ОСНОВАНИЕ ДЛЯ БЕЗБАЛЛАСТНОГО ПУТИ

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к верхнему строению железнодорожного пути.
Известно основание для безбалластного пути, содержащее армированную бетонную плиту, при этом плита, в которой стержневая арматура расположена в продольном и поперечном направлениях с образованием сетки, уложена на гидравлически связанный слой, расположенный на несвязанном земляном полотне. Бетонную плиту толщиной 20-22 см формируют с высокой точностью (до 1 мм) с помощью разравнивающего бруса бетоноукладчика. Гидравлически связанный слой толщиной 30 см укладывают с помощью бетоноукладчика со скользящей опалубкой (см. статью «Путь на жестком основании системы Crailsheim», журнал «Железные дороги мира», 2000 г., №08».
Статические и динамические нагрузки на верхние слои земляного полотна пути в данной конструкции основания снижены благодаря тому, что элементы основания (бетонная плита и гидравлически связанный слой) распределяют силовые воздействия на значительную площадь.
Для строительства данной конструкции основания требуется большое количество бетона и металлической арматуры, что делает рассматриваемое основание достаточно дорогим.
Армирование (от лат.armo - вооружаю, снабжаю) предназначено для усиления материала или частей конструкции элементами (арматурой) из другого, более прочного материала. В качестве арматуры могут использоваться, например, стержни, сетки, проволока, волокна, каркасы.
Используемое в известном основании поперечное (сетчатое) армирование бетонной плиты, в которой арматура уложена в горизонтальной плоскости плиты, служит для увеличения ее несущей способности только при сжатии. Так как при прохождении подвижного состава под действием циклических и динамических нагрузок на все элементы основания пути действуют и растягивающие усилия, это может привести к разрушению (нарушению целостности) монолитной бетонной плиты, и, как следствие, к разрушению арматуры под действием коррозии. Возникшие разрушения приведут к снижению несущей способности основания и к неравномерной его деформации, которая является причиной возникновения крайне нежелательных дополнительных напряжений рельсовых плетей.
Известно основание для безбалластного пути, описанное в заявке РФ №95120069 на изобретение «Система верхнего строения пути без щебенки с двумя железнодорожными рельсами» с приоритетом от 1994.11.30, опубликованном 1997.12.10 и выбранное в качестве прототипа.
Данное основание для безбалластного пути содержит армированную бетонную плиту, которая состоит из двух изготовленных друг на друге слоев, между которыми расположены арматурные стержни, проходящие в продольном и поперечном направлениях пути с образованием сетки, причем армированная плита, слои которой соединены через ячейки, образованные стержневой арматурой, расположена на нижнем конструктивном слое, выполненном из бетона и расположенном на земляном полотне. По меньшей мере, один из двух слоев бетонной плиты может быть армирован волокнами, что снижает образование внутренних микротрещин, повышает долговечность бетона и защищает стальную арматуру.
Статические и динамические нагрузки на верхние слои земляного полотна пути в данной конструкции основания снижены благодаря тому, что элементы основания (бетонная плита и гидравлически связанный слой) распределяют силовые воздействия на значительную площадь.
Однако для строительства данной конструкции основания требуется большое количество бетона, металлической арматуры и арматуры в виде волокон, что делает рассматриваемое основание достаточно дорогим. Сроки изготовления данного основания связаны со временем схватывания каждого из бетонных слоев, что затягивает строительство.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание конструктивно и технологически простого основания со сниженной материалоемкостью и сохранением прочностных характеристик.
Решением данной задачи является заявляемое основание для безбалластного пути, состоящее из армированной бетонной плиты, новым в котором является то, что армированная бетонная плита расположена на земляном полотне, в качестве арматуры использован ячеистый каркас с пространственными ячейками, который частично вдавлен в земляное полотно, при этом бетонная плита имеет модуль упругости от 1500 мега паскалей до 21000 мега паскалей.
Ячеистый каркас может быть выполнен из полимерных элементов, соединенных между собой, внутренние стенки каркаса могут иметь перфорацию. Ячеистый каркас может быть вдавлен в земляное полотно на 1/3 глубины ячеек.
Используемый в качестве арматуры ячеистый каркас с пространственными ячейками представляет собой сотовую конструкцию, выполненную, например, из полимерных элементов, соединенных между собой. Такой каркас, обладающий малой материалоемкостью, является компактным элементом, в котором стенки ячеек и места соединений элементов являются ребрами жесткости, увеличивающими прочность бетонной плиты. Использование ячеистого каркаса для объемного армирования бетонной плиты, увеличивает степень ее устойчивости в горизонтальном и вертикальном направлениях и сопротивляемость изгибу. В качестве полимерного материала для изготовления каркаса используют, например, полиэтилен, имеющий хорошие прочностные и упругие свойства. Глубина ячеек каркаса определяет толщину бетонной плиты. Оптимальная толщина стенок каркаса (в зависимости от класса пути) равна 5-10 мм.
На качество безбалластного пути существенно влияет земляное полотно, которое должно быть укреплено для придания ему устойчивости. Для дополнительного укрепления поверхностного слоя предварительно утрамбованного земляного полотна ячеистый каркас частично (не полностью) вдавлен в него. При проведении испытаний было установлено, что оптимальная величина заглубления нижней части каркаса равна 1/3 глубины его ячеек (высоты каркаса). Такая величина заглубления каркаса достаточна для его надежного соединения с земляным полотном, что увеличивает прочность основания, и для дополнительного укрепления поверхностного слоя земляного полотна.
В каждой ячейке каркаса бетон, занимающий 2/3 объема ячейки, находится в контакте с ее стенками и с земляным полотном с образованием промежуточного связующего слоя - грунтобетона, обладающего высокими прочностными и деформационными характеристиками. При наличии в стенках каркаса перфорации образуется дополнительная связь между бетонными элементами соседних ячеек каркаса. Плита на основе ячеистого каркаса, ячейки которого наполнены заполнителем, при эксплуатации в условиях повышенных статических, циклических и динамических нагрузок распределяет действующие нагрузки на значительную площадь, за пределы зоны их воздействия, в результате чего снижается величина вертикального напряжения на земляное полотно, что повышает его несущую способность.
Так как при эксплуатации излишне жесткая конструкция основания может быть повреждена под воздействием циклических и динамических нагрузках, при испытаниях заявляемого основания для безбалластного пути было установлено, что для повышения упругости основания желательно, чтобы армированная бетонная плита в целом (в зависимости от класса пути) имела модуль упругости от 1500 мега паскалей до 21000 мега паскалей. Упругость плиты обеспечивается конструкцией и материалом ячеистого каркаса и, связанного с каркасом, бетоном, упругие и прочностные свойства которого являются определяющими и оптимизируются комплексной полимерной добавкой полифункционального действия (комплексный модификатор бетона). Плита с модулем упругости менее 1500 мега паскалей не обладает достаточной жесткостью, что может привести к его смятию, а конструктивный слой с модулем упругости более 21000 мега паскалей делает основание жестким.
Ширина готового основания больше длины укладываемой на него шпалы на 1/3-1/4 часть.
Для изготовления заявляемого конструктивно и технологически простого основания с использованием ячеистого каркаса не требуется какого-либо специального оборудования и сложной технологии.
Авторам известно использование ячеистого каркаса из полимерных элементов для объемного усиления (армирования) грунтов (при строительстве автомобильных и железных дорог, аэродромов), для защиты их от эрозии, в частности, для защиты от эрозии откосов насыпей и выемок дорог (СТО 218.3.005/2-2007 «Решетка геотекстильная каркасная марки «Геомат»).
Авторам не известно использование плит на основе ячеистого каркаса в качестве основных несущих конструктивных элементов основания рельсового пути. Предлагаемое техническое решение преодолевает стереотипность мышления специалистов в данной области и выводит использование строительных элементов на основе ячеистого каркаса на новую ступень развития, обеспечивая новые возможности в области строительства оснований рельсовых путей, что позволяет говорить о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где схематично изображено: на фиг.1 - ячеистый каркас; на фиг.2 - основание для безбалластного пути в сборе.
Основание для безбалластного пути состоит из армированной бетонной плиты 1, расположенной на земляном полотне 2. В качестве арматуры использован ячеистый каркас 3 с пространственными ячейками. Каркас 3 частично вдавлен в земляное полотно 2 на глубину hi, которая может быть равна, например, 1/3 глубины ячеек каркаса 3. Та часть ячеек каркаса 3, которая вдавлена в земляное полотно, заполнена грунтом (землей) 4, а остальной объем ячеек заполнен бетоном 5. Ячеистый каркас 3 выполнен из полимерных элементов, например, в виде пластин или лент, соединенных между собой. В качестве полимерного материала используют, например, полиэтилен. Внутренние стенки каркаса 3 могут иметь перфорацию (на чертеже не показано).
2
1
Площадь ячейки каркаса 3 выбирается исходя из того, что плита 1 воспринимает максимальные нагрузи со стороны подвижного состава, то ее прочностные свойства, которые находятся в обратно пропорциональной зависимости от площади ячейки каркаса 3, также должны быть максимальными. Наиболее оптимальной для плиты 1 является ячейка площадью 16-25 см. Глубина ячеек каркаса 3 определяет толщину плиты 1. В результате проведенных испытаний было установлено, что для создания прочного основания для безбалластного пути толщина Н основания должна быть равна (в зависимости от класса пути) от 150 до 300 мм, то есть высота каркаса 3 складывается из толщины Н и заглубленной части h. Толщина стенок ячеек каркаса 3 выбирается исходя из конкретных условий эксплуатации (класса пути) и свойств наполнителя и может быть равна 1,5-10 мм.
Плита 1 в целом может иметь модуль упругости от 1500 мега паскалей до 21000 мега паскалей (в зависимости от класса пути) для чего используется комплексная полимерная добавка полифункционального действия (комплексный модификатор бетона), количество которой (5-50% от массы неорганического вяжущего материала - цемента) выбирается в зависимости от вида и свойств используемого инертного материала (земля и/или песок и/или гравий и/или щебень и/или керамзит и/или асфальтовая крошка и/или бой кирпича и/или отходы ферросплавного производства). Метод выбора конкретных соотношений компонентов наполнителя является авторским и основан на личных знаниях и опыте работы авторов. Полимерная добавка одновременно с увеличением упругости наполнителя, увеличивает и его прочность (предел прочности к механическому разрушению 2,5-20 мега паскалей), в частности за счет повышения водонепроницаемости и стойкости к образованию трещин, уменьшения усадочных деформаций. Полимерная добавка полифункционального действия выбирается из числа известных добавок, например, комплексный модификатор бетона по патенту РФ №2288197, или добавка «Ренолит», выполненная на основе латекса, выполняющего роль вяжущего материала в дополнение к неорганическому вяжущему материалу (цементу). Использование добавки на основе латекса позволяет для достижения заданных упругих свойств наполнителя уменьшить долю полимерной добавки. Так при использовании в качестве инертного материала песка, доля полимерной добавки составляет 5-8%, а для жестких инертных материалов (щебень) - 10-40%.
Заявляемое основание для безбалластного пути сооружают следующим образом:
• выравнивают и утрамбовывают земляное полотно 2;
• на земляное полотно 2 укладывают ячеистый каркас 3;
• ячеистый каркас 3 вдавливают (например, катком) в земляное полотно 2 на глубину hi, равную 1/3 глубины ячеек;
• заполняют ячейки каркаса 3 бетоном 5, приготовленным на месте с использованием имеющегося в достаточном количестве инертного материала (земля и/или песок и/или гравий и/или щебень и/или керамзит и/или асфальтовая крошка и/или бой кирпича и/или отходы ферросплавного производства), и уплотняют его, например, вибрацией. Таким образом формируют основание для безбалластного пути, которое после высыхания бетонной плиты 1 считается готовым для укладки рельсошпальной решетки (на чертеже не показано).
Все строительный работы проводятся на месте с использованием простой технологии с помощью обычной строительной техники. При эксплуатации в условиях повышенных статических, циклических и динамических нагрузок со стороны подвижного состава, плита 1 принимает на себя эти нагрузки и распределяет их на значительную площадь, за пределы зоны их воздействия, в результате чего снижается величина вертикального напряжения на земляное полотно 2, что обеспечивает его высокую несущую способность и снижает вероятность разрушения. Под действием нагрузки высокая собственная жесткость каркаса 3 обеспечивает минимальную деформацию упругих заполнителей 4 и 5. Благодаря упругим свойствам плиты 1 снижается уровень разрушительных упругих колебаний в основании, что увеличивает срок его службы.
Заявляемое основание безбалластного пути на основе ячеистого каркаса конструктивно и технологически просто, имеет малую материалоемкость и обладает необходимыми показателями прочности и упругости, позволяющими использование заявляемого основания в условиях повышенных статических, циклических и динамических нагрузок.