Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

Таким образом, исключая основные конструктивные факторы повышенной динамики взаимодействия (участки с механическими стыками  и больные места по ЗП), группируя  участки пути, приходящиеся на средние части плети,  получаем возможность выявить влияние поездов повышенного веса и длины на интенсивность расстройства ГРК средней части плети со здоровым ЗП.

Усеченной выборкой, используя  данные ежемесячных проходов путеизмерительного вагона типа КВЛ-П за последние три года, получены зависимости роста количества отступлений второй степени и интенсивности расстройств пути от наработки тоннажа. При этом интенсивность расстройств пути от наработки тоннажа вычисляются по изменению СКО просадок s_i на отрезках  пути длиной от 50 м до нескольких километров:

                                                             (1)

где x_j - значение измеряемого параметра;

m_i - математическое ожидание измеряемого параметра;

n - количество измерений на отрезке длиной от 50 м до нескольких километров.

На рисунках 2 и 3 представлены зависимости роста количества отступлений 2 степени и интенсивности накопления расстройств пути от наработки тоннажа на участках с различной грузонапряженностью и интенсивностью обращения поездов повышенного веса и длины:

 

Рисунок 2 – Зависимость  роста отступлений второй степени а) и интенсивности

расстройств пути б) со скреплениями КБ от наработки тоннажа без разделительных слоев:

1 – при 50,8 % обращения поездов (113,2 млн. ткм бр./км в год) повышенного веса и длины; 2 – то же при 11,3 % (72 млн. ткм бр./км в год)

 

Рис. 3 - Зависимость роста отступлений второй степени а) и интенсивности

расстройств пути б) со скреплениями КБ от наработки тоннажа при 50,8 % обращения поездов повышенного веса и длины:

1 – без разделительного слоя; 2 – с разделительным слоем (геотекстиль)

 

Исходя из результатов статистической обработки выявлено влияние поездов повышенного веса и длины на расстройства ГРК. На участке пути грузонапряженностью 113,8 млн. ткм брутто/км в год с 50,8 % обращением поездов повышенного веса и длины рост числа отступлений и накопления расстройств пути примерно в 2 раза превышает интенсивность изменения ГРК участка с грузонапряженностью 72 млн. ткм брутто/км в год и 11,3 % обращением поездов повышенного веса и длины.

Применение геотекстиля  на участках обращения поездов повышенного  веса и длины дает положительный  результат по снижению интенсивности накопления отступлений ГРК среднем в 1,5-2,0 раз по сравнению с такими же участками без геотекстиля.

Обработка данных позволила  выявить степень интенсивности накопления остаточных деформаций типовой конструкции пути в зависимости от доли обращения поездов повышенного веса и длины. С ростом веса и длины поезда неизбежно увеличивается интенсивность расстройства пути и выход элементов ВСП. Интенсивность накопления расстройств пути при обращении 11,3% поездов повышенного веса и длины возрастает на 6%, а при количестве 50,8% - уже на 50% (на участках со скреплениями КБ). В средней части плети при здоровом ЗП на участках обращения поездов повышенного веса и длины интенсивность накопления расстройств пути в вертикальной плоскости между контрольным и рабочим проходам не превышала 0,2 мм, а рост отступлении 1шт на пикете.

При оценке пути по существующей методике целый километр оценивается как  удовлетворительный или неудовлетворительный при наличии одного уравнительного пролета протяженностью 25-50 м, имеющего всего несколько грубых отступлений ГРК. И доля таких километров на исследованном полигоне составила 40%.

Рисунок 4 - Оценка ГРК по существую-    Рисунок 5 - Оценка ГРК по разрабо-

 щей методике километровой оценки                 танной методике оценки

 

При оценке этого же полигона по разработанной методике протяженность  нестабильных участков по ГРК составила  всего 19 % против 40%, полученных по существующей покилометровой методике оценки. При этом на эти 19% протяженности нестабильных участков пути приходится 51% всех отступлений.

В рамках проведенной  работы введены некоторые термины. К стабильным (контрольным) участкам отнесены километры со стабильно отличной оценкой по существующей методике. По разработанной методике критерием стабильного участка является стабильность во времени (при наработке тоннажа) значения СКО просадок (не более 0,2 мм) или минимальное изменение количества отступлений. К нестабильным (опытным) отнесены километры, на которых в течение 3-х лет периодически повторяется удовлетворительная и неудовлетворительная оценка по просадкам и перекосам (отступлениям в вертикальной плоскости), а по разработанной методике участки протяженностью 50 м и более, имеющие накопление СКО просадок более 0,2 мм за каждые 10 млн. ткм брутто наработки.

В третьей главе представлены результаты инструментальных исследований по определению причин различного состояния ГРК одинаковых по всем параметрам участков пути.

Из условий удобства проведения инструментальных наблюдений на участках Бекасово-Сорт.-Яганово и Яганово-Воскресенск Московской ж.д. были отобраны опытные и контрольные участки, расположенные рядом, внутри одного километра, но разных пикетах бесстыкового пути со скреплениями КБ и АРС, а также опытные участки на уравнительных пролетах. В качестве опытных приняты участки с превышением интенсивности накопления СКО просадок 0,2 мм между рабочим и контрольным измерениями путеизмерительного вагона и имеющие повторы отступлений третьей степени в течение года. В качестве контрольных приняты участки, находящиеся в аналогичных условиях и с аналогичной конструкцией ВСП, не имевшие превышений СКО и отступлений ГРК в течение трех лет (2006-2008 гг.). Для примера на рисунке 6 показано различие в интенсивности изменения СКО просадок и в росте отступлений двух одинаковых по всем характеристикам участков (направление Бекасово-Сорт. - Яганово 2 путь 332 км ПК 8 и 333 км ПК 1 соответственно опытный и контрольный участки на бесстыковом пути со скреплениями КБ).

 

 

 

Рисунок 6 - Динамика изменения СКО просадок а) и количества отступлений б) на опытном и контрольном участках за период с 2006г по 2008 г.

 

Чтобы определить причину  различного состояния ГРК на первом этапе на контрольных и опытных участках измерялись значения следующих возможных факторов:

- состояние поверхности  катания рельсов (механические  стыки, глубина волнообразного  износа и др. поверхностных дефектов);

- состояние промежуточных  скреплений КБ и АРС (износ  прокладок-амортизаторов);

- параметры балластной  призмы (размеры, гранулометрический  состав);

- давление на ОПЗП в зонах механических и сварных стыков;

- состояние водоотводов  и степень обводнения балластной  призмы и ОПЗП.

Для определения давления в основной площадке ЗП устанавливали мессдозы по оси наружной рельсовой нити под шпалами на уровне 40 см от подошвы шпалы под принимающей шпалой сварного стыка и в обе стороны на расстоянии 12,5м. Все измерения осуществлялись на трех сечениях в местах расположения мессдоз. Регистрацию сигналов от мессдоз и тензорезисторов осуществляли тензостанцией на базе крейт-контроллера MIC-026 с тензомодулями MC-212 и ноутбука ASUStek IT1500, которая позволяет регистрировать одновременно результаты измерения во всех выбранных сечениях.

 

 

Анализ результатов измерения  давления на ОПЗП показал, что в сварных стыках с глубиной седловины 0,56 мм доля сверхнормативных (более 0,8 МПа) давлений на ОПЗП в 2,5 раза выше, чем на контрольных участках вне стыков. В механических стыках доля сверхнормативных давлений на ОПЗП уже в 2,5-3,0 раза выше, чем на контрольных участках вне стыков. При этом максимальное значение давления достигает 0,30 МПа или в 3,75 раза выше норматива. На двух из четырех отобранных для инструментального исследования опытных участках превышение давления на ОПЗП обусловлено наличием механических стыков с плохим состоянием узлов промежуточных скреплений.

 

Рисунок 7 – Обобщенная по контрольным и опытным участкам гистограмма давлений на ОПЗП: а – вне стыков; б – на сварных и механических стыках

 

Превышение давления на ОПЗП в основном связано со следующими факторами:

- наличие механических  стыков и низкое качество сварных  стыков;

- состояние промежуточных  скреплений;

- состояние балластной  призмы.

В лабораторных условиях определялись степень загрязненности и гранулометрический состав щебня проб, взятых на опытных и контрольных участках. На рисунке 8 представлено усредненное процентное соотношение фракций щебня.

 

 

 

 

Рисунок 8 - Сравнительная  диаграмма гранулометрического  состава и 

загрязненности щебня опытных и контрольных участков.

 

Из приведенных результатов  видно, что загрязненность щебня  опытных участков частицами менее 1мм превышает значения на контрольных участках в среднем на 1,5-2 раза. Это, возможно, говорит о том, что на опытных участках истирание частиц щебня происходит интенсивнее по сравнению с контрольными участками. Также вероятна и обратная зависимость – чем больше мелких частиц, тем хуже водоотведение и ниже несущая способность балластной призмы, и как следствие интенсивнее расстройства ГРК.

По результатам измерения  интенсивности засорения балластного  слоя выявлено, что доля засорителей, попадающих в балластную призму извне на участке исследования, в общей интенсивности засорения балластного слоя составляет 0,31 процента в год, т.е. незначительна. Из этого следует, что основную долю мелких засорителей составляют дробленые частицы щебня из-за интенсивного воздействия поездов, в т.ч. повышенного веса и длины.

По результатам статистического  анализа, натурного осмотра и  инструментального исследования нестабильных участков, выявлены конструктивные факторы, в наибольшей степени влияющие на расстройства ГРК (таблица 1).

 

 

 

Таблица 1 – Результаты количественной оценки

Конструктивные факторы, влияющие на стабильность пути	Доля от общей протяженности нестабильных участков пути, %
1. Наличие механических  стыков	60-70
2. Плохой водоотвод - наличие валика из старых балластных материалов на обочине	5-8
3. Подходы к ИССО	2-3
4. Нестабильные участки из-за деформаций земляного полотна	10-14

 

Таким образом, наибольшие расстройства пути (изменение ГРК) происходят на участках повышенного динамического воздействия поездной нагрузки, особенно, в зоне рельсовых стыков. Как подтверждают инструментальные исследования, расстройства пути обусловлены деформациями грунтов ОПЗП и балластного слоя, которые наиболее восприимчивы к природным и эксплуатационным фактором, а также вибрационным и динамическим воздействиям, связанным с неровностями пути.

В четвертой  главе на основании количественной оценки по результатам статистического и инструментального исследования (таблица 1) выделены следующие ключевые направления разработки технических и организационных решений по локальному (адресному) снижению интенсивности остаточных деформаций пути, в т.ч. на участках обращения поездов повышенного веса и длины:

1. Устранение участков  с механическими стыками, в  т.ч. на стрелочных переводах  сваркой.

2. Обеспечение водоотвода  от подошвы балластной призмы  при ремонтах пути. Повышение  требований к качеству щебеночного балласта.

3. Оптимизация жесткости  пути для уменьшения динамических  сил, действующих в балласте и на ОПЗП на подходах к ИССО, стрелочных переводах и в др. специальных случаях за счет укладки подшпальных прокладок, а также использования упругих скреплений.

4. Увеличение несущей способности верхней части земляного полотна укладкой защитного слоя.

В рамках разработки проектных  решений для оздоровления опытных  участков были выполнены специальные расчеты.

1. Таким образом, по результатам инструментального исследования на опытных участках (вне стыков) основная доля колес, превышающая допускаемую величину давления на ОПЗП находится в диапазоне 0,1-0,11 МПа (см. рисунок 7 а). Чтобы уменьшить напряжения от 0,11 МПа до 0,08 МПа необходимо обеспечить снижение напряжения на ОПЗП на 27%.

По результатам расчета  прочности ОПЗП, снижение напряжения на 27% обеспечивается при увеличении толщины балластного слоя до 80 см за счет устройства защитного слоя из песчано-гравийной смеси толщиной 40 см.

Укладка защитного слоя толщиной 40 см (рисунок 9 а) приводит к удорожанию конструкции пути из-за вырезки большого объема вывозимого грунта и завозимого материала защитного слоя, а также выработки в «окно».

Поэтому для снижения затрат была разработана конструкция  пути с комбинированным защитным слоем толщиной 20 см, армированным двумя слоями георешеток Tensar. С точки зрения перераспределения напряжений на ОПЗП проведены расчеты с использованием программы конечно-элементного моделирования Katran. Чтобы упростить расчеты, принята линейная зависимость распределения напряжений поперек и вдоль шпалы.

Расчеты проведены в  соответствии с данными таблицы 2.

Таблица 2 – Характеристики материалов модели

Материал	Свойства
	Е, кг/см2	ν	ρ, т/м3	с, т/м2	φ,град
1. Бетон шпал	3,25×105	0,2	2,5	-	-
2. Щебёночный балласт	4000	0,2	2,2	1,0	35
3. Георешетка SSLA30	3,5×105	0,35
4. Песко-гравий	1200	0,22	1,9	1,0	35
5. Георешетка SS30G	2×105	0,35
6. Грунт насыпи (суглинок)	500	0,28	2,0	2,8	22