Admin

Оттаивающее земляное полотно

И. В. ПРОКУДИН, проф., А. В. ПЕТРЯЕВ, ст. научный сотрудник

В последние годы на магистралях, где обращаются скоростные и большегрузные поезда, отмечается увеличение числа участков с больным земля-ным полотном, причем появление интенсивных деформаций совпадает с началом эксплуатации таких составов.

Вместе с тем опыт показывает, что в период оттаивания даже при неизменных, относительно невысоких осевых нагрузках и скоростях число больных мест земляного полотна, сложенного глинистыми грунтами, увеличивается. Просадки появляются в тех местах, где их раньше не было, регистрируются сплывы откосов. Эти деформации в большинстве случаев — результат процессов промерзания — оттаивания и вибродинамического воздействия, которые ухудшают характеристики глинистых грунтов.

ЛИИЖТ в 1984—1988 гг. проводил полевые исследования колебательного процесса и напряженного состояния оттаивающего весной земляного полотна при проходе поездов. Эксперименты выполнялись в выемке глубиной 6 м и на насыпи высотой 7 м. На участках уложены плети, рельсы Р65, шпалы железобетонные типа С-56 1840 шт/км, скрепления КБ. Максимальная скорость движения пассажирских поездов составляет 160, а грузовых 80 км/ч.

Датчики устанавливали в стыковом сечении уравнительных пролетов в связи с тем, что именно в зоне стыков проявляется повышенное воздействие поездов и происходит более интенсивное накопление остаточных деформаций земляного полотна.

Зависимость амплитуд колебаний и напряжений в оттаивающем земляном полотне от скорости движения носит прямолинейный характер. Отмеченное не противоречит ранее полученным результатам. Амплитуда колебаний основной площадки практически определяется вертикальной составляющей вибросмещений.

Сравнение таких зависимостей для пассажирских и грузовых поездов показывает, что равные амплитуды вибросмещений частиц грунта имеют место при скорости пассажирских поездов на 40—50 км/ч выше, чем грузовых. Последние оказывают воздействие в 1,4—1,7 раза больше, чем пассажирские при прочих равных условиях. Однако при движении скорых поездов нагрузка на земляное полотно в период оттаивания оказывается достаточно высокой и в ряде случаев превышает ту, которая возникает при движении грузовых составов.

При увеличении толщины талого слоя амплитуда колебаний растет с высокой интенсивностью, достигающей 12 мк на 10 см. Это приводит к тому, что в пределах изменения талого слоя от 0 до 130 см амплитуда колебаний достигает 625 мк.

При дальнейшем протаивании происходит постепенное снижение амплитуд колебаний до летнего уровня.

Наличие обводненного разжиженного оттаивающего слоя грунта на границе с мерзлым весной приводит к значительному повышению амплитуд колебаний по сравнению с их значениями в летний период. Так, в выемке при проходе грузового поезда со скоростью 60 км/ч результирующая амплитуда в талом грунте составляет 364 мк, тогда как в период оттаивания она достигает 550 мк, т. е. больше в

1,5 раза.

Эксперименты, выполненные в выемке, свидетельствуют о том, что интенсивность затухания амплитуд колебаний здесь больше, чем в грунтах насыпи. Очевидно, что грунты естественного сложения обладают несколько большей способностью поглощать энергию колебаний.

Наличие оттаявшего слоя сказывается и на характере напряженного состояния грунтов земляного полотна. Чем больше толщина такого грунта, тем выше величина напряжений в нем. Так, при проходе локомотива ВЛ23 со скоростью 70 км/ч на глубине 90 см в подрельсовом сечении при толщине талого слоя 0,50—0,80 м максимальные вероятные напряжения составляют 48, а горизонтальные 10 кПа. При оттаивании грунта до глубины 0,90—1,30 м напряжения достигают соответственно 68 и 23 кПа.

В оттаявшем грунте растет зона распространения напряжений и происходит их концентрация на границе талого и мерзлого слоев. Это явление обусловлено тем, что в оттаявшем слое частицы грунта оказываются разъединенными водой. Нагрузка от подвижного состава воспринимается не скелетом грунта, а образовавшейся водой, и давление в поперечном направлении передается большему объему грунта. По мере увеличения толщины оттаявшего слоя максимум горизонтальных напряжений смещается в сторону откоса. Положение усугубляется резким снижением прочности грунта во время перехода из мерзлого в талое состояние.

Расширение зоны распространения напряжений, повышение их концентрации на границе оттаивания в совокупности с действием главных напряжений, направленных к откосу, приводит к дополнительному снижению несущей способности земляного полотна в горизонтальной плоскости.

Полученные результаты натурных исследований и лабораторных испытаний позволяют определить допустимые нагрузки на земляное полотно в период оттаивания.

Несущая способность оттаивающего земляного полотна, воспринимающего-нагрузку, определяется предельным напряженным состоянием грунта. Такое состояние возникает, когда начинают развиваться зоны предельного равновесия, в которых касательные напряжения достигают своего экстремального значения. В этом положении система реагирует даже на незначительное увеличение нагрузки нарушением равновесия массива, что недопустимо в условиях эксплуатации. Введение понижающего коэффициента к действующим напряжениям позволяет определить максимально возможное давление на грунт, при котором он будет находиться в устойчивом равновесии. Результаты расчетов с использованием ЭВМ показали, что наибольшее снижение несущей способности происходит при увеличении талого слоя до 0,50— 0,60 м.

Для обеспечения надежности земляного полотна в период оттаивания необходимы меры по его усилению.

Можно использовать несколько конструктивных решений, суть которых состоит в уменьшении динамического воздействия или улучшении свойств грунтов земляного полотна.

Универсальный способ увеличения несущей способности основной площадки — укрепление грунтов как традиционными вяжущими (цементом, известью), так и дешевыми отходами промышленности (нефелиновыми, золами уноса ТЭЦ и др.). Расход основного вяжущего при этом составляет 8— 14 % от веса закрепляемого грунта.

Опытное закрепление основной площадки, выполненное при участии ЛИИЖТа во время капитального ремонта пути, показало, что укрепленный слой обеспечивает существенное перераспределение напряжений, снижение их величин и уменьшение упругих деформаций в 2—3 раза. Стабилизирующее действие укрепленного слоя сводится не только к распределению поездной нагрузки на большую площадь основной площадки, но, что важнее, к предупреждению деформаций грунта. В связи с тем что создание укрепленного слоя достигается принудительным перемешиванием грунта с вяжущим .и последующим его уплотнением, наибольший эффект может быть получен при внедрении механизированной технологии закрепления при капитальном ремонте пути или сооружении новых линий до укладки верхнего строения.

Постановка пути на подбалластные плиты позволяет уменьшить действующие на основную площадку напряжения, их пульсации и тем самым увеличить несущую способность грунтов. Положительный опыт ДИИТа и ЛИИЖТа, предложивших укладку под-балластных железобетонных плит размером 6,0X1,0X0,25 м для стабилизации основной площадки, подтверждает эффективность такого мероприятия.

Существенные недостатки этого способа — необходимость «окна» продолжительностью 4—6 ч, а также значительная потребность в сборном железобетоне. Первый недостаток может быть частично устранен совмещением укладки плит с капитальным ремонтом пути.

Электрохимическое закрепление грунтов может быть использовано как для стабилизации откосов, так и основной площадки. При пропускании электрического тока тонкодисперсная часть грунта претерпевает ряд физико-химических изменений, в результате чего повышается прочность и водоустойчивость грунта. Важнейшее преимущество этого способа — выполнение всего комплекса работ без ограничения скорости движения поездов. Однако такой метод из-за значительной потребности в электроэнергии может применяться только на небольших участках.

Выбор наиболее эффективных мер в каждом отдельном случае должен выполняться на основе технико-экономического сравнения вариантов возможных конструктивных решений.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы. Вибродинамическое воздействие в верхнем слое оттаивающего весной земляного полотна скоростных линий в 1,5—2,0 раза выше, чем летом. В талом грунте увеличивается зона распространения горизонтальных поперечных напряжений, причем их максимальное значение смещается в сторону откоса по мере оттаивания. Наибольшая опасность потери несущей способности возникает в талом слое толщиной 0,50—0,60 м. В случае недостаточной несущей способности грунтов необходимы обоснованно выбранные меры по усилению основной площадки земляного полотна.

г. Санкт-Петербург

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

Если у вас возникли вопросы по работе сайте - пишите на почту admin@scbist.com

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Путь и путевое хозяйство".

Перенес: Admin