СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ И УСТРОЙСТВО ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
METHOD FOR ERECTION OF RAILWAY SUPERSTRUCTURE AND ARRANGEMENT OF RAILWAY SUPERSTRUCTURE

Изобретения относятся к области железнодорожного транспорта, конкретно к способам сооружения и устройству верхнего строения железнодорожного пути, повышающих их несущую способность в упругой фазе контактного взаимодействия с балластным слоем и подстилающим основанием.
Известен способ сооружения верхнего строения железнодорожного пути, заключающийся в укладке на подготовленную насыпь балластного слоя путевой решетки с рельсами при плоском контактном взаимодействии поперечных шпал с балластным слоем, при этом шпалы устанавливают перпендикулярно к рельсам с шагом t, обеспечивающим работу рельс в упругом состоянии под действующей грузовой нагрузкой поезда при общей несущей способности балластного слоя в упругой фазе взаимодействия со шпалами [1].
Недостатком известного способа сооружения верхнего строения железнодорожного пути является значительное количество дорогостоящих шпал на единицу длины путевой решетки при принятом сечении рельс, работающих под нагрузкой в фазе упругих деформаций. При этом контакт по горизонтальной плоскости путевой решетки с балластным слоем при нагрузках современных товарных поездов в упругой фазе не гарантируется, особенно при движении на малых скоростях, когда линии сдвигов успевают развиться из-под края путевой решетки на глубину балластного слоя и за его края на дневную поверхность с потерей общей несущей способности и устойчивости насыпи в целом.
Известен способ сооружения железнодорожного пути на грунтовом основании, заключающийся в отсыпке на горизонтальное профилированное грунтовое основание с достаточной несущей способностью для грузового состава горизонтально спрофилированного поверху балластного слоя щебня фракциями более 10 мм, высотой h при ширине в верхнего строения и угле β боковых откосов, уплотнении балластного слоя и грунтового основания, укладке пролетов путевой решетки на уплотненный балластный слой горизонтальной опорной плоскостью шпал и соединении стыков рельсовых плетей с образованием путевой решетки [2].
Неравномерная упругость подстилающего основания приводит к возникновению волнообразного износа рельсов в продольном направлении. Шпалы под поездной нагрузкой испытывают знакопеременные нагрузки. Причем растягивающие напряжения по своим значениям могут превышать предел выносливости железобетона, из которого изготовлены шпалы, вызывая образование в бетоне трещин. Только с переходом на предварительно напряженный бетон задача создания выносливых железобетонных шпал типа ШС-1, ШС-2, ШС-2у была в определенной мере решена. Однако контакт путевой решетки с балластным слоем и балластного слоя с грунтовым основанием по горизонтальной плоскости приводит при невозможности значительной продольной деформации на изгиб железобетонных шпал к возникновению крайне неравномерной эпюры контактных и закраевых контактных напряжений с проявлением их максимальных пиков у краев шпал. При этом деформируемое в процессе осадок под балластным слоем и путевой решеткой горизонтальное грунтовое основание, особенно торфяное, принимает параболическую поверхность в плоскости контакта с балластным слоем при более равномерном распределении в контактной плоскости напряжений сжатия. Недостатком известного способа сооружения железнодорожного пути является и недостаточная несущая способность балластного слоя для работы в упругой фазе напряженно-деформированного состояния под тяжелонагруженными грузовыми железнодорожными составами. Большая частота установки шпал на единицу длины путевой решетки обеспечивает упругое взаимодействие рельса со шпалами и с колесами вагонных тележек с неоправданно большим запасом несущей способности балластного слоя.
б
б
max
o
Технологический результат по способу сооружения верхнего строения железнодорожного пути, заключающемуся в определении по данным лабораторных испытаний консолидированных образцов грунта несущего основания и материала балластного слоя на сдвиг соответствующих параметров: φ и φ - угла их внутреннего трения, с и с - их удельного сцепления, в отсыпке на профилированное основание с достаточной несущей способностью для грузового состава балластного слоя высотой h и шириной в верхнего строения при угле β боковых откосов, в уплотнении балластного слоя с грунтовым основанием, укладке пролетов путевой решетки на уплотненный балластный слой опорной поверхностью шпал длиной l, соединении стыков рельсовых плетей, достигается тем, что консолидированному балластному слою придают радиус выпуклого контакта с основанием R≥(h·tgβ+в/2)/sin(ψ), где угол сектора дуги упругого полуконтакта балластного слоя с грунтовым основанием  с торфяным основанием -  где  - критическое давление для основания под центром балластного слоя,  - давление структурной прочности основания на растяжение, балластный слой профилируют с уплотнением путем придания поперечному сечению его поверхности дугообразного углубления, соответствующего ответной центральной дугообразной выпуклой опорной поверхности шпалы в поперечном сечении путевой решетки, с радиусом  где угол сектора дуги полуконтакта опорной выпуклой поверхности шпалы длиной l в поперечном сечении путевой решетки с балластным слоем составляет  при  - давление структурной прочности балластного слоя на растяжение,  - критическое давление для балластного слоя под центром дуги контакта шпалы, при этом опорную поверхность шпалы выполняют по дуге окружности радиусом  на всей ее длине l, а рельсы на прямолинейных участках пути фиксируют на шпалах, установленных к ним под углом α=arctg(t/a), где a - стандартная ширина колеи, k - расстояние между осями колес вагонной тележки, t=k/(n+0,5) - шаг между шпалами в продольном направлении колеи, n - целое число шагов между осями колес вагонной тележки, а подкладки под рельсы изготавливают с опорной поверхностью, повернутой под углом α к ее поперечной оси симметрии.
б
б
Известно устройство верхнего строения железнодорожного пути, состоящее из уплотненного на грунтовом основании балластного слоя в i виде насыпи щебня с фракциями более 10 мм высотой h при ширине в верхнего горизонтального строения и угле β боковых откосов, характеризующегося углом φ внутреннего трения и удельным сцеплением с, пролетов путевой решетки с соединенными стыками рельсовых путей, уложенных через металлические подкладки на шпалах с опорной поверхностью, упруго контактирующей с балластным слоем [1].
Недостатком известного устройства железнодорожного пути является необходимость сооружения путевой решетки из большого количества поперечных шпал, обеспечивающих упругую работу рельса под колесами грузового состава. При этом упругая несущая способность балластного слоя под плоской подошвой шпал путевой решетки оказывается недостаточной для прохождения на малых скоростях тяжелогруженых грузовых составов.
б
б
Известно устройство верхнего строения железнодорожного пути, состоящее из балластного слоя в виде насыпи щебня о фракциями более 10 мм, высотой h при ширине в верхнего горизонтального строения и угле β боковых откосов, характеризующегося углом внутреннего трения - φ и удельным сцеплением - с, отсыпанного и уплотненного на горизонтально профилированном грунтовом или торфяном основании, характеризующемся в консолидированном под насыпью стоянии углом внутреннего трения - φ и удельным сцеплением - c, достаточным для его гарантированной упругой несущей способности под балластным слоем вместе с грузовым составом, пролетов путевой решетки с соединенными стыками рельсовых путей, уложенных на шпалах с опорной поверхностью, упруго контактирующей с балластным слоем [2].
Известное современное устройство железнодорожного пути при работе под нагрузкой от современных, длинных грузовых составов при скоростях движения менее 50 км/час воспринимают динамическую вертикальную нагрузку, иногда достаточную для потери устойчивости подстилающего грунтового (или торфяного) основания вместе с балластным слоем и потери их общей несущей способности. При этих скоростных режимах движения для тяжелогруженых длинных грузовых составов линии сдвигов под краями путевой решетки успевают развиваться в балластном слое и подстилающем его основании с выходом за краями насыпи на дневную поверхность, что приводит к общему разрушению железнодорожного пути и аварийному сходу с него с опрокидыванием всего грузового состава. Известное устройство верхнего строения железнодорожного пути характеризуется количеством поперечных шпал на единицу длины, связанным с необходимостью обеспечения упругого прогиба рельс под колесами вагонной тележки. При этом несущая способность путевой решетки под нагрузкой от современных грузовых поездов может оказаться недостаточной при движении на малых скоростях или при остановке поезда, теряется устойчивость отсыпанного балластного слоя с опрокидыванием грузовых поездов.
б
б
max
o
Технический результат по устройству верхнего строения железнодорожного пути, состоящему из отсыпанного и уплотненного на профилированном грунтовом основании балластного слоя высотой h при ширине в верхнего строения и угле β боковых откосов, характеризующегося углом φ внутреннего трения и удельным сцеплением - с, характеризующимся по результатам лабораторных испытаний отобранных образцов на сдвиг углом φ внутреннего трения и удельным сцеплением c, достаточным для его гарантированной упругой способности под балластным слоем вместе с грузовым составом, пролетов путевой решетки с соединенными стыками рельсовых путей, уложенных на шпалах длиной l с опорной поверхностью, упруго контактирующей с балластным слоем, достигается тем, что балластный слой отсыпан на основании на ширине (h·tgβ+в/2) и по дуге окружности поперечного сечения радиусом R≥(h·tgβ+в/2)/sin(ψ), где угол сектора дуги упругого полуконтакта балластного слоя с грунтовым основанием  с торфяным основанием -  - критическое давление для основания под центром балластного слоя,  - давление структурной прочности основания на растяжение, и выполнен с поверхностными центральными дугообразными профильными углублениями под путевые решетки, выполненные в поперечном сечении по дуге окружности с радиусом  где угол сектора дуги полуконтакта опорной выпуклой поверхности шпалы длиной l в поперечном сечении путевой решетки с балластным слоем составляет  при  - давлении структурной прочности балластного слоя на растяжение,  - критическом давлении для балластного слоя под центром дуги контакта шпалы, при этом опорная поверхность шпалы вдоль ее длины l выполнена по дуге окружности радиусом  рельсы на шпалах установлены через подкладки со скошенными опорными для рельс площадками под углом α на прямолинейных участках пути и фиксированными на шпалах, установленных к ним под тем же углом α=arctg(t/a), где a - стандартная ширина колеи, t≈к/(n+0,5) - шаг между шпалами в продольном направлении колеи, к - расстояние между осями колес вагонной тележки, n - целое число шагов между осями колес вагонной тележки.
Изобретения поясняются графическими материалами, где на фиг.1 - поперечный разрез железнодорожного пути с цилиндрической контактной поверхностью между основанием и балластным слоем, а также между балластным слоем и железобетонной шпалой путевой решетки, на фиг.2 - общий вид предлагаемой железобетонной шпалы типа ШС, фиг.3 - вид А шпалы, совмещенный с видом В, фиг.4 - вид путевой решетки сверху, фиг.5 - подкладка металлическая под рельсы (вид спереди), фиг.6 - вид Г фиг.5.
б
б
Предлагаемое устройство верхнего строения железнодорожного пути (фиг.1) состоит из подготовленного основания, спрофилированного по радиусу дуги окружности (фиг.1)  где угол сектора дуги упругого полуконтакта балластного слоя 1 с грунтовым основанием 2 -  с торфяным основанием -  где  - критическое давление для основания под центром балластного слоя,  - давление структурной прочности основания на растяжение, φ - угол внутреннего трения и c - удельное сцепление консолидированного под проектной нагрузкой грунтового или торфяного основания под отсыпанный балластный слоя 1 высотой h при ширине в верхнего строения и угле β боковых откосов 3, характеризующийся углом φ внутреннего трения и удельным сцеплением с, статически нагруженный вертикальной нагрузкой от веса грузового состава. При этом балластный слой 1 поверху на ширине в выполнен с продольными дугообразными профилированными углублениями 4 под выпуклость (фиг.2) шпал 5, выполненными на всей длине l по дуге окружности  где угол сектора дуги полуконтакта опорной плоскости шпалы 5 с балластным слоем 1 составляет  - давление структурной прочности балластного слоя 1 на растяжение,  - критическое давление под центром выгиба шпалы 5 под углубление 4 балластного слоя, угол α соответствует углу установки шпал в путевой решетке к продольной оси железнодорожного пути (фиг.3, 4). Шпалы 5 опорной поверхностью путевой решетки с соединенными стыками рельсовых путей 6 уложены в ответные углубления балластного слоя 1 радиусом  (фиг.1) поперечного сечения. Угол α=arctg(t/a), где a - стандартная ширина колеи, t≈к/(n+0,5) - шаг между шпалами в продольном направлении колеи, к - расстояние между осями колес вагонной тележки. При этом подкладки 7 путевой решетки выполнены с опорной площадкой под рельсы 6, повернутой под углом α.
б
б
max
o
o
Способ сооружения верхнего строения предлагаемого железнодорожного пути реализуется следующим образом. По результатам проектных расчетов, полученным на базе лабораторных испытаний образцов грунтового или торфяного основания 2 при линейных инженерно-геологических изысканиях и данным опытов с материалом балластного слоя 1 железнодорожного пути с определением параметров с и с - удельного сцепления балластного слоя и подстилающего основания, φ и φ - соответственно углов их внутреннего трения, определяют радиусы контактных поверхностей R и г соответственно балластного слоя 1 с основанием 2 и балластного слоя 1 с опорной поверхностью путевой решетки по соответствующим расчетным зависимостям R≥(h·tgβ+в/2)/sin(ψ) и  где  - соответственно углы сектора дуги упругого полуконтакта балластного слоя 1 с грунтовым и торфяным основанием 2,  - критическое давление под центром балластного слоя для основания,  - структурная прочность грунта или торфа на растяжение,  где  - структурная прочность балластного слоя 1 на растяжение,  - критическое давление для балластного слоя 1 шириной l под шпалами 5 длиной l под рельсовые плети 6 путевой решетки. По данным проектных расчетов по дуге окружности >R профилируют основание 2 железнодорожного пути, производят отсыпку балластного слоя 1 высотой h на ширине (в/2+h tgβ) и после стабилизации осадок уплотненного балластного слоя 1 с основанием 2 ведут продольное профилирование поверхности балластного слоя 1 с радиусами r выемок под ответные выгибы путевой решетки радиусами r (фиг.1). На профилированную поверхность балластного слоя укладывают плети путевых решеток, сложенные из шпал 5 длиной l на подкладках 7 с соединяемыми стыками рельсовых путей.
Предлагаемые способ и устройство позволяют гарантированно обеспечить безопасность работы железнодорожного пути под грузовыми тяжелыми составами за счет обеспечения упругого взаимодействия колес вагонных тележек подвижного состава с рельсами путевой решетки и балластным слоем. Упругое взаимодействие рельс с колесами вагонных тележек гарантированно обеспечивается принятым шагом t между уложенными под углом α к рельсам шпалами, при этом количество шпал на единицу пути по сравнению с известными устройствами можно уменьшить в 1,5 раза.
Источники информации
1 Виноградов Ф.П., Тетеркин А.Е., Питерман М.А. Строительные свойства торфяных грунтов. (Под ред. Н.А.Цытовича и Ф.П.Виноградова). - Минск: изд-во АНБССР, 1962. - С.172-174. (Аналог по способу и устройству).
2. Андреев Г.Е., Лапидус Т.А., Мельков Г.В. Многократное использование элементов путевой решетки с железобетонными шпалами. - М.: Транспорт, 1989. С.45-47 (Прототип по способу и устройству).