистой стали сер-
дечников крестовин в России разработан и внедрен способ упроч-
нения ее методом взрыва в специальных камерах с помощью плас-
251
тических взрывчатых веществ. Взрывчатое вещество накладывается
на поверхности катания и боковые грани сердечника и усовиков.
Крестовина помещается в специальную камеру, где производится
подрыв пластического взрывчатого вещества, прикрепленного к ее
Рис. 8.36. Крестовина с приварными рельсовыми окончаниями:
1 — сердечник; 2 — литая часть усовика; 3 — рельсовая часть усовика; 4 — попе-
речный сварной шов; 5 — продольный сварной шов; 6 — рельсовое окончание
252
рабочим поверхностям. Упрочнение взрывом производится после
термической обработки сердечников до их механической обработ-
ки. При этом твердость высокомарганцовистой стали повышается
от 200 до 360—380 НВ, что уменьшает интенсивность ее износа. Срок
службы крестовин, упрочненных взрывом, увеличивается на 30 %
по сравнению с неупрочненными.
Существенными недостатками сборных крестовин с сердечни-
ками типа общей отливки с наиболее изнашиваемой частью усови-
ков является низкая надежность конструкции хвостового стыка сер-
дечника с примыкающими рельсами, в котором образуются верти-
кальные и горизонтальные ступеньки и неровности, резкие перепа-
ды жесткости, а также конструкция врезки литой части усовика в
рельсовую, в зоне которой под действием колесных нагрузок воз-
никают выкрашивания и выколы металла.
Российскими производителями стрелочной продукции освоена
технология сварки сердечника из высокомарганцовистой стали с
рельсами из углеродистой стали, что позволило осуществить конст-
рукцию крестовины с рельсовыми окончаниями (рис. 8.36), кото-
рые дают возможность соединять хвостовую часть крестовины с при-
мыкающими рельсами с помощью обычных стыков. Параллельно с
этим усовершенствованием осуществлено уменьшение размеров
литой части сердечника, сокращающее расход высокомарганцови-
стой стали на ее изготовление более чем в 2 раза, а также усовер-
шенствование конструкции сочленения литой части усовика с рель-
совой.
8.3.2. Тупые крестовины
Тупые крестовины применяются в глухих пересечениях, пере-
крестных стрелочных переводах и перекрестных съездах. По кон-
струкции они подразделяются на жесткие (см. рис. 8.6) и с под-
вижным сердечником (см. рис. 8.7). Тупые крестовины глухого ко-
соугольного пересечения принципиально отличаются от острых
крестовин. Это отличие заключается в том, что в тупой крестовине
угол у (см. рис. 8.6) может быть равен а (углу крестовины обыкно-
венного стрелочного перевода), 2а и больше 2а — 30°, 45° и 60°.
Кроме того, в тупой крестовине имеется два сердечника, а контр-
рельс 2 является неотъемлемой частью крестовины и повышен от-
носительно рельсов на 45 мм. Жесткие крестовины бывают сбор-
253
ные (см. рис. 8.6) и цельнолитые (рис. 8.37). Тупые крестовины с
подвижными сердечниками для перекрестных стрелочных перево-
дов на наших железных дорогах применяются с конца 1960-х гг.
Опыт их эксплуатации в целом положительный. Их недостатком
является пониженная устойчивость подвижных сердечников из-за
Рис. 8.37. Цельнолитая тупая крестовина:
1 — сердечник; 2 — контррельс; 3 — усовик
254
ограниченной их длины, которая равна 2985 мм (ограничение дли-
ны связано с общей компоновкой конструкции перекрестного стре-
лочного перевода). Поэтому переводы с тупыми крестовинами та-
кой конструкции разрешается укладывать только в пути сортиро-
вочных парков и эксплуатировать при скоростях не более 25 км/ч.
8.3.3. Контррельсы
Контррельсы служат для направления колес при их движении в
соответствующий желоб крестовины (рис. 8.38). Контррельс своей
средней частью должен перекрывать вредное пространство длиной
/вр от горла до сечения сердечника шириной 40 мм. От среднего уча-
стка контррельса в обе стороны делаются прямолинейные отводы,
которые изгибаются под углом (Зк, примерно равным углу удара в
остряк. На выходах и входах контррельса делаются улавливающие
части с желобами 86—90 мм. Контррельсы могут изготовляться как
из обычных путевых рельсов, так и из специальных прокатных про-
филей. В стрелочных переводах российского производства для ма-
гистральных железных дорог применяются контррельсы из прокат-
ных спецпрофилей (рис. 8.39). Наиболее распространены контр-
рельсовые узлы, в которых контррельс крепится к путевому рельсу
Рис. 8.38. Схема крестовины с контррельсом
255
(рис. 8.40). Контррельсы в таких конструкциях соединяются с путе-
выми рельсами через специальные вкладыши с помощью горизон-
тальных болтов. Для таких конттрельсовых узлов применяются
контррельсы из спецпрофилей РК 50, РК 65 и РК 75, СП-850, в за-
висимости от типа рельса, из которого изготовляется стрелочный
перевод.
Рис. 8.39. Контррельсы из прокатных спецпрофилей:
а - РК-65; б-СП-850
256
Рис. 8.40. Узел крепления контррельса из спецпрофиля:
/ — пластина; 2 — вкладыш; 3 — рельс крестовины; 4 — контррельс (РК-65);
5— контррельсовый болт; 6— упругая шайба; 7 — гайка; 8— подкладка
Рис. 8.41. Узел крепления контррельса, не связанного с путевым рельсом
из уголка контррельсового СП-850:
1 — рельс крестовины: 2— контррельс (СП-850); 3 — упругая шайба; 4— гайка;
5 — упорка; 6 — упругая П-образная клемма; 7— подкладка
257
В последние годы дороги начали переходить к конструкции
контррельсового узла, в которой контррельс непосредственно не
связан с путевым рельсом (рис. 8.41). Она имеет ряд преимуществ:
меньший расход металла на изготовление контррельса, отсутствие
вкладышей, возможность сравнительно легко регулировать ши-
рину желоба между путевым рельсом и контррельсом за счет по-
становки прокладок между контррельсом и его опорами, облег-
чение замены путевого рельса, на котором зачастую интенсивно
образуются седловины против зоны перекатывания колес с усо-
вика на сердечник и обратно.
В настоящее время такая конструкция испытана и широко вне-
дряется на отечественных железных дорогах.
8.3.4. Крестовины с непрерывной поверхностью катания
Крестовины с непрерывной поверхностью катания (с подвиж-
ным сердечником) начали изготовляться и укладываться в путь на
наших железных дорогах с 1968 г. в стрелочных переводах типа Р65.
Применяется три разновидности крестовин с непрерывной поверх-
ностью катания - с поворотным сердечником, с гибким сердечни-
ком и с гибко-поворотным сердечником. Они используются в раз-
личных конструкциях обыкновенных стрелочных переводов, укла-
дываемых на главных путях:
- с большой грузонапряженностью и скоростями движения по
прямому пути до 140 км/ч с поворотным сердечником и длиной кре-
стовин 5,5 м;
— для движения поездов со скоростями до 160 км/ч с удлинен-
ным поворотным сердечником;
— в конструкции пологих стрелочных переводов со скоростями
движения на боковое направление 80 км/ч с гибким сердечником;
- для движения поездов со скоростями до 200 и 250 км/ч с гиб-
ким и с гибко-поворотным сердечником.
Последний вариант крестовины с подвижным сердечником
имеет две модификации: для укладки на деревянные переводные
брусья с двумя гибкими ветвями сердечника, закрепленными
обычными путевыми четырехболтовыми стыками, и для укладки
на железобетонные брусья — с гибко-поворотным сердечником,
у которого длинная ветвь, работающая по прямому пути, гибкая,
закрепленная в корне обычным путевым стыком, а короткая
258
Рис. 8.42. Крестовина с гибко-поворотным сердечником
ветвь, работающая по боковому пути, — поворотная, имеющая
корневой стык вкладышно-накладного типа (рис. 8.42). Усовики
крестовин изготовляются из специального рельсового проката
УР65, подвижные сердечники — из острякового проката ОР65
(сталь углеродистая).
Подвижной сердечник переводится из одного рабочего положе-
ния в другое с помощью неврезного электропривода (или двух при-
водов), работающих синхронно с электроприводом (электроприво-
дами) стрелки. Крестовины с подвижным сердечником начали обо-
259
рудоваться внешним замыкателем сердечника с усовиком, что уве-
личило срок их службы в 3—4 раза по сравнению с крестовинами
аналогичного типа и марки с неподвижным сердечником. При ис-
пользовании в стрелочных переводах таких крестовин отпадает не-
обходимость в контррельсовом узле. При отсутствии контррельсов
и разрыва рельсовой нити значительно уменьшились горизонталь-
ные и вертикальные динамические силы взаимодействия крестови-
ны и экипажей, улучшилась плавность и комфортабельность дви-
жения, что особенно важно для участков скоростного и высоко-
скоростного движения пассажирских поездов.
8.4. Соединительная часть стрелочных переводов
В стрелочных переводах без подуклонки рельсы соединитель-
ной части укладывают на плоские подкладки. Несколько подкла-
док за корнем остряка являются общими для двух рельсовых ни-
тей, которые крепятся к этим подкладкам при помощи жестких
клемм. Подкладки длительное время изготовлялись без реборд, что
не позволяло обеспечивать необходимый уровень эксплуатацион-
ной надежности. В настоящее время стрелочные заводы освоили
выпуск всех подкладок соединительной части стрелочных перево-
дов с ребордами, получаемых методом горячей штамповки или при-
варки. Наличие реборд дало возможность применения прикрепи-
телей в виде клеммных болтов и упругих клемм (рис. 8.43). Такое
техническое решение использовано в стрелочных переводах новых
конструкций, выпускаемых серийно, что значительно повысило их
надежность.
Переводная кривая, соединяющая стрелку с крестовинной частью
и ведущая на ответвление, устраивается обычно по круговой кривой.
Конец переводной кривой обычно не доходит до стыка с усовиком
крестовины на величину h (см. рис. 8.3), на протяжении которой рель-
совую нить укладывают по прямой. Прямая вставка h должна быть
такой длины, чтобы прямой отрезок был достаточным для размеще-
ния жесткой базы тележки экипажа до ее входа в горло крестовины
(А — длина переднего вылета крестовины); стыковые накладки при
этом не должны доходить до горла крестовины. Кроме того, необхо-
димо, чтобы гребни колес, набегающие под углом на сердечник кре-
стовины, при близком расположении к нему переводной кривой мог-
ли свободно помещаться в желобах крестовины.
260
Рис. 8.43. Прокладки с ребордами:
а — выштампованными: 6 — приварными
261
При радиусе переводной кривой 200 м этому условию удовлет-
воряет длина прямого отрезка не менее 1,5 м.
Переводные кривые не имеют возвышения наружного рельса.
Только в случаях укладки переводов на кривых с односторонней кри-
визной обоих путей допускается возвышение наружного рельса не
более 75 мм.
Рельсы соединительной части надежно закрепляются от угона.
8.5. Основания стрелочных переводов
В качестве оснований стрелочных переводов используются
брусья, плиты или монолитные железобетонные конструкции.
Для подавляющего большинства стрелочных переводов основа-
нием служат из брусья — деревянные, железобетонные или ме-
таллические.
Большинство стрелочных переводов (около двух третей) на же-
лезных дорогах России эксплуатируется в настоящее время на де-
ревянных брусьях. Их преимущества перед основаниями других
видов — сравнительная простота в изготовлении, универсальность
типоразмеров, небольшая сложность монтажа стрелочных пере-
водов на стендах и в пути, небольшой вес, сравнительно легко
осуществимая электроизоляция рельсовых нитей, умеренная же-
сткость пути.
Поперечные сечения деревянных переводных брусьев показа-
ны на рис. 8.44. Обрезные брусья обозначены индексом А, нео-
брезные — Б. Брусья выполняются уширенными (У), широкими
(Ш) и нормальными (Н). Размеры сечений брусьев указаны в
табл. 8.1.
Рис. 8.44. Поперечное сечение деревянных переводных брусьев
262
Таблица 8.1
Размеры переводных брусьев, мм
Тип бруса Тол- щина h Толщина верхней постели b Толщина верхней постели Ь{ Ширина бруса по непропи- ленным сторонам Ь2 Ширина пропиленной стороны бруса А|
У Ш Н
1 180 220 200 — 260 300 150
11 160 220 — 175 250 280 130
111 160 — 200 175 230 260 130
Примечание. Брусья предназначены: тип I — для главных путей; тип II - для
главных, приемо-отправочных путей и сортировочных горок; тип III — для
подъездных путей промышленных предприятий.
В зависимости от длины брусья делятся на группы, каждая из
которых отличается от соседних на 25 см. Самые короткие брусья
имеют длину 3,0 м, самые длинные — 5,5 м.
Число брусьев в одиночном стрелочном переводе зависит от его
марки: для 1/9 от 63 до 68 шт.; 1/11 от 75 до 80 шт.; 1/18 — 135 шт.;
1/22 - 170 шт.
Два переводных бруса, на которых располагается ручной пере-
водной механизм стрелки, называются флюгарочными. В обык-
новенных переводах они имеют длину 4,5 м. Для установки опор
под соединительные (продольные) тяги укладывают два бруса дли-
ной по 3,5 м, а под промежуточную опору этой тяги — один.
Для замены дорогостоящих и дефицитных переводных брусьев,
на изготовление которых расходуется особо ценная древесина (в ос-
новном сосна); повышения боковой и вертикальной устойчивости
и общей стабильности стрелочных переводов; увеличения срока
службы основания стрелочных переводов и зашиты балласта от за-
грязнения на дорогах России были уложены опытные партии желе-
зобетонных плит под стрелочные переводы. Однако широкого при-
менения эта конструкция на отечественных железных дорогах не
нашла. Основной причиной этого оказалась большая трудность в
создании машин и механизмов для выправки и рихтовки стрелоч-
ных переводов на плитах, преодолеть которую пока не удалось.
Более удачным оказалось применение железобетонных перевод-
ных брусьев (рис. 8.45). Они выполненяются из предварительно
263
напряженного железобетона с арматурой в виде высокопрочной
стальной проволоки периодического профиля диаметром 3 мм.
У обыкновенного перевода типа Р65 марки 1/11 комплект состоит
из 82 основных брусьев длиной от 2,75 до 5,25 м (всего 11 типораз-
меров с переходом с типа на тип через каждые 0,1 м); у перевода
марки 1/9 — 74, у скоростного перевода Р65 марки 1/11 — 84 бру-
са, а с учетом переходных брусьев к шпалам — соответственно 114,
108 и 106 брусьев.
Эксплуатационные наблюдения показали высокую стабильность
стрелочных переводов на железобетонных брусьях, возможность
применения для их укладки, выправки и рихтовки комплекса ма-
шин и механизмов.
Для обеспечения необходимой упругости на стрелочных перево-
дах с этими брусьями требуется применение под подкладками упру-
гих прокладок. Переводы с железобетонными брусьями необходи-
мо укладывать с высокой точностью, так как выправка стрелочного
перевода, особенно в плане, — сложная и тяжелая работа. Высоко-
точным должен быть и монтаж таких стрелочных переводов. Неко-
торая выправка этих переводов по высоте возможна с помощью про-
кладок. После исчерпания этой возможности регулировочные про-
кладки снимают и производят выправку подбивкой балласта.
Стрелочные переводы с железобетонными брусьями — перспек-
тивная конструкция. Они широко применяются на главных и при-
емо-отправочных путях. Техническая политика на российских же-
264
лезных дорогах предусматривает постепенную замену основания
стрелочных переводов на железобетонные брусья. Для этой цели раз-
работана полная гамма конструкций стрелочных переводов. Еже-
годно 70 % заменяемых стрелочных переводов укладывается на же-
лезобетонные брусья. В настоящее время в пути магистральных же-
лезных дорог уже эксплуатируется более 60 тыс. стрелочных пере-
водов на железобетонных брусьях.
Важным условием применения стрелочных переводов на желе-
зобетонных брусьях является сварка стыков как внутри переводов,
так и на примыкающих к ним рельсах обычного пути во избежание
быстрого износа и развития дефектов рельсов в стыках, а также с
целью улучшения плавности движения поездов. Для выполнения
этого условия остряки стрелки должны быть гибкими, чтобы обес-
печить возможность приварки к их корневой части примыкающих
рельсов, а крестовина с той же целью должна иметь рельсовые окон-
чания. При применении крестовин с подвижным сердечником их
длинный рельс, работающий по главному пути также должен быть
гибким. По боковому пути стрелочных переводов марок 1/11 и 1/9,
где скорости движения ограничены до 40—50 км/ч, рельс сердеч-
ника может быть и поворотным.
8.6. Особенности конструкции скоростных
и высокоскоростных стрелочных переводов
В последние десятилетия на дорогах многих стран все большее
распространение получает скоростное и высокоскоростное движе-
ние. Программой развития российских железных дорог к 2030 г. пре-
дусмотрено реконструировать для обеспечения движения пассажир-
ских поездов со скоростями до 160, 200 и 250 км/ч более 10 тыс. км
путей.
Скоростные стрелочные переводы и съезды для скоростей дви-
жения до 200 км/ч выпускаются серийно и успешно работают более
10 лет на линии Санкт-Петербург—Москва. В конструкции этих
стрелочных переводов и съездов используются стрелка с гибкими
остряками и крестовина с непрерывной поверхностью катания с гиб-
ко-поворотным сердечником. Для обеспечения безопасности при
высоких скоростях движения поездов в конструкциях стрелки и кре-
стовины предусмотрено по одному внешнему замыкателю кляммер-
ного типа. Замыкатели установлены на стрелке в зоне острия ост-
265
ряка, на крестовине — в зоне острия сердечника. Основанием этих
переводов и съездов служат железобетонные брусья. Прикрепление
рельсовых элементов к подкладкам осуществляется с помощью уп-
ругих клемм. Подкладки к железобетонным брусьям закрепляются
типовыми закладными болтами, используемыми в конструкции пути
на железобетонном основании.
Повышение скоростей движения поездов выше 200 км/ч тре-
бует внесения в конструкцию стрелочных переводов существен-
ных изменений. С этой целью разрабатываются специальные вы-
сокоскоростные стрелочные переводы и съезды. Головные образ-
цы таких переводов и съездов уже начали поступать на дороги
(рис. 8.46).
В отличие от стрелочных переводов, предназначенных для ско-
ростей движения до 200 км/ч, конструкция высокоскоростных стре-
лочных переводов предусматривает подуклонку рабочих поверхно-
стей рельсовых элементов стрелочного перевода, равную подуклонке
рельсов перегонных путей. Подуклонка рамных рельсов, рельсов
крестовины и рельсов соединительных путей формируется за счет
применения металлических подкладок специальной конструкции,
Рис. 8.46. Высокоскоростной стрелочный перевод
266
а форма поверхностей катания остряков, сердечника крестовины и
ее усовиков, соответствующая форме рабочих поверхностей рель-
сов с подуклонкой, создается за счет специальной обработки этих
элементов в процессе их изготовления.
Перевод стрелки осуществляется двумя специально разработан-
ными винтовыми электроприводами типа ВСП-Н с различным хо-
дом шибера. Безопасность прохода поездов по стрелке со скоростя-
ми 250 км/ч обеспечивается и контролируется внутренними замы-
кателями электроприводов и двумя внешними замыкателями, уста-
новленными у острия остряков и в конце их остроганной части.
Элементы переводных механизмов и внешних замыкателей распо-
ложены внутри полых металлических брусьев, которые вместо же-
лезобетонных, расположены в местах установки электроприводов
стрелки (рис. 8.47). Такая конструкция стрелки позволяет осуще-
ствлять ее выправку и подбивку полностью машинным способом
без применения ручного труда.
На крестовине (рис. 8.48) для перевода сердечника также ис-
пользуются два винтовых электропривода типа ВСП новой конст-
рукции, внешний замыкатель и фиксатор сердечника (отличные
по конструкции от замыкателей на стрелке). Расположен внешний
замыкатель крестовины у острия сердечника, а фиксатор сердеч-
Рис. 8.47. Стрелка высокоскоростного стрелочного перевода
267
Рис. 8.48. Крестовина высокоскоростного стрелочного перевода
ника — за концом ее усовиков. С целью повышения безопасности
прохода высокоскоростных поездов по крестовине на гибкой
(длинной) ветви сердечника введено дополнительное место фик-
сации ее положения, осуществляемое с помощью дополнитель-
ного механизма с продольной соединительной тягой и рычажным
устройством, усилие на которое передается от второго электропри-
вода крестовины.
Прикрепление рельсовых элементов к подкладкам — упругое, с
помощью клемм усовершенствованной конструкции. В отличие от
скоростного в конструкции высокоскоростного стрелочного перево-
да прикрепление металлических частей к железобетонным брусьям
шурупно-дюбельное (рис. 8.49), что значительно повышает устойчи-
вость и стабильность рельсовой колеи и конструкции в целом.
Непременным условием скоростного и высокоскоростного дви-
жения является включение стрелочных переводов в состав бессты-
кового пути, поэтому конструкции скоростных и высокоскорост-
ных стрелочных переводов предусматривают возможность сварки
стыков самого перевода и приварку его к рельсам примыкающих
путей. Сварка осуществляется непосредственно в пути, алюмино-
268
3
Рис. 8.49. Прикрепление металлических элементов высокоскоростного
стрелочного перевода к брусьям:
/ — упор для клеммы; 2— упругая клемма; 3 — клеммный болт с гайкой; 4 —
распределительная шайба; 5 — упругая шайба; 6 — шуруп
термитным способом, после укладки и выправки стрелочного пере-
вода. Для определения дефектов, сварных стыков, которые могут
возникать при сварке и развиваться в процессе работы стрелочного
перевода, применяется специальная технология ультразвукового
контроля. Для обеспечения возможности такого контроля, отвер-
стия в рельсовых элементах (первые от стыка) при изготовлении
стрелочного перевода не сверлятся, чтобы при дефектоскопии не
получать ложные сигналы от отраженного отверстием луча датчика.
В конструкции стрелок и крестовин скоростных и высоко-
скоростных стрелочных переводов входят противоугонные уст-
ройства, препятствующие угону и взаимному перемещению рель-
совых элементов перевода, однако этого не достаточно, чтобы
компенсировать действие продольных температурных сил, воз-
никающих в примыкающих к стрелочному переводу плетях бес-
стыкового пути.
269
Для компенсации действия температурных сил на стрелочные
переводы, работающие в составе бесстыкового пути, в местах их
примыкания к плетям устанавливают специальные устройства —
стыки уравнительные (рис. 8.50). Основными элементами этого ус-
тройства являются остряк, который приваривается в пути к эле-
менту стрелочного перевода и подвижный рельс, который прива-
ривается к концу плети. Под действием температурных сил под-
вижный рельс перемещается относительно остряка, тем самым
компенсируя действие температурных сил на концевом участке
плети. Геометрия примыкающих друг к другу поверхностей остря-
ка и подвижного рельса рассчитана так, чтобы в нормируемом ди-
апазоне перемещений рельса (±50 мм) параметры рельсовой ко-
леи в зоне расположения уравнительного стыка оставались в пре-
делах нормативных значений.
Рис. 8.50. Стык уравнительный:
/ — рельс подвижный; 2— остряк
Аналогичные по конструкции уравнительные стыки применя-
ются и при устройстве бесстыкового пути на мостах, где они по-
зволяют компенсировать взаимные перемещения примыкающих
плетей до ±150 мм.
270
Контрольные вопросы
1. Какие виды соединений и пересечений рельсовых путей при-
меняются на российских железных дорогах?
2. Из каких основных элементов состоит стрелочный перевод?
3. Назовите основные виды и конструкции крестовин.
4. Назовите основные виды и конструкции стрелок.
5. Назовите основные виды и конструкции контррельсовых уз-
лов.
6. Назовите основные виды оснований стрелочных переводов
российских железных дорог.
7. Каковы особенности конструкции скоростных и высокоско-
ростных стрелочных переводов?
Глава 9. ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ ПУТИ В ЦЕЛОМ
Разработка системы ведения путевого хозяйства должна осно-
вываться на единой стратегии развития всех элементов железнодо-
рожного пути, а для этого необходима классификация пути, учиты-
вающая все факторы, влияющие на его работу. Железнодорожный
путь с комплексом внутренних факторов и внешних воздействий
представляет собой сложную систему, в основе которой лежат про-
цессы разной природы. Классы пути должны учитывать в первую
очередь эксплуатационные условия, т.е. внешние воздействия, а его
типизация и система ремонтов — внутренние факторы — должны про-
тивостоять внутренним воздействиям. В качестве дополнительных
внешних воздействий должны учитываться геологические и клима-
тические воздействия. До 1994 г. на отечественных дорогах в путевом
хозяйстве учитывался, главным образом, один параметр эксплуата-
ционной работы — грузонапряженность. Скорости движения исполь-
зовались в ряде нормативных документов в качестве дополнитель-
ных критериев, а осевые нагрузки практически не учитывались.
В соответствии с ПТЭ 2000 г. верхнее строение пути по прочнос-
ти, устойчивости и состоянию должно обеспечить безопасное и плав-
ное движение поездов со скоростями, установленными на данном
участке. Оно должно соответствовать грузонапряженности, скоро-
стям движения, нагрузкам от колес подвижного состава и учиты-
вать климатические и инженерно-геологические условия работы.
Кроме того, путь должен иметь достаточные резервы дальнейшего
повышения скоростей движения, увеличения нагрузок на оси и рост
грузонапряженности.
Отечественный и зарубежный многолетний опыт эксплуатации
верхнего строения пути убедительно доказал, что его классическая
конструкция — рельсошпальная решетка на щебеночном балласте
является надежной как в современных эксплуатационных услови-
ях, так и на ближайшую перспективу. Однако до сих пор не решена
проблема создания равноупругого подрельсового основания и со-
здания оптимальной упругости пути. Зарубежными исследователя -
272
Рис. 9.1. Примерное распределение (в %) влияния каждого элемента железно-
дорожного пути на его упругость:
а — на деревянных шпалах; б — на железобетонных шпалах; 1 — рельсы; 2 —
подрельсовые прокладки; 3 — шпалы; 4 — балласт; 5 — основная площадка
земляного полотна
ми представлена схема степени участия (в %) каждого элемента пути
в создании суммарной упругости пути (рис. 9.1).
Типы верхнего строения пути устанавливались, как правило, в за-
висимости от уровня грузонапряженности на участке. В 1959 г. на
железных дорогах СССР были введены четыре типа верхнего строе-
ния (табл. 9.1).
Таблица 9.1
Тйпы и конструкции верхнего строения пути
Грузонапря- женность, млн т брутто Тип верхнего строения пути Тип рельса Тип и эпюра деревянных шпал Балласт, толщина балласта и песча- ной подушки, см
Более 50 I-особотяжелый Р75 I, 1840/2000 Щебень и сорт, гравий, 35/20
25-50 II-тяжелый Р65 1 и II, 1840/2000 То же, 35/20
10-25 Ш-средний Р50 I и II, 1840 То же, 25/20
Менее 10 IV-легкий Р43 II и III, 1600/1840 То же, 25/20
Примечание. Кроме деревянных, можно укладывать железобетонные шпа-
лы. Кроме рельсов Р43, можно укладывать старогодные рельсы не легче типа
Р50.
273
В соответствии с «Положением о системе ведения путевого хо-
зяйства на железных дорогах Российской Федерации», приказом
№ 12Ц в 1994 г. установлена новая классификация эксплуатируемо-
го верхнего строения пути в соответствии с эксплуатационными
условиями (табл. 9.2). По грузонапряженности все пути разделяются
на 5 групп, а по допускаемым скоростям — на 7 категорий, обозна-
ченных соответственно буквами и цифрами. Классы путей, представ-
ляющие собой сочетание групп и категорий, обозначены цифрами.
Например, путь 1Б2 — относится к 1 классу группы Б, 2-й категории.
Классы путей утверждаются: 1-й и 2-й — департаментом пути и
сооружений ОАО РЖД по представлению железной дороги, 3—5-й
классы — начальником железной дороги. Указанное Положение рас-
пространяется на участки обращения поездов с допускаемыми ско-
ростями до 140 км/ч — пассажирских; до 90 км/ч — грузовых с
осевыми нагрузками, не превышающими 235 кН, — для 4-осных
вагонов; 220 кН — для 6- и 8-осных; 250 кН — для локомотивов. На
участках обращения поездов, где установлены скорости и осевые
нагрузки, превышающие указанные, эксплуатация пути осуществ-
ляется со специальными техническими требованиями.
Таблица 9.2
Классы пути
Группа пути Грузонапряженность млн т км брутто на км в год Категория пути — допускаемые скорости движения поездов, км/ч (числитель — пассажирских, знаменатель — грузовых)
1 2 3 4 5 6 7
121-140 101-120 81-100 61-80 41-60 40 и менее Станционные, подъездные и прочие пути
>80 >70 >60 >50 >40
Главные пути
А Более 100 1 1 1 1 1 2 5
Б 51-100 1 1 1 2 2 3 5
В 26-50 1 1 2 2 3 3 5
Г 11-25 1 2 3 3 3 3 5
д 6-10 2 3 3 3 4 4 5
Е 5 и менее 3 3 3 4 4 4 5
274
Технические требования и нормативы по конструкции, типам и
элементам верхнего строения пути, укладываемым при реконструк-
ции и капитальном ремонте пути, приведены в табл. 9.3.
Таблица 9.3
Технические требования и нормативы по конструкциям, типам и элементам пути
для реконструкции и капитального ремонта
Класс пути
1 2 3 4 1 5
1. Конструкция верхнего строения пути
Бесстыковой путь на железобетонных шпалах1 Звеньевой путь на ж.-б. шпалах
2. Типы и характеристика верхнего строения пути
Рельсы Р65 новые, термоупроч- ненные Рельсы Р65 старо годные 1 и 11 группы годности, ре- проф кодирован- ные1 2 Рельсы Р653 старогодные
Категории В иТ1 Категории Т1 и Т2 II и III группы годности Ill группы годности
Скрепления новые Скрепления новые и старогодные (в том числе отремонтированные), укладываемые в объе- мах, установленных ТУ на ремонт и выправку пути
Шпалы новые железобетонные 1-го сорта Шпалы железобетонные старогодные4
Балласт щебеночный5 с толщиной слоя под ж.-б. / деревянны- ми шпалами Балласт всех типов под шпалой не менее 20 см
40 см/35 см 30 см/25 см
Размеры балластной призмы — в соответствии с типовыми поперечными профилями
3. Виды работ при замене верхнего строения пути
Реконструкция пути Капитальный ремонт пути
1 Применение звеньевого пути на деревянных шпалах согласовывается с
Департаментом пути и сооружений ОАО РЖД. При этом на путях 1—3-го клас-
сов деревянные шпалы должны быть 1 типа.
2 В зависимости от баланса на железной дороге старогодных рельсов I и
11 групп годности допускается укладка по согласованию с Департаментом пути
275
и сооружений: на путях 2-го класса групп Г и Д старогодных репрофилиро-
ванных рельсов 1 группы годности; на путях 3-го класса новых рельсов кате-
гории TI и Т2.
3 Для звеньевого пути на деревянных шпалах — не легче Р50.
4 При недостатках старогодных деревянных шпал новые железобетонные
1-го сорта — на путях 3-го класса. Новые 2-го сорта — на путях 4 и 5-го классов,
при недостатке новых железобетонных шпал 2-го сорта — новые 1-го сорта;
при недостатке старогодных и новых железобетонных шпал — новые деревян-
ные.
5 По согласованию с Департаментом пути и сооружений допускается на пу-
тях 3—5-го классов укладка асбестового балласта.
На зарубежных железных дорогах классификации путей имеют
разнообразный характер. МСЖД рекомендует классификацию
условий работы пути по двум параметрам — нагрузки на ось и по-
гонные нагрузки на путь (табл. 9.4).
Таблица 9.4
Классификация путей МСЖД
Категория пути Нагрузка на ось, тс Погонная нагрузка, тс/м
А 16,0 5,0
В1 18,0 5,0
В2 18,0 6,4
С2 20,0 6,4
СЗ 20,0 7,2
С4 20,0 8,0
Д2 22,0 6,4
ДЗ 22,5 7,2
Д4 22,6 8,0
По этим параметрам создается единый перечень категорий ли-
ний. Линии, открытые для международных перевозок, должны иметь
категорию, как минимум В1.
Типизация верхнего строения пути на железных дорогах Канады
определяет категорию пути в зависимости от грузонапряженности
и скоростей движения (табл. 9.5).
276
Таблица 9.5
Категории пути железных дорог Канады
Категория пути Объем перевозок, млн т в год Скорость движения поездов, км/ч
грузовых пассажирских
1 25 и более 80 и более 139 и более
2 15-25 80 и более 100-130
3 5-15 65-80 80-100
4 1-5 40-65 65-80
5 Менее 5 Менее 40 Менее 65
Наиболее подробно типизация верхнего строения пути разрабо-
тана на железных дорогах США, которая учитывает осевые нагруз-
ки (табл. 9.6).
Таблица 9.6
Тйпы верхнего строения пути на железных дорогах США
Эксплуатационные параметры Тип верхнего строения пути
Очень тяжелый Тяжелый Средний Легкий
Осевая нагрузка, тс 35,4 32,7 29,9 27,3
Максимальная скорость, км/ч 85-130 80-120 80-120 65-100
Грузонапряженность, млн т брутто 46-136 24-45 10-23 1-9
Кроме указанной, действует отдельная классификация по ско-
ростям движения, применяемая для установления нормативов бе-
зопасности движения поездов.
Правилами технической эксплуатации железных дорог Россий-
ской Федерации (2000 г.) допускаются максимальные скорости гру-
зовых поездов 90 км/ч, рефрижераторных — 120 км/ч, пассажир-
ских — 140 км/ч. Однако, допускаемые скорости движения поездов
зависят от состояния пути и эксплуатационных условий работы.
Начальник железной дороги ежегодно подписывает приказ о допус-
каемых скоростях движения по каждому участку дороги.
На участках скоростного движения пассажирских поездов уста-
новлены два этапа повышения скоростей движения — 140—160 км/ч
277
и 160—200 км/ч. Поскольку на этих участках организовано смешен-
ное движение пассажирских и грузовых поездов, то возникают серь-
езные проблемы как по организации движения, так и по устройству
и содержанию пути. Необходимо, по возможности, максимально
сократить разрыв между скоростями пассажирских и грузовых поез-
дов. Нормы и допуски по устройству и содержанию пути должны
отражать специфику работы этих участков.
На участках высокоскоростного движения установлены скорос-
ти пассажирских поездов более 200 км/ч, а верхний предел не оп-
ределен. Во Франции на высокоскоростной магистрали TGV
допускается скорость 350 км/ч. На участках высокоскоростного
движения укладываются специальные конструкции пути.
Стратегические направления научно-технического прогресса же-
лезных дорог России предусматривают повышение осевых нагру-
зок до 25—30 т, скоростей движения специализированных грузовых
поездов до 140 км/ч, повышение веса грузовых поездов и расшире-
ние полигонов тяжеловесного движения. Очевидно, что это потре-
бует пересмотреть классификацию пути с учетом изменяющихся эк-
сплуатационных показателей перевозочного процесса. Необходимо
разработать типизацию верхнего строения пути для скоростного и
высокоскоростного движения.
Опыт эксплуатации пути высокоскоростных магистралей позво-
ляет сформулировать общие требования к конструкции бесстыко-
вого пути для движения по нему пассажирских экспрессов.
Первое требование — это практически полная ликвидация сты-
ков как на границах блок-участков, так и в примыкании к стрелоч-
ным переводам. Применение тональной автоблокировки позволяет
укладывать рельсовые плети длиной, равной перегону. Все стыки
стрелочного перевода должны быть сварными, рельсовая плеть дол-
жна соединяться со стрелочным переводом сварными стыками или
с помощью уравнительных приборов.
Второе требование — поверхность катания головки рельсовых
плетей должна иметь высокую прямолинейность. Это достигается
повышением требований к качеству рельсов, выпускаемых завода-
ми, а также системой профильной шлифовки рельсов в пути.
Третье требование — верхнее строение пути должно укладывать-
ся только на земляное полотно с высокой степенью надежности.
278
На рис. 9.2 показаны поперечные профили верхнего строения
пути и верхней части насыпи на реконструированной скоростной
магистрали Санкт-Петербург—Москва. Ширина насыпи — 13 м,
расстояние между осями путей 4,5 м, уклон откосов насыпи —1:1,75.
Верхний защитный слой насыпи из дренирующего материала отде-
лен от остального тела насыпи геотекстелем. Такой слой устраива-
ется, если существующее земляное полотно уложено из недрениру-
ющих грунтов. Толщина слоя должна быть достаточной, чтобы гли-
нистый или суглинистый грунт не промерзал (при суглинках 0,8—
1,0 м, супесях 0,5—0,7 м). Сам защитный слой отсыпается из из
различных песчаных смесей с коэффициентом фильтрации не ме-
нее 0,5 м/сут.
Высокоскоростные сообщения становятся обычными во все боль-
шем числе стран — действуют в 10 странах, в других — строятся или
проектируются. Эти магистрали могут быть представлены несколь-
кими видами:
— вновь построенные специализированные линии, предназначен-
ные исключительно для движения пассажирских поездов с макси-
мальной скоростью не менее 200 км/ч;
— реконструированные линии, на которых возможно движение
пассажирских поездов со скоростью 200—220 км/ч на протяжении
всей линии или на отдельных участках;
— реконструированные линии, на которых возможно движение
поездов из вагонов с наклоняемыми кузовами со скоростью 200—
230 км/ч на протяжении всей линии или на отдельных участках;
Рис. 9.2. Поперечный профиль верхнего строения пути на реконструирован-
ной скоростной магистрали Санкт-Петербург—Москва:
/ — защитный слой; 2 — геотекстиль
- вновь построенные специализированные линии, предназначен-
ные исключительно для движения поездов с максимальной скорос-
тью не менее 270—300 км/ч (Япония, Франция, Германия).
Верхнее строение пути на высокоскоростных магистралях боль-
шинства стран имеет много общего:
— бесстыковой путь с рельсами тяжелого типа, как правило
UIC 60;
— пружинные рельсовые скрепления, в основном безболтового
типа с возможностью регулировки ширины колеи и положения рель-
са по уровню;
— ширина рельсовой колеи 1435 мм позволяет создать единую
европейскую сеть высокоскоростного движения.
Существуют различия — в конструкциях шпал и блочного под-
рельсового основания:
- рельсошпальная решетка с двухблочными железобетонными
шпалами укладывается на щебеночную балластную призму в основ-
ном во Франции и в меньшей мере в других странах, но большее
распространение получила рельсошпальная решетка с одноблочны-
ми шпалами в Германии, Италии, Испания и др. (рис. 9.3);
— безбалластный путь с предварительно изготовленными в за-
водских условиях железобетонными рамами или плитами длиной
Рис. 9.3. Железнодорожный путь высокоскоростной магистрали с рельсо-
шпальной решеткой с одноблочными шпалами на балласте
280
Рис. 9.4. Железнодорожный путь высокоскоростной магистрали на блочном
безбалластном основании (Германия)
около 5 м укладывают на бетонное основание, формируемое на
месте путем непрерывной заливки смеси в подвижную опалубку
(рис. 9.4). Такой путь принят в Японии, Германии и некоторых
других странах.
Контрольные вопросы
1. Какие эксплуатационные параметры определяют класс верх-
него строения пути?
2. Какие конструкции верхнего строения укладывают на пути раз-
личных классов?
3. Перспективы развития конструкций верхнего строения пути
при повышении скоростей движения, осевых нагрузок и весов по-
ездов.
Часть II
ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО
Глава 10. ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО НОВЫХ
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
10.1. Общие сведения
10.1.1. Назначение земляного полотна и требования к нему
Земляное полотно — это один из основных элементов конструк-
ции железнодорожного пути, представляет собой инженерное соору-
жение из грунта. На земляном полотне размещается верхнее строе-
ние железнодорожного пути, и оно также обеспечивает придание же-
лезнодорожному пути необходимых параметров плана и профиля
линии, выравнивая в пределах трассы земную поверхность. Земля-
ное полотно является несущей конструкций железнодорожного пути,
воспринимая статические нагрузки от верхнего строения пути и ди-
намические от подвижного состава, должно упруго передавать их на
основание. Поэтому от его надежности зависят основные эксплуата-
ционные параметры: техническая скорость движения поездов и мак-
симально разрешаемая статическая нагрузка подвижного состава, ко-
торые определяют провозную и пропускную способность линии.
Особенностью земляного полотна является то, что оно сооружа-
ется из грунта, свойства которого неоднородны в пространстве и из-
меняются во времени, существенно завися от природных условий.
Основной нормативно-технической литературой в части земля-
ного полотна железных дорог является:
— при проектировании и строительстве нового земляного полот-
на — СНиП 32-01-95 «Железные дороги колеи 1520 мм и СП 32-
104-98 «Проектирование земляного полотна железных дороги колеи
1520 мм: свод правил по проектированию»;
— при проектировании новых железнодорожных линий и усиле-
нии (реконструкции) земляного полотна — СТН Ц-01-95 «Желез-
282
ные дороги колеи 1520 мм» — строительно-технические нормы Ми-
нистерства путей сообщения Российской Федерации;
- при содержании земляного полотна — «Инструкция по содер-
жанию земляного полотна железнодорожного пути» ЦП-544, утвер-
ждена МПС России в 1998 г.
К земляному полотну предъявляются следующие основные тре-
бования'.
— оно должно быть прочным, устойчивым, надежным и долго-
вечным при пропуске современных и перспективных типов подвиж-
ного состава с максимальными скоростями, расчетными весом, дли-
ной и интенсивностью движения;
— все поверхности земляного полотна, его устройств и полосы
отвода должны быть спланированы и защищены так, чтобы атмо-
сферная вода нигде не застаивалась и был обеспечен ее сток в сто-
роны или водоотводные сооружения, а текущая вода не размывала
бы откосы и основание;
— конструкции земляного полотна должны обеспечивать мини-
мальные расходы на их сооружение, ремонт и содержание с приме-
нением максимальной механизации и автоматизации работ.
При этом принимается ряд понятий, характеризующих земляное
полотно:
— под прочностью понимается прочность грунтов его слагающих,
т.е. способность их воспринимать действующие нагрузки без разру-
шения;
- под устойчивостью конструкции понимается его способность
сохранять равновесие грунтовых масс при воздействии внешних на-
грузок и гравитационных сил;
— под надежностью понимается его способность работать без от-
казов в течение заданного срока эксплуатации;
— под долговечностью понимается его способность сохранять
свои эксплуатационные качества в течение как можно большего
времени.
Как видно из приведенных формулировок, свойство прочности
относится к материалу — грунту, а остальные свойства определяют
требования к конструкции земляного полотна. Кроме того, норма-
ми предусматривается при строительстве новых и реконструкции
существующих железнодорожных линий обеспечивать ограничение
283
до допустимых значений величин равномерного морозного пучения
и упругих осадок основания на болотах, определяемых в зависимос-
ти от категории линии (табл. 10.1).
Таблица 10.1
Величины допустимых деформаций
Вид деформации Допустимая величина деформации в мм при категории линии
Скоростные, особогрузо- напряженные, 1 и II категории III катего- рии IV катего- рии
Равномерное морозное пучение 20 25 35
Упругая осадка основа- ния насыпи на болоте 2 2 3
При проектировании земляного полотна принимают комплекс-
ные решения, в результате которых определяют:
— конструкции земляного полотна в зависимости от категории
железнодорожной линии, топографических, инженерно-геологи-
ческих и природных условий, а также способов производства ра-
бот;
— грунт насыпей с учетом вида и состояния грунтов основания,
высоты проектируемой насыпи, а также разведанных запасов грунта
и дальности их возки;
- вид и конструкции водоотводных устройств, соответствую-
щих расчетным расходам воды, а также гидрогеологическим усло-
виям;
- типы укрепления поверхностей земляного полотна и водоотво-
дов с учетом местных условий;
- комплекс устройств, обеспечивающих защиту земляного полот-
на от вредного воздействия природных факторов.
10.1.2. Состав и типы земляного полотна
Земляное полотно должно рассматриваться как комплекс инже-
нерных сооружений, в состав которых входит:
- собственно земляное полотно (насыпи, выемки, нулевые места
и т.д.);
284
— устройства для отведения поверхностных и грунтовых вод (ка-
навы, лотки, дренажи и т.д.);
— защитные сооружения для сохранения земляного полотна от
повреждений или разрушений при неблагоприятных природных
воздействиях и явлениях (подпорные и волноотбойные стены, тра-
версы и струенаправляющие дамбы, противолавинные и противо-
селевые сооружения и т.д.);
— укрепительные сооружения откосов (плитные покрытия, ка-
менные наброски, сетчатые конструкции и т.д.).
Земляное полотно является линейным сооружением, поэтому
основную часть его проекта составляет поперечный профиль — инже-
нерно-геологический разрез, перпендикулярный продольной оси
линии. К собственно земляному полотну относят насыпные грун-
ты, формирующие его профиль.
Верхняя поверхность земляного полотна, на которой располага-
ется верхнее строение пути и через которую передаются воздействия
подвижного состава, называется основной площадкой, является глав-
ным элементом земляного полотна. Откосами называются искусст-
венно созданные наклонные поверхности грунта (откосы насыпей,
откосы выемок), ограничивающие естественный грунтовой массив.
Линия сопряжения основной площадки с откосом называется бров-
кой пути.
Применяются следующие типы поперечных профилей земля-
ного полотна (рис. 10.1): насыпи, выемки и нулевые места (услов-
но принято при рабочих отметках от — 1 до +1 м), а для участков на
косогорах могут быть еще: полунасыпи, полувыемки и полунасы-
пи-полувыемки.
Полунасыпъю называется насыпное земляное полотно, у ко-
торого одна бровка основной площадки лежит на поверхности
земли.
Полувыемкой называется земляное полотно, имеющее с одной
стороны откос выемки, а с другой бровку основной площадки, ле-
жащую на поверхности земли.
В полунасыпях-полувыемках основная площадка образована
частично подсыпкой, а частично срезкой грунта земной поверх-
ности.
Различают типовые, групповые и индивидуальные конструкции
земляного полотна.
285
Рис. 10.1. Типы земляного полотна:
а — насыпь; б — выемка; в — нулевое место; г — полунасыпь; д — полувыемка;
е — полунасыпь-полувыемка; 1 — основная площадка; 2 — собственно земля-
ное полотно; 3 — основание; 4 — откосы
Типовые конструктивные решения представляют собой типовые
поперечные профили земляного полотна, регламентируемые нор-
мативными документами. Они созданы в результате обобщения мно-
голетнего опыта проектирования и эксплуатации. Эти решения при-
нимаются без обоснования их инженерными расчетами, но с при-
вязкой к местным условиям, иногда специфическим, но уже хоро-
шо изученным.
Такие решения применяют при выполнении следующих требо-
ваний:
— простые инженерно-геологические и гидрогеологические ус-
ловия;
— возведение полотна из обычных грунтов (дренирующие, гли-
нистые твердой, полутвердой и тугопластичной консистенции — по-
казатель текучести JL < 0,50);
286
- прочное основание с косогорностью не круче 1:5 при скальных
грунтах и 1:3 — при нескальных;
— рабочие отметки земляного полотна до 12 м (до 6 м при глини-
стых грунтах с 0,25 <JL< 0,50 и до 20 м в скальных слабовыветрива-
ющихся грунтах);
- некоторые сложные инженерно-геологические условия, но с
ограничением состояния грунтов и геометрических размеров (напри-
мер, насыпи на болотах глубиной до 3—4 м).
Групповые конструкции разрабатываются для применения на
ряде участков со сложными и многократно повторяющимися на
рассматриваемой линии инженерно-геологическими условиями.
При этом параметры земляного полотна, уточненные расчетами в
сравнении с типовыми конструкциями, не требуют индивидуаль-
ного обоснования для каждого объекта.
Индивидуальные проектные решения разрабатывают для слож-
ных объектов, сооружаемых в сложных инженерно-геологических
и топографических условиях. Для составления этих проектов про-
изводят детальные инженерно-геологические изыскания, опре-
деляют физико-механические и прочностные характеристики
грунтов и принимаемые решения обосновывают инженерными
расчетами.
10.2. Требования к грунтам для земляного полотна
и типы оснований
10.2.1. Классификация грунтов
Грунты, используемые для отсыпки насыпей, а также грунты, в
которых вскрываются выемки, классифицируются в соответствии с
ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация».
В зависимости от их происхождения они разделяются на при-
родные и техногенные грунты. Насыпи отсыпаны из техногенных
грунтов.
Природные и техногенные грунты подразделяются на скальные;
дисперсные; мерзлые.
Скальные грунты характеризуются жесткими структурными свя-
зями (кристаллизационными и цементационными) и классифици-
руются по прочности, плотности, выветрелости, размягчаемости,
растворяемости в воде и ряду других параметров.
287
Одной из важнейших характеристик скальных грунтов, опре-
деляющей конструкции земляного полотна, является их способ-
ность к выветриванию, трещиноватости и блочности, которая оп-
ределяется коэффициентом выветрелости, представляющим со-
бой отношение удельного веса выветрелого грунта к удельному
весу невыветрелого грунта, и характеризует степень разупрочне-
ния скального грунта под действием природных и техногенных
факторов.
По выветрелости различают скальные грунты:
- невыветрелые (монолитные);
— слабовыветрелые (трещиноватые);
- выветрелые (скопление кусков, переходящее в трещиноватую
скалу);
— сильновыветрелые (рухляки).
Дисперсные грунты подразделяются на связные и несвязные.
К группе связных грунтов относится широкий круг осадочных
образований:
— минеральные — глинистые (классифицируются по пластично-
сти, консистенции, засоленности, набухаемости, просадочности,
пучинистости и т.д.);
— органо-минеральные — илы, сапропели, заторфованные
грунты;
- органические — торфы.
Глинистые грунты — высокодисперсные грунты, содержащие гли-
нистые минералы, которые определяют структурные связи между
частицами; их характерной чертой является резкое изменение проч-
ности при взаимодействии с водой, поэтому они различаются в за-
висимости от числа пластичности (табл. 10.2) и степени влажности
или консистенции (табл. 10.3).
Таблица 10.2
Разновидность глинистых грунтов
Грунт Супесь Суглинок Глина
Число пластичности Jp От 0,01 до 0,07 (включительно) Больше 0,07 до 0,17 (включительно) Больше 0,17
Число пластичности J=W, — ИС, где W, и ИС — влажности грунта
Lt Р* £> U
на границе текучести и раскатывания соответственно.
288
Консистенция глинистых грунтов определяет прочность и устой-
чивость земляного полотна, характеризуется показателем текучести
JL, который определяется как JL = (РК— И^)//р, где W— влажность
грунта.
Таблица 10.3
Консистенция глинистых грунтов
Грунты Консистенция Значения JL
Супеси Твердая JL<0
Пластичная
Текучая JL> 1,00
Суглинки и глины Твердая Л<о
Полутвердая 0< Jl<0,25
Тугопластичная 0,25 < JL < 0,50
Мягкопластичная 0,50 < JL < 0,75
Текучепластичная 0,75 < JL< 1,00
Текучая J£>1
Глинистые грунты, несмотря на свою достаточно высокую пори-
стость, характеризуются низкой водопроницаемостью и являются
недренирующими грунтами.
Несвязные грунты объединяют в группу, включающую осадочные
и вулконогенно-осадочные крупнообломочные и песчаные грунты,
которые классифицируются по гранулометрическому составу, одно-
родности и степени дренирования. Несвязные грунты в отличие от
связных грунтов имеют очень слабые связи между обломками и от-
дельными зернами в сухом состоянии, вследствие чего они пред-
ставляют собой сыпучие грунты и характеризуются существенно
другими свойствами. Так, в большинстве случаев им свойственна
высокая водопроницаемость за счет преобладания пор крупных раз-
меров. Несвязные грунты обладают высоким внутренним трением,
они слабо уплотняются статическими нагрузками и сильно уплот-
няются при динамических нагрузках. Свойства несвязных грунтов
289
существенно зависят от гранулометрического состава, т.е. соот-
ношения частиц разных фракций. По гранулометрическому со-
ставу крупнообломочные грунты и пески подразделяются соглас-
но табл. 10.4.
Таблица 10.4
Разновидности несвязных грунтов
Разновидность грунтов Размер частиц, мм Содержание частиц, % по массе
Крупнообломочные:
валунный (глыбовый) >200 >50
галечниковый (щебенистый) >10 >50
гравийный (дресвяный) >2 >50
Пески:
гравелистый >2 >200
крупный >0,5 >50
средней крупности >0,25 >50
мелкий >0,10 >75
пылеватый >0,10 >75
Несвязные грунты также классифицируют по однородности в
зависимости от степени неоднородности Си.
Си = ^бо/^Ю’
где — линейный размер частиц, которых в грунте по массе содержится ме-
нее 60 %;
— линейный размер частиц, которых в грунте по массе содержится мень-
ше 10 %.
Величины и J|0 определяют из кривых зернового состава, по-
лученных лабораторным путем.
При показателе Си > 3 пески считаются неоднородными. При
строительстве земляного полотна они являются предпочтительны-
ми, так как лучше уплотняются и более устойчивы к восприятию
динамических нагрузок.
Дисперсные грунты в соответствии с СТН Ц-01-95 по водопрони-
цаемости делятся на дренирующие и недренируюшие.
290
К дренирующим грунтам относятся грунты, имеющие при макси-
мальной плотности по стандартному уплотнению коэффициент
фильтрации Лф больше 0,5 м/сут и содержащие в гранулометричес-
ком составе не более 10 % частиц размером менее 0,1 мм.
Важной характеристикой для классификации дисперсных грун-
тов при их использовании в конструкциях земляного полотна или
залегании в основании является их способность к морозному пуче-
нию — свойству грунтов, когда при замерзании влаги в его порах
происходит увеличение объема грунта. Способность к пучению ха-
рактеризуется степенью морозной пучинистости (интенсивностью
пучения), по которой согласно ГОСТ 25100-95 грунты разделяют на
4 разновидности (табл. 10.5).
Природные мерзлые грунты отличаются содержанием в своем
составе льда в форме видимых включений и (или) льда-цемента,
создающих криогенные структурные связи. Эти грунты харак-
теризуются отрицательной температурой и распространены в кри-
олитозоне Земли (территория, где распространена мерзлота), а так-
же в холодное время года в области с сезонным промерзанием почв
и пород. Учитывая, что более 2/3 территории России находится
в криолитозоне, а на остальной ее части верхний слой грунтово-
го массива в течение холодного периода (от 1 до 6 мес) находится
в мерзлом состоянии, можно говорить о важности этого класса
грунтов.
В классификации природных мерзлых грунтов выделяют группы
скальных промерзших грунтов, дисперсных промерзших грунтов и
грунтов ледяных. Основные прочностные и деформационные свой-
ства мерзлых грунтов определяются их температурой, льдистостью
и криогенной текстурой.
Таблица 10.5
Классификация грунтов по степени морозного пучения
Разновидность грунтов Относитель- ная деформа- ция пучения Характеристика грунтов
1 2 3
Практически непучинистый < 0,01 Глинистые при IL < 0. Пески гравелистые, крупные и средней крупности, пески мелкие и пылеватые
291
Окончание табл. 10.5
1 2 3
при Sr< 0,6, а также пески мелкие и пылеватые содержащие менее 15 % по массе частиц менее 0,05 мм (независимо от значения 5Г). Крупнообломочные грунты с заполните- лем до 10 % по массе
Слабопучинистый 0,01-0,035 Глинистые при 0 < IL < 0,25. Пески мелкие и пылеватые при 0,6 < Sr < 0,8. Крупнообломочные грунты с заполните- лем (глинистым, песком мелким и пыле- ватым) от 10 до 30 % по массе
Среднепучинистый 0,035-0,07 Глинистые при 0,25 < 1L < 0,50. Пески мелкие и пылеватые при 0,80 < Sr< 0,95. Крупнообломочные грунты с заполните- лем (глинистым, песком мелким и пыле- ватым) более 30 % по массе
Сильнопучинистый и чрезмерно пучи- н истый > 0,07 Глинистые при IL > 0,50. Пески мелкие и пылеватые при Sr > 0,95
Примечания. 1. /д — показатель текучести для глинистых грунтов.
2. коэффициент водонасыщения песков.
3. Заполнителем считаются частицы 2 мм и менее.
10.2.2. Особые разновидности грунтов
К особым разновидностям грунтов относят грунты, которые
имеют либо исходно малую прочность, либо значительно умень-
шающуюся в ходе эксплуатации под воздействием природных или
техногенных факторов, что необходимо учитывать при строитель-
стве.
Среди скальных (полускальных) пород к особым разновиднос-
тям следует относить размягчаемые, легкорастворимые, с высокой
пористостью грунты:
— мел — осадочная карбонатная порода, с пористостью 30—55 %,
при замачивании быстро размокает и теряет прочность, подверга-
ется интенсивному выветриванию;
292
— аргиллиты и алевролиты — осадочные метаморфические поро-
ды с преобладанием пылеватых и глинистых частиц, вскрытые под-
вергаются интенсивному выветриванию, набухают, при замачива-
нии резко снижают прочность и склонны к пучению;
— трепел — полускальная высокопористая (до 65 %) кремнезем-
ная порода, содержащая глинистые частицы, имеет низкую проч-
ность, размокает в воде.
- Среди дисперсных пород к особым разновидностям следует от-
носить:
— лёсс и лёссовидные грунты — пылеватые грунты, содержащие
более 50 % частиц фракции 0,05—0,005 мм и обладающие высокой
пористостью и наличием макропор, при увлажнении дают значи-
тельную просадку;
— жирные глины — глины, имеющие число пластичности больше
27 % и склонные к набуханию при увлажнении и усадке при высы-
хании с значительным изменением объема;
- илы и сапропели — неуплотненные озерные и морские органо-
минеральные отложения с коэффициентом пористости 1,0 и более,
для них характерны сильная сжимаемость и внезапная потеря проч-
ности после нарушения естественных структурных связей; особой
разновидностью морских илов являются иолъдиевые глины — имею-
щие большую естественную влажность и малую плотность;
— засоленные грунты — супеси и суглинки, имеющие легкораст-
воримые хлористые соли, которые резко снижают прочность при
увлажнении;
- торф — порода, содержащая более 60 % растительных остат-
ков, отличающаяся большой сжимаемостью и влажностью при низ-
ком удельном весе.
10.2.3. Грунты для насыпей
Земляное полотно — это грунтовое сооружение, поэтому его проч-
ность, устойчивость, надежность и экономичность напрямую связа-
ны со свойствами грунтов, из которых оно сооружено. Для сооруже-
ния земляного полотна рекомендуется использовать местные грун-
ты. При этом для возведения насыпей разрешается использовать
практически большинство местных грунтов, в том числе техноген-
ные грунты (отходы производства, металлургические шлаки, мате-
риалы породных отвалов).
293
Грунты, состояние и свойства которых существенно изменяются
под действием природных факторов, допускаются к использованию
с учетом ограничений.
Не допускается применять для отсыпки насыпей следующие
грунты:
— глинистые с влажностью выше допустимой величины, при ко-
торой может быть обеспечена нормируемая плотность (допусти-
мая влажность устанавливается по кривой стандартного уплотне-
ния);
— глинистые избыточно засоленные и сильнонабухающие, жир-
ные глины;
— торф, ил, мел, заторфованные грунты с содержанием более 15 %
органических веществ;
— заторфованные грунты с содержанием 10—15 % органических
веществ для верхнего 3-метрового слоя насыпи;
- заторфованные грунты с содержанием 3—10 % органических
веществ для верхнего слоя насыпи толщиной 1 метр;
— грунты, содержащие гипс в количестве, превышающем 30 % —
для насыпей на сухом основании, превышающем 20 % — для насы-
пей на мокром основании и превышающем 5 % — для подтопляемых
насыпей.
10.2.4. Нормы уплотнения грунтов земляного полотна
Для обеспечения надежности конструкций земляного полотна и
расширения сферы применения местных грунтов производится уп-
лотнение грунтов до нормируемой плотности в насыпях, а также под
основной площадкой в выемках, на нулевых местах и основаниях
насыпей. При сооружении насыпей плотность сложения грунтов
принимается из условия работы его под действием временных по-
ездных нагрузок практически в упругой стадии, т.е. в ходе эксплуа-
тации грунт насыпи не должен иметь остаточных деформаций в виде
осадок.
Требуемая плотность песчаных и глинистых грунтов сложения в
земляном полотне регламентируется нормами СНиП 32-01-95 и
СТН Ц-01-95. Регламент распространяется на насыпи и верхний
слой оснований или слой грунта под основной площадкой выемок
толщиной 0,5 м, где возможно выполнить уплотнение грунта с по-
верхности. Эти нормы устанавливают значения требуемой плотно-
294
сти сухого грунта р^н в долях от максимальной плотности сухого
грунта р^.тах, определяемой по кривой стандартного уплотнения
грунтов:
P?=%№ <101)
где К — минимальное значение коэффициента уплотнения, определяемое в
зависимости от категории линии и расположения слоя грунта в земляном по-
лотне.
Кривая стандартного уплотнения получается в приборе стандарт-
ного уплотнения при серии испытаний с грунтом, из которого бу-
дет состоять земляное полотно, и представляет собой зависимость
плотности сухого грунта при изменении его влажности Ж Значе-
ние К изменяется от 1,03 для скоростных и особогрузонапряжен-
ных линий до 0,90 в нижней части насыпей линий III и IV катего-
рий (табл. 10.6).
Таблица 10.6
Минимальное значение коэффициента уплотнения
Вид земляного полотна Скоростные и особогрузонапря- женные линии Линии I, 11 категорий и дополнительные главные пути Линии III и IV категорий
Глубина слоя*, м Коэф- фици- ент К Глубина слоя*, м Коэф- фици- ент К Глубина слоя*, м Коэф- фици- ент К
Насыпь верхняя часть до 0,5 1,03 до 1,0 0,98 (0,95**) до 0,5 0,95 (0,92**)
нижняя часть более 0,5 0,98-1,0 более 1,0 0,95 (0,9**) более 0,5 0,95”‘ (0,90)
Выемки, основания насыпей до 0,5 м 0,5 1,03 0,5 0,98 (0,95**) 0,5 0,95 (0,92**)
* Глубина слоя измеряется от уровня основной площадки.
** Для однородных песков;
На участках с сильно пересеченным рельефом, на участках периодичес-
кого подтопления насыпей, а также в пределах 100 м на подходах к мостам.
Коэффициент уплотнения в верхнем слое толщиной до 0,5—1,0 м,
где значительнее сказывается воздействие от подвижного состава,
принимается выше, чем для остальной толщи насыпи. Грунты на-
сыпей послойно уплотняются до достижения нормируемой плот-
295
ности, которая принимается постоянной по всей ширине слоя. Тол-
щина слоя уплотняемого грунта h зависит от его влажности и типа
уплотняющего средства. При отсыпке грунта следует выдерживать
его влажность близкой к значениям оптимальной влажности И/опт,
полученной по кривой стандартного уплотнения.
Аналогичные нормы для уплотнения грунтов насыпей суще-
ствуют и на зарубежных железных дорогах. Так, в Германии и не-
которых других странах Европейского Союза существуют нормы
по коэффициенту уплотнения грунтов земляного полотна, защит-
ного слоя и основания. Коэффициент определяется методом
Проктора (аналог отечественного метода стандартного уплотне-
ния) в зависимости от скорости движения поездов, реализуемой
на линии. Но, кроме того, в зарубежных стандартах нормируется
и минимальное значение модуля деформации защитного слоя и
грунта. Нормы в соответствии с Инструкцией Ril-836, действую-
щей на железных дорогах Германии, для нового строительства
приведены в табл. 10.7.
Таблица 10.7
Нормы для грунтов насыпи на железных дорогах Германии
Категория линии Максималь- ная скорость движения поездов, км/ч Защитный слой Грунт насыпи
верхняя часть ниж- няя часть
МПа DPr ^v2’ МПа Орг /Дм DPr
Высокоскоростная 300 120 1,00 80 1,00 2,5 0,98
Скоростные пассажирская для смешанных перевозок 230 120 1,00 60 1,0 2,0 0,98
160 100 1,00 45 0,97 1,5 0,95
Грузовая и местного собщения 120
Местного сообщения 80 80 1,00 45 0,95 — 0,95
Грузовая 50
Примечание. ЕЛ — модуль деформации, определяемый штамповыми испы-
таниями; DPr — показатель уплотнения по Проктору; Н — глубина расположе-
ния нижней границы верхнего слоя грунта.
296
10.2.5. Естественные основания насыпей
Оценку оснований насыпей, в зависимости от которой проводят
проектирование конструкций, выполняют по условиям увлажнения
(табл. 10.8) и прочности грунтов, слагающих основание (табл. 10.9).
Грунты основания, которые находятся в мерзлом состоянии
более 3 лет, называются многолетнемерзлыми грунтами или мерз-
лотой. Мерзлоту в основании условно разделяют на низкотемпе-
ратурную (имеющую температуру —2 °C и ниже) и высокотемпе-
ратурную (температура от —0,1 до —2 °C). В случае многолетне-
мерзлых грунтов добавляется характеристика основания по дефор-
мативности при оттаивании (табл. 10.10).
Таблица 10.8
Классификация оснований по типам увлажнения
Тип основания Характеристика основания
1. Сухое Условия для поверхностного стока хорошие. Глинистые грунты на глубине до 1 м имеют влажность не бо- лее ^ + 0,25^. Грунтовые воды отсутствуют или залегают глубже 2 м
2. Сырое Условия для поверхностного стока плохие. Грунты песчаные водонасыщенные, глинистые на глубине до 1 м имеют влажность от + 0,25Jp до + 0,75 Jp. Уровень грунтовых вод на глубине более 1 м. Признаки поверхностного заболачивания
3. Мокрое Поверхностный сток отсутствует. Грунты глинистые, торфы, илы сапропели, глинистые грун- ты на глубине до 1 м имеют влажность — + 0,75Jp и более. Уровень грунтовых вод на глубине до 1 м. Имеются выходы грунтовых вод на поверхность или длитель- но стоящие поверхностные воды
Таблица 10.9
Классификация оснований по типам прочности
Тип основания Характеристика основания
1 2
Прочное — не требуется специальных мероприятий Основания — преимущественно сухие — пред- ставлены: скальными и крупнообломочными грунтами; маловлажными и влажными песками; глинистыми грунтами твердой и полутвердой консистенции
297
Окончание табл. 10.9
1 2
Недостаточно прочное — возможно на низких насы- пях пучение Основания преимущественно сырые, сложенные неоднородными переслаивающимися грунтами
Слабое — для предотвраще- ния деформаций необходи- мо применение специаль- ных конструкций Основания мокрые, сложенные переувлажненны- ми грунтами
Таблица 10.10
Классификация грунтов основания по просадочности
Тип основания Величина относитель- ной осадки,5 Основные разновидности и состояние грунтов основания
1, прочное 5 S 0,03 Скальные, крупнообломочные и песчаные грунты без включений льда; глинистые грунты в твердом и полутвердом состояниях при оттаивании
II, недоста- точно прочное 0,03 < 5 < 0,1 Глинистые грунты в тугопластичном и мягкопла- стичном состояниях при оттаивании; песчаные и крупнообломочные грунты с глинистым заполни- телем при наличии в них прослоев или линз льда суммарной толщиной до 0,1 м в каждом слое 1 м исследуемой толщи
III, слабое 0,1 <5<0,4 Глинистые грунты в текучепластичном и текучем состояниях при оттаивании; торфяные, песчаные и крупнообломочные грунты при наличии в них линз или отдельных прослоев льда суммарной толщиной до 0,4 м в каждом слое 1 м исследуемой толщи
IV, проса- дочное 5 >0,4 Глинистые грунты в текучем состоянии при отта- ивании; торфяные отложения, а также грунты всех видов при наличии в них подземного льда суммарной толщиной более 0,4 м в каждом слое 1 м исследуемой толщи
10.3. Геосинтетические материалы
10.3.1. Общее представление о материалах и классификация
В последнее время в конструкциях земляного полотна желез-
ных дорог все более широкое применение находят различные син-
тетические материалы. Достоинством этих материалов является
298
способность эффективно улучшать в заданном направлении свой-
ства грунтов земляного полотна, создавая условия для его надеж-
ной и стабильной работы.
Синтетические материалы на основе полимеров, применяемые
в конструкциях земляного полотна и его обустройств, называются
геосинтетическими материалами (геосинтетиками). Геосинтетики
используются при усилении земляного полотна и его обустройств
с целью повышения их надежности.
Геосинтетики должны обеспечивать исправную работу конструк-
ций усиления земляного полотна в течение всего срока их эксплуа-
тации, что достигается:
- правильным выбором материала геосинтетика;
- назначением соответствующих параметров конструкции уси-
ления;
- регламентным выполнением технологии производства работ.
Геосинтетики представляют собой широкий спектр различных
полимерных материалов, применение которых в конструкциях зем-
ляного полотна при его усилении может быть разделено по следую-
щим основным признакам:
- по назначению применения;
- месту расположения в земляном полотне;
- типу конструктивных элементов;
— материалу геосинтетика.
Классификация геосинтетиков по этим признакам при усилении
земляного полотна представлена в табл. 10.11.
Таблица 10.11
Классификация геосинтетиков для усиления земляного полотна
Назначение Месторасположе- ние в земляном полотне Конструктив- ный элемент Материал геосинтетика
1 2 3 4
1. Армирование 2. Разделение 3. Теплоизоляция 1. Основная пло- щадка и рабочая зона 2. Тело насыпи вне рабочей зоны 3. Откосы земляно- го полотна и бермы 1. Плиты 2. Пленки 3. Мембраны 4. Геотекстили: — нетканые — ткани 5. Георешетки 1. Полимер: - полиэтилен (ПЭ) - полипропилен (ПП) - полиэфир (ПЭФ) - полиамид (ПА)
299
Окончание табл. 10.11
1 2 3 4
4. Фильтрация 5. Гидроизоляция 6. Виброзащита 7. Защита от эро- зии 4. Основания 5. Водоотводные сооружения 6. Отдельно распо- ложенные защит- ные и укрепитель- ные сооружения 6. Геосетки 7. Маты 8. Трубы 9. Сотовые конструкции 2. Пенопласт: - пенополистирол (ПС) — пенополиуретан (ППУ) - пенополивинил- хлорид (ПХВ) 3. Композиты
10.3.2. Функции геосинтетических материалов
и сферы их применения
Определение цели применения геосинтетиков для усиления зем-
ляного полотна является одним из основных условий, на основа-
нии которых делается выбор конкретного материала.
При этом под армированием грунтов земляного полотна принято
понимать усиление грунтов земляного полотна и основания армату-
рой из геосинтетиков, которые воспринимают растягивающие нор-
мальные и касательные напряжения, что приводит к их более равно-
мерному перераспределению. Благодаря этому повышаются прочность
грунтов и устойчивость земляного полотна, уменьшаются деформации.
Под разделением грунтов и материалов земляного полотна пони-
мается создание разделительной мембраны между разнородными
слоями грунта, грунта и балласта или грунта и конструктивных эле-
ментов (например, плит укрепления), препятствующей проникно-
вению более мелких частиц грунта из одного слоя в другой с более
крупными частицами.
Теплоизоляция грунтов земляного полотна производится в том слу-
чае, когда требуется защита грунтов земляного полотна и его осно-
вания от промерзания или оттаивания, в результате чего предотвра-
щается вредное воздействие от морозного пучения либо осадки грун-
та и потеря прочности его при оттаивании.
Функция фильтрации и отвода воды от грунтов земляного полот-
на геосинтетиками используется при необходимости осушения грун-
тов земляного полотна с отводом воды как в поперечном, так и в
продольном направлениях.
Гидроизоляция грунтов земляного полотна или конструкций, на-
ходящихся в земляном полотне, с применением геосинтетиков
300
позволяет защитить грунты или конструкции от попадания в них
воды.
При виброзащите конструкций пути и окружающей среды с по-
мощью геосинтетиков достигается уменьшение вибраций, вызван-
ных движением подвижного состава, в конструкциях верхнего стро-
ения пути, грунтах земляного полотна и окружающей среде.
Противоэрозионная защита грунтов земляного полотна — это за-
щита поверхностей грунтов земляного полотна от водной и ветро-
вой эрозии.
Выделение применения геосинтетиков по месту их расположе-
ния в земляном полотне необходимо с точки зрения определения
условий работы этих материалов, в зависимости от которых предъяв-
ляются требования к параметрам материалов. Необходимость при-
менения геосинтетиков на основной площадке и в верхней рабочей
зоне земляного полотна вызвана повышенным вибродинамическим
воздействием от подвижного состава и наибольшими сезонными
изменениями температурно-влажностного режима.
В теле насыпи ниже рабочей зоны расположение геосинтетиков
обусловлено практически постоянным напряженно-деформируемым
состоянием в основном с максимальными сжимающими напряже-
ниями, сложностью замены материалов синтетика, что определяет
срок службы для них такой же, как срок службы земляного полотна.
В откосных частях земляного полотна, а также в контрбанкетах и бер-
мах условия работы геосинтетиков характеризуются возникновени-
ем постоянных максимальных растягивающих нормальных и каса-
тельных напряжений в одном направлении к откосу, влиянием изме-
нения сезонных колебаний температурно-влажностного режима.
Особенностью условий применения геосинтетиков в основани-
ях земляного полотна являются, как правило, повышенная дефор-
мативность грунтов в первоначальный момент и длительный срок
службы материала под постоянной нагрузкой, равный сроку служ-
бы земляного полотна.
Работа геосинтетиков в водоотводных сооружениях земляного
полотна характеризуется отсутствием значительных силовых воздей-
ствий в период эксплуатации (прочностные свойства определяются
усилиями, возникающими в период монтажа), повышенной влаж-
ностью в период эксплуатации и возможными изменениями темпе-
ратурного режима с замерзанием и оттаиванием влаги.
301
В защитных и укрепительных сооружениях, расположенных от-
дельно, условия работы геосинтетиков различны как по силовым
нагрузкам, так и по температурно-влажностному режиму, которые
зависят от вида сооружения.
Геосинтетики по типу конструктивных элементов выпускаются в
виде:
— плит, которые представляют собой жесткие плоские элементы
прямоугольной формы, толщиной 3—15 см и изготовленные по эк-
струзионной, прессовой или беспрессовой технологии;
— пленочных водонепроницаемых рулонных материалов тол-
щиной менее 1 мм;
- водонепроницаемых рулонных материалов (мембран) толщи-
ной более 1мм;
— геотекстилей — текстильных водопроницаемых материалов из
волокон, изготовленных нетканым способом (нетканые) из бес-
конечных волокон путем их наложения (филаментные материалы)
или из коротких тканых волокон длиной 3—5 см (штапельные мате-
риалы), с закреплением механически (иглопробивные), склеивани-
ем или подплавлением термически (спанбонды); тканым спосо-
бом (ткани) из волоконных систем (нитей), имеющих взаимно пер-
пендикулярное направление, отличающихся видом волокна, а так-
же видом его плетения;
— георешеток — рулонных сетчатых полимерных структур с не-
изменяемой (жесткой) геометрией ячеек размером свыше 10 мм;
по способам изготовления различаются георешетки, склеенные из
отдельных полос и полученные перфорированием из листов пласт-
масс;
— геосеток — рулонных сетчатых полимерных структур, изготов-
ленных из волокон с изменяемой (гибкой) геометрией ячеек разме-
ром свыше 10 мм (по способам изготовления различаются тканые и
вязаные геосетки);
— матов — гибких плоских элементов, толщиной от нескольких
сантиметров до десятков сантиметров;
- труб — изготовленных из пластмасс, имеющих прямые торцы
либо раструбные, перфорированных отверстиями, либо сплошных,
толстостенных или гофрированных (отличаются по способу соеди-
нения в трубопровод: сваркой, склеиванием либо с помощью
муфт);
302
— сотовых конструкций (геовебов) — объемных конструкций, из-
готавливаемых из соединяемых листов пластмассы, раскладываю-
щихся в виде сот, объемные ячейки которых заполняются грунтом
или каменным материалом.
Основное применение конструктивных элементов геосинтетиков
в зависимости от их назначения при усилении земляного полотна
приведено в табл. 10.12.
Таблица 10.12
Применение конструктивных элементов геосинтетиков
Назначение материала Плиты Пленки Геотекс- тили Георе- шетки Маты Трубы Соты
Армирование — — • • — — •
Разделение • • • — — — —
Теплоизоляция • — — — • — —
Фильтрация и отвод воды — — • — • • —
Гидроизоляция — • — — • — —
Виброзашита • — — — • — •
Противоэрози- онная защита • • — • — •
Примечание. Точки показывают место применения материала.
По химическому составу геосинтетики имеют широкий спектр.
При выборе материала основное внимание обращается на необхо-
димую его долговечность при работе в земляном полотне с учетом
конкретных условий по температурно-влажностному режиму, аг-
рессивности среды, ультрафиолетовому излучению. В качестве ос-
новных полимеров для изготовления геосинтетиков применяют-
ся: полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), полиэфир (ПЭФ), по-
лиамид (ПА).
В плитах и матах используются также вспененные полимеры (пе-
нопласты), основными из которых являются пенополистирол (ПС),
пенополиуретан (ППУ), пенополивинилхлорид (ПХВ).
Композиты, использующиеся в геосинтетиках, представляют со-
бой комбинацию нескольких видов полимеров или конструктивно
состоят из элементов, выполненных из различных материалов.
303
10.3.3. Требования к геосинтетическим материалам
Перечень технических требований к геосинтетикам, применяе-
мым при усилении земляного полотна, определяется их назначени-
ем, местом укладки и типом конструктивных элементов. В общем
случае технические требования к геосинтетикам могут быть разби-
ты на несколько групп.
/ группа — прочность и деформативность, включает следующие
требования:
— краткосрочная статическая прочность (сжатие, растяжение,
изгиб, продавливание, прокалывание);
— прочность при динамических нагрузках (многократное прило-
жение, истирание);
— долговременная прочность с учетом старения материала и
ползучести;
— деформативность (при растяжении, разрыве, сжатии);
— сцепление с грунтом (коэффициент трения по грунту);
— модуль упругости;
— морозостойкость и прочность при отрицательных температурах.
// группа — гидравлические характеристики:
— водопроницаемость;
- проницаемость мелких частиц грунта (эффективный диаметр
пор для проницаемости частиц грунта);
— водопоглощение;
— гидравлическая шероховатость.
Ill группа — теплофизические характеристики:
- коэффициент теплопроводности.
IVгруппа — стойкость к вредным воздействиям:
— химическая стойкость к щелочам и кислотам;
— биологическая стойкость к микроорганизмам и бактериям;
— стойкость к ультрафиолетовому излучению.
Требования по стойкости к вредным воздействиям применяются
ко всем геосинтетикам.
V группа — геометрические размеры и вес элементов определяют
требования к длине, ширине, толщине, диаметрам рулонов, допус-
кам изменения размеров, а также весу элементов. Требования зави-
сят от конкретных условий применения геосинтетика и указывают-
ся в проекте.
304
10.4. Нагрузки на земляное полотно
10.4.7. Общие сведения
При проектировании земляного полотна необходимо учитывать
действующие на него внешние нагрузки, а также собственные на-
пряжения, возникающие под действием сил гравитации и напряже-
ния от действия сил, вызванных другими природными процессами
и явлениями (например, сейсмические, гидродинамические и др.).
Внешними техногенными нагрузками на земляное полотно яв-
ляются: вес верхнего строения пути (^вс) и воздействие подвижного
состава (Рп), которые принимаются действующими через основную
площадку земляного полотна.
По характеру действия нагрузка от веса верхнего строения пути
(ВСП) является статической, а по времени воздействия постоян-
ной. В отличие от нее воздействие от подвижного состава является
динамическим и временным.
Обе нагрузки принимаются в виде вертикальных распределен-
ных нагрузок, действующих на горизонтальную плоскость (основ-
ную площадку) в уровне проектных бровок.
Учитывая, что земляное полотно является линейным сооруже-
нием и основным проектируемым элементом является поперечный
профиль, данные нагрузки, как правило, приводятся к распределен-
ной нагрузке на 1 м земляного полотна вдоль оси пути. Данные на-
грузки принимаются для расчетов:
— напряжений при определении несущей способности грунтов
под основной площадкой, стабильности грунтов оснований и оса-
док оснований насыпей;
— устойчивости откосов насыпей и земляного полотна на есте-
ственных склонах;
— защитных и укрепительных сооружений;
— водопропускных труб и других сооружений и устройств внутри
земляного полотна.
Рассмотрим подробнее каждую из нагрузок, действующих на зем-
ляное полотно.
1 0.4.2. Нагрузка от веса верхнего строения пути
Нагрузка от веса верхнего строения пути (ВСП) определяется ти-
пом рельсов и шпал, материалом и размерами балластной призмы.
В расчетной модели приближенно принято вес ВСП заменять рав-
305
номерно распределенной (прямоугольной полосовой) нагрузкой с
интенсивностью рж и шириной Z>BC, равной ширине балластной при-
змы по средней линии, приложенной на уровне основной площад-
ки. Численные значения параметров нагрузки от веса ВСП в соот-
ветствии с рекомендациями СП 32-104-98 приведены в табл. 10.13.
Таблица 10.13
Параметры нагрузки от веса верхнего строения пути
Категория линии Интенсивность нагрузки рвс, кПа Ширина нагрузки Ьвс, м, при числе главных путей Нагрузка на 1 пог. м пути Рвс, кН/м, при числе главных путей
1 2 1 2
I—III 17 4,88 8,98 83 152
IV 15 4,28 — 64 —
10.4.3. Нагрузка от воздействия подвижного состава
Нагрузка от воздействия подвижного состава в отличие от веса
ВСП является динамической и фактически передается на основную
площадку через балластный слой, поэтому величину напряжений и
форму их эпюры на основной площадке, которые и принимаются в
виде внешней нагрузки на земляное полотно, получить более слож-
но, чем от веса ВСП.
Величина напряжений на основной площадке и их распределе-
ние по площади зависит от многих факторов: характеристик по-
движного состава (и в первую очередь осевых нагрузок и расстоя-
ний между ними); скорости движения поезда; типа верхнего строе-
ния пути; характеристик самого земляного полотна, времени года и
т.д. Поэтому задача определения параметров нагрузки от воздействия
подвижного состава сложная и зависит от того, в каких расчетах она
будет применена. Рассмотрим несколько основных методов опре-
деления параметров нагрузки.
Эпюры динамических напряжений на основной площадке. Факти-
ческие закономерности распределения динамических напряжений
в земляном полотне были получены в результате непосредственно-
го измерения их приборами (мессдозами), проводившимися в тече-
ние многих лет в МИИТе и ВНИИЖТе проф. Г.Г. Коншиным.
Поездная нагрузка через рельсошпальную решетку передается на
балластный слой и основную площадку земляного полотна. При
306
этом воздействие подвижного состава носит циклический характер,
связанный с перекатыванием колес экипажей через рассматривае-
мое сечение. В зависимости от типа подрельсового основания (де-
ревянные или железобетонные шпалы, блочные основания) разли-
чаются и особенности передачи нагрузки. Деревянная шпала ока-
зывает наибольшее давление на балласт в подрельсовых сечениях, а
по концам и посередине — меньше. Изгиб железобетонной шпалы
имеет другую форму — наибольший прогиб возникает по концам
шпалы. В результате этого фактические эпюры динамических на-
пряжений, возникающих на основной площадке, существенно от-
личаются от принимаемых расчетных форм этих эпюр.
В ходе экспериментов было установлено, что воздействия под-
вижного состава проявляются на основной площадке неравномер-
но как вдоль пути, так и в поперечном сечении земляного полотна.
На рис. 10.2 показаны характерная осциллограмма с записью экс-
периментальных напряжений на основной площадке вдоль пути под
разными вагонами опытного поезда и обобщенный вид эпюры реаль-
но действующих напряжений на основной площадке вдоль пути.
В поперечном сечении основной площадки максимальные напря-
жения, несмотря на различный характер опирания на балласт дере-
вянной и железобетонной шпалы, как показали многочисленные
измерения, возникают под рельсовыми нитями о0_р (рис. 10.3). По
результатам экспериментов предложено оценивать характер распре-
деления динамических напряжений на основной площадке в попе-
речном сечении земляного полотна в виде коэффициентов нерав-
номерности y0_z, которые определяют по следующим формулам:
по концам шпал уА =оп
°-к °-к °-р , (10.2)
по оси колеи 7()^ =<^7^
где а0_к и сг0_о — напряжения соответственно под концами шпалы и по оси
колеи.
Результаты экспериментов показали, что отсутствует четкая за-
висимость коэффициентов неравномерности у0_к и у0_о от типа под-
вижного состава (локомотивы, вагоны), величины осевых нагрузок
(до Рст = 300 кН/ось) и скорости движения (от 3 до 180 км/ч), а также
от состояния пути (ровные рельсы, изолированные неровности на
рельсах или зона стыков). Для всех вариантов испытаний и при со-
307
Подрельсовое сечение полевого рельса
Ось пути
Подрельсовое сечение межпутного рельса
б
Рис. 10.2. Напряжения на основной площадке вдоль пути, полученные экспе
риментально:
а — пример осциллограммы напряжений (масштаб записи в сечениях одина
ковый); б — эпюра напряжений при различной загрузке вагонов: 1 — наполо
вину; 2 — полностью; 3 — 2/3 от полного
308
Рис. 10.3. Экспериментальные эпюры напряжений на основной площадке
в поперечном сечении:
а — путь с деревянными шпалами, тепловоз ТЭ7, Рст = 205,8 кН/ось, средняя часть
звена; б — тот же путь, зона изолированной неровности на рельсах; в — путь с
железобетонными шпалами, полувагон, Рст = 205 кН/ось, зона изолированной не-
ровности на рельсах; г — тот же путь, зона рельсовых стыков, скорость движения
70 км/ч, полувагоны с осевыми нагрузками 230 кН (/), 250 кН (2), 300 кН (3)
держании пути в соответствии с существующими нормативами,
были определены средние значения коэффициентов неравномер-
ности, которые составили у0_к = 0,61 (при коэффициенте вариа-
ции 0,17 и числе наблюдений 2600) и у0_о = 0,33 (при коэффициен-
те вариации 0,18 и числе наблюдений 4470). Следовательно, на-
пряжения на основной площадке земляного полотна приблизи-
тельно составляют 1/3 часть по оси колеи и 2/3 части под концами
шпалы от соответствующих напряжений в подрельсовых сечениях.
Метод определения наибольших напряжений на основной площадке.
Наибольшие напряжения на основной площадке согласно этому
методу определяются по квазистатической схеме принятой в «Ме-
тодике оценки воздействия подвижного состава на путь по услови-
ям обеспечения надежности» ЦПТ-52-14, 2000 г. Динамика воздей-
ствия от движущегося подвижного состава учитывается введением
в вертикальную статическую нагрузку, приходящуюся на одно ко-
лесо, динамических добавок от взаимодействия колеса и рельса.
309
Нормальные вертикальные напряжения в подрельсовом сече-
нии на основной площадке, расположенной на глубине h от подошвы
шпал, определяются как сумма напряжений от трех соседних шпал,
по подошве которых действуют средние напряжения, возникающие
от воздействия расчетной единицы подвижной нагрузки, движущейся
с заданной скоростью (рис. 10.4 — продольный разрез по оси рельса).
Напряжения на основной площадке в точке 0 под расчетным ко-
лесом находятся отдельно от давления каждой шпалы из известно-
го решения плоской задачи теории упругости, когда на поверхнос-
ти полуплоскости приложена нагрузка постоянной интенсивности
<зь на ширине шпалы Ь.
Интенсивность нагрузки от воздействия подвижного состава при-
нимается равной напряжениям рп = ah. Величины рп, вычисленные
при среднем типе ВСП (рельсы Р65) по данному методу при толщи-
не балласта под шпалой 0,4 м при разных осевых нагрузках для гру-
зовых 4- и 8-осных вагонов, приведены на рис. 10.5. Для 8-осных
Рис. 10.4. Схема определения напряжений на основной площадке:
Ррасч ~ расчетная вертикальная динамическая сила от расчетного колеса на
рельс; Рср — средняя вертикальная динамическая сила от соседнего колеса на
рельс; Срасч, Q'c и Q'^ — давления на три шпалы от колесной нагрузки; о'бс, об и
— средние напряжения по подошве шпал от колесной нагрузки; h — глуби-
на до точки 0 от подошвы шпал; — расстояние между осями в тележке; /ш —
расстояние между осями шпал; b — ширина подошвы шпал
310
a
Рис. 10.5. Зависимость величины рп (кПа) от скорости движения (v) и осевой нагрузки (Р):
а — для 4-осных вагонов; б — для 8-осных вагонов
б
вагонов при одинаковой осевой нагрузке напряжения на основной
площадке больше. С увеличением толщины балласта под шпалой на-
пряжения на основной площадке от подвижного состава уменьша-
ются.
При проектировании земляного полотна в расчет должны при-
ниматься напряжения, возникающие на основной площадке от по-
движного состава с учетом перспективных значений осевых нагру-
зок и скоростей движения. В соответствии с нормами СТН Ц-01-95
в расчетах земляного полотна следует принимать нагрузку на ось
4-осного грузового вагона 294 кН (30 тс). Но в нормах при этом не
указывается, при какой скорости движения должна учитываться эта
нагрузка. В соответствии с рекомендациями СП 32-104-98 величи-
на интенсивности нагрузки от 4-осного вагона может быть принята
рп = 90 кПа, что соответствует скорости движения 80 км/ч.
В ряде случаев при расчетах величина рп принимается как пре-
дельно допустимая по критерию прочности основной площадки из
глинистых грунтов от воздействия вагонов:
Рп = I Сто-Р1 = 80 кПа-
Эпюра нагрузки от подвижного состава в поперечном сечении в
данном методе принимается трапецеидальной формы под каждый
путь либо допускается для упрощения расчетов принимать ее пря-
моугольной формы (равномерно распределенной), действующей на
длине шпалы Ьп = /ш. Величины ширины трапецеидальной нагруз-
ки в зависимости от типа ВСП приведены в табл. 10.14.
Таблица 10.14
Параметры трапецеидальной эпюры рв
Тип ВСП Род шпал Ширина нагрузки поверху, м Ширина нагрузки понизу, м
Тяжелый (Р75) Деревянные 1,94 3,56
Железобетонные 1,83 3,57
Средний (Р65) Деревянные 2,00 3,50
Железобетонные 1,89 3,51
Легкий (Р50) Деревянные 2,05 3,44
Железобетонные 1,95 3,45
312
Метод определения нагрузки от подвижного состава при расче-
тах устойчивости. Расчеты устойчивости откосов насыпей при-
нято проводить с применением графоаналитического метода, в ко-
тором вес грунта определяется через произведение объема сме-
щающегося грунта на его удельный вес, поэтому и внешние на-
грузки заменяются фиктивными слоями грунта с аналогичным
удельным весом.
Вначале по данному методу (СП 32-104-98), исходя из напряже-
ний на основной площадке рП, определенных по «Методике оценки
воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения
надежности» для расчетной единицы подвижного состава, находит-
ся величина нагрузки подвижного состава, приходящаяся на 1 м дли-
ны насыпи Рп по формуле
/,п=°.8Ч('ш+ <10-3>
где 0,85 — коэффициент перехода от максимальных напряжений в подрельсо-
вом сечении с учетом неравномерности распределения напряжений в продоль-
ном и поперечном направлении;
/ш — длина шпалы, м;
Лб — толщина балласта под шпалой, м.
При расчете устойчивости величина данной нагрузки от подви-
жного состава Рвс и нагрузки от веса ВСП Рп заменяются введением
фиктивного слоя грунта с удельным весом у и высотой Л, определя-
емой по формуле
Р + Р
h=-7 ^ вс (Ю.4)
А1Ш+ °’Ч)
Для учета вибродинамического состояния насыпи, возникающего
при проходе поезда, что проявляется в действии инерционных и
диссипативных сил колеблющихся масс грунта и снижении сил
сопротивления за счет вибрационного воздействия, в МИИТе проф.
Т.Г. Яковлевой предложено в формуле (10.3) вместо интенсивности
внешней нагрузки рп использовать приведенную нагрузку рпр, по-
лучаемую по формуле
/>„р=РлЛ (10.5)
где / — интегральный параметр, комплексно учитывающий вибродинамичес-
кий процесс.
313
Рис. 10.6. Величина / для насыпей на
прочном основании: 1—6 — кривые, со-
ответствующие высоте насыпей при мо-
делировании интегрального параметра
Величины / были получены
в МИИТе на основе результа-
тов многочисленных экспери-
ментов на машине центробеж-
ного моделирования и для на-
сыпей на прочном основании в
зависимости от высоты насыпи
Нн, рода грунта и его характе-
ристик (показателя текучести
JL и коэффициента уплотнения
Ку) принимаются по графикам
(рис. 10.6). Для насыпей из пы-
леватых песков на торфяных
основаниях при высоте насыпи
от 2 до 4 значение I я 2,0.
10.5. Напряжения в земляном полотне и его основании
10.5.1. Постановка задачи
Задача нахождения напряженно-деформированного состояния
земляного полотна и его основания является весьма сложной, так
как деформационные свойства грунта зависят от многих факторов
и их связь с напряжениями в общем случае нелинейная. Для описа-
ния этой связи в механике грунтов существует много различных мо-
делей, которые отличаются для различных видов грунтов и требуют
для своей реализации большого количества характеристик грунтов.
Решение задач по этим моделям в грунтовом массиве сложной фор-
мы, каковым является земляное полотно, возможно только на ЭВМ
численными методами: методом конечных элементов, методом ко-
нечных разностей, вариационно-разностным методом и др. В на-
стоящее время наибольшее распространение из этих методов полу-
чил метод конечных элементов, на основе которого созданы много-
численные программы для ЭВМ.
Вместе с тем большинство задач, связанных с нахождением на-
пряжений в земляном полотне и последующие расчеты его несущей
способности и деформаций, могут решаться с достаточной для прак-
тики точностью, используя приближенные зависимости, основан-
ные на теории линейно-деформируемых тел. Рассмотрим инженер-
314
ный метод определения напряжений в земляном полотне, основан-
ный на данной теории.
10.5.2. Предпосылки применения теории
линейно-деформируемых тел
Первая предпосылка. Грунты как материал, из которого сложено
земляное полотно, в общем случае имеют нелинейную связь между
напряжениями о и деформациями е, т.е. не подчиняются закону
Гука. В этой связи, когда характеризуют грунты, то к ним применя-
ют в большинстве случаев характеристику — модуль деформации
Е, а не модуль упругости, причем эта величина не постоянна и за-
висит от величины напряжения (рис. 10.7):
Да, Да, Да, Да.
Е =—-*Е- =—-*Е =—-*Е.=—
1 Де. 2 Де. J Де, ' Де.
12 3/
(10.6)
Вместе с тем, учитывая, что напряжения в земляном полотне ме-
няются в небольшом диапазоне, величины деформаций малы, а
грунт в нем уплотнен и работает практически без остаточных де-
формаций, нелинейную связь между напряжениями и деформаци-
ями на небольшом отрезке кривой можно заменить линейной, для
которой модуль деформации величина постоянная. Эта предпосылка
обосновывает возможность применения законов теории линейно-
деформируемых тел. Одним из важных следствий этого является то,
что напряжения независимы от деформационных свойств и могут
определяться отдельно. Другим важнейшим следствием является
возможность применения принципа суперпозиции, согласно кото-
рому можно находить напряжения от разных нагрузок по отдельно-
Рис. 10.7. Зависимость относительной деформации грунта (е) от приложен-
ных напряжений (о)
315
сти, а потом их суммировать. Это позволяет действие любой слож-
ной нагрузки заменять действием совокупности элементарных на-
грузок, для которых известны аналитические решения.
Вторая предпосылка. Учитывая протяженность земляного полот-
на в длину, для инженерных расчетов принимают плоские задачи.
При этом реальное геометрическое очертание земляного полотна и
его основания заменяется полуплоскостью, к поверхности которой
приложены внешние нагрузки, представленные в виде совокупно-
сти отдельных полосовых нагрузок прямоугольных и треугольных
форм, от которых и находятся напряжения в грунтовом массиве от
каждой элементарной нагрузки.
При инженерных расчетах земляного полотна определяются нор-
мальные, касательные и главные напряжения, возникающие в нем
от внешних нагрузок (воздействие подвижного состава и вес ВСП)
и веса вышележащих слоев грунта. В большинстве случаев расчет
земляного полотна ведется с определением вертикальных составля-
ющих нормальных напряжений oz.
10.5.3. Напряжения от внешних нагрузок
Рассмотрим определение вертикальной составляющей нормаль-
ных напряжений от основных типов элементарных нагрузок: пря-
моугольной (равномерно распределенной) и треугольной, которые
известны из теории линейно-деформируемых тел.
Прямоугольная нагрузка с интенсивностью р на ширине Z>, при-
ложенная к верхней границе полуплоскости показана на рис. 10.8, а.
Вертикальная составляющая нормальных напряжений oz в точке С,
расположенной внутри полуплоскости от такой нагрузки, опреде-
ляется по формуле
а =--[р(+ ^sin2p -р - ^sin2p (10.7)
z 1 2 1 2 2 L)
Треугольная нагрузка с изменением интенсивности на ширине Ъ
от 0 до р, приложенная к верхней границе полуплоскости показана
на рис. 10.8, б. Вертикальная составляющая нормальных напряже-
ний oz в точке С, расположенной внутри полуплоскости, от такой
нагрузки определяется по формуле
о =—— z(sin2 В, -
z nb v и
sin2p2)-y^p1 + ^sin2pj- p2- |sin2p2
(10.8)
316
a
Рис. 10.8. Схемы полосовых нагрузок, приложенных к полуплоскости:
а — прямоугольная нагрузка; б — треугольная нагрузка
В приведенных формулах знак «-» перед напряжениями озна-
чает, что напряжения сжимающие и в расчетах не учитывается; углы
Pj и р2 считаются положительными, если они отсчитываются по ча-
совой стрелке от вертикалей проведенных через концы нагрузок и
измеряются в радианах.
Значения напряжений от элементарных нагрузок при единичной
интенсивности р = 1 табулированы, и тогда напряжение oz опреде-
ляется по формуле
а=-/,Д (10.9)
где / =/[—; —
— функция затухания напряжений, определяемая по табли-
цам для прямоугольной (табл. 10.15) и треугольной (табл. 10.16) нагрузок в за-
висимости от координат ус и тс точки С и ширины приложенной внешней на-
грузки Ь.
317
Таблица 10.15
Функция затухания напряжений для прямоугольной нагрузки
z/b Значения 1р для прямоугольной нагрузки при у/Ь
0,00 0,05 0,10 0,15 0,25 0,35 0,50 0,75 1,00 2,00 2,50
0,00 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000
0,05 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 0,500 0,002 0,000 0,000 0,000
0,10 0,998 0,996 0,996 0,996 0,989 0,961 0,499 0,010 0,000 0,000 0,000
0,15 0,993 0,993 0,987 0,985 0,966 0,910 0,498 0,030 0,001 0,000 0,000
0,25 0,960 0,960 0,954 0,942 0,907 0,808 0,496 0,090 0,002 0,001 0,000
0,35 0,960 0,905 0,900 0,887 0,830 0,732 0,489 0,148 0,005 0,004 0,001
0,50 0,822 0,820 0,815 0,807 0,728 0,651 0,479 0,218 0,017 0,005 0,003
0,75 0,670 0,666 0,661 0,647 0,607 0,552 0,449 0,262 0,050 0,015 0,007
1,00 0,540 0,540 0,543 0,535 0,511 0,475 0,409 0,288 0,071 0,029 0,013
1,50 0,397 0,395 0,395 0,389 0,379 0,354 0,334 0,273 0,114 0,059 0,032
2,00 0,306 0,304 0,304 0,303 0,292 0,291 0,275 0,243 0,134 0,083 0,051
2,50 0,242 0,242 0,242 0,241 0,239 0,237 0,231 0,215 0,140 0,094 0,065
3,00 0,210 0,210 0,210 0,210 0,210 0,200 0,200 0,200 0,140 0,100 0,090
4,00 0,160 0,160 0,160 0,160 0,160 0,150 0,150 0,150 0,130 0,100 0,090
5,00 0,130 0,130 0,130 0,130 0,130 0,120 0,120 0,120 0,110 0,090 0,080
6,00 0,110 0,110 0,110 0,110 0,110 0,100 0,100 0,100 0,100 0,090 0,080
Нагрузка произвольной формы в соответствии с принципом су-
перпозиции разбивается на элементарные нагрузки прямоугольной
и треугольной формы и напряжения суммируются:
п
°Z=E<Y (Ю.Ю)
1
Таблица 10.16
Функция затухания напряжений для треугольной нагрузки
Значения 1р для треугольной нагрузки при у/Ь
-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,3 0,5 0,8 1,0 1,5 2,0 2,5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0,00 0,000 0,000 0,000 0,000 0,250 0,500 0,750 1,000 0,000 0,000 0,000
0,25 — — 0,001 0,075 0,256 0,480 0,643 0,324 0,015 0,003 —
0,50 0,002 0,003 0,023 0,127 0,263 0,410 0,477 0,353 0,056 0,017 0,003
318
Окончание табл. 10.16
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0,75 0,006 0,016 0,042 0,153 0,248 0,335 0,361 0,293 0,108 0,024 0,009
1,00 0,014 0,025 0,061 0,159 0,223 0,275 0,279 0,241 0,129 0,045 0,013
1,50 0,020 0,048 0,096 0,145 0,178 0,200 0,202 0,185 0,124 0,062 0,041
2,00 0,033 0,061 0,092 0,127 0,146 0,155 0,163 0,153 0,108 0,069 0,050
3,00 0,050 0,064 0,080 0,096 0,103 0,104 0,108 0,104 0,090 0,071 0,050
4,00 0,051 0,060 0,067 0,075 0,078 0,085 0,082 0,075 0,073 0,060 0,049
5,00 0,047 0,052 0,057 0,059 0,062 0,063 0,063 0,065 0,061 0,051 0,047
6,00 0,041 0,041 0,050 0,051 0,052 0,053 0,053 0,053 0,050 0,050 0,045
10.5.4. Напряжения от собственного веса грунта
Напряжения от собственного веса грунта насыпи или его осно-
вания в полуплоскости определяют по формуле:
а=-уЛ, (10.11)
где у — удельный вес грунта;
h — толщина слоя;
в массивах иной формы их заменяют весомой полуплоскостью и оп-
ределяют также напряжения, но учитывают только весомую часть.
При неоднородной толще грунтов
п
<Ю.12>
1
где п — число слоев грунта с удельным весом у. и толщиной
Знак «—» в формулах (10.11 и 10.12) показывает, что напряжения
сжимающие и в дальнейших расчетах не учитываются.
10.5.5. Суммарные напряжения в насыпях и основании
земляного полотна
Напряжения в насыпях складываются из напряжений от внеш-
них нагрузок и от действия собственного веса грунта в соответствии
с принципом суперпозиции. Тогда вертикальная составляющая
сжимающих напряжений в любой точке насыпи равна
ст = оп+ствс+сту’ (10.13)
где ап — временные динамические напряжения от поездных нагрузок интен-
сивностью рп, кПа;
319
qbc — постоянные статические напряжения от веса верхнего строения пути
Рве, кПа;
<ту — постоянные статические напряжения от собственного веса вышеле-
жащего грунта насыпи, кПа.
При расчете напряжений в основаниях насыпей весомая расчет-
ная полуплоскость принимается по подошве насыпи (поперечным
уклоном поверхности основания в обычных условиях пренебрега-
ют) и тогда вес насыпи, как и вес верхнего строения и поездная на-
грузка для этой полуплоскости становятся внешней нагрузкой. При
этом влияние касательных напряжений, возникающих по подошве
насыпи, не учитывается. Расчет напряжений в основании насыпи
ведется в следующей последовательности.
1. Определяется внешняя нагрузка на основание, которая зада-
ется в виде эпюры вертикальных сжимающих напряжений, действу-
ющих на поверхность полуплоскости. Для построения этой эпюры
в каждой j-й точке подошвы насыпи, расположенной подточками
перелома поперечного профиля насыпи, определяются напряже-
ния по уже известной формуле (10.13): оу = стп-у+ asc-j + cy-j-
Конфигурация эпюры напряжений на контакте с основанием
зависит от очертания самой насыпи и влияния находящихся на ней
внешних нагрузок. Для насыпей высотой Н< 4 м учитываются все
составляющие напряжений в формуле (10.13). При большей высо-
те насыпей напряжения от воздействия поездной нагрузки оп прак-
тически равны нулю и поэтому в расчетах могут не учитываться.
Напряжения от веса верхнего строения пути <твс при высоте насы-
пей больше 5—6 м составляют менее 5 % напряжений от собствен-
ного веса грунта на этом же уровне. Поэтому на контакте высо-
кой насыпи с основанием можно учитывать только напряжения о,
от собственного веса грунта насыпи.
2. Полученная эпюра нагрузки на основание разбивается на
i прямоугольных и треугольных составляющих с интенсивностью pt
(рис. 10.9) и от каждой из них по формуле (10.9) определяется на-
пряжение о в любой точке внутри массива основания:
Р' о =-/ р..
pi pi 1
3. Напряжения в точке основания Со от всех внешних нагрузок
суммируются:
320
Рис. 10.9. Схема к определению напряжений в основании насыпей:
7 — полуплоскость; 1—5 (цифры в кружках) — номера нагрузок
4. Находятся суммарные напряжения в точке основания Со от
внешних нагрузок и собственного веса грунта основания:
л т
о=ст +ст =Уо +Уу< Л, , (10 14)
р у-осн | Л | •с~осн л-ОСН \1 v-1
где т — количество слоев грунта в основании, при этом Zc-й слой имеет удель-
ный вес грунта ук^осн и толщину h
Порядок определения напряжений в основаниях выемок анало-
гичен, как и для оснований насыпей, только за поверхность полу-
плоскости принимается уровень основной площадки (рис. 10.10),
при этом пренебрегают наличием кюветов, влияние которых на точ-
ность расчетов незначительно.
Рис. 10.10. Схема к определению напряжений в основании выемки:
1—6 (цифры в кружках) — номера нагрузок
321
10.5.6. Метод определения напряжений в насыпи
от поездной нагрузки с учетом ее динамического характера
В методе, основанном на теории линейно-деформированных тел,
используется статическая расчетная схема, в которой влияние поез-
да заменяется прямоугольной нагрузкой, приложенной в уровне ос-
новной площадки. В действительности, земляное полотно работает
в более сложных условиях динамического воздействия поездов, по-
этому при определении величин действующих в нем напряжений и
их распределения необходимо учитывать силы инерции слоев грун-
та при кратковременном воздействий нагрузок, конструкцию и со-
стояние пути, скорость движения поездов.
Напряжения в насыпи от воздействия подвижного состава с уче-
том динамического характера могут определяться по эксперимен-
тально-теоретическому методу, предложенному проф. Г. Г. Конши-
ным. Расчетная формула имеет вид
%=,WP(z,)«(*,). (10.15)
где y^j — напряжения в любой точке насыпи;
о0_р — напряжения на основной площадке в подрельсовом сечении на
уровне Ло от подошвы шпалы (способы определения о0_р были приведены
выше);
Jp(zz) — функция затухания напряжений по глубине насыпи zy от уровня
основной площадки в подрельсовых сечениях;
5/Ху) — функция распределения напряжений в поперечном сечении
насыпи. В подрельсовых сечениях, где возникают максимальные напряже-
ния = 1.
Функция /4p(zz) описывается экспоненциальной зависимостью
вида
/lp=(z.) = e_X₽Z', (10.16)
где Хр — коэффициент затухания напряжений по глубине zz, который приме-
няется в качестве интегрального параметра, характеризующего особенности ди-
намического состояния грунта земляного полотна при циклическом воздей-
ствии подвижного состава. Коэффициенты затухания лр увеличиваются с рос-
том скоростей движения поездов в линейной зависимости, т.е.
\=a^bvV. (10.17)
Здесь значения постоянных величин ср и 6р найдены экспери-
ментально для пути со шпальным основанием, равным: ар = 0,71,
Ьр = 0,00274; V— скорость подвижного состава, км/ч.
322
Тогда функция затухания напряжений равна
л ( X -(0,71+0,00274K.)z. /1Л 1ОЧ
= е v (10.18)
Численные значения функции /4p(zz) при различных скоростях
движения подвижного состава, в том числе для перспективных ус-
ловий на скоростных магистралях приведены в табл. 10.17
Таблица 10.17
Численные значения функции Лр(Х/)
Глубина от уровня основной площадки zz,m Значения функции Ap(z-) при скоростях движения, км/ч
0 25 50 100 150 200 250
0,00 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000
0,25 0,837 0,822 0,808 0,785 0,754 0,729 0,708
0,50 0,700 0,676 0,653 0,617 0,569 0,531 0,501
1,00 0,490 0,457 0,427 0,380 0,324 0,282 0,251
2,00 0,240 0,209 0,182 0,144 0,105 0,079 0,063
3,00 0,118 0,096 0,078 0,055 0,034 0,022 0,016
4,00 0,058 0,044 0,033 0,021 0,011 0,006 0,004
5,00 0,028 0,020 0,014 0,008 0,004 0,002 0,001
Рабочая зона и ее границы в земляном полотне. Подвижной состав
оказывает наибольшее силовое воздействие на балластный слой и
земляное полотно (насыпь) в определенной зоне под рельсошпаль-
ной решеткой, которая названа «рабочей зоной». Для определения
ее границ используется предложенный метод расчета динамических
напряжений.
В практических случаях предельную глубину гпред динамичес-
кого нагружения земляного полотна (насыпи) можно найти после
преобразования основной расчетной формулы (10.15) в следующем
виде:
1gол - Igo.
z =2,302—(10.19)
пред X
323
Задаваясь численными значениями величин, входящих в форму-
лу (10.19), можно получить предельную глубину гпред динамиче-
ского нагружения земляного полотна. Результаты расчетов гпред для
примера: при о0_р = 80 кПа, скорости движения И= 100 км/ч и за-
данных различных значениях о(_р = 5 кПа; oz_p = 4 кПа (0,05 о0_р) и
of. = 2 кПа, приведены в табл. 10.18.
Таблица 10.18
Значения гвред
Тип гюдрельсового основания Значения 7-пред, м, при уровне
5 кПа 4 кПа 2 кПа
Деревянные и железобетонные шпалы 3,3 3,8 4,3
Железобетонные плиты типа 4 (длина плиты 6,24 м) 1,7 2,1 2,2
Следовательно, предельная глубина существования динамичес-
ких напряжений в земляном полотне от воздействия подвижного
состава (граница рабочей зоны) для пути на шпальном основании
не превышает гпред = 4,3 м; для пути на плитах практически в 2 раза
меньше (гпрсд = 2,2 м).
Влияние динамических напряжений на формирование полного
напряженного состояния по глубине рабочей зоны существенно
уменьшается. Для иллюстрации этого положения в качестве приме-
ра выполнены расчеты при следующих исходных данных:
— нагрузка от верхнего строения пути с рельсами Р65 и железобе-
тонными шпалами на уровне основной площадки (zz = 0) прямо-
угольной формы интенсивностью рж = 16,4 кПа и шириной для од-
нопутной насыпи Ь^. = 4,6 м;
— напряжения от собственного веса столба грунта определялись
для суглинка у = 18 кН/м3;
— напряжения в насыпи вычислялись при значениях напряже-
ний на основной площадке а0_р = 80 кПа и скорости движения по-
езда V= 100 км/ч.
Напряжения стд, овс и и их отношения даны в табл. 10.19, а
характер их изменения по глубине насыпи показан на рис. 10.11.
324
Таблица 10.19
Расчетные напряжения в насыпи
Глубина от уровня основной площадки z? м Расчетные напряжения в насыпи, кПа Отно- шение СТд/®П стст, кПа
авс аУ стд и + и асум = стп+ад
0 16,4 0 80,0 16,4 96,4 4,88 80,0
0,5 16,3 9 49,4 25,3 74,8 1,94 78,7
1 15,9 18 30,4 33,9 64,3 0,90 72,0
2 13,9 36 11,5 49,9 61,4 0,23 53,6
3 12,0 54 4,4 66,0 70,4 0,07 38,4
4 10,0 72 1,7 82,0 83,7 0,02 32,0
5 8,4 90 0,6 98,4 99,0 0,006 26,6
Рис. 10.11. Изменение напряжений по глубине насыпи:
— от веса верхнего строения; оу — от собственного веса грунта; стд — дина-
мических от подвижного состава; а0 — полных; аст — статических для одно-
родного изотропного полупространства
325
Результаты расчетов показали, что на глубине рабочей зоны z, =
= 1 м величины динамических напряжений од и постоянно действу-
ющих напряжений оп = овс+ сту близки друг другу. При глубине zz =
= 4 м преобладают постоянные напряжения оп.
При использовании традиционной схемы, в которой воздействие
поезда заменяется статической прямоугольной нагрузкой, прило-
женной на уровне основной площадки (значения ост в табл. 10.19)
видно, что при одинаковых нагрузках о0_р = 80 кПа, в расчетах полу-
чены завышенные значения напряжений стст, что не соответствует
реальным условиям работы земляного полотна под поездами.
В поперечном сечении насыпи давление от подвижного состава
по подошве шпалы передается на балластный слой по гиперболи-
ческим поверхностям хст = 0, которые определяются формулой
L I
Х^=±2Г^ (1°-20)
* 1 тп
где hj — глубина от подошвы шпалы, м;
L/2 и l/т2 — параметры гиперболы.
При начале координат по оси колеи L/2 равно длине полушпалы.
Значение для типовой конструкции пути получено равным 1/т2 = 2,50.
Расчеты показали, что балластная призма за пределами шпалы,
обочина и часть откоса насыпи не испытывают динамического си-
лового воздействия поездной нагрузки. Для типовой насыпи из гли-
нистых грунтов на линиях I и II категорий при ширине основной
площадки Во = 7,6 м и крутизне откосов в верхней части 1:1,5 (со-
гласно СТН Ц-01-95) в уровне основной площадки ширина нена-
груженной зоны от бровки составляет 2,09 м. Для линий 111 и IV
категорий соответственно на 0,15 и 0,25 м меньше. Зона в откосе
насыпи, в которой отсутствуют вертикальные динамические напря-
жения, постепенно сужается по длине откоса, достигая 0,5—0,7 м
на глубине г, - 3 м.
Для двухпутной линии в случае совместного воздействия двух
встречных поездов характер распределения напряжений в попереч-
ном сечении насыпи показан на рис. 10.12. Проходящий по II пути
поезд, как показывает гиперболическая кривая хс = 0, практически
не оказывает дополнительной динамической нагрузки на рабочую
зону в расчетном сечении по I пути. Поэтому для двухпутной ли-
326
I путь
II путь
Рис. 10.12. Динамические напряжения в двухпутной насыпи при действии
встречных поездов:
7 — эпюра напряжений по глубине насыпи; 2— гиперболическая поверхность
= 0; 3 — эпюра напряжений в поперечном сечении насыпи
нии расчет динамических напряжений в земляном полотне следует
проводить по одному из путей, без учета влияния силового воздей-
ствия подвижного состава, проходящего по второму пути.
10.6. Расчеты земляного полотна и его основания
по предельным состояниям
Земляное полотно и его основание рассчитываются по двум груп-
пам предельных состояний: по несущей способности и по дефор-
мациям.
К несущей способности относится обеспечение прочности грун-
тов земляного полотна и основания и обеспечение устойчивости от-
косных частей земляного полотна и склоновых поверхностей осно-
ваний. Прочность грунтов проверяется расчетом в «рабочей зоне»
земляного полотна при назначении толщины защитного слоя, а так-
же расчет выполняется на стабильность слабых грунтов при их на-
личии в основаниях. Расчет на устойчивость выполняется для от-
327
косных частей насыпей и выемок при их индивидуальном проекти-
ровании и при проектировании земляного полотна на косогорных
участках. Кроме того, расчетами устойчивости подтверждаются не-
обходимые параметры при проектировании различных противоде-
формационных конструкций.
В качестве предельных деформаций для земляного полотна нор-
мами установлены деформации морозного пучения и упругие осад-
ки насыпей на болотах (см. табл. 10.1). Кроме того, расчет деформа-
ций в виде вертикальных осадок и просадок грунтов в основаниях
производят для насыпей, расположенных на слабых и просадочных
грунтах. При этом:
— осадки — это деформации, происходящие в результате уплотне-
ния грунта под воздействием внешних нагрузок и собственного веса
грунта, не сопровождающиеся коренным изменением его структуры;
- просадки — это деформации, происходящие в результате уп-
лотнения грунта под воздействием как внешних нагрузок и соб-
ственного веса грунта, так и дополнительных факторов, таких как,
например, замачивание просадочного грунта, оттаивание ледовых
прослоек в замерзшем грунте и т.п., с коренным изменением его
структуры.
10.6.1. Расчеты стабильности грунтов основания против выпора
и несущей способности грунтов рабочей зоны земляного полотна
В глинистых грунтах при воздействии внешних нагрузок дефор-
мации уплотнения при определенных условиях могут переходить в
пластические деформации сдвига и выпирания, при этом вода в
грунте, в основном связанная, практически не отжимается. Эти ус-
ловия возникают тогда, когда касательные напряжения в некото-
рой точке грунтового массива превышают сопротивление грунта
сдвигу и тогда возникают характерные виды деформаций выпира-
ния. В целом деформации в грунтах при нагружении могут иметь
три фазы (рис. 10.13, а):
0—а — уплотнение, когда остаточные деформации грунта при уве-
личении нагрузки приводят к уменьшению его пористости и соот-
ветственно объема;
а—б — сдвиги, когда остаточные деформации грунта практичес-
ки без увеличения нагрузки переходят от уплотнения к изменению
формы грунта;
328
Рис. 10.13. Фазы деформирования и схема действия напряжений:
а — фазы деформирования; б — схема действий напряжений в точке С по пло-
щадке под углом а к наибольшим главным напряжениям
б— в — выпирание, когда остаточные деформации грунта без уве-
личения нагрузки приводят к изменению его формы, происходя без
уменьшения его объема и с сохранением сплошности.
Для того чтобы в любой точке С грунтового массива не было де-
формаций сдвигов, должно выполняться предельное условие проч-
ности (несущей способности), которое, как правило, принимается в
виде условия предельного равновесия Мора—Кулона:
т</а + с, (10.21)
где т — касательное напряжение, действующее по некоторой площадке, прохо-
дящей через точку С и наклоненной под углом а к площадке действия наиболь-
ших главных напряжений Ст[ (рис. 10.13, 6);
а — нормальное напряжение, действующее на ту же площадку, наклонен-
ную под углом а;
/и с — соответственно коэффициент внутреннего трения и удельное сцеп-
ление грунта.
Условие (10.21) должно быть проверено в каждой точке грунто-
вого массива под основной площадкой либо в основаниях насыпей.
Условие недопущения деформаций сдвига и выпора в точке грун-
тового массива проф. Г.М. Шахунянцем предложено оценивать ко-
эффициентом стабильности определяемым через условие пре-
дельного равновесия (10.21) по формуле
<10.22)
где [£0] — допускаемый коэффициент стабильности, значение которого при-
нимается [A?q] > 1,0.
Поскольку в каждой точке грунтового массива коэффициент ста-
бильности изменяется в зависимости от угла наклона площадки, по
329
которой определяются напряжения (см. рис. 10.13, б), условие (10.22)
должно выполняться для любой площадки и в расчетах определяет-
ся минимальное значение Ло и критический угол его действия:
кп . =2JA(A-f);
0-min у 4 J ”
ГТ~
а = -------,
Крит yA-f
(10.23)
Главные напряжения о( и о2 могут быть определены по извест-
ным аналитическим формулам теории линейно-деформированного
тела либо численно на ЭВМ с помощью метода конечных элементов
(МКЭ) по многочисленным существующим в настоящее время про-
граммам.
Расчет ^o-min производится для ряда точек массива, и затем стро-
ятся изолинии равных значений коэффициента стабильности и вы-
деляются зоны возможных сдвиговых деформаций, где A:0_min < [Ло].
Пример выделения зоны деформаций сдвига — нестабильной зоны
в основании насыпи приведен на рис. 10.14.
Как правило, зоны нестабильности появляются при наличии в
основании слоя слабого грунта, к которым относятся переувлажнен-
ные глинистые грунты (текучей и пластичной консистенции), илы и
Рис. 10.14. Схема к оценке стабильности основания насыпи
330
торфяные грунты. Характерными случаями нестабильного основа-
ния являются пойменные насыпи и насыпи на болотах. При нали-
чии таких зон возможного выпирания при проектировании преду-
сматривают мероприятия по стабилизации основания насыпей.
Аналогично определяется зона деформаций сдвига под основной
площадкой. При этом если в основании высоких насыпей главной
нагрузкой, создающей зоны нестабильности, является вес насыпи,
то для низких насыпей (до 2—3 м) и грунтов под основной площад-
кой большое значение приобретает поездная нагрузка.
Зоной развития деформаций сдвига под основной площадкой яв-
ляется так называемая рабочая зона земляного полотна, на которую рас-
пространяется наибольшее силовое воздействие от поездной нагрузки.
Условие прочности (несущей способности) грунта рабочей зоны
земляного полотна может быть определено через критическую на-
грузку, которая приближенно определяется формулой Пузыревско-
го, рекомендуемой СП 32-104-98:
7t(c ctg<p+y Л) ,
А’ (10’24)
Ctg<p + (p--
где — нормальное суммарное вертикальное напряжение от поездной нагруз-
ки, веса верхнего строения и веса грунта в рабочей зоне земляного полотна на
глубине h (м) под подошвой шпал, кПа;
ркр — критическая для данного грунта нагрузка, кПа;
с — удельное сцепление грунта, кПа;
Ф — угол внутреннего трения грунта, рад;
у — удельный вес грунта, кН/м3.
Расчеты несущей способности по формуле (10.24) выполняются
в следующей последовательности.
1. Для нескольких точек по глубине, начиная от уровня основ-
ной площадки, расположенных в подрельсовом сечении, опреде-
ляются вертикальная составляющая нормальных напряжений от
поездной нагрузки, веса верхнего строения и веса грунта. В каче-
стве обязательных точек определения напряжений принимаются
границы литологических слоев.
2. В этих же точках определяются критические нагрузки.
3. Строятся эпюры напряжений и критической нагрузки.
4. Там, где напряжения выше величины критической нагрузки,
условие несущей способности не выполняется.
331
Пример определения толщины слоя под основной площадкой, име-
ющего недостаточную несущую способность, приведен на рис. 10.15.
Рис. 10.15. Пример определения толщины слоя с недостаточной прочностью
При невыполнении условия (10.24) рабочая зона под основной
площадкой должна быть усилена. Одним из наиболее распростра-
ненных способов обеспечения стабильности грунтов под основной
площадкой является устройство защитных слоев — замена глинис-
тых грунтов на специально подготовленные грунты из дренирую-
щих материалов.
10.6.2. Расчеты устойчивости откосов и склонов
Откосами называются искусственные, а склонами естественные
наклонные поверхности. На таких наклонных поверхностях под дей-
ствия гравитационных сил возникает опасность нарушения сплош-
ности грунтовых массивов с отделением его части и смещением ее
вниз по поверхности — потеря устойчивости.
В зависимости от объема смещающегося грунта для земляного
полотна выделяется потеря общей и местной устойчивости. Потеря
общей устойчивости земляного полотна является аварийной дефор-
мацией и связана со смещением больших грунтовых массивов, при
которой, как правило, исключается возможность эксплуатации зем-
ляного полотна до его восстановления. Нарушение местной устой-
332
чивости проявляется в смещении небольших поверхностных слоев
откоса или склона либо в захвате части откоса земляного полотна.
Ввиду серьезности последствий нарушения устойчивости ее рас-
четам должно предаваться особое значение. Устойчивость откосов зем-
ляного полотна и склонов, на котором оно расположено, должна про-
веряться при различных случаях индивидуального проектирования.
Расчет устойчивости является одним из наиболее сложных, и, не-
смотря на значительное развитие численных методов механики грун-
тов, при проверке устойчивости до настоящего времени наиболее
распространенными являются инженерные методы, основанные на
силовых схемах равновесия грунтовых массивов. Одним из наибо-
лее важных вопросов при расчете устойчивости является правиль-
ный выбор поверхности, по которой возможно смещение грунта.
Наблюдения за поверхностями, по которым происходило смеще-
ние откосных и склоновых массивов грунта показывает, что такие
поверхности в основном криволинейны. В однородных связных
грунтах эти поверхности напоминают цилиндрические или чаше-
образные поверхности, а в несвязных — приближаются к плоско-
сти. При разнородном строении грунтового массива, особенно в
природном его залегании, зачастую смещение поверхности предоп-
ределяется геологическим сложением и происходит по контакту сло-
ев, имея сложную ломаную форму.
Первые наблюдения и обоснования криволинейности поверхно-
стей смещения были сделаны еще в конце XIX в. в МИИТе проф.
В.И. Курдюмовым. Большой вклад в развитие теории и практики
расчетов устойчивости откосов и склонов внес проф. Г. М. Шаху-
нянц, инженерный метод расчета устойчивости, разработанный им
на основе уравнений равновесия массива, является в настоящее вре-
мя общепринятым на железных дорогах нашей страны.
Расчет устойчивости по методу проф. Г.М. Шахунянца. Основ-
ные предпосылки предложенного метода расчета заключаются в сле-
дующем. Устойчивость откоса или склона количественно оценива-
ется с помощью коэффициента устойчивости к, который в общем
виде представляет собой отношение факторов, сопротивляющихся
смещению, к факторам, его вызывающим. Оценка устойчивости вы-
полняется из условия равновесия массива смещающегося грунта
(блока возможного смещения) с некоторым запасом, который и яв-
ляется коэффициентом устойчивости к.
333
Задача устойчивости для земляного полотна, учитывая его ли-
нейность, решается как плоская, в двухмерной постановке. При всем
многообразии факторов, влияющих на устойчивость, все формы по-
верхностей возможного смещения в расчетных схемах сводятся к
общему случаю и двум частным:
- поверхность смещения имеет произвольную форму, определя-
емую литологическим строением — предопределенную поверхность;
— поверхность смещения имеет форму круговой кривой;
— поверхность смещения линейная (плоская).
Произвольная поверхность смещения является наиболее общей
моделью и применяется, как правило, для оценки устойчивости зем-
ляного полотна, расположенного на оползневых склонах, когда
очертания поверхности определяется литологией местности. Круг-
лая поверхность смещения принимается при расчете устойчивости
откосов земляного полотна, если оно сложено глинистыми грунта-
ми, имеющими силы сцепления. Плоская поверхность смещения
возникает в сыпучих грунтах.
В приведенных моделях принята гипотеза так называемого «зат-
вердевшего клина», т.е. предполагается, что массив смещающегося
грунта (блок возможного смещения) при деформации перемещает-
ся как единое целое, без разделения на части и образования трещин.
Внешние нагрузки от веса верхнего строения пути и подвиж-
ного состава рп заменяются фиктивными столбами грунта расчетно-
го удельного веса у высотою соответственно:
р Р
z =-^.
ВС у Пу
Рассмотрим расчет устойчивости на примере общего случая при
произвольной (предопределенной) форме поверхности смещения
(рис. 10.16). Весь массив грунта блока смещения с внешними на-
грузками условно вертикальными плоскостями делится на отдель-
ные части (отсеки) таким образом, чтобы в пределах отсека поверх-
ность возможного смещения можно было бы заменить плоскостью
длиной lj. Устойчивость возможного блока смещения в данной мо-
дели определяется из условия равновесия сил, сопротивляющихся
сдвигу (удерживающих от сдвига), к силам, стремящимся его сдви-
нуть. Равновесие рассматривается последовательно в каждом отсе-
ке, и на основе этого выводится равновесие всего блока смещения.
334
Рис. 10.16. Схема определения устойчивости:
а — смещение блока грунта по предопределенной поверхности; б — схема дей-
ствия внешних и внутренних сил на отсек блока смешения; 1—8 (цифры в
круге) — условные отсеки смещения грунта
Схема действующих на отсек внешних и внутренних сил представ-
лена на рис. 10.16, б, на котором введены следующие обозначения:
Е(_1 и Ej — силы, заменяющие действие на i-й отсек соответственно
вышележащего массива блока смещения и нижележащей части мас-
сива блока смещения; Rj — нормальная реакция основания; су/;- + ftRj
— тангенциальные реакции основания; сД — сила сцепления (с(- —
удельное сцепление грунта основания отсека; /,• — длина основания
отсека); fjRj — сила внутреннего трения (/j- — коэффициент внутрен-
335
него трения,/^ = t — угол внутреннего трения грунта); Qj — сила
веса z'-ro отсека (с учетом внешней нагрузки при ее наличии).
В простейшем случае
Qr^ihi, (Ю.25)
где со,- — площадь /-го отсека;
у, — удельный вес грунта /-го отсека;
/—учитывает, что расчет ведется на 1 пог. м земляного полотна вдоль оси пути.
Сила веса 0,- раскладывается на две составляющие: нормальную
Nj и тангенциальную 7} к плоскости основания отсека:
= Q( cosbf, Т} = Qj sinbj, (10.26)
где bj — угол наклона основания /-го отсека к горизонту.
Если откос свободный, то искомый коэффициент устойчивости
определяется по формуле
(=" costp.
У (с.1. +f.N.+T .)----. .
Л / yn-Jcos(p.-q>.)
к=—------:----------------(10.27)
COS<P;.
Гс
В уравнении (10.27) член Tya_j учитывается тогда, когда в отсеке
поверхность наклонена в сторону, противоположную возможному
смешению. Это уравнение получено Г.М. Шахунянцем и является
общим случаем определения коэффициента устойчивости.
Полученный коэффициент устойчивости сравнивается с допус-
каемым коэффициентом устойчивости [Л], нормирование которого
производится в соответствии с СТН Ц-01-95:
Г£ =-2-А5 (10.28)
у
1 с
где ул — коэффициент надежности по назначению сооружения (коэффициент
ответственности сооружения); для скоростных и особогрузонапряженных ли-
ний уп = 1,25, для линий I и II категорий — уп = 1,20, для линий III категории —
уп = 1,15, для линий IV категорий — уп = 1,10;
Уд, — коэффициент сочетания нагрузок; при основном сочетании уд, = 1,00,
при особом (сейсмика) — уд. = 0,90, для строительного периода — уд. = 0,95;
ус — коэффициент условий работы; при использовании методов расчета,
удовлетворяющих условиям равновесия, ус = 1,00, при использовании упро-
щенных методов — ус - 0,95.
336
Если к < [Л] и в нижней части откоса или склона необходимо уст-
роить подпорное сооружение (например, подпорную стену), то из
данного уравнения находят оползневую силу давления на это соору-
жение:
coscp.
(10.29)
В формуле (10.29) величину коэффициента устойчивости прини-
мают равной допускаемому коэффициенту устойчивости [Ас].
Для получения наихудшей поверхности возможного смещения,
при которой получается наименьший коэффициент устойчивости,
варьируют положением центра вращения и радиуса кривой.
Расчеты устойчивости проводят при наиболее неблагоприятных
условиях, что достигается выбором наихудшей поверхности возмож-
ного смещения, при которой получается наименьший коэффици-
ент устойчивости, а также назначением прочностных характерис-
тик грунта с учетом их снижения в результате возможного увлажне-
ния атмосферными и грунтовыми водами или в ходе сезонного от-
таивания грунтов. Для насыпей в зонах периодического подтопления
в расчетах учитывается насыщение грунтов насыпей паводковыми
водами с учетом наивысшего уровня воды при его спаде и возник-
новении гидродинамической силы, создаваемой вытекающей водой.
В районах с расчетной сейсмичностью 7 и более баллов в расчеты
добавляется сейсмическая сила.
10.6.3. Расчет осадок насыпей на слабых основаниях
Грунты насыпей и верхний слой основания толщиной 0,5 м уп-
лотняются до степени, обеспечивающей практически упругую ра-
боту грунта под поездной нагрузкой. Но такие же условия упругой
работы грунта не всегда удается обеспечить для нижележащих слоев
основания, которые после сооружения насыпи могут иметь не-
обратимые остаточные деформации, вызывающие осадку основ-
ной площадки. Поэтому при индивидуальном проектировании
насыпей на слабых основаниях производится расчет осадок осно-
вания насыпей 50СН и предусматриваются мероприятия по устране-
нию их последствий либо по предотвращению их появления. К та-
ким мероприятиям относятся:
337
— назначение запаса на осадку — применяемое, если есть воз-
можность обеспечить временное повышение отметок без наруше-
ния требований по уклонам профиля (ограничением является на-
личие участков с руководящими уклонами, подходы к мостам);
- уширение основной площадки земляного полотна с последую-
щей в период эксплуатации подъемкой пути на балласт;
- мелиорация грунтов основания для предотвращения осадок (ус-
тройство свайных оснований, мероприятия по ускорению консоли-
дации грунтов), применяемая при больших величинах осадок (сла-
бые грунты в основании) на скоростных и особогрузонапряженных
линиях.
Для расчета осадки основания насыпи 50СН используется извест-
ный в механике грунтов метод, когда основание насыпи по глубине
делится горизонтальными плоскостями на ряд слоев произвольно
при однородном сложении грунта или в соответствии с литологи-
ческими слоями — при неоднородном. При этом желательно верх-
ние слои принимать меньшей толщины, чем нижние, так как в них
реализуется основная часть осадки. Минимальное число слоев —
три.
Предпосылки метода послойного суммирования.
1. Основание считается весомым, напряжения в котором опреде-
ляются от внешних нагрузок и от собственного веса.
2. Внешние нагрузки на основание заменяются эпюрой вертикаль-
ной составляющей нормальных напряжений, действующих по по-
дошве насыпи.
3. Задача плоская, статическая.
4. Осадка определяется по оси насыпи.
При определении осадок используется расчет, основанный на
компрессионных кривых; расчет, который ведется по модулям де-
формации грунтов.
Первый способ традиционно принято применять при определе-
нии осадок оснований железнодорожных насыпей и грунтовых пло-
тин, а второй — при расчете оснований фундаментов и для автодо-
рожных насыпей.
Рассмотрим расчет с применением компрессионных кривых. Как
известно из курса механики грунтов, компрессионная кривая показы-
вает зависимость коэффициента пористости грунта е от возникаю-
щих в нем напряжений о, которая строится по результатам испыта-
338
ний на одноосное сжатие образца грунта в приборе — одометре. Со-
гласно компрессионной кривой при вертикальной составляющей
нормальных напряжений стс в точке с грунтового массива грунт бу-
дет иметь коэффициент пористости ес. Коэффициент пористости,
как известно из механики грунтов, имеет следующую связь с плот-
ностью и удельным весом:
р
р = р (1 + И9 = —М1 + И0; y = pg, (10.30)
а 1+е
где р — плотность сложения грунта;
pd — плотность сложения сухого грунта;
W— весовая влажность грунта;
ps — плотность частиц грунта;
у — удельный вес грунта;
g — ускорение свободного падения.
Расчет осадок основания с применением компрессионных кри-
вых ведется в следующей последовательности (рис. 10.17).
1. Основание по глубине делится горизонтальными плоскостями
на i слоев (не менее чем на три) с толщиной каждого слоя А,.
2. Строятся эпюры вертикальной составляющей нормальных на-
пряжений по глубине основания от веса грунта основания <тг_пр и
осадки ч(г)
Рис. 10.17. Схема к расчету осадки основания насыпи
339
коэффициента пористости епр в природном состоянии (до сооруже-
ния насыпи).
Для этого по границам слоев находят значения оу_пр и епр. Вели-
чина напряжений от веса грунта определяется его удельным весом,
зависящим от коэффициента пористости, который в свою очередь
определяется напряжениями, поэтому расчет ведется методом пос-
ледовательных приближений:
— задается первое приближение величины удельного веса сло-
жения грунта;
- вычисляются напряжения;
- по компрессионной кривой определяется коэффициент по-
ристости и по нему находится плотность сложения и удельный
вес;
— полученное значение удельного веса сравнивается с первона-
чальным значением и при их расхождении принимается получен-
ное в расчете значение удельного веса и производится перерасчет
до совпадения с заданной точностью этих значений.
3. Строится эпюра вертикальной составляющей нормальных
напряжений сур 0, действующих по подошве насыпи (эпюра от вне-
шних нагрузок).
4. Эпюра напряжений от внешних нагрузок разбивается на j
элементарных прямоугольных и треугольных нагрузок.
5. От каждой элементарной нагрузки по оси насыпи на глубине
границ выделенных слоев находится вертикальная составляющая
нормальных напряжений ор_у-, которые суммируются, и определя-
ется величина суммарного напряжения от внешних нагрузок <тр.
6. После сооружения насыпи строятся эпюры суммарных напря-
жений а0 от внешних нагрузок и собственного веса грунта основа-
ния <Ху_пр и коэффициента пористости е0 в расчетном состоянии
после возведения, при этом изменениями удельного веса в расчетах
обычно пренебрегают.
7. Определяют осадку (сжатие) каждого выделенного z-го слоя по
формуле
ё —ё
АЛ. = np~L h„ (10.31)
1 1 + е . •* 1
пр-/
где ёп и z — средние в слое толщиной/^величины коэффициентов пори-
стости, соответственно природные (до возведения насыпи) и расчетные (после
возведения).
340
8. Сжатие основания происходит и ниже выделенных слоев, по-
этому определяют осадку 5ДОП, которая реализуется за счет ниже-
лежащей толщи. Для определения этой величины строится кри-
вая относительной осадки n(z)♦ Относительная осадка слоя опре-
деляется по формуле
Дй ё -ёа .
п.=—!-= — (10.32)
1 h. 1+е .
/ пр-/
Величина относительной осадки откладывается в середине слоя
и строится кривая, которая экстраполируется до пересечения с вер-
тикальной осью. Точка пересечения определяет глубину, на которой
деформации затухают z0 и толщу нижележащего дополнительного
слоя Лдоп, дающего осадку.
Площадь графика под кривой r|(z) является искомой величиной
осадки
5 =Уг|.й.+5 ^Vr|./2.+—ц h . (10.33)
ОСН 7 / ДОП 7 I Э ’н ДОП
1 1 2
Полученная величина осадки основания является полной осад-
кой, но часть ее будет реализовываться в ходе сооружения насыпи
5стр и должна учитываться при определении необходимых объемов
отсыпки грунта, а другая часть осадки придется на эксплуатацион-
ный период 50, и эта величина необходима для проектирования ме-
роприятий по устранению ее последствий:
‘Soch^ctp+So- (10.34)
Величина осадки, реализуемой в строительный период, зависит
от консолидационных свойств грунтов основания, сроков и техно-
логии сооружения насыпи, и эта величина должна определяться при
разработке проекта.
Зная величину 50, можно найти необходимое повышение про-
фильной отметки бровки насыпи при ее отсыпке либо уширение
основной площадки />уш = 2mS0 и проектную ширину основной
площадки В= b +2mSQ с учетом того, что компенсация осадки в экс-
плуатации будет производиться за счет подъемки на балласт, где т =
= 1,5 — показатель крутизны откоса балластной призмы; b — ши-
рина основной площадки без учета осадки основания.
341
10.6.4. Расчет осадок насыпей при оттаивании
многолетнемерзлых грунтов в основании
При проектировании насыпей на основаниях, сложенных III и
IV категорий просадочности, с допущением их оттаивания в эксп-
луатационный период необходимо определить осадку, которая воз-
никает при этом.
Величина осадки 5О, возникающая при оттаивании грунтов, оп-
ределяется по формуле
i=n i=n
s0 = SМ/ при Ht = Shi- (10.35)
/=1 /=1
где 8, — величина относительной осадки /-го оттаивающего слоя многолетне-
мерзлых грунтов основания (см. табл. 10.10);
hj — толщина /-го оттаивающего слоя многолетнемерзлых грунтов основания;
Ht — прогнозное понижение верхней границы мерзлоты в основании под
насыпью за расчетный период времени t.
Величина понижения мерзлоты Ht определяется на основе теп-
лотехнических расчетов. Прогноз изменения мерзлотно-грунтовых
условий после сооружения насыпей выполняется на 10-й год эксп-
луатации и более отдаленную перспективу.
Теплотехнические расчеты изменения мерзлотно-грунтовых ус-
ловий после сооружения насыпи проводятся на ЭВМ конечно-раз-
ностным методом, с применением одной из известных программ,
разработанных для решения задач промерзания — оттаивания грун-
товых оснований.
10.6.5. Расчет величины морозного пучения
При промерзании пучинистых грунтов земляного полотна и ос-
нования должно проверяться условие не превышения допустимой
величины морозного пучения [А ], регламентируемой нормами (см.
табл. 10.1). Расчет должен выполняться, если глубина промерзания
входит в среднепучинистые, сильнопучинистые и чрезмерно пучи-
нистые грунты (см. табл. 10.5).
Расчетная величина морозного пучения Ар, возникающая при
промерзании грунтов, определяется по формуле
i=k i=k
h„ = TJihi при z=E/,/’ (ю.зб)
/=1 /=1
где/ — величина интенсивности пучения /-го промерзающего слоя грунта зем-
ляного полотна или основания толщиной
342
Z — максимальная за 10-летний период глубина промерзания грунтов зем-
ляного полотна и основания.
Глубина промерзания определяется на основе теплотехнических
расчетов, основанных на конечно-разностных методах с примене-
нием ЭВМ. Также допускается для расчета глубины промерзания
использовать приближенный инженерный метод эквивалентности
промерзания многослойных толщ, предложенный проф. Г.М. Ша-
хунянцем.
Метод эквивалентности промерзания для многослойных толщ. Пер-
воначально в зависимости от температурных условий района про-
хождения железной дороги определяется глубина промерзания од-
нородного эталонного (эквивалентного) грунта:
Z3=t/o74’ (10-37)
где Z3 — эквивалентная глубина промерзания (глубина промерзания однород-
ного эталонного грунта, за который принят тяжелый суглинок), м;
б/0 — эмпирический коэффициент, Jo = 0,23 м/°С0’5;
Mt — максимальная сумма абсолютных значений отрицательных темпера-
тур за зиму в данном районе с вероятностью превышения 1 раз в 10 лет, прини-
маемая по результатам наблюдений ближайшей метеорологической станции.
Имея эквивалентную глубину промерзания и используя уравне-
ние эквивалентности, находим глубину промерзания Z многослой-
ной толщи грунтов по оси земляного полотна:
Л h i=k h i=k
Z =_CH. + _6^+y_L. z=Yh„ (10.38)
э n n. 1
ch бал i '=1
где Z — расчетная глубина промерзания грунтов земляного полотна и основа-
ния (считая от бровки земляного полотна);
Асн — средняя за зиму толщина снежного покрова по оси пути;
дсн — коэффициент эквивалентности снежного покрова;
Абал — толщина балласта от его верха по оси пути;
лбал — коэффициент эквивалентности балласта;
— толщина f-го промерзшего слоя грунта земляного полотна или основания;
л. — коэффициент эквивалентности /-го промерзшего слоя грунта земля-
ного полотна или основания.
Коэффициенты эквивалентности различных материалов и грун-
тов характеризуют их способность промораживаться относитель-
но этой способности у эталонного грунта. Коэффициенты эквива-
лентности имеют теоретическое обоснование, сделанное проф.
343
Г.М. Шахунянцем из решения уравнения Фурье, а их численные
значения найдены в результате решения большого количества за-
дач на ЭВМ. Коэффициенты эквивалентности для основных раз-
новидностей материалов приведены в табл. 10.20.
Таблица 10.20
Коэффициенты эквивалентности промерзания грунтов, балласта и снега
Разновидность грунта или балласта Коэффициент п
Суглинки и глины 0,85-1,10
Супесь 1,05-1,25
Пески гравелистые, крупные, средней крупности 1,20-1,35
Пески мелкие и пылеватые 1,10-1,25
Щебеночный балласт: при ж.-б. шпалах при деревянных шпалах 1,30-1,50 1,20-1,30
Снег плотный по оси пути 0,38
Величина фактической глубины промерзания находится сумми-
рованием после определения по уравнению эквивалентности вели-
чины промерзания толщины последнего слоя hk.
10.7. Типовые решения земляного полотна
10.7.1. Основная площадка
Основной площадкой земляного полотна называется его верхняя
поверхность, на которой размещается верхнее строение пути. Она
характеризуется формой поверхности (зависит от рода грунта и ко-
личества путей) и шириною Ь (зависит от категории линии, вида
грунта, числа путей).
Обочиной земляного полотна называется часть основной площад-
ки, свободная от балластной призмы. Обочина измеряется от по-
дошвы балластной призмы до бровки земляного полотна, предназ-
начена для обеспечения большей устойчивости откосных частей, а
также удобства проведения путевых работ и размещения путевых
знаков.
Форма поверхности основной площадки при недренирующих
грунтах принимается выпуклой для обеспечения стока атмосфер-
344
ной воды, проникающей на нее через балластный слой, образуя при
этом сливную призму На однопутных линиях поперечное очерта-
ние верха земляного полотна на перегонах имеет трапецеидальную
форму высотой 0,15 м и шириной поверху 2,3 м, т.е. меньше длины
шпалы, чтобы при укладке рельсошпальной решетки на основную
площадку без балластировки не образовывались бы замкнутые уг-
лубления от вдавливания шпал в грунт.
На двухпутных линиях сливная призма имеет треугольную форму
с высотой 0,20 м. Основная площадка земляного полотна из скаль-
ных и дренирующих грунтов принимается горизонтальной. Конст-
рукции основной площадки на перегонах приведены на рис. 10.18.
Рис. 10.18. Поперечное очертание основной площадки на прямых участках:
а — для однопутного земляного полотна из недренирующих грунтов без защит-
ного слоя; б — то же из дренирующих грунтов; в — для двухпутного земляного
полотна из недренирующих грунтов; г — то же из дренирующих грунтов; b —
ширина основной площадки земляного полотна; h — 0,15 + разность толщин
балластного слоя на данном участке и смежных слоев из недренирующих грун-
тов; БпрОф — профильная бровка; Бп — проектная бровка
345
При отсыпке насыпей из скальных или крупнообломочных грунтов,
содержащих камни, валуны и глыбы, в верхней части насыпи устраи-
вается выравнивающий слой толщиной не менее 0,5 м из гравийно-
галечниковых или щебенистых грунтов с размером наиболее круп-
ных фракций не более 0,2 м.
Ширина основной площадки определяется из условия размеще-
ния на ней балластной призмы типовых размеров и возможности со-
здания обочины земляного полотна, ширина которой принимается
не менее 0,5 м для линий I и II категорий и не менее 0,4 м для линий
III и IV категорий. Ширина основной площадки на прямых участках
для линий разных категорий и типа грунта приведена в табл. 10.21.
Таблица 10.21
Ширина основной площадки земляного полотна на прямых участках
Категория железно- дорожной линий Число главных путей Ширина площадки из недренирующих грунтов (глинистые, пылеватые пески и др.) Ширина площадки из дренирующих грунтов (скальные, крупнооб- ломочные, пески)
Скоростные, особогрузо- напряженные, I 2 И,7 10,7
I и 11 1 7,6 6,6
Ill 1 7,3 6,4
IV 1 7,1 6,2
Увеличение ширины основной площадки для не дренирующих
грунтов относительно дренирующих грунтов объясняется необхо-
димостью устройства сливной призмы и укладкой балласта на пес-
чаной подушке.
Ширина основной площадки в кривых увеличивается в наруж-
ную сторону кривой для возможности устройства возвышения на-
ружного рельса за счет развития в высоту балластной призмы, что
приводит к увеличению ширины ее подошвы. Уширение основной
площадки в зависимости от радиуса кривой приведено в табл. 10.22.
Также основная площадка уширяется на 0,5 м в каждую сторону
на подходах к большим мостам на протяжении 10 м от задней грани
устоев с постепенным сведением на последующих 25 м к нормаль-
ной величине.
346
Таблица 10.22
Уширение земляного полотна в кривых
Радиусы кривых, м Уширение земляного полотна, м
3000 и более 0,20
2500-1800 0,30
1500-700 0,40
600 и менее 0,50
Ширина земляного полотна на раздельных пунктах устанавли-
вается в соответствии с проектируемым путевым развитием. При
этом расстояние от осей крайних путей до бровки земляного полот-
на должно быть не менее Ь/2. Форма основной площадки при не-
дренирующих грунтах должна обеспечивать свободный и быстрый
отток атмосферной и производственной воды. В зависимости от
количества путей и вида грунта может быть односкатный, двухскат-
ный или пилообразный профиль.
На длительно эксплуатируемых линиях за основную площадку
принимается условная граница, проходящая по подошве балласт-
ной призмы типовых размеров.
10.7.2. Защитный слой
Конструкция земляного полотна из всех видов глинистых грун-
тов за исключением супесей, содержащих песчаные частицы в ко-
личестве более 50 % по массе, в зоне основной площадки усилива-
ется укладкой под балластный слой защитного слоя из дренирующего
грунта в комбинации с геотекстилем или без него. Защитный слой
позволяет уменьшить морозное пучение грунтов до допускаемой ве-
личины и обеспечить необходимую прочность глинистых грунтов.
Толщина защитных слоев h определяется расчетом в зависимости
от вида глинистого грунта земляного полотна и его состояния, а так-
же в зависимости от глубины промерзания фунтов в данной клима-
тической зоне. При этом в соответствии с нормами (СНиП 32-01-95 и
СТН Ц-01-95) в зависимости от климатических условий минималь-
ная толщина защитного слоя должна составлять не менее 0,8—1,0 м
для суглинков и глин и 0,5—0,7 м — для супесей. Поверхность гли-
нистого фунта в основании защитного слоя для создания бысфого
стока воды планируется с двухсторонним уклоном от оси земляного
347
полотна к откосам с уклоном 0,04. По низу защитного слоя в необ-
ходимых случаях для его разделения от глинистых грунтов, лежащих
ниже, в конструкции укладывается геотекстиль. Конструкция насы-
пи и выемки с защитным слоем приведена на рис. 10.19.
Рис. 10.19. Конструкции насыпи и выемки с защитным слоем:
а — для однопутной линии; б — для двухпутной линии; h — толщина защитно-
го слоя; Бпроф — профильная бровка; Бп — проектная бровка
Устройство защитных слоев является надежным решением уси-
ления основной площадки земляного полотна, также широко при-
меняется во многих странах. Так, в Германии устройство защитных
слоев закреплено в нормах по земляному полотну Ril 836. В этих
нормах в зависимости от эксплуатационных условий регламентиру-
ются значения минимальных модулей деформации £v2 и степени уп-
лотнения DPr защитного слоя в уровне основной площадки и на зем-
ляном полотне под защитным слоем (см. табл. 10.7), что является
достаточным для задания качества материала защитного слоя и на-
хождения необходимой его толщины. При этом модуль деформа-
ции определяется штамповыми испытаниями, а степень уплотне-
ния находится по методу Проктора. Полученная толщина защитно-
го слоя в зависимости от климатических характеристик проверяет-
ся на достаточность по условию морозоопасности, исходя из условия
выведения границы промерзания из глинистых грунтов.
348
10.7.3. Типовые поперечные профили насыпей
Отвод поверхностных вод, поступающих к насыпям и стекаю-
щих с их откосов, осуществляется водоотводными канавами или
резервами к водопропускным сооружениям или логам. Крутизна
откосов насыпей назначается в зависимости от вида грунта и высо-
ты насыпи согласно требованиям табл. 10.23. Чтобы канавы не за-
иливались, их продольный уклон должен быть не менее 0,003. На
болотах и в поймах рек допускается уменьшение до 0,002, а в ис-
ключительных случаях — до 0,001. При явно выраженном уклоне
местности, когда поступление воды возможно только с верховой
стороны, водоотводные канавы проектируют только с нагорной
стороны.
Таблица 10.23
Крутизна откосов насыпей
Вид грунта насыпи Высота насыпи
До 6 м До 12 м
верхней части нижней части
Скальные, крупнообломочные с песчаным заполнителем, пески крупные и средние 1:1,5 1:1,5 1:1,5
Пески мелкие и пылеватые, глинистые грунты твердой и полутвердой консистенции и крупно- обломочные с глинистым заполнителем той же консистенции 1:1,5 1:1,5 1:1,75
То же, но переувлажненные 1:1,75 1:1,75 1:2
Глинистые грунты тугопластичной консистенции и крупнообломочные с глинистым заполнителем той же консистенции 1:2 По расчету
Пески мелкие барханные в районах с засушливым климатом 1:2 1:2 1:2
Резерв — это место у основания насыпи, из которого с целью
уменьшения затрат на возку грунта ведется отсыпка насыпи, он ус-
траивается в тех случаях, если грунт основания пригоден для отсып-
ки насыпи. Резерв также включается в общую систему водоотводов
и для этого его дну придают поперечный уклон не менее 0,02 и про-
349
дольный — не менее 0,002. При ширине резерва до 10 м дно проек-
тируется односкатным, более широкие резервы имеют двухскатные
профили. Откосы резерва должны быть не круче 1:1,5. Глубина ре-
зерва зависит от объема забираемого из него грунта.
Для защиты подошвы насыпей от непосредственного воздействия
текущей по канаве или резерву воды и возможного прохода строи-
тельной техники между подошвой откоса и бровкой канавы или ре-
зерва оставляются бермы шириной не менее 3 м, а для линий I и II
категорий со стороны будущего второго пути — не менее 8 м.
Типовой поперечный профиль насыпи высотой до 12 м из недре-
нирующих грунтов при поперечном уклоне местности не круче 1:5
приведен на рис. 10.20.
Рис. 10.20. Типовой поперечный профиль насыпи высотой до 12 м из недрени-
рующих грунтов при поперечном уклоне местности (1:л) не круче 1:5
10.7.4. Групповые конструкции насыпей на косогорах и болотах
При отсыпке насыпей на косогорах крутизной от 1:5 до 1:3 для
обеспечения их устойчивости против сдвига по основанию в них
устраивают уступы от 1 до 4 м с уклоном 0,01—0,02 в направлении
падения склона (рис. 10.21). При этом в случае высоты уступа 1 м и
менее его стенка может быть вертикальной, при большей высоте ус-
тупа откосу придается уклон 1:0,5—1:1,5.
Групповые решения для насыпей на болотах определяются ти-
пом болота, его глубиной и уклоном минерального дна.
В зависимости от характеристики грунтов болота разделяют на
три типа:
350
a , k)
Рис. 10.21. Типовой поперечный профиль насыпи на косогорах крутизной
от 1:5 до 1:3:
а — насыпь с высотой низового откоса до 12 м; б — деталь нагорной канавы с
бермой в грунте естественного сложения; в — низкая насыпь; г — полунасыпь-
пол увыемка
I тип — заполненные торфом и другими болотными грунтами ус-
тойчивой консистенции, сжимающимися под нагрузкой от насыпи
высотой до 3 м;
II тип — заполненные торфом и другими болотными грунтами
разной консистенции, в том числе выдавливающимися под нагруз-
кой от насыпи высотой до 3 м;
351
Ill тип — заполненные торфом и другими болотными грунтами в
разжиженном состоянии, выдавливающимися под нагрузкой; могут
иметь торфяную корку — сплавину.
Тип болота устанавливается в ходе инженерно-геологических
изысканий с определением физико-механических характеристик
грунтов болота.
Выбор профиля насыпи на болоте определяется условием не-
превышения допустимых упругих осадок (см. табл. 10.1) и ограни-
чением остаточной осадки по возможности строительным перио-
дом. Для сооружения насыпей на болотах преимущественно ис-
пользуют дренирующие грунты, при отсутствии таких грунтов на
болотах I и II типа допускается использовать мелкие и пылеватые
пески и песчанистые супеси. При этом возвышение бровки насы-
пи над поверхностью болота для исключения капиллярного под-
нятия влаги в насыпь следует назначать не менее: для дренирую-
щих грунтов 0,8 м при полном удалении торфа в основании; 1,2 м
при частичном выторфовании; для мелких и пылеватых песков и
песчанистых супесей — 2 м.
По групповым решениям могут сооружаться насыпи:
- на болотах 1 типа глубиной до 4 м при поперечном уклоне ми-
нерального дна не более 1:10;
— на болотах II типа глубиной до 3 м при поперечном уклоне ми-
нерального дна не более 1:15;
- на болотах III типа глубиной до 4 м при поперечном уклоне
минерального дна не более 1:20 (I тип), не более 1:15 (II тип) и не
более 1:20 (III тип) могут сооружаться по групповым решениям.
На болотах I типа глубиной до 2 м по условию упругой осадки
предусматривают полное удаление торфа при высоте насыпи до 3 м
(рис. 10.22). Частичное удаление торфа на болотах I типа применя-
ется при высоте насыпи от 2 м до 3 м при глубине болота до 4 м
(рис. 10.23). При частичном удалении торфа происходит обжатие
торфа на величину расчетной осадки S, которая может составлять
до половины его толщины, что должно учитываться при проекти-
ровании. Глубина выторфования Лв назначается из условия, чтобы
суммарная толщина насыпного грунта Я+ hB+S (над поверхностью
болота и в нем с учетом расчетной осадки) была бы не менее 3,5 м
для дорог I—III категории и 3 м для дорог IV категории, а ее отно-
шение к толщине уплотненного торфа должно быть не менее 2:1.
352
Рис. 10.22. Типовой поперечный профиль насыпи высотой до 3 м на болотах
I типа глубиной до 2 м при поперечном уклоне основания не круче 1:10 с пол-
ным удалением торфа:
а — из дренирующих грунтов; б — из мелких и пылеватых песков, песчанистых
супесей; т — крутизна откосов траншеи выторфования (от 1:0 до 1:0,5)
Рис. 10.23. Типовой поперечный профиль насыпи высотой до 3 м на болотах
I типа глубиной до 4 м при поперечном уклоне основания не круче 1:10 с час-
тичным удалением торфа:
а — из дренирующих грунтов; б — из мелких и пылеватых песков, песчанистых
супесей; т — крутизна откосов траншеи выторфования; Ав — глубина выторфо-
вания; 5 — осадка насыпи
353
Крутизна откосов траншеи выторфования т назначается в зависи-
мости от способа производства работ в пределах от 1:0 до 1:0,5.
При высоте насыпи более 3 м и глубине болота I типа до 4 м
торф может использоваться в качестве естественного основания,
при этом осадка насыпи на величину 5 реализуется в ходе строи-
тельства (рис. 10.24). В данном случае обязательным является
проверка условия обеспечения допустимой упругой осадки насыпи.
Групповые решения для насыпей на болотах 1 типа применяют
при уклоне минерального дна не круче чем 1:10. Крутизна отко-
сов насыпей из дренирующих грунтов принимается как у типо-
вых профилей 1:1,5, а для насыпей из мелких и пылеватых песков
и песчанистых супесей, учитывая их чувствительность к восприя-
тию динамических нагрузок, верхняя часть принимается крутиз-
ной 1:1,75, а нижний слой толщиной 1,0 м еще положе — с кру-
тизной 1:3.
Рис. 10.24. Типовой поперечный профиль насыпи высотой до 3 м на болотах
I типа глубиной до 4 м при поперечном уклоне основания не круче 1:10 с ис-
пользованием торфа в качестве основания:
а — из дренирующих грунтов; б — из мелких и пылеватых песков, песчанистых
супесей; S — осадка насыпи
354
Водоотводные канавы у насыпей на болотах I типа устраивают с двух
сторон на расстоянии не ближе 3 м от подошвы. Сечение канав прини-
мается трапецеидальное с шириной по дну и глубиной не менее 0,8 м.
Насыпи на болотах II типа глубиной до 3 м должны быть посаже-
ны на минеральное дно (рис. 10.25). При этом вырезается раститель-
но-корневой покров, торф устойчивой консистенции и всплываю-
щий торф неустойчивой консистенции удаляются, и грунт насыпи от-
сыпается непосредственно в воду Водоотводы в данном случае выпол-
няют в виде канав-торфоприемников, глубину которых принимают
равной толщине растительно-корневого покрова, но не менее чем
1 м, а располагают их с двух сторон не ближе 2 м от подошвы насыпи.
Групповые решения для насыпей на болотах II типа применяют
при уклоне минерального дна не круче чем 1:15. Крутизна откосов
насыпей для болот II типа принимается такой же, как и для насыпей
на болотах I типа.
а
Рис. 10.25. Типовой поперечный профиль насыпи высотой до 3 м на болотах
II типа глубиной до 3 м при поперечном уклоне основания не круче 1:15с по-
садкой насыпи на дно:
а — из дренирующих грунтов; б — из мелких и пылеватых песков, песчанистых
супесей; / — торфоприемник; 2 — вспомогательная линия для определения
траншеи выторфования
355
Насыпи на болотах III типа глубиной до 4 м также должны быть
посажены на минеральное дно (рис. 10.26). При наличии сплавины
ее можно вырезать или оставить, но вдоль подошвы должны предус-
матриваться прорезы на всю толщину растительного слоя. В пос-
Рис. 10.26. Типовой поперечный профиль насыпи высотой до 3 м на болотах
III типа глубиной до 3 м при поперечном уклоне основания не круче 1:20 с по-
садкой насыпи на дно: / — торфяная корка; т — крутизна откосов
леднем случае должна быть предусмотрена осадка насыпи за счет
обжатия торфяной корки, а суммарная толщина насыпного грунта
над коркой составлять не менее 3 м.
10.7.5. Типовые поперечные профили выемок
Поперечные профили выемок проектируются в зависимости от
их глубины, вида и свойства грунтов с учетом способов производ-
ства работ. Следует учитывать потребность грунтов для сооружения
смежных насыпей и при недостаточности грунтов рассматривать ва-
риант расширения выемки под карьеры. Ширина основной площад-
ки выемки принимается по нормам как для насыпей. При устрой-
стве выемок в глинистых грунтах1, а также в крупнообломочных
грунтах с глинистым заполнителем в зоне основной площадки уст-
раивается защитный слой (см. п. 10.4.2).
Крутизна откосов выемок глубиной до 12 м назначается из усло-
вия обеспечения их надежной устойчивости и составляет в группо-
вых решениях от 1:0,2 в скальных слабовыветрелых грунтах до 1:2 —
в глинистых и пылеватых грунтах в соответствии с требованиями,
приведенными в табл. 10.24.
1 За исключением супесей, содержащих песчаные частицы в количестве
более 50 % по массе.
356
Таблица 10.24
Крутизна откосов выемок
Вид грунта Крутизна откоса
Скальные слабовыветривающиеся 1:0,2
Скальные выветривающиеся 1:0,5-1:1
Скальные легковыветривающиеся 1:1,5
Крупнообломочные, песчаные, глинистые (в том числе лессовидные) твердой, полутвердой, тугопластичной консистенции 1:1,5
Глинистые грунты в районах избыточного увлажнения 1:2
Пески мелкие (барханные) в засушливых районах 1:1,75-1:2
Лёссы на неорошаемых участках в засушливых районах 1:0,1-1:0,5
Лёссы вне районов с засушливым климатом 1:0,5-1:1,5
Примечания. 1. Откосы крутизной 1:0,2 применяют при контурном взрыва-
нии, при этом в благоприятных инженерно-геологических условиях допуска-
ются вертикальные откосы выемок.
2. В скальных грунтах в пределах поверхностного (делювиально-элювиаль-
ного) слоя крутизну откосов назначают с учетом его прочности и толщины.
3. У подошвы откосов выемок устраиваются кювет-траншеи: при глубине
выемок более 6 м в скальных легковыветривающихся грунтах шириной понизу
4 м и глубиной 0,6 м; в слабовыветривающихся и выветривающихся скальных
грунтах при неблагоприятном их залегании — траншеи с габаритами по рас-
чету, а также в подвижных песках.
Кювет-траншеи вместо кюветов устраиваются в выемках для воз-
можности в период эксплуатации механизированной их очистки.
Поперечный профиль выемки глубиной до 12 м в мелких и пы-
леватых песках и песчанистых супесях представлен на рис. 10.27.
Для сбора продуктов выветривания с откосов в выемках при их
глубине более 2 м в глинистых грунтах, мелких и пылеватых песках,
а также сильновыветрелых скальных грунтах устраиваются закювет-
ные полки шириной 2 м. При устройстве выемок глубиной до 12 м в
крупнообломочных, крупнообломочных с песчаным заполнителем
и в песчаных дренирующих грунтах закюветные полки не устраива-
ются (рис. 10.28).
Групповой поперечный профиль выемки в скальных слабовывет-
ривающихся грунтах с благоприятным расположением поверхно-
357
Рис. 10.27. Типовой поперечный профиль выемки глубиной до 12 м в мелких и
пылеватых песках и песчанистых супесях:
7 — нагорная канава; 2 ~ кавальер; 3 — забанкетная канава; 4 — банкет;
5 — кювет
Рис. 10.28. Типовой поперечный профиль выемки глубиной до 12 м в крупно-
обломочных, крупнообломочных с песчаным заполнителем и в песчаных дре-
нирующих грунтах:
Бпроф — профильная бровка; Бп — проектная бровка
стей ослабления при поперечном уклоне местности не круче 1:3 по-
казан на рис. 10.29. Можно проектировать до высоты 15 м и откосы
в коренных породах крутизной 1:0,5.
Ниши глубиной 1 м (обычные линии) проектируют через 50 м с
каждой стороны пути в шахматном порядке, через каждые 300 м с
каждой стороны пути взамен ниш надлежит проектировать камеры
для размещения путевого инструмента и оборудования глубиной не
менее 3 м (см. рис. 10.29).
358
Рис. 10.29. Групповой поперечный профиль выемки в скальных слабовыветри-
вающихся грунтах с благоприятным расположением поверхностей ослабления
при поперечном уклоне местности не круче 1:3:
В — ширина понизу; 7, 2, 3 — заложение откосов соответственно в коренных
скальных грунтах, наносных породах (делювии) и отложениях (элювии); 4 —
камера для укрытия; 5 — ниша для укрытия; Бпроф — профильная бровка; Бп —
проектная бровка
Грунты от разработки выемок используют для отсыпки смеж-
ных насыпей, а в случае их непригодности или экономической не-
целесообразности такой отсыпки эти грунты вывозят за пределы
выемки и размещают в пониженных местах рельефа с планиров-
кой поверхности и соблюдением экологических норм по рекуль-
тивации.
При отсутствии в непосредственной близости пониженных мест
рельефа, которые могут быть использованы для размещения из-
лишнего грунта от разработки выемок, этот грунт может форми-
роваться в виде кавальеров. Кавальеры отсыпают за пределами от-
косов выемок не ближе 5 м от их бровок, в том числе с учетом
возможного устройства в ближайшей перспективе второго пути (см.
рис. 10.27). Кавальеры при поперечном уклоне местности положе
Г.5 рекомендуют располагать с двух сторон от выемки, а при укло-
не от 1:5 до 1:3 с низовой стороны. При более крутых уклонах мест-
ности возможность их размещения проверяется расчетом общей
устойчивости выемки. При этом кавальеры с низовой стороны
выемки для возможности выпуска воды должны иметь разрывы
359
шириной не менее 3 м через каждые 50 м и в пониженных местах,
площадке между бровкой выемки и откосом кавальера придается
уклон в сторону разрыва.
Размеры кавальеров принимаются в зависимости от объема от-
сыпаемого в них грунта с учетом условий охраны окружающей сре-
ды, физико-механических характеристик грунтов, типов машин и
механизмов, а также с обязательным соблюдением условия устой-
чивости откосов выемки. Крутизна откосов кавальеров назначается
1:1,5, а верху кавальера придается поперечный уклон не менее 0,02 в
полевую сторону.
Для сбора и отвода поверхностной воды с откосов и от основной
площадки в выемках устраиваются кюветы или лотки. Ширина кю-
вета по дну назначается 0,4 м, а глубина не менее 0,6 м. Крутизна
откосов кювета со стороны основной площадки принимается 1:1,5;
со стороны откоса выемки или при наличии закюветной полки —
также 1:1,5. Лотки принимают типовых конструкций. Продольные
уклоны водоотводов назначают равными продольным уклонам пути,
но не менее 0,002.
Для перехвата и отвода поверхностной воды, поступающей к
откосу выемки с верховой стороны, устраивают нагорные канавы,
которые располагают не ближе 5 м от бровки откоса и 9 м со сто-
роны возможного размещения второго пути. При поперечном ук-
лоне местности менее 0,04 нагорные канавы устраивают с обеих
сторон выемки. При наличии кавальера нагорная канава устраи-
вается как можно ближе к нему с полевой стороны до 1 м от подо-
швы при малой снегозаносимости и до 5 м при большой снегоза-
носи мости.
Ширина по дну нагорных канав и их глубина определяются рас-
четом и должны быть не меньше 0,6 м.
При устройстве в выемках кавальеров, кроме нагорных канав для
отвода поверхностной воды, с верховой стороны должны быть за-
проектированы банкеты и забанкетные канавы (см. рис. 10.27), ко-
торые собирают и отводят поверхностную воду с площади между
откосом выемки и подошвой кавальера. Банкеты и забанкетные ка-
навы имеют профиль треугольной формы и образуются путем пла-
нирования поверхности полосы между бровкой откоса выемки и по-
дошвой кавальера с продольным уклоном не менее 0,005 и попе-
речным уклоном в сторону кавальера 0,02—0,04.
360
10.8. Защита земляного полотна от неблагоприятных
природных воздействий
Для защиты земляного полотна от неблагоприятных природных
воздействий применяются различные инженерные сооружения, ко-
торые могут проектироваться с помощью групповых либо индиви-
дуальных решений. К основным неблагоприятным природным воз-
действиям на земляное полотно относят: воздействие воды; воздей-
ствие температуры; гравитационные процессы.
При этом каждое из перечисленных природных воздействий ска-
зывается на надежности земляного полотна и имеет многообразные
формы проявления. Задача проектировщика учесть последствия воз-
можных неблагоприятных природных воздействий таким образом,
чтобы при принятом сроке эксплуатации обеспечить необходимый
уровень надежности земляного полотна.
Рассмотрим общую классификацию мероприятий, применяю-
щихся для защиты земляного полотна от неблагоприятных природ-
ных воздействий. К главным мероприятиям по защите земляного
полотна от неблагоприятных природных воздействий относят:
- регулирование поверхностного стока;
— защиту от размыва текущими водами и волноприбоем;
— регулирование подземного стока;
— регулирование тепловых процессов в земляном полотне и ос-
новании;
- регулирование гравитационных процессов на склонах.
Рассмотрим каждую группу мероприятий подробнее.
10.8.1. Регулирование поверхностного стока
Поверхностные воды размывают грунт земляного полотна и при-
легающей земной поверхности или насыщают его в результате ин-
фильтрации воды в толщу грунта, приводя к снижению его прочно-
стных свойств. Перехватывать поверхностную воду, не допуская ее
проникновения в грунт, значительно легче и дешевле, чем устранять
последствия ее воздействия, поэтому к этому и следует стремиться.
Планировка. Для защиты земляного полотна от воздействия ат-
мосферных вод в первую очередь выполняется планировка всех по-
верхностей — непосредственно земляного полотна, полосы отвода,
берм, резервов, водоотводных сооружений и других обустройств та-
361
ким образом, чтобы не допускать даже незначительных застоев воды,
обеспечивая быстрый сток ее без размыва грунта в водоотводные
сооружения. Для этого поверхностям придаются поперечные и про-
дольные уклоны, величины которых должны обеспечить быстрый
отток поверхностных вод за пределы земляного полотна без его раз-
мыва. Величины уклонов определяются типовыми и групповыми
решениями, что было рассмотрено ранее на типовых поперечных
профилях (см. п. 10.7).
Кроме того, необходимо производить планировку территории,
прилегающей к земляному полотну, где должны быть ликвидирова-
ны западины, местные понижения и бессточные ложбины.
Мероприятие по планировке является наиболее дешевым, и оно
должно выполняться в первую очередь, но, являясь необходимым,
оно не всегда достаточно, и требуются дополнительные меропри-
ятия по защите от размыва и инфильтрации воды в земляное по-
лотно.
Водоотводные сооружения. Поверхностные воды, поступающие с
прилегающей территории и стекающие с земляного полотна, долж-
ны быть собраны в водоотводные сооружения, по которым они от-
водятся к ближайшим водопропускным сооружениям или в сторо-
ну от земляного полотна в пониженные места рельефа. Количество
водоотводных сооружений, их параметры и местоположение долж-
ны быть выбраны так, чтобы в кратчайшие сроки без переполнения
собрать и отвести поступающую к ним воду.
С нагорной стороны земляного полотна должен предусматривать-
ся сплошной продольный водоотвод от каждого пересекаемого же-
лезной дорогой водораздела до водопропускного сооружения или
места, где возможен поперечный отвод воды в сторону от земляно-
го полотна.
Трасса водоотвода должна располагаться по возможности нор-
мально к направлению преимущественного стока воды с обеспече-
нием наилучших гидравлических условий работы водоотвода и ми-
нимума строительных затрат и эксплуатационных расходов. Сопря-
жение водоотвода с руслом водотока устраивается таким образом,
чтобы водоотвод подходил к водотоку под углом не более 45° по те-
чению воды.
Поперечное сечение водоотводных сооружений следует назна-
чать исходя из условия, чтобы бровка водоотвода возвышалась не
362
менее чем на 0,2 м над уровнем воды, при расчетном расходе с ве-
роятностью его превышения по нормам, указанным в табл. 10.25.
Таблица 10.25
Вероятность превышения расчетного расхода
Категория линии Вероятность превышения расчетного расхода, %
Водоотводы у выемок (кюветы, нагорные канавы) Водоотводы у насыпей (продольные и поперечные канавы)
Скоростные, особогрузо- напряженные, 1 и II 1 4
III 3 7
IV 5 10
В отдельных случаях водоотводные сооружения также собирают
и отводят грунтовые воды из верхних слоев грунтов, и тогда опреде-
ляющим для размеров сечения становится их глубина, которая дол-
жна быть ниже уровня подземных вод, требующих отвода, а в вели-
чину расхода поверхностных вод добавляется расход от притока
грунтовых вод.
В качестве водоотводных сооружений земляного полотна при-
меняют: канавы, лотки, быстротоки, перепады, водоотводные ва-
лики и водоотжимные бермы.
Канавы по назначению и месту их расположения подразделя-
ются на продольные и поперечные канавы, кюветы, кювет-тран-
шеи, забанкетные и нагорные канавы. Канавы могут иметь раз-
личные сечения (рис. 10.30): трапецеидальное (наиболее распрос-
траненное); прямоугольное (торфоприемники на болотах); треу-
гольное (забанкетные канавы и канавы в скальных грунтах) и
полукруглое (в лёссах).
Канавы трапецеидального сечения устраиваются, как правило, с
крутизной откоса 1:/и не круче 1:1,5, а минимальные глубина h и
ширина по дну b принимаются 0,6 м для водоотводных и нагорных
канав, а канав на болотах — 0,8 м. Для кюветов минимальная глу-
бина установлена также 0,6 м, а ширина по дну — 0,4 м.
Продольные уклоны водоотводных канав должны быть не менее
0,003, а забанкетных не менее — 0,005. На болотах, марях, речных
363
Рис. 10.30. Типы поперечных сечений водоотводных канав:
а — трапецеидальное; б — прямоугольное; в — треугольное; г — полукруглое
долинах и других участках с малым естественным уклоном местно-
сти допускается уменьшать уклон до 0,002, а в исключительных слу-
чаях — до 0,001, если расчетом установлено, что при заполнении
канавы на полный профиль обеспечивается скорость воды, исклю-
чающая заиливание. Продольные уклоны кюветов проектируют рав-
ными уклонам профильной бровки. В выемках, расположенных на
уклонах меньше 0,002, уклон кювета принимается равным 0002, а
глубину кювета в точках водораздела разрешается уменьшать до 0,2 м
при сохранении ширины кювета по дну. Изменение направления
канав должно выполняться плавным по кривой с радиусом не ме-
нее 10 м.
Канавы не требуют укрепления, если скорости течения воды v в
них не превосходят допускаемых [v] по условию размыва данного
грунта:
у<М- (10.39)
Допускаемые скорости по условию размыва при различных глу-
бинах потока для несвязных грунтов приведены в табл. 10.26, а для
связных — в табл. 10.27.
При скоростях течения воды, превышающих допустимые значе-
ния, в зависимости от величин этих скоростей принимаются различ-
ные типы укреплений.
364
Таблица 10.26
Допускаемые скорости течения для несвязных грунтов
Разновидность грунтов Допускаемая скорость, м/с, при глубине потока в м
0,4 1 2 3
Крупнообломочные:
валунный (глыбовый) 3,5 3,8 4,3 4,65
галечниковый 1,1 1,2 1,35 1,50
(щебенистый) гравийный (дресвяный) 0,80 0,85 1,00 1,10
Пески:
гравелистый 0,65 0,75 0,80 0,90
крупный 0,50 0,60 0,70 0,75
средней крупности 0,35 0,45 0,55 0,60
мелкий 0,20 0,30 0,40 0,42
пылеватый 0,15 0,20 0,25 0,30
Таблица 10.27
Допускаемые скорости течения для связных грунтов
Разновидность грунтов Плотность сухого грунта, т/м3 Допускаемая скорость, м/с, при глубине потока в м
0,4 1 2 3
Глины и суглинки <1,20 0,35 0,40 0,45 0,50
1,20-1,66 0,65 0,80 0,90 1,00
1,66-2,04 0,95 1,20 1,40 1,50
>2,04 1,40 1,70 1,90 2,10
Лёссовые грунты <1,20 — — — —
уплотненные 1,20-1,66 0,60 0,70 0,80 0,85
1,66-2,04 0,80 1,00 1,20 1,30
>2,04 1,10 1,30 1,50 1,70
Супеси Принимают по табл. 10.26 в зависимости от крупности песчаной фракции
При скоростях течения воды до 1,0 м/с применяются следующие
типы укреплений:
- крепление дна канавы втрамбованным щебнем с обсевом от-
косов семенами многолетних трав (рис. 10.31, я);
365
Рис. 10.31. Укрепление канав:
а — втрамбованным в дно щебнем и посевом трав на откосе: 1 — посев трав;
2 — втрамбованный щебень; б — сборными бетонными плитами: 7 — плита
0,69x1,05x0,08 м; 2— плита 0,49x0,85x0,08 м; 3 — гравийно-песчаная или ще-
беночная подготовка; 4 — втрамбованный щебень; 5 — битумная мастика; 6 —
цементный раствор; в — монолитным бетоном: 1 —заливка бетоном; 2 — пес-
чаная подготовка; г, д — железобетонными армированным лотками-желобами
и лотками полутрубами; 7 — тощий бетон; 2 — песчаная подготовка; 3 — желоб;
4 — втрамбованный щебень; 5 — полутруба; 6 — засыпка местным суглинком
с уплотнением (размеры в м)
366
— сплошная дерновка готовыми лентами дерна, укладываемыми
на песчаную выравнивающую подготовку;
— укладка полимерных геоматов с растительным грунтом и засе-
вом травой;
— укладка объемной георешетки с заполнением ячеек раститель-
ным грунтом, торфо-песчаной смесью или щебнем.
Укрепление втрамбованным в дно канав щебнем с обсевом отко-
сов семенами многолетних трав (см. рис. 10.31, а) применяется для
районов средней полосы с умеренным и влажным климатом в грун-
тах, пригодных для произрастания трав. Слой укрепления дна щеб-
нем имеет толщину 8—10 см. Для создания устойчивого травяного
покрова в данном укреплении производится последующий подсев
семенами до образования сплошной корневой системы.
Сплошная дерновка готовыми лентами дерна устраивается по
плотной спланированной поверхности грунта также в условиях уме-
ренного и влажного климата. При этом травы выбираются райони-
рованные к месту расположения участка дороги.
При укреплении полимерными геоматами или объемной георе-
шеткой с заполнением их растительным грунтом на первом этапе
производится их укладка по периметру канавы, далее они закрепля-
ются на грунте стальными скобами, потом выполняется заполнение
ячеек растительным грунтом, и в заключение происходит обсев се-
менами и легкое уплотнение.
Применение для укрепления объемной георешетки с заполнением
ячеек щебнем выполняется в условиях, где по природно-климатиче-
ским условиям затруднено получение устойчивого травяного покрова.
При более высоких скоростях течения воды до 2,0 м/с для ук-
репления водоотводов применяется каменная наброска из сортиро-
ванных фракций 15—20 см. Это же укрепление эффективно для сла-
бых и оттаивающих грунтов деятельного слоя в условиях мерзлоты,
где толщина наброски увеличивается до 30—40 см. Способ нашел
широкое применение для канав на маревых участках, хотя скорости
течения воды в этом случае и небольшие.
При скоростях течения воды до 3,0—3,5 м/с для укрепления дна
и откосов водоотводов применяются различные покрытия из бето-
на. При укреплении сборными бетонными плитами, изготавливае-
мыми индустриально (рис. 10.31, б), продольные швы заделывают-
ся цементным раствором при укладке плит, а поперечные швы би-
367
тумной мастикой после укладки плит. У подошвы откоса на высоту
0,25 м швы для приема воды из грунта могут оставаться открытыми.
Недостатками сборной конструкции является большое количество
швов, что снижает водонепроницаемость облицовки и повышает
трудоемкость работ.
Другим типом бетонного укрепления является устройство одежд
из монолитного бетона (рис. 10.31, в), изготавливаемого на месте.
Деформационные швы в таких одеждах выполняются через 2—4 м с
заполнением их досками, поставленными на ребро, и заделкой би-
тумной мастикой.
Современными индустриальными типами бетонных укреплений
водоотводов являются армированные лотки-желоба длиной секции
1,0 м и железобетонные лотки-полутрубы диаметром 0,8 и 1,0 м и
длиной секции 2,95 м (рис. 10.31, г, д). Поперечные швы в этих лот-
ках заделываются битумной мастикой, а в местах переломов плана и
профиля цементным раствором.
Укрепление гибкими покрытиями (геоматы, георешетка) и ка-
менная наброска имеют преимущество перед укреплением из бето-
на для условий, где возможно пучение грунтов, обеспечивая нераз-
рушение укрепления от данных сезонных деформаций. Также огра-
ничением применения бетонных укреплений являются условия с аг-
рессивной к бетону водой.
Преимуществом покрытий из бетона является индустриальность
их изготовления, а также хорошие характеристики шероховатости,
обеспечивающие пропуск большего расхода воды при одинаковом
живом сечении.
Лотки вместо канав применяют в следующих случаях:
— при наличии слабых малоустойчивых оплывающих грунтов, не
способных держать откосы;
— в стесненных условиях, где затруднено применение открытых
канав;
— в населенных пунктах, где открытые канавы создают неудоб-
ства для населения и благоустройства территории;
- в комбинированных водоотводах, при необходимости пони-
жения уровня грунтовой воды (в том числе совместно с дренажами
мелкого заложения);
- в пределах основных площадок раздельных пунктов — продоль-
ные и поперечные лотки.
368
Наиболее широко для отвода воды от земляного полотна исполь-
зуются безраспорные секционные, прямоугольные железобетонные
лотки (рис. 10.32), которые могут быть двух типов: I тип используется
там, где на лоток действует поездная нагрузка (в основном на станци-
онных путях), и II тип применяется, где расстояние до оси пути не
ближе чем 3,5 м и он оказывается вне действия поездной нагрузки.
Лотки выпускаются различной высотой от 0,30 до 1,25 м с дли-
ной секции до 1,5 м. Для сбора грунтовой воды в нижней части лот-
ков имеются отверстия. Лотки устанавливают в траншее на специ-
альную подготовку из щебня толщиной 10 см, а застенное простран-
ство заполняют дренирующим грунтом. Сверху лотки для защиты
от засорения и в целях предотвращения травматизма работников,
обслуживающих линию, закрываются крышками из железобетона.
В крышках для возможности поступления в лоток поверхностной
воды имеются отверстия. По прочности крышки должны выдержи-
вать нагрузку от веса человека при его нахождении сверху. Кроме
того, конструкция должна обеспечивать возможность легкого демон-
тажа в период их эксплуатации для периодической очистки лотка и
одновременно иметь антивандальную защиту.
Для отвода воды от земляного полотна применяются еще также
железобетонные лотки устаревшей распорной рамной конструкции
(рис. 10.33). Такой лоток состоит из железобетонных рам, устанав-
Рис. 10.32. Безраспорный железобетонный лоток с отверстием 650 см
и высотой 750 см:
а — звено лотка; б — плита перекрытия (крышка — 2 шт. на звено)
369
I
Рис. 10.33. Распорный железобетонный лоток рамной конструкции:
1 — железобетонные плиты; 2 — заполнение песком; 3 — железобетонные рамы;
4 — цементная стяжка; 5, 7— тощий бетон; 6 — песчано-щебеночная подготовка;
8 — дренажные отверстия (размеры в м)
ливаемых поперек траншеи с шагом 1,0 м, и железобетонных плит,
укладываемых по стенкам траншеи. Сверху лотки, так же как и без-
распорные, закрываются крышками из железобетона. Дно защища-
ется от размыва цементной стяжкой, устраиваемой по слою щебня
или песчано-гравийной смеси.
Недостатком данной конструкции является сложность ее очист-
ки и низкая надежность из-за смещения стенок и рам при пучении
грунта.
Для отвода воды при больших уклонах местности (нагорные кана-
вы, откосы выемок), где скорости течения воды превышают 3,0 м/с,
применяют длинномерные телескопические лотки (рис. 10.34). Сек-
ции лотков укладывают в траншее на щебеночную подготовку сни-
370
Б-Б
,330г|1
—41
840
гН3301
оо
А-А
1Л
___________1250 60^
* 1500
ят
100
Рис. 10.34. Телескопический железобетонный лоток (размеры в см)
зу вверх, обеспечивая при укладке каждой следующей вышележа-
щей секции упор бетонного зуба в торец нижележащей секции. Сты-
ки секций заделываются битумной мастикой.
В последнее время все более широкое распространение для от-
вода воды от земляного полотна получили лотки из композитных
стеклопластиков (композитные лотки). Конструкции таких лотков
были разработаны научно-производственным предприятием
НПП «АпАТэК» совместно с МИИТом и впервые были примене-
ны в 1999 г. при реконструкции линии Санкт-Петербург—Москва
под скоростное движение пассажирских поездов. Лотки изготав-
ливаются из стеклоткани, обрабатываемой полиэфирной смолой,
с усилением их снаружи поперечными ребрами жесткости, выпол-
няемыми из того же композитного материала (рис. 10.35). В ниж-
ней части лотка также снаружи в качестве антивандальной защи-
ты устанавливаются противоугонные пластины. Для возможности
приема грунтовой воды в лотках выполняются круглые отверстия
или вертикальные щели.
371
ВидА
Рис. 10.35. Композитный лоток:
а — секция; б — поперечное сечение лотка для болотистой местности
(размеры в см)
372
Длина секций композитных лотков принята из условия их мон-
тажа вручную и составляет от 6 м для лотков высотой 0,4 и 0,5 м, от
2м— для лотков высотой 1,0 м.
Геометрические параметры сечения лотков подобраны из усло-
вия ширины днищевой части не менее 40 см, для возможности про-
хода при их очистке, а радиусная форма обеспечивает эффект само-
очистки лотков, уменьшая их заиливание.
Для стыковки секций лотка между собой они имеют с одного тор-
ца расширение, что обеспечивает заход секции лотка внахлест. Мон-
таж композитных лотков в водоотвод, так же как и телескопичес-
ких, начинается снизу, что обеспечивает их правильную стыковку.
Основные характеристики композитных лотков производства НПП
«АпАТэК» приведены в табл. 10.28.
Таблица 10.28
Характеристики композитных лотков производства НПП «АпАТэК»
Высота лотка, м Длина секции, м Глубина днищевой части, мм Ширина лотка, мм Вес секции, кг
поверху по днищу
0,4 4,08 200 450 420 28,5
0,5 4,08 191 450 411 33,5
0,75 2,48 188 480 415 32,8
1,00 2,08 181 620 500 46,3
0,68* 3,08 88 1170 339 30,5
* Лоток для болотистой местности.
Композитные лотки, также как и бетонные, закрываются крыш-
ками, которые изготавливаются из пластика, имеют достаточное
количество отверстий, прочны и имеют замки в качестве антиван-
дальной защиты.
Для применения в болотистой местности была разработана спе-
циальная конструкция композитных лотков, расширяющаяся ввер-
ху (рис. 10.35, б). Такие конструкции применяются вместо устрой-
ства продольных канав у насыпей на болотах и на маревых участ-
ках в условиях мерзлоты на расстоянии от подошвы насыпи не бли-
же 3 м. Этот тип лотка не закрывается крышкой и рассчитан только
на давление грунта.
373
Достоинствами композитных лотков является малый вес, до-
пускающий их монтаж вручную, срок службы до 50 лет, лучшие по
сравнению с бетоном гидравлические характеристики за счет опти-
мальной формы сечения и низкого коэффициента шероховатости.
Быстротоки и перепады — участки водоотводов на косогорах,
имеющие значительные продольные уклоны 0,1—0,5. Для укрепле-
ния быстротоков и перепадов применяют специальные конструк-
ции из железобетона, так как скорость воды значительна и режим
ее движения турбулентный. Эти конструкции проектируются ин-
дивидуально, применительно к местным условиям.
В быстротоках вода движется без отрыва от дна, и в нижней час-
ти для гашения энергии устраивают водобойные колодцы, стены и
уступы. Перепады имеют ступени, по ним вода движется с отрывом
от дна. При необходимости в низу перепадов также могут устраи-
ваться дополнительные гасители энергии, как и в быстротоках.
Рис. 10.36. Схема устройства водоотводного валика:
1 — ядро из водонепроницаемого грунта; 2 — местный грунт; 3 — посев трав
Водоотводные валики устраивают с нагорной стороны от земля-
ного полотна. Их выполняют из недренирующего грунта, и откосы
укрепляют (рис. 10.36). Наиболее целесообразно применять водо-
отводные валики в условиях мерзлоты при близком расположении
сильнольдистых грунтов, чтобы минимально нарушать их темпера-
турный режим.
10.8.2. Укрепление земляного полотна от размыва и волноприбоя
Для зашиты земляного полотна от размыва при воздействии ат-
мосферных и паводковых вод, а также уменьшения или предотвра-
щения инфильтрации их в грунты применяют различные типы ук-
374
репления поверхностей. Тип укрепления земляного полотна и вид
защиты назначаются в зависимости от конкретных условий объек-
та: топографии, климата, гидрологии и др.
Укреплению подлежат:
— откосы насыпей, выемок и защитного слоя при всех видах грун-
тов, кроме скальных слабовыветривающихся и выветривающихся,
а также крупнообломочных грунтов;
— обочины насыпей и выемок при песчаных, а в выемках, кроме
того, и при переувлажненных глинистых грунтах;
— бермы, разделительные площадки на откосах насыпей и вые-
мок, регуляционные сооружения, кавальеры, банкеты;
- откосы и дно водоотводных канав и кюветов;
— поверхности нарушенных при выполнении земляных работ
площадей.
Основными расчетными параметрами при проектировании ук-
реплений являются:
- скорость течения поверхностной воды;
— глубина потока;
— высота волны с заданной обеспеченностью ее непревышения;
— нагрузка от льда.
Для защиты применяются следующие основные типы укрепи-
тельных устройств: искусственный дерновой покров, каменные и
бетонные укрепления и др.
Искусственный дерновый покров (засев травой) образуется посе-
вом семян многолетних трав. Дерн способен предохранять поверх-
ности земляного полотна от размыва при скорости текущей воды
до 0,9 м/с при глубине потока до 0,4 м, до 1,2 м/с при глубине
потока до 1 м и до 1,3 м/с при глубине потока до 2 м. Сплошная
дерновка может выдерживать до 20 сут волнение с высотой волны
до 0,2 м. При этом травяной покров в два раза увеличивает испа-
рение воды из грунта в результате транспирации; армирует корне-
вой системой верхний слой грунта, защищая от водной и ветровой
эрозии, инфильтрации и возникновения усадочных трещин при
высыхании грунта.
Для многолетних трав применяют гидропосев с мульчированием
(добавление в смесь опилок, торфяной крошки и др.) без использо-
вания растительной земли или механизированный способ — по
375
слою растительного грунта. Подбор состава семян многолетних
трав осуществляется в соответствии с агротехническими требова-
ниями с учетом региона, кислотности и засоленности почв и дру-
гих особенностей. Рекомендуется использование семян трав трех
видов злаковых (рыхлокустовых, корневищевых, стержнекорне-
вых) и бобовых. Засев семенами производят в лучшее время для
вегетационноного периода растений, но не позднее чем за месяц
до первых заморозков.
На откосах, сложенных из переувлажненных пылеватых грунтов,
либо когда есть вероятность смыва семян до образования устойчи-
вого травяного покрова, посев производится в растительный грунт,
размещаемый в железобетонных обрешетках, объемных георешет-
ках или в геоматах (рис. 10.37).
По технологии производства работ и оправданной стоимости пре-
имущество имеют гибкие пластиковые типы укрепления на основе
георешеток и геоматов.
Объемные пластиковые георешетки состоят из объемной пласти-
ковой конструкции, анкеров, материала для заполнения ячеек гео-
решетки. Уложенные на откосе материалы образуют сплошной за-
щитный ковер. Георешетка — это складывающаяся объемная ячеи-
стая конструкция (модуль) прямоугольной формы в плане, изготав-
ливаемая из полиэтиленовых полос, соединеняемых между собой
сварными швами, расположенными в шахматном порядке перпен-
дикулярно основанию георешетки. Схема георешетки в растянутом
положении приведена на рис. 10.37, б. Модуль георешетки имеет
следующие основные размеры.
Длина модуля в растянутом состоянии А выбирается из стандарт-
ных длин, выпускаемых производителем (диапазон от 6 до 14 м), в
зависимости от длины укрепляемого откоса. Ширина модуля В так-
же принимается стандартной, выпускаемой производителем (диа-
пазон размеров от 2,4 до 2,8 м). Размеры ячеек георешетки в плане
а и b должны быть не менее 200 мм. Толщина георешетки (высота
полосы) h в укреплении принимается от 75 до 150 мм, а толщина
полосы 5 не менее 1,5 мм.
Полосы могут быть как сплошными, так и перфорированными
отверстиями, выполняющими дренажные функции. Растягивающая
нагрузка при достижении условного предела текучести полосы раз-
мером шириной 50 мм при расстоянии между зажимами испыта-
376
Рис. 10.37. Укрепления для откосов:
а — железобетонные обрешетки для посева трав; 1 — обрешетка; 2— посев трав;
3 — железобетонные свайки; б — план объемной георешетки; в — общий вид
геомата
тельной машины 100 мм должна быть не ниже 1 кН, а удлинение
при этом не более 15 %.
Закрепление георешеток на откосе осуществляют с помощью
Г-образных анкеров, изготовленных из стальной арматуры диамет-
ром d = 10—14 мм, длиной 50—120 см. Их устанавливают внутри
377
модуля равномерно по площади в шахматном порядке с шагом
1,0—1,5 м и более часто (в каждую ячейку) по границам модуля
(рис. 10.38, а). Конкретные размеры анкеров и шаг их установки
определяется проектом в зависимости от грунта, крутизны откоса и
веса заполнителя решетки, из условия надежного закрепления кон-
струкции на откосе от сдвига.
После укладки и закрепления на грунтовой поверхности георе-
шетки должны быть защищены от воздействия солнечных (ультра-
фиолетовых) лучей материалом заполнения. Заполнение геореше-
ток производится растительным грунтом или торфо-песчаной сме-
сью с таким расчетом, чтобы грунт выступал над верхней поверхно-
стью георешеток на толщину 5—7 см. После заполнения георешеток
грунтом выполняется посев семян многолетних трав.
Геоматы представляют собой трехмерные водопроницаемые вы-
сокопористые структуры из полимерных хаотически ориентиро-
ванных волокон, соединенных между собой термическим спосо-
бом (см. рис. 10.37, в). Для укрепления откосов геоматы уклады-
вают в определенном порядке, затем высевают семена, образую-
щие покров из трав и небольших растений.
Геоматы выпускаются рулонами шириной не менее 2 м. Длина
материала в рулоне не лимитируется и подбирается в зависимости
от длины укрепляемого откоса, так чтобы по возможности она была
бы не меньше последней.
Применение геоматов должно допускаться при температуре ок-
ружающего воздуха от минус 65 °C до плюс 40 °C в грунтах с показа-
телем кислотности pH от 3 до 10.
Основные требования к прочности материала геоматов для ук-
репления поверхностей откосов земляного полотна приведены в
табл. 10.29.
Геоматы должны быть гибкими и выдерживать изгиб на 180° без
визуально наблюдаемого разрушения волокон при радиусе изгиба
10 мм и температуре -5 °C. После укладки и закрепления на грун-
товой поверхности геоматы должны быть защищены от воздействия
солнечных (ультрафиолетовых) лучей.
Закрепление геоматов на откосе осуществляют с помощью П-об-
разных скоб, изготовленных из стальной арматуры диаметром 6—8 мм,
длиной / = 30 см. Их устанавливают внутри модуля равномерно по
площади с шагом 1,0—1,5 м.
378
Таблица 10.29
Основные требования к прочности материала геоматов
№ п/п Наименование показателя Значение показателя Документы, устанавливающие методы проверки показателя
1 Поверхностная плотность, г/м2 Не менее 550 ГОСТ Р 50277-92
2 Толщина под давлением 2 кПа, мм Не менее 10 ГОСТ Р 50276-92
3 Разрывная нагрузка в продольном направлении, кН/м Не менее 1,8 EN ISO 10319-2008
4 Разрывная нагрузка в поперечном направлении, кН/м Не менее 1,0 EN ISO 10319-2008
5 Удлинение при разрыве, % Не менее 30 EN ISO 10319-2008
6 Допустимая потеря прочности при растяжении, %: при работе в средах с pH от 3 до 10 после 25 циклов замора- живания-оттаивания Не более 10 Не более 10 ГОСТ 12020-72
Верх геомата закрепляют на бровке откоса в специально подго-
товленной траншее треугольной формы глубиной до 30 см с после-
дующим заполнением ее местным грунтом с уплотнением. Схема
закрепления геомата на откосе приведена на рис. 10.38, б, в.
Соседние рулоны укладываются внахлест с перекрытием не ме-
нее 10 см. При необходимости по длине откоса укладки нескольких
рулонов, они также укладываются внахлест с перекрытием не ме-
нее 10 см. После укладки и закрепления на грунтовой поверхности
геоматы покрываются слоем растительного грунта (возможно до-
бавление песка) с семенами многолетних трав. Толщина слоя грун-
та принимается не менее 10 см.
Крупнообломочные и скальные грунты (галечниково-гравийные,
щебенисто-дресвяные и др.) применяются для покрытия откосов
там, где посев трав невозможен по грунтовым, климатическим, тех-
ническим условиям или экономически неоправдан, либо скорости
течения воды превышают 1,0 м/с. К ним относятся мощение, ка-
менные наброски, габионные структуры.
Кроме того, покрытие откосов насыпей набросками из крупного
фракционного камня производится при наличии в основании на-
379
a
Граница укрепления, <
установка металлических
анкеров в каждую ячейку
Модули
георешетки
Стыковка модулей,
установка анкеров
через одну ячейку
Установка металлических
анкеров с шагом Н
в шахматном порядке
Анкер металлический
б
Рис. 10.38. Схемы укрепления откоса:
а — объемная георешетка; б — геомат в профиле; в — геомат в плане
380
сыпи мерзлоты, производящей охлаждающее действие, предотвра-
щающее ее деградацию.
Покрытия из крупнообломочных и скальных грунтовы имеют
разные конструктивные решения. Рассмотрим основные из них.
Мощение из булыжного камня (размер камня 0,15—0,3 м, укла-
дываемый тычком) одиночное или двойное (два ряда камня) пред-
ставляет собой способ защиты исключительно с использованием
ручного труда, применяется в настоящее время редко и при малых
объемах работ (например, для конусов мостов). Способ надежен и
позволяет укреплять откосы при скорости течения до 2—5 м/с и вы-
соте волны до 1,5 м.
Каменные наброски из разрыхленных слабовыветривающихся
скальных грунтов (горной массы — сортированной или несорти-
рованной) выполняется в виде защитных призм (набросок) на от-
кос. В качестве материала наброски должен использоваться ка-
мень значительной прочности (> 50 МПа), морозостойкости (бо-
лее 50 циклов замораживания и оттаивания) и высокого удельного
веса (>24 кН/м3). Устройство укрепления в виде каменных набро-
сок экономически и технически целесообразно при скоростях
вдоль берегового течения 1,5—5,0 м/с и высоте волны до 2,5 м.
Верхнее крепление принимается не менее чем на 0,25 м выше
наивысшего расчетного уровня воды (НРУВ) при пропуске паводка
с учетом подпора, наката волны на откос, ветрового нагона, при-
ливных и ледовых явлений. Наивысший расчетный уровень воды
определяется с вероятностью превышения 1:100 (1 %) для линий III
и более высоких категорий и 1:50 (2 %) для линий IV категории.
При постоянном подтоплении откоса насыпи водотоком в верх-
ней части укрепления, где скорости течения и волновое воздействие
максимальны, укрепление может быть основным (более мощным),
а нижняя часть облегченной.
При неразмываемых грунтах основания применяют конструктив-
ное решение в виде одной защитной призмы (рис. 10.39, а), а в слу-
чае возможности размыва грунтов основания защитные призмы до-
полняют в нижней части при постоянном водотоке упорными бер-
мами (рис. 10.39, 6) и при периодическом подтоплении — рисбер-
мами (рис. 10.39, в).
Размеры рисбермы и упорных берм выбираются из условия пре-
дотвращения размыва основания у подошвы откоса и восприятия
составляющей веса вышележащего массива наброски.
381
Рис. 10.39. Укрепление насыпи набросками из горной массы:
а — при неразмываемых грунтах основания; б — при размываемых грунтах осно-
вания; в — при подтоплениях двухслойной каменной наброской с рисбермой;
1 — каменная наброска; 2 — упорная призма; 3 — песчано-гравийная смесь; 4 —
геотекстиль; 5 — рисберма; а — ширина защитной призмы; </ву — отметка верха
укрепления; НУРВ и МУВ — наивысший расчетный и меженный уровни воды
Расчетный размер камня в наброске dK выбирается наибольшим
исходя из требований обеспечения устойчивости камня на откосе
данной крутизны в зависимости от скорости вдольберегового тече-
ния (10.40) и высоты волны (10.41):
v2
р
ГК"ГВ
К D
у
'в
d =------
к
A2 2g
(10.40)
cos а
0,025у h2 X
’ 'к (%
' у
—-1 7i+ctg3 а
у
V в у
(10.41)
(10.42)
382
где vp — расчетная скорость течения, м/с, принимаемая как средняя скорость
потока по вертикали у подошвы откоса в рассматриваемом сечении;
А — коэффициент, учитывающий устойчивость камня на откосе; А — 1 на
участках крутых поворотов русла реки при радиусе менее 300 м и А = 1,15 во
всех остальных случаях;
g — ускорение силы тяжести, м/с2;
gK и gB — удельный вес камня и воды соответственно, кН/м3;
а — угол наклона откоса насыпи к горизонту, град;
QK — вес расчетного камня, кН;
Az% — высота волны /%-ной обеспеченности, м (обеспеченность / прини-
мается 1 % для всех дорог от III категории и выше и 2 % для дорог IV категории);
X — средняя длина волны, м; величины hi% и X определяются по СНиП
2.06.04-82.
Сортированная горная масса должна содержать не более 25 %
неполномерных камней, а несортированная более 50 % камней
расчетного веса. При этом степень неоднородности в горной массе
С^ = J60/rf10 принимается в пределах от 3 до 15.
Каменная наброска может быть как однослойная, так и многослой-
ная. При многослойной каменной наброске размеры камня нижних
слоев rfK_z определяются из условия их фильтрационной устойчивости
dK_; = 0,37^_,.+], (10.43)
где </K_y+i — диаметр вышележащего контактирующего слоя каменной наброски.
Толщина однослойной каменной наброски (защитной призмы) /
должна быть не менее t > 3dK при несортированной горной массе и
не менее t> 2,5dK — при сортированном камне. При многослойной
каменной наброске толщина каждого /-го слоя наброски опреде-
ляется /z > 2JK_Z. При этом ширина защитной призмы а (см. рис.
10.39) принимается не менее 1 м, а если призма сооружается по
местным условиям отдельно от насыпи, то, исходя из технологии
производства работ, не менее 3 м.
Под каменной наброской в случае, если коэффициент между-
слойности нижнего слоя камня и грунта насыпи хк_г > 30, устраи-
вается обратный фильтр, в качестве которого может быть слой щеб-
ня, песчано-гравийная смесь либо геотекстиль (нетканый матери-
ал). Коэффициент междуслойности нижнего слоя камня и насыпи
определяется как
t _ ^к-i
^к-г л ’ (10.44)
а50-г
где Jso_r — размер частиц грунта насыпи, меньше которых по массе в грунте
содержится 50 %.
383
Обратный фильтр служит для предотвращения механической суф-
фозии мелких частиц грунта откоса в поры каменной наброски при
понижении уровня подтопления, спаде пойменных вод и накате и
откате волны на откос. Обратный фильтр, как правило, по техноло-
гическим соображениям принимается однослойным. При этом об-
ратный фильтр проектируется из условия недопущения выноса час-
тиц грунта в фильтр и его кольматации, а также вымывания частиц
самого фильтра через наброску. Для однослойных фильтров из зер-
нистых материалов требования к их гранулометрическому составу
определяются формулами:
С„ =^*=2-8; (10.45,о)
{/-Ф j
10-ф
'/5О-ф=(0’М-°'25>‘/к-(; (10.45,6)
(10.45, «)
где Су_ф — степень неоднородности гранулометрического состава фильтра;
460_ф, <^5о_ф и 4|0_ф — размеры частиц фильтра, меньше которых по массе в
нем содержится соответственно 60, 50 и 10 %.
Если не выполняется условие (10.45, в), то рассматривают воз-
можность укладки каменной наброски с большим количеством сло-
ев и соответственно уменьшение величины г/50_ф либо укладку под
фильтр геотекстиля. В качестве геотекстиля применяют нетканый
материал, имеющий толщину не менее 4 мм и поверхностную плот-
ность не менее 500 г/м2.
Толщина обратного однослойного фильтра из зернового матери-
ала 5ф принимается
5. >10J„ .. (10.46)
ф зО-ф v 7
При этом минимальная толщина фильтра бф принимается не ме-
нее 20 см при отсыпке посуху и не менее 30 см при отсыпке в воду.
Если по формуле (10.46) толщина фильтра бф получилась более 35 см,
то переходят на двухслойный фильтр.
Если зерновой материал применяется в комбинации с геотексти-
лем, то его толщина уменьшается до величины б. >4</„ ., а ми-
ф 50-ф
нимальная толщина может быть уменьшена до 10 см.
384
При постоянном подтоплении откоса насыпи технологически
целесообразно применять обратные фильтры из геотекстиля без до-
полнительного слоя зерновых материалов. В качестве такого гео-
текстиля используют специальные толстые фильтрационные нетка-
ные материалы, толщина которых не менее 10 мм и поверхностная
плотность не менее 1000 г/м2.
Габионные структуры в виде коробчатых габионов или матрасов
Рено (плоские габионы) или их сочетание широко применяются для
создания защит от размывов откосов, берегов и конусов мостов. Ус-
тройство укрепления в виде габионных структур экономически и
технически целесообразно при скоростях вдольберегового течения
1,5—5,0 м/с и высоте волны до 1,5 м.
Конструктивно габион представляет собой проволочный остов
коробчатого типа, заполняемый камнем. Коробчатый габион —
ящик прямоугольной формы с откидными крышками (рис. 10.40),
Рис. 10.40. Коробчатые габионы:
а, б — габионы соответственно без диафрагмы и с диафрагмой; в — матрас Рено;
г — металлическая сетка с двойным кручением ячей: / — кромка сетки; 2 —
проволока; 3 — двойное кручение; D и В — размеры ячеи
385
изготовленными из металлической оцинкованной сетки, имеющей
шестигранные звенья (ячеи) с двойным кручением.
Ящики заполняются камнем, крышка закрывается и связывается
со стенками такой же проволокой. Стандартная высота коробчатых
габионов составляет 0,5 и 1,0 м при ширине 1,0 м, а матрасов Рено —
0,17, 0,23 и 0,30 м при ширине 2,0 м. Подлине коробчатые габионы
изменяются от 2,0 до 4,0 м, а матрасы Рено — от 3,0 до 6,0 м.
Для придания габионам большей жесткости в них через 1,0 м
по длине могут устанавливаться из той же сетки диафрагмы (см.
рис. 10.40, б). Для особых целей (при высоких скоростях течения)
существуют габионы больших размеров («джамбо»), ширина кото-
рых составляет 2,0 м, а длина — 6,0 м.
Проволока, используемая для изготовления габионов, имеет цин-
ковое покрытие плотностью 0,240—290 кг/м2, а для применения
габионов в особокоррозионной среде оцинкованная проволока
дополнительно покрывается оболочкой из поливинилхлорида
(ПВХ) толщиной 0,4—0,6 мм. Проволока имеет предел прочности
380—500 МПа при относительном удлинении менее 12 %, диаметр
проволоки 2—3 мм, размер звеньев от 5x7 см до 10x12 см. Разрыв-
ная нагрузка звеньев сетки 35—53 кН/м.
Для заполнения габионов применяется каменный материал, со-
стоящий из булыжника, гальки, карьерного камня. Рекомендуется
камень с большим удельным весом (не менее 17 кН/м3) и пористо-
стью не более 0,40, прочный, неразмягчаемых пород, морозоустой-
чивый (марка по морозостойкости выше МР350). Размер камня дол-
жен быть больше чем 1,0—1,5 размера ячейки сетки.
Из габионов устраиваются подпорные стены, а матрасы Рено ук-
ладывают в виде покрытий на откосы. Варианты укреплений отко-
сов и других защитных сооружений с применением габионов при-
ведены на рис. 10.41. Укрепления и защитные сооружения из габи-
онных структур рассчитываются на скорость вдольберегового тече-
ния, волновое воздействие, ледовую нагрузку и возможность
подмыва основания.
Использование габионных конструкций имеет ряд преиму-
ществ: они, с одной стороны, имеют высокое сопротивление на-
грузкам (скорости течения и высоте волны), а с другой стороны,
обладая гибкостью лучше, чем покрытия из бетона, устойчивы к
деформациям осадок.
386
a
б
в
г
Рис. 10.41. Укрепления из габионов:
а — стена из габионов, опирающаяся на матрасы Рено; б — стена из габионов,
опирающаяся на каменную наброску; в — покрытие из матрасов Рено; г—комп-
лексное укрепление в виде стены из габионов и покрытия из матрасов Рено;
7 — габионы сечением 1,Ох 1,0 м; 2 — матрасы Рено; 3— максимальный размыв
дна; 4 — основание из каменной наброски; 5 — фильтр из геотекстиля; 6 —
обратная засыпка; НРУВ и МУВ — соответственно наивысший расчетный и
меженный уровни воды
387
Бетонные и железобетонные укрепления являются индустриаль-
ными укреплениями и широко применяются для защиты от размы-
ва и волноприбоя. Укрепляемые плитами откосы из условия устой-
чивости плит на откосе должны быть не круче чем 1:2. Эти укрепле-
ния имеют разные типы.
Бетонные плиты сборные, свободнолежащие применяются при
скорости течения до 1,5 м/с, высоте волны до 0,7 м и слабом ледохо-
де. Типовыми являются плиты размером 1,00x1,00x0,16 м, уклады-
ваемые на щебеночной или гравийной подготовке толщиной 0,1 —
0,2 м. Размер шва между плитами 0,01—0,02 м.
Железобетонные разрезные плиты (шарнирно-соединенные в ко-
вер) применяются при скорости течения до 3,0 м/с и высоте волны
до 1,5 м. Типовыми являются плиты размером 2,50x3,00 толщиной
от 0,10 м до 0,20 м, укладываемые на сплошном слое обратного филь-
тра. Размер шва между плитами принимают 0,01—0,02 м (рис. 10.42).
В качестве обратного фильтра под железобетонными плитами при-
меняют слой щебня или песчано-гравийной смеси. Требования к
материалу такого фильтра аналогичны, как и для обратного фильт-
ра под каменной наброской, и он должен предотвращать вымыва-
Рис. 10.42. Покрытия из плит, омоноличенных по контуру:
1 — железобетонные плиты; 2 — обратный фильтр; 3 — геотекстиль; НРУВ —
наивысший расчетный уровень воды; В — размер плиты, перпендикулярный
урезу воды; а — длина плиты; b — ширина шва между плитами
388
ние частиц грунта и частиц самого фильтра через швы в плитах. Для
однослойного обратного фильтра параметры подбираются по фор-
мулам:
г =^± = 2-3; (10.47,а)
U-Ф А
10-ф
£<0,6425ф; (10.47,6)
где с(/-ф> ^60-ф’ ^50-ф’ ^25-ф’ <Ло-ф и ^5О-Г - те же параметры гранулометри-
ческого состава фильтра и грунта, что и в формулах (10.45);
b — ширина шва между плитами.
Если не выполняется условие (10.47, в), то под фильтр преду-
сматривают укладку геотекстиля в виде нетканого материала, име-
ющего толщину не менее 4 мм и поверхностную плотность не ме-
нее 500 г/м2. Толщина обратного однослойного фильтра под плита-
ми определяется аналогично, как и при каменной наброске, по фор-
муле (10.46).
Железобетонные плиты, омоноличенные по контуру в карты,
применяются при скорости течения до 6,0 м/с и высоте волны до
3,0 м. При этом используются плиты тех же размеров, что для раз-
резных покрытий, соединенных шарнирно. Эти плиты соединяют-
ся сваркой арматуры, выпуски которой делают по краям, а сами края
плит во избежание сколов при поворотах имеют скосы. Карты мо-
гут иметь размеры до 20—30 м. Шов между соседними картами при-
нимается 0,06—0,10 м и заделывается пластичными смесями. Омо-
ноличенные карты укладывают на подготовку из разнозернистого
гравия или щебня толщиной 10 см, а под швами делается ленточ-
ный фильтр (рис. 10.43).
Монолитные железобетонные покрытия изготавливают на месте
и обычно применяют при больших площадях защищаемых поверх-
ностей и криволинейных откосах. Размеры карт, изготавливаемых
на месте, могут изменяться в широких пределах в зависимости от
потребности в температурно-усадочных швах, принятой технологии
и местных условий. Швы между картами заделываются аналогично,
как и для карт, выполненных из плит, омоноличенных по контуру.
Монолитные покрытия применяют при скорости течения до 8,0 м/с
и высоте волны до 3,0 м.
389
Рис. 10.43. Конструкция ленточного фильтра:
а — продольного; б — поперечного; 1 — железобетонная плита; 2— подготовка
из разнозернистого гравия или щебня; 3 — крупный гравий или щебень; 4 —
крупнозернистый песок; 5 — мелкий гравий или шебень
При применении всех перечисленных бетонных и железобетон-
ных покрытий их толщина определяется исходя из требований обес-
печения плиты от всплытия (из-за противодавления воды), сдвига
и опрокидывания ее расчетной волной по формуле
0,07КяП Л 3- Г^—
б ’пл /% V D 4-1
8 =----7------- (10.48)
( у ) т
1 ПЛ |
у
к 'в )
где Кб — коэффициент запаса (для линий: скоростных, особогрузонапряжен-
ных и I категории — 1,30; II категории — 1,20; III категории — 1,15 и IV катего-
рии — 1,10);
Ипл — коэффициент, учитывающий тип плиты (1,00 — при монолитных и
1,10 — при сборных и омоноличенных плитах);
Л/% — высота волны /%-й обеспеченности, м (10.42);
X — средняя длина волны, м (10.42);
В — размер плиты, перпендикулярный урезу воды, м;
Упл и Ув — удельный вес материала плиты и воды соответственно, кН/м3;
т — показатель заложения откоса.
10.8.3. Защита земляного полотна в зоне водохранилищ, озер
и на морском побережье
При защите земляного полотна в зоне водохранилищ, озер и на
морском побережье, где действует сильный волноприбой, проводятся
390
мероприятия, направленные на гашение энергии волны на отдале-
нии от земляного полотна, что достигается применением берегоза-
щитных сооружений.
Берегозащитные сооружения подразделяются на следующие:
- волнозащитные — вдольбереговые подпорные стены (набереж-
ные), шпунтовые стенки, ступенчатые крепления, откосные покры-
тия;
— волногасящие — вдольбереговые конструкции с волногасящи-
ми камерами, откосные покрытия в виде набросок из камня или
фасонных блоков, искусственные свободные пляжи;
- пляжеудерживающие — вдольбереговые подводные банкеты,
буны, шпоры.
Сферы применения различных берегозащитных сооружений,
используемых при защите земляного полотна согласно рекоменда-
циям СНиП 2.01.15-90, приведены в табл. 10.30.
Таблица 10.30
Берегозащитные сооружения
Вид сооружения Назначение сооружения и условия его применения
1 2
I. Волнозащитные 1. Вдольбереговые: береговые стены (набережные) вол- ноотбойного профиля из монолит- ного и сборного бетона и железоб- бетона, камня, ряжей, свай шпунтовые стенки железобетонные и металлические ступенчатые крепления с укрепле- нием основания террас массивные волноломы 2. Откосные: монолитные покрытия из бетона, асфальтобетона, асфальта покрытия из сборных плит покрытия из гибких тюфяков и сет- чатых блоков, заполненных камнем На морях, водохранилищах и озерах В основном на водохранилищах На морях и водохранилищах при кру- тизне откосов берега более 15° На морях и водохранилищах при ста- бильном уровне воды На морях и водохранилищах при дос- таточной статической устойчивости откосов берега При волнах до 2,5 м На водохранилищах при пологих отко- сах и высоте волны менее 0,5—0,6 м
391
Окончание табл. 10.30
1 2
покрытия из синтетических матери- алов и вторичного сырья II. Волногасяшие 1. Вдольбереговые — проницаемые сооружения с пористой напорной гранью и волногасящими камерами 2. Откосные: наброска из камня наброска или укладка из фасонных блоков искусственные свободные пляжи III. Пляжеудерживающие 1. Вдольбереговые: подводные банкеты из бетона, бе- тонных блоков, камня загрузка инертными на локальных участках (каменные банкеты, пес- чаные примы вы и т.п.) 2. Поперечные — буны, молы, шпоры (гравитационные, свайные, из фасонных блоков и др.) На водохранилищах при пологих отко- сах и высоте волны менее 0,5—0,6 м На морях и водохранилищах На водохранилищах при отсутствии рекреационного использования На морях и водохранилищах при отсутствии рекреационного исполь- зования На морях и водохранилищах при поло- гих откосах (менее 10°) в условиях слабовыраженных вдольбереговых перемещений наносов и стабильном уровне воды На морях и водохранилищах при не- большом волнении для закрепления пляжа На водохранилищах при относительно пологих откосах На морях и водохранилищах при соз- дании и закреплении естественных и искусственных пляжей на относи- тельно пологих склонах и в условиях развития вдольбереговых потоков наносов
Волнозащитные (волногасящие) сооружения представляют собой
сооружения пассивного типа, воспринимающие на себя воздействия
волн (удары волн) и не допускающие воздействие на защищаемые
объекты.
Волнозащитные (волноотбойные стенки) располагаются парал-
лельно урезу и являются продольными берегозащитными сооруже-
ниями. Волноотбойные стенки нашли широкое применение для
392
защиты на морских побережьях. Первоначально такие стенки из ка-
менной кладки возводились на фундаменте. Позднее волноотбой-
ные стенки стали выполняться из монолитного железобетона с кри-
волинейной передней обращенной к морю поверхностью, которая
позволяет эффективно гасить энергию волны. Типовое поперечное
сечение такой стенки из монолитного железобетона проекта «Кав-
гипротранса» приведено на рис. 10.44.
Для повышения шероховатости стенки (более эффективное га-
шение энергии), а также защиты бетона от истирания гравийно-га-
лечными наносами, перемещаемыми с волнами, нижняя и средняя
Рис. 10.44. Волноотбойная стенка из монолитного железобетона:
1 — заполнение бетона толщиной 10 см; 2 — волноотбойная стена из монолит-
ного бетона; 3 — щебенистый грунт; 4 — обмазка горячим битумом; 5 — обрат-
ная засыпка местным грунтом; 6 — дренажное отверстие; 7 — подготовка из
бетона (размеры в см)
393
часть морской грани стенки облицовывается камнем твердых гор-
ных пород.
Кроме монолитных стенок, в современном строительстве при-
меняют волноотбойные стенки из железобетона сборной конструк-
ции и сборной облегченной конструкции с анкерами (разработки
Черноморского отделения ЦНИИСа). Последняя конструкция для
снижения материалоемкости и облегчения монтажа имеет тонко-
стенные железобетонные конструкции, которые для повышения ус-
тойчивости закрепляются в коренных породах грунтовыми анкера-
ми, подошва фундамента стенок располагается ниже расчетного
уровня моря.
Опыт применения волноотбойных стенок показывает, что их це-
лесообразно использовать только в комплексе с дополнительными
мероприятиями устройства набросок из камня или блоков, бун, пля-
жа и т.д.
Другим типом распространенных волнозащитных сооружений
являются ступенчатые укрепления (рис. 10.45), которые устраива-
ются при пологих откосах берега.
Весьма устойчивой против воздействия больших морских волн
является защита берега наброской в виде фасонных бетонных и же-
лезобетонных массивов (тетраподов, диподов, трибаров и т.п.). Наи-
большее распространение из них получили тетраподы, представляю-
щие собой железобетонные блоки в виде соединенных основаниями
Рис. 10.45. Ступенчатое укрепление (за отметку 0,00 принят средний расчет-
ный горизонт воды, РГВ)
394
четырех усеченных конусов,
оси которых пересекаются в
одном центре (рис. 10.46). В
зависимости от параметров
волны принимаются тетрапо-
лы массой от 1,5 до 25 т. Тет-
раподы укладываются у подо-
швы откоса рядами, зацепля-
ясь друг за друга.
Пляжеудерживающие со-
оружения представляют со-
бой сооружения активного
Рис. 10.46. Тетрапод
типа, сохраняя или создавая
условия для формирования за счет энергии волн пляжей, являю-
щихся идеальными гасителями энергии волн. Наиболее эффектив-
ным способом защиты является создание естественного пляжа у
подошвы земляного полотна.
Минимальная ширина пляжа, при которой не требуется устрой-
ство берегозащитных сооружений, определяется расчетом, но дол-
жна составлять не менее 8й, где h — расчетная высота волны. Для
удержания естественного или искусственно созданного пляжа ис-
пользуют буны, траверсы и подводные волноломы.
Буны представляют собой поперечные (перпендикулярно урезу
воды) берегозащитные сооружения. Наиболее целесообразно буны
использовать для защиты отмелевого берега (с крутизной подвод-
ного склона в зоне прибоя не более 0,03) при наличии вдольберего-
вого потока наносов.
Одиночная буна перехватывает поток наносов, который начина-
ет откладываться перед ней, что приводит к росту пляжа в этом ме-
сте, но одновременно ниже буны поток становится ненасыщенным,
что приводит к размыву берега за буной (рис. 10.47), поэтому при-
менение одиночных бун не эффективно и их располагают группами
(переформировывают берег). Для уменьшения размыва у крайних
из группы бун их длину постепенно к краям укорачивают так, что-
бы огибающая линия по головам бун на конечных участках состав-
ляла угол 6—10° к линии голов бун основного участка (рис. 10.48).
Длина бун L определяется местными условиями, а сама буна по
длине разделяется на береговую, переходную и головную части. Дли-
395
Рис. 10.47. Схема переформирования
берега у одиночной буны:
/ — бу на; 2 — направление господствую-
щего волнения; 3 — направление потока
наносов; 4 — зона аккумуляции наносов;
5 — линия берега до возведения буны;
6 — зона размыва
на береговой части определя-
ется длиной заделки буны в
коренной берег и шириной
пляжа, на котором гасится на-
кат волн. Возвышение гребня
береговой части буны прини-
мается равным 2/3 высоты на-
ката расчетной волны. Пере-
ходная часть имеет наклон
гребня, параллельный пляжу,
а головная часть буны гори-
зонтальна и возвышается на
0,5 м над средним уровнем
моря, заканчиваясь на глу-
бинах 1,0—1,5 м (рис. 10.49). Головная часть буны заканчивается
усиленным оголовком.
Длины бун могут составлять при песчаных наносах 120—150 м,
при галечниковых — 60—90 м. Расстояние между бунами в отече-
Рис. 10.48. Укрепление пляжа группой бун:
/ — линия берега; 2 — буны; ау — угол отклонения головных частей бун
Рис. 10.49. Схема профиля буны:
/ — береговая (корневая) часть буны; 2 — переходная часть; 3 — головная часть;
4 — оголовок буны; 5 — проектируемая поверхность пляжа; 6 — волноотбойная
стена; 7— максимальный уровень моря обеспеченностью 50 %; 8— средний уро-
вень моря; 9— средний из наинизших уровень моря; Ан — высота наката волны
396
ственной практике принимается от (1—3)£ при песчаных и (1 — 1,4)£
при галечниковых наносах.
По конструкции и роду материала буны подразделяются на буны
из деревянных или железобетонных свай, из камня, габионов, бе-
тонных блоков, фасонных блоков, из синтетических оболочек, за-
полненных инертными материалами, буны на сваях и колонах-обо-
лочках. По принципу пропуска наносов буны подразделяют на
сквозные буны, уменьшающие скорость перемещения наносов, и
непроницаемые (глухие), пропускающие вдольбереговой поток на-
носов только в обход конструкции.
На берегах с песчаными наносами предпочтительнее сквозные
буны свайных конструкций, а при галечниковых наносах — буны
на колонах-оболочках (рис. 10.50, а). Гравитационные (глухие) буны
из сборных блоков или монолитного бетона применяют при тяже-
лых ледовых и грунтовых условиях, при этом в их основании устра-
ивается защищенная от размыва выравнивающая постель из камня
(рис. 10.50, б). Масса блоков гравитационных бун составляет до 100 т,
и монтаж их ведется плавучими кранами с моря.
Широкое применение и преимущества перед гравитационны-
ми (глухими) бунами, если это не связано с архитектурными тре-
бованиями или рекреационными условиями, имеют полупроница-
емые буны из каменной наброски или габионных конструкций
(рис. 10.51). Размер камня в наброске определяется расчетом в за-
висимости от параметров волны и составляет, как правило, не-
сколько тонн. При комплексном применении волноотбойных стен
и бун в первую очередь сооружаются буны, которые должны при-
мыкать к стенкам без зазоров.
Для защиты морских берегов, наряду с бунами или совместно с
ними, используют продольные подводные барьеры — волноломы,
представляющие собой вытянутые вдоль берега и расположенные
на некотором расстоянии от него в море сооружения, гребень кото-
рых находится ниже уровня воды. Волноломы устанавливают на глу-
бинах не менее 3 м с расположением гребня на 0,5—0,7 м ниже сред-
него уровня моря. Поперечный профиль волнолома принимают та-
ким, чтобы со стороны моря грань имела наклон 1:2 и положе, а со
стороны берега грань была бы вертикальной. Подводные волноло-
мы по конструктивным признакам разделяются на гравитационные,
выполняемые из блоков или камня, и свайные, у которых с мор-
397
Рис. 10.50. Конструкции бун:
а — на колонах-оболочках: 1 — откосная стена; 2— плиты-экраны; 3 — проме-
жуточные опоры; 4 — колонны-оболочки; 5 — головной блок буны; б — грави-
тационная буна из сборных блоков или монолитного бетона: 1 — откосная сте-
на; 2 — корневая часть буны; 3 — блоки буны; 4 — шпонки; 5 — каменная по-
стель; 6 — монолитная плита; 7 — проектная поверхность пляжа; h — глубина
возможного размыва
Рис. 10.51. Полупроницаемые буны из каменной наброски или габионных кон-
струкций (поперечный разрез):
а — профиль буны из габионов; б — буна из каменный наброски (типовой про-
филь): 1 — камень массой 0,04— 1,8 т; 2 — то же 6—10 т
398
Рис. 10.52. Конструкция подводных волноломов (поперечный разрез):
а — гравитационного типа из скошенных массивов массой 100 т; б — свайного
типа; 1 — сваи; 2 — оголовок; 3 — каменная (или из бетонных блоков) призма;
4 — слой щебня
ской стороны свайного ряда производится отсыпка камня или бе-
тонных блоков (рис. 10.52). На участках вне зоны рекреационного
использования волноломы также могут выполняться из каменной
наброски.
Как правило, на участках применения подводных волноломов
последние комбинируются с волноотбойными стенками и травер-
сами, которые являются поперечными сооружениями типа бун, но
примыкающими без зазоров на одном конце к подводному волно-
лому, а на другом — к волноотбойной стенке.
10.8.4. Регуляционные сооружения
Для защиты от размывов земляного полотна в поймах рек и при-
легающих берегов в дополнение к откосным укреплениям часто
применяют продольные и поперечные регуляционные устройства.
К продольным устройствам относят: струенаправляющие дамбы, из-
меняющие направление течения реки у искусственного сооружения;
продольные водоотжимные бермы, отодвигающие поток от земля-
ного полотна; прокопы, спрямляющие русло водотока. Поперечные
устройства — буны (чаще для рек называют шпорами), предназна-
ченные для снижения прибрежных скоростей течения и накопле-
ния отложений; запруды и полузапруды, устраиваемые для перекры-
тия отдельных рукавов и направления речного потока в основное
русло или в прокоп.
Дамбы, запруды, траверсы и буны сооружают из дисперсных и
скальных грунтов, бетона и железобетона, габионных структур и дру-
399
гих материалов с укреплением в зависимости от скоростей течения
воды и с учетом возможного размыва дна у подошвы сооружения.
Наиболее часто при больших скоростях течения воды и особенно
на горных реках используют каменные наброски и фигурные бло-
ки, как при защите морских побережий.
Все регуляционные сооружения изменяют гидрологический ре-
жим, что должно обязательно учитываться при их проектировании.
10.8.5. Регулирование подземного стока
Регулирование подземного стока производится с целью повыше-
ния прочностных характеристик грунта или предотвращения мороз-
ного пучения. Регулирование подземного стока осуществляется с
помощью дренажей, которые являются устройствами, предназначен-
ными для снижения влажности грунтов и понижения уровня под-
земных вод или полного их перехвата с отводом в установленные
места. Для того чтобы рассмотреть регулирование подземных вод
вначале необходимо дать их характеристику.
Подземные воды бывают безнапорными и напорными, а по уров-
ню расположения их подразделяют на верховодку, грунтовые воды
и межпластовые.
Верховодка располагается в самом верхнем слое грунта в виде замк-
нутых линз, области ее питания и существования совпадают. Грунто-
вые воды находятся в верхнем слое, подстилаемым первым водонепро-
ницаемым слоем грунта, имеют выдержанный горизонт, и области их
питания и существования обычно не совпадают. Межпластовые воды
находятся между двумя водонепроницаемыми слоями, и если они за-
нимают весь пласт, то чаще являются напорными.
По законам движения вода в грунтах подразделяется на поро-
вую, движение которой является ламинарным и подчиняется зако-
ну Дарси, трещинную с турбулентным движением согласно закону
Шези и порово-трещинную, где происходит смешанное движение
(закон Смерекера).
В грунтах вода может находиться как в жидком, так и в твердом
(лед) и газообразном (пар) состоянии. В жидкой фазе воду подразде-
ляют на свободную (гравитационную и капиллярную) и связанную
(рыхлосвязанную и прочносвязанную) воду, молекулы которой, на-
ходясь в непосредственной близости от поверхности минеральных
частиц, испытывают химические и физические силы связи с ними.
400
Гравитационная вода движется в порах и трещинах грунта под
действием силы тяжести и напора, при наличии гидравлических ук-
лонов стремится переместиться вниз. Такая вода может быть пере-
хвачена и отведена в пониженные места. Капиллярная вода связана
с гравитационной водой и по узким порам внутри грунта поднима-
ется выше ее уровня на высоту, которая для среднезернистых пес-
ков составляет 0,15—0,35 м, в мелкозернистых песках 0,35—1,0 м, в
супесях возрастает до 1,5 м, в суглинках увеличивается до 3—4 м, а в
глинах и до 6 м.
Уровень капиллярных вод следует за уровнем гравитационных
вод, но в отдельных узких капиллярах за счет разности порового дав-
ления часть влаги может застревать и формировать слой капилляр-
но-подвешенной влаги, не связанной с основным уровнем грунто-
вых вод.
Связанная вода удерживается у минеральных частиц силами вза-
имодействия, для ее перемещения необходимо преодоление этих
сил, поэтому для отвода такой воды из грунта недостаточно одного
гидравлического уклона.
Прочносвязанная вода размещается непосредственно у поверх-
ности частиц и, находясь под давлением сил взаимодействия, каче-
ственно отличается от свободной воды: плотность ее существенно
выше 1 т/м3, она имеет пониженную растворяющую способность,
температура замерзания составляет —78 °C, может перемещаться
лишь путем перехода в парообразное состояние.
Рыхлосвязанная вода является промежуточной между прочно-
связанной и свободной водой, отличаясь от последней значительно
меньшей подвижностью. Максимальное значение связанной воды
называется максимальной молекулярной влагоемкостью.
Для земляного полотна опасность представляет как свободная
гравитационная вода, особенно, если она напорная, так и связан-
ная, которую трудно удалить, но при ее большом количестве проис-
ходит значительное снижение прочностных характеристик грунта.
По принципу действия дренажи подразделяют на:
— гравитационные, обеспечивающие сбор воды и ее отведение
под действием сил тяжести;
— биологические, снижающие влажность грунтов за счет транс-
пирации воды растениями;
- вентиляционные, осушающие грунт за счет испарения влаги;
401
— вакуум-дренажи, осушающие грунт с помощью вакуумных на-
сосов;
— электродренажи, основаны на фильтрации влаги под действи-
ем постоянного тока за счет электроосмотического воздействия;
- термодренажи, принудительно удаляющие грунтовую воду при
обжиге или нагреве грунта.
Наиболее часто из приведенных типов применяют биологичес-
кие и гравитационные дренажи.
Биологические дренажи в виде травяного покрова могут удалять
до 230—250 мм осадков в год, кустарники и деревья до 400—500 мм
в год, эвкалипты — до 1400 мм в год. Испарение с поверхности тра-
вяного покрова в 2 раза превышает испарение с обнаженной поверх-
ности почвы. В осушении с применением биологических дренажей
важен правильный подбор растений и степень густоты их посадок.
Так излишне густая растительность может приводить к снижению
испарения влаги с поверхности почвы и создавать наоборот усло-
вия для повышенного ее увлажнения.
Рассмотрим подробнее виды и конструкции гравитационных дре-
нажей, имеющих наибольшую распространение и эффективность.
Гравитационные дренажи применяют в следующих основных слу-
чаях защиты земляного полотна:
— на косогорах и в выемках в качестве перехватывающего дрена-
жа с верховой стороны от земляного полотна (рис. 10.53);
Рис. 10.53. Перехватывающий дренаж:
/, 2 — выходной и входной оголовки водопропускной трубы; 3 — дренажные
колодцы
402
— в выемках и на нулевых местах для осушения зоны под основ-
ной площадкой (рис. 10.54);
— в выемках для перехвата и отвода воды в откосных частях;
— на выходе из выемок в качестве ограждающего дренажа.
Рис. 10.54. Дренаж для осушения зоны под основной площадкой:
d — расстояние от оси пути устанавливается проектом в зависимости от
местных условий; 1 — выход дренажа; 2 — ось дренажа; 3 — смотровые
колодцы
Гравитационные дренажи могут быть одиночными, групповыми
или представлять собой дренажную сеть. Понятие одиночного дре-
нажа вытекает из его названия, групповыми называется комплекс
одиночных дренажей не связанных между собой, а комплекс оди-
ночных дренажей, связанных между собой, — дренажной сетью.
Трасса дренажа располагается таким образом, чтобы обеспечить не-
обходимое осушение грунта, понижение уровня грунтовых вод или
их перехват перед земляным полотном исходя из условия минималь-
ных строительных и эксплуатационных затрат. Причем перехваты-
вающие дренажи на косогорах, как правило, располагают перпен-
дикулярно потоку воды в откосных частях (рис. 10.55), ограждаю-
щие дренажи в выемках и на нулевых местах — параллельно оси пути,
а на выходах из выемок — перпендикулярно оси пути (рис. 10.56).
Гравитационные дренажи также классифицируются по направ-
лению отвода воды и конструкции (табл. 10.31).
403
Ось пути
Ось пути —
Рис. 10.55. Схемы расположения откосных дренажей:
а — нормально к оси пути; б — под углом к оси пути
Рис. 10.56. Ограждающий дренаж:
/ — дренаж; 2 — оголовок; 3 — движение грунтовых вод; 4 — смотровой
колодец; Скв. — скважина
404
Таблица 10.31
Классификация гравитационных дренажей
Расположение Направление отвода воды Конструкция
Горизонтальные По дренам, расположен- ным слабо наклонно — уклоны 3—50 %с 1. Траншейные: без труб; трубчатые; галереи
2. Штольни
3. Кротовые: без заведения труб; с заведением труб
Вертикальные Принудительно вверх на поверхность грунта L С откачкой воды: одноярусные; многоярусные
Вертикально вниз 2. Водоспускные колодцы: буровые; плоские; шахтные
Откосные Вниз параллельно поверх- ности откоса 1. Траншейные: без труб; трубчатые
2. Присыпные
Наиболее часто применяются горизонтальные дренажи. Горизон-
тальные траншейные дренажи без укладки труб применяют при
необходимости осушать грунт на коротких участках (10—50 м) при
небольших притоках воды. Траншеи в этом случае заполняются
крупнозернистым, гравелистым песком, гравием или щебнем, ко-
торые и служат дренами за счет их более высокой фильтрационной
способности, чем окружающие грунты основания. Вода под действи-
ем сил гравитации фильтруется из осушаемого грунта в траншею и
далее по дну траншеи, имеющей продольный уклон, отводится в по-
ниженное место на поверхность земли. Для защиты этих дрен от
заиливания они при необходимости устраиваются в обойме из не-
тканого геотекстиля, а в верхней части траншеи для предотвраще-
ния попадания поверхностной воды устраивают замок из местного
недренирующего грунта (рис. 10.57, а).
405
Рис. 10.57. Горизонтальный траншейный дренаж:
а — без труб; б — трубчатый дренаж с геотекстилем вокруг траншеи; в — труб-
чатый дренаж с геотекстилем вокруг трубы: 1 — местный грунт; 2 — дренирую-
щий грунт; 3 — геотекстиль; 4 — щебень; 5 — песок; 6 — труба (d = 160 мм)
Среди горизонтальных дренажей наиболее распространены дре-
нажи траншейного типа с дренами — трубами (рис. 10.57, б, в). Та-
кие дренажи применяют для осушения зоны под основной площад-
кой выемок, перехвата и отвода воды с верховой стороны земляно-
го полотна. При этом, если дно дренажа врезано в водоупор и по-
ступление воды происходит из всего водоносного слоя, такой дренаж
называется совершенным, а если не доходит до него и водоносный
слой не полностью прорезается, то — несовершенным. В первом
случае вода в дренаж поступает только через стенки траншеи, а во
втором случае — и со дна траншеи.
Если глубина траншеи входит в зону сезонного промерзания-от-
таивания грунта, то такие дренажи называются дренажами мелкого
заложения и работают они только в теплое время года. Как прави-
ло, дренажи мелкого заложения устраивают при осушении зоны ос-
новной площадки при отсутствии постоянного уровня грунтовых
вод.
Траншея заполняется дренирующим грунтом (гравий, гравелис-
тый, крупный и средней крупности пески), благодаря чему грунто-
вая вода под действием сил гравитации фильтруется из осушаемого
грунта в траншею и далее собирается дренажной трубой, имеющей
продольный уклон, и по ней отводится в пониженное место на по-
верхность земли. В качестве дрены применяют трубы круглого се-
406
чения диаметром 0,11—0,40 м из пластика, керамики, асбоцемента.
В горизонтальных трубчатых дренажах выделяют водосборно-водо-
отводные участки дренажа, где происходит сбор воды из грунта и
отвод ее далее, и транзитные участки, где производится только от-
вод воды. В пределах водосборно-водоотводной части дренажа дол-
жна быть обеспечена фильтрация воды в трубы, для чего в них дела-
ются дренажные отверстия. В транзитной части дренажа, наоборот,
принимаются меры против просачивания воды в грунт.
Дренажные водоприемные отверстия выполняются в верхней
половине контура труб, по форме круглыми или щелевидными. Ди-
аметр отверстия или ширина щели и их количество в сечении, а так-
же шаг в продольном направлении определяются расчетом, но ми-
нимальное их количество должно иметь площадь не менее 5 % от
площади поверхности труб.
Для защиты дренирующего грунта от заиливания он при необ-
ходимости устраивается в обойме из нетканого геотекстиля (см.
рис. 10.57, б), а если есть опасность засорения труб через дренаж-
ные отверстия грунтом засыпки, то труба обертывается геотексти-
лем (см. рис. 10.57, в).
Ширина траншеи при глубине дренажа до 3,0 м в зависимости
от типа землеройной техники и крепежа стенок траншеи составляет
от 0,5 м до 1,0 м, для более глубоких дренажей ширина траншеи уве-
личивается до 1,5 м. Минимальные продольные уклоны трубы дре-
нажа для исключения ее заиливания рекомендуется принимать 5 %с,
а в затрудненных случаях они могут быть уменьшены до 2—3 %о.
Для возможности систематических осмотров и прочистки труб
через каждые 50—100 м трассы дренажа, а также в углах поворота
плана и профиля устраивают смотровые колодцы, а для дренажей
мелкого заложения — смотровые скважины. Стенки смотровых ко-
лодцев изготавляют из железобетона или композитных материалов,
также применялись смотровые колодцы из бутового камня или в
виде деревянных срубов. Внутренний диаметр колодца при глубине
до 3 м может приниматься 0,7 м, а для более глубоких — 1,0; 1,5 и
2,0 м. Железобетонные колодцы устраивают из сборных колец вы-
сотой: 0,29; 0,59; 0,89 и 1,19 м. Стенки колодца для возможности
спуска в него должны иметь скобы, расстояния между которыми
составляют 0,35—0,45 м. В нижней части колодца укладывается пли-
та днища, а сверху колодец закрывается крышкой. Пример железо-
407
Рис. 10.58. Смотровые устройства:
а — железобетонный смотровой колодец; б — смотровая скважина; 1 — канава;
2 — люк; 3 — бетонное основание; 4 — щебень; 5 — дренирующий грунт; 6 —
геотекстиль; 7 — дренажная труба (d = 160 мм)
бетонного колодца приведен на рис. 10.58, а. В колодце для созда-
ния отстойника уровень выходной дренажной трубы принимается
на 0,5 м выше уровня дна, а уровень входной трубы принимается на
0,1—0,2 м выше уровня выходной трубы. Отметка верха колодца при-
нимается не менее 0,5 м над поверхностью земли. Смотровые сква-
жины для дренажей мелкого заложения устраивают из труб таких
же, как и дренаж, только без отверстий. Конструкция смотровой
408
скважины приведена на рис. 10.58, б. Трубы осматриваются непос-
редственно из колодцев или с помощью системы зеркал. Очистку
труб при необходимости выполняют механически при протягива-
нии ерша либо струей воздуха (или воды) под давлением.
Концевые участки дренажа, где он выходит на поверхность зем-
ли, оформляют в виде выпуска, из которого вода поступает в водо-
отводную канаву и отводится в сторону от земляного полотна. Вы-
пуск, который называется оголовком дренажа, представляет собой
подпорную стену (рис. 10.59). В пределах выпуска (3—4 м) для быст-
рого сброса воды и предотвращения образования наледей в зимнее
время уклоны дренажных труб принимают максимально большими
(более 10 %о) величинами, а оголовок утепляется.
Трубчатые дренажи устраивают при максимальной глубине за-
ложения до 6,0 м, что обусловлено возможностями работы механиз-
мов по устройству траншеи. При большей глубине (до 10—12 м) ис-
пользуют дренажи-галереи, которые также прокладывают открытым
способом с рытьем траншеи. При этом верхний ярус траншеи раз-
рабатывается под выемку до глубины, с которой землеройные ме-
Рис. 10.59. Выпуск дренажа:
1 — засев травой; 2 — местный грунт; 3, 5— бетонные плиты; 4 — подпорная
стена из монолитного бетона; 6 — щебень; 7 — дренажная труба; 8 — утепля-
ющая засыпка
409
ханизмы достают до дна дренажа. Они имеют трубу (галерею), диа-
метром более 1,0 м, в которой может передвигаться человек для ос-
мотра, очистки и ремонта. По форме трубы могут быть круглые, пря-
моугольные, овальные.
Галереи используются для отвода грунтовой воды из нескольких
горизонтов (рис. 10.60). Вода проникает в галерею через швы. Про-
дольный уклон галереи принимают не менее 5 %о, а колодцы устра-
ивают через 100—200 м.
Рис. 10.60. Галерея:
1 — цементная подготовка; 2 — обделка галереи; 3 — уровень грунтовой воды
до устройства галереи; 4 — кривая депрессии
410
В случае если требуется перехватить воду с большей глубины или
нецелесообразно перерезать пласты траншеей, дренаж устраивают
горным (закрытым) способом с проходкой штольни.
10,8.6. Регулирование тепловых процессов в земляном полотне
и основании
Ежегодно при периодических изменениях температур воздуха с
переходом их в зимнее время через ноль изменяется температура
верхней толщи грунта, а в поверхностном слое возникает его про-
мерзание. При этом влага, замерзающая в грунте, приводит к изме-
нению его структуры, возникновению морозного пучения, а в пос-
ледующем при переходе температуры обратно через ноль в положи-
тельную область, к оттаиванию грунта с его разупрочнением. В ре-
зультате этих процессов в зимнее время на железнодорожном пути
происходит образование пучин с искажением геометрии рельсовой
колеи, а в весеннее время при оттаивании за счет снижения проч-
ности грунта — деформации в виде весенних просадок пути. В рай-
онах распространения многолетнемерзлых грунтов в приповерхно-
стных слоях грунта, наоборот, в теплое время происходит их сезон-
ное оттаивание с резким уменьшением прочностных свойств. С на-
ступлением отрицательных температур воздуха этот слой начинает
промерзать и в нем происходит пучение. Такой слой грунта, где в
условиях многолетней мерзлоты происходят сезонные изменения
состояния грунтов с мерзлого на талое и возврат обратно, называ-
ется деятельным слоем. Строительство земляного полотна в услови-
ях мерзлоты приводит к изменению сложившегося теплового режи-
ма основания, что может вызвать как деградацию (оттаивание) мерз-
лоты в основании, так и обратный процесс — поднятие мерзлоты в
тело земляного полотна.
Для предотвращения этих негативных процессов, вызванных из-
менением температурного режима грунтов, применяются различные
методы регулирования тепловых процессов, теоретическое обосно-
вание которым наиболее полно было дано в 80-гг. XX в. в работах
российского ученого А.А. Цернанта. На основе физики протекания
тепловых процессов все известные и вновь создаваемые методы и
устройства управления были разделены на 4 группы:
— методы и устройства для регулирования внешнего теплообме-
на поверхности грунтового массива с окружающей средой (тепло-
вые экраны);
411
- методы и устройства для управления амплитудой и периодом
температурного поля (тепловые амортизаторы);
- методы и устройства для управления теплооборотами, осно-
ванные на создании температурной сдвижки в системе при цикли-
ческих изменениях внешнего теплообмена (тепловые диоды), па-
рожидкостные устройства;
— методы и устройства для управления потоками тепла, основан-
ные на использовании дополнительной внешней работы (тепловые
трансформаторы).
К тепловым экранам, регулирующим условия теплообмена в по-
верхностных слоях, которые нашли применение в земляном полот-
не, относятся экраны поверхности откосов насыпей и выемок из
легких материалов типа навесов или коробов (рис. 10.61). Охлажда-
ющий эффект экранов возникает благодаря нейтрализации отепля-
ющего воздействия снежного покрова в зимнее время и теневой за-
щиты от солнечных лучей летом.
К тепловым амортизаторам, уменьшающим амплитуды темпе-
ратурного поля в земляном полотне и его основании, относят теп-
лоизоляционные покрытия, нашедшие наибольшее применение для
земляного полотна. Теплоизолирующие устройства и покрытия при-
меняются для уменьшения сезонного промерзания или оттаивания
Рис. 10.61. Функциональная схема теплового экрана поверхности насыпи:
1 — вентиляционный короб; 2 — коллектор; 3 — вентиляционная шахта;
4 — земляное полотно; 5 — снежный покров
412
и соответственно предотвращения деформаций морозного пучения
и осадок, которые возникают при промерзании и оттаивании грун-
тов земляного полотна. Теплоизолирующими устройствами счита-
ются различные подушки из теплоизоляционных материалов, име-
ющие толщину более 0,20 м, а покрытиями — тонкие слои, имею-
щие толщину от 0,20 м и менее.
Основным способом для теплоизоляции земляного полотна, при-
меняющимся в последнее время, являются покрытия, выполняемые
из пенопластов, имеющих низкий коэффициент теплопроводности
(на порядок ниже коэффициента теплопроводности грунта). В по-
крытиях используются жесткие полистирольные, поливинилхлорид-
ные или полиуретановые пенопласты, имеющие мелкую замкнуто-
ячеистую структуру. Наибольшее распространение для применения
в противопучинных покрытиях земляного полотна железных дорог
во многих странах в последние годы получили плиты экструдиро-
ванного пенополистирола, основные характеристики плит, приме-
няемых на отечественных железных дорогах приведены в табл. 10.32.
Таблица 10.32
Характеристики плит экструдированного пенополистирола
Показатель Размерность Величина Метод испытания
Плотность кг/м3 >35 ГОСТ 17177-94
Прочность на сжатие при 5%-й линейной деформации мПа >0,45 ГОСТ 17177-94
Предел прочности при изгибе мПа >0,7 ГОСТ 17177-94
Деформативность под много- кратно приложенной динами- ческой нагрузкой % <5 Руководство
Водопоглощение по объему за 24 ч % <0,5 ГОСТ 17177-94
Коэффициент теплопровод- ности во влажном состоянии Вт/мК <0,04 ГОСТ 30290-94
Геометрические размеры плит: длина ширина толщина м м мм >4,0 >0,6 40-100
Пазы для перекрытия швов м 0,01-0,055
413
Толщина покрытий изменяется в зависимости от климатических
и грунтовых условий в пределах от 4 до 20 см и принимается на ос-
нове теплотехнического расчета. Покрытия в зависимости от цели
их применения могут укладываться на основной площадке непо-
средственно под балластной призмой, на откосах либо по подошве
насыпи (рис. 10.62).
Теплоизоляция Теплоизоляция
Рис. 10.62. Варианты укладки теплоизоляции в земляном полотне:
а — непосредственно под балластной призмой; б — на откосах земляного по-
лотна; в — по подошве насыпи
При укладке теплоизолирующих покрытий на основной площад-
ке с целью предупреждения пучения для создания плавного изме-
нения теплофизических свойств и величины пучения по краям по-
крытия устраиваются специальные конструкции сопряжений. Со-
пряжения выполняются за счет ступенчатого уменьшения толщи-
ны плит на 1 см до минимальной 4 см и далее при неизменной
минимальной толщине плит либо с укладкой их с зазорами А (вари-
ант 1, рис. 10.63, а), либо за счет постепенного уменьшения шири-
ны покрытия Я (вариант 2, рис. 10.63, б).
414
К тепловым диодам, которые имеют разную проводимость тепла
при изменении направления теплового потока, нашедшим приме-
нение при сооружении земляного полотна, в первую очередь следу-
ет отнести каменные наброски и сезонные охлаждающие установки
(СОУ). Фотографии конструкций земляного полотна в условиях мер-
злоты с тепловыми диодами представлены на рис. 10.64. Примене-
ние тепловых диодов эффективно и нашло наибольшее примене-
Рис. 10.63. Конструкции сопряжений покрытий из пенополистирола:
а — с изменением размера зазоров; б — с уменьшением ширины покрытия
415
Рис. 10.64. Применение земляного полотна с тепловыми диодами:
а — каменная наброска из фракционного камня (восточный БАМ); б — паро-
жидкостные СОУ (линия Сургут—Коротчаево)
416
ние для охлаждения грунтов земляного полотна и основания с це-
лью предупреждения деградации мерзлоты.
Охлаждающий эффект каменных набросок на откосах или зем-
ляного полотна из глыбовых материалов достигается за счет ин-
тенсивной конвективной теплоотдачи в холодный период и тене-
вой защиты в летний период. При этом предпочтение следует от-
давать глыбовым разновидностям крупнообломочных грунтов с
содержанием не менее 75 % по массе частиц фракций d от 200 до
500 мм. Из глыбовых крупнообломочных грунтов сортировкой из-
готовляется материал для фракционного камня, используемого в
охлаждающих набросках и бермах, используемых при необходи-
мости сохранения мерзлоты в основании. При этом крупные фрак-
ции 200—500 мм должны составлять не менее 90 % по массе при
среднем размере камня 400 мм. Камень должен быть из невывет-
релых или слабовыветрелых, неразмягчаемых пород с морозостой-
костью не хуже F50. Конструкции из камня для охлаждения грун-
тов оснований представлены на рис. 10.65.
Рис. 10.65. Схемы конструкций из камня для охлаждения грунтов оснований:
а — каменная наброска на откосах; б— скальные бермы; в — клещевидная обойма
417
Для искусственного охлаждения грунтов оснований различных
сооружений большое распространение получили парожидкостные
СОУ, работающие автоматически в холодное время года и не требу-
ющие затрат и обслуживающего персонала. Эти установки представ-
ляют собой тепловые трубы, в которых отвод тепла от грунтов осно-
вания осуществляется за счет циркуляции в них пара и жидкости.
Простейшими из этих устройств являются термосифоны, в которых
циркуляция осуществляется за счет сил тяжести. Установки работа-
ют только в холодный период года, когда температура наземной ча-
сти ниже температуры грунта основания, и останавливаются в теп-
лый период года (не нагревая грунты), когда температура воздуха
выше температуры грунта.
Первые парожидкостные СОУ были применены в 1960 г. амери-
канским ученым Лонгом. Они широко использовались в фундамен-
тах опор Трансаляскинского нефтепровода, где было установлено
112 тыс. устройств.
Парожидкостные СОУ изготавливаются из стальных или алюмини-
евых труб диаметром 32—57 мм, которые герметизируются с запол-
нением их хладоагентом (фреон, аммиак, углекислый газ). Верхняя
часть СОУ, располагаемая над поверхностью грунта и называемая
конденсатором, для развития поверхности выполняется с оребре-
нием. Расположение парожидкостных СОУ для охлаждения мерз-
лых грунтов основания земляного полотна приведено на рис. 10.66.
Рис. 10.66. Варианты использования СОУ:
а — горизонтальные; б — вертикальные; 7 — земляное полотно; 2 — термоси-
фон; 3 — теплоизоляция; 4— начальное положение мерзлоты; 5 — тоже после
устройства СОУ
418
Тепловые трансформаторы, требующие дополнительной внешней
работы, широкого применения при сооружении земляного полотна
в настоящее время не нашли.
10.8.7. Регулирование гравитационных процессов на склонах
Регулирование гравитационных процессов производится в тех
случаях, когда земляное полотно проходит по склонам, подвержен-
ным экзогенным геологическим процессам, таким как оползни и
лавины, сели, обвалы и осыпи, и его необходимо защитить от дан-
ных опасных природных явлений.
Оползнями называется смещение горных масс вниз по склону без
потери контакта между смещающимися и неподвижными порода-
ми. Скорость перемещения пород может изменяться в широких пре-
делах от долей миллиметров до метров в секунду. Смещающийся
массив грунта называется оползневым телом, а склоны с наличием
оползней — оползнеопасными.
Лавины — это быстрый сход с горного склона снега, утратившего
связь с подстилающей снег поверхностью. Лавиносброс опасен для
железной дороги. Для предупреждения разрушающего воздействия
строят защитные сооружения.
Сели представляют собой внезапные кратковременные горные
потоки, насыщенные твердым материалом, возникающие во время
дождя, при интенсивном таянии снега и льда, а также при прорыве
завалов и плотин в речных долинах, где имеются большие запасы
рыхлообломочного материала. Сели опасны внезапностью и боль-
шой разрушительной силой.
Обвалы — это обрушения горных пород в результате потери кон-
такта со склоном, сопровождающиеся дроблением и перемешива-
нием. Характерны внезапностью и большой скоростью протека-
ния.
Осыпи — это непрерывный снос продуктов выветривания гор-
ных пород на крутых склонах в виде скатывания отдельных мелких
обломков (от пыли до крупных камней и глыб) с образованием в
нижней части конусов выноса.
Основной принцип регулирования гравитационных процессов
состоит в перераспределении веса грунта (снега, отложений) по
склону, уменьшив его там, где он оказывает вредное влияние и по-
высив в местах, где его воздействие положительно.
419
Основными методами регулирования гравитационных процессов
на оползнеопасных склонах являются:
- террасирование поверхности склона;
- устройство поддерживающих или удерживающих сооружений.
Террасированием называется изменение рельефа склона в целях
повышения его устойчивости. При террасировании в склоне про-
изводится нарезка полок с определенным шагом по высоте и упо-
ложение крутых частей откоса. Пример террасирования для полу-
выемки приведен на рис. 10.67. При этом ширину нарезаемых по-
лок принимают исходя из технологичности их нарезки размером
3—4 м, а высоту уступов и их крутизну определяют расчетами ус-
тойчивости.
Рис. 10.67. Схема террасирования откоса полувыемки:
/ — существующий откос; 2 — террасирование откоса; 3 — возможная кривая
смещения
Поддерживающими сооружениями принято называть сооружения,
которые для обеспечения необходимой устойчивости пристраивают-
ся к земляному полотну или склону снаружи, а удерживающими со-
оружениями в отличие от первых — сооружения, которые внедрены
целиком или частично внутрь земляного полотна или склона. Рас-
смотрим некоторые из наиболее распространенных типов сооружений.
Подпорные стены по их расположению относительно земляно-
го полотна применяются двух типов: низовые, которые на крутых
откосах поддерживают с низовой стороны насыпи и полунасыпи
(рис. 10.68, а), и верховые, которые обеспечивают верховую часть
420
Рис. 10.68. Подпорные стены:
а — низовая; б — верховая; 1 — подпорная стена; 2 — обратная засыпка;
3 — застойный дренаж 4 — дренажный выпуск; 5 — лоток
склона до земляного полотна и применяются для поддержания от-
косов выемок и полувыемок (рис. 10.68, б). Традиционно подпор-
ные стенки устраиваются из железобетона, бетона (бутобетона), а
также из камня на цементном растворе. Конструкции подпорных
стен могут быть монолитными, сборными и сборно-монолитны-
ми. При этом железобетонные стены могут быть массивными (см.
рис. 10.68) либо облегченными — уголкового типа (рис. 10.69).
Подпорные стены вдоль оси пути делятся вертикальными шва-
ми (по всей высоте, включая фундамент) на секции длиной от 6 до
20 м. Обратная засыпка за подпорными стенами обычно выполня-
ется из дренирующих грунтов. Для конструкций из железобетона и
Рис. 10.69. Подпорные стены уголкового типа:
а — низовая; б — верховая; 1 — подпорная стена; 2 — обратная засыпка;
3 — застойный дренаж; 4 — дренажный выпуск
421
бетона для выпуска воды из застенного пространства в обязатель-
ном порядке делается дренаж. Глубина заложения фундамента под-
порной стены при непучинистых нескальных грунтах должна быть
не менее 1 м, при пучинистых грунтах фундамент закладывается не
менее чем на 0,25 м ниже максимальной глубины промерзания. При
опирании на скальные грунты глубина фундамента должна быть
не меньше 0,25 м. В насыпях на прямых участках минимальное рас-
стояние от оси ближайшего пути до верха наружной части низовой
подпорной стены принимают не менее расстояний, указанных в
табл. 10.33.
Таблица 10.33
Расстояние от оси пути до наружной части стенки
Грунт земляного полотна Расстояние от оси пути до наружной части стенки, м, при категории линии
I и II III IV
Скальные, крупнообломочные, песчаные (кроме мелких и пылеватых) 3,0 2,6 2,5
Все остальные 3,5 2,9 2,75
Верховые подпорные стены должны располагаться за кюветом.
В выемках на прямых участках минимальное расстояние от оси бли-
жайшего пути до подпорной стены на уровне подошв шпал и выше
должно быть не меньше 3,7 м. В кривых расстояния до стен увели-
чивают.
В последнее время в нашей стране и особенно за рубежом на же-
лезных дорогах в качестве подпорных стен все шире применяют ар-
могрунтовые стены с геосинтетиками и габионные структуры в виде
гравитационных габионных стен и стен системы Террамеш. Армо-
грунтовая подпорная стена представляет собой массив дренирующе-
го грунта, армированный силовыми геосинтетиками (георешетками,
геосетками или силовой тканью) и снаружи имеющий лицевую па-
нель (рис. 10.70). По поддерживающему действию армогрунтовые
стены аналогичны массивным железобетонным, при этом сопро-
тивление оползневому сдвигу оказывает вес всего грунтового мас-
сива стены. Геосинтетическая арматура, чтобы своевременно вклю-
чаться в работу, должна иметь на разрыв удлинение не более 15 %.
422
Рис. 10.70. Армогрунтовая подпорная стена:
1 — блоки облицовочной стены; 2 — фундамент; 3 — арматура армогрунтовой
стены; 4 — контур альтернативного решения (контрбанкет); 5 — критическая
поверхность смещения
Шаг армирования, прочностные характеристики арматуры и их дли-
на принимаются расчетом из условий как внешней, так и внутрен-
ней устойчивости. Чаще всего шаг армирования между слоями гео-
синтетика составляет 0,5 м.
Лицевая панель чаще всего выполняется в виде облицовочной и
играет антивандальную роль, а также защищает синтетики от пря-
мых солнечных лучей. Материалами лицевой панели могут служить
монолитный и сборный железобетон, блоки и плитки из легкого
бетона, пластик.
Высота подпорных армогрунтовых стен, применяемых для зем-
ляного полотна железных дорог, может составлять от 3—4 м и до
десятков метров. В нашей стране при проектировании земляного
полотна на Малом Московском железнодорожном кольце была со-
оружена подпорная армогрунтовая стена высотой до 10 м. В Европе
максимальная высота армогрунтовых стен составляет более 20 м.
Гравитационная габионная стена представляет собой подпорную
стену, выполненную из габионов (рис. 10.71). По поддерживающе-
му воздействию гравитационная габионная стена эквивалентна мас-
сивной железобетонной стене и эффект достигается за счет веса га-
бионов. Вместе с тем преимуществом стен из габионов является их
гибкость, способность воспринимать небольшие деформации без
разрушения, а также экологичность и хорошая дренирующая спо-
собность, что позволяет применять их без устройства застенного дре-
нажа.
423
Рис. 10.71. Гравитационная габионная подпорная стена:
1 — габионная стена; 2 — контур альтернативного решения (контрбанкет);
3 — критическая поверхность смещения
Стена включает в себя массив из коробчатых прямоугольных га-
бионов стандартных размеров (см. п. 10.7.2). Внешняя сторона сте-
ны может иметь ступенчатое очертание. Высота, размеры в плане
и количество габионов определяются расчетом устойчивости.
Стена системы Террамеш представляет собой массив дренирую-
щего грунта, армированный снаружи габионами, а внутри массива
металлическими сетками, составляющими единое целое с габиона-
ми (рис. 10.72). Система Террамеш может также быть без исполь-
Рис. 10.72. Подпорная стена Террамеш:
а — с вертикальной лицевой гранью; б — со ступенчатой лицевой гранью; в —
«зеленый» Террамеш; 1 — элемент системы; 2 — геотекстиль; 3 — грунт засыпки;
4 — элемент «зеленого» Террамеша; 5 — гидропосев; 6 — биополотно
424
Рис. 10.73. Контрфорсы в насыпи:
I — контрфорс; / — расстояние между
контрфорсами
зования габиона («зеленый» Тер-
рамеш) с наклонной лицевой
гранью (60—70° к горизонту), вы-
полняемой из панели сетки двой-
ного кручения, к которой при-
крепляют биополотно, иницииру-
ющее рост травяного покрова.
Кроме подпорных стен в ка-
честве поддерживающих соору-
жений могут быть использованы
контрфорсы, представляющие
собой короткие по протяжению
массивы прямоугольного или
трапецеидального сечения из
камня или бетона (рис. 10.73).
Расстояние между контрфорсами
/ определяется обеспечением ус-
тойчивости массива грунта меж-
ду ними с учетом арочного эф-
фекта и сил сопротивления по
поверхности abed.
Для обеспечения устойчивости откосов земляного полотна или по-
верхностей склонов используют различные удерживающие соору-
жения: прошивающие сваи и шпоны, а также анкерные конструкции.
Прошивающие сваи применяют из железобетона или буронабив-
ные, которые воспринимают оползневое давление, возникающее в
грунтах основания. Наиболее эффективным при больших оползне-
вых силах является усиление склона рядами буронабивных свай ди-
аметром 1,0—2,0 м, объединенных свайным ростверком (рис. 10.74).
Такие сваи закрепляют в коренные породы, работают они на изгиб
под действием горизонтальной силы. Шаг между сваями в продоль-
ном направлении и количество рядов принимают исходя из расчета
восприятия ими оползневых усилий и отсутствия продавливания
грунтов между сваями.
Шпоны в отличие от свай работают на срез по поверхности и по
одиночке (рис. 10.75). Не объединяя их в единую конструкцию, рас-
полагают также рядами с расстоянием / в рядах. Глубина заделки
шпон t ниже поверхности среза принимается конструктивно и со-
425
Рис. 10.74. Работы по усилению склона рядами буронабивных свай,
объединенных свайным ростверком
Шпоны
Рис. 10.75. Шпоны, удерживающие косогор выше пути
426
ставляет 1,0—1,5 м. При небольших оползневых силах в виде шпон
могут применяться призматические сваи из железобетона, а при боль-
ших значениях — железобетонные кольца диаметром d (1— 2 м), за-
полненные тощим бетоном.
Анкерная конструкция представляет собой удерживающую кон-
струкцию, которая в виде анкера внедряется в устойчивые грунты,
обжимает неустойчивую часть грунта по поверхности плитами, че-
рез натяжение анкеров.
Для защиты земляного полотна от обвалов и осыпей применяют-
ся пассивные и активные защитные системы. К первым относят си-
стемы, позволяющие защитить железнодорожный путь от попада-
ния на него скальных обломков посредством их перехвата, сопро-
вождения по траектории падения, сбора и содержания в специаль-
но устроенных местах. К основным типам пассивных защит относят:
улавливающие и оградительные сооружения (стены, барьеры, сет-
чатые ограждения, улавливающие полки, траншеи и валы), а также
противообвальные галереи.
Активные защитные системы предотвращают возможность об-
рушения скальных массивов вблизи пути. В отличие от пассивных
защитных систем активные защитные системы подразумевают пол-
ное предотвращение отрыва обломков от скального массива. Они
могут представлять собой комбинацию покровных сеток со стяж-
ными тросами, плетеными панелями и анкерами; одевающие или
облицовочные стены; покрытие откосов и склонов вяжущими —
аэроцемом (вспененный цементно-песчаный раствор), торкрет-бе-
тоном, набрызг бетоном; инъектирование в трещины. Примеры за-
щитных систем приведены на рис. 10.76.
При защите земляного полотна от селевых потоков могут пре-
дусматриваться следующие сооружения и мероприятия:
— селепропускные сооружения в виде каналов и мостов;
- селенаправляющие сооружения в виде дамб, шпор и каналов;
- стабилизирующие сооружения в виде запруд;
— работы по предотвращению образования селевых потоков в
виде проведения агролесомелиорации, организации поверхностно-
го стока и т.п.
На участках возможного схода снежных лавин для защиты же-
лезнодорожного пути предусматривают сооружения, приведенные
в табл. 10.34.
427
Рис. 10.76. Защитные системы и мероприятия на скально-обвальных участках
Таблица 10.34
Сооружения для защиты пути от лавин
Вид сооружения Назначение сооружения и условия применения
Лавинопредотвращающие: системы снегоудерживающих со- оружений (заборы, стены, щиты, решетки), террасирование склонов, агролесомелиорация системы снегозадерживающих забо- ров и щитов снегозадержания на наветренных склонах и плато снеговыдувающие панели (дюзы), кольктафели лавин Лавинозащитные: направляющие сооружения: стенки, искусственные русла, лавинорезы, клинья тормозящие и останавливающие со- оружения: надолбы, холмы, тран- шеи, дамбы, пазухи пропускающие сооружения: тонне- ли, галереи, навесы, эстакады Обеспечение устойчивости снежного покрова в зонах зарождения лавин, в том числе в сочетании с террасирова- нием и агролесомелиорацией, регули- рование снегонакопления Предотвращение накопления снега в зонах возникновения лавин путем Регулирование, перераспределение и закрепление снега в зоне зарождения Изменение направления движения лавины. Обтекание лавиной объекта Торможение или остановка лавины Пропуск лавин над объектом или под ним
Лавиноопасными считаются незалесенные склоны крутизной
20—60° и высотой более 20 м над уровнем головки рельса. Выбор
противолавинных комплексов производится с учетом режима и ха-
рактеристик лавин и снегового покрова в зоне зарождения, морфо-
логии лавиносбора, степени ответственности защищаемых соору-
жений, их конструктивных и эксплуатационных особенностей. Сре-
ди инженерных устройств следует отдавать предпочтение тем из них,
которые регулируют отложение снега на склоне и не допускают об-
разования лавин (лавинопредотвращающие). В качестве заборов
применяют высокие деревянные или металлические заборы, кото-
рые следует размещать в зоне зарождения лавины непрерывными
или секционными рядами до боковых границ лавиносбора. Верх-
429
ний ряд сооружений следует устанавливать на расстоянии не более
15 м вниз по склону от наиболее высокого положения линии отры-
ва лавин.
Снегозадерживающие заборы устанавливают на наветренном скло-
не или плато непрерывными рядами перпендикулярно основному
направлению метелевого переноса. Просветность щитов заборов
должна составлять 0,4—0,45, а расстояние от нижнего края забора
до поверхности склона — не более 0,2 высоты забора. Высоту забо-
ра и число рядов определяют в зависимости от расчетного объема
снегопереноса.
Снеговыдувающие панели (дюзы) следует устанавливать под углом
60—90° к горизонту непрерывными рядами или с разрывами на верх-
ней бровке зоны зарождения лавины (рис. 10.77, а). Разрывы в ряду
могут быть связаны с особенностями морфологии бровки. Просвет-
ность панелей может быть 0,2—0,3, высота панели Ндолжна дости-
гать 3—4 м, расстояние между нижним краем панели и поверхнос-
тью бровки h не более 0,25—0,3 высоты панели.
б
Рис. 10.77. Снеговыдувающие устройства:
а — панель; б — кольктафель; 1, 3 — снежные отложения соответственно при
наличии и отсутствии панели; 2 — снеговыдувающая панель
430
Кольктафели — отдельные снеговыдувающие щиты (рис. 10.77, б)
следует размещать в зоне зарождения лавин ниже линии снеговы-
дувающих заборов на расстоянии 2й, где h — высота кольктафеля,
принимаемая равной 4—4,5 м. Просвет между панелями колькта-
феля и поверхностью склона должен составлять 1 — 1,5 м. При от-
сутствии снеговыдувающих панелей верхняя линия кольктафелей
должна располагаться на уровне самого высокого положения ли-
нии отрыва лавин. Форма кольктафелей и их размеры определяют-
ся в зависимости от снеговетровых условий в зоне их расположе-
ния.
Как самостоятельное средство для предотвращения лавин терра-
сирование склонов применяют обычно на менее крутых участках
зон зарождения с углом наклона склона 30°. На более крутых скло-
нах террасы применяют как вспомогательное средство посадку де-
ревьев между рядами снегоудерживающих сооружений. Ширину
полок террас назначают не менее 1,5—1,8 расчетной высоты снего-
вого покрова. Расстояние по горизонтали между террасами (от верх-
ней бровки нижней террасы до нижней бровки верхней) назначают
не более ширины террасы.
Обустройство склона лавинопредотвращающими сооружениями
следует сопровождать мероприятиями агролесомелиорации с посад-
кой быстрорастущих деревьев в зонах зарождения лавин в пределах
естественного распространения лесной растительности в данной
местности.
10.9. Индивидуальные конструктивные решения
земляного полотна в сложных природных условиях
10.9.1. Общие положения
В сложных топографических и инженерно-геологических усло-
виях, а также при прохождении трассы по территориям, подвержен-
ным неблагоприятным экзогенным и эндогенным процессам и яв-
лениям (оползни, осыпи, обвалы, распространение мерзлоты и кар-
ста, районы сейсмичности и т.д.), земляное полотно сооружается
по индивидуальным проектам. Индивидуальные проекты разраба-
тываются для каждого объекта в отдельности с обоснованием ин-
женерными расчетами, а в сложных случаях с проведением экспери-
ментов и исследований по программам сопровождения со стороны
431
научных организаций. Для проектирования этих объектов прово-
дятся дополнительные более подробные инженерно-геологические,
инженерно-гидрометеорологические, гидрогеологические и гидро-
логические изыскания. А при необходимости в специальных случа-
ях проводят также геокриологические, инженерно-сейсмологичес-
кие и другие виды изысканий, а также выполняют натурные и лабо-
раторные определения деформативных и прочностных свойств грун-
тов оснований.
Проектирование конструкций земляного полотна, его водоотвод-
ных, укрепительных и защитных сооружений для этих объектов вы-
полняется, как правило, вариантно, с проведением технико-эконо-
мического обоснования. Для таких объектов разрабатываются так-
же основные положения по организации и способам производства
работ.
В особо сложных случаях рассматриваются также варианты пе-
реноса трассы железной дороги с обходом участков с неблагопри-
ятными природными условиями.
10.9.2. Земляное полотно на крутых и неустойчивых косогорах
Крутыми считаются косогоры, уклоны склонов которых состав-
ляет более 1:3, а к неустойчивым относят косогоры независимо от
крутизны, имеющие места активных склоновых процессов в виде
оползней. В данных условиях при сооружении земляного полотна
рассматривается комплекс мероприятий, направленных на обеспе-
чение устойчивости как самого земляного полотна, так и склона, на
котором оно располагается. В комплекс таких мероприятий вклю-
чается:
— устройство водоотводных сооружений и защита поверхности
грунта от инфильтрации поверхностной воды;
— мероприятия по регулированию подземного стока;
— регулирование гравитационных процессов с помощью терраси-
рования, устройства поддерживающих и удерживающих сооружений;
- агролесомелиоративные мероприятия.
В условиях таких косогоров стараются проектировать земляное
полотно таким образом, чтобы масса отсыпаемого грунта, распола-
гаемого на средней части оползня, создающая дополнительную на-
грузку на основание, не была значительной. Лучше, если низовой
откос насыпи или полунасыпи будет опираться по склону ниже
432
языка оползня. Также следует по возможности избегать подрезки
откосами выемки или полувыемки склоновых частей с активными
очагами оползневого процесса: трещинами срыва, оползневыми по-
нижениями, цирками.
10.9.3. Насыпи в условиях подтопления
Насыпи в условиях подтопления (берега морей, озер, водохра-
нилищ и рек, пересечение водотоков, а также прижимные участ-
ки трассы) проектируются с учетом постоянного или временного
воздействия водных масс водотоков или водоемов, которое про-
является в виде обводнения грунта насыпи, размывающего воз-
действия от течения и волн, разрушением и загромождением от-
косов льдом.
Бровка насыпи в условиях подтопления должна проектировать-
ся исходя из ее возвышения над наивысшим уровнем воды при про-
пуске наибольшего паводка с учетом подпора, наката волны на от-
кос, ветрового нагона, приливных и ледовых явлений не менее чем
на 0,5 м. Для бровки незатопляемых регуляционных сооружений и
берм эта величина составляет не менее 0,25 м. Наивысший расчет-
ный уровень воды определяется с вероятностью его превышения в
зависимости от категории железной дороги в соответствии с требо-
ваниями табл. 10.35
Таблица 10.35
Вероятность превышения наивысшего расчетного уровня воды
Категория линии Вероятность превышения
Скоростные, особогрузонапряженные, I—И! категории IV категории общей сети и подъездные пути, где по технологии не допускается перерыв движения Подъездные пути IV категории 1:300 (0,33 %) 1:100(1 %) 1:50 (2 %)
Откосы и подошвы насыпей и берм на подходах к мостам и тру-
бам, а также откосы регуляционных сооружений и конусов мостов
в пределах подтопления должны быть укреплены от воздействия
льда, волн и течений. Верх укрепления доводится до бровки откоса.
Тип укрепления и его параметры определяют в зависимости от рас-
четных условий водного воздействия (см. п. 10.7.2).
433
На участках прижимов, где размещение земляного полотна ог-
раничено, с одной стороны, крутыми косогорами, а с другой —
водотоками, не имеющими прибрежных террас, проектирование
земляного полотна выполняется прислоненными насыпями с рас-
положением насыпи в русле или акватории. Насыпи в этих случа-
ях следует преимущественно отсыпать из крупнообломочных глы-
бовых материалов.
10.9.4. Земляное полотно на болотах, мокрых и слабых
основаниях
Насыпи на болотах при их глубине более 3—4 м, а также попе-
речном уклоне минерального дна, превышающего значения, когда
допускаются групповые решения, сооружается по индивидуальным
проектам. При этом нормативные требования к таким объектам в
части обеспечения упругих осадок, несущей способности торфяно-
го основания и устойчивости откосов насыпей остаются такими же,
как и для групповых решений, и должны проверяться расчетом. Кри-
тическим для таких объектов является, как правило, несущая спо-
собность грунтов основания и возможность пластических деформа-
ций грунтов с выпором их вбок из под насыпи. Для предотвраще-
ния этих деформаций по повышению стабильности основания про-
водят мероприятия, которые представлены на структурной схеме
(рис. 10.78).
Насыпи на болотах, мокрых и слабых грунтах преимуществен-
но следует отсыпать из дренирующих грунтов на всю высоту или
как минимум в нижней части для предотвращения капиллярного
поднятия влаги в насыпь из основания. При отсутствии таких
грунтов допускается отсыпка насыпи из мелких и пылеватых пес-
ков, с укладкой по подошве насыпи капилляропрерывателя из
геотекстиля.
При возведении на мокрых и слабых основаниях невысоких на-
сыпей (Я до 1—2 м) без замены верхней части грунтов основания,
кроме соблюдения требований несущей способности и осадок, про-
изводится проверка на расчетное морозное пучение, величина ко-
торого не должна превосходить норм (см. табл. 10.1).
Индивидуальному проектированию подлежат выемки, проре-
зающие массивы переувлажненных глинистых грунтов (мягкопла-
стичных с IL> 0,5). Крутизна откосов таких выемок назначается
434
Рис. 10.78. Структурная схема мероприятий по повышению стабильности оснований
на основе расчета общей и местной устойчивости, а в уровне ос-
новной площадки производится замена слабых грунтов на защит-
ный слой с определением его толщины исходя из условия прочно-
сти грунтов и допустимой величины морозного пучения. Отвод
воды от основной площадки в таких выемках при замене грунта
основной площадки производится посредством лотков либо
двухъярусными водоотводами в виде лотка в комбинации с дрена-
жом.
10.9.5. Земляное полотно в условиях мерзлоты
Больше половины территории России расположено в криолито-
зоне, где в природном состоянии в грунты находятся в многолетне-
мерзлом состоянии. Южная граница распространения мерзлоты в
Европейской части нашей страны проходит от Кольского полуост-
рова по побережью Белого моря севернее Архангельска, далее по
северу республики Коми в ее заполярной части, пересекает Ураль-
ские горы в районе параллели 65° широты. В Азиатской части на-
шей страны граница мерзлоты спускается к параллели 50° широты,
проходит по югу Забайкалья и Амурской области, поднимаясь в рай-
оне побережья Охотского моря вверх.
В вертикальном разрезе толщина мерзлых пород может состав-
лять от нескольких метров вблизи южной границы ее распростра-
нения до сотен метров на севере. Выделяют зоны сплошного и ост-
ровного распространения мерзлоты, а также зоны, где мерзлота с
поверхности имеет непрерывное слитое залегание и участки, где под
небольшой толщей мерзлых пород наблюдаются таликовые зоны, а
потом идут опять мерзлые породы.
Земляное полотно в районах распространения мерзлоты может
проектироваться как групповыми решениями, так и индивидуаль-
но. Проектирование групповыми решениями, как для обычных ус-
ловий, проводится при прочных и недостаточно прочных основа-
ниях земляного полотна, сложенных многолетнемерзлыми грун-
тами I и II категории просадочности при оттаивании (величина
относительной осадки 5 не более 0,1 — см. табл. 10.10) и на талых
грунтах.
Объекты земляного полотна, расположенные на основаниях с
льдистыми грунтами III и IV категории просадочности (слабое и про-
садочное основание 8 > 0,1) относится к объектам индивидуально-
436
го проектирования. При проектировании следует выполнять тепло-
технические расчеты, прогнозирующие тепловое взаимодействие
земляного полотна с основанием в период эксплуатации. В резуль-
тате расчетов должны быть определены глубины сезонного и мно-
голетнего протаивания грунтов. Принятые решения должны обо-
сновываться расчетами по двум группам предельных состояний: по
первой — несущей способности и устойчивости; по второй — по
деформациям (осадкам и пучению).
Земляное полотно следует проектировать на основе материалов
инженерных изысканий: геологических, геодезических, геокриоло-
гических, гидрогеологических, гидрометеорологических, гидроло-
гических и экологических. Состав, объемы, методы и технологии
выполнения геокриологических изысканий должны быть достаточ-
ными для принятия обоснованных решений в сложных мерзлотных
условиях, обеспечивающих необходимую надежность земляного по-
лотна.
При строительстве сооружений на многолетнемерзлых грунтах
применяются два основных принципа:
— принцип I — мерзлые грунты основания используются в мерз-
лом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение
всего периода эксплуатации сооружения;
— принцип II — мерзлые грунты основания используются в отта-
янном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаи-
ванием на расчетную глубину до начала возведения сооружения или
с допущением их оттаивания в период эксплуатации сооружения).
Выбор принципа использования грунтов основания для соору-
жения земляного полотна производится при проектировании на ос-
нове технико-экономического сравнения вариантов с учетом стро-
ительных и эксплуатационных затрат, а также обеспечения необхо-
димого уровня надежности и безопасности движения. Основным
принципом использования оснований из льдистых грунтов III и IV
категории просадочности является недопущение их оттаивания, т.е.
применение I принципа.
Применение принципа II при проектировании земляного полот-
на на основаниях с льдистыми грунтами III и IV категории проса-
дочности следует предусматривать в случае, когда толщина этих
грунтов небольшая и они расположены с поверхности, что допуска-
ет их вырезку и замену.
437
На участках, где в период эксплуатации допускается осадка грун-
тов основания, должно производиться уширение основной площад-
ки земляного полотна, величина которого ЛА определяется по фор-
муле
ЛЛ=35Э,
где 5Э — расчетная суммарная осадка основной площадки в эксплуатационный
период по оси пути при положении верхней границы мерзлоты на 10-й год эк-
сплуатации, определяемой теплотехническим расчетом.
При проектировании и строительстве земляного полотна по
принципу I следует предусмотреть и оборудовать сеть термометри-
ческих скважин для контроля состояния основания земляного по-
лотна в процессе его эксплуатации.
В целом при проектировании земляного полотна в районах рас-
пространения мерзлоты принимаются следующие положения:
- основой для проектирования должны быть результаты изыс-
каний, в ходе которых получена достаточная информация об инже-
нерно-геологических в целом и мерзлотных условиях, в частности,
участков прохождения трассы линии;
— проектные решения по земляному полотну должны принимать-
ся на основе прогноза изменения мерзлотных условий после соору-
жения полотна, при этом температурный режим и развитие дефор-
маций должны проектироваться на перспективу не менее 50 лет;
- прогноз температурного режима земляного полотна и основа-
ния должен выполняться с учетом всех составляющих теплообмена
между атмосферой и грунтовым массивом, особое внимание долж-
но уделяться изменению характеристик поверхностных покровов
(мха, снега) и условиям изменения поверхностного стока;
— трассирование и проектирование продольного профиля ли-
нии на участках со сложными инженерно-геологическими усло-
виями должны вестись в комплексе с проектированием земляного
полотна;
- сравнение вариантов технических решений земляного полот-
на должно производиться не только по первоначальной строитель-
ной стоимости, но и с учетом расходов при эксплуатации;
- для участков трассы, расположенных на сильнольдистых грун-
тах III и IV категории просадочности, как правило, следует отдавать
предпочтение I принципу использования грунтов основания (т.е. не
допускать их оттаивание в период эксплуатации), с этой целью на
438
участках, где стандартными решениями не удается предотвратить
деградацию мерзлоты, необходимо выполнение специальных охлаж-
дающих мероприятий;
— особенное внимание при проектировании должно уделяться
надежному водоотведению от земляного полотна.
Исходя из этих положений, трассу и продольный профиль ли-
нии на мерзлоте следует проектировать с учетом инженерно-гео-
криологических условий. При этом земляное полотно на участках
льдистых грунтов проектируется преимущественно невысокими на-
сыпями, рабочие отметки которых определяются по условиям снего-
заносимости и уровню паводковых вод, что обеспечивает минималь-
ные нарушения температурного режима мерзлоты. Следует избегать
по возможности выемок в условиях неустойчивых грунтов при от-
таивании в откосных частях и под основной площадкой и, особен-
но, при наличии льдогрунтов и подземного льда.
На участках расположения в основании грунтов IV категории
просадочности и особенно подземных льдов при их толщине более
3 м по возможности должен предусматриваться обход трассы. При
невозможности обхода или его экономической нецелесообразнос-
ти земляное полотно на этих участках проектируется индивидуаль-
но с использованием многолетнемерзлых грунтов основания в мер-
злом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение
всего периода эксплуатации (I принцип).
Параметры земляного полотна и противодеформационные ме-
роприятия в обязательном порядке обосновываются теплотехничес-
кими расчетами, которые могут выполняться для группы схожих
объектов, имеющих близкие геометрические размеры и инженер-
но-геокриологические условия. Противодеформационные меропри-
ятия, обеспечивающие сохранение мерзлоты в основании, выпол-
няются одновременно с сооружением земляного полотна. Охлаж-
дающие мероприятия (каменные наброски, СОУ) должны быть вы-
полнены до наступления следующего после сооружения земляного
полотна сезона с устойчивыми отрицательными температурами, а
теплоизоляционные покрытия и поверхностные экраны — до нача-
ла оттаивания грунтов земляного полотна в следующий теплый пе-
риод.
Учитывая исключительное влияние воды на ухудшение свойств
грунтов основания и главное на изменение термического режима,
439
особое внимание следует обращать на организацию поверхностно-
го водоотвода, а также на дренирование и отвод от земляного по-
лотна грунтовых вод и фильтрационных потоков. Для предотвра-
щения возникновения и развития термокарстовых явлений отвод
воды от земляного полотна на участках с просадочными при оттаи-
вании грунтами должен осуществляться с максимально возможным
частым поперечным перепуском ее в низовую сторону: водопропуск-
ные сооружения устраиваются в каждом понижении рельефа, протя-
жение продольных водоотводов максимально сокращается. Также с
особенной тщательностью должны обеспечиваться регуляция и от-
вод воды в зоне водопропускных сооружений (ИССО), не допуская
вблизи ИССО и в пределах полосы отвода образования озер и застоев.
На участках с льдистыми грунтами, где земляное полотно запро-
ектировано по I принципу, должны предусматриваться конструк-
тивные и технологические приемы по исключению нарушений по-
верхностных условий, способных привести к появлению в полосе
отвода и в охранной зоне многолетнего оттаивания мерзлоты и об-
разования термокарста.
Для предотвращения деформаций пучения и просадок грунтов
деятельного слоя основания под земляным полотном, а также воз-
можных пластических сдвигов и выпоров граница сезонного оттаи-
вания-промерзания должна быть выведена из них. В зоне сезонно-
го оттаивания-промерзания должны располагаться непучинистые
грунты. Сезонное оттаивание льдогрунтов и подземных льдов под
земляным полотном не допускается. Сезонное оттаивание льдогрун-
тов и подземных льдов под водоотводными сооружениями допуска-
ется в исключительных случаях при соответствующем обосновании
и обязательном согласовании с заказчиком.
Основными решениями для предотвращения деформаций пуче-
ния и просадок грунтов деятельного слоя основания под земляным
полотном являются отсыпка насыпей высотой более глубины се-
зонного оттаивания из дренирующих грунтов с глинистым запол-
нителем в количестве не более 10 %, вырезка и замена грунтов ос-
нования на непучинистые, укладка теплоизоляции из пенополис-
тирола. Вариант выбирается технико-экономическим сравнением.
При допущении сезонного оттаивания-промерзания грунтов ос-
нования под земляным полотном должен быть проведен комплекс
расчетов по проверке обеспечения устойчивости откосных частей,
440
несущей способности оттаявших грунтов основания, а также вели-
чины пучения в зоне под рельсошпальной решеткой.
Для насыпей рассматриваются мероприятия по выведению гра-
ницы оттаивания из грунтов основания либо устройство в нижней
части берм или уположение откосов. Для выемок основными ме-
роприятиями также являются уположение откоса, укрепление от-
коса каменной наброской, уменьшение глубины сезонного оттаи-
вания укладкой теплоизоляции.
10.9.6. Земляное полотно в горных районах
и на закарстованных территориях
Участки железнодорожной линии, проходящие в горных услови-
ях, должны проектироваться с учетом их защиты от неблагоприят-
ных эндогенных и экзогенных геологических процессов и явлений,
как правило, присущих этим районам. Основные защитные мероп-
риятия для участков железных дорог в горных условиях связаны со
скально-обвальными явлениями, селевыми потоками, лавинами и
размывами их как поверхностным стоком, который из-за малой ин-
тенсивности впитывания атмосферных осадков скальными грунта-
ми может носить катастрофический характер, так и быстрым тече-
нием горных рек. Принципы проектирования этих защитных ме-
роприятий были подробно рассмотрены в п. 10.8, они должны быть
применены при индивидуальном проектировании.
Учитывая, что особенностью трасс в горных условиях является
их прокладка по долинам рек и берегам водоемов, а земляное по-
лотно часто проходит вдоль косогоров, основными профилями яв-
ляются полунасыпи и полувыемки. Основная площадка при этом
располагается на полке, врезанной в косогор либо отсыпанной вдоль
косогора. В этих условиях верховой откос требует защиты от скаль-
но-обвальных явлений, а низовой откос — защиты от размыва и вол-
нового воздействия. Предпочтительным в таких условиях является
проектирование земляного полотна без нарушения целостности ес-
тественного склона. Даже незначительное нарушение естественных
травяных покровов приводит к активизации склоновых процессов,
что потребует в дальнейшем дорогостоящих мероприятий по стаби-
лизации склонов.
Индивидуальному проектированию подлежит земляное полотно
при сейсмичности выше 7 баллов, где при расчете устойчивости от-
441
косов должна учитываться сейсмическая сила. В случае примене-
ния для отсыпки насыпей разных грунтов более тяжелые из них ук-
ладываются в нижние слои насыпи.
В районах развития карста (образование подземных пустот при
растворении и выщелачивании горных пород водами с обрушением
кровли над ними) земляное полотно проектируется индивидуаль-
но, преимущественно состоит из насыпей. Участки трассы, где в ходе
изысканий обнаружены подземные полости, должны быть перене-
сены в другое место. При невозможности переноса трассы из зоны
влияния подземных полостей в качестве мероприятий, предотвра-
щающих деформации земляного полотна, предусматриваются:
— заполнение полостей и пустот водонепроницаемыми материа-
лами и заделка их цементацией;
- снижение давления на кровлю полостей за счет разгружающих
устройств (эстакад, укладки в основании насыпей перекрытий и ар-
мирующих геосинтетических слоев);
— обрушение неустойчивой кровли взрывами и механическим
способом.
Состав инъекционного раствора в полости и пустоты выбирают-
ся в зависимости от геологического строения, вида карстующихся
пород, морфологии и размеров полостей, а также цели инъектиро-
вания: заполнение полостей или омоноличивание массива. В пер-
вом случае подбирают более дешевые растворы, которые после твер-
дения имеют небольшую прочность, но устойчивы к размыванию
их грунтовыми водами, а во втором случае — растворы с большой
механической прочностью цементного камня.
На участках с карстующимися породами с особенной тщатель-
ностью подходят к проектированию поверхностных водоотводов, от-
давая предпочтение конструкциям, не допускающим инфильтрацию
воды в грунт.
10.10. Особенности земляного полотна
для скоростных железных дорог
Особенность работы земляного полотна при скоростном движе-
нии пассажирских поездов заключаются, с одной стороны, в необ-
ходимости полного недопущения его деформаций в уровне основ-
ной площадки, что определяется высокими нормами ровности со-
442
держания геометрии рельсовой колеи, а с другой стороны, повы-
шенным вибродинамическим воздействием на грунты верхней час-
ти земляного полотна, возникающем при проходе поездов с высо-
кими скоростями.
Эти особенности предъявляют повышенные требования к каче-
ству сооружаемого земляного полотна, ужесточению требований к
используемым для отсыпки грунтам, повышению надежности и ста-
бильности конструкций. В первую очередь данные требования от-
носятся к рабочей зоне земляного полотна, воспринимающей виб-
родинамическое воздействие со стороны проходящих поездов.
Для основной площадки земляного полотна должны быть исклю-
чены деформации морозного пучения. В связи с этим верхняя часть
земляного полотна на всю глубину промерзания должна состоять
из непучинистых грунтов, что приводит к необходимости увеличе-
ния толщины защитного слоя больше глубины сезонного промер-
зания. Осадка земляного полотна должна полностью завершиться к
моменту укладки верхнего строения пути, а норматив по упругой
осадке в уровне основной площадки должен быть ужесточен до ве-
личины не более 1 мм.
Также более жесткие нормы принимаются к уплотнению грун-
тов защитного слоя и земляного полотна: верхний слой толщиной
не менее 1,0 м должен иметь коэффициент уплотнения не ниже 1,0,
а ниже лежащие слои не менее 0,98.
Устойчивость, несущая способность и деформируемость основа-
ния земляного полотна должны рассчитываться с учетом снижения
прочностных и деформативных характеристик грунтов из-за виб-
родинамического воздействия с учетом его затухания. При этом ус-
тойчивость и несущая способность должна оцениваться по схемам
предельного равновесия грунтового массива. Коэффициент общей
устойчивости насыпей при расчетах по методу предельного равно-
весия грунтового массива (по круглоцилиндрической поверхности
скольжения) должен быть не менее 1,25 под расчетной временной
нагрузкой.
Для сооружения насыпи допускаются грунты: скальные, круп-
нообломочные, песчаные, в летнее сухое время — глинистые твер-
дой или полутвердой консистенции, кроме глинистых грунтов, ха-
рактеризующихся влажностью на границе текучести > 0,40, и
песков со степенью неоднородности Си менее 3,0 (однородные).
443
Защитный слой устраивается из двух слоев. Верхняя часть защит-
ного слоя устраивается из щебенисто-гравийно-песчаных смесей с
заданным гранулометрическим составом. Требуемый модуль дефор-
мации смеси в конструкции 60 МПа. Для нижнего защитного слоя
допускается использовать: пески гравелистые, крупные и средней
крупности, крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем,
отсевы щебеночного производства. Модуль деформации грунтов в
конструкции не менее 40 МПа.
Ширина основной площадки двухпутного земляного полотна (на
прямой) определяется следующими геометрическими параметрами.
Величина междупутья между главными путями..................4,50 м
Величина обочин............................................0,90 м
Плечо балластной призмы....................................0,50 м
Крутизна откосов балластной призмы...................... 1:1,5
Толщина щебня под шпалой...................................0,40 м
Насыпи ниже защитного слоя на сыром и мокром основании
следует проектировать из дренирующих грунтов. На подходной
части насыпи к искусственному сооружению проектируют сопря-
жения путем устройства участков переменной жесткости протяже-
нием не менее 30 м. При небольшой высоте насыпей на косого-
рах, а также на участках полувыемок и полунасыпей для исключе-
ния неравномерного деформирования следует с помощью замены
грунтов обеспечивать однородные грунтовые условия под основ-
ной площадкой.
Слабые грунты в основании насыпей толщиной слоя до 3,0 м сле-
дует удалять. При невозможности удаления слабых грунтов или при
соответствующем технико-экономическом обосновании насыпи мо-
гут сооружаться с сохранением слабых грунтов. В конструкции на-
сыпей, сооружаемых с сохранением слабых грунтов, по результатам
расчетов могут быть предусмотрены мероприятия по упрочнению
основания, снижению величины или выравниванию его осадки
вдоль и поперек пути (грунтовые или железобетонные сваи, геосин-
тетические материалы, вертикальное дренирование, замена земля-
ного полотна на эстакаду и т.п.). Насыпи на болотах сооружаются с
полным удалением торфа из основания. При большой (более 3,0—
4,0 м) толщине слоя торфа насыпи сооружаются на свайном осно-
вании или земляное полотно (как конструкция) подлежит замене
на эстакаду.
444
Конструкцию выемок следует проектировать в зависимости от
их глубины, видов и свойств грунтов, климатических условий райо-
на строительства, с учетом способа производства работ. Толщина за-
щитного слоя, как и на насыпях, принимается из условия полного
выведения пучинистых грунтов из зоны сезонного промерзания.
В выемках и нулевых местах должен быть осуществлен отвод воды
от подошвы (низа) защитного слоя.
При плотности глинистых грунтов под защитным слоем менее
0,95р^П1ах предусматриваются мероприятия:
- уплотнение грунтов основания;
- увеличение (по расчету) толщины защитного слоя;
- упрочнение грунтов добавками, армированием и т.п.
10.11. Земляное полотно вторых путей
Земляное полотно вторых (дополнительных) путей устраивают,
как правило, с использованием земляного полотна существующего
пути. Возможны следующие схемы размещения второго пути.
1. На общем земляном полотне в одном уровне с существующим
путем.
2. В разных уровнях с первым путем с использованием существу-
ющего земляного полотна.
3. На раздельном земляном полотне.
4. На общем земляном полотне на новой трассе.
Схема 1 является наиболее часто применяемой, стоимость зем-
ляного полотна по этой схеме минимальна и ее используют, если
нет каких-то ограничений, когда переходят на остальные схемы. Схе-
ма 2 применяется на участках путепроводных развязок, при разви-
тии станций и если предстоит переустройство первого пути. Схема 3
используется на подходах к большим и средним мостам, на участ-
ках, где из-за неблагоприятных инженерно-геологических условий
при сооружении второго пути не гарантируется устойчивость суще-
ствующего земляного полотна либо при большой грузонапряжен-
ности пристройка второго пути создает существенные помехи дви-
жению. На схему 4 переходят, если существующее земляное полот-
но само требует усиления либо план и профиль существующей трас-
сы не отвечают изменившимся условиям эксплуатации.
Насыпи под второй путь по схеме 1 устраивают в виде присыпок
к существующему полотну (рис. 10.79). Ширину присыпок назна-
445
Рис. 10.79. Поперечный профиль насыпи, уширяемой под второй путь:
1 — ось существующего пути; 2 — ось второго пути; 3 — берма, устраиваемая
при высоте откоса более 8 м
чают исходя из требования обеспечения ширины междупутья не ме-
нее 4,1 м, размещения балластной призмы стандартных размеров и
создания обочины со стороны первого и второго пути не менее 0,4 м.
На прямых участках расстояние от оси второго пути до бровки зем-
ляного полотна принимается не менее 3,5 м при недренирующих
грунтах и не менее 3,0 м при скальных и дренирующих грунтах.
Основной площадке земляного полотна второго пути при недре-
нирующих грунтах придается поперечный уклон 0,04 в полевую сто-
рону, а при дренирующих грунтах ее устраивают горизонтальной.
Учитывая необходимость гарантированного отвода воды с основ-
ной площадки, присыпку второго пути делают, как правило, из дре-
нирующих грунтов на всю высоту насыпи. На откосах существую-
щих насыпей высотой более 1 м из недренирующих грунтов со сто-
роны присыпки нарезают уступы шириной от 1 м до 1,5 м шириной
с поперечным уклоном 0,01—0,02. На откосах насыпей из дрениру-
ющих грунтов ограничиваются срезкой дерна и древесно-кустарни-
ковой растительности, а также старых балластных материалов.
Крутизна откосов насыпи второго пути назначается по нормам,
как и для первого пути. Бермы со стороны второго пути устраивают
в случаях:
— подошва насыпи второго пути попадает в существующий ре-
зерв;
— требуется по условиям устойчивости откоса;
- высота насыпи из глинистых грунтов, мелких и пылеватых пес-
ков, легковыветривающихся скальных пород составляет более 8 м.
При присыпке насыпей на болотах предусматривают мероприя-
тия по обеспечению устойчивости полотна устройством упорных бо-
446
ковых берм, вырезкой торфа в основании присыпаемой части на-
сыпи, усилением геосинтетикой, устройством свайных оснований.
При производстве работ по присыпке полотна под второй путь на
болотах устанавливают особый надзор за безопасностью движения
по действующему пути.
Выемки под второй путь в благоприятных инженерно-геоло-
гических условиях устраивают расширяя существующие выемки
(рис. 10.80) с соблюдением нормативов по ширине основной пло-
Рис. 10.80. Поперечный профиль выемки, разрабатываемой под второй путь:
1,2— оси путей соответственно существующего и второго; 3 — дренирующий
грунт; 4 — ликвидируемый кювет, засыпаемый местным грунтом
щадки и междупутья. Верху основной площадки придают попереч-
ный уклон 0,04 в сторону вновь устраиваемого кювета, существую-
щий кювет расчищается и затем засыпается местным грунтом с его
уплотнением. При уширении скальных выемок применяют рыхле-
ние грунта методом шпуровых и скважинных зарядов.
В сложных и неблагоприятных инженерно-геологических усло-
виях, а также при деформациях существующего земляного полотна
или наличия различных защитных, укрепительных и противодефор-
мационных сооружений земляное полотно под второй путь проек-
тируется индивидуально.
Контрольные вопросы
1. Назначение, состав и основные требования к земляному по-
лотну.
2. Нагрузки на земляное полотно и расчеты его предельных со-
стояний.
3. Элементы земляного полотна и основные конструктивные ре-
шения для различных условий.
4. Защитные устройства и сооружения земляного полотна.
447
Глава 11. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ
ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
11.1. Воздействие подвижного состава на земляное полотно
в современных условиях эксплуатации пути
В условиях интенсивной эксплуатации железных дорог и при
фактическом техническом состоянии пути и подвижного состава
возникает ряд особенностей их взаимодействия, которые оказыва-
ют существенное влияние на работу земляного полотна. К таким
особенностям относятся:
— повышенные нагрузки подвижного состава;
— наличие на пути неровностей;
- несимметричность (относительно оси пути) силового динами-
ческого нагружения основной площадки в кривых участках пути;
— необходимость учета параметров динамического состояния ра-
бочей зоны земляного плотна при кратковременном циклическом
его нагружении подвижным составом.
Ниже рассматривается влияние перечисленных особенностей на
работу земляного полотна и даны рекомендации по их учету.
11.1.1. Повышение нагрузки подвижного состава
Важным резервом повышения пропускной способности желез-
ных дорог, а также возможности конкурировать по эффективности
перевозок грузов с другими видами транспорта (прежде всего с ав-
тотранспортом) является увеличение загрузки существующих четы-
рехосных вагонов и создание нового поколения подвижного соста-
ва повышенной грузоподъемности. Такая тенденция прослежива-
ется во многих экономически развитых странах. В СССР наблю-
дался рост уровня максимально допустимых осевых нагрузок вагонов
от 21,0 тс в 1955 г. до 25 тс в 1985 г. В этих условиях, как показал
опыт эксплуатации пути, неуклонно увеличивалось количество уча-
стков с деформациями земляного полотна. Наиболее распростра-
нены были участки с интенсивным накоплением остаточных де-
448
формаций из-за несоответствия плотности и сопротивления грун-
тов величинам максимальных динамических напряжений. Это при-
водило, с одной стороны, к искажению профиля самого пути, а с
другой — к образованию углублений на основной площадке, под-
вижкам откосов насыпей и другим видам деформаций.
Такое положение ведет не только к увеличению расходов на со-
держание пути, но может представлять угрозу безопасности движе-
ния поездов, приводить к необходимости установления длительных
ограничений скоростей движения и проведения значительных ра-
бот по устранению деформаций земляного полотна. Однако несмот-
ря на негативное влияние нагрузок на состояние земляного полот-
на, их рост неизбежен на железных дорогах Российской Федерации.
В разработанных программных документах МПС России и ОАО
«РЖД» предусматривается в ближайшей перспективе ввод в обра-
щение нового грузового подвижного состава с увеличенными на-
грузками с 230 до 250 кН/ось и 30 кН/ось на замкнутых полигонах
суммарной протяженностью около 9 тыс. км.
Оценочные критерии прочности глинистых грунтов основной
площадки. В качестве прочности приняты допускаемые напряже-
ния [Оо_р]доп, с которыми сравнивают действующие напряжения от
подвижного состава, определенные экспериментально или расче-
том как максимально вероятные с уровнем вероятности 0,994.
В действовавших «Правилах расчета верхнего строения пути на
прочность» с 1954 г. для всех случаев были приняты допускаемые
напряжения на основной площадке из глинистых грунтов в подрель-
совых сечениях [<*о_р]дОП = 80 кПа.
В принятой МПС РФ в 2000 г. «Методике оценки воздействия
подвижного состава на путь по условию обеспечения его надежнос-
ти» предложены оценочные критерии прочности пути в зависимос-
ти от грузонапряженности линии. При грузонапряженности линии
от 25 млн т км брутто на 1 км в год и выше для вагонов принимается
[сто-р]Доп = 80 кПа, при меньшей грузонапряженности, когда частота
воздействия меньше, допускаются величины [о0_р]доп в 90—100 кПа.
Указанные критерии относятся к исправному, надлежаще уплотнен-
ному земляному полотну из глинистых грунтов при благоприятных
природно-климатических и инженерно-геологических условиях.
Однако на эксплуатируемом пути большое количество участков гли-
нистые грунты земляного полотна имеют недостаточную плотность
449
и повышенную влажность. Исследованиями в лаборатории земляно-
го полотна ВНИИЖТа были определены предельные для таких участ-
ков погонные нагрузки <?пред при минимально допустимых коэффи-
циентах устойчивости насыпей для типовых условий: [АуСТ]ДОТ1 = 1,20.
Приближенно граница <7пред находится в пределах 160—180 кН/nor. м.
Верхний предел погонной нагрузки <?пред = 180 кН/nor. м принят для
насыпей, грунты которых находятся в тугопластичном состоянии,
близком к мягкопластичному (показатель текучести WL = 0,4). К та-
ким грунтам относятся суглинки, которые широко представлены в
насыпях. Нижний предел погонной нагрузки (?пред = 160 кН/nor. м
получен для набухающих глин с влажностью на пределе текучести
(WL = 0,5). Эти грунты присутствуют в теле длительно эксплуатиру-
емых насыпей, но встречаются сравнительно редко.
Для насыпей с пониженными характеристиками глинистых грун-
тов и предельными погонными нагрузками #пред были определены
допустимые вертикальные напряжения, действующие от подвижного
состава на основную площадку:
где Ьц — длина шпалы, равная 2,7 м.
На уровне основной площадки принимается расчетная эпюра
прямоугольной формы с интенсивностью, равной максимальным
напряжениям в подрельсовых сечениях. Расчеты по формуле (11.1)
показали, что напряжения на основной площадке не должны пре-
вышать в среднем [о0_р]доп = 65 кПа.
Таким образом, по принятой в настоящее время классификации
земляное полотно эксплуатируется в благоприятных природно-
климатических и инженерно-геологических условиях. При этом
грунты достаточно уплотнены и находятся в полутвердой (показа-
тель консистенции 0 < JL< 0,25) и тугопластичной консистенции
(0<0,25J£<0,5).
Однако такой подход не учитывает реальное состояние глинис-
тых грунтов основной площадки на большом количестве участков
эксплуатируемого пути, поэтому для наиболее массовой подвижной
нагрузки (вагонов) предложены дополнительные критерии прочно-
сти основной площадки земляного полотна, учитывающие состоя-
ние глинистых грунтов (табл. 11.1).
450
Таблица 11.1
Допускаемые напряжения на основной площадке [а0_р]доп
Грузонапряженность линий, млн т-км брутто на 1 км в год Допускаемые напряжения на основной площадке [п0_р]ДОГ1 в кПа при состоянии грунта земляного полотна
прочное пониженной прочности
От 25 и более 80 65
От 10 до 25 90 75
Менее 10 100 85
Предельный уровень осевых нагрузок вагонов. Для определения пре-
дельного уровня осевых нагрузок на земляное полотно действующие
напряжения от подвижного состава на основной площадке могут быть
сравнены с принятыми критериями прочности глинистых грунтов
(см. табл. 11.1) для различных условий эксплуатации и состояния
грунтов земляного полотна. Необходимо, чтобы фактические значе-
ния напряжений на основной площадке не превышали допустимые.
Зависимость напряжений на основной площадке земляного по-
лотна при повышенных осевых нагрузках вагонов была получена в
1989—1993 гг. на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа (Г.Г. Кон-
шиным, Е.В. Яковлевой). Для испытаний был сформирован специ-
альный состав из четырехосных вагонов с различными эталонными
осевыми нагрузками от 160 до 300 кН. Кроме того, в состав была
включена восьмиосная цистерна с нагрузкой 210 кН на ось. Опыт-
ный состав совершал движение по участку со скоростями от 10 до
70 км/ч. Было установлено, что с увеличением осевой нагрузки че-
тырехосных вагонов напряжения на основной площадке земляного
полотна линейно возрастают во всех сечениях основной площадки
(рис. 11.1). Для подрельсового сечения
<’o-p = flp+V- <1L2>
Численные значения коэффициентов ар и Ьр при изменении на-
грузок от 160 кН/ось (порожний вагон) до 300 кН/ось (после заг-
рузки) экспериментально были получены при скорости движения
поездов 70 км/ч:
— для средней части звена: а, = — 11,24; = 0,341;
— для зоны стыка рельсов: а2 = 6,74; = 0,372.
451
a
Тепловоз ТЭЗ
156кН/ось [рбОкН/ось| [210кН/ось|[230 кН/ось [[230кН/ось| [230 кН/ось ||гЗОкН/ось|(^ 210кН/ось"^)^11 секция |[ [секция^
0'6 od do od оd od 00 od od 00 об dd od do 00000060 000 ббЬооб odo
50 100 150 200 250 300 Рст, кН/ось
Рис, 11.1. Эксперимент по оценке влияния нагрузок вагонов на основную
площадку:
а — опытный подвижной состав с различными осевыми нагрузками Рст, кН;
б — зависимость напряжений s на основной площадке в подрельсовых сечениях
от осевой нагрузки; 7, 2 — в средней части звена и в зоне стыка рельсов от четы-
рехосного вагона; 3, 4 — тоже от восьмиосной цистерны при Рст = 210 кН;
^экв и ^экв “ эквивалентные нагрузки для четырехосного вагона
Предельные значения осевых нагрузок из формулы (11.2) равны
Р
пред
(11.3)
Для типовых условий эксплуатации (рельсы Р65, железобетон-
ные шпалы, балластный слой из щебня и песчаной подушки об-
щей толщиной 55 см) при прочных грунтах основной площадки и
скорости движения поезда 70 км/ч предельные осевые нагрузки
452
вагонов Рпред при критерии прочности грунтов [сг0_р]доп = 80 кПа
составили: для средней части звена Рпред = 269,4 кН и для зоны
стыка рельсов Рпред = 201,0 кН.
Повышение скоростей движений грузовых поездов снижает пре-
дельный уровень осевых нагрузок вагонов. Поэтому в реальных ус-
ловиях эксплуатации пути предельные осевые нагрузки Рпред зави-
сят от допускаемых скоростей движения ^оп. Такие зависимости
определяются по расчетным напряжениям на основной площадке
для разных осевых нагрузок и скоростей движения. Общий вид та-
ких зависимостей показан на рис. 11.2.
Рис. 11.2. Зависимость напряжений на основной площадке сг0_р от скорости
движения при разных осевых нагрузках вагонов: Кдоп_] — ^оп-4 — допускае-
мые скорости движения
Пересечение зависимостей а0_р = /(И) при разных значениях
осевых нагрузок вагонов Рст позволяет определить допускаемые
скорости движения поездов Рцоп при двух состояниях грунта: проч-
ном [н0_р]доп и недостаточно прочном [п0_р]доп. В качестве приме-
ра были выполнены расчеты допускаемых скоростей движения Р^оп
для нормального типа пути с железобетонными шпалами и грузо-
напряженности линии от 25 млн т км брутто на км в год (табл. 11.2).
453
Таблица 11.2
Допускаемые скорости движения поездов
Критерий прочности грунта основной площадки [а0-р1доп Допускаемые скорости движе- ния Идоп, км/ч, при осевых нагрузках вагонов Рст в кН
220 250 270 300
ПРОЧНЫЙ ГРУНТ [О0-р]доп = 80 кПа 120 120 120 108
Пониженная прочность [Оо-р1доп = 65кПа 120 90 65 35
Из табл. 11.2 следует, что для конкретного примера расчета при
прочном состоянии грунта основной площадки ([^о—р^доп = 80 кПа)
при скоростях движения до 110—120 км/ч нет ограничений в вели-
чинах осевых нагрузок вагонов. При наличии на основной площад-
ке грунтов пониженной прочности ([о0_р]пдоп = 65 кПа) повыше-
ние скоростей движения вынуждает снижать предельные осевые на-
грузки вагонов. Длительно эксплуатируемые насыпи в верхней час-
ти обычно сложены из более прочного балластного материала (смеси
песка и щебня), который образовался из-за периодических подъе-
мок пути. В этом случае граница балластного материала с глинис-
тыми грунтами насыпи находится на большей глубине, что при-
водит к снижению отрицательного влияния повышенных осевых
нагрузок.
Повышение погонных нагрузок вагонов. Одновременно с повыше-
нием осевых нагрузок четырехосных вагонов в СССР был налажен
выпуск восьмиосных вагонов (значительная часть которых эксплу-
атируется в настоящее время) и планируется для Российских желез-
ных дорог выпуск грузовых вагонов с повышенными погонными
нагрузками. Особенностью конструкции восьмиосных вагонов яв-
ляются две сочлененные тележки ЦНИИ-ХЗ, которые используют
для типового четырехосного вагона.
Близкое расположение тележек в восьмиосном вагоне приводит
к концентрации осевых нагрузок, действующих на путь. Это вызы-
вает повышение напряжений на основной площадке вследствие до-
полнительного пригруза от соседних осей по сравнению с четырех-
осными вагонами. Например, при осевых нагрузках Рст = 220 кН,
величина добавочных напряжений достигает Дадо6 = 20 кПа, т.е. на
454
30 % больше, чем воздействие четырехосного вагона с аналогичны-
ми осевыми нагрузками.
Экспериментальные напряжения на основной площадке, измерен-
ные под восьмиосной цистерной с осевыми нагрузками Рст равно
210 кН, которая обращалась в составе опытного поезда (см. рис. 11.1),
при скорости движения 70 км/ч оказалась выше на 26 % напряже-
ний под четырехосным вагоном с такой же осевой нагрузкой, что удов-
летворительно корреспондируется с расчетными напряжениями.
Можно также констатировать, что воздействие на основную пло-
щадку восьмиосной цистерны с осевыми нагрузками Рст = 210 кН
соответствует эквивалентному воздействию четырехосных вагонов
с осевыми нагрузками Рст = (260—270) кН.
Такие результаты по воздействию на основную площадку восьми-
осной цистерны получены при скоростях движения опытного поезда
не превышающих 70 км/ч. При скорости движения 100—120 км/ч,
как было показано исследованиями, проведенными в отделении
комплексных испытаний ВНИИЖТа, восьмиосные вагоны облада-
ют более низкими значениями коэффициентов вертикальной ди-
намики Кл, поэтому при таких скоростях воздействие на основную
площадку четырехосных и восьмиосных вагонов при одинаковых
осевых нагрузках близко друг к другу. Таким образом, при скорос-
тях движения до 70 км/ч напряжения на основной площадке при
воздействии восьмиосных вагонов с повышенными погонными на-
грузками возрастают на 26—30 %; при увеличении скоростей до 100—
120 км/ч воздействие всех типов вагонов при одинаковой осевой
нагрузке сопоставимы.
Однако, необходимо иметь в виду, что уровень напряжений на
основной площадке является только одним из динамических пара-
метров, который определяет условия обращения восьмиосных ва-
гонов по состоянию земляного полотна. Более сложной и неодноз-
начной является проблема обеспечения устойчивости насыпей из
глинистых грунтов.
11.1.2. Влияние изолированных неровностей на пути
Эксплуатируемый путь нередко имеет отступления от нормаль-
ного технического состояния в виде изолированных геометричес-
ких и силовых неровностей. Геометрические изолированные неров-
ности возникают, например, от волнообразного износа головки рель-
455
сов, а силовые неровности появляются, как правило, в зоне рельсо-
вых стыков и в местах повышенной податливости подшпального ос-
нования, а также при наличии балластных выплесков и др.
При проходе подвижного состава по изолированным неровнос-
тям возникают дополнительные ударно-динамические силы, дей-
ствующие на путь. Учет влияния этих сил на работу основной пло-
щадки земляного полотна был выполнен на основе натурных изме-
рений на эксплуатируемом пути и расчетно-теоретических иссле-
дований Г.Г. Коншиным.
Геометрические неровности. Процесс возникновения ударно-ди-
намических напряжений на основной площадке в зоне изолирован-
ной геометрической неровности показан на рис. 11.3. Воздействие
с ровными рельсами)
Рис. 11.3. Схема возникновения ударно-динамических напряжений на основ-
ной площадке при движении экипажа по изолированной неровности
456
колесной пары экипажа на путь по участку до начала неровности
(нагрузка Р{) такое же, как при движении по ровному рельсу (время
действия нагрузки гр. После перекатывания колесной пары через
начало неровности, ее движение по инерции продолжается прямо-
линейно; нагрузка на путь Р2 в этот момент уменьшается (время t2).
Падение нагрузки продолжается до встречи колеса с выходом из не-
ровности. В этот момент происходит удар по рельсу (нагрузка Р3), и
на основной площадке возникает дополнительный импульс напря-
жений продолжительностью /3, что приводит к образованию удар-
но-динамических напряжений ауд. Величина оуд зависит от скоро-
сти движения поезда, размеров неровности и конструкции пути.
После прохода неровности (нагрузка Р3) эпюра напряжений на ос-
новной площадке совпадает с аналогичными напряжениями од на
пути с ровными рельсами.
Из рис. 11.3 видно, что в зоне изолированной неровности время
действия ударно-динамических напряжений на основной площад-
ке значительно меньше, чем при движении по ровному участку рель-
са (t3 « 2г5). Следствием этого является резкий рост скорости сило-
вого нагружения грунтов основной площадки, что приводит к бо-
лее интенсивному накоплению осадок грунта основной площадки в
зоне неровностей. Возникновение ударно-динамических напряже-
ний на основной площадке происходит с увеличением скоростей
движения поездов начиная с 10—15 км/ч. Рост этих напряжений
предложено оценивать ударно-динамическим коэффициентом ЛуД:
^уд = ауд/ад’ (11.4)
где студ — максимальные значения ударно-динамических напряжений на ос-
новной площадке в зоне изолированной неровности;
од — динамические напряжения при плавном их увеличении на ровных уча-
стках рельсов.
Численные значения оуд и коэффициентов А^д для пути с дере-
вянными шпалами и принятой в эксперименте изолированной не-
ровностью на рельсах косинусоидальной формы длинной / = 80 см,
глубиной по ее середине е0 = 0,4 см и среднем уклоне неровности
/ = 10 %о приведены в табл. 11.3.
При более жестком пути (железобетонные шпалы) возникают
ударно-динамические напряжения на основной площадке на 23—
25 % больше, чем на пути с деревянными шпалами. Применение в
конструкции пути с железобетонными шпалами упругих элементов
457
Таблица 11.3
Параметры ударного воздействия при изолированной неровности
Скорость движения, км/ч 60 80 100 120
Ударно-динамические напряжения оуд, кПа 91 103 140 184
Коэффициенты влияния изолированной неровности ЛГуд 1,68 1,72 2,06 2,422
(например, резиновых прокладок) между подкладками и шпалами
позволяет уменьшить ударно-динамические напряжения на основ-
ной площадке.
Неровности в зоне рельсовых стыков. При движении подвижного
состава в этой зоне образуются силовые неровности, которые при-
водят к возникновению ударно-динамических напряжений на ос-
новной площадке. Наибольшие величины напряжений возникают
под стыковыми шпалами, постепенно уменьшаясь при приближе-
нии к средней части рельса (рис. 11.4). Так, при интервале осевых
нагрузок вагонов от 210 до 300 кН коэффициенты ЯуД при скорости
Рис. 11.4. Распределение напряжений на основной площадке в зоне стыка рель-
сов при скорости движения 70 км/ч и воздействии четырехосного вагона с осе-
вой нагрузкой Р = 250 кН
458
движения 70 км/ч находились в пределах 1,50—1,65, т.е. напряже-
ния на основной площадке в зоне рельсовых стыков в среднем на
58 % выше.
Отрицательное влияние стыков рельсов на напряженное состоя-
ние основной площадки насыпей на болотах более значительное,
чем для земляного полотна на прочном основании. Эксперименты
на Северной дороге показали, что для «плавающей» насыпи из
песчаного грунта высотой 3 м и при мощности слоя торфа 9,5 м,
ударно-динамические коэффициенты АуД при разных скоростях дви-
жения грузовых поездов составляли 2,02—2,04. Это связано с повы-
шенными просадками грунта насыпей на болотах (по сравнению с
насыпями на прочном основании).
Влияние размеров неровностей. Размеры неровностей характери-
зуются следующими параметрами: длиной /, максимальной глуби-
ной е0 и средним уклоном неровности Z. Для оценки влияния этих
параметров методика расчета ударно-динамических напряжений на
основной площадке предложена Г.Г. Коншиным. Методика была
проверена в экспериментах для участков эксплуатируемого пути с
деревянными и железобетонными шпалами.
В качестве примера были выполнены расчеты для следующих ус-
ловий: путь с железобетонными шпалами, четырехосный вагон с осе-
выми нагрузками = 230 кН, скорость движения 100 км/ч. Глуби-
на неровности менялась от 0,1 до 0,4 см при длине от 40 до 320 см.
Ударно-динамические коэффициенты для рассматриваемого
примера при разных параметрах неровности приведены в табл. 11.4.
Таблица 11.4
Ударно-динамические коэффициенты К?д
Глубина неровностей, см Ударно-динамические коэффициенты на основной площад- ке Кул при длине неровностей /, см
40 80 120 160 200 240 320
0,1 1,76 1,24 1,07 1,00 1,00 1,00 1,00
0,2 2,52 1,48 1,19 1,10 1,04 1,02 1,00
0,3 — 1,71 1,31 1,17 1,10 1,05 1,01
0,4 — 1,90 1,43 1,24 1,12 1,10 1,05
459
По результатам экспериментов и расчетов было установлено
следующее.
1. Увеличение длины неровности /( при заданных глубинах не-
ровности е0 приводит к уменьшению ударно-динамических напря-
жений на основной площадке (рис. 11.5, а). Наиболее резко оуд сни-
жаются при длине неровности до 160—200 см; при больших длинах
неровностей это снижение происходит более плавно.
Рис. 11.5. Зависимость расчетных ударно-динамических напряжений на основ-
ной площадке для пути с железобетонными шпалами:
а — от длины неровности /0; б — от средних уклонов неровности /
2. Коэффициенты АуД возрастают с увеличением средних укло-
нов неровностей: незначительно при i < 2 %о и более интенсивно с
ростом уклонов i и приближением этой зависимости к линейной ст
(рис. 11.5, б).
3. При средних уклонах неровности / = 2 %о изолированные не-
ровности на рельсах практически не приводят к увеличению напря-
жений на основной площадке (АуД< 1,05).
11.1.3. Динамическое нагружение основной площадки в кривых
Движение поездов в кривых характеризуется сложным взаимо-
действием пути и подвижного состава, которое достаточно хорошо
изучено для верхнего строения пути. В кривых появляются допол-
нительные центробежные силы, вызванные неуравновешенным воз-
вышением наружного рельса. Повышенное динамическое нагруже-
ние подвижным составом наружной части насыпей нередко приво-
дят к внезапным деформациям их откосов.
460
Рис. 11.6. Зависимость напряжений на ос-
новной площадке участка пути в кривой
от скорости движения:
а — тепловоза ТЭ-7; б — полувагона; 1, 2 —
соответственно под наружным и внутрен-
ним рельсами
(Н.5)
Для оценки особенностей
работы основной площадки
земляного полотна в кривых
были выполнены экспери-
ментальные и расчетно-тео-
ретические исследования
Г.Г. Коншиным. Эксперимен-
ты по измерениям напряже-
ний на основной площадке
показали, что при малых ско-
ростях движения подвижного
состава сильнее нагружается
внутренняя часть основной
площадки, а с увеличением
скорости движения — наруж-
ная. На рис. 11.6 для кривой ра-
диуса R = 760 м и возвышении
наружного рельса h = 80 мм
приведены зависимости на-
пряжений на основной пло-
щадке от скорости движения
под наружным и внутренним
рельсами. Для оценки осо-
бенностей работы пути в кри-
вых предложен коэффициент нессиметричности нагружения £ , ко-
су
торый для напряжений основной площадки равен
£ _,vHaP /zvBH
- а0-р / а0-р ’
гдео“аР иао-р ~ напряжения на основной площадке соответственно под на-
ружной и внутренней рельсовыми нитями.
Существует скорость Иур, при которой воздействие поездной на-
грузки на обе рельсовые нити будет уравновешено и на основной
площадке =сто-р’ ® этом ^У436 1 и распределение нагруз-
ки от подвижного состава на основную площадку в кривых соответ-
ствует распределению нагрузки для прямых участков пути. Для усло-
вий эксперимента при воздействии различных подвижных единиц это
происходит при 70—80 км/ч. При скорости движения (<< 7ур % < 1,
при^-Жур^Ж
461
Таким образом, для расчета напряжений на основной площадке
земляного полотна в кривых предлагается следующая формула:
("б)
где — напряжения на основной площадке в подрельсовом сечении опре-
деляют расчетом по существующим нормативным документам.
Коэффициент нессиметричности нагружения определяется
величинами поперечных непогашенных ускорений анп, реализуе-
мых поездами. На практике наиболее часто рассматривается дви-
жение экипажа в кривой (вписывание), которое называют квази-
статическим. Методы определения квазистатических сил хорошо
изучены и проверены экспериментально и в эксплуатации. В этом
случае поперечные непогашенные ускорения анп от среднего уров-
ня (суммарного) силового воздействия на путь поездов определя-
ются по известной формуле
нп 3,62S S
где V— скорость движения экипажа по кривой, км/ч;
R — радиус кривой, м;
g — ускорение свободного падения, равная 9,8] м/с2;
h — возвышение наружного рельса, мм;
S — расстояние между осями рельсов.
(Н.7)
При движении грузового вагона при положительных значениях
поперечных непогашенных ускорений анп происходит существен-
ная перегрузка наружной рельсовой нити. При отрицательных зна-
чениях анп перегружается внутренняя рельсовая нить. На основа-
нии сравнения расчетных коэффициентов несимметричности
действующих на рельсы динамических сил (2рнар и £)рвн и экспери-
ментальных коэффициентов несимметричности £ напряжений на
основной площадке a„ap ио“н , было получено, что £„=£ . Это
и-p и-p
позволило оценить коэффициенты несимметричности нагружения
подвижным составом основной площадки £,о при различных геомет-
рических размерах кривых.
В качестве примера расчета приведены следующие значения ко-
эффициентов несимметричности нагружения основной площадки
£адля кривых: радиусом R = 760 м, возвышение наружного рельса
А - 80 мм, максимальная скорость V= 100 км/ч, £ = 1,56; радиу-
462
сом R = 650 м — h = 150 мм, Итах = 120 км/ч и радиусом R = 350 м —
h = 115 мм, Итах = 80 км/ч. Получены практически одинаковые зна-
чения = 1,80 (при допустимом лнп = 0,70 м/с2).
Повышение осевых нагрузок вагонов при одинаковых значени-
ях непогашенных поперечных ускорений пнп приводит к более ин-
тенсивному нагружению наружной рельсовой нити и, следователь-
но, земляного полотна.
11.2. Изменение состояния земляного полотна
и свойств грунтов в процессе эксплуатации пути
11.2.1. Характер изменений
В процессе эксплуатации пути под влиянием природно-клима-
тических факторов и воздействий подвижного состава в земляном
полотне происходят значительные внешние и внутренние измене-
ния. К ним относятся:
— изменения в геометрических размерах поперечного и продоль-
ного профилей (прежде всего насыпей);
— образование неоднородных по своим характеристикам зон
грунта и предопределенных поверхностей смещения откосов насыпей;
- снижение прочностных характеристик грунтов;
— появление при определенных условиях резонансных явлений
в насыпях из глинистых грунтов, приводящих к внезапным дефор-
мациям под поездами.
Все эти изменения приводят к возникновению дефектов и дефор-
маций (классификация видов дефектов и деформаций см. п. 11.3),
снижающих прочность и устойчивость земляного полотна, к отказам
в его работе.
Для обоснованной оценки прочности и устойчивости земляного
полотна должен выполняться определенный объем лабораторных
работ по определению физико-механических свойств грунтов. Со-
став необходимых показателей свойств грунтов должен отвечать сле-
дующим требованиям:
- назначаться исходя из причин деформаций, их вызывающих;
- количественно отражать возможность изменения состояния и
свойств грунтов во времени;
- дать достоверный материал для расчета прочности и устойчиво-
сти земляного полотна и назначению мероприятий по его усилению.
463
В лаборатории земляного полотна ВНИИЖТа (М.В. Аверочки-
на, П.Г. Пешков) разработана классификация рекомендуемых по-
казателей физико-механических свойств грунтов при различных ви-
дах деформаций земляного полотна, определяемых для оценки его
прочности и назначения мероприятий для его усиления.
11.2.2. Изменение характеристик грунтов земляного полотна
При проектировании и сооружении земляного полотна необхо-
димые для последующих расчетов характеристики физико-механи-
ческих свойств грунтов получают на основе лабораторных испыта-
ний грунтов. Эти испытания проводят по нормативам и методи-
кам, разработанным для фундаментостроения, в которых отсут-
ствуют рекомендации по учету особенностей работы грунтов
эксплуатируемого земляного полотна, заключающихся в снижении
прочностных характеристик грунтов под влиянием природно-кли-
матических условий и многократных циклических воздействий по-
ездной нагрузки.
Влияние природно-климатических факторов. Под воздействием
процессов выветривания, промерзания-оттаивания, увлажнения-
высушивания, размывания атмосферными осадками и талыми во-
дами происходит снижение прочностных характеристик грунтов
земляного полотна. Степень разрушения при выветривании скаль-
ных и полускальных грунтов оценивается коэффициентом вывет-
ривания Лвс, представляющим собой отношение объемного веса об-
разца выветрелового грунта к объемному весу невыветрелового об-
разца того же грунта. Следовательно, при невыветреловых (моно-
литных) породах = 1. При слабовыветреловых (трещиноватых)
породах величина К^. находится в пределах 1< Квс > 0,9; при силь-
новыветреловых (рухляках) породах — /^<0,8.
Результатом выветривания является усиление трещиноватости и
снижение прочности скальных и полускальных грунтов в выемках.
Для связных (глинистых и суглинистых) грунтов необходимо учи-
тывать наличие в длительно эксплуатируемом земляном полотне
двух различных по состоянию зон: первая — зона сезонных (обра-
тимых) изменений свойств грунта и вторая — зона относительно по-
стоянных свойств в годичном цикле. Размер первой зоны, которую
называют зоной выветривания, определяется видом грунта и глу-
биной сезонных изменений температурно-влажностного режима.
464
В пределах зоны промерзания происходят процессы пучения, спо-
собствующие ослаблению структурных связей грунта, его разупроч-
нению, переувлажнению и снижению значений параметров проч-
ности в период весеннего оттаивания. Степень снижения пучинно-
сти грунта зависит от его гранулометрического состава, условий ув-
лажнения и влажности перед промерзанием.
Максимальное снижения прочности глинистых грунтов земля-
ного полотна происходит при оттаивании, когда значение сцепле-
ния грунта составляет 50—70 % значений в летний период. Расчет-
ное сцепление оттаивающего грунта оцениваются по формуле
cp = F-V’ С"-8)
р
где Ст — нормативное сцепление талого грунта, в кПа;
Ар — коэффициент снижения сцепления оттаивающего грунта. Для пыле-
ватых суглинков ненарушенной структуры Ар = 1,45, для нарушенной структу-
ры Ар = 1,60;
f — интенсивность пучения рассчитываемого слоя грунта (определяется по
отдельной методике), доли единицы;
Вр — коэффициент, учитывающий снижение прочности за счет разупроч-
нения при пучении грунта.
В течение определенного периода времени прочность восстанав-
ливается до исходных значений. Толщина зоны активного разупроч-
нения грунта основной площадки зависит от размера балластного
слоя, глубины промерзания, интенсивности пучения и колеблется
от 15 до 40 см.
Влияние вибраций на свойства грунтов. Воздействие подвижного
состава на земляное полотно вызывает колебания (вибрации), ко-
торые приводят к временному снижения прочности грунтов. Сте-
пень снижения прочности увеличивается с повышением амплиту-
ды и частоты вибрации. В свою очередь, эти параметры увеличива-
ются с повышением скоростей движения поездов и ростом осевых
нагрузок. При равных условиях эксплуатации интенсивность сни-
жения прочности грунта резко увеличивается (в 1,5—2,0 раза) в
зонах рельсовых стыков и неровностей пути. Степень снижения
прочности грунта также больше на участках с железобетонными
шпалами по сравнению с деревянными. Заметное влияние вибра-
ций на снижение прочности грунта отмечается до глубины 1,5—2,0 м
от верха балластной призмы.
465
Влияние вибрации на снижение прочности глинистых грунтов
оценивается коэффициентом динамического разупрочнения Кл.
В табл. 11.5 в качестве примера приведены численные значения ко-
эффициентов динамического разупрочнения Ка глинистых грунтов.
Таблица 11.5
Коэффициенты динамического разупрочнения Кл
Плотность грунта, г/см3 Значение коэффициентов динамического разупрочнения К для оттаивающего пылеватого суглинка при частоте колебаний 65 Гц
нарушенная структура ненарушенная структура
1,45 1,53 —
1,50 1,83 1,88
1,55 1,95 1,85
1,60 2,00 1,82
1,65 2,30 2,00
1,70 2,60 —
11.2.3. Нормативная и расчетная прочность грунтов
В расчетах длительно эксплуатируемого земляного полотна ис-
пользуется нормативная и расчетная прочность грунтов. Под нор-
мативной прочностью понимаются характеристики грунтов, опре-
деляемые путем непосредственных испытаний. Нормативную проч-
ность определяют на сдвиговых приборах при различных условиях
загружения образцов грунта. Нормативное значение прочности Лн
равно
AH=LXAr <1L9>
ni=\ 1
где п — число определений;
Ai — частные значения прочности.
Нормативные характеристики прочности глинистых грунтов дли-
тельно эксплуатируемого земляного полотна приведены в табл. 11.6.
Расчетную прочность грунтов земляного полотна определяют
исходя из нормативной прочности с учетом расчетных коэффици-
ентов, учитывающих условия работы грунтов земляного полотна в
466
Таблица 11.6
Нормативные значения удельного сцепления, с^(кПа) и угла внутреннего трения <р^г(град) для глинистых насыпных
грунтов длительно эксплуатируемых железнодорожных насыпей
Виды грунтов Пределы нормативных значений показателя текучести Обо- значе- ния харак- терис- тик Характеристики грунтов при коэффициенте пористости, е Консистен- ция грунта
0,41 — 0,50 0.51- 0.60 0,61 — 0,70 0,71 — 0,80 0,81- 0,90 0,91 — 1,0 1,01- 1,10
Супесь 0<J£<0,25 сн фн 16 30 11 29 7 27 — — — — Полутвердая
0,25 <JL< 0,50 с» фн 14 29 9 27 6 25 4 22 — — — Туго- пластичная
0,50 <JL< 0,75 с" фн 13 28 8 26 5 24 3 21 — — — Мягко- пластичная
Суглинки 0,00 <JL< 0,25 С» фн 35 24 28 23 22 22 17 21 14 20 12 18 — Полутвердая
0,25 <JL< 0,50 30 22 24 21 19 20 15 19 12 18 10 17 — Туго- пластичная
процессе эксплуатации пути. Тогда расчетная прочность грунтов Лр
оценивается по формуле
А
н
А =---------,
Р К К К
г р у
(11.10)
где Кг — коэффициент безопасности по грунту;
Лр — коэффициент условий работы по влажности (разупрочнения);
Ку — коэффициент условий работы по вибрации (усталости).
Коэффициент безопасности по грунту Кг в формуле (11.10) уста-
навливается в зависимости от колебаний величины нормативной
прочности, числа определений п и значения доверительной вероят-
ности, которая принимается равной 0,95.
К =—,
г 1-Р
(Н.П)
где р — показатель точности оценки среднего значения,
t
Р = “Г’
(11.12)
где Гр — статический коэффициент, принимаемый в зависимости от заданной
доверительной вероятности р для числа определений п. Так, при уровне веро-
ятности 0,95 значения / равны: при п = 5 t = 2,77; при п - 10 t = 2,26; при
« = 20 /р = 2,09.
Коэффициент вариации оценивается по формуле
5
и = —;
А
н
среднеквадратическое отклонение тогда
(11.13)
(Н.14)
В качестве коэффициентов условий работы принимаются пока-
затели Ар и Ху, характеризующие изменение прочности грунта зем-
ляного полотна под воздействием изменения влажности и вибра-
ций от поездной нагрузки. Изменение прочности грунта земляного
полотна при увлажнении оценивается показателем разупрочнения
Х_, представляющим собой отношение прочности грунта при задан-
468
ном (естественном) физическом состоянии Яест к прочности такого
же грунта после увлажнения ЛуМ:
А
К =-S£L, (11.15)
Р А
увл
Изменение прочности грунта земляного полотна под влиянием
поездной нагрузки оценивается коэффициентом усталости Ку, учи-
тывающим снижение сцепления. Принимается для глин Ку = 2,5,
для супесей и суглинков Ку = 2. В каждом конкретном расчетном
случае должна быть обоснована необходимость учета К? и Ку. Во всех
случаях, когда возможно увлажнение грунта за счет инфильтрации
поверхностных вод или подъема уровня грунтовых вод, следует оп-
ределять и учитывать Кр. Коэффициент Ку рекомендуется исполь-
зовать при расчете прочности основной площадки, устойчивости ос-
нования и откосов насыпей высотой до 2 м. В табл. 11.7 приведена
классификация грунтов по разупрочнению с рекомендуемыми ме-
роприятиями по усилению земляного полотна.
Показатель разупрочнения
Таблица 11.7
Прираще- ние влаж- ности Д И7, % Величина набухания ан под давлением 0,1 кгс/см2, % Характерис- тика грунтов Необходимые мероприятия
Менее 3 Менее 1 Менее 1,4 Практически неразупроч- няющиеся Не требуется
3-8 1-3 1,4-2,0 Разупрочня- ющиеся Уширение основной площадки, уположение откосов по сравнению с типовыми поперечными профилями
8-16 3-12 2-4 Сильно разупрочняю- щиеся Защита грунта от увлажне- ния экранированием, мероприятия мелиорации
469
11.3. Дефекты и деформации земляного полотна
11.3.1. Характеристика состояния земляного полотна
на сети дорог
Земляное полотно железных дорог, в отличие от верхнего строения
железнодорожного пути, является долговременным сооружением, ко-
торое не подлежит замене в течение всего срока эксплуатации дороги
и только в случае необходимости может быть усилено или капитально
отремонтировано. Вместе с тем под влиянием многочисленных вне-
шних переменных во времени как природных, так и техногенных фак-
торов, в нем с момента сооружения происходят изменения, которые
могут приводить к возникновению различных деформаций и дефек-
тов, негативно влияющих на перевозочный процесс.
В целом земляное полотно на значительном протяжении сети
железных дорог нашей страны, несмотря на многолетний срок его
службы, существенное увеличение нагрузок от подвижного соста-
ва, повышение веса верхнего строения пути, а также воздействия
неблагоприятных природных условий, работает удовлетворительно,
обеспечивая пропуск подвижного состава с заданными нагрузками
и скоростями движения. Вместе с тем в последнее десятилетие де-
фекты и деформации земляного полотна отмечаются на 6—10 % эк-
сплуатационной длины дорог сети. При этом распределение неисп-
равностей земляного полотна по дорогам сети крайне неравномер-
но, изменяясь от 1—3 % протяжения для железных дорог, располо-
женных в благоприятных инженерно-геологических условиях
Европейской части страны (исключение Северная и Северо-Кав-
казская железные дороги) и возрастая до 15—25 % длины для дорог
Восточной Сибири и Дальнего Востока, расположенных в экстре-
мальных природных условиях.
Дефекты земляного полотна — это отступления геометрических
размеров полотна от современных норм. Наличие дефектов в зем-
ляном полотне приводит к неправильной его работе, вызывая по-
вышенные воздействия на отдельные его элементы. Дефекты зем-
ляного полотна зачастую являются причинами последующих дефор-
маций земляного полотна, а сами деформации могут приводить к
развитию дефектов.
Деформации земляного полотна — изменения во времени перво-
начальной формы, размеров и литологического строения земляно-
470
го полотна, вызываемые неблагоприятным воздействием природ-
ных и антропогенных (зависящих от деятельности человека) факто-
ров. Деформации земляного полотна приводят к нарушению ста-
бильного положения верхнего строения пути и, главное, к возник-
новению отступлений в геометрии рельсовой колеи. Деформации
земляного полотна могут быть следствием причин, заложенных при
сооружении земляного полотна или возникших в ходе его эксплуа-
тации из-за изменения нагрузок и недостатков в содержании и ре-
монтах, а также быть вызваны чрезвычайными ситуациями из-за
развития опасных природных процессов и явлений.
Основными причинами дефектов и деформаций земляного по-
лотна, связанных со строительством и эксплуатацией, являются:
- ошибки при проектировании и низкое качество строительства;
— повышение нагрузок и скоростей движения поездов без про-
ведения необходимых мероприятий по усилению и реконструкции
земляного полотна;
— некачественное проведение ремонтов пути и недостаток тех-
ники для ремонта земляного полотна;
- плохое содержание земляного полотна и водоотводов;
- недостатки в системе диагностики и мониторинга земляного
полотна.
Разнообразие инженерно-геологических и климатических усло-
вий нашей страны, наличие значительных территорий, где развиты
природные неблагоприятные экзогенные геологические процессы
и явления (ЭГПЯ), привело к возникновению широкого спектра де-
формаций и дефектов земляного полотна, связанных с этими про-
цессами.
Классификация основных дефектов и деформаций представлена
в виде структурной схемы на рис. 11.7.
Развитие деформаций земляного полотна может привести к сни-
жению его надежности и возникновению отказов в работе. По вли-
янию деформаций на перевозочный процесс, обеспечение которо-
го является основной функцией земляного полотна, по терминоло-
гии теории надежности в МИИТе проф. Т.Г. Яковлевой были опре-
делены понятия отказов для земляного полотна:
— полный отказ земляного полотна (ПО) как потеря работоспо-
собности объекта, приводящая к внезапному перерыву в движении
поездов при интенсивном развитии деформаций;
471
Дефекты и деформации земляного полотна
Дефекты Деформации, обусловленные строительством и эксплуатацией
Зауженная
-► ширина основной
площадки
-► Балластные углубления основной площадки: корыта, ложа, мешки
Завышенная
крутизна откосов
-► Недостаток и дефекты водоотводов
Пучины и весенние просадки
Оползания и сплывы откосов, в том числе балластных шлейфов
Обвалы, вывалы и осыпи откосов скальных выемок
Размывы и подмывы, связанные с отсутствием и дефектами водоотводов
Оседания из-за: — недостаточной плотности грунтов земляного полотна; — просадочности грунтов, слагающих земляное полотно; — слабых грунтов в основаниях; - оттаивания многолетнемерзлых грунтов основания
Выпирания
Расползания
Деформации, повреждения и загромождения, вызванные развитием опасных природных процессов и явлений в основаниях и на прилегающих территориях
Размывы и подмывы, связанные с переработкой берегов морей, рек и водохранилищ
-► Оврагообразование
Оползни
Обвалы и осыпи
Лавины
Селевые потоки
-► Провалы, связанные с карстово-суффозионными процессами, из-за горных выработок, из-за вытаивания льда
Землетрясения
Термокарст
Наледи
Рис. 11.7. Классификация основных дефектов и деформаций земляного полотна
- частичный отказ земляного полотна (40) как частичная потеря
работоспособности объекта, требующая введения ограничения ско-
рости движения поездов;
— постепенный отказ земляного полотна (ПОО) как состояние объ-
екта, при котором объект может эксплуатироваться до очередного капи-
тального ремонта без возникновения полного или частичного отка-
зов, но требует дополнительных расходов на его текущее содержание.
Эти определения для отказов земляного полотна вписываются в
общую терминологию, принятую в настоящее время для надежнос-
ти железнодорожного пути. Введение понятий отказов для земля-
ного полотна позволяет классифицировать деформирующиеся
объекты по степени их опасности и оценивать возможный ущерб от
их развития, что служит основой планирования мероприятий по их
усилению. Показатель надежности объекта земляного полотна, ис-
пользуя понятия его отказов, на основе теории надежности может
быть вычислен по формуле
R=\ — Р>[7?], (11.16)
где R — показатель надежности (вероятность безотказной работы) земляного
полотна за период эксплуатации t (лет);
Р — вероятность отказа земляного полотна за период времени t (лет);
[А] — допустимый показатель надежности для земляного полотна.
Величина допустимого уровня (показателя) надежности земляного
полотна при этом определяется критериями двух типов: безопасностью
движения (главный) и экономической эффективностью и зависит от
степени опасности возникновения деформации и категории линии, на
которой расположен рассматриваемый объект земляного полотна.
Ввиду того что влияние неблагоприятных природных процессов
и явлений на надежность земляного полотна, а также защита от них
были рассмотрены при проектировании нового земляного полотна,
в данной главе будут рассмотрены только основные дефекты и де-
формации, обусловленные строительством и эксплуатацией пути.
11.3.2. Дефекты земляного полотна
Геометрические размеры земляного полотна длительно эксплуа-
тируемых линий существенно отличаются от размеров земляного
полотна новых железных дорог, которые регламентированы совре-
менными нормами (см. гл. 10). Это, с одной стороны, связано с ис-
ходно меньшими размерами земляного полотна, построенного по
473
техническим нормам прошлых лет, а с другой стороны, с произо-
шедшими многочисленными изменениями в ходе эксплуатации.
Так, на длительно эксплуатируемых линиях за основную площад-
ку принимается условная граница, проходящая по подошве балласт-
ной призмы типовых размеров. При этом балластная призма, созда-
ваемая в ходе ремонтов пути, является однослойной и в ней норми-
руется толщина щебня под шпалой и плечо в зависимости от класса
пути. Нормальной шириной основной площадки земляного полот-
на эксплуатируемых линий Во в соответствии с Инструкцией по со-
держанию земляного полотна является такая, на которой размеща-
ется балластная призма типовых размеров и имеются обочины с каж-
дой стороны не менее 0,50 м для путей 1—3-го классов и 0,40 м для
4-го класса. Величины нормальной ширины основной площадки на
прямых участках Во для путей разных классов приведены в табл. 11.8.
Таблица 11.8
Нормальная ширина основной площадки на прямых
Класс пути Величина нормальной ширины основной площадки на прямых участках Во, м
Двухпутная линия при шпалах Однопутная линия при шпалах
железобетонных деревянных железобетонных деревянных
1-2 10,75 10,6 6,65 6,50
3 — — 5,95 5,80
4 — — — 5,60
Минимальная ширина основной площадки земляного полотна
на прямых участках 5ДОП, которая допускается в эксплуатации до
реконструкции, определена ПТЭ и составляет: при обычных грун-
тах на однопутных линиях — 5,5 м, двухпутных — 9,6 м, а при скаль-
ных и дренирующих грунтах соответственно 5,0 м и 9,1 м.
Таким образом, участками, имеющими дефект зауженной основ-
ной площадки, в эксплуатации следует считать все участки, на ко-
торых ширина основной площадки на прямых меньше величин Вц,
приведенных в табл. 11.8.
Крутизна откосов земляного полотна эксплуатируемых линий, в
том числе балластных шлейфов, должна соответствовать нормам для
нового земляного полотна (см. табл. 10.23 и 10.24), и если эти вели-
474
чины не обеспечены, то такое земляное полотно считается имею-
щим дефект завышенной крутизны. Для земляного полотна, имею-
щего завышенную крутизну, требуется проводить расчеты устойчи-
вости, и если она ниже норм, то необходимо усиление.
Дефекты эксплуатируемого земляного полотна железных дорог —
зауженность основной площадки и завышенная крутизна — накап-
ливались годами и кроме исходно меньших размеров земляного по-
лотна, построенного по техническим нормам прошлых лет, вызва-
ны многолетней практикой проведения капитальных ремонтов пути
во второй половине 20 в. без очистки старого балласта. Старый заг-
рязненный балласт при ремонте оставлялся в пути без его очистки,
а создание балластной призмы производилось подъемкой пути на
новый балласт, в результате толщина балластных материалов на зем-
ляном полотне возрастала и к настоящему времени на многих дли-
тельно эксплуатируемых линиях может составлять более 1—1,5 м.
Переход на новые технологии ремонта пути во второй половине
90-х гг. с проведением глубокой очистки старого балласта и его воз-
вращением в путь, отказ от подъемок отметок пути привели к сни-
жению роста дефекта зауженной основной площадки земляного по-
лотна, что в целом положительно сказалось на состоянии земляно-
го полотна. Однако, и в настоящее время из-за отсутствия доста-
точного количества составов для загрязнителей имеются случаи
выброса загрязненного балласта на откосы земляного полотна, что
продолжает приводить к накоплениюию дефекта завышенной кру-
тизны откосов.
11.3.3. Деформации основной площадки
Основная площадка земляного полотна является одним из важ-
ных элементов железнодорожного пути, определяющих стабиль-
ность геометрии рельсовой колеи. Вместе с тем сложные условия
работы грунтов основной площадки привели к широкому распрос-
транению на сети железных дорог дефектов и деформаций этого эле-
мента (более 40 % от протяжения всех видов деформаций), что вы-
зывает повышенные затраты на содержание пути. Проблема обес-
печения стабильности основной площадки становится особенно
острой на линиях, где предусматривается введение скоростного пас-
сажирского движения либо повышение осевых или погонных на-
грузок в грузовом движении.
475
Наиболее характерными деформациями для основной площад-
ки являются балластные углубления, связанные с недостаточной
прочностью слагающих ее грунтов, что вызывает проникновение
мелких частиц грунта в балласт и его интенсивное загрязнение, а
также морозное пучение при промерзании и весенние просадки при
оттаивании.
Условия работы этого элемента для длительно эксплуатируемых
линий существенно отличаются от условий работы для только что
построенного полотна. Основным отличием является то, что под
основной площадкой при длительной эксплуатации накоплена тол-
ща из старого балласта, представляющего собой смесь материалов с
разными свойствами, граница их не имеет правильного очертания,
что не обеспечивает нормальный отвод проникающей в балластную
призму воды. При этом главным вопросом является вопрос свойств
этих материалов: возможность восприятия нагрузки, фильтрацион-
ные свойства и склонность к морозному пучению при замерзании.
Для ответов на эти вопросы рассмотрим возможные случаи по-
явления деформаций на основной площадке при выходе этого эле-
мента земляного полотна за предельное состояние.
Первую группу деформаций составляют развитие балластных уг-
лублений и появление выплесков в результате поднятия вверх мел-
ких частиц грунта. Причинами данных деформаций является недо-
статочная прочность (несущая способность) либо глинистых грун-
тов под накопленными балластными материалами с внедрением этих
материалов в ослабленные глинистые грунты, либо самих загряз-
ненных мелкими частицами балластных материалов. При этом зона
их развития распространяется на так называемую рабочую зону зем-
ляного полотна под основной площадкой (см. гл. 10), где имеется
наибольшее силовое воздействие от поездной нагрузки. Глубина этой
зоны составляет до 1 м и более, а внешней нагрузкой, вызывающей
деформации, являются напряжения в грунте, возникающие от воз-
действия поездов.
Прочность грунтов существенно зависит от их влажности, сни-
жаясь при ее увеличении. Причем нарушение условия прочности
при повышенной влажности возможно как в глинистых грунтах, так
и при балластных материалах, имеющих большое содержание пы-
левато-глинистых фракций. Для оценки возможности наступления
предельного состояния по несущей способности рабочей зоны зем-
476
ляного полотна железных дорог в настоящее время применяется два
способа:
- расчетный, основанный на оценке возникновения в грунте пла-
стических сдвигов из-за превышения напряжениями предельной
нагрузки, определяемой его прочностными свойствами;
— натурный, основанный на выделении участков возникновения
больших упругих осадок, которые под расчетной нагрузкой не дол-
жны превышать 2 мм.
При этом условие непревышения напряжений должно быть вы-
полнено в каждой точке грунтового массива.
По форме и глубине развития углублений различают: балласт-
ные корыта, ложа, мешки и гнезда (рис. 11.8).
Рис. 11.8. Балластные углубления:
а — балластные корыта; б — балластное ложе; в — балластный мешок;
/ — балласт; 2 — грунт земляного полотна; 3 — вода
477
Балластные корыта — замкнутые под каждой шпалой углубле-
ния в основной площадке, чаще всего связаны с недостаточной тол-
щиной балласта под шпалой и образуются в начальный период пос-
ле сооружения земляного полотна. Глубина их минимальна и со-
ставляет 0,1—0,3 м.
Балластные ложа — вытянутые вдоль пути замкнутые углубле-
ния в основной площадке (развиты под несколькими соседними
шпалами), чаще всего связаны с недостаточным уплотнением гли-
нистых грунтов насыпей и недостаточной прочностью глинистых
грунтов для выемок. Глубина лож достигает 0,4—0,5 м.
Балластные мешки — замкнутые глубокие вдавливания в основ-
ной площадке, развитые в поперечном сечении, часто к откосной
части. Образуются в течение длительного срока, как правило, на вы-
соких насыпях и, особенно, в зоне водопропускных труб из-за не-
достаточного уплотнения глинистых грунтов. Глубина мешков мо-
жет составлять от одного до несколько метров. Опасность балласт-
ного мешка состоит в создании условий для сплыва откоса из-за
прорыва скопившейся в нем воды и суффозии мелких частиц.
Балластные гнезда — балластные мешки и ложа, имеющие один
или несколько отростков (карманов), заполненных балластными
материалами.
Опознавательными признаками балластных углублений являют-
ся просадки пути, толчки, перекосы; разжижение и выплески бал-
ласта; трещины на поверхности балластного слоя, на откосах и обо-
чинах; выпирание глинистого грунта на междупутье или в кюветы.
Для устранения последствий деформаций балластных углублений
производится выпуск воды из углубления и отведение ее от места
неисправности, вырезка слабых грунтов и подъемка пути на балласт
с его выправкой и обеспечением норм геометрии рельсовой колеи.
Вторую группу деформаций составляют деформации морозного пу-
чения как в виде пучин, так и равномерного пучения, которые для
обеспечения устойчивой и безопасной работы пути должны быть лик-
видированы на участках, намечаемых к проведению ремонтов пути.
При этом деформации зимой проявляются при промерзании в виде
вспучивания грунта, а весной при оттаивании — в виде просадок. Зо-
ной развития данных деформаций является деятельный слой грунта,
где ежегодно происходит промерзание-оттаивание. Глубина этой зоны
зависит от климатических условий и может доходить до 3 м.
478
Морозное пучение грунта — это увеличение его объема при за-
мерзании в порах воды, которое приводит к поднятию его поверх-
ности. Этот процесс в грунтах, склонных к пучению, происходит
примерно следующим образом. При вхождении фронта промерза-
ния во влажный пучинистый грунт вода начинает замерзать внача-
ле в более крупных порах, образуя центры кристаллизации льда, рост
которых вызывает уменьшение пленочной влаги и нарушение ее рав-
новесия. Создается разность потенциалов влажности, которая при-
водит к миграции влаги к фронту промерзания из теплых слоев грун-
та. Эта влага замерзает, образуя новые линзы льда, и процесс про-
должается в динамике дальше вместе с движением фронта промер-
зания вглубь грунта. Процесс замерзания влаги в слое грунта
продолжается до достижения его температуры минус 3—5 °C, когда
происходит замерзание прочно связанной влаги. При оттаивании
грунта происходит обратный процесс. При этом над фронтом отта-
ивания образуется слой слабого водонасышенного грунта, фильт-
рация воды из которого возможна только вверх в уже оттаявшие
грунты. Такие условия создают предпосылки к потере прочности
грунта, его выдавливанию в стороны и к просадкам пути.
На железных дорогах России по морозному пучению нормирует-
ся как сама деформация, так и ее неравномерность. На эксплуати-
руемом пути эти величины нормируются в зависимости от скорос-
ти движения поездов. Величина пучения определяется по высоте
поднятия поверхности балластного слоя (рельсошпальной решет-
ки) по сравнению с ее предзимним положением. При разнородном
составе грунтов земляного полотна величина пучения определяет-
ся суммой величин пучения всех грунтов, слагающих зону сезон-
ного промерзания. Общепринятой количественной характеристи-
кой степени пучения грунта является интенсивность пучения/(см.
табл. 10.5), которая представляет собой отношение величины пу-
чения слоя промерзшего грунта к его толщине: чем больше вели-
чина / тем более пучинистым является грунт. К пучинистым от-
носят все глинистые грунты, мелкие и пылеватые грунты, а также
крупнообломочные грунты с большим количеством мелких час-
тиц. Загрязненная толща старого балласта также при определен-
ном количестве в нем пылеватых и глинистых частиц может быть
пучинистой. Дренирующие грунты, предохраненные от загрязне-
ния и заиливания, неводонасыщенные мелкие пески, а также ас-
479
бестовые отходы, применяемые в качестве балластных материалов,
пучению не подвержены.
Пучинами называют неравномерные по протяжению пути дефор-
мации морозного пучения, которые вызывают искажения профиля
рельсовой колеи, превышающие ее допуски по содержанию. В от-
личие от пучин равномерным пучением называются такие деформа-
ции морозного пучения, которые не приводят к искажению профи-
ля рельсовой колеи выше допускаемых норм содержания. Пучины
фиксируются дистанциями пути в техническом паспорте в виде ве-
домости пучин (Форма ПУ 10). Пучина характеризуется высотой и
длиной. Высота пучины определяется разностью между величиной
пучения в месте максимальной неровности hH и величиной равно-
мерного пучения йр. Величины йн и Лр могут быть определены толь-
ко инструментально по результатам двухкратного нивелирования в
момент до начала промерзания и при максимальном промерзании.
Косвенно в дистанциях пути высоту пучины определяют максималь-
ной толщиной пучинных прокладок, на которые исправляют путь.
По величине высоты пучины классифицируются на пучины высотой
до 10 мм, от 10 до 25, от 25 до 50 и более 50 мм.
По форме искажения рельсовой колеи выделяются следующие
основные разновидности отдельных пучин (рис. 11.9): пучинный
горб, пучинная впадина, пучинный перепад, перекосная пучина,
односторонняя пучина. Кроме приведенных разновидностей пучин
на практике часто встречаются также протяженные пучинные учас-
тки (длина 100 м и более), где имеется по протяжению чередование
отдельных неровностей (рис. 11.9, е).
Возникновение пучин, при которых неравномерность морозно-
го пучения превышает установленные нормы, вызывается следую-
щими причинами:
— неоднородностью состава и сложения грунтов по простиранию
и по глубине;
— неравномерностью увлажнения грунтов в результате перерас-
пределения инфильтрующейся атмосферной влаги в местах балласт-
ных углублений либо за счет локальных источников грунтовых вод;
— неравномерностью промерзания грунтов земляного полотна и
основания в местах инженерных сооружений (пересекающих тру-
бопроводов, водопропускных труб, пассажирских платформ и т.п.)
и из-за неодинаковой толщины снежного покрова.
480
Рис. 11.9. Разновидности пучин:
а — пучинный горб; б — пучинная впадина; в — пучинный перепад; г —
перекосная пучина; д — односторонняя пучина; е — пучинный участок; I и 11 —
левая и правая нити; 1,2— соответственно летнее и зимнее положение пути;
3 — пучинные подкладки; йр — величина равномерного пучения; йг, йв, йп, йод —
высота соответственно пучинного горба, впадины, перепада, односторонней
пучины
Эти причины могут возникать порознь или совместно.
К особому виду относят наледные пучины, которые образуют-
ся при наличии напорного потока грунтовых вод. Наледные пучи-
ны характеризуются большой высотой, которая может составлять
100 мм и более.
Просадки при оттаивании грунтов земляного полотна возника-
ют на участках пучин или при большом равномерном пучении, ког-
да распученный грунт при его оттаивании теряет свою прочность.
Просадки происходят в весенний период и характеризуются быст-
ропротекающими неравномерными оседаниями и сдвижками рель-
совой колеи, разжижением глинистого грунта с выплесками из-под
481
шпал и выдавливанием масс этого грунта на поверхность обочин, в
кюветы или в междупутье.
Последствия пучин устраняются выправкой пути в зимнее время
на специальные пучинные подкладки, а в весеннее время — и вып-
равкой балластом. При значительных деформациях и с учетом быс-
тротечности процесса деформирования и трудности прогнозирова-
ния его протекания часто на участках пучин во время их роста и
спада приходится вводить ограничения скорости движения поездов.
Наиболее часто пучению и просадкам подвержены участки же-
лезнодорожного пути со следующими типами земляного полотна:
- выемки, нулевые места и насыпи высотой до 2 м при залега-
нии в пределах зоны промерзания пучинистых грунтов;
- выемки и нулевые места в скальных легковыветривающихся
породах при избыточном увлажнении или близком залегании грун-
товых вод;
— концевые участки выемок;
- полунасыпи и полувыемки, основания которых сложены пу-
чинистыми грунтами;
— насыпи высотой более 2 м, сложенные глинистыми грунтами;
— насыпи на участках водопропускных труб и подходов к мос-
там, отсыпанные глинистыми грунтами;
— земляное полотно на пересечении трубопроводов, изменяющих
температурный режим грунтов;
— земляное полотно на косогорах или у их подошвы при нали-
чии в пределах зоны промерзания потока грунтовых вод.
11.3.4. Деформации откосов земляного полотна
Деформации откосов земляного полотна при эксплуатации воз-
никают при нарушении их устойчивости, вызванной различными
причинами, либо являются следствием эрозионных процессов.
Одним из основных видов деформаций, который по статистике
чаще всего приводит к полным отказам в работе земляного полот-
на, является потеря устойчивости откосов земляного полотна. В за-
висимости от объема захвата смещающегося грунта выделяются
оползания, сплывы и оплывины откосов. При оползании откосов
происходит нарушение их общей устойчивости, при сплывах тол-
щина смещающихся масс составляет от I до 2 м, а оплывины захва-
тывают только почвенно-растительный слой с подпочвой.
482
Оползание и сплывы откосов насыпей наиболее характерны для
высоких насыпей (высотой более 6 м), имеющих дефект завышен-
ной крутизны и особенно при наличии на откосе балластных шлей-
фов. При оползании откоса насыпи происходит отслоение от насы-
пи откосной части с захватом основной площадки до концов шпал
или даже до оси пути и смещение грунта к подошве откоса. Иногда
оползание откосов может происходить с захватом основания. Фо-
тография оползания откоса высокой насыпи на участке Москов-
ской железной дороги приведена на рис. 11.10. Опасность ополза-
ния откосов высоких насыпей значительно повышается в местах бал-
ластных углублений в основной площадке и, особенно при нали-
чии балластных мешков. Анализ оползаний откосов высоких
насыпей на участках Московской железной дороги, произошедших
в последнее десятилетие, показал, что большинство из них в зоне
деформации откоса имело балластный мешок.
Оползания, сплывы и оплывины откосов выемок (рис. 11.11) наи-
более характерны для выемок возрастом до 5 лет и подавляющее их
количество (более 90 %) приходится на выемки с высотой откоса от
4 м и выше. Последствия оползаний откосов устраняются в ава-
Рис. 11.10. Оползания откоса высокой насыпи на участке Московской железной
дороги
483
Рис. 11.11. Оползание и сплыв откоса
выемки:
а — оползание откоса; б — сплыв от-
коса; 7 — откос до деформации; 2 —
сместившийся грунт; 3 — поверх-
ность смещения
Рис. 11.12. Обвал скального откоса:
1 — скальные породы; 2 — выветре-
лые скальные породы, вызвавшие об-
вал; 3 — откос склона до сооружения
земляного полотна; 4 — улавливаю-
щая полка; 5 — обвалившиеся поро-
ды; 6 — трещины
риином порядке, зачастую с пе-
рерывом в движении. Послед-
ствия сплывов и оплывин отко-
сов устраняются в неотложном
порядке. При этом удаляются
за пределы земляного полотна
сползшие массы грунта, произ-
водится нарезка уступов в гли-
нистом грунте и восстановле-
ние контура земляного полот-
на дренирующими грунтами с
их тщательным уплотнением.
Другими характерными ти-
пами деформаций откосов экс-
плуатируемых скальных вые-
мок и полувыемок, имеющих
широкое распространение на
сети железных дорог, являются
обвалы, вывалы и осыпи, кото-
рые связаны с процессами по-
верхностной эрозии, а в сейс-
мически активных районах и с
землетрясениями. При этом об-
валом называется обрушение
значительной массы скального
грунта, вызванное нарушением
общей устойчивости откоса
(рис. 11.12). При вывале проис-
ходит обрушение одиночных
скальных обломков (объемом
преимущественно не более 1м3)
из устойчивых в целом скаль-
ных откосов с падением их к
подошве откоса, на верхнее
строение или с перелетом через
путь (рис. 11.13). При осыпях
происходит перемещение по
откосу вниз к его подошве, рас-
484
7
Рис. 11.13. Вывал скального
обломка из откоса:
7 — вывалившийся обломок; 2—
траектория падения; 3 — скоп-
ление обвалившихся обломков
Рис. 11.14. Осыпь на откосе:
7 — элювиально-делювиальный слой; 2 —
выветрелый слой; 3 — невыветрелые скаль-
ные породы; 4 — осыпь
положенных на поверхности откоса дресвяно-щебенистых про-
дуктов выветривания (рис. 11.14).
Последствия обрушений откосов в скальных выемках в виде
обвалов устраняются в аварийном порядке, зачастую с переры-
вом в движении. Последствия вывалов и осыпей, если они не пре-
пятствуют движению, могут устраняться в плановом порядке. При
этом обрушившиеся горные массы удаляются за пределы земля-
ного полотна, производится осмотр и профилактическое обру-
шение отдельных неустойчивых глыб и закрепление других или
заделка трещин.
При недостаточном укреплении откосов от размыва атмосфер-
ной водой на откосах могут возникать смывы, при которых про-
исходит поверхностный размыв грунта на откосах земляного по-
лотна с образованием «мелкорусловой» системы. Этот тип дефор-
маций характерен для недавно построенного земляного полотна,
откосы которого преимущественно сложены песчаными грунта-
ми. Последствия смывов устраняются ликвидацией застоев воды,
заделкой размывов и трещин и восстановлением укрепления от-
косов.
485
11.3.5. Деформации насыпей в виде оседания, выпирания
и расползания
Оседанием (осадкой) земляного полотна называют опускание его
основной площадки на более или менее значительном протяжении,
происходящее либо из-за недостаточной плотности или просадочно-
сти грунтов, слагающих насыпь, либо из-за податливости основания.
Характерным признаком оседания является опускание поверхности
без боковых смещений грунта. Оседания характерны для насыпей и
наиболее распространены в условиях многолетнемерзлых грунтов,
болот и других слабых оснований. Если после строительства насыпи
полностью исчерпан предусмотренный запас на осадку, а понижение
поверхности основной площадки продолжает происходить, то такая
насыпь ставиться на учет, как деформирующаяся, с присвоением на-
звания оседание. Поскольку причин оседания несколько, то для на-
значения правильных мер по его устранению важно установить эти
причины и место по литологическому разрезу, где происходит дефор-
мация. Выявление причин осложняется тем, что внешние признаки
оседания в разных случаях схожи, кроме того, по внешним призна-
кам иногда бывает трудно отличить данный тип деформации от де-
формаций выпирания и расползания.
Последствия оседаний ликвидируются подъемкой пути на бал-
ласт с выправкой его до норм геометрии рельсовой колеи.
Выпирание в отличие от оседания характеризуется наличием пла-
стических деформаций грунта, при которых происходит его выпор
вбок. Деформации выпирания могут происходить как на насыпях
при слабых грунтах в основании (рис. 11.15), так и под основной
Рис. 11.15. Выпирание грунтов в основании насыпи:
/ — построечный поперечный профиль насыпи; 2 — фактическое очертание
насыпи; 3, 4 — основание насыпи до и после выпора грунта; 5 — бугры выпира-
ния основания
486
Рис. 11.16. Выпирание грунтов в выемке:
1 — бугры выпирания глинистых грунтов; 2 — балластное углубление; 3 — на-
правление выпора; 4 — первоначальный кювет; 5,6— положение рельсошпаль-
ной решетки до и после выпирания
площадкой выемки (рис. 11.16). Опознавательными признаками вы-
пирания являются более интенсивные, чем при оседании, просад-
ки и сдвижки пути; наличие у подошвы насыпи или в кюветах ва-
лов выпирания; трещины по обочинам; наклон опор контактной
сети и т.п. Последствия выпирания устраняются ликвидацией не-
исправностей геометрии рельсовой колеи, восстановлением очер-
тания земляного полотна, восстановлением работоспособности во-
доотводных и дренажных сооружений.
11.4. Противодеформационные мероприятия
11.4.1. Противодеформационные мероприятия при балластных
углублениях и противопучинные мероприятия
Все мероприятия для устранения деформаций основной площад-
ки (балластные углубления и пучины), исходя из природы этих де-
формаций, могут быть разбиты на шесть больших групп. Класси-
фикация этих мероприятий приведена в табл. 11.9. Рассмотрим ос-
новные технические решения по усилению основной площадки, на-
шедшие практическое применение на отечественных и зарубежных
железных дорогах.
Устройство защитных слоев (замена грунта) является одним из
наиболее распространенных решений при усилении основной пло-
щадки земляного полотна. На отечественных железных дорогах при
новом строительстве и реконструкции оно регламентируется СТН
Ц-01-95 и Сводом правил расчетов СП-32-102-98 (см. гл. 10), в Гер-
мании этот способ закреплен в нормах по земляному полотну Ril 836.
487
Таблица 11.9
Классификация противодеформационных мероприятий
№ п/п Мероприятие Эффект Решения
1 Замена грунтов с недостаточной не- сущей способно- стью и пучинистых грунтов Повышение несущей способ- ности материалами с более высокой прочностью и сни- жение величины пучения Защитный слой из ПГС или других дренирую- щих материалов
2 Укладка на основ- ной площадке арми- рующих элементов Распределение нагрузки и снижение максимальных напряжений на грунты с не- достаточной несущей спо- собностью Покрытия из георе- шетки, геосетки или армированного гео- текстиля
3 Устройство разде- лительных слоев Предотвращение проникно- вения мелких частиц из ни- жних слоев в балластную призму Покрытия из геотекс- тиля нетканого
4 Осушение грунтов на основной пло- щадке и в зоне под ней Снижение влажности грун- тов на основной площадке и в зоне под ней Дренажи, полимерные пленки, покрытия из геотекстиля и плит пенополистирола
5 Устройство тепло- изоляции основной площадки (морозо- защитные слои) Уменьшение промерзания и оттаивания грунтов деятель- ного слоя, что предотвраща- ет пучение и повышает несу- щую способность в весенний период Покрытия из плит пенополистирола
6 Мелиорация грун- тов основной пло- щадки и в зоне под ней Улучшение свойств грунтов и балластных материалов Химические реагенты
Устройство защитных слоев является надежным решением усиле-
ния основной площадки земляного полотна и ликвидации балласт-
ных углублений, а также уменьшения величины пучения до норма-
тивной величины. Защитные слои, как и при новом строительстве,
устраиваются из дренирующих грунтов в комбинации с геотексти-
лем или без него. Защитный слой укладывается под щебеночную
балластную призму для обеспечения стабильности верхнего строе-
ния пути и должен выполнять следующие функции:
488
- разделительную, не допуская взаимного проникновения и пе-
ремешивания частиц балластной призмы и грунтов земляного по-
лотна;
— защиту и отвод атмосферной воды от основной площадки зем-
ляного полотна;
— защиту от промерзания пучинистых грунтов земляного полотна;
— распределение и снижение поездной нагрузки на грунты зем-
ляного полотна с целью обеспечения их несущей способности;
- виброзащиту, обеспечивая эффективное гашение колебаний от
поездов.
Кроме того, сам защитный слой должен иметь достаточное уп-
лотнение, обеспечивая его работу без остаточных деформаций.
Толщина защитного слоя назначается расчетом, исходя из вы-
полнения требований обеспечения прочности нижележащих грун-
тов под действием нагрузки от подвижного состава и ограничения
величины пучения до допускаемой величины. При определении
прочности грунтов в расчет принимается максимальная нагрузка
от подвижного состава с учетом ожидаемого перспективного ее уве-
личения. При ограничении величины пучения в расчетах прини-
мается максимальная в десятилетнем периоде граница промерза-
ния. На участках балластных углублений толщина защитного слоя
назначается из условия срезки балластных углублений. Минималь-
ная толщина защитного слоя для эксплуатируемого земляного по-
лотна должна составлять не менее 0,2 м. Защитный слой должен
устраиваться на всю ширину основной площадки земляного по-
лотна. Допускается уменьшать ширину защитного слоя до шири-
ны, обеспечивающей размещение на нем стандартной балластной
призмы из щебня. При этом вырезку накопленных балластных ма-
териалов и грунтов земляного полотна в пределах обочин необхо-
димо производить до уровня низа защитного слоя с уклоном не
менее 0,04 в полевую сторону с последующей засыпкой обочины
щебнем. Край защитного слоя на двухпутных участках со стороны
междупутья следует располагать на расстоянии не менее 0,7 м от
торцов шпал. Поперечный уклон по верху защитного слоя следует
предусматривать не менее 0,04 в полевую сторону. Верх этого слоя
необходимо располагать на глубине не менее 0,4 м ниже подошвы
шпал. Поверхность среза по низу защитного слоя должна иметь
уклон не менее 0,04 в полевую сторону.
489
Гранулометрический состав защитного слоя подбирается из ус-
ловий выполнения требований по обеспечению: необходимого его
уплотнения и виброустойчивости; непучинистости; отсутствия суф-
фозии (перемешивания) материала защитного слоя с щебнем сверху
и грунтом снизу.
Степень уплотнения защитного слоя и модуль его деформации
определяются требованием его работы в упругой стадии без накоп-
ления остаточных деформаций под воздействием нагрузки от под-
вижного состава. Для обеспечения необходимого уплотнения мате-
риал защитного слоя должен при укладке иметь оптимальную влаж-
ность, которая определяется заранее методом стандартного уплот-
нения.
К основному недостатку использования защитного слоя для уси-
ления существующего железнодорожного полотна относится необ-
ходимость вырезки грунтов на глубину до 1 м, что в условиях боль-
шинства дорог РФ из-за большой глубины замены становится до-
рогостоящим мероприятием и не вписывается в традиционные тех-
нологии ремонта пути, требуя длительного закрытия движения
поездов. С целью уменьшения глубины вырезки применение защит-
ных слоев можно комбинировать с укладкой армирующих слоев из
геосинтетиков (геосетки, георешетки), количество которых опреде-
ляется модулем деформации подстилающих грунтов. Такое реше-
ние нашло широкое применение при реконструкции земляного по-
лотна во многих странах Европы (Австрия, Польша, Словакия, Че-
хия).
Укладка на основной площадке армирующих элементов. Альтерна-
тивным техническому решению по устройству защитных слоев, по-
зволяющему существенно повысить несущую способность, является
армирование основной площадки с помощью элементов, имеющих
высокие прочностные характеристики. При этом удается сократить
толщину достаточного несущего слоя в сравнении с толщиной
обычного защитного слоя. Армирующие слои применяют двух раз-
личных типов: жесткие и с гибкой арматурой, работающей только
на растяжение.
Жесткие армирующие слои имеют два конструктивных вариан-
та: подбалластные плиты из бетона или железобетона; слои грунта,
укрепленные перемешиванием с вяжущим (цементом, известью, зо-
лой уноса). Исследования по возможности применения подбалласт-
490
ных плит для усиления основной площадки на отечественных желез-
ных дорогах проводились в Днепропетровском институте (ДИИТ) с
70-х гг. 20 в. В качестве плит предложено использовать плиты авто-
дорожного покрытия, необходимая ширина которых определяется
из условия непревышения предельной нагрузки в слабом грунте под
плитой и зависит от толщи слоя грунта. По результатам исследова-
ний на Львовской, Одесской и Молдавской железных дорогах на
деформирующихся участках были уложены экспериментальные кон-
струкции с подбалластными плитами. Результаты наблюдений по-
казали, что на опытных участках деформации прекратились и в
течение длительного времени обеспечивалась стабильность пути.
Из-за сложности укладки плит на протяженных участках в техноло-
гические «окна» техническое решение с подбалластными плитами
дальнейшего существенного распространения на отечественных же-
лезных дорогах не получило.
Опытная проверка на отдельных участках второго варианта —
усиления основной площадки земляного полотна созданием жест-
кого подбалластного слоя из грунта, укрепленного вяжущим, про-
изводилась в различных странах. На отечественных железных доро-
гах исследования этого технического решения с созданием под бал-
ластом жесткого слоя грунтобетона проводились в ПГУПСе. Слой
грунтобетона в данном техническом решении располагается под бал-
ластной призмой на глубине 0,4 м под подошвой шпал. Толщина
слоя составляет 0,2 м, ширина 4,0 м. Верхняя поверхность слоя для
обеспечения стока воды формируется с уклоном 0,04. Техническое
решение проверялось на опытных участках линии Санкт-Петер-
бург—Москва, имевших деформации основной площадки земляного
полотна, связанные с расположением в верхней части глинистых
грунтов с низкой прочностью. Работы по созданию слоя грунтобе-
тона выполнялись при снятой рельсошпальной решетке в техноло-
гические «окна». Во время «окна» продолжительностью 6—7 ч уси-
ление может быть выполнено на участке в 100 м. Результаты наблю-
дений за опытными участками подтвердили техническую эффек-
тивность решения, при этом стоимость работ по усилению была
на 30 % снижена относительно стоимости устройства обычных за-
щитных слоев.
Техническая эффективность создания жестких слоев под балла-
стом для усиления основной площадки земляного полотна подтвер-
491
ждается и на железных дорогах Германии, где опорная плита тол-
щиной в несколько дециметров из слоя грунта, обработанного вяжу-
щим, для высокоскоростного движения заменяет традиционное ре-
шение с созданием защитного слоя в несколько раз большей толщи-
ны.
В качестве гибких армирующих элементов применяются покры-
тия из георешеток, геосеток или армированного геотекстиля, кото-
рые изготовляют из полимерных материалов — полипропилена, по-
лиэтилена и полиэфира. Применением георешеток достигается су-
щественное уменьшение толщины защитного слоя. Так, для Чехии
в зависимости от модуля деформации £v2 грунта с недостаточной
прочностью приняты три типа усиления основной площадки:
- 1 тип (при Ev2 < 35 МПа) под балластом располагаются пос-
ледовательно слой щебеночной смеси фракций 0—32 мм толщи-
ной 20 см, покрытие георешеткой, щебеночная смесь фракций 0—
32 мм толщиной 25 см, нетканый материал;
— 2 тип (при EV2 < 28 МПа) под балластом располагаются после-
довательно щебеночная смесь фракций 0—32 мм толщиной 20 см,
георешетка, щебеночная смесь фракций 0—32 мм толщиной 25 см,
георешетка, нетканый материал;
— 3 тип (при EV2 < 15 МПа) под балластом располагаются после-
довательно щебеночная смесь фракций 0—32 мм толщиной 25 см,
георешетка, скальный грунт толщиной, определяемой местными ус-
ловиями, георешетка, нетканый материал.
Аналогичные решения принимаются в других странах и апроби-
рованы при реконструкции магистрали Москва—Санкт-Петербург
под высокоскоростное движение пассажирских поездов. На фото-
графии приведена укладка покрытия из георешетки с нетканым ма-
териалом в ходе глубокой очистки на участке железной дороги в Гол-
ландии (рис. 11.17, а).
Укладка разделительных и теплоизолирующих покрытий из синте-
тических материалов. Разделительный слой из геосинтетических
материалов укладывается под балластной призмой в уровне основ-
ной площадки либо ниже под защитный слой. При разделении грун-
тов земляного полотна и балластного (защитного) слоя геосинтети-
ческими материалами достигается ограничение темпа накопления
остаточных деформаций в подшпальном основании, так как пре-
дотвращается поступление мелких частиц из грунта вверх, а также
492
a
Рис. 11.17. Укладка на основную площадку геосинтетических покрытий:
а — армирующего слоя; б — разделительного слоя из нетканого геотекстиля
493
уменьшается влажность грунта в результате отвода попадающих в
балластную призму атмосферных осадков по разделительному слою.
Для создания разделительного слоя используется нетканый геотек-
стиль, который укладывается на глубину не менее 40 см ниже подо-
швы шпал с обеспечением поперечного уклона 0,04 в полевую сто-
рону (рис. 11.17, б). Срезка обочин земляного полотна ниже покры-
тия для отвода с него воды обязательна и должна выполняться до
проведения работ по очистке балласта (рис. 11.18). Характеристика
нетканого геотекстиля, используемого для разделительного слоя,
приведена в табл. 11.10.
Рис. 11.18. Срезка обочин перед укладкой разделительного слоя из нетканого
геотекстиля
494
Таблица 11.10
Требования к геотекстилю в качестве разделительного слоя
№ п/п Показатель Величина
1 Поверхностная плотность, г/м2 > 280 (250)*
2 Разрывная нагрузка на полоску шириной 5 см в направлении минимального разрыва, кН > 0,8 (0,6)*
3 Относительное удлинение при разрыве, % < 80
4 Прочность при продавливании шариком, кН > 1,2 (1,0)*
5 Коэффициент фильтрации при давлении 200 кПа, м/с > 1 10—4
6 Действующий диаметр пор, мкм <80
7 Химическая и биологическая устойчивость Не поддаваться воздействию кислот, щелочей и бактерий природного происхождения
8 Стойкость к ультрафиолету Выдерживать воздействие прямых солнечных лучей без снижения прочности в течение месяца
9 Геометрические размеры, м: ширина длина в рулоне диаметр рулона 4,2-4,5 не менее 50 не более 0,38
* В скобках указаны характеристики материала при укладке сверху песка.
Устройство разделительных слоев необходимо в случаях, когда
ниже щебеночной балластной призмы находится слой старого заг-
рязненного щебня, содержащего большое количество пылеватых и
глинистых частиц, слои щебня из слабых известковых пород либо
старый балласт из асбестовых отходов.
Усиление основной площадки на участках, где требуется ликви-
дация деформаций морозного пучения (пучины, участки с равно-
мерным пучением, превышающим допустимые величины, а также
участки с просадками пути в период оттаивания), осуществляется
устройством покрытия из плит пенополистирола, назначаемого как
морозозащитный слой. Значения высот пучин, которые должны
быть ликвидированы при усилении, и допустимых величин равно-
495
мерного пучения в зависимости от скорости движения поездов при-
ведены в табл. 11.11.
Таблица 11.11
Допустимые величины пучения
Критерий Значение критерия при скоростях движения, км/ч
121-140 101-120 81-100 61-80 60 и менее
Высота пучины, мм Должна отсутствовать < 10 <25 <50
Допустимая величина пучения, мм <20 < 25 <35
Места расположения пучин, а также их высоты и протяжение
определяются по паспортным данным дистанции пути за период
наблюдения не менее 10 лет. Параметры пучин можно также на-
ходить по результатам двойного нивелирования непосредствен-
но на пучинном участке. Величина равномерного пучения опре-
деляется либо непосредственно на участке нивелированием, либо
расчетным путем исходя из интенсивности пучения грунтов и
балластных материалов, слагающих промерзающую толщу. Участ-
ки с интенсивными просадками пути во время оттаивания нахо-
дят из анализа стабильности рельсовой колеи в этот период по
показаниям путеизмерительного вагона в соответствии с мето-
дикой МИИТа.
В качестве теплоизоляционного материала для покрытия ре-
комендуется применять плиты экструдированного пенополисти-
рола. Полистирольный пенопласт, изготовленный по беспрессо-
вой технологии, к укладке не допускается. Надежность и долго-
вечность работы пенопласта определяется пределом прочности
его на сжатие и водопоглощением (высокое водопоглощение при-
водит к быстрому старению). Длину плит пенопласта по техно-
логии укладки лучше принимать равной ширине покрытия (4—5 м).
По боковым поверхностям плиты должны иметь пазы для пере-
крытия швов. Характеристика плит пенополистирола для уклад-
ки на основную площадку принимается такой же, как и для но-
вых линий (см. табл. 10.33). Толщина плит пенополистирола и
ширина покрытия при применении его как морозозащитного
496
слоя определяются теплотехническим расчетом. Минимальная
толщина покрытия принимается 4 см, а минимальная ширина под
один путь — 4 м.
Для обеспечения плавного перехода по жесткости и теплофизи-
ческим свойствам вдоль пути по концам покрытия из пенополисти-
рольных плит в обязательном порядке устраиваются сопряжения
(см. главу 10).
Укладка теплоизолирующего покрытия производится, как пра-
вило, без снятия рельсошпальной решетки в ходе работы щебне-
очистительной машины при ремонтах пути (рис. 11.19). Покрытие
укладываются на глубину не менее 40 см ниже подошвы шпал с
обеспечением поперечного уклона 0,04 в полевую сторону. Срезка
обочин земляного полотна ниже покрытия для отвода с него воды
обязательна. Непосредственно на покрытие допускается распола-
гать очищенный щебень.
Основным достоинством технических решений по устройству
разделительного или морозозащитного слоя из геосинтетических
материалов, которые укладываются в ходе глубокой очистки, яв-
ляется их технологичность, когда работы выполняются в темпе
Рис. 11.19. Укладка теплоизоляционного покрытия из плит пенополистирола
497
глубокой очистки, благодаря чему данные способы усиления ос-
новной площадки оказываются наиболее дешевыми и доступны-
ми для массового применения. Эффективность устройства раз-
делительных слоев из нетканых материалов и покрытий из плит
экструдированного пенополистирола в качестве морозозащитных
слоев имеет многочисленные подтверждения и на зарубежных
железных дорогах.
Осушение грунтов на основной площадке и в зоне под ней. Проч-
ность грунта и его пучинистость существенно зависят от его влаж-
ности, поэтому одним из направлений противодеформационных ме-
роприятий при деформациях основной площадки является осуше-
ние этой зоны.
Для осушения балластных углублений применяются два типа ре-
шений: защита основной площадки от попадания в углубление ат-
мосферных осадков и устройство дренажа. Защита от попадания ат-
мосферной влаги на протяженных балластных углублениях выпол-
няется укладкой на основной площадке гидроизоляционного покры-
тия (рис. 11.20). Для покрытия могут применяться геомембраны,
выполняемые из листового полиэтилена толщиной от 0,5 до 2 мм,
либо трехслойный материал — из двух слоев нетканых с располо-
женной между ними поливинилхлоридной пленкой толщиной бо-
лее 0,23 мм. Вместо слоев нетканого материала для защиты пленки
могут использоваться слои песка толщиной не менее 0,1 м.
Для выпуска воды из отдельных крупных балластных углублений,
как правило, из балластных мешков используют поперечные прорези.
Поперечные прорези конструктивно могут выполняться без дрен и
с дренами. В поперечном сечении прорези могут выполняться с вы-
Рис. 11.20. Гидроизоляционное покрытие:
1 — гидроизоляционный материал; 2— под-
балластный песчаный слой; 3—балластный
мешок
пуском воды на откосы в
одну сторону или в две сто-
роны (рис. 11.21). Осушение
балластных углублений в вы-
емках и на нулевых местах
осложняется трудностью от-
вода выпускаемой воды, так
как дно балластных углубле-
ний в основном оказывается
ниже дна кюветов и продоль-
ных канав, поэтому попереч-
498
Рис. 11.21. Выпуски поперечных прорезей из балластных углублений:
а — с односторонним выпуском; б — с двусторонним выпуском; В — выпуск
ные прорези дополняются устройством продольных водоотводов,
дно которых должно быть ниже отметок выпуска (рис. 11.22). Про-
рези врезают в глинистые грунты основной площадки в месте мак-
симального углубления, дно ее должно быть ниже дна балластного
углубления на величину не менее 0,2 м. Уклон по дну прорези при-
нимается не менее 0,1.
Стабильность основной площадки земляного полотна в выем-
ках и на нулевых местах во многом определяется исправной рабо-
той продольных водоотводных сооружений, поэтому обязательным
условием является обеспечение в этих местах круглогодичного га-
рантированного отвода поверхностных и грунтовых вод от желез-
нодорожных путей. Следовательно, при проведении ремонтов во-
доотводные сооружения должны полностью восстанавливаться. Как
правило, водоотводы сохраняются в прежнем виде. Однако при на-
личии кюветов в стесненных условиях, когда при устройстве нор-
мального профиля подрезается существующий откос выемки или
оголяются фундаменты опор контактной сети, либо наличие сла-
бых плывунных грунтов не позволяет осуществить нарезку кюве-
499
Рис. 11.22. Выпуски поперечных прорезей в выемках:
а — в углубленный кювет; б — в лоток; в — в подкюветные дренажи; В — выпуск
тов, вместо кюветов применяют лотки либо подкюветные дренажи
мелкого заложения.
Типовой конструкцией лотков являются железобетонные лотки
П-образного сечения высотой 0,75—1,25 м. Недостатком данной
конструкции являются большой вес и продолжительность их соору-
жения. Вместе с тем расчеты расходов ливневого стока показывают,
что при отсутствии грунтовых вод для большинства встречающихся
условий существующие типовые решения имеют значительный ре-
зерв пропускной способности, поэтому с целью уменьшения затрат
они могут быть заменены лотками уменьшенных размеров либо ком-
позитными лотками (см. главу 10). Для обеспечения необходимых
отметок, с которых следует проводить осушение основной площад-
ки, лотки дополняются устройством подкюветных дренажей мел-
кого заложения.
500
При наличии в выемках грунтовых вод и необходимости умень-
шения пучения в качестве противодеформационного мероприятия
принимается решение об устройстве продольных односторонних или
двухсторонних дренажей, глубина которых находится из условия
снижения уровня грунтовых вод под основной площадкой ниже глу-
бины промерзания.
11.4.2. Противодеформационные мероприятия
при недостатке устойчивости откосов
При недостатке устойчивости откосов выбор противодефор-
мационного мероприятия определяется причиной деформации,
типом земляного полотна (насыпь, выемка), объемом неустой-
чивого массива грунта, литологическим строением и другими ус-
ловиями конкретного объекта. При этом обеспечение необходи-
мой устойчивости достигается в основном путем регулирования
гравитационных процессов, общие принципы которого такие же,
как и при регулировании гравитационных процессов на склонах
(см. п. 10.8.7).
При недостаточной общей устойчивости откосов насыпей и ве-
роятности их оползания наиболее распространенным решением,
принимаемым на практике, является отсыпка контрбанкетов. Как
правило, при этом выполняется и необходимое уширение основ-
ной площадки (рис. 11.23). Контрбанкет является поддерживающим
сооружением и повышает общую устойчивость откосов насыпи бла-
годаря концентрации массы грунта в нижней части, создавая упор
Рис. 11.23. Контрбанкет с уширением основной площадки:
7 — песок, щебень, дренирующий грунт; 2 — полки шириной от 4,0 м
501
против оползания. В зависимости от высоты насыпи контрбанкеты
могут быть одно-, двух- и трехполочными, размеры которых опре-
деляются расчетами устойчивости. Ширина полок по условиям про-
хода землеройной техники назначается не менее 4 м. Контрбанкеты
отсыпаются из дренирующих грунтов (песков, щебня) из условия,
чтобы их коэффициент фильтрации был бы выше, чем у грунта на-
сыпи. По существующему откосу перед отсыпкой контрбанкета на-
резаются уступы. Контрбанкеты надежны и долговечны. К их недо-
статкам следует отнести большие объемы грунта и значительное раз-
витие ширины земляного полотна, что представляет сложности при
отсыпке контрбанкетов в зоне водопропускных труб при наличии у
подошвы различных коммуникаций (линий электроснабжения и
связи), а также на застроенных территориях. Альтернативными кон-
трбанкетам решениями в стесненных условиях является примене-
ние армогрунтовых подпорных стен и габионных конструкций, ко-
торые устраиваются так же как и при новом земляном полотне (см.
п. 10.8.7). В зонах водопропускных труб для обеспечения общей ус-
тойчивости откосов и с целью исключения необходимости удлине-
ния труб может также быть применено разработанное в МИИТе кон-
структивное решение с устройством удерживающих стягивающих
элементов (рис. 11.24). Для стягивающих элементов в насыпи с не-
которым шагом вдоль оси пути бурят горизонтальные или слабо-
наклонные скважины, расположенные на откосах. В скважины вво-
дится арматура, и они заполняются песчано-цементным раствором,
1 — насыпь; 2 — скважина, заполненная песчано-цементным раствором; 3 —
защитная полимерная труба; 4 — высокопрочная проволока; 5 — натяжные
устройства; 6 — железобетонная плита
502
Рис. 11.25. Уположение откоса полувыемки
после чего с помощью специальных устройств производится натя-
жение арматуры на железобетонные плиты, располагаемые на про-
тивоположных откосах. Отличительной особенностью способа яв-
ляется то, что стягивающий элемент пересекает любые возможные
поверхности смещения, и при оползании одного откоса, другой на-
чинает играть роль удерживающего массива, а конструкция стяги-
вающего элемента — роль грунтового анкера.
При недостаточной обшей устойчивости откосов выемок и ве-
роятности их оползания наиболее часто выполняется уположение
откосов (рис. 11.25), при высоте откоса более 6 м дополняемое ус-
тройством разделительных берм, которые по условиям производ-
ства работ назначают шириной не менее 3 м, а поверхности при-
дают уклон в сторону откоса не менее 0,04. Очертание откоса пос-
ле уположения определяется расчетами устойчивости. Альтерна-
тивными уположению откосов являются подпорные стены у
подошвы откоса (рис. 11.26) или устройство откосных дренажей
(рис. 11.27). Подпорные стены могут выполняться из бетонных и
железобетонных блоков, быть армогрунтовыми или с применени-
ем габионных конструкций.
503
Рис. 11.26. Подпорная стенка Террамеш на участке оползания откоса выемки
Рис. 11.27. Откосный дренаж в выемке с выпуском в кювет:
а — схема расположения на откосе; б — поперечное сечение; в — продольное
сечение; / — втрамбованный щебень; 2 — среднезернистый песок; 3 — тепло-
изоляция; 4 — местный грунт; 5 — укрепление; 6 — щебень
504
Для удержания от сплыва неустойчивых балластных шлейфов
на откосах насыпи в качестве противодеформационных мероп-
риятий может быть назначено усиление буроинъекционными сва-
ями, разработанными в ПГУПСе (рис. 11.28) или анкерными кон-
струкциями, разработанными в МИИТе (рис. 11.29). Буроинъек-
ционная свая состоит из двух зон: центральной — в виде скважи-
ны диаметром 0,15—0,20 м, где устанавливается арматура с
заполнением вяжущим; периферийной — в виде столба из балла-
ста шлейфа и грунта, укрепленных инъектированием в них вяжу-
щего. Общий диаметр сваи составляет 0,35—0,40 м. В качестве
вяжущего применяются различные составы: цемент, молотый не-
фелиновый шлам, фосфогипс и др. Сваи устраиваются в виде
свайного поля по откосу с шагом между ними, определяемым рас-
четом устойчивости балластного шлейфа. Сваи в обязательном
порядке должны иметь заделку в глинистые грунты ядра насыпи,
величина которой находится расчетом. Анкерные конструкции
также используются как удерживающие балластный шлейф кон-
струкции. Они представляют собой один или несколько рядов
инъекцируемых анкеров, закрепленных в устойчивом ядре насы-
пи, которые передают требуемое натяжение на поверхность шлей-
фа через железобетонные плиты, расположенные на откосе. За
счет натяжения анкеров происходит обжатие шлейфа с увеличе-
нием сил сопротивления смещению на контакте между шлейфом
и грунтом ядра насыпи.
Для обеспечения местной устойчивости откосов насыпи с бал-
ластными шлейфами при зауженности основной площадки в ка-
честве противодеформационной применяется конструкция со
сваями, изготовленными по разрядно-импульсной технологии, —
сваи «РИТА, которые являются разновидностью буронабивных
свай. Разрядно-импульсная технология основана на использова-
нии энергии электрического разряда в скважине, что позволяет
увеличить в 2—4 раза начальный диаметр пробуренной скважи-
ны с образованием зон цементации и уплотнения грунта до 0,6—
1,2 м. Сваи, изготовленные по этой технологии, имеют более вы-
сокую несущую способность на вертикальную и горизонтальную
нагрузку, чем буронабивные. Кроме того, при электрическом раз-
ряде у грунта вокруг сваи повышаются прочностные свойства, что
увеличивает устойчивость шлейфа. Конструкция включает подпор-
505
О
о
о
о
о
Nd11111 b
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
А)
о
о
о
о
о
о
о
а <
F7
о
о
о
о
о
а
Рис. 11.28. Буроинъекционные сваи:
а — свая в разрезе; б — схема расположения на откосе насыпи; 1 — скважина;
2 — арматура; 3 — грунт, поры которого заполнены вяжущим; 4 — балластный
шлейф; 5 — грунт насыпи; /с — полная длина сваи; Z, — глубина заделки сваи;
/ — длина сваи в балластном шлейфе; расстояния а, Ь, Ьо, с — по расчету
Рис. 11.29. Анкерные конструкции:
а — разрез; б — план; 1 — железобетонная плита; 2 — балластный шлейф;
3 — анкер; 4 — ядро насыпи; расстояния 1а, 13, /0, /д, /J' — по расчету
506
ную стенку, опирающуюся на два
ряда свай «РИТА» (рис. 11.30).
Сваи должны иметь необходи-
мую заделку в прочное ядро на-
сыпи. Принцип данной конст-
рукции состоит в том, что сваи
по поверхности возможного
смещения балластного шлейфа
создают дополнительные силы
сопротивления, а подпорная
стенка позволяет производить
необходимое уширение основ-
ной площадки, передавая на-
грузки от веса грунта уширения
на сваи. Шаг свай в продольном
направлении определяется рас-
четом. Для возможности произ-
водства работ на откосе без пе-
рерыва движения поездов при-
меняется специализированный
передвижной комплекс, состоя-
щий из 4 металлических плат-
форм с размещением на нем
всего необходимого технологи-
ческого оборудования. Переме-
щение комплекса осуществляет-
Рис. 11.30. Удерживающая конст-
рукция со сваями «РИТА»:
1 — ось пути; 2 — балластный шлейф;
3 — сваи «РИТА»; 4 — оголовки свай;
5, 7 — опорные швеллеры, погружае-
мые в скважину на величину заделки;
6 — опорные уголки, приваренные к
швеллеру; 8 — щебень для уширения
основной площадки; 9 — опорные
плиты стенки, устанавливаемые меж-
ду швеллерами
ся по «головам» свай вне габарита приближения строений, не пре-
пятствуя движению поездов.
В рассмотренных решениях по закреплению балластных шлей-
фов (буроинъекционные сваи, анкерные конструкции и сваи
«РИТА») в обязательном порядке должен выполняться расчет об-
щей устойчивости насыпи после усиления.
При сплывах и оплывинах откосов выемок принимаются реше-
ния, направленные на снижение гравитационных нагрузок (уполо-
жение откосов) и укрепление поверхности откоса. Например, в слу-
чае возможности сплыва откоса выемки из-за снижения прочности
грунтов при оттаивании на откосе может устраиваться укрепление в
комбинации с теплоизоляцией (рис. 11.31).
507
Рис. 11.31. Укрепление откоса с теплоизоляцией при вероятности сплыва
оттаивающего слоя:
1 — теплоизоляционное покрытие; 2 — защитный слой
Противодеформационные мероприятия скальных откосов при
обвалах, осыпях и вывалах в основном не отличаются от защиты
земляного полотна от таких же явлений на склонах, которые были
рассмотрены в п. 10.8.7.
11.4.3. Противодеформационные мероприятия
для насыпей на слабых основаниях
Деформации насыпей из-за слабых грунтов в основаниях явля-
ются одними из наиболее распространенных, они происходят в ос-
новном в виде сочетания оседания слабых грунтов и их выпора вбок.
Такие объекты характерны для насыпей, расположенных на боло-
тах, в поймах рек и при оттаивании мерзлоты в основании.
Наиболее распространенным противодеформационным мероп-
риятием для насыпей на торфяных основаниях является устройство
пригрузочных берм. Бермы представляют собой призматические
массивы дренирующего грунта, прислоненные к существующей на-
сыпи (рис. 11.32, а). Для уменьшения осадок берм и обеспечения
устойчивости работы строительной техники по подошве берм мо-
жет укладываться геотекстиль или георешетки. Ширина берм b и
уклон откоса бермы 1: т определяются расчетами стабильности ос-
нования. При глубоких болотах во избежание выдавливания торфа
из-под откосов берм и возможного нарушения устойчивости насы-
пи рекомендуется применять конструкцию берм с пионерными дам-
бами (рис. 11.32, б). Дамбы с шириной по верху на менее 4,0 м со-
оружаются в наиболее отдаленной от пути части берм, и дальней-
508
Рис. 11.32. Бермы для стабилизации деформирующихся насыпей на торфяном
основании:
а — бермы; б — то же с пионерными дамбами; 1 — торф; 2 — берма; 3 — неста-
бильная насыпь с погружением в болото; 4 — геотекстиль (георешетка); 5 —
пионерная дамба
шая отсыпка берм производится с дамб с последовательным при-
ближением к пути.
Альтернативным устройству берм решением для стабилизации
насыпей на слабых основаниях являются ограждающие конструк-
ции, которые представляют собой свайные ряды или сплошное ог-
раждение в виде шпунта, либо «стены в грунте». Обобщенная схема
ограждающей конструкции приведена на рис. 11.33. В качестве свай
могут применяться буронабивные сваи диаметра 1,0—1,2 м, сваи
«РИТА» или деревянные сваи. Сваи нижним концом погружают в
прочные грунты минерального дна с обеспечением их заделки ис-
ходя из прочности свай. Расстояние между сваями вдоль пути и ко-
личество рядов определяется условием отсутствия продавливания
между сваями торфа и восприятия горизонтальной нагрузки сами-
ми сваями. Ограждающая конструкция типа «стена в грунте» при-
509
Рис. 11.33. Обобщенная схема ограждающих конструкций
Рис. 11.34. Схема «стены в грунте» из камня:
/ — «стена в грунте»; 2 — нестабильная насыпь; 3 — торф; 4 — минеральное дно
меняется при глубоких болотах и низких прочностных характери-
стиках торфа, когда он продавливается даже через небольшие рас-
стояния между сваями. Стена может быть получена бурением сква-
жин большого диаметра, соприкасающиеся одна с другой, кото-
рые заполняются камнем (рис. 11.34). Стены могут сооружаться
также вскрытием траншей в зимнее время с заполнением их кам-
нем или замораживанием торфа с применением охлаждающих ус-
тановок (СОУ).
510
11.5. Усиление и реконструкция земляного полотна
11.5.1. Общие положения
Как было показано выше, построенное ранее земляное полот-
но, имело параметры, не отвечающие современным более высо-
ким требованиям. Кроме того, в ходе длительной эксплуатации
оно претерпело значительные изменения: в нем накопились раз-
личные дефекты, начало происходить деформирование, что при-
вело к снижению надежности его работы. Возникла необходи-
мость в периодическом проведении работ по усилению земляно-
го полотна. При этом, если усиления требуются на отдельных
объектах земляного полотна, то работы могут выполняться при
капитальном ремонте полотна или пути. В случае если земляное
полотно необходимо усиливать на большом протяжении, а сами
работы по усилению носят фундаментальный характер, нужно
проведение реконструкции земляного полотна. Реконструкция
земляного полотна выполняется в составе работ по реконструк-
ции железнодорожного пути или инфраструктуры линии в целом.
При этом реконструкция пути или инфраструктуры в первую оче-
редь назначается на линиях при необходимости повышения их
технического уровня для обеспечения обращения поездов с по-
вышением скоростей движения (пассажирских и/или грузовых),
увеличением массы и длины грузовых поездов или роста их осе-
вых нагрузок. На линии может планироваться рост как любого
из перечисленных эксплуатационных параметров в отдельности,
так и рост их в различных сочетаниях. Кроме того, реконструк-
ция земляного полотна может назначаться на линиях, где эксп-
луатационная надежность земляного полотна или основные его
геометрические размеры не отвечают современным условиям:
— конструкция и состояние земляного полотна не обеспечи-
вают требуемой пропускной и провозной способности из-за на-
личия барьерных мест и частых ограничений скоростей подвиж-
ного состава;
- на линии из-за состояния земляного полотна происходит
снижение продолжительности межремонтных сроков более чем
на 25 %, что приводит к повышенным расходам труда, материа-
лов, денежных средств и потребности в «окнах» для производ-
ства путеремонтных работ.
511
11,5.2. Требования к усилению земляного полотна при ремонтах
Усиление земляного полотна проводится в рамках выполнения
капитальных ремонтов земляного полотна и железнодорожного
пути. При этом такие работы, как усиление основной площадки,
прилегающих к ней водоотводов, а также уширение основной пло-
щадки и уположение откосов, не требующие больших объемов, про-
водят при ремонтах пути, а усиление сложных индивидуальных
объектов земляного полотна и полный ремонт водоотводных и за-
щитных сооружений выполняют по программе ремонта земляного
полотна, которая осуществляется по отдельным проектам и сметам,
как правило, за год до производства ремонтно-путевых работ.
Работы по усилению основной площадки земляного полотна
должны проектироваться во всех местах активного развития бал-
ластных углублений, балластных выплесков, просадок и пучин,
числящихся в учетных формах ПУ-9 и ПУ-10. Исходными данны-
ми для проектирования таких работ должны служить материалы
сплошного инструментального обследования основной площадки
земляного полотна, водоотводов (кюветы, лотки, канавы), прово-
димого перед началом работ с выявлением их очертания и глуби-
ны расположения, определения наличия защитного подбалласт-
ного слоя, балластных шлейфов, размеров, сложения и загрязнен-
ности балластной призмы. Обследование выполняется с примене-
нием как непосредственного опробования (бурение, шурфование),
так и геофизических методов (георадиолокация, электрозондиро-
вание) с анализом пути по лентам путеизмерительного вагона и
проходам нагрузочного агрегата. При проектировании работ по
усилению основной площадки земляного полотна применяются
технические решения по повышению несущей способности земля-
ного полотна, приведенные в п. 11.4.1.
Ширина основной площадки земляного полотна после усиления
должна отвечать условиям размещения типовой балластной призмы
и наличию обочин не менее 0,5 м, которые должны быть срезаны до
низа балластной призмы. Уширение земляного полотна поверху сле-
дует назначать при расстоянии от оси пути до бровки менее 3,3 м.
Вопрос об уширении основной площадки земляного полотна дол-
жен решаться в комплексе с принимаемыми решениями по ее ста-
билизации на основе технико-экономических расчетов и сравнения
вариантов.
512
Уположение откосов насыпей необходимо предусматривать при
крутизне откосов более 1:1,5, а откосов выемок — более 1:1,75 (при
стабильных откосах выемок допускается их крутизна не более 1:1,5).
При этом на путях 1—3-го классов должно предусматриваться уст-
ранение всех завышений крутизны откосов и срезка или закрепле-
ние балластных шлейфов на откосах насыпей высотой более 6 м.
При более низких насыпях закрепление шлейфов и уположение от-
косов, как правило, следует производить досыпкой материала. Уст-
ранение завышенной крутизны откосов и ликвидация или закреп-
ление балластных шлейфов решается в комплексе с обеспечением
нормальной ширины основной площадки земляного полотна. В слу-
чае небольших объемов земляных работ и отсутствия необходимо-
сти применения специальных конструктивных решений (армогрун-
товые сооружения, конструкции из габионов, контрбанкеты, под-
порные стены и т.д.) работы выполняются при капитальных ремон-
тах пути. В иных случаях они производятся при капитальном
ремонте земляного полотна.
На путях 1-го и 2-го классов должны быть выполнены работы по
стабилизации всех деформирующихся и неустойчивых мест земля-
ного полотна с размывами, сплывами и оползанием откосов; на пу-
тях 3-го класса — всех мест, имевших признаки деформаций в пе-
риод после предыдущего капитального ремонта пути; на путях 4-го
и 5-го классов — активно деформирующихся мест. На работы по
устранению дефектов и деформаций земляного полотна, которые
выполняются в составе капитального ремонта земляного полотна,
составляются отдельные проекты и сметы. Проводятся работы по
противодеформационным мероприятиям на участках со сложными
инженерно-геологическими условиями (оползневые косогоры, за-
карстованные, замерзлоченные, заторфованные и слабые основа-
ния и др.), а также ремонт или замена отдельных противодеформа-
ционных конструкций и устройств в объемах, требуемых для их нор-
мальной работы в течение периода между усиленными капиталь-
ными или капитальными ремонтами пути.
При ремонте водоотводные и дренажные сооружения (кюветы,
лотки, продольные и нагорные канавы, дренажи, поперечные про-
рези, штольни, колодцы и др.) должны быть приведены в состоя-
ние, обеспечивающее их нормальное функционирование.
513
11.5.3. Требования к реконструкции земляного полотна
Земляное полотно после реконструкции должно удовлетворять
следующим основным требованиям:
- соответствовать нагрузкам и скоростям, предусмотренным пос-
ле окончания реконструкции;
— обеспечивать длительную эксплуатацию при пропуске расчет-
ной нагрузки от современных и перспективных типов подвижного
состава;
— иметь надежность по протяжению выше заданной, определяе-
мой категорией линии.
В ходе проведения реконструкции должны быть устранены все
дефекты и деформации земляного полотна, в том числе проведена
стабилизация всех деформирующихся и неустойчивых мест земляно-
го полотна с размывами, сплывами и оползанием откосов, на участ-
ках со сложными инженерно-геологическими условиями (оползне-
вые косогоры, мерзлота, распространение карста, болота, скально-
обвальные явления, слабые основания и др.). Эти работы, а также
ремонт или замена всех дефектных и неисправных защитных, укре-
пительных и водоотводных сооружений и устройств включаются в
проект реконструкции. При проектировании противодеформацион-
ных мероприятий необходимо руководствоваться соответствующи-
ми нормативными и рекомендательными документами, в том чис-
ле: СТН Ц-01-95 «Железные дороги колеи 1520 мм»; Указаниями по
техническим решениям и технологии усиления и стабилизации на-
сыпей на болотах; Стандартными проектными решениями и техно-
логиями усиления земляного полотна при подготовке полигонов сети
для введения скоростного движения пассажирских поездов и др.
Ширина основной площадки земляного полотна после реконст-
рукции на всем протяжении должна отвечать нормам СТН Ц-01-95,
обеспечивая наличие обочин нормативной шириной. Земляное по-
лотно поверху на подходах к большим мостам на протяжении 10 м
от задней границы устоев должно быть уширено на 0,5 м с каж-
дой стороны. Это уширение далее постепенно на длине 25 м дол-
жно быть сведено до ширины обочин 0,5 м. Уширение на насы-
пях может выполняться за счет понижения отметок основной пло-
щадки земляного полотна, боковых присыпок грунта на откосах
или с использованием армогрунтовых конструкций. Уширение в
выемках осуществляется путем переустройства существующих
514
водоотводов, в том числе на лотки и подкюветные дренажи. Обо-
чины земляного полотна должны быть срезаны до уровня подо-
швы новой балластной призмы.
Крутизна откосов насыпей и выемок должна обеспечивать их ме-
стную устойчивость и общую устойчивость земляного полотна. При
этом для типовых поперечных профилей крутизна принимается в
соответствии с нормативами СТН Ц-01-95 без расчетов, а в слож-
ных случаях для индивидуальных поперечных профилей должны
быть выполнены расчеты устойчивости, и полученные коэффици-
енты устойчивости должны быть выше минимально допустимых зна-
чений, приведенных в приложении 1 СТН Ц-01-95. На откосах на-
сыпей и выемок должны быть срезаны и убраны отложения загряз-
нителей балласта, а заработанные нулевые места и мелкие выемки
должны быть раскрыты до нормативного очертания.
Под балластной призмой на всем протяжении линии устраива-
ется защитный слой из непучинистых грунтов и материалов. Харак-
теристики (толщина и наличие в конструкции геосинтетических ма-
териалов) защитного слоя выбираются расчетом исходя из выпол-
нения требования обеспечения несущей способности нижележащих
грунтов под действием расчетной нагрузки от подвижного состава
и устранения пучения этих грунтов. Величина равномерного мороз-
ного пучения после реконструкции не должна превышать 20 мм.
Кроме того, для скоростей движения свыше 120 км/ч должны быть
устранены все пучины, а на дорогах со скоростями не более 120 км/ч
пучины высотой свыше 10 мм. Модуль деформации по верху защит-
ного слоя принимается не менее 65 МПа. В качестве защитного слоя
может применяться подушка из крупно- и среднезернистого песка,
гравийно-песчаная смесь, щебень фракций менее 25 мм, а также их
комбинация с покрытиями из геотекстиля, пенополистирола или
армирующих слоев из георешеток. Коэффициент уплотнения мате-
риала защитного слоя назначается не менее 0,98 для обычных ли-
ний и 1,00 — для скоростных. Допускается использовать в качестве
защитного слоя старый балласт, если он по своим характеристикам
отвечает требованиям к защитным слоям. Минимальная толщина
защитного слоя должна быть не меньше 20 см.
В местах примыкания земляного полотна к устоям мостов и пор-
талам тоннелей должны быть устроены участки с переменной жест-
костью, конструкция которых должна обеспечивать стабильность
515
балластной призмы и верхней части земляного полотна. Для участ-
ков предпортальных выемок, проходящих в скальных грунтах, уча-
стки переменной жесткости допускается не устраивать. Длина уча-
стка переходного пути с переменной жесткостью определяется для
каждого конкретного объекта протяжением фактической зоны по-
вышенных расстройств пути. Минимальная длина участка измене-
ния жесткости принимается не менее 25 м при скоростях движения
поездов более 120 км/ч и 20 м — при более низких скоростях.
На перегонах и станциях после реконструкции должны быть в
полном объеме устройства для отвода поверхностных вод от земля-
ного полотна, а в необходимых случаях также и для понижения уров-
ня грунтовых вод. Водоотводные и дренажные сооружения (кюве-
ты, лотки, продольные и нагорные канавы, дренажи, поперечные
прорези, штольни, колодцы и др.) должны быть приведены в состо-
яние, обеспечивающее их нормальное функционирование. Конст-
рукция и материал водоотводных и дренажных сооружений долж-
ны обеспечивать их исправную работу как минимум в течение сро-
ка между основными видами ремонта, а периоды между сплошны-
ми очистками должны быть не меньше периода между проведением
промежуточных ремонтно-путевых работ. Существующая конструк-
ция, не отвечающая этим требованиям, должна полностью заме-
няться при реконструкции. Этим же требованиям должны отвечать
и вновь проектируемые конструкции. Грунтовые воды в пределах
основной площадки на нулевых местах и в выемках должны быть
дренированы лотками или дренажами и отведены от земляного по-
лотна с таким расчетом, чтобы их уровень был ниже границы про-
мерзания-оттаивания грунта по оси пути.
Откосы насыпей, выемок и всех защитных и водоотводных зем-
ляных сооружений и устройств, возводимых из грунтов или соору-
жаемых в грунтах, подверженных разрушению от природных воз-
действий, а также подтопляемых, должны быть укреплены. Тип ук-
репления следует назначать в зависимости от конструкции соору-
жения, от интенсивности воздействия природных факторов и от
физико-механических свойств грунтов земляных сооружений.
Исходными данными для проектирования реконструкции земля-
ного полотна должны служить материалы инструментального обсле-
дования основной площадки, а также деформирующихся и неустой-
чивых объектов, водоотводов, проводимого перед началом работ с
516
выявлением их очертания и глубины расположения, определения на-
личия защитного подбалластного слоя, балластных шлейфов, разме-
ров, сложения и загрязненности балластной призмы. Обследование
выполняется на основе результатов инженерно-геологических, ин-
женерно-геодезических, инженерно-гидрометрических и гидрологи-
ческих изысканий с анализом состояния пути по данным путеизме-
рительного вагона и проходам нагрузочного агрегата. В трудных ус-
ловиях дополнительно должны быть проведены гидрогеологические
и другие виды изысканий, а также определены прочностные и де-
формационные свойства грунтов земляного полотна и основания.
11.6. Мониторинг земляного полотна
11.6.1. Основные положения
В последнее время термин «мониторинг» получил довольно
широкое распространение в различных сферах человеческой дея-
тельности, и в это понятие вкладывается не всегда одинаковый
смысл, поэтому необходимо дать определение этому понятию в
применении к мониторингу земляного полотна железных дорог и
рассмотреть основные его принципы. Термин «мониторинг» име-
ет происхождение из английского языка от слова monitoring в его
смысловом значении — контрольное наблюдение. Первое поня-
тие мониторинга было принято в 1972 г., применительно к мони-
торингу окружающей среды, и формулировалось как «система по-
вторных наблюдений одного и более элементов окружающей при-
родной среды в пространстве и времени с определенными целями в
соответствии с заранее подготовленной программой». Теория мо-
ниторинга окружающей среды (другое название экологический мо-
ниторинг) в последующем получила значительное развитие в нашей
стране в трудах академика Ю.А. Израэля, который дополнил поня-
тие мониторинга двумя важнейшими функциями. Он указал на то,
что мониторингу присуще не только наблюдение, но и прогноз, и
на то, что, в конечном счете, мониторинг служит управлению со-
стоянием окружающей среды.
Дальнейшее развитие теории мониторинга окружающей среды
привело к разделению общей системы мониторинга на подсисте-
мы, разработке и детализации понятий для подсистем, одной из ко-
торых (наиболее близкой к рассматриваемому вопросу) является
517
подсистема мониторинга геологической среды, или литомонито-
ринг. Одним из важных понятий, введенных в литомониторинге,
является понятие природно-технической системы (ПТС) или гео-
технической системы (ГТС), под которой понимается совокуп-
ность инженерного сооружения (комплекса инженерных соору-
жений) с частью геологической среды в зоне его (их) влияния,
имеющей операционально фиксированные границы. Таким об-
разом, при литологическом мониторинге рассматривается геологи-
ческая среда уже не сама по себе, а во взаимодействии с инженер-
ными сооружениями.
Исходя из этих положений, понятие мониторинга земляного по-
лотна формулируется как определенная процедура управления со-
стоянием геотехнической системы — земляное полотно, осуществ-
ляемая по целевой программе, в которую входит:
— диагностика объектов с нахождением основных параметров;
— выделение объектов, имеющих недостаточную надежность;
— режимные наблюдения и измерения параметров на объектах,
имеющих недостаточную надежность;
— оценка по результатам наблюдений и измерений параметров
состояния объектов, имеющих недостаточную надежность;
— прогноз развития состояния объектов, имеющих недостаточ-
ную надежность;
— разработка сценариев по управлению состоянием объектов,
заключающихся в рекомендациях (при необходимости) изменения
их конструктивных параметров и (или) технологических режимов
функционирования.
Одним из наиболее ответственных этапов проведения мониторинга
является выделение участков земляного полотна, имеющих недоста-
точную надежность, так как проведение мониторинга сплошь по все-
му протяжению пути, с одной стороны, затруднительно, а с другой —
не позволяет концентрировать усилия на действительно опасных
объектах.
Диагностика земляного полотна должна обеспечивать определе-
ние основных параметров, позволив дать оценку технического со-
стояния объекта на момент диагностирования. Центральное место
в мониторинге земляного полотна должны занимать регулярные ре-
жимные наблюдения и измерения параметров, позволяющие опе-
ративно в режиме реального времени оценивать возможность воз-
518
никновения деформаций, угрожающих безопасности движения по-
ездов и приводящих к его перерывам.
Система мониторинга земляного полотна на сети дорог должна
создаваться как единая система, включающая комплекс различных
методов диагностики и режимных наблюдений, но, учитывая мно-
гообразие инженерно-геологических условий, причин и типов де-
формаций земляного полотна, для каждого из них этот комплекс
может содержать различный набор методов и средств диагностики
и режимных наблюдений.
11.6.2. Земляное полотно как геотехническая система
и функции мониторинга
Земляное полотно при системном подходе может быть рассмот-
рена как подсистема в природно-технической системе железнодо-
рожный путь (ПТС ЖДП)1 (рис. 11.35), которая взаимодействует с
другими подсистемами и, выполняя функцию фундамента в конст-
рукции железнодорожного пути, обеспечивает стабильность поло-
жения верхнего строения пути в пространстве в течение заданного
срока эксплуатации.
Рис. 11.35. Геотехническая система земляное полотно
1 ПТС ЖДП в свою очередь является подсистемой для системы более вы-
сокого ранга — железная дорога.
519
Геотехническая система земляное полотно (ГТС ЗП) объектов
земляного полотна сети железных дорог представляется как иерар-
хическая система, структурно построенная по принципу вложения
подсистем более низкого уровня в подсистемы более высокого уров-
ня (рис. 11.36), в которой может быть выделено 5 уровней от А до Д.
Верхний уровень (мегауровень) представляет земляное полотно
в пределах железной дороги как наиболее крупного структурного
подразделения ОАО «РЖД», являющегося центром по управлению
функционированием системы. На уровне дороги осуществляется
планирование работ по содержанию земляного полотна с учетом рас-
пределения инвестиций; ведется сбор, обработка, анализ и хране-
ние информации; выполняется инженерная поддержка обследова-
тельских и проектных работ.
Второй уровень (макроуровень) составляет подсистема земляно-
го полотна в пределах одного направления дороги, характеризую-
щегося примерно одинаковыми внешними для системы эксплуата-
ционными параметрами нагрузок (грузонапряженность, скорость,
нагрузки на ось и т.д.), и является однородной по предъявляемым к
ней требованиям по уровню надежности. Подсистема земляного
Уровень системы:
Мега (А)
Дорога
Макро (Б)
Мезо (В)
Мини (Г)
Микро (Д)
Рис. 11.36. Структурно-иерархическая схема ГТС ЗП
520
полотна на этом уровне по отношению к выполнению основной
функции земляного полотна — пропуску подвижного состава с за-
данными скоростями, является единой, так как отказ одного из эле-
ментов приводит к сбою всей подсистемы. На этом уровне произво-
дится выделение основных направлений и малодеятельных участков.
Третий уровень (мезоуровень) представляют единичные объек-
ты земляного полотна, на которые по принципу однотипности кон-
струкции (насыпь, выемка, нулевое место и т.д.) делится земляное
полотно направлений. Это основной уровень, обеспечивающий вы-
полнение функциональной задачи земляного полотна, и уровень,
на котором определяется надежность и производится управление.
Четвертый уровень (мини-уровень) составляют отдельные элемен-
ты единичного объекта земляного полотна (основная площадка, от-
косные части, ядро насыпи, основание, защитные и укрепительные
сооружения и т.д.). Выделение данного уровня позволяет при управ-
лении целенаправленно выделять слабые зоны, требующие усиления.
Пятый нижний уровень (микроуровень) выделяет в единичных
объектах отдельные инженерно-геологические элементы (ИГЭ), что
является характеристикой на уровне материала (грунта). Важным
на данном уровне являются свойства материала, определяющие спо-
собность выполнения единичным объектом или его элементом воз-
ложенных на них функций.
Рассмотрим схему функционирования мониторинга земляного
полотна во временном аспекте. Общая схема выполнения четырех
основных функций (Н — наблюдения, О — оценка, П — прогноз и
У — управление) для мониторинга земляного полотна может быть
представлена в виде спирали во времени (рис. 11.37).
Мониторинг земляного полотна на первой стадии начинается с
функции оценки результатов наблюдений, накопленных за преды-
дущие годы до его организации. На первом же цикле при осуще-
ствлении этапа прогнозирования проводится разработка целевой
программы мониторинга, с которой и начинается мониторинг в
полном его смысле. В пределах дорог функции оценки и прогноза
объединяются в единый аналитически—прогнозный блок (АПБ),
выполнение которого осуществляется в дорожных центрах диагно-
стики при Службах пути. Настоящий блок является центральным в
схеме мониторинга: через него осуществляется переработка и пере-
дача восходящего информационного потока от измерительно-кон-
521
Цепь наблюдений
трольного блока к блоку управления и прохождение обратного нис-
ходящего потока управленческих решений.
Блок-схема функционирования для трехзвенной системы мо-
ниторинга земляного полотна приведена на рис. 11.38. Главный
блок по принятию управленческих решений — блок управления
(БУ) формируется под руководством Службы пути с подключени-
ем центра диагностики, научных и проектных организаций для раз-
работки сценариев управления объектами и проектно-сметной до-
кументации для усиления. Неотложные управленческие решения
по режимам эксплуатации единичных объектов могут принимать-
ся также на уровне дистанции пути. Третий блок системы, выпол-
няющий измерительно-контрольные функции (ИКБ), формиру-
ется на базе центра диагностики (обследовательская группа) и ра-
ботников дистанции пути. При необходимости проведения специ-
альных режимных наблюдений могут подключаться научные
организации, а при необходимости выполнения объемных обсле-
дований, включающих в себя инженерно-геологические и инже-
нерно-геофизические работы, — проектные организации. Из схем
функционирования мониторинга вытекает стадийность его про-
ведения с выделением на каждой стадии процедур, которые долж-
ны быть выполнены (табл. 11.12).
Рис. 11.38. Блок-схема функционирования мониторинга земляного полотна
523
Таблица 11.12
Стадийность мониторинга
Стадия Блок Процедура
1 2 3
1 АПБ Анализ информации, имеющейся до начала мониторинга. Разработка стратегии мониторинга. Составление моделей деформирования. Определение потенциально опасных объектов (объекты с низкой надежностью). Выбор объектов мониторинга. Составление методик диагностики и наблюдений. Разработка моделей управления для объектов с низкой надежностью
БУ Разработка сценариев управления (выбор режима эксплуатации и методов усиления) для объектов с низкой надежностью. Разработка проектно—сметной документации на усиление объектов. Составление общего инвестиционного плана для ГТС ЗП. Разработка директивных планов для аналитически- прогнозного и измерительно-контрольного блоков
2 ИКБ Проведение обследований. Наблюдения за выбранными объектами. Передача информации в аналитически-прогнозный блок
АПБ Анализ информации, полученной дополнительно при обследовании и наблюдениях. Проведение прогнозных расчетов деформирования объектов. Корректировка стратегии мониторинга и методик обследования и наблюдений. Уточнение перечня потенциально опасных объектов и объектов мониторинга. Выделение объектов, требующих усиления и изменения режимов эксплуатации
БУ Корректировка сценариев управления для объектов с низкой надежностью. Разработка проектно-сметной документации на усиление. Разработка программы наблюдений после проведения работ по усилению. Корректировка общего инвестиционного плана для ГТС ЗП
524
Окончание табл. 11.12
1 2 3
3 ИКБ Передача директивной информации в аналитически- прогнозный и измерительно-контрольный блоки. Проведение дополнительных обследований. Наблюдения за выбранными объектами с низкой надежностью и объектами после усиления по откорректированной программе. Передача информации в аналитически-прогнозный блок
АП Б Повторение процедур стадии 2 на новом уровне
БУ Повторение процедур стадии 2 на новом уровне
Параметры земляного полотна, которые необходимо определить
при диагностировании и режимных наблюдениях, должны позво-
лять оценивать надежность объекта земляного полотна и прогнози-
ровать ее изменение во времени. Надежность земляного полотна
(прочность, устойчивость и отсутствие деформаций) определяется
в первую очередь:
— геометрическими размерами и литологическим строением зем-
ляного полотна и его основания;
— основными физико-механическими свойствами грунтов, ко-
торые слагают земляное полотно и основание;
— полями влажности, температуры и напряжений в земляном по-
лотне и его основании;
- внешними техногенными и природными воздействиями.
Основным параметром на выходе системы диагностики и режим-
ных наблюдений является деформация земляного полотна.
11.6.3. Методы и средства диагностики земляного полотна
Понятие «диагностика земляного полотна» было предложено
проф. Г.Г. Коншиным (ВНИИЖТ) в начале 70-х гг. XX в. взамен
более узкого понятия «обследование земляного полотна». В это вре-
мя были выполнены исследования на эксплуатируемом земляном
полотне, которые позволили разработать систему диагностики с ис-
пользованием геофизических методов для специфических условий
железнодорожного пути.
Элементами системы диагностики являются: объект исследова-
ния; методы и технические средства диагностирования; класси-
525
фикация диагностических признаков (критерии опознавания дефор-
маций); подготовленный технический персонал, взаимодействую-
щий с объектом исследования по правилам, установленным соот-
ветствующей нормативно-методической документацией; экспертное
заключение о техническом состоянии земляного полотна с указа-
нием места, вида и причины деформаций.
Система диагностики земляного полотна основана на приме-
нении как традиционных, так и новых геофизических методов, со-
временной измерительной аппаратуры и компьютерных техноло-
гий (рис. 11.39). В системе диагностики также используются спе-
циально разработанные передвижные диагностические лаборато-
рии. Основу системы диагностики земляного полотна составляют
геофизические методы, которые основаны на изучении аномалий
физических полей, обусловленных изменением литологического
строения земляного полотна, различием физико-механических
Рис. 11.39. Методы диагностики земляного полотна
526
свойств грунтов. Физические поля в земляном полотне возникают
от воздействий:
— постоянного или переменного электрического тока через за-
битые в грунт электроды (электрометрический метод и метод элек-
троконтактного динамического зондирования);
- излучения электромагнитных высокочастотных сигналов (ра-
диолокационный метод);
— ударных нагрузок типа молота по грунту (сейсмический ме-
тод);
- движущегося подвижного состава (вибрационный метод).
Ниже приведена краткая характеристика геофизических методов.
Электрометрический метод. Основан на изучении сопротивле-
ния различных грунтов проходящему через них электрическому току.
В качестве диагностического признака принято удельное электри-
ческое сопротивление р, Ом м. Зависимость р от состава, свойств и
состояния различных грунтов служит физической основой для при-
менения электрометрического метода. Наиболее широко применя-
емые схемы наблюдений: вертикальное электрическое зондирова-
ние (ВЭЗ) и электропрофилирование (ЭП).
Метод электроконтактного динамического зондирования (ЭДЗ).
Сочетает два способа одновременного исследования грунтов: дина-
мическое зондирование и токовый каротаж. Для исследований при-
меняют установку ЭДЗ, с помощью которой по изменению величи-
ны тока устанавливают глубину залегания различных слоев грунта,
а по результатам динамического зондирования определяют их проч-
ностные характеристики.
Радиолокационный метод. Основан на изучении параметров элект-
ромагнитных волн (скорость распространения и коэффициент по-
глощения), возникающих в грунтах от импульсного воздействия
высокочастотного генератора.
При радиолокационном методе не требуется контакта антенн с
поверхностью грунта, как в других геофизических методах, поэтому
оно может выполняться с передвижных единиц (рис. 11.40), что
обеспечивает скоростную диагностику протяженных участков зем-
ляного полотна. Георадаром возможно проведение диагностики
строения основной площадки земляного полотна (наличие балласт-
ных углублений), исследование строения приоткосных частей на-
сыпей (определение размеров и расположения балластных шлей-
527
б
Рис. 11.40. Радиолокация грунта земляного полотна:
а — размещение георадара на путевой дрезине; б — радарограмма
528
фов), определение границ торфяных грунтов в основаниях насыпей
на болотах, а также границ расположения мерзлых грунтов. Диаг-
ностика основной площадки земляного полотна с выделением бал-
ластных углублений георадаром показана на рис. 11.40, б.
Сейсмический метод. Физической предпосылкой применения это-
го метода является отличие скоростей распространения продольных
Кр и поперечных Vs упругих волн, связанных с наличием в земля-
ном полотне литологических границ и различием свойств и состоя-
ния грунта. Используют две методики наблюдений: продольного
сейсмического профилирования и поперечного сейсмического про-
свечивания. Сейсмический метод является наиболее информатив-
ным среди других геофизических методов по своим возможностям
и кругу решаемых диагностических задач.
Вибрационный метод. Основан на использовании вибраций грунта
насыпей, возникающих от воздействия подвижного состава. Опре-
деленному состоянию эксплуатируемых насыпей соответствует груп-
па диагностических признаков динамического процесса, что явля-
ется предпосылкой применения вибрационного метода.
Для комплексного использования различных методов создан ва-
гон-лаборатория ВИГО на базе пассажирского вагона. Передвиж-
ные лаборатории оснащенны современными приборами и обору-
дованием, позволяющими выполнять комплексную диагностику
земляного полотна с применением как традиционных, так и геофи-
зических методов.
Различные методы диагностики применяют в зависимости от по-
ставленных задач и вида наблюдений: предварительные, детальные
и режимные.
Традиционные методы могут использоваться при необходимос-
ти на различных стадиях диагностирования земляного полотна. Пе-
редвижные диагностические комплексы (ПНК) в виде эталонных
нагрузочных лабораторий, путеизмерительные вагоны-лаборатории
(ВП), в том числе с радиолокационными комплексами применяют
при предварительной диагностике и при режимных наблюдениях.
Диагностические исследования перечисленными комплексами
выполняются с рельсового пути и охватывают только рабочую зону
земляного полотна на глубину не более 3—4 м.
Геофизические методы, как правило, применяют при детальной
диагностике, когда необходимо получить наиболее полную и конк-
529
ретную информацию о состоянии земляного полотна с указанием
вида и размеров имеющихся деформаций.
Диагностика основной площадки. Сейсмическим методом и на от-
дельных участках для более детального разделения слоев грунта ме-
тодом электроконтактного динамического зондирования определя-
ют: углубления в основной площадке в виде балластных корыт, лож,
мешков, а также выделяют водонасыщенные и ослабленные по проч-
ности зоны грунта.
Диагностика насыпей из глинистых грунтов. Сейсмическим и элек-
трометрическим методами на откосах насыпей устанавливают мощ-
ность балластных шлейфов; методом электроконтактного динами-
ческого зондирования выделяют на откосах отдельные ослабленные
по прочности слои грунта, по которым возможны деформации на-
сыпи. Сейсмическим и электрометрическим методами и в ряде слу-
чаев методом электроконтактного динамического зондирования раз-
деляют грунты тела насыпи по их виду и состоянию, выявляют и
оконтуривают ослабленные по прочности зоны в теле насыпей. Виб-
рационный метод позволяет оценивать динамическое состояние на-
сыпей и прогнозировать появление их внезапных деформаций под
поездами.
Диагностика основания земляного полотна. В качестве основных
методов рекомендуется применять сейсмический и электрометри-
ческий методы; дополнительно — радиолокационный и метод элек-
троконтактного динамического зондирования. При диагностике на-
сыпей, возведенных на болотах, с помощью электрометрического
метода определяют величину погружения насыпи в толщу илистых
отложений и выявляют участки пути, на которых насыпь села на
минеральное дно.
На оползневых косогорах, на которых сооружено земляное по-
лотно, с помощью сейсмического метода определяют границы между
оползающими (или склонными к оползанию) и устойчивыми поро-
дами; устанавливают морфологию ложа оползня; выясняют геомет-
рию оползневых блоков в плане и иногда этажность оползня; оце-
нивают характер трещиноватости оползневого массива и преиму-
щественное направление оползневых трещин.
На участках скальных выемок сейсмический метод может при-
меняться: для установления мощности рыхлых покровных отложе-
ний скальных массивов; мощности выветрелой зоны коренных по-
530
род; выявления и оконтуривания вертикальных ослабленных зон в
скальных породах; определения азимутов простирания вертикаль-
ных и крутопадающих трещин или слоев вертикально-слоистых толщ;
определения коэффициента объемной трещинной пустотности.
В районах распространения карстовых процессов под земляным
полотном или в непосредственной близости от его оснований могут
находиться карстовые полости, которые при определенных услови-
ях представляют реальную угрозу безопасности движения поездов.
Применение сейсмического и электрометрического методов позво-
ляет выявить местоположение, глубину залегания и мощность тол-
щи закарстованных пород.
В районах многолетнемерзлых пород, где эксплуатируется зем-
ляное полотно, электрометрическим и сейсмическим методами оп-
ределяется: глубина залегания верхней и нижней границы мерзлых
пород; мощность рыхлых отложений; талые и таликовые зоны в мас-
сиве мерзлых пород; физико-механические свойства мерзлых грун-
тов в их естественном залегании.
Таким образом, геофизические методы имеют большие возмож-
ности при детальной диагностике земляного полотна и его осно-
вания. Выбор какого-либо одного геофизического метода или ра-
ционального комплекса методов зависит от эффективности и точ-
ности методов в конкретных геосейсмических и геоэлектрических
условиях объекта и их технико-экономической целесообразности.
Для успешного применения геофизических методов необходим не-
большой объем (10—15 % от общего объема работ) опорных буро-
вых скважин для более надежной интерпретации полученных гео-
физических данных.
11.6.4. Методы и средства режимных наблюдений
Режимные наблюдения заключаются в измерении изменяющих-
ся во времени параметров земляного полотна. В первую очередь из-
мерению подлежат различные деформации земляного полотна на
начальной стадии, пока они не достигли больших величин. Кроме
того, эффективным для режимных наблюдений являются парамет-
ры влажностного и температурного режимов земляного полотна.
Методы и средства режимных наблюдений должны с достаточной
регулярностью оперативно представлять информацию об измене-
нии основных параметров земляного полотна.
531
Методы и средства режимных наблюдений могут быть разделе-
ны на две большие группы: стационарные и передвижные.
К первым относятся различные датчики и контрольно-оповес-
тительные системы, устанавливаемые на объекте, съем информа-
ции от которых может быть осуществлен на переносные приборы
либо получен с помощью передачи сигнала в автоматическом ре-
жиме. Этими методами и средствами пользуются для измерения: де-
формаций (глубинные грунтовые репера, инклинометры, тензодат-
чики); напряжений (мессдозы, тензодатчики и датчики порового
давления); температуры (термокосы и электрические термометры,
тепловизоры); влажности (тензодатчики, сорбционные датчики);
уровня грунтовых вод (гидрометрические скважины и т.д.).
К передвижным средствам относятся: путеизмерительные ваго-
ны; нагрузочные устройства; георадарные комплексы.
Стабильность геометрии рельсовой колеи, определяемая путе-
измерительными вагонами, зависит от состояния элементов пути,
в том числе земляного полотна. Переход земляного полотна в не-
стабильное состояние вызывает повышенные расстройства геомет-
рии рельсовой колеи. В МИИТе проф. Е.С. Ашпизом предложена
методика оценки состояния насыпей, основанная на статистичес-
кой обработке записей просадок рельсовых нитей. Эта методика
применяется для наблюдений за деформациями: основной площад-
ки земляного полотна; морозного пучения; тела насыпи; основа-
ния земляного полотна в сложных инженерно-геологических ус-
ловиях (болота, оползневые косогоры, карст и многолетнемерзлые
грунты).
Для оценки стабильности земляного полотна при обработке за-
писей путеизмерительного вагона производится вычисление следу-
ющих статистических характеристик:
— скользящего средне квадратического отклонения (ССКО) ве-
личины просадок на всем протяжении насыпи;
- приращения значения ССКО от данного прохода путеизмери-
тельного вагона к другому;
- спектральной плотности длин просадок.
Схема вычисления скользящего среднеквадратического отклоне-
ния величины просадок приведено на рис. 11.41, а диаграмма спек-
тральной плотности просадок на рис. 11.42. Для статистической об-
работки показаний путеизмерительного вагона на компьютере раз-
532
15
мм
—25
5+00
Запись просадок участка
/(м)
ПК
6 7 8 9 10
Исследуемый отрезок пути
работана специальная программа, позволяющая в автоматическом
режиме выделять нестабильные участки пути, где наиболее вероят-
ной причиной нестабильности является земляное полотно. К дос-
тоинствам метода следует отнести:
— возможность получения информации из материалов наблюде-
ний непосредственно за состоянием железнодорожного пути;
- относительно низкая стоимость и трудоемкость (по сравнению
с полевыми инструментальными наблюдениями или различного
вида съемками территорий) и как следствие — возможность орга-
низации наблюдений за достаточно большим количеством потен-
циально опасных участков;
- регулярность получения информации без необходимости орга-
низации дополнительной системы наблюдений.
533
Рис. 11.42. Спектральная плотность просадок рельсовой колеи
Другим диагностическим передвижным средством для выделе-
ния участков с повышенной деформативностью шпального осно-
вания являются нагрузочные комплексы. Данные комплексы вы-
полняют сплошное по протяжению пути измерение упругой осад-
ки рельса и шпалы под эталонной нагрузкой при движении комп-
лекса со скоростью 5—10 км/ч. Проходы комплекса желательно
выполнять в неблагоприятный период весеннего оттаивания грун-
тов земляного полотна либо затяжных дождей. Комплекс состоит
из смонтированного на специальном вагоне нагрузочного агрега-
та, который обеспечивает заданную эталонную нагрузку на путь и
измерительно-вычислительного комплекса, фиксирующего и об-
534
рабатывающего возникающие при нагрузочных испытаниях упру-
гие деформации (осадки) пути.
Измерительная система нагрузочного устройства должна позво-
лять проведение измерений упругой осадки под нагрузкой раздель-
но по рельсу и шпале, что дает возможность выделить составляю-
щую шпального основания. Измерения выполняются под двумя
уровнями нагрузок: одна соответствует порожнему вагону (при ней
выбираются имеющиеся под шпалой люфты) и другая, соответству-
ющая расчетной нагрузке от груженого вагона.
В качестве показателя упругой осадки в данном методе принята
линейная доля упругой осадки рельса Кр, соответствующего осевой
нагрузке 300 кН, и полученная по разности осадок под двумя раз-
личными нагрузками:
у -Y
Г =-^—^-300, (11.17)
Р Р2-Рх
где Kj и К2 — осадки рельса при нагрузках на ось соответственно;
Pj — порожнего вагона;
Р2 “ груженого вагона.
Результаты обработки измерительных данных нагрузочного опыта СМ-460.
Участок Выборг—Таммисуо 17.07—12.08.2008
Расчетная осадка шпального основания
Расчетная осадка
6 км + 500 м 7км+-000м 7 км + 500 м 8 км + 000 м 8 км + 500 м 9 км + 000 м 9 км+• 500 м 16км + 000 м
Путь № км + смещение, м
Рис. 11.43. График расчетных осадок по результатам нагрузочных испытаний
535
Рис. 11.44. Контрольно-оповестительная система с заградительным контуром
Пример записи полученных расчетных упругих осадок головки
рельса, осадки шпального основания и осадки за счет скрепления
приведен на рис. 11.43. Активная зона сжатия пути при проходе на-
грузочного поезда (300 кН/ось) со скоростью 5—7 км/ч, находится
в пределах до 3—4 м, что позволяет диагностировать «рабочую зону»
в земляном полотне.
При высокой степени вероятности проявления экзогенных гео-
логических опасностей типа оползня, карста, обвала, осыпи и селя
в зонах, прилегающих к земляному полотну, должны устраиваться
сигнализации или контрольно-оповестительные системы. В каче-
стве таких сигнализаций могут быть использованы отдельные дат-
чики (например, типа GPS, «Глонас»), позволяющие в режиме ре-
ального времени выдавать сведения о перемещениях специально
установленных деформационных реперов, либо заграждения, дат-
чики которого срабатывают при деформации или разрушении за-
граждения, которые по своей величине превышают установленные
проектом системы (рис. 11.44). Подача сигнала при срабатывании
536
датчиков может осуществляться на пульт дежурного (например, по
дистанции пути) или непосредственно на устройства СЦБ. В каж-
дом случае должен быть разработан рабочий проект устройства сиг-
нализации или контрольно-оповестительной системы, учитываю-
щий тип геологической опасности и особенности конкретного
объекта земляного полотна.
Контрольные вопросы
1. Каковы особенности эксплуатируемого земляного полотна?
2. Дефекты и деформации земляного полотна.
3. Характеристика противодеформационных мероприятий.
4. Каковы требования к усилению и реконструкции земляного
полотна?
5. Состав и методы мониторинга земляного полотна.
Рекомендуемая литература
1. Альбрехт В.Г. Бесстыковой путь / В.Г. Альбрехт, Н.П. Виногра-
дов, Н.Б. Зверев; под ред. В.Г. Альбрехта и А.Я. Когана.— М.: Транс-
порт, 2000. — 408 с.
2. Ашпиз Е.С. Мониторинг земляного полотна при эксплуатации
железных дорог: монография. — М.: Путь-пресс, 2002. — 112 с.
3. Виноградов В.В. Расчеты и проектирование железнодорожно-
го пути: учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта / В.В. Вино-
градов, А.М. Никонов, Т.Г. Яковлева и др.; под. общ. ред. В.В. Вино-
градова и А.М. Никонова.— М.: Маршрут, 2003. — 486 с.
4. Глюзберг Б.Э. Расчет и проектирование скоростных стрелоч-
ных переводов и съездов. — М.: РГОТУПС, 2002. — 55 с.
5. Глюзберг Б.Э. Основные положения по ведению стрелочного
хозяйства магистральных железных дорог / Б.Э. Глюзберг, А.М. Тей-
тель, М.И. Титаренко.— М.: РГОТУПС, 2008. — 214 с.
6. Грицык В.И. Возможные деформации земляного полотна: учеб-
ное иллюстрированное пособие для студентов вузов, техникумов и кол-
леджей ж.-д. транспорта. — М.: Маршрут, 2003. — 64 с.
7. Грицык В.И. Противодеформационные конструкции земляно-
го полотна железных дорог: учебное иллюстрированное пособие для
студентов вузов, техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. — М.:
Маршрут, 2003. — 96 с.
8. Грицык В.И. Земляное полотно железных дорог: краткий курс
лекций. — М.: Маршрурт, 2005. — 246 с.
9. Каменский В.Б. Направления совершенствования системы ве-
дения путевого хозяйства. — М.: Академкнига, 2006. — 638 с.
10. Коншин Г. Г. Нагрузки на земляное полотно: учебное пособие. —
М.: МИИТ, 2007. - 215 с.
11. Коншин Г.Г. Динамические напряжения в земляном полотне
от воздействия подвижного состава: учебное пособие. — М.: МИИТ,
2004. - 154 с.
12. Коншин Г. Г. Диагностика земляного полотна железных дорог:
учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. — М.: ГОУ «Учебно-
538
методический центр по образованию на ж.-д. транспорте», 2007. —
200 с.
13. Лысюк В.С. Повреждение рельсов и их диагностика / В.С. Лы-
сюк, В.М. Бугаенко. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. — 638 с.
14. Лысюк В.С. Прочный и надежный железнодорожный путь /
В.С. Лысюк, В.Н. Сазонов, Л.В. Бащкатова. — М.: ИКЦ «Академ-
книга», 2003. — 589 с.
15. Никонов А. М. Железнодорожный путь на искусственных со-
оружениях: учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. — М.: ГОУ
«Учебно-методический центр по образованию на ж.-д. транспорте»,
2007. -291 с.
16. Прокудин И. В. Организация переустройства железных дорог
под скоростное движение поездов: учебное пособие для вузов ж.-д.
транспорта / И.В. Прокудин, И.А. Грачев, А.Ф. Колос; под ред. И.В.
Прокудина. — М.: Маршрут, 2005. — 716 с.
17. Смирнова Т.Г. Берегозащитные сооружения: учебник / ТЕ Смир-
нова, Ю.П. Правдинец, Г.Н. Смирнов. — М.: АСВ, 2002. — 303 с.
18. Яковлева Т.Г. Железнодорожный путь/Т.Г. Яковлева, Н.И. Кар-
пущенко, С.И. Клинов; под. общ. ред. Т.Г. Яковлевой. — Изд. 2-е. —
М.: Транспорт, 2001. — 407 с.
19. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного
пути / МПС России. — М.: Транспорт, 2000. — 223 с.
20. Правила технической эксплуатации железных дорог Россий-
ской Федерации. — М.: Транспорт, 2000. — 160 с.
21. Строительные нормы и правила СНиП 22-02-2003. Инженер-
ная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологи-
ческих процессов. Основные положения / Госстрой РФ. — М.: ФГУП
ЦПП, 2004.
Оглавление
Предисловие.....................................................3
Часть I. ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ ПУТИ И РЕЛЬСОВАЯ КОЛЕЯ.............5
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПУТИ...............................5
1.1. Составные части пути.......................................5
1.2. Главнейшие принципы проектирования и выбора конструкции пути .... 13
Глава 2. РЕЛЬСЫ................................................20
2.1. Назначение, требования и геометрические параметры рельсов.20
2.1.1. Назначение и классификация рельсов...................20
2.1.2. Геометрические параметры рельсов.....................21
2.2. Качество рельсов..........................................24
2.2.1. Материал для рельсов.................................24
2.2.2. Технология производства рельсов, их маркировка и приемка.27
2.2.3. Сроки службы рельсов.................................32
2.2.4. Эксплуатация старогодных рельсов.....................39
2.3. Повышение надежности рельсов..............................42
2.3.1. Основные термины и определения надежности рельсов....42
2.3.2. Комплексное исследование рельсов.....................44
2.3.3. Способы повышения качества рельсового металла........44
2.3.4. Способы повышения качества отделки рельсов и улучшения
их геометрических параметров................................49
2.3.5. Перспективы повышения надежности работы рельсов......50
Глава 3. РЕЛЬСОВЫЕ СКРЕПЛЕНИЯ..................................60
3.1. Назначение скреплений и требования к ним..................60
3.2. Стыки и стыковые скрепления...............................63
3.3. Промежуточные рельсовые скрепления........................71
3.3.1. Скрепления для деревянных шпал.......................71
3.3.2. Скрепления для железобетонных шпал...................75
3.3.3. Перспективы развития промежуточных рельсовых скреплений .... 84
3.3.4. Повторное использование старогодных скреплений.......88
3.4. Противоугоны и схемы их расстановки.......................89
Глава 4. ПОДРЕЛЬСОВЫЕ ОПОРЫ........................................92
4.1. Назначение и требования к подрельсовым опорам.............92
4.2. Деревянные шпалы и брусья.....................................92
4.2.1. Достоинства и недостатки деревянных шпал и брусьев...92
4.2.2. Продление срока службы деревянных шпал и брусьев.....95
4.2.3. Утилизация деревянных шпал...............................97
4.3. Железобетонные шпалы и брусья.................................98
540
4.4. Блочные подрельсовые основания на балласте...............104
4.5. Блочные безбалластные основания пути.....................108
Глава 5. БАЛЛАСТ И БАЛЛАСТНАЯ ПРИЗМА..........................114
5.1. Назначение балластной призмы.............................114
5.2. Материалы для балласта...................................114
5.3. Поперечные профили балластной призмы.....................116
Глава 6. БЕССТЫКОВОЙ ПУТЬ.....................................122
6.1. Основные положения ..................................... 122
6.2. Конструкция бесстыкового пути........................... 123
6.3. Сопротивления продольным перемещениям рельсовых плетей.......128
6.4. Устойчивость бесстыкового пути...........................132
6.4.1. Расчетная схема....................................132
6.4.2. Расчет устойчивости пути.......................... 133
6.4.3. Комплексный расчет прочности и устойчивости
бесстыкового пути.........................................135
6.4.4. Определение температурных интервалов закрепления
рельсовых плетей......................................... 138
6.5. Расчет величины зазора в месте разрыва рельсовой плети...143
6.6. Бесстыковой путь на мостах...............................146
6.7. Особенности верхнего строения пути в тоннелях............155
6.8. Особенности конструкции, укладки и содержания
бесстыкового пути в суровых климатических условиях............157
6.9. Бесстыковой путь из старогодных материалов.............. 158
Глава 7. УСТРОЙСТВО И ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ .... 162
7.1. Общие сведения об устройстве колеи и ходовых частей
подвижного состава............................................162
7.2. Рельсовая колея в кривых................................ 170
7.2.1. Расчет возвышения наружного рельса.................170
7.2.2. Нормы ширины и уширения колеи в кривых.............178
7.2.3. Устройство и расчет переходных кривых..............190
7.2.4. Укороченные рельсы на внутренней нити..............201
7.2.5. Уширение междупутных расстояний в кривых...........203
7.2.6. Рельсовая колея для высокоскоростных линий.........205
Глава 8. СОЕДИНЕНИЯ И ПЕРЕСЕЧЕНИЯ РЕЛЬСОВЫХ ПУТЕЙ.................210
8.1. Основные виды соединений и пересечений рельсовых путей.......210
8.1.1. Классификация соединений и пересечений рельсовых путей.210
8.1.2. Одиночные стрелочные переводы......................210
8.1.3. Глухие пересечения.................................215
8.1.4. Перекрестные стрелочные переводы...................221
8.1.5. Съезды, сплетения путей, стрелочные улицы..........222
8.2. Конструкция стрелок......................................231
8.2.1. Виды остряков, их корневые крепления...............231
8.2.2. Рамные рельсы, рельсовые скрепления, противоугонные
устройс гва...............................................238
541
8.2.3. Механизмы управления остряками......................244
8.3. Конструкции крестовин и контррельсов......................247
8.3.1. Острые крестовины...................................247
8.3.2. Тупые крестовины....................................253
8.3.3. Контррельсы.........................................255
8.3.4. Крестовины с непрерывной поверхностью катания.......258
8.4. Соединительная часть стрелочных переводов.................260
8.5. Основания стрелочных переводов............................262
8.6. Особенности конструкции скоростных и высокоскоростных
стрелочных переводов...........................................265
Глава 9. ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ ПУТИ В ЦЕЛОМ.........................272
Часть II. ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО..................................282
Глава 10. ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО НОВЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ.................282
10.1. Общие сведения...........................................282
10.1.1. Назначение земляного полотна и требования к нему...282
10.1.2. Состав и типы земляного полотна....................284
10.2. Требования к грунтам для земляного полотна
и типы оснований...............................................287
10.2.1 Классификация грунтов...............................287
10.2.2. Особые разновидности грунтов.......................292
10.2.3. Грунты для насыпей.................................293
10.2.4. Нормы уплотнения грунтов земляного полотна.........294
10.2.5. Естественные основания насыпей.....................297
10.3. Геосинтетические материалы...............................298
10.3.1. Общее представление о материалах и классификация ..298
10.3.2. Функции геосинтетических материалов и сферы
их применения..............................................300
10.3.3. Требования к геосинтетическим материалам...........304
10.4. Нагрузки на земляное полотно.............................305
10.4.1. Общие сведения.....................................305
10.4.2. Нагрузка от веса верхнего строения пути............305
10.4.3. Нагрузка от воздействия подвижного состава.........306
10.5. Напряжения в земляном полотне и его основании............314
10.5.1. Постановка задачи..................................314
10.5.2. Предпосылки применения теории
линейно-деформируемых тел..................................315
10.5.3. Напряжения от внешних нагрузок.....................316
10.5.4. Напряжения от собственного веса грунта.............319
10.5.5. Суммарные напряжения в насыпях и основании
земляного полотна..........................................319
10.5.6. Метод определения напряжений в насыпи от поездной
нагрузки с учетом ее динамического характера...............322
10.6. Расчеты земляного полотна и его основания по предельным
состояниям.....................................................327
542
10.6.1. Расчеты стабильности грунтов основания против выпора
и несущей способности грунтов рабочей зоны земляного полотна....328
10.6.2. Расчеты устойчивости откосов и склонов.............332
10.6.3. Расчет осадок насыпей на слабых основаниях.........337
10.6.4. Расчет осадок насыпей при оттаивании многолетнемерзлых
грунтов в основании .......................................342
10.6.5. Расчет величины морозного пучения..................342
10.7. Типовые решения земляного полотна........................344
10.7.1. Основная площадка..................................344
10.7.2. Защитный слой......................................347
10.7.3. Типовые поперечные профили насыпей ................349
10.7.4. Групповые конструкции насыпей на косогорах и болотах....350
10.7.5. Типовые поперечные профили выемок..................356
10.8. Зашита земляного полотна от неблагоприятных природных
воздействий....................................................361
10.8.1. Регулирование поверхностного стока.................361
10.8.2. Укрепление земляного полотна от размыва и волноприбоя...374
10.8.3. Защита земляного полотна в зоне водохранилищ, озер
и на морском побережье.....................................390
10.8.4. Регуляционные сооружения...........................399
10.8.5. Регулирование подземного стока.....................400
10.8.6. Регулирование тепловых процессов в земляном полотне
и основании................................................411
10.8.7. Регулирование гравитационных процессов на склонах.......419
10.9. Индивидуальные конструктивные решения земляного
полотна в сложных природных условиях................................431
10.9.1. Общие положения....................................431
10.9.2. Земляное полотно на крутых и неустойчивых косогорах.....432
10.9.3. Насыпи в условиях подтопления......................433
10.9.4. Земляное полотно на болотах, мокрых и слабых основаниях.434
10.9.5. Земляное полотно в условиях мерзлоты...............436
10.9.6. Земляное полотно в горных районах и на закарстованных
территориях................................................441
10.10. Особенности земляного полотна для скоростных
железных дорог.................................................442
10.11. Земляное полотно вторых путей...........................445
Глава 11. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО
ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА..............................................448
11.1. Воздействие подвижного состава на земляное полотно
в современных условиях эксплуатации пути.......................448
11.1.1. Повышение нагрузки подвижного состава..............448
11.1.2. Влияние изолированных неровностей на пути..........455
11.1.3. Динамическое нагружение основной площадки в кривых......460
11.2. Изменение состояния земляного полотна и свойств грунтов
в процессе эксплуатации пути...................................463
543
11.2.1. Характер изменений...................................463
11.2.2. Изменение характеристик грунтов земляного полотна....464
11.2.3. Нормативная и расчетная прочность грунтов............466
11.3. Дефекты и деформации земляного полотна......................470
11.3.1. Характеристика состояния земляного полотна
на сети дорог................................................470
11.3.2. Дефекты земляного полотна........................473
11.3.3. Деформации основной площадки.....................475
11.3.4. Деформации откосов земляного полотна.............482
11.3.5. Деформации насыпей в виде оседания, выпирания
и расползания............................................486
11.4. Противодеформационные мероприятия.......................487
11.4.1. Противодеформационные мероприятия при балластных
углублениях и противопучинные мероприятия................487
11.4.2. Противодеформационные мероприятия
при недостатке устойчивости откосов......................501
11.4.3. Противодеформационные мероприятия
для насыпей на слабых основаниях.........................508
11.5. Усиление и реконструкция земляного полотна..............511
11.5.1. Общие положения..................................511
11.5.2. Требования к усилению земляного полотна при ремонтах.512
11.5.3. Требования к реконструкции земляного полотна.....514
11.6. Мониторинг земляного полотна............................517
11.6.1. Основные положения...............................517
11.6.2. Земляное полотно как геотехническая система и функции
мониторинга..............................................519
11.6.3. Методы и средства диагностики земляного полотна..525
11.6.4. Методы и средства режимных наблюдений............531
Рекомендуемая литература......................................538
Учебное издание
Ашпиз Евгений Самуилович
Гасанов Александр Искендерович
Глюзберг Борис Эйнихович и др.
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ПУТЬ
Под редакцией Е.С. Ашпиза
Учебник
Подписано в печать 16.12.2012 г.
Формат 60x84/16. Печ. л. 34,0. Тираж 1200 экз. Заказ 2568.
ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию
на железнодорожном транспорте»
105082, Москва, ул. Бакунинская, д. 71
Тел.: +7(495) 739-00-30, e-mail: info@umczdt.ru,
http://www.umczdt.ru
ъ Отпечатано в ОАО «Можайский полиграфический комбинат»
143200, г. Можайск, ул. Мира, 93
www.oaompk.ru. www-ОАОмпк.рф тел.: (495) 745-84-28, (49638) 20-685