Работа геотекстиля в конструкции верхнего строения пути

Работа геотекстиля в конструкции верхнего строения пути

Л. С. БЛАЖКО, докт. техн. наук, профессор, декан строительного факультета ПГУПС, В. И. ШТЫКОВ, докт. техн. наук, профессор ПГУПС

Сегодня, согласно технологическим процессам на производство ремонтов, укладка геотекстиля между материалом балласта и грунтами основной площадки является типовым решением применения геотекстиля в конструкции железнодорожного пути в качестве разделительного слоя с целью существенно улучшить состояние рельсовой колеи в процессе эксплуатации.

Каким требованиям должен отвечать геотекстильный материал, используемый на российских железных дорогах, чтобы обеспечить сохранность своих фильтрационных свойств в течение всего нормативного срока службы, в том числе и в условиях сезонного промерзания?

1. Требования, предъявляемые к геотекстильным материалам, применяемым в железнодорожном пути в качестве разделительного слоя

Согласно Техническим указаниям на применение пенополистирола и геотекстиля при усилении основной площадки земляного полотна без снятия рель-сошпальной решетки и Руководству по применению полимерных материалов (пенопластов, геотекстилей, георешеток, полимерных дренажных труб) для усиления земляного полотна при ремонтах пути [1,2], геотекстильные материалы, применяемые в качестве разделительного слоя, должны удовлетворять требованиям, представленным в табл. 1.

Исследованию фильтрационных свойств геотекстиля и их изменения в процессе эксплуатации в научно-технической литературе уделяется мало внимания. Предполагается, что геотекстиль не препятствует водному обмену внутри конструкции пути (верхнее строение пути, рабочая зона грунтов основной площадки земляного полотна, основание земляного полотна). Это предложение и заложено в основу требований к его фильтрационной способности через коэффициент фильтрации и закреплено в нормативных документах [1,2]. Требования к гидравлическим свойствам геоте-кстилей заложены и в европейском стандарте UNE — EN 13250:2001 [3]. О необ-

ходимости сохранения геотекстилем фильтрационных свойств в продолжение всего срока службы говорят и специалисты компаний, производящих геотекстильные материалы.

Как же на самом деле обстоят дела с сохранением геотекстилем его фильтрационных свойств в течение всего срока службы и с влиянием геотексти-лей на положение рельсовой колеи в профиле и плане в действительности?

2. Результаты полевых исследований

С 2005 года по настоящее время ПГУПС по заказу ОАО «РЖД» выполняет работы, целью которых является установление степени влияния геотекстиля на процессы накопления остаточных деформаций рельсовых нитей в плане и профиле.

Сравнение данных по количеству неисправностей рельсовой колеи на участках пути с уложенным геотекстилем и на участках без него производилось по показателю приведенной суммы отступлений, предложенному ВНИИЖТ и рассчитываемому по формуле:

Ш„ +1,35ЕШ„ +1,7ШГ„

ПСО = -

N

-Л1)

где И/с1, 2Шсу> — сумма отступлений второй, третьей и четвертой степени соответственно при ежемесячных проходах вагона путеизмерителя за трехлетний период; N — количество месяцев наблюдений.

На основе анализа результатов обследования участков установлено:

• состояние рельсовой колеи на участках Октябрьской железной дороги с разделительными слоями из геотекстиля существенно лучше, чем на участках

без них; средняя величина ПСО с усреднением на всех участках составляет на всех принятых к анализу участках с геотекстилем 3,5 и без него — 9,1, то есть на участках с геотекстилем средняя величина ПСО в 2,6 раза меньше, чем без него;

• на участках с интенсивным грузовым движением, характерным для направлений Санкт-Петербург — Кандалакша и Волховстрой — Кошта среднее значение величин ПСО соответственно равны 6,6 с геотекстилем и 10,0 без него. В этом случае результаты отличаются в 1,5 раза.

2.1. Изменение фильтрационных свойств геотекстильных материалов в процессе эксплуатации

В действующих нормативных документах установлены следующие требования к геотекстильным материалам, имеющие отношение к его фильтрационным свойствам:

• коэффициент фильтрации при давлении 200 кПа должен быть >1-10-4 м/с или равным 8,64 м/сутки;

• действующий диаметр пор должен быть <80 мкм для геотекстилей из нетканого материала и <90 мкм для геотекстиля из тканого.

Коэффициент фильтрации геотекстильных материалов до укладки их в путь, как правило, существенно выше этой величины. Однако не все геотекс-тили в исходном состоянии пропускают частицы мельче 0,05 мм, т.е. те частицы, которые образуются при работе щебеночного балластного слоя под воздействием вибродинамической нагрузки и которые легко агрегируются и кольматируют геотекстильный материал. В этом случае коэффициент фильтрации может становиться значительно меньше допускаемого нормами, вплоть до полной водонепроницаемости.

В результате обследования геотекстильных материалов, изъятых из пути на двух направлениях Октябрьской железной дороги, было установлено, что почти треть геотекстильных материалов в ближайшие годы их работы станут практически водонепроницаемыми,

хотя действующий диаметр пор удовлетворяет требованиям, изложенным в п. 2 [1,2]. В ходе научных исследований выяснилось, что нормировать надо и диаметр фильтрационных ходов, по которым перемещаются кольматирующие частицы крупностью <0,05 мм.

Для обеспечения некольматируемос-ти геотекстиля должно соблюдаться следующее соотношение:

с1и >

где йи — расчетное значение диаметра фильтрационного хода, определенное по формуле (3);

ЛСГ"' — максимальный диаметр суффозион-ных частиц, принимаемый в рассматриваемом случае равным 0,05 мм.

где йР — диаметр волокна геотекстильного материала, мм;

п — пористость геотекстильного материала, в долях.

Исследованиями была установлена предрасположенность ряда геотекстильных материалов к кольматирова-нию путем проверки соблюдения критерия (2) (табл. 2).

Из анализа данных табл. 2 следует, что только один геотекстильный материал, типа (марки) Ро^еК, заложенный на участках ПЧ-10 68 км, ПК 10, 1-ый путь, удовлетворяет с точностью до 0,00 п нижнему предельному значению расчетного диаметра фильтрационного хода, при котором материал пропускает через себя все частицы размером 0,05 мм. И соответственно, не смотря на то, что геотекстильный материал был уложен на участке в 1993 году, он сохранит способность фильтровать еще в течение нескольких десятков лет.

Сам процесс кольматажа геотекстиля неизбежен. Вопрос в сроках исчерпания геотекстилем своих фильтрационных свойств. И здесь очень важно, чтобы фактический срок работы геотекстиля соответствовал заявленному заводом-изготовителем. Водонепроницаемый геотекстиль из-за интенсивной своей кольматации является причиной появления неисправностей рельсовой колеи.

В табл. 3 приведены опытные данные по коэффициенту фильтрации геотекстильных материалов в частично заколь-матированном состоянии и расчетный срок его службы, срок, в течение которого он эффективно работает.

За интенсивность кольматирования геотекстиля в действующих нормативах отвечает действующий диаметр пор, который в свое время определяли методом

просеивания через геотекстиль кварцевого песка, имеющего округлую форму. Однако, как нами было установлено, продукт истирания балласта представляет собой частицы не округлой формы, а пластинчатой с острыми гранями.

При одном и том же среднем и среднем максимальном размере в поперечнике частицы пластинчатой формы, по

Таблица 1. Требования к геотек« разделительного слоя

сравнению с частицами кварцевого песка, форма которых близка к шарообразной, имеют кривые грансостава, существенно отличающиеся друг от друга. Очевидно, что частицы с острыми гранями гораздо легче задерживаются в фильтрационных ходах геотекстильного материала. Это одна из главных причин, по которой для геотекстильных материалов,

1лю, применяемому в качестве

Показатель (требование) Значения для материала Метод испытания

нетканного тканного

1. Поверхностная плотность, г/м2 >280 >220 ГОСТ 15902.2-79

2. Разрывная нагрузка на полоску шириной 5 см в направлении минимального разрыва, кН >0,8 >1,8 ГОСТ 15902.3-79

3. Относительное удлинение при разрыве, кН <80 >20 То же

4. Прочность при продавливании шариком, кН >1,2 >1,2 ГОСТ 8847 - 85

5. Коэффициент фильтрации при давлении 200 кПа, м/с > 1-10^ Приложение 5 Руководства

6. Действующий диаметр пор, мкм <80 <90 Тоже

7. Геометрические размеры: ширина, м длина в рулоне, м диаметр рулона, см 4,2-4,5 не менее 50 не более 38

Примечание: материалы, применяемые в качестве разделительного слоя, не должны поддаваться воздействию кислот, щелочей и бактерий природного происхождения.

Таблица 2

№ п/п Место отбора образца Марка геотекстиля и год Пористость и, в долях Расчетный диаметр фильтрационного хода, йи, мм

укладки

1 ПЧ-7; 223 км; ПК 10+50; 1 -ый I-путь Ро^еИ, 1999 0,83 0,134

2 ПЧ-7; 224 км; ПК 1+50; -1 -ый 1—путь Ро^еП, 2000 0,84 0,139

3 ПЧ-7; 224 км; ПК 3+50; 1 -ЫЙ I—путь Ро^еИ, 2000 0,84 0,139

4 ПЧ-7; 224 км; ПК 2+13; 1 -ый 1-путь Ро1уГеИ, 2000 0,86 0,152

5 ПЧ-7; 233 км; ПК 2 Ро^еИ, 2000 0,85 0,145

6 ПЧ-7; 225 км; ПК 1+62; 2—путь Тураг, 2000 0,63 0,119

7 ПЧ-10; 82 км; ПК 3+43; 1 -ЫЙ I—путь Тураг, 2000 8Р-40,1999 0,68 0,132

8 ПЧ-7; 224 км; ПК 7+50 Тураг, 2000 0,63 0,119

9 ПЧ-7; 224 км; ПК 8+7,5; 2^ путь Тураг, 2000 0,67 0,129

10 ПЧ-10; 68 км; ПК 10; 1 -ый I-путь Ро^еН, или ДорНИТ, 1993 0,85 0,161

11 ПЧ-7; 225 км; ПК I; 2—путь Тураг, 2000 0,67 0,129

12 ПЧ-7; 233 км; ПК I; 1 -ЫЙ I-путь Ро1уГек, 1999 0,84 0,139

13 ПЧ-7; 232 км; ПК 3; 1 -ый 1-путь Ро1у£еИ, 1999 0,84 0,139

14 ПЧ-29; 223 км; ПК 2, 7, 9; 2—путь Геоком, 2004 0,79

Таблица 3. Коэффициент фильтрации геотекстильных материалов в частично закольматированном состоянии

№ п/п Место отбора образцов Марка геотекстиля и год укладки Пористость, установленная в результате исследования свойств Относительная величина содержания в материале кольматирую- Эффективная пористость геотекстильного материала пэ, в долях Коэффициент фильтрации в частично закольматированном Расчетная продолжительность сохранения фильтрационных

материала и, в долях щих частиц т', в долях состоянии, м/сут свойств, в годах

1 ПЧ-7; 223 км; ПК 10+50; 1 -ый I-путь Ро1у£еИ, 1999 0,83 0,29 0,54 35 15 лет

2 ПЧ-7; 224 км; ПК 1+50; Г"1 путь Ро1уГеК, 2000 0,84 0,24 0,60 45 17 лет

3 ПЧ-7; 224 км; ПК 3+50; 1 -ый I-путь Ро^еИ, 2000 0,84 0,183 0,66 64 25 лет

4 ПЧ-7; 224 км; ПК 2+13; 1 -ый I-путь Ро^еИ, 2000 0,86 0,23 0,63 60 19 лет

5 ПЧ-7; 233 км; ПК 2 Ро^еИ, 2000 0,85 0,33 0,62 46 13 лет

6 ПЧ-7; 225 км; ПК 1+62; 2—путь Тураг, 2000 0,63 0,45 0,18 4 3 года

7 ПЧ-10; 82 км; ПК 3+43; путь Тураг, 2000 8Г-40, 1999 0,68 0,66 0,02 0,24 Менее года

8 ПЧ-7; 224 км; ПК 7+50 Тураг, 2000 0,63 0,53 0,10 2 Один год

9 ПЧ-7; 224 км; ПК 8+7,5; 2~ путь Тураг, 2000 0,67 0,50 0,17 3 2 года

10 ПЧ-10; 68 км; ПК 10; 1™путь Ро1уГеИ, или ДорНИТ, 1993 0,85 0,16 0,69 69 62 года

11 ПЧ-7; 225 км; ПК 1; 2—путь Тураг, 2000 0,67 0,50 0,17 3 2 года

12 ПЧ-7; 233 км; ПК 1; путь Ро1уГеи, 1999 0,84 0,49 0,35 11,6 5 лет

13 ПЧ-7; 232 км; ПК 3; 1^путь Ро1уГеИ, 1999 0,84 0,59 0,25 6,3 3 года

14 ПЧ-29; ПК 7+98; 2~ путь Геоком, 2004 0,79 0,29 0,50 8,0 5 лет

15 ПЧ-29; ПК 9+50; 2—путь Геоком, 2004 0,79 0,30 0,49 7,5 5 лет

16 ПЧ-29; ПК 2; 2~ путь Геоком, 2004 0,79 0,37 0,42 6,0 3,5 года

применяемых в качестве разделительного слоя в конструкции пути, требование по величине действующего диаметра пор оказалось неприемлемым. Результаты проведенных полевых и лабораторных исследований подтвердили, что для геотекстильного материала, применяемого в качестве разделительного слоя в конструкции железнодорожного пути, необходимо контролировать расчетный диаметр фильтрационного хода, определяемый по формуле

Есть и еще одна особенность в работе геотекстиля, не учтенная в перечне требований к нему.

Геотекстильный материал, применяемый в качестве разделительного слоя, а также в закрытых дренажах, как правило, попадает в зону сезонного промерзания и необходимо, чтобы водоотведе-ние в ранневесенний период от железнодорожного полотна и с осушаемой дренажем территории происходило в этот период.

В осеннее-зимний период оттепели сменяются морозными периодами и

после свободного стекания воды из геотекстиля все еще остается часть воды, которая в случае промерзания превращается в лед, существенно уменьшая водопроницаемость материала. При этом наряду с уменьшением эффективной пористости уменьшается и диаметр фильтрационных ходов.

Способность геотекстиля, насыщенного до полной влагоемкости, отдавать часть воды путем свободного стекания ее под действием силы тяжести называется водоотдачей. Водоотдача характеризуется коэффициентом гравитаци-

оннои водоотдачи, выражается в долях от единицы и определяется лабораторными методами.

Влияние коэффициента водоотдачи на изменение фильтрационных своИств ге-отекстилеи в мерзлом состоянии представлено в табл. 4, из котороИ следует: чем больше коэффициент водоотдачи материала, тем больше и его коэффициент фильтрации в мерзлом состоянии.

Специалисты ПГУПС для укладки в путь в качестве разделительного слоя рекомендуют применять геотекстильные материалы с коэффициентом водоотдачи не менее 0,65, определенным в лабораторных условиях при температуре 20 °С. Только в этом случае в период снеготаяния геотекстиль, находясь и в мерзлом состоянии, будет способствовать отведению влаги из зоны основной площадки земляного полотна.

Результаты научных исследований и эксплуатационных наблюдений за работой геотекстильных материалов позволяют утверждать — чтобы геотекстиль соответствовал предъявляемым ему требованиям по коэффициенту фильтрации в течение всего нормативного срока службы, в том числе и когда он расположен в зоне сезонного промерзания, он должен удовлетворять двум дополнительным требованиям:

• коэффициент водоотдачи геотекстильного материала должен быть >0,65;

• расчетный диаметр фильтрационного хода должен находится в пределах 0,165 мм < ии< 0,220 мм.

2.2. Срок службы геотекстильных материалов, уложенных в конструкцию пути

Из данных, приведенных выше, видно, что часть геотекстильных материалов сможет полностью выполнять свои функции в течение всего нормативного срока службы (30 лет). Другие же через 2 года, максимум 8,5 лет, станут водонепроницаемыми (табл. 3).

Каким же образом установить реальный срок службы геотекстильных материалов с точки зрения сохранения ими фильтрационных свойств?

Коэффициент фильтрации частично закольматированного геотекстильного материала можно определить по выражению

где К — коэффициент фильтрации материала в исходном состоянии, принятый, например, по его сертификату;

п — пористость геотекстильного материала в

Таблица 4. Зависимость коэффициента фильтрации геотекстильных материалов в мерзлом состоянии от коэффициента водоотдачи

Марка этекстиля d g § я Коэффициент водоотдачи, ц, в долях о ч 3 я И .¿у" В а л 8 ю 8 Коэффициент фильтрации геотекстиля, К м/сут

<D и С ° S ! hQ Ч В талом состоянии В мерзлом состоянии

Polyfelt TS -10 0,87 0,01 0,94 227 0,00

Polyfelt TS - 20 0,88 0,35 0,58 253 1,05

Polyfelt TS - 30 0,82 0,68 0,15 283 30,51

Polyfelt TS - 60 0,82 0,37 0,49 193 6,09

Typar SF -27 0,76 0,63 0,14 123 16,1

Typar SF - 40 0,68 0,49 0,21 44 4,02

Пинема 0,89 0,78 0,12 210 27,50

исходном состоянии (до кольматирования), в долях;

пэ — эффективная пористость геотекстиля в частично закольматированном состоянии.

Эффективная пористость геотекстильного материала определяется по следующей зависимости (6):

т /у-\ П =П--

/>„

где т — масса частиц, содержащихся в единице объема закольматированного геотекстиля г/см3;

ро — удельный вес частиц гс/см3.

Таким образом, зная коэффициент фильтрации геотекстильного материала в исходном состоянии и определив его для частично закольматиро-ванного состояния при использовании формул (5) и (6), можно установить содержание в нем кольма-тирующих частиц.

Если принять, что интенсивность образования кольматирующих частиц и их оседания внутри геотекстиля пропорциональны между собой и во времени, то общая масса таких частиц будет нарастать по линейному закону. Предполагая, что кольматирование во времени происходит равномерно, можно определить, сколько частиц т', г, за 1 год оседает в единице объема образцов:

т' = т/ N, (7) где N — срок, в течение которого эксплуатировался геотекстиль, годы.

Если в дальнейшем пропущенный за год тоннаж по участкам не меняется или меняется незначительно (что вполне вероятно), то следует ожидать, что интенсивность образования продукта истирания балласта и кольматирова-ния им геотекстильного материала тоже не изменится.

Фильтрационная способность геотекстильного материала будет утрачена, когда его эффективная пористость в частично закольматированном состоянии будет равна нулю. В том случае в единице объема геотекстильных материалов будет содержаться следующая масса частиц: м = п  Ро (8) В зависимости оттого, какой нужно выполнить расчет, можно воспользоваться одной из приведенных ниже формул:

М М - т / г> \ т.=—, или т, =-,

где т1 — срок службы геотекстильного материала с точки зрения фильтрационных свойств с момента его укладки в балластную призму, годы;

т2 — продолжительность периода с момента изъятия и обследования образца до момента полной утраты материалом фильтрационных свойств, годы.

Расчетные сроки службы геотекстиля, определенные по вышеуказанным формулам и приведенные в табл. 3, были подтверждены данными полевых и лабораторных исследований для участков с минимальными расчетными сроками. При раскопках, выполненных в 2008 году, например, было установлено, что геотекстильный материал TyparSF-97 уже закольматировался. Различие результатов прогнозного расчета и действительным сроком службы в один год допустимо.

Результаты обследования и расчета, выполненные на участке Любань (ПЧ — 10) 82 км в разные годы, свидетельствуют о возможности применения данной методики при определении (в первом приближении) срока службы геотекс-

тилей, который позволит заранее оценить степень их негативного влияния на изменение водного режима грунтов земляного полотна из-за высокой степени их закольматированности, в частности, в зимний период, когда в отдельных случаях будут перекрыты пути миграции влаги к фронту промерзания. Это поможет предусмотреть и провести соответствующие мероприятия по восстановлению фильтрационных свойств частично или полностью за-кольматированных геотекстильных материалов, над чем и работают в настоящее время специалисты ПГУПС.

Заключение

Состояние рельсовой колеи на участках пути с разделительными слоями из геотекстильных материалов существенно лучше, чем на участках без них. Средняя величина приведенной суммы отступлений с усреднением по всем полигонам наработки тоннажа на всех обследованных участках Октябрьской жд. с геотекстилем в 2,6 раза меньше, чем без него. Вследствие воздействия на балласт вибродинамической поездной нагрузки и нагрузки от рабочих органов путевых машин, в нем образуются частицы диаметром <0,05 мм, ко-

торые относятся к разряду кольматиру-ющих частиц и имеют пластинчатую форму, отличающуюся от формы частиц природного кварцевого песка, используемого при сертификационных испытаниях; в связи с изложенным выше для обеспечения нормативного срока службы геотекстильных материалов величина расчетного диаметра фильтрационного хода ии должна удовлетворять следующему требованию: 0,165 мм < ии < 0,220 мм.

При заложении геотекстильных материалов в зону сезонного промерзания в случае малой величины коэффициента водоотдачи они станут водонепроницаемыми, будут препятствовать миграции влаги в зимний период и способствовать образованию прослоек льда под геотекстильным материалом. Если к геотекстильным материалам и к конструкциям, в которых они применены, предъявляются требования обеспечения отведения избыточной воды в ранневесенний период, когда геотекстиль находится в зоне сезонного промерзания, а это требование должно быть предъявлено, то коэффициент водоотдачи таких материалов должен быть по величине не менее 0,65. Необходимо внести изменения в перечень

требований, предъявляемых к геотекстильному материалу, дополнительно ввести требования по коэффициенту водоотдачи и минимальной кольмати-руемости материала. Соответствие гео-текстилей этим двум дополнительным требованиям позволит обеспечить надежную работу конструкции пути в межремонтном цикле при экономии средств на материалы (геотекстиль) и затрат на текущее содержание пути. Укладка геотекстиля требует значительных средств, которые оправданы только в том случае когда, работают, т.е. когда геотекстиль сохраняет свои рабочие функции в течение нормативного срока службы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Технические указания на применение пе-нополистирола и геотекстиля при усилении основной площадки земляного полотна без снятия рельсошпальной решетки. — М.: ПТКБ ЦП МПС, 1999. — 37 С.

2. Руководство по применению полимерных материалов (пенопластов, геотекстилей, георешеток, полимерных дренажных труб) для усиления земляного полотна при ремонтах пути / МПС России. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. — 111 С.

3. UNE — EN 13250:2001 Geotextiles and geot-exlerelated products. — Characteristics required for use in the construction of railways.

Точно так же каждому предприятию, начинающему ремонт или строительство железнодорожного подъездного пути, удобней всего заключить договор о поставке материалов с одной организацией и приобрести там сразу все, что нужно для такого важного дела. Именно такой организацией и является компания «Стройпуть-А». Здесь можно приобрести любые материалы ВСП и путевой инструмент: от молотков и ломов до рельсошпальной

OOO «Стройпуть-А»

Тел./факс (495) 783-26-68 www.spa05.ru

Каждому человеку, начинающему ремонт в квартире, хочется зайти в магазин и купить там сразу все необходимое, как говорится, за один заход.

решетки — по приемлемым ценам и на взаимовыгодных условиях. Получается тройная экономия: времени, усилий и финансов.

«Стройпуть-А» — супермаркет, подходящий как крупным предприятиям, так и организациям с малым финансированием за счет того, что мы используем как новые материалы, так и старогодные. Основная цель ООО «Стройпуть-А» — стать гипермаркетом материалов ВСП и путевого инструмента.

Руководит коллективом высококвалифицированный специалист Валентина Николаевна Кашапова, человек с гигантским запасом энергии, видением перспективы развития и умением

ценить грамотных коллег: «Если я все это успешно делаю уже на протяжении многих лет, — говорит она, — то это только благодаря людям, составляющим сильную перспективную команду». Коммерческую деятельность предприятия также организует человек высококвалифицированный — у Анатолия Витальевича Гусинского большой опыт службы в Вооруженных Силах и академическое образование.

В компании работают специалисты, готовые дать грамотную консультацию по любому вопросу, связанному с ремонтом и строительством железнодорожных путей. В последнее время это стало весьма актуальным в связи с изменениями внутренней политики Российской Федерации многие предприятия имеют возможность и желание восстановить или построить собственные подъездные железнодорожные пути. Это дает возможности для развития отношений с компанией «Стройпуть-А».

Наше отношение к здоровой конкуренции: на рынке есть партнеры, и все зависит от умения вести переговоры. Мы делаем все, чтобы поддерживать постоянный диалог и чтобы отношения были взаимовыгодными.