[12-2023] Эффективность применения подбалластного слоя из асфальтобетона в конструкциях пути

[Admin]

Эффективность применения подбалластного слоя из асфальтобетона в конструкциях пути

КОЛОС А.Ф., Петербургский государственный университет путей сообщения (ПГУПС), канд. техн, наук, СИМЧУК Е.Н., АНО «Научно-исследовательский институт транспортно-строительного комплекса», генеральный директор, канд. экон, наук, БЫСТРОВ Н.В., президент Ассоциации производителей и потребителей асфальтобетонных смесей «Р.О.С.Асфальт», канд. техн, наук, ШЕХТМАН Е.И., ПГУПС, докт. воен, наук, ЧЕРНЯЕВА В.А., ПГУПС, канд. техн, наук, МЕЛЬНИК Я.В., ПГУПС, канд. техн, наук, ВАН СИНЬТУН, ПГУПС, аспирант

Аннотация. В статье представлен подбалластный слой из асфальтобетона, как альтернатива традиционным конструкциям защитных слоев из щебеночно-песчано-гравийной смеси, который обеспечивает гидроизоляцию грунтов земляного полотна, отвод инфильтрующихся атмосферных вод с основной площадки, уменьшает влажность грунтов. Представлены основные экспериментально подтвержденные преимущества защитного слоя из асфальтобетона.

Ключевые слова: железная дорога, асфальтобетон, асфальтобетонный слой, подбалластный слой, защитный слой, морозное пучение грунтов, земляное полотно.

В условиях возрастающих объемов перевозок, повышения массы и скорости движения поездов, увеличения сроков службы верхнего строения пути до 2,5 млрд т груза брутто пропущенного тоннажа акту-! альной остается проблема поиска рациональных конструкций подбалластного слоя, обеспечивающего повышение несущей способности основной площадки земляного полотна, устойчивости откосов, снижение темпов накопления остаточных деформаций пути и сохранение геометрии рельсовой колеи.
Известно, что морозное пучение грунта происходит при следующих условиях:

• отрицательная температура, наличие пучинистых грунтов, миграция влаги к фронту промерзания. Подбалластный слой из асфальтобетона, обеспечивающий гидроизоляцию грунтов земляного полотна, отвод инфильтрующихся атмосферных вод с основной площадки, уменьшение влажности грунтов, может стать альтернативой следующим конструкциям:
• слоям из песчаных, песчано-гравийных материалов, щебеночно-песчано-гравийных смесей, в том числе в комбинации с укладкой геосинтетических материалов;
• укрепленным слоям грунта на уровне основной площадки с улучшенными физико-механическими свойствами, формируемым за счет использования методов и технологий технической мелиорации грунтов (известкование, цементация, силикатизация, битумизация, электрохимическое закрепление грунтов, термозакрепление грунтов и др.);
• плитам из бетона или железобетона.

Положительный эффект от применения асфальтобетона в качестве подбалластного слоя заключается в следующем:

• 1) увеличение несущей способности основной площадки земляного полотна за счет сохранения физико-механических свойств грунтов благодаря уменьшению их влажности в течение годового цикла при гидроизоляции основной площадки, а также снижения уровня вибродинамического воздействия, передающегося грунтам земляного полотна;
• 2) повышение устойчивости откосов и обеспечение стабильности земляного полотна благодаря способности подбалластного асфальтобетонного слоя перераспределять вертикальные нагрузки (напряжения), передаваемые грунтам основной площадки земляного полотна, а также уменьшению величины накопленной остаточной деформации грунтов земляного полотна и обеспечению равномерной упругой осадки пути по длине;
• 3) сохранение геометрии рельсовой колеи за счет снижения частоты появления расстройств, а также сокращения интенсивности засоряемости и загрязняемое щебеночного балласта фракциями менее 0,1 мм, содержащимися в грунтах земляного полотна.

Опыт использования подбалластного слоя из асфальтобетона в разных странах
За за рубежом в последние десятилетия опыт использования конструкции защитного слоя из асфальтобетона постоянно расширяется. Более 1200 км высокоскоростных линий в Италии построены с применением этого материала. Французская национальная железная дорога (SNCF) возвела в 2005 г. опытный участок длиной 3 км на высокоскоростной линии TGV-East, соединяющей Париж со Страсбургом. Испанские железные дороги протестировали асфальтобетонный подбалластный слой вместо гранулированного на четырех экспериментальных участках [1], один из них длиной 1 км между Сильс и Риудельотс-де-ла-Сельва (Барселона—граница с Францией) расположен на высокоскоростной линии. В Японии асфальтобетонные подбалластные слои широко используют на скоростных и обычных железных дорогах. В Китае на испытательном участке высокоскоростной магистрали, расположенной в Пекине, на скоростной железной дороге Пекин — Тяньцзинь, высокоскоростной Угуан применили асфальтобетонную смесь.

В США такой материал используют на участках обращения тяжеловесных поездов.
В соответствии с [2] основные типы асфальтобетонных смесей, применяемых в различных странах для подбалластного слоя, представлены в таблице.
Основные технические решения применения подбалластного слоя из асфальтобетона
Как показывает зарубежный опыт [1, 2], может быть несколько вариантов применения асфальтобетонного слоя в конструкции пути, четыре из наиболее распространенных приведены на рисунке. Асфальтобетон используется в качестве элемента подшпального основания в сочетании с балластным и подбалластным слоем или как часть безбалластного верхнего строения пути.

Требования к защитному слою из асфальтобетона
Надежность подбалластной зоны (подбалластного основания) определяется ее несущей способностью и допускаемой деформируемостью основной площадки. Для определения необходимых требований рассчитывают толщину защитного слоя, исходя из следующих условий:

• обеспечение прочности подстилающих защитный слой грунтов земляного полотна под воздействием поездной нагрузки;
• ограничение величины деформаций морозного пучения;
• обеспечение на поверхности земляного полотна требуемого штампового модуля деформации.
• Толщину защитного слоя назначают по большему из полученных расчетом значений.

В разных странах критерии для назначения толщины слоя из асфальтобетона различные. При этом толщина слоя варьирует в пределах от 10 до 20 см, наиболее часто применяется от 12 до 14 см [1—3].
Экономическая эффективность при устройстве слоя асфальтобетона толщиной 12 см указывает на целесообразность применения асфальтобетонных смесей с номинально максимальным размером зерен заполнителя 31,5 мм. Это подтверждает опыт зарубежных стран. Использование более мелкого заполнителя потребует укладки слоя из асфальтобетона за два операционных подхода для достижения требуемой степени уплотнения.
На данный момент в Российской Федерации действуют две системы проектирования асфальтобетонных смесей. Одна разработана на основе европейского опыта, а вторая — североамериканского (в РФ получила название объемно-функционального проектирования (ОФП)). С учетом особенностей работы асфальтобетона в подбалластной зоне, связанной с повишенной усталостью слоя, считаем необходимым применение системы ОФП, предусматривающей определение такого показателя, как «усталостная долговечность». Соответствующие требования к асфальтобетонным смесям представлены в [4].
В связи с длительным сроком эксплуатации асфальтобетона в подбалластном слое следует применять щебень по [5] из магматических горных пород с маркой по дробимости не ниже 1200, количеством зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы не более 10 %, с маркой по сопротивлению дроблению и износу не ниже И1. Дробленый песок согласно [5] из той же горной породы, что и щебень. Количество пустот в дробленом песке и эквивалент песка не менее 45 %. Минеральный порошок, в случае его применения, состоит из карбонатных горных пород и соответствует марке МП-2 по [6].
Выбор необходимого по своим свойствам битумного вяжущего является одной из ключевых задач, влияющих на срок службы асфальтобетона. Марку битумного вяжущего выбирают в соответствии с [7], учитывая температурный диапазон эксплуатации на выбранном участке пути.
Устройство асфальтобетонного слоя под балластом обеспечивает максимальное снижение напряжений в конструкции пути, а также снижение вибродинами-ческого воздействия от поездов. Слой балласта исключает влияние на асфальтобетон солнечных лучей, отрицательных температур и непосредственной нагрузки от движения транспортных средств. Это снижает степень старения битумного вяжущего и увеличивает долговечность асфальтобетона.

Исходя из вышесказанного целесообразно выбирать для проектирования асфальтобетонную смесь SP-32 по системе ОФП [4] для тяжелых условий движения. Применение смеси SP-32T позволит выполнить ее укладку в один слой, требования к смесям для тяжелых условий движения позволят подобрать жесткий, устойчивый к внешним нагрузкам каркас.
Для повышения удобоукладываемости смеси при уплотнении катками следует проектировать мелкозернистую асфальтобетонную смесь, в которой количество крупного заполнителя (щебня) немного ниже, чем в крупнозернистой смеси. Кроме того, такая смесь обладает большей битумоемкостью, что повышает ее долговечность. Однако этого можно достичь только при наличии минеральных материалов с подходящей формой и размерностью зерен.

Проектирование асфальтобетонной смеси SP-32T следует выполнять в соответствии с требованиями [4], которые предусматривают 4 % содержания воздушных пустот. Учитывая зарубежный опыт и требования к повышенным усталостным свойствам асфальтобетона, предлагается после проектирования состава смеси добавить в нее дополнительное количество битумного вяжущего. Таким образом будет снижено содержание воздушных пустот в смеси, повышено значение усталостной долговечности, а также увеличена толщина битумной пленки на минеральных зернах, что в свою очередь увеличит сроки старения вяжущего. Оптимальное количество дополнительного битумного вяжущего следует выбирать исходя из полученных значений усталостной долговечности в ходе лабораторных испытаний.

Стоит обратить внимание, что при добавлении дополнительного количества битумного вяжущего асфальтобетон уже не будет соответствовать требованиям [4], но достигнет высокого значения усталостной долговечности и снижения пористости (количество воздушных пустот), что и требуется для подбалластного асфальтобетонного слоя.

Область эффективного применения защитного слоя из асфальтобетона в конструкции железнодорожного пути
Зарубежный опыт свидетельствует об эффективности и целесообразности применения асфальтобетонного слоя для усиления подбалластной зоны на участках, где предполагается повышение массы и скорости движения поездов, в том числе инновационного подвижного состава, для устранения ограничений, связанных с состоянием грунтовой среды подбалластной зоны [1, 2, 8—10].
Приоритетными объектами для усиления подбалластной зоны целесообразно считать участки пути с деформациями основной площадки земляного полотна, пучинами, просадками пути и интенсивными расстройствами рельсовой колеи по уровню и в продольном профиле, стрелочные переводы, которые имеют неравноупругое основание и в большей степени подвержены динамическим поездным воздействиям.
В качестве параметров подбалластного основания и условий усиления подбалластной зоны при скоростном и тяжеловесном движении поездов, необходимо принимать следующие:

• сезонное изменение состояния грунтов до мягкопластичного (при показателе текучести свыше 0,5) и фиксируемая вагонами-путеизмерителями деформа-тивность пути;
• сезонное проявление осадок (до 10 мм и более) весной при оттаивании грунта, осенью при интенсивных дождях и избыточном увлажнении грунтов;
• недостаточная плотность глинистых грунтов в подбалластной зоне (коэффициент уплотнения грунта менее 0,95);
• недостаточная жесткость грунтовой среды при модуле деформации 20—25 МПа;
• высокая интенсивность накопления остаточных деформаций пути (0,2 мм/млн т груза брутто и более);
  
• наличие балластных углублений на основной площадке (балластные корыта, ложа, гнезда и др.) [11].

Заключение

Основными экспериментально подтвержденными преимуществами защитного слоя из асфальтобетона являются следующие: снижение нагрузки на земляное полотно (в среднем в два раза); увеличение сопротивления сдвигу рельсошпальной решетки, улучшение условий для отвода атмосферных вод от основной площадки, обеспечение заданных геометрических параметров пути, снижение затрат на его техническое обслуживание. Положительное воздействие асфальтобетонного подбалластного слоя на эксплуатационные характеристики пути связано с повышением несущей способности основной площадки земляного полотна и повышением устойчивости откосов, снижением темпов накопления остаточных деформаций и сохранение геометрии рельсовой колеи в течение длительного времени. Все вышеперечисленные факторы обуславливают возможности увеличения межремонтных сроков железнодорожного пути.
Как показывает зарубежный опыт, подбалластный асфальтобетонный защитный слой в конструкции пути может устраиваться из одного или нескольких отдельных слоев, возможно различного состава. Такие покрытия наряду с функциями разделения и армирования дополнительно создают гидроизолирующий слой в уровне основной площадки.
Список источников
1. Rose J.G., Teixeira P.F., Veit Р. International design practices, applications and performances of asphalt/bituminous railway trackbeds // Georail-2011: International Symposium on Railway Geotechnical Engineering. Paris, 2011. P. 1—23.
2. Rose, J.G. and B.R. Malloy. «Highway-Railway At-Grade Crossing Designs Containing Asphalt Underlayments». PROCEEDINGS of the 2017 Annual Conference of the American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association. September, 2017, 15 pages.
3. Научно-технический отчет по теме «Проведение повторного анализа инженерных изысканий проектной документации участка Москва — Нижний Новгород высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва — Казань, включая оценку технических требований и ограничений высокоскоростного подвижного состава, технологий его эксплуатации и обслуживания с учетом предложенных проектных решений, доработанных по результатам проведения технологического и ценового аудита» (шифр - 2017 ЦВСМ 046).
4. ГОСТ Р 58401.1—2019. Дороги автомобильные общего пользования. Смеси асфальтобетонные дорожные и асфальтобетон. Система объемно-функционального проектирования. Технические требования. Введ. 01.06.2019. Изм. 05.05.2022. М.: Стандартинформ, 2019.
5. ГОСТ 32730—2014. Дороги автомобильные общего пользования. Песок дробленый. Технические требования. Введ. 01.02.2015. Изм. 01.08.2019. М.: Стандартинформ, 2019.
6. ГОСТ 32761—2014. Дороги автомобильные общего пользования. Порошок минеральный. Технические требования. Введ. 01.02.2015. Изм. 01.12.2019. М.: Стандартинформ, 2019.
7. ГОСТ Р 58400.1—2019. Дороги автомобильные общего пользования. Материалы вяжущие нефтяные битумные. Технические условия с учетом температурного диапазона эксплуатации. Введ. 01.07.2019. Изм. 01.11.2020. М.: Стандартинформ, 2019.
8. The long-term pavement performance program : FHWA-HRT-15-049 / Federal Highway Administration. Washington, DC, 2015. 335 p. URL: https://www.fhwa.dot.gov/publications/ research/infrastructure/pavements/ltpp/15049/15049.pdf (дата обращения 28.11.2019).
9. Third International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements: Proceedings: September 11 Through 15, 1972, Grosvenor House, Park Lane, London, England The University of Michigan Third International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements: Proceedings, September 11 Through 15, 1972, Grosvenor House, Park Lane, London, England (Том 1), University of Michigan. Department of Civil Engineering.
10. The WASHO Road Test, HIGHWAY RESEARCH BOARD, Special Report 18, Presented at the Thirty-Second Annual Meeting, January 13—16, 1953—1954. URL: https://onlinepubs.trb. org/Onlinepubs/sr/srl8.pdf (дата обращения 27.10.2023).
11. Окост M.B. Усиление подбалластной зоны железнодорожного пути покрытиями с использованием органических вяжущих: диссертация ... канд. техн, наук: 05.22.06/ Место защиты: РГУПС. Ростов-на-Дону, 2006. 145 с.
THE EFFECTIVENESS OF THE USE OF A SUB-BALLAST LAYER OF ASPHALT CONCRETE IN TRACK STRUCTURES
Kolos Aleksei — Ph.D., Head of the Department «Road Construction of Transport Systems» of the Emperor Alexander I St. Petersburg state transport university. Saint-Petersburg, Russia. SPIN code: 9591-6498.
Simchuk Evgeny — Ph.D. of economics, General Director of ANO «Research Institute of Transport and Construction Complex». Moscow, Russia. SPIN code: 4156-4360.
Bistrov Nikolai — Ph.D., President of the Association of Producers and Consumers of Asphalt Concrete Mixtures. Moscow, Russia.
Shehtman Evgeny — D. Sci. of Military Sciences, Professor of the Department «Railway Track» of the Emperor Alexander I St. Petersburg state transport university, Saint-Petersburg, Russia. SPIN code: 7185-9172.
Cherniaeva Viktoria — Ph.D., Associate professor of the Department «Railway Track» of the Emperor Alexander I St. Petersburg state transport university. Saint-Petersburg, Russia, chernyaeva@pgups.ru, SPIN code: 6202-2098.
Melnik Yana — Ph.D., Associate professor of the Department «Tunnels and Underground Railways» of the Emperor Alexander I St. Petersburg state transport university. Saint-Petersburg, Russia.
Van Sintun — graduate student of the Department «Road Construction of Transport Systems» of the Emperor Alexander I St. Petersburg state transport university. Saint-Petersburg, Russia.
Abstract. The article presents a sub-ballast layer made of asphalt concrete, as an alternative to traditional designs of protective layers made of crushed stone-sand-gravel mixture, which provides waterproofing of the subgrade soils, drains infiltrated atmospheric waters from the main site, and reduces soil moisture. The main experimentally confirmed advantages of a protective layer of asphalt concrete are presented.
Keywords: railway, asphalt concrete, asphalt concrete layer, sub-ballast layer, protective layer, frost heaving of soil, subgrade.