СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОЛОТНА
METHOD TO REINFORCE RAILROAD BED

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве и реконструкции железнодорожных технических систем «земляное полотно-верхнее строение пути» (ТС), автодорог, оснований сооружений и фундаментов, опор искусственных сооружений, ЛЭП и контактной сети на глинистых грунтах в условиях их переувлажнения и пучинообразования.
Общеизвестно, что одним из распространенных видов деформаций технической системы «земляное полотно-верхнее строение пути» являются пучинно-просадочные деформации основной площадки земляного полотна из глинистого грунта. Причиной возникновения пучин является инфильтрация поверхностных вод в ранее образованные балластные углубления земляного полотна, заполненные дренирующими балластными материалами, и переувлажнение глинистых грунтов верхней зоны земляного полотна. Под действием сезонного промерзания-протаивания происходит скопление воды в теле земляного полотна, ухудшение физико-механических характеристик грунтов в глубину и стороны. Под воздействием вибродинамического движения поездов весной происходит пластическое выдавливание переувлажненных глинистых грунтов, что способствует нарушению геометрии основной площадки и образованию дополнительных неровностей и углублений в основной площадке земляного полотна. В результате деформации земляного полотна в верхней зоне земляного полотна развиваются зимой из-за увеличения размеров пучин, весной из-за просадок и выплесков.
Известны способы упрочнения грунтов с использованием геосинтетических материалов, дренажных устройств, а также с использованием укрепляющих грунт минеральных добавок. Одним из мероприятий по упрочнению грунтов является применение укрепляющих композиций из минеральных вяжущих веществ, которые способствуют восстановлению первоначального влажностного режима.
Известен способ укрепления железнодорожного полотна из связанных грунтов посредством внесения в грунт укрепляющих композиций. Железнодорожное полотно технической системы представляет собой земляное полотно с расположенной на нем балластной призмой с рельсошпальной решеткой. Способ заключается в предварительном снятии рельсошпальной решетки, уборке балластной призмы, обработке грунтов путем нанесения на верхний слой основной площадки земляного полотна с загрязнителем балласта укрепляющей композиции, перемешивании грунта земляного полотна и укрепляющей композиции с добавлением воды до полного обволакивания частиц грунта вяжущим с последующим их уплотнением, в дальнейшей отсыпке балластной призмы и укладке верхнего строения пути [1].
В качестве укрепляющей композиции используют вяжущее и органическую добавку. Укрепляющая композиция содержит 9.1-14.5% вяжущего (извести) от массы грунта и 5.1-10.1% подогретого до 60-120°C шлама сланцевых фусов от массы грунта.
2
2
В результате перемешивания грунта верхнего слоя основной площадки земляного полотна с укрепляющей композицией происходят их химическое и физико-химическое взаимодействие с образованием кристаллических новообразований (гидросиликатов и гидроалюминатов), приводящих к увеличению плотности грунтов в процессе цементации. Уплотненные на основной площадке земляного полотна грунты образуют прочную монолитную плиту. При этом прочность грунтов при сжатии до водонасыщения при 20°C составляет до 36 кг/см, после водонасыщения - 31 кг/см.
Необходимая для цементации влага частично поступает из грунтов балластных углублений, которые при этом осушаются и частично стабилизируются.
В процессе эксплуатации монолитная плита основной площадки земляного полотна препятствует проникновению атмосферных осадков в грунты под плитой и в балластные углубления, сохраняя их стабильность в первые годы эксплуатации плиты.
С течением 2-3 лет сезонное промерзание-оттаивание приводит к накоплению грунтовой влаги в балластных углублениях, способствующей развитию деформаций грунтов углублений и грунтов верхнего слоя основной площадки земляного полотна и нарушению их стабильности после 3-4 лет эксплуатации.
Достоинство известного способа заключается в обеспечении достаточно высокой стабильности ТС благодаря стабилизации земляного полотна в первоначальный период эксплуатации.
Недостаток известного способа заключается в нарушении длительной стабильности ТС за счет нарушения стабилизации земляного полотна в процессе эксплуатации. Это обусловлено накоплением в балластных углублениях вследствие сезонных перепадов температур грунтовой влаги, приводящей к развитию деформаций грунтов балластных углублений верхнего слоя основной площадки земляного полотна.
Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ укрепления железнодорожного полотна из связанных грунтов посредством внесения в грунт укрепляющих композиций [2]. Железнодорожное полотно технической системы представляет собой земляное полотно с расположенной на нем балластной призмой с рельсошпальной решеткой.
Способ осуществляют следующим образом. Вначале из балластной призмы снимают рельсошпальную решетку и с основной площадки земляного полотна убирают балластную призму, обнажая грунты верхнего слоя основной площадки земляного полотна с загрязнителем балласта. Затем грунты верхнего слоя основной площадки земляного полотна обрабатывают укрепляющей композицией.
Для укрепления грунта используют композицию, которая содержит в качестве гидравлического вяжущего 40,0-50,0% доломитовой извести, в качестве адсорбента 25,0-40,0% цеолита, в качестве наполнителя 20,0-24,0% щебеня фракции 30-70 мм, в качестве поверхностно-активного вещества 0,3-1,0% фермента-уплотнителя и воду. Композицию берут в количестве 6-10% от массы укрепляемого грунта дорожного полотна.
Сухую часть укрепляющей композиции и воду наносят на грунты верхнего слоя основной площадки с последующим их перемешиванием и уплотнением. После полного обволакивания частиц грунта вяжущим на основную площадку земляного полотна отсыпают балластную призму, на которую укладывают верхнее строение пути.
В результате обработки грунтов дорожного полотна укрепляющей композицией происходят физико-химические процессы.
Цеолит, являющийся адсорбентом, собирает освобожденную поровую (связанную) воду, а также воду из грунтов основания, осушая тем самым грунт. При этом цеолит переводит поровую воду в молекулярное состояние.
Доломитовая известь, являющаяся гидравлическим вяжущим, поглощает избыток молекулярной воды в процессе эксплуатации и расходует ее на гидратацию. Гидратация доломитовой извести приводит к упрочнению грунтов.
Фермент-уплотнитель размягчает дисперсные фракции загрязнителя балласта, цеолита и доломитовой извести, увеличивает их активную поверхность, что приводит к максимальному заполнению порового пространства и, соответственно, к его уплотнению.
В результате в верхнем слое грунтов земляного полотна происходит образование кристаллических новообразований различных типов солей силикатов и карбонатов Ca и Mg. Вступая во взаимодействие с цеолитом, соли силикатов и карбонатов Ca и Mg преобразуются в более крупные кристаллы гидроалюминатов Ca и Mg. Наличие в грунтах кристаллов различных размеров увеличивает плотность грунтов в процессе цементации. Уплотненные на основной площадке земляного полотна грунты образуют прочную монолитную плиту. При этом прочность грунтов при сжатии до водонасыщения при 20°C составляет до 8,0 МПа, коэффициент уплотнения - 1,05; коэффициент водостойкости - 0,80.
В процессе образования кристаллов силикатов Ca и Mg при цементации грунта и кристаллов гидроалюминатов Ca и Mg при взаимодействии с цеолитом расходуется грунтовая влага балластных углублений верхнего слоя основной площадки. При этом происходит осушение переувлажненных грунтов балластных углублений и частичная их стабилизация. Процесс осушения балластных углублений продолжается до полного кольматажа пор цеолита тонкозернистыми пылеватыми структурами истирающейся плиты, что приводит к прекращению кристаллобразования.
В течение 3-5 лет монолитная плита основной площадки земляного полотна препятствует проникновению атмосферных осадков в грунты и балластные углубления под плитой, сохраняя стабильность грунтов в первые годы эксплуатации плиты.
С течением времени происходит полная потеря адсорбционных способностей цеолита, которая приводит к тому, что попавшая в балластные углубления влага переувлажняет грунты верхней зоны основной площадки. Переувлажнение грунтов верхней зоны основной площадки земляного полотна в результате сезонного промерзания-оттаивания приводит к накоплению грунтовой влаги в балластных углублениях и развитию пучинно-просадочных деформаций грунтов углублений и грунтов верхнего слоя основной площадки земляного полотна.
Достоинство известного способа заключается в увеличении первоначального срока эксплуатации железнодорожного земляного полотна при достаточно высокой стабильности земляного полотна за счет значительного увеличения периода осушения балластных углублений.
Недостаток известного способа заключается в том, что даже увеличенный срок стабильности земляного полотна значительно меньше нормативного межремонтного срока проведения капитального ремонта ТС.
Это обусловлено накоплением грунтовой влаги в балластных углублениях с течением времени вследствие сезонных перепадов температур, что приводит к развитию деформаций грунтов углублений и грунтов верхнего слоя основной площадки вследствие кольматажа цеолита и прекращения осушения грунтов балластных углублений.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа укрепления грунтов железнодорожного полотна, позволяющего осуществить процесс укрепления грунтов без снятия рельсошпальной решетки и поддерживать стабильность ТС в течение всего нормативного срока межремонтного срока ее службы за счет предупреждения развития деформаций грунтов балластных углублений и грунтов верхнего слоя основной площадки в условиях сезонного промерзания-оттаивания путем постоянного их осушения.
Для решения поставленной задачи в способе укрепления железнодорожного полотна, представляющего собой земляное полотно с расположенной на нем балластной призмой с рельсошпальной решеткой, заключающемся в обработке грунтов железнодорожного полотна укрепляющей композицией из гидравлического вяжущего, минерального адсорбента и воды с последующим их уплотнением до полного обволакивания частиц грунта балластной призмы укрепляющей композицией, обработку грунтов земляного полотна укрепляющей композицией осуществляют в верхнем слое балластной призмы, при этом укрепляющую композицию берут в количестве 8-12% от объема балластной призмы, а в укрепляющей композиции в качестве гидравлического вяжущего используют бруситовую известь и в качестве минерального адсорбента - бруситовый отсев, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
бруситовая известь
15-20
бруситовый отсев
25-30
вода
остальное
Заявляемый способ отличается от прототипа тем, что обработку грунтов земляного полотна укрепляющей композицией осуществляют в верхнем слое балластной призмы, укрепляющую композицию для обработки грунта берут в количестве 8-12% от объема балластной призмы, а в укрепляющей композиции в качестве гидравлического вяжущего используют 15-20% бруситовой извести, в качестве минерального адсорбента - 25-30% бруситового отсева, и остальное - вода.
Наличие отличительных существенных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
Обработка верхнего слоя балластной призмы грунтов земляного полотна укрепляющей композицией, содержащей бруситовую известь и бруситовый отсев, приводит к постоянному осушению балластных углублений верхнего строения пути в течение всего межремонтного срока службы технической системы, что предупреждает развитие деформаций грунтов балластных углублений и грунтов верхнего слоя основной площадки в условиях сезонного промерзания-оттаивания, а также к возможности осуществления способа укрепления без снятия рельсошпальной решетки. Это обусловлено практически полной ликвидацией причин развития деформаций грунтов углублений и грунтов верхнего слоя основной площадки благодаря отсутствию в балластных углублениях скоплений пылеватых частиц от истирающегося балласта и грунтовой влаги. Компоненты укрепляющей композиции при наличии пылеватых и глинистых частиц в балластной призме и в углублениях грунтов верхнего слоя основной площадки вступают с ними в химические процессы образования прочных кристаллических конгломератов солей кальция и магния, на рост которых расходуется вся свободная вода в углублениях верхнего слоя основной площадки. В результате происходит постоянное очищение щебеня балластной призмы от загрязнений, осушение углублений, уплотнение грунта верхнего слоя основной площадки земляного полотна и цементация грунтов верхнего слоя основной площадки с грунтами основания балластной призмы. Постоянно функционирующий процесс кристаллообразования, устраняющий причины образования деформаций, приводит к значительному возрастанию срока службы балластной призмы и земляного полотна.
Исследование причинно-следственной связи «Обработка верхнего слоя балластной призмы грунтов земляного полотна укрепляющей композицией, содержащей бруситовую известь и бруситовый отсев» приводит «к ликвидации основных причин развития деформаций в грунте как за счет осушения балластных углублений верхнего строения пути, так и за счет очистки балластной призмы от пылеватых и глинистых загрязнений» показало, что причинно-следственная связь «Обработка грунтов земляного полотна укрепляющей композицией» приводит «к ликвидации одной основной причины развития деформаций в грунте (наличие свободной воды) за счет осушения балластных углублений верхнего строения пути» явным образом вытекает из уровня техники. Однако явным образом не следует из уровня техники причинно-следственная связь «Обработка верхнего слоя балластной призмы грунтов земляного полотна укрепляющей композицией» одновременно приводит и «к ликвидации другой основной причины развития деформаций в грунте (наличие глинистых и пылеватых частиц в грунтах балластной призмы) за счет очистки балластной призмы от пылеватых и глинистых загрязнений». Проявление новой причинно-следственной связи при использовании заявляемого способа свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Об этом же свидетельствует резкое увеличение срока службы балластной призмы и земляного полотна без ремонта.
Способ укрепления железнодорожного полотна основан на внесении в грунт железнодорожного полотна укрепляющих композиций.
Железнодорожное полотно представляет собой земляное полотно с балластной призмой из дренирующего грунта и расположенной в ней рельсошпальной решетки. Балластная призма изначально выполнена из щебня фракции 30-70 мм, который с течением времени истирается, образуя пылеватые частицы загрязнителя балласта.
Укрепляющая композиция, используемая для укрепления грунта, содержит в качестве гидравлического вяжущего бруситовую известь, в качестве минерального адсорбента бруситовый отсев и воду. Указанные компоненты выбирают из интервала, мас.%:
бруситовая известь
15-20
бруситовый отсев
25-30
вода
остальное
Объем укрепляющей композиции выбирают из интервала 8-12% от объема балластной призмы.
Необходимый объем укрепляющей композиции вносят в верхний слой балластной призмы, например в щебень, перемешивают их и уплотняют до полного обволакивания составляющих грунта балластной призмы укрепляющей композицией.
Осуществление способа раскрыто на примере укрепления железнодорожного земляного полотна на КМ 359 Тында-Ургал ДВЖД филиала ОАО «РЖД».
3
Деформирующийся участок железнодорожного земляного полотна представляет собой насыпь высотой 1,2 м протяженностью 50 м, шириной по верху 6,3 м с балластной призмой в виде трапеции (нижнее основание - 4,5 м, верхнее основание - 3,2 м, высота - 0,6 м, объем - 115,0 м) из щебня фракции 30-70 мм и рельсошпальной решетки. Балластные углубления размером от 0,2-0,5 м выявлены на всем протяжении участка. Участок ежегодно подвергался пучению головки рельса от 50 до 170 мм, что нарушало безопасность и бесперебойность движения поездов. Зимой ограничение скорости доходило до 5 км/ч при существующей скорости 60 км/ч.
3
3
3
Для укрепления земляного полотна расчетным путем определялся объем укрепляющей композиции, который составил 11,5 м (10% от объема балластной призмы). Сухие компоненты укрепляющей композиции составляли 1,1 м бруситовой извести (18%) и 3,1 м бруситового отсева (27%) при расходе 25 л воды.
2
3
2
Бруситовая известь является в укрепляющей композиции гидравлическим вяжущим. Она в своем составе содержит окиси кальция CaO, магния MgO, железа FeO и кварц SiO.
2
8
4
10
3
3
5
3
4
2
2
3
2
Бруситовый отсев является в укрепляющей композиции адсорбентом. Он в своем составе содержат брусит Mg(OH), серпентинит Mg[(OH)]SiO, кальцит CaCO, доломит CaMgCO, гидромагнезит Mg[CO](OH)·4HO, магнезит MgCO, кварц SiO, карбонатную и бруситовую пыль, которая служит катализатором кристаллообразования в процессе гидратации.
В технологическую цепочку машин для укрепления земляного полотна на данном участке входят путевые машины: хоппер-дозаторная вертушка, пожарный вагон и ВПО-3000, перемещающиеся по рельсошпальной решетке.
Для обработки грунтов железнодорожного полотна с помощью хоппер-дозаторной вертушки на верхней слой балластной призмы по периметру дозированно наносят укрепляющую композицию. Затем щебень с композицией увлажняют водой из шланга пожарного вагона.
Далее смесь из щебня, укрепляющей композиции и воды уплотняют проходом вибрационной путевой машиной ВПО-3000, которая перемешивает в призме щебень, загрязнитель балласта, укрепляющую композицию и одновременно уплотняет их до полного обволакивания укрепляющей композицией загрязненного щебня по периметру балластной призмы.
Под воздействием вибрирования увлажненная укрепляющая композиция постепенно перемещается в основание призмы, перемешиваясь с пылевато-глинистыми частицами загрязненного щебня балластной призмы, и в дальнейшем проникает в пучинистые глинистые грунты верхнего слоя основной площадки земляного полотна и балластные углубления.
При взаимодействии пылеватых и глинистых грунтов с укрепляющей композицией и влагой в балласте и балластных углублениях происходят их химическое и физико-химическое взаимодействие с ростом кристаллических новообразований различных типов солей силикатов и карбонатов Ca и Mg.
В процессе гидратации происходит ионообмен между катионами Ca++ и Mg++, гидроксильной группы (OH) карбонатной и бруситовой пыли с пылеватыми и глинистыми частицами грунта с образованием более крупных малорастворимых солей силикатов и карбонатов Ca и Mg. На частицах разложения серпентинита (форстерита и энстатита), как на дополнительных центрах кристаллизации, происходит также образование нерастворимых солей гидросиликатов и гидроаллюминатов Ca и Mg. За счет дополнительных центров кристаллизации и наличия катионов Ca и Al в глинистых частицах грунта балластной призмы и балластных углублений в земляном полотне происходит быстрый и интенсивный рост кристаллов различных размеров с образованием прочных кристаллических конгломератов, в процессе роста которых расходуется вся свободная вода балластных углублений.
Бруситовый отсев адсорбирует свободную и связанную воду грунтов основной площадки земляного полотна, что приводит к дополнительному осушению пустот балластных углублений. Адсорбированная бруситовым отсевом вода участвует в процессе дальнейшего кристаллообразования.
В результате все пылеватые и глинистые частицы балластной призмы принимают участие в образовании солей кристаллов, тем самым очищая от загрязнений щебень балластной призмы, а образовавшиеся кристаллические конгломераты заполняют пустоты в балластных углублениях, уплотняя грунт верхнего слоя основной площадки земляного полотна и цементируя его грунтами основания балластной призмы.
Полная стабилизация земляного полотна наступает за короткий период времени, практически одновременно с осуществлением способа.
В процессе дальнейшей эксплуатации поступившие в грунты балластной призмы пылеватые частицы и свободная вода продолжают процесс кристаллобразования в призме. При этом грунт призмы постоянно очищается и осушается, что препятствует проникновению влаги в грунты основания призмы и образованию новых балластных углублений.
Таким образом, осушение грунтов земляного полотна носит циклический характер, что обеспечивает стабильное состояние грунтов верхней части основной площадки земляного полотна и основания балластной призмы, а также устраняет причины пучинообразования.
Испытания физико-механических показателей грунтов проводились в лаборатории НИЛ «Основания и фундаменты» ДВГУПС.
Для определения физико-механических показателей из укрепленного грунта изготавливались образцы - керны в виде цилиндров диаметром 5 см и высотой 10 см. Испытаниям подвергалась серия образцов 28-дневного возраста в количестве 3 штук для каждого примера. Результат взят как средний из трех образцов. Испытания на прочность проводились в соответствии с ГОСТ 10100-90 «Методы определения механических свойств глинистых пород при одноосном сжатии», на морозостойкость - в соответствии с ГОСТ 10060-87 «Методы определения морозостойкости», водостойкость - по ГОСТ 10180-90 «………………………».
Физико-механические показатели укрепленного грунта приведены в таблице.
Пример 1. Способ укрепления железнодорожного полотна осуществляли на образце, в котором 100 кг загрязненного до 10% пылевато-глинистыми составляющими щебня фракции 30-70 мм обрабатывали укрепляющей композицией в количестве 8 кг (8%), содержащей бруситовую известь в количестве 1,6 кг (20%), бруситовый отсев в количестве 2,4 кг (30%) и воду. Все компоненты перемешивали и помещали в емкость, заполненную суглинком влажностью 20%. Затем сверху увлажняли и вместе с глинистым грунтом уплотняли. Затем из глинистых грунтов основания балластной призмы вырезали керны.
Пример 2. Способ осуществляли, как в примере 1. Грунт обрабатывали композицией в количестве 10 кг (10%), содержащей бруситовую известь в количестве 1,5 кг (15%), бруситовый отсев в количестве 2,5 кг (25%) и воду.
Пример 3. Способ осуществляли, как в примере 1. Грунт обрабатывали композицией в количестве 10 кг (10%), содержащей бруситовую известь в количестве 2,0 кг (20%), бруситовый отсев в количестве 3,0 кг (30%) и воду.
Пример 4. Способ осуществляли, как в примере 1. Грунт обрабатывали композицией в количестве 12 кг (12%), содержащей бруситовую известь в количестве 2,4 кг (20%), бруситовый отсев в количестве 3,6 кг (30%) и воду.
Пример 5. Способ осуществляли, как в примере 1. Грунт обрабатывали композицией в количестве 7 кг (7%), содержащей бруситовую известь в количестве 1,05 кг (15%), бруситовый отсев в количестве 1,75 кг (25%) и воду.
Пример 6. Способ осуществляли, как в примере 1. Композиция в количестве 13 кг (13%) содержит бруситовую известь в количестве 1,95 кг (15%), бруситовый отсев в количестве 3,25 кг (25%) и воду.
Состав укрепленного грунта и результаты испытаний приведены в таблице.
Использование укрепляющей грунтовой композиции для стабилизации деформирующихся грунтов по сравнению с прототипом при сохранении достаточных прочностных свойств повышает морозостойкость в 2 раза, водостойкость в 1.5 раза, что позволяет увеличить период неизменной стабильности ТС в 3-4 раза.
Источники информации
1. А.с. СССР №1073375, E02D 3/12, С09K 17/00. Способ укрепления грунта / Е.Н.Баринов, В.В.Вебер, Н.Н.Беляев (СССР). - Заявлено 21.12.82; опубл. 15.02.84, бюл. №6.
2. Патент РФ на изобретение №2192517, МПК 7 E02D 3/12. Способ укрепления грунтов / Шильникова Г.П., Жданова С.М., Воронин В.В. - Заявлено 12.02.2001; опубл. 10.11.2002 г., бюл. №31.