ГЕОИНЖЕНЕРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ
GEOENGINEERING STRUCTURES FOR USE ON RAILWAYS

Настоящее изобретение относится к использованию георешеток, которые содержат полимерные материалы в форме ячеистых структур, в которых полимеры молекулярно ориентированы таким образом, чтобы предоставлять требуемые характеристики (такие как прочность и/или жесткость) для георешетки для того, чтобы стабилизировать слои материалов в виде частиц, например, наполнителя, грунта и/или балласта (и т.п.) для искусственных оснований железнодорожной колеи. Изобретение также относится к геоинженерным конструкциям, таким как искусственные основания железнодорожной колеи, стабилизированным таким способом с помощью георешеток, причем конструкции особенно подходят, в частности, в качестве основания, на которое могут укладываться колеи, которые конструируются с возможностью использования посредством железнодорожных составов, работающих на высокой скорости.
Георешетки используются для того, чтобы стабилизировать подушки колеи для железных дорог, с 1980-х годов. Недавняя обзорная статья по использованию железнодорожных георешеток представляет собой "Use of Geogrid in Subgrade Ballast Systems of Railroads Subjected to Cyclic Loading for Reducing Maintenance", B. M. Das, Университет штата Калифорния, 2013 (упоминается в данном документе как "Das"). Работа Das предоставляет полезное краткое изложение современного уровня в данной области техники, подтверждающее то, что георешетки в настоящее время используются двумя различными способами для того, чтобы поддерживать подушки железнодорожной колеи.
Во-первых, георешетка может механически стабилизировать слой балласта (и/или слой(и) других частиц), расположенный непосредственно ниже и рядом с ходовыми рельсами, что уменьшает деформацию балласта вследствие тенденции балласта к проседанию. Это обеспечивает возможность поддержания вертикального и горизонтального совмещения рельсов для большего уменьшения частоты между регламентным обслуживанием колеи. Во-вторых, георешетки используются для того, чтобы армировать и стабилизировать слой подбалласта, который поддерживает подушку колеи, согласно увеличениям несущей нагрузочной способности подушки, в частности, когда подушка укладывается поверх мягких материалов земляного полотна. Это также позволяет уменьшать толщину вспомогательного балластного слоя, необходимого для данной колеи, обеспечивая экономию по капитальным затратам и затратам на охрану окружающей среды.
Независимо от того, используются или нет георешетки в железнодорожных вариантах применения для того, чтобы стабилизировать слой(и) балласта, подбалласта и/или других частиц, георешетки позиционируются на относительно небольших глубинах относительно подушки колеи. Это подтверждается в работе Das (см. раздел 3.1), которая описывает исследования, которые утверждают то, что для наименьшей величины деформации при осевых нагрузках, оптимальное значение глубины георешетки ниже дна шпалы колеи (эта глубина обозначается как Dr) должно составлять от 50 до 100 мм. По другим практическим причинам, главным образом связанным с потребностью защищать георешетку и минимизировать техобслуживание, обнаружено, что размещение георешетки немного глубже на 200 мм, за пределами этого оптимального диапазона, представляет собой приемлемый компромисс. Неявная идея заключается в том, что опора из георешетки становится менее эффективной на больших глубинах, а также является более затратной с точки зрения конструирования. Работа Das цитирует дополнительные исследования (см. раздел 3.2), описывающие железнодорожные колеи с георешеткой на глубинах (Dr) в 250 мм и 200 мм, которые подтверждает типичные глубины, используемые на практике. Раздел 6 работы Das ссылается на инструкции Network Rail 2005 для вычисления глубины георешеток в балласте и предоставляет фиг. 30, который представляет собой график, показывающий глубину слоя земляного полотна, который должен предоставляться под основанием шпалы (для материалов земляного полотна с различными математическими модулями), чтобы удовлетворять предварительно установленному минимальному значению жесткости, требуемой для того, чтобы поддерживать шпалу. Один из этих графиков представляет земляное полотно, укрепленное посредством георешеток (для K=30 кН/мм/конец шпалы), при этом максимальная глубина на экстремальном конце графика составляет чуть больше 0,6 м. В работе Das приводится такое заключение (раздел 7), что "минимальная практическая глубина ниже распорок, в которых может быть размещен армирующий слой георешетки, составляет приблизительно 200 мм. При этой глубине, преимущества с точки зрения армирования по-прежнему являются очень значительными". Дополнительная идея заключается в том, что эта "минимальная" глубина выбирается в качестве компромисса по практическим причинам, заданным посредством других факторов, и не выбирается в силу максимальной стабилизации из георешетки.
-1
Работа Das также ссылается на использование георешеток для того, чтобы поддерживать высокоскоростные колеи (см. раздел 3.3), например, для корейского HST, который едет при 385 км/ч (приблизительно 105 мс или приблизительно 240 миль/ч). Тем не менее, отсутствует такое предложение, что георешетки должны использоваться каким-либо другим способом для высокоскоростных колей по сравнению с традиционными колеями. Еще более свежая работа авторов Gulera и др. содержится в журнале Procedia Engineering 189 (2017 год), 721-728, представлена на конференции "Транспортная геотехника и геоэкология", TGG 2017, 17-19 мая 2017 года, в Санкт-Петербурге, Россия, озаглавлена "Evaluation of the Geosynthetic Reinforcement on Railroad Subgrade". Работа Gulera конкретно оценивает георешетки для использования с колеями высокоскоростной железнодорожной магистрали. В работе Gulera отсутствуют идеи, которые предлагают то, что георешетки должны использоваться способом, отличным от известного традиционного способа для железных дорог. Фактически, работа Gulera изучает то, что глубина георешетки составляет на 200 мм ниже распорок колеи, идентично тому, что описано в Das для традиционных колей. Ни Gulera, ни Das конкретно не упоминают конкретные сложности, с которыми сталкиваются при использовании колей для высокоскоростных железнодорожных составов, которые описываются ниже.
Общие знания в этой области техники (например, как показано в работах Das и Gulera) заключаются в том, что специалисты в данной области техники должны быть мотивированы на то, чтобы размещать георешетки не глубже под подушкой железнодорожной колеи, чем требуется, при этом максимальная эффективная глубина должна составлять приблизительно 0,6 м в крайнем случае, при том что строго предпочтительными являются глубины в 200-250 мм. Фактически, посредством использования георешеток для того, чтобы механически стабилизировать вспомогательный балластный слой, толщина слоя может уменьшаться приблизительно на треть по сравнению с неармированным вспомогательным балластным слоем. Это дополнительно уводит специалистов в данной области техники от использования георешеток для того, поддерживать железнодорожные колеи на гораздо больших глубинах, поскольку это требует дорогостоящего глубокого выкапывания земли и исключает важное преимущество использования георешеток. Таким образом, в данный момент по-прежнему имеется техническое предубеждение против использования глубоко проложенных под землей георешеток для железнодорожных колей независимо от того, конструируется колея для использования с высокоскоростными железнодорожными составами или для традиционных железнодорожных составов.
P-(первичные, давления или "толкания") волны и S-(вторичные или сдвиговые) волны представляют собой два типа упругой волны, которые перемещаются через тело континуума. P-волны формируются из переменных сжатий и разрежений в направлении распространения через континуум. S-волны перемещаются в качестве сдвиговой или поперечной волны, в которой движение в континууме является перпендикулярным направлению распространения волн. P-волны имеют более высокую скорость и в силу этого записываются раньше S-волн.
Недавно обнаружено, что возникают дополнительные проблемы, с которыми сталкиваются при использовании колей, сконструированных для использования с высокоскоростными железнодорожными составами (HST), которые распространяют волны, которые приводят к вибрациям земли, которые могут быть особенно нежелательными. Одна из этих волн, известная как рэлеевская волна, формируется из взаимодействия P-волн и S-волн в приземных слоях около поверхности. Частицы в слоях, подвергнутых воздействию рэлеевской волны, перемещаются в эллипсах, параллельных направлению распространения волн, и в плоскостях, нормальных к поверхности земли. На поверхности и на небольших глубинах, движение частиц выполняется в обратном направлении (т.е. они перемещаются в направлении против часовой стрелки для волн, проходящих слева направо относительно наблюдателя), при этом главная ось эллипса является вертикальной. Рэлеевские волны могут упоминаться как "приземные бегущие" волны во время землетрясений и могут быть очень разрушительными. Движение волн в океане также представляет собой пример типа движения, ассоциированного с рэлеевскими волнами.
r
Когда скорость железнодорожного состава приближается к скорости рэлеевской волны, сформированной в подстилающем материале верхнего строения колеи, совпадение колес железнодорожного состава с движением приземной волны может приводить к быстрой и чрезмерной деформации колеи. Это зачастую упоминается в качестве проблемы рэлеевских волн и иногда сравнивается с типами эффекта, отмечаемого в сверхзвуковом воздушном судне, пересекающем звуковой барьер, когда самолет догоняет собственную звуковую волну. Это приводит к проблемам безопасности колеи; дорогостоящему долгосрочному техобслуживанию; и потенциальному повреждению смежных структур. Значение скорости рэлеевской волны (также обозначается в данном документе как V или Vr) извлекается (по меньшей мере частично, предпочтительно по существу полностью, более предпочтительно полностью) из внутренне присущих свойств материала, через который распространяется рэлеевская волна. Тем не менее, без ограничения теорией считается, что скорость рэлеевской волны зависит от констант упругости материалов в земле, а не от скорости железнодорожного состава, формирующего волну. В силу этого, эффект рэлеевских волн является наиболее заметным в мягком и менее плотном материале нижнего строения колеи, который имеет сравнительно низкую внутренне присущую скорость (Vr) рэлеевской волны.
-1
-1
t
Этот эффект описан в работе авторов Krylov и др. "Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit 214", стр. 107-116, 2000 год. Работа Krylov характеризует поведение колеи в некоторых местоположениях высокоскоростной железнодорожной линии, сконструированной в 1997-98 между Гетеборгом и Мальме в Швеции. В местоположениях с очень мягкими грунтовыми условиями, наблюдается скорость рэлеевской волны всего в 45 мс. При этой скорости приземной волны, железнодорожные составы, движущиеся на скорости всего в 165 км/ч, формируют такие эффекты рэлеевской волны, как плохие ходовые качества и быстрое развитие плохой рихтовки колеи (для удобства, скорость движения железнодорожного состава также обозначается в данном документе как V или Vt). Таким образом, можно видеть, что при достаточно мягком грунте можно наблюдать эффект рэлеевской волны на нормальных скоростях движения железнодорожного состава, а не только на скоростях, которые могут быть ассоциированы с движением высокоскоростного железнодорожного состава. Эффекты рэлеевской волны редко представляют собой проблему для плотных или жестких земляных полотен, таких как скальная порода, поскольку в таких земляных полотнах рэлеевская волна должна двигаться значительно выше максимальной скорости любого железнодорожного состава (Vr должна быть гораздо больше Vt). Тем не менее, по мере того, как максимальные скорости движения железнодорожного состава увеличиваются, проблема рэлеевских волн становится более важной. Например, предлагается, что максимальная скорость движения железнодорожного состава для британской высокоскоростной железной дороги, обозначенного как "HS2", должна составлять до 400 км/ч (~250 миль/ч или ~110 мс), и при этих скоростях Vt должна приближаться или превышать Vr для большинства, если не для всех земляных полотен, которые вероятно должны встречаться на маршруте. Проблема рэлеевских волн выделена в письменном свидетельстве автора David Rayney, датированном 15 мая 2011 года, которое предоставлено в британскую Парламентскую комиссию, рассматривающую HS2.
c
Предусмотрен дополнительный эффект, который должен рассматриваться при конструировании подушек колеи для использования с высокоскоростными железнодорожными составами. Критическая скорость движения по колее (обозначается как V или Vc) представляет собой максимальную скорость, с которой железнодорожные составы могут безопасно двигаться на данной колее. Vc задается главным образом посредством свойств самой колеи, таких как масса и гибкость рельсов, независимо от того, рельсы свариваются непрерывно или имеют промежутки между рельсами и расстояние между шпалами. Эти свойства рельса оказывают влияние на свободу и степень, в которой рельс может изгибаться при подвергании воздействию сил вследствие осевой нагрузки на колею, вызывающих вертикальную вибрацию в рельсах. Тем не менее, на Vc также в некоторой степени оказывают влияние свойства земли, на которой укладывается колея, такие как математический модуль базовой подложки или вспомогательного балластного слоя. Если скорость (Vt) движения железнодорожного состава превышает эту критическую скорость (Vc) движения по колее, то осевая нагрузка из железнодорожного состава вызывает чрезмерное вертикальное смещение железнодорожной колеи, повышенную вибрацию и даже крушение железнодорожного состава. Для новейших высокоскоростных железнодорожных составов, гораздо более вероятно, что Vt должна приближаться или превышать Vc, когда колея укладывается поверх большего числа типов обычно встречающейся подложки, что не должно представлять собой проблему для железнодорожных составов, движущихся на более низких скоростях.
Вышеуказанные эффекты возникают по сути из гораздо более высоких скоростей HST по сравнению с традиционным железнодорожным составом и значительно ограничивают выбор типа немодифицированных материалов земляного полотна, на которых может укладываться подушка колеи для HST. Это значительно ограничивает потенциальные маршруты, доступные для того, чтобы сооружать высокоскоростную колею, которая может быть ограничена скальной породой, если не находятся средства для того, чтобы стабилизировать подушку колеи и повышать Vr и/или Vc выше значений Vt, типичных и/или желательных для HST.
Современные способы, используемые для того, чтобы сглаживать низкую скорость (Vr) сдвиговой рэлеевской волны /или увеличивать критическую скорость (Vc) движения по колее, не являются удовлетворительными, поскольку, хотя они могут успешно разрешать эти проблемы, они привносят другие проблемы, например, они являются дорогими, времязатратными или, в случае химической стабилизации, имеют потенциальные отрицательные воздействия на окружающую среду. Предложено откапывать мягкий материал (такой как глина), лежащий под колеей, и заменять его разработанными более жесткими заполняющими материалами, такими как карьерные материалы. Тем не менее, предоставление земли, выполненный с возможностью поддержки высокоскоростных железнодорожных составов, требует выкапывания большого количества материала (например, вплоть до глубины в 5 м глина должна заменяться зернистым материалом). Альтернативный способ увеличения Vr заключается в том, чтобы стабилизировать мягкий материал, лежащий под подушкой колеи, с помощью цемента, извести и/или других химических стабилизаторов, чтобы увеличивать жесткость материала на месте. Эти способы также могут комбинироваться. Тем не менее, вследствие своих затрат ни один из известных способов, используемых для того, чтобы сглаживать рэлеевские волны, не является коммерчески привлекательным, поскольку все они приводят к тому, что укладывание новых высокоскоростных железнодорожных магистралей поверх такого мягкого грунта является очень дорогой затеей.
Использование георешетки для того, чтобы разрешать проблему рэлеевских волн, формируемых в железнодорожных колеях, кратко описано в двух документах. Информационный бюллетень, опубликованный GSS как "Ground Stiffness News, выпуск 3, лето 2017 года, страница 2 (GSS2)", гласит:
"Испытательная насыпь Tensar: Совместно с Coffey Geotechnics, GSS провел CSW-тестирование для Tensar International на его площадке с испытательной насыпью с георешетками в Сомерсете. CSW-тестирование используется для того, чтобы оценивать и моделировать повышение жесткости нижнего строения колеи для ряда установок с георешетками внутри насыпи. Использование CSW-тестирования также предоставляет прямое измерение скорости рэлеевской волны, ключевого вопроса для нижнего строения колеи высокоскоростной железнодорожной магистрали".
Аналогичный отчет по идентичному испытанию предоставлен посредством GSS на веб-узле с датой 15 февраля 2017 года (GSS1), который гласит:
"Совместно с Coffey, GSS провело испытания по воздействию конструкции с георешетками на жесткость нижнего строения колеи для Tensar International. CSW непосредственно измеряет скорость рэлеевской волны, что представляет собой существенную проблему для подушки колеи для высокоскоростных железнодорожных составов. С использованием этой усовершенствованной технологии измерений, преимущества георешеток для конструирования нижнего строения колеи могут точно устанавливаться для оптимизации конструирования".
Ни один из документов GSS1 ни GSS2 не раскрывает дополнительные подробности относительно конструкций с георешетками, используемых в этом испытании, они фокусируются в большей степени на технологиях измерений, используемых для того, чтобы оценивать свойства земли. В этих ссылочных документах нет ничего, что должно мотивировать специалистов в данной области техники, читающих любой из этих документов, на то, чтобы преодолевать техническое предубеждение, описанное выше, в отношении того, где и как должна использоваться георешетка для того, чтобы поддерживать железнодорожную колею. Читатель GSS1 и/или GSS2 должен просто предполагать, что георешетка позиционируется на традиционных небольших глубинах (0,6 м или меньше) ниже подушки железнодорожной колеи, как происходит в течение последних 25 лет; в частности, отметим исследование Krylov, которое демонстрирует то, что рэлеевские волны представляют собой проблему в железнодорожных составах, работающих на нормальных скоростях по относительно мягкому грунту, и в силу этого не ассоциируются исключительно со сверхвысокоскоростными железнодорожными составами, такими как "HS2".
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы исключать или уменьшать вышеуказанные недостатки в способах стабилизации предшествующего уровня техники.
Удивительно и в отличие от того, что специалисты в данной области техники должны прогнозировать из предшествующего уровня техники, заявитель обнаруживает новую форму стабилизированной геоинженерной железнодорожной конструкции, в которой может определяться оптимальная позиция георешетки, которая возможно может находиться гораздо глубже, чем в стабилизированных колеях с георешетками предшествующего уровня техники. Это может использоваться преимущественно для того, чтобы разрешать проблемы, описанные в данном документе, ассоциированные с высокоскоростными железнодорожными составами, например, посредством повышения внутренне присущей скорости (Vr) рэлеевской волны стабилизированного слоя и/или критической скорости (Vc) движения по колее для колеи, уложенной на стабилизированный слой, экономически эффективным способом, который обеспечивает возможность укладывания высокоскоростной колеи поверх более обширной выборки типов земли, чем было возможно до этого.
В силу этого, в широком смысле в соответствии с настоящим изобретением, предусмотрена инженерная конструкция с георешетками для железных дорог (железнодорожная конструкция с георешетками), причем конструкция содержит:
- подушку колеи (возможно подушку колеи, содержащую рельсы), которая задает колею, расположенную в плоскости колеи;
- массу материала в виде частиц, формирующего слой, расположенный под плоскостью колеи; и
- по меньшей мере одну георешетку, расположенную в и/или ниже слоя частиц,
- причем по меньшей мере одна георешетка расположена в плоскости (в плоскости георешеток), по существу параллельной плоскости колеи, при этом среднее расстояние между плоскостью колеи и по меньшей мере одной плоскостью георешеток, измеренное перпендикулярно обеим плоскостям и обозначаемое в данном документе как Dr, превышает 0,65 метра.
n
n
n
n
Следует принимать во внимание, что железнодорожная конструкция с георешетками по изобретению может содержать одну или множество георешеток (например, две или три георешетки), причем каждая георешетка расположена в одной или более плоскостей (плоскостей георешеток), по существу параллельных плоскости колеи, при этом каждое среднее расстояние между плоскостью колеи и каждой плоскостью георешеток, измеренное перпендикулярно плоскостям, между которыми измеряется расстояние, обозначается в данном документе как Dr (где n является порядковым номером, выделяемым каждой георешетке), и расстояние по меньшей мере одного Dr по меньшей мере для одной из плоскостей георешеток превышает 0,65 метра. Преимущественно, если железнодорожная конструкция с георешетками содержит множество георешеток (например, две или три георешетки), георешетки находятся в различных плоскостях георешеток, расположенных на различных средних расстояниях (Dr) под плоскостью колеи. Также возможно то, что когда предусмотрено две или более георешеток по меньшей мере одна георешетка может быть расположена на глубина в или меньше 0,65 м ниже предоставленной колеи по меньшей мере одна георешетка также расположена на по меньшей мере 0,65 м под колеей, хотя в предпочтительных железнодорожных конструкциях с георешетками настоящего изобретения, каждая георешетка имеет Dr, большее 0,65 м.
p
Возможно, в железнодорожной конструкции с георешетками по изобретению, слой частиц, который стабилизируется посредством георешетки, может быть расположен непосредственно под подушкой колеи, и стабилизированный слой частиц может иметь среднюю толщину слоя (обозначается как T или Tp), которая меньше или равна Dr. Предпочтительно, Tp меньше 0,5 м, более предпочтительно меньше 0,4 м, наиболее предпочтительно от 0,1 м до 0,35 м. Следует принимать во внимание, что Tp не может превышать Dr, но может быть меньше Dr, если не весь материал между колеей и георешеткой составляет часть слоя частиц, который стабилизируется посредством георешетки, причем такой слой также упоминается в данном документе как стабилизированный слой георешеток или GSL. Если стабилизация GSL обусловлена механической блокировкой частиц и ячеистой сетью георешетки, GSL также может упоминаться в данном документе как механически стабилизированный слой или MSL. Предпочтительный режим работы GSL, используемого в настоящем изобретении, представляет собой MSL.
Предпочтительно, Dr превышает или равно 0,7 метрам, более предпочтительно ≥ 0,8 м, еще более предпочтительно ≥ 0,9 м, наиболее предпочтительно ≥ 1 м.
Преимущественно, Dr меньше или равно 5 метрам, более преимущественно ≤ 4 м, еще более преимущественно ≤ 3 м, наиболее преимущественно ≤ 2 м.
Dr может составлять от 0,65 до 5 метров, предпочтительно от 0,7 до 5 метров, более предпочтительно от 0,8 до 4 м, еще более предпочтительно от 0,9 до 3 м, наиболее предпочтительно от 1 до 2 м.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
Преимущественно, железнодорожная конструкция с георешетками по изобретению, когда подвергается воздействию железнодорожного состава, едущему по ее колее, формирует скорость рэлеевской волны в слое частиц (например, наполнителя, грунта, балласта и/или подбалласта под колеей) в по меньшей мере 140 мс (~500 км/ч или ~310 миль/ч); более преимущественно в по меньшей мере 150 мс (~540 км/ч или ~335 миль/ч); еще более преимущественно в по меньшей мере 160 мс (~575 км/ч или ~360 миль/ч); к примеру, ≥ 167 мс(~600 км/ч или ~375 миль/ч); наиболее преимущественно в по меньшей мере 170 мс (~610 км/ч или ~380 миль/ч); например в по меньшей мере 180 мс (~600 км/ч или ~375 миль/ч); например, ≥ 185 мс (~665 км/ч или ~415 миль/ч); преимущественно ≥ 200 мс (~720 км/ч или ~450 миль/ч), более преимущественно ≥ 220 мс (~790 км/ч или ~490 миль/ч), еще более преимущественно ≥ 250 мс (~900 км/ч или ~560 миль/ч) и наиболее преимущественно ≥ 280 мс (~1000 км/ч или ~620 миль/ч).
-1
Для удобства преобразования, единицы скорости в данном документе (например, между мс, км/ч и/или миль/ч) являются только приблизительном и типично округляются приблизительно до ближайших 5 единиц, как указано посредством "приблизительно" и/или символа тильды "~". Скорости в километрах в час или в км/час также обозначаются в данном документе как "км/ч", а в милях в час - как "миль/ч".
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
Предпочтительно, что железнодорожная конструкция с георешетками по изобретению, когда подвергается воздействию железнодорожного состава, едущему по ее колее, имеет критическую скорость движения по колее на ее колеи в по меньшей мере 140 мс (~500 км/ч или ~310 миль/ч); более предпочтительно в по меньшей мере 150 мс (~540 км/ч или ~335 миль/ч); еще более предпочтительно в по меньшей мере 160 мс (~575 км/ч или ~360 миль/ч); к примеру, ≥ 167 мс(~600 км/ч или ~375 миль/ч); наиболее предпочтительно в по меньшей мере 170 мс (~610 км/ч или ~380 миль/ч); например в по меньшей мере 180 мс (~600 км/ч или ~375 миль/ч); например, ≥ 185 мс (~665 км/ч или ~415 миль/ч); преимущественно ≥ 200 мс (~720 км/ч или ~450 миль/ч), более преимущественно ≥ 220 мс (~790 км/ч или ~490 миль/ч), еще более преимущественно ≥ 250 мс (~900 км/ч или ~560 миль/ч) и наиболее преимущественно ≥ 280 мс (~1000 км/ч или ~620 миль/ч).
Преимущественно, железнодорожная конструкция с георешетками по изобретению имеет скорость рэлеевской волны, сформированную посредством железнодорожных составов, движущихся по ее колее на по меньшей мере 10% выше, более предпочтительно на по меньшей мере 15% выше, еще более предпочтительно на по меньшей мере 20% выше, наиболее предпочтительно на по меньшей мере 25% выше и, например на по меньшей мере 33% выше максимальной скорости, на которой железнодорожным составам разрешено двигаться по колее (обозначается в данном документе как ограничение скорости движения по колее (TSL).
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
Колеи по настоящему изобретению, причем колеи содержат георешетки по изобретению и/или георешетки, как описано в данном документе, и/или колеи, изготовленные согласно способу настоящего изобретения, преимущественно могут иметь TSL в по меньшей мере 55 мс (~125 миль/ч или ~200 км/ч), более преимущественно в 69 мс(~155 миль/ч или ~250 км/ч); и возможно могут иметь верхний предел TSL, который меньше или равен 200 мс (~720 км/ч или ~450 миль/ч). В дополнительных вариантах осуществления изобретения, TSL предпочтительно может быть меньше или равно 140 мс (~500 км/ч или ~310 миль/ч); более предпочтительно ≤ 150 мс (~540 км/ч или ~335 миль/ч); еще более предпочтительно ≤ 160 мс (~575 км/ч или ~360 миль/ч); к примеру, ≤ 167 мс(~600 км/ч или ~375 миль/ч); наиболее предпочтительно ≤ 170 мс (~610 км/ч или ~380 миль/ч); например, ≤ 180 мс (~600 км/ч или ~375 миль/ч); например, ≤ 185 мс (~665 км/ч или ~415 миль/ч).
Предпочтительно, что железнодорожная конструкция с георешетками по изобретению имеет критическую скорость движения по колее на по меньшей мере 10% выше, более предпочтительно на по меньшей мере 15% выше, еще более предпочтительно на по меньшей мере 20% выше, наиболее предпочтительно на по меньшей мере 25% выше и, например на по меньшей мере 33% выше ограничения скорости движения по колее.
Преимущественно, железнодорожная конструкция с георешетками по изобретению предоставляет увеличение скорости рэлеевской волны и/или критической скорости движения по колее, по сравнению с идентичной железнодорожной конструкцией без георешетки, уложенной на идентичный материал земляного полотна (обозначается в данном документе как сравнительная колея) на по меньшей мере 10% выше, более предпочтительно на по меньшей мере 15% выше, еще более предпочтительно на по меньшей мере 20% выше, наиболее предпочтительно на по меньшей мере 25% выше и, например на по меньшей мере 33% выше скорости рэлеевской волны, сформированной посредством железнодорожного состава, движущегося с идентичной скоростью по сравнительной колее.
-1
-1
Еще дополнительный аспект изобретения в широком смысле предоставляет использование георешетки и/или ее компонента для того, чтобы увеличивать скорость рэлеевской волны в ней и/или увеличивать критическую скорость движения по колее для колеи, уложенной на ней, выше максимальной разрешенной скорости движения железнодорожного состава (также обозначается в данном документе как ограничение скорости движения по колее (TSL)) в по меньшей мере 55 мс (~125 миль/ч или ~200 км/ч), предпочтительно ≥ 69 мс (~155 миль/ч или ~250 км/ч), более предпочтительно согласно и/или в любом из значений и/или диапазонов, как описано в данном документе, требуемых и/или выполненных с возможностью высокоскоростных железнодорожных составов, независимо от точных или аппроксимированных значений преобразования.
Другой аспект изобретения в широком смысле предоставляет способ для конструирования инженерной конструкции с георешетками для железных дорог (железнодорожной конструкции с георешетками) при этом способ содержит этапы:
- предоставления подушки колеи (возможно подушки колеи, содержащей рельсы), которая задает колею, расположенную в плоскости колеи;
- предоставления слоя частиц, лежащего под плоскостью колеи с георешеткой, расположенной в и/или рядом со слоем частиц,
- причем георешетка расположена в плоскости (в плоскости георешеток), по существу параллельной плоскости колеи, при этом среднее расстояние между плоскостью колеи и плоскостью георешеток, измеренное перпендикулярно к обеим из них и обозначаемое в данном документе как Dr, превышает 0,65 метра.
Предпочтительно, в способе изобретения для конструирования железнодорожной конструкции с георешетками, железнодорожная конструкция с георешетками предоставляется согласно настоящему изобретению и/или тому, что описано в данном документе.
Дополнительный аспект изобретения предоставляет конструирование стабилизированной массы частиц георешеток (например, наполнительного, грунтового, балластного и/или вспомогательного балластного слоя(ев)) для использования в способе настоящего изобретения, и стабилизированной массы частиц георешеток (например, наполнительного, грунтового, балластного и/или вспомогательного балластного слоя(ев)), полученной и/или получаемой посредством этого способа. Специалисты в данной области техники должны принимать во внимание и понимать, что масса частиц, стабилизированная согласно настоящему изобретению, может представлять собой любую подходящую массу частиц, которая допускает поддержку железнодорожной колеи и стабилизируется, как описано в данном документе, и не ограничена одним или более из наполнительного, грунтового, балластного и/или вспомогательного балластного слоев, конкретно упомянутых выше, которые приводятся в качестве неограничивающих примеров типов материалов, которые могут использоваться. Также следует принимать во внимание, что масса частиц (которая стабилизируется, как описано в данном документе) может содержать новый и/или внеплощадочный материал, который может заменять полностью или частично материал, ранее расположенный под тем, на что железнодорожная колея должна укладываться, модернизироваться и/или заменяться, и/или может содержать локальный материал, такой как грунты, выкопанные из-под местоположения колеи (которые возможно могут многократно использоваться), и/или комбинации и/или сочетания любых подходящих материалов.
Еще другой аспект изобретения в широком смысле предоставляет георешетку, выполненную с возможностью стабилизации массы частиц (например, наполнительного, грунтового, балластного и/или вспомогательного балластного слоя(ев)) и/или ее компонента(ов), при этом георешетка и/или компонент(ы) имеют по меньшей мере одно из требуемых свойств георешетки, описанных в данном документе, к примеру по меньшей мере одно из любых свойств (i)-(vi), описанных в следующем разделе; предпочтительно содержащую одно или более, предпочтительно два или более, более предпочтительно три или более, еще более предпочтительно четыре или более, наиболее предпочтительно пять или более, например, все шесть из любых следующих свойств (i)-(vi) (дополнительно поясняются в данном документе и/или измеряются, как описано в данном документе):
i) Радиальная секущая жесткость при относительной деформации в 0,5% в по меньшей мере 100 кН/м, предпочтительно от 200 до 800 кН/м, более предпочтительно от 220 до 700 кН/м, наиболее предпочтительно от 250 до 600 кН/м, при дополнительном возможном допуске в каждом случае от минус (-) 60 до минус (-) 100.
ii) Радиальная секущая жесткость при относительной деформации в 2% (в кН/м) в по меньшей мере 80 кН/м, предпочтительно от 150 до 600 кН/м, более предпочтительно от 170 до 500 кН/м, наиболее предпочтительно от 200 до 450 кН/м, при дополнительном возможном допуске в каждом случае от минус (-) 60 до минус (-) 100.
iii) Коэффициент радиальной секущей жесткости (безразмерный) в по меньшей мере 0,5, предпочтительно от 0,6 до 0,9, наиболее предпочтительно от 0,70 до 0,85, наиболее предпочтительно от 0,75 до 0,80, при дополнительном возможном допуске в каждом случае от минус (-) 0,10 до минус (-) 0,20, более возможном до минус (-) 0,15.
iv) Эффективность соединения в по меньшей мере 90%, предпочтительно в по меньшей мере 95%, более предпочтительно в по меньшей мере 97%, наиболее предпочтительно в по меньшей мере 99%, например, в 100%, при дополнительном возможном допуске в каждом случае по меньшей мере минус (-) 10.
v) Шаг (предпочтительно шестиугольный шаг) в по меньшей мере 30 мм, предпочтительно от 40 до 150 мм, более предпочтительно от 50 до 140, наиболее предпочтительно от 65 до 125 мм, при дополнительном возможном допуске в каждом случае от минус (-) 60 до минус (-) 100.
2
2
2
2
2
vi) Вес продукта в по меньшей мере 0,100 кг/м, предпочтительно от 0,120 до 0,400 кг/м, более предпочтительно от 0,150 до 0,350 кг/м, наиболее предпочтительно от 0,170 до 0,310 кг/м, например, от 0,180 до 0,300 кг/м, при дополнительном возможном допуске в каждом случае от минус (-) 0,025 до минус (-) 0,040, более возможно от минус (-) 0,030 до 0,035.
Дополнительные сведения относительно свойств, которые могут вносить свой вклад в рабочие характеристики стабилизированного слоя георешеток по варианту использования в настоящем изобретении, предоставляются в примерах в данном документе.
В дополнительном возможном аспекте настоящего изобретения, георешетки согласно и/или при использовании в настоящем изобретении являются достаточно долговечными для того, чтобы иметь минимальный срок службы георешетки в природных грунтах со значением pH между 4 и 9 в по меньшей мере 100 лет, если масса частиц, которая должна стабилизироваться, имеет среднюю температуру меньше 15°C, и/или в по меньшей мере 50 лет, если масса частиц, которая должна стабилизироваться, имеет среднюю температуру меньше 25°C.
Дополнительное возможное преимущество георешеток согласно и/или при использовании в настоящем изобретении представляет собой то, что они не должны обязательно иметь очень высокий коэффициент уменьшения ползучести, поскольку для вариантов использования, описанных в данном документе, георешетки типично не подвергаются постоянной относительной деформации, при этом рабочий уровень относительной деформации нормально составляет приблизительно 0,5%, уровень, который обычно не вызывает существенную ползучесть в георешетке. Это обеспечивает дополнительные варианты для специалистов в данной области техники, чтобы изготавливать георешетки, которые должны быть выполненными с возможностью использования в настоящем изобретении, как описано в данном документе.
Возможно, георешетки согласно и/или при использовании в настоящем изобретении содержат выполненную за одно целое ячеистую структуру, заданную посредством задающих ячеистую сеть элементов, которые задают апертурные элементы. Возможно, задающие ячеистую сеть элементы имеют одинаковую толщину. Возможно, задающие ячеистую сеть элементы содержат удлиненные растяжимые элементы (ребра), взаимно соединенные посредством соединений (узлов) в ячеистой структуре. Предпочтительно, что задающие ячеистую сеть элементы могут содержать множество, в общем, параллельных реберных структур (таких как ребра), идущих в направлении, поперечном направлению обработки в машине (TD), и/или множество разнесенных, в общем, параллельных реберных структур (таких как соединители), идущих под углом (углом ячеистой сети) к TD. Если реберные структуры являются по существу перпендикулярными реберным структурам (т.е. угол ячеистой сети составляет приблизительно 90°), реберные структуры лежат приблизительно в поперечном направлении (TD) георешетки. Варианты осуществления георешеток также могут содержать один или более углов ячеистой сети от 30° до 90°, чтобы формировать апертурные элементы, имеющие треугольную форму (при просмотре сверху плоскости георешетки), предпочтительно от 3 до 8 сторон, более предпочтительно 3 или 4 стороны, наиболее предпочтительно по существу прямолинейный многоугольник (например, прямоугольник, в котором угол ячеистой сети имеет форму приблизительно в 90°) и/или по существу треугольный многоугольник (например, по существу равносторонний треугольник, в котором угол ячеистой сети составляет приблизительно 60°). Следует принимать во внимание, что апертурные элементы могут задаваться посредством острых вершин, в которых непосредственно сходятся множество сетчатых элементов, либо предпочтительно могут задаваться частично посредством искривленных секций, например, если сетчатые элементы сходятся через соединения, чтобы исключать области чрезмерного механического напряжения, которое может создаваться посредством острых вершин. Преимущественно, задающие ячеистую сеть элементы содержат, более преимущественно состоят из одной или более реберных структур, соединений и/или удлиненных растяжимых элементов.
В предпочтительных георешетках для использования в железнодорожных конструкциях с георешетками настоящего изобретения, молекулярные ориентированные полимеры, которые содержат полимерную георешетку, могут ориентироваться посредством полимерной решетки (и/или полимерной сетки, из которой формируется решетка), растянутой в по меньшей мере одном направлении при степени растяжения в по меньшей мере 2 к 1, более предпочтительно в по меньшей мере 3 к 1. Преимущественно, в одном варианте осуществления степень растяжения может составлять от 2 к 1 до 12 к 1, более преимущественно от 2 к 1 до 10 к 1 и наиболее преимущественно от 3 к 1 до 6 к 1. Обычно, степень растяжения не должна превышать 12 к 1, более предпочтительно не должна превышать 10 к 1, и наиболее предпочтительно не должна превышать 6 к 1. Степени растяжения могут определяться посредством "истинных линий", которые представляют собой линии, применяемые (обычно посредством печати или рисования) к исходному материалу, обычно в двух перпендикулярных направлениях. Ориентация в конкретном местоположении может определяться в качестве степени растяжения между двумя опорными точками, по одной на каждой из двух истинных линий, позиционированных по любую сторону от местоположения, в котором должна измеряться ориентация, при этом упомянутые опорные точки расположены непосредственно рядом с упомянутым местоположением. Истинные линии, в общем, используются только для экспериментальных работ, а не для производственных серий.
Молекулярная ориентация (к примеру, однородная молекулярная ориентация) полимеров в георешетке может определяться посредством множества технологий, известных в данной области техники. Специалисты в данной области техники должны понимать, что молекулярная ориентация полимера представляет собой внутренне присущее неотъемлемое свойство материала, возникающее в результате увеличенного совмещения полимерного материала независимо от того, представляет оно собой совмещение полимерных цепей, когда аморфный полимер растягивается в направлении ориентации, и/или обусловлено совмещением полимерных цепей и/или полимерных кристаллических областей, когда полукристаллический или кристаллический полимер растягивается в направлении ориентации. Таким образом, степень ориентации полимера, измеренная в любом направлении и так или иначе заданная (например, посредством степени вытяжки или растяжения), не требует знания процесса, посредством которого изготовлен полимер, поскольку она представляет собой внутренне присущее измеримое свойство полимерного материала. Подходящие технологии для измерения ориентации полимеров могут включать в себя, но не только, любое из следующего: рентгеновская дифракция, нарушенное полное отражение (ATR) посредством инфракрасной спектроскопии на основе преобразования Фурье (FT-IR), двойное лучепреломление, динамические модули упругости, поляризованная люминесценция, широколинейный NMR, ультрафиолетовый и инфракрасный дихроизм, поляризованная спектроскопия; и/или возврат из состояния усадки. XRD и/или возврат из состояния усадки хорошо выполнены с возможностью определения молекулярной ориентации полимеров в георешетках при условии, что георешетки являются более толстыми, чем множество полимерных пленок, подготовленных для других вариантов использования, типично являются непрозрачными для некоторого излучения, имеющего ультрафиолетовые поглотители, такие как углеродная сажа, рассеянная в них. Неограничивающий пример конкретного предпочтительного практического теста для определения ориентации полимеров георешеток настоящего изобретения представляет собой тест на возврат из состояния усадки.
Некоторые георешетки для использования в железнодорожных конструкциях с георешетками настоящего изобретения могут иметь прочность на растяжение в по меньшей мере 15 кН/м, предпочтительно в по меньшей мере 25 кН/м, хотя без ограничения теорией, заявитель полагает, что наличие прочности на растяжение с этими значениями не является существенным требованием для георешеток, согласно и/или выполненных с возможностью использования в настоящем изобретении. Прочности на растяжение георешеток, приводимые в данном документе, определяются в соответствии с BS EN ISO 10319:2015, причем этот тест задает прочность на растяжение геосинтетического продукта в качестве максимальной силы в расчете на единичную ширину, наблюдаемой во время теста, в котором образец растягивается таким образом, что он разрывается, выражаемой в единицах кН/м. Для удобства и простоты, прочность на растяжение георешеток также может приводиться в единицах кН, причем в этом случае, значение прочности на растяжение предположительно должно соответствовать значению, полученному для георешетки шириной в 1 м, протестированной согласно ISO 10319:2015. Варьирование в прочности на растяжение может достигаться рядом способов, например, посредством варьирования толщины георешетки, полимера, из которого она изготавливается, либо поперечного разнесения и/или ширины реберных растяжимых элементов.
Некоторые георешетки для использования в железнодорожных конструкциях с георешетками настоящего изобретения могут иметь секущая жесткость (возможно измеряется в плоскости георешетки, заданной посредством TD и MD при относительной деформации в 0,5%) в по меньшей мере 400 кН/м, предпочтительно в по меньшей мере 450 кН/м, хотя без ограничения теорией, заявитель полагает, что наличие жесткости с этими значениями не является существенным требованием для георешеток, согласно и/или выполненных с возможностью использования в настоящем изобретении. Предпочтительно, что жесткость представляет собой секущая жесткость, которая, если не указано иное, измеряется при относительной деформации в 0,5%, хотя секущая жесткость также может измеряться при относительной деформации в 2%, причем в этом случае, жесткость является более низкой приблизительно на 100 кН/м по значению по сравнению с секущей жесткостью, измеренной при относительной деформации в 0,5%.
Преимущественно, ширина задающих ячеистую сеть элементов (таких как удлиненные растяжимые элементы) в любой георешетке согласно и/или при использовании в настоящем изобретении может составлять от 2 до 100 мм и в одном варианте осуществления предпочтительно от 2 до 50 мм, более предпочтительно от 5 до 40 мм, наиболее предпочтительно от 10 до 20 мм или в другом варианте осуществления возможно от 2 до 20 мм.
Преимущественно, ширина реберных структур в любой георешетке согласно и/или при использовании в настоящем изобретении может составлять от 2 до 50 мм и в одном варианте осуществления более предпочтительно от 5 до 40 мм, наиболее предпочтительно от 10 до 20 мм или в другом варианте осуществления возможно от 2 до 20 мм, более возможно от 6 до 18 мм, наиболее возможно от 10 до 15 мм.
Предпочтительно, что глубина (толщина) задающих ячеистую сеть элементов в любой георешетке согласно и/или при использовании в настоящем изобретении может составлять от 0,1 до 10 мм, более предпочтительно от 0,2 до 5 мм, еще более предпочтительно от 0,2 до 2 мм, наиболее предпочтительно от 0,4 до 2 мм.
Преимущественно, длина апертурных элементов (которая предпочтительно может представлять собой размерность самой длинной стороны, когда апертура представляет собой по существу многоугольник) в любой георешетке согласно и/или при использовании в настоящем изобретении может составлять от 5 до 400 мм, более преимущественно 40-300 мм, еще более преимущественно от 40 до 250 мм, наиболее преимущественно от 50 до 200 мм.
Предпочтительно, что шаг апертурных элементов в любой георешетке согласно и/или при использовании в настоящем изобретении (который преимущественно может представлять собой размерность одной повторяющейся единицы в MD, когда апертура представляет собой по существу многоугольник) может составлять от 3 до 420 мм, более предпочтительно 30-310 мм, еще более предпочтительно от 35 до 260 мм, наиболее предпочтительно от 40 до 210 мм. Повторяющаяся единица включает в себя размерность апертуры в одно ребро в каждой размерности в плоскости решетки таким образом, что при составлении повторяющейся мозаики формируется идентичная ячеистая сеть.
Преимущественно, ширина апертурных элементов в любой георешетке согласно и/или при использовании в настоящем изобретении может быть идентичной длине, в частности, если апертура является симметричной (например, представляет собой квадрат или окружность). В некоторых полезных вариантах осуществления, апертурная длина превышает апертурную ширину. Предпочтительно, ширина апертурного элемента составляет от 5 до 80 мм и в одном варианте осуществления более предпочтительно от 10 до 80 мм, еще более предпочтительно от 20 до 75 мм, наиболее предпочтительно от 25 до 70 мм или в другом варианте осуществления возможно от 5 до 50 мм.
Предпочтительная георешетка согласно и/или при использовании в настоящем изобретении может иметь среднюю толщину от 0,1 до 10 мм, более предпочтительно от 0,2 до 5 мм, еще более предпочтительно от 0,2 до 2 мм, наиболее предпочтительно от 0,4 до 2 мм.
В одном варианте осуществления, железнодорожная конструкция с георешетками по изобретению содержит георешетку, имеющую задающие ячеистую сеть элементы, которые имеют ширину в 2-100 мм, причем задающие ячеистую сеть элементы задают апертуры ячеистой сети (причем, возможно, эти апертуры могут иметь идентичный размер и/или форму), имеющие среднюю длину и/или среднюю ширину от 5 до 400 мм, и/или георешетки имеют среднюю толщину (возможно, которая является однородной) от 0,1 м до 10 мм.
Еще один дополнительный аспект изобретения в широком смысле предоставляет способ для подготовки стабилизированного слоя с использованием георешетки, содержащий предоставление одного или более компонентов и/или композиций согласно настоящему изобретению (и/или как описано в данном документе).
Возможно, без ограничения теорией, заявитель дополнительно обнаружил в других необязательных аспектах изобретения то, что скорость сдвиговой волны может использоваться для того, чтобы вычислять скорость рэлеевской волны с использованием уравнения 1 (или уравнения 1A), как описано в данном документе:
уравнение 1, где:
r
V(или Vr) обозначает скорость рэлеевской волны через материал (такой как земля под железнодорожной колеей), имеющий упругие свойства (упругий материал);
s
V (или Vs) обозначает скорость сдвиговых волн через упругий материал;
ʋ обозначает коэффициент Пуассона (отношение со знаком поперечной относительной деформации к осевой относительной деформации, которое является безразмерным), который предпочтительно составляет от 0,1 до 0,5, более предпочтительно от 0,2 до 0,4, еще более предпочтительно от 0,2 до 0,35, наиболее предпочтительно от 0,22 до 0,30, например, 0,26; и
A и B представляют безразмерные константы, где:
A составляет от 0,8 до 1,0, предпочтительно от 0,85 до 0,90, более предпочтительно от 0,87 до 0,88; наиболее предпочтительно от 0,872 до 0,876, например, 0,874 (до 3 десятичных разрядов); и
B составляет от 1,0 до 1,2, предпочтительно от 1,05 до 1,20, более предпочтительно от 1,10 до 1,15, наиболее предпочтительно от 1,112 до 1,120, например, 1,117 (до 3 десятичных разрядов).
Уравнение 1A (описано в разделе "Примеры" в данном документе) представляет собой поднабор уравнения 1, который имеет конкретные значения для констант A и B, где A=0,874 и B=1,117.
Коэффициент Пуассона также может варьироваться в зависимости от материала, присутствующего в массе частиц, которая должна стабилизироваться. Таким образом, например, в одном варианте осуществления изобретения, в котором материал в виде частиц содержит насыщенную глину, предпочтительные значения ʋ могут составлять от 0,4 до 0,5. В другом варианте осуществления изобретения, в котором материал в виде частиц содержит ненасыщенную или частично насыщенную глину, предпочтительные значения ʋ могут составлять от 0,1 до 0,3.
0
0
Скорость сдвиговой волны, извлекаемая из уравнения 1 (или уравнения 1A), может преобразовываться в модуль (G) сдвига при малой относительной деформации с использованием простой взаимосвязи с плотностью земли, заданной в нижеприведенном уравнении 2. С учетом характера взаимосвязи и ограниченной дисперсии плотности земли (например, если земля содержит или состоит из грунта), значение G предположительно может быть относительно нечувствительным к предполагаемой плотности упругого материала (например, земли), если эта плотность неизвестна.
уравнение 2, где:
0
- G является свойством жесткости при малой относительной деформации; и
- ρ является плотностью упругого материала.
Уравнения 1 и 2 могут использоваться для того, чтобы прогнозировать скорость рэлеевской волны, которая может формироваться с подслоем, на котором укладывается железнодорожная колея, из свойств только подслоя, т.е. с использованием уравнения 3:
уравнение 3
tmax
Поскольку максимальная скорость движения железнодорожного состава (обозначается как Vили Vtmax, также называется ограничением скорости движения по колее или TSL) должна быть ниже Vr, чтобы исключать или сглаживать чрезмерное повреждение, требуемые свойства подслоев также могут вычисляться с использованием требуемой максимальной скорости движения железнодорожного состава с использованием взаимосвязи, указанной в нижеприведенном уравнении 4.
уравнение 4
-1
-1
-1
-1
Для высокоскоростных железнодорожных составов, Vtmax составляет по меньшей мере 55 мс(~125 миль/ч или ~200 км/ч) предпочтительно ≥ 69 мс (~155 миль/ч или ~250 км/ч), и в силу этого железнодорожная конструкция с георешетками по изобретению преимущественно может иметь свойства подслоев, которые удовлетворяют уравнению 4, где Vtmax составляет по меньшей мере 55 мс, предпочтительно ≥ 69 мс, более предпочтительно, где Vtmax имеет и/или находится в любом из значений и/или диапазонов, как описано в данном документе, требуемых и/или выполненных с возможностью высокоскоростных железнодорожных составов.
В широком смысле в соответствии с вышеприведенным, еще один дополнительный аспект настоящего предоставляет инженерную конструкцию с георешетками для железных дорог (железнодорожную конструкцию с георешетками), причем конструкция содержит:
- подушку колеи (возможно подушку колеи, содержащую рельсы), которая задает колею, расположенную в плоскости колеи;
- слой частиц, лежащий под плоскостью колеи; и
- георешетку, расположенную в и/или рядом в/со слоем частиц,
- причем георешетка расположена в плоскости (в плоскости георешеток), по существу параллельной плоскости колеи таким образом, что георешетка стабилизирует слой частиц, так что свойства слоя частиц удовлетворяют уравнению 4A:
уравнение 4A
где:
- ʋ обозначает коэффициент Пуассона слоя частиц, который предпочтительно составляет от 0,1 до 0,5, более предпочтительно от 0,2 до 0,4, наиболее предпочтительно от 0,2 до 0,35;
0
- G является свойством жесткости при малой относительной деформации слоя частиц; и
- ρ является плотностью слоя частиц; и
- причем возможно среднее расстояние между плоскостью колеи и плоскостью георешеток, измеренное перпендикулярно к обеим из них и обозначаемое в данном документе как Dr, превышает 0,65 метра, более предпочтительно Dr имеет и/или находится в любом из значений и/или диапазонов, как описано в данном документе, требуемых и/или выполненных с возможностью настоящего изобретения.
Еще дополнительный аспект настоящего изобретения предоставляет способ для конструирования инженерной конструкции с георешетками для железных дорог (железнодорожной конструкции с георешетками), причем способ конструирования содержит:
- задание плоскости подушки колеи (возможно подушки колеи, содержащей рельсы), вдоль которой должна быть расположена подушка колеи;
- предоставление слоя частиц под плоскостью колеи с георешеткой, расположенной в и/или рядом со слоем частиц,
- причем георешетка расположена в плоскости (в плоскости георешеток), по существу параллельной плоскости колеи таким образом, что георешетка стабилизирует слой частиц, так что свойства слоя частиц удовлетворяют уравнению 4A:
уравнение 4A
где:
- ʋ обозначает коэффициент Пуассона слоя частиц, который предпочтительно составляет от 0,1 до 0,5, более предпочтительно от 0,2 до 0,4, наиболее предпочтительно от 0,2 до 0,35;
0
- G является свойством жесткости при малой относительной деформации слоя частиц; и
- ρ является плотностью слоя частиц; и
- причем возможно среднее расстояние между плоскостью колеи и плоскостью георешеток, измеренное перпендикулярно к обеим из них и обозначаемое в данном документе как Dr, превышает 0,65 метра, более предпочтительно Dr имеет и/или находится в любом из значений и/или диапазонов, как описано в данном документе, требуемых и/или выполненных с возможностью настоящего изобретения.
В этом аспекте изобретения, предусмотрено средство определения оптимального размещения георешетки для того, чтобы минимизировать отрицательные эффекты рэлеевских волн и/или повышать критическую скорость движения по колее. Для некоторых типов материала в виде частиц, обнаружено, что оптимальная глубина меньше предпочтительной глубины в 0,65 м в конструкциях, описанных в другом месте в данном документе.
В еще одном дополнительном аспекте настоящего изобретения, предусмотрено использование георешетки в способе для того, чтобы конструировать инженерную конструкцию с георешетками для железных дорог (железнодорожную конструкцию с георешетками), содержащем:
- задание плоскости подушки колеи (возможно подушки колеи, содержащей рельсы), вдоль которой должна быть расположена подушка колеи;
- задание слоя частиц, лежащего под плоскостью колеи с георешеткой, расположенной в и/или рядом со слоем частиц,
- причем георешетка располагается в плоскости (плоскости георешеток) по существу параллельной плоскости колеи, причем такая плоскость задается таким образом, что георешетка вычисляется с тем, чтобы стабилизировать слой частиц, так что свойства слоя частиц удовлетворяют уравнению 4A:
уравнение 4A
где:
- ʋ обозначает коэффициент Пуассона слоя частиц, который предпочтительно составляет от 0,1 до 0,5, более предпочтительно от 0,2 до 0,4, наиболее предпочтительно от 0,2 до 0,35;
0
- G является свойством жесткости при малой относительной деформации слоя частиц; и
- ρ является плотностью слоя частиц; и
- причем возможно среднее расстояние между плоскостью колеи и плоскостью георешеток, измеренное перпендикулярно к обеим из них и обозначаемое в данном документе как Dr, превышает 0,65 метра, более предпочтительно Dr имеет и/или находится в любом из значений и/или диапазонов, как описано в данном документе, требуемых и/или выполненных с возможностью настоящего изобретения.
Множество других варьирований и вариантов осуществления различных аспектов изобретения должны становиться очевидными для специалистов в данной области техники, и такие варьирования предусмотрены в пределах широкого объема настоящего изобретения. Таким образом, следует принимать во внимание, что определенные признаки изобретения, которые, для понятности, описываются в контексте отдельных вариантов осуществления, также могут предоставляться в комбинации в одном варианте осуществления. Наоборот, различные признаки изобретения, которые, для краткости, описываются в контексте одного варианта осуществления, также могут предоставляться по отдельности или в любой подходящей субкомбинации.
Аспекты изобретения и их предпочтительные признаки приводятся в формуле изобретения в данном документе, которая составляет неотъемлемую часть раскрытия сущности настоящего изобретения независимо от того, соответствует или нет такая формула изобретения непосредственно частям описания в данном документе. Следует принимать во внимание, что буквальный смысл, который может логически выводиться из формулы изобретения в данном документе, может не ограничивать надлежащий объем охраны, который может обеспечиваться посредством измененной формулы изобретения, относительно отклонения за пределы небуквального объема в соответствии с применимым местным законодательством. В силу этого, не следует делать логических выводов из утверждений в описании, которые могут относиться к буквальному смыслу формулы изобретения, в отношении того, что любые варианты осуществления, примеры и/или предпочтительные признаки, описанные в заявке, исключаются из такого объема охраны.
Конкретные термины при использовании в данном документе задаются и поясняются ниже, если из контекста их смысл явно не указывает иное.
Если не указано иное, все технические и научные термины, используемые в данном документе, имеют и должны приобретать смысл, идентичный смыслу, обычно понимаемому специалистами в области техники, которой принадлежит это изобретение.
Если контекст явно не указывает иное, при использовании в данном документе формы множественного числа терминов в данном документе должны истолковываться как включающие в себя форму единственного числа, и наоборот.
Георешетки
Георешетки представляют собой ячеистые структуры с высокой прочностью на растяжение, используемые для того, чтобы стабилизировать или армировать материал в виде частиц (например, грунт или частицы) в геоинженерных конструкциях. Более конкретно, георешетка заглубляется в материал в виде частиц конструкции таким образом, что этот материал затем может сцепляться в открытых ячеистых сетях георешетки. Георешетки могут изготавливаться множеством различных способов, например, посредством связывания сшиванием ткани, изготовленной, например, из полимерных нитей, и применения гибкого покрытия, такого как PVC или битум, либо посредством плетения, либо посредством вязания или даже соединения ориентированных пластиковых скруток между собой. Георешетка имеет внутренне присущие структурные ограничения на то, чтобы приспосабливать ячеистую сеть для использования в гражданском строительстве и, в частности, для использования при стабилизации железнодорожных колей для использования с высокоскоростными железнодорожными составами, как описано в данном документе. Предпочтительные георешетки для использования, как описано в данном документе, имеют форму выполненной за одно целое ячеистой структуры, которая содержит молекулярно ориентированные полимеры, при этом георешетка является одноосно или двуосно ориентированной. В одном варианте осуществления, георешетка для использования, как описано в данном документе, может иметь форму выполненных за одно целое молекулярно ориентированных пластиковых ячеистых структур, сформированных из взаимосвязанных задающих ячеистую сеть элементов, включающих в себя удлиненные растяжимые элементы.
Известно, что георешетки могут производиться посредством растягивания исходного материала пластикового листа, который содержит (например, посредством перфорации) матрицу отверстий (например, в прямоугольном или другом подходящем решетчатом шаблоне). Растягивание исходного материала пластикового листа производит георешетку в форме ячеистой структуры, состоящей из задающих ячеистую сеть элементов, включающих в себя удлиненные растяжимые элементы, а также соединения, причем растяжимые элементы взаимно соединяются по меньшей мере частично посредством соединений. Такие георешетки зачастую упоминаются в качестве георешеток с "перфорацией и растягиванием". При производстве георешеток посредством этого процесса, операция растягивания "вытягивает" полимер в направлении растягивания в форму удлиненных растяжимых элементов с последовательным увеличением отверстий в изначальном исходном материале листа, чтобы производить конечную ячеистую структуру (т.е. георешетку). Операция растягивания предоставляет молекулярную ориентацию полимера (в направлении растягивания) в удлиненных растяжимых элементах, а также (но в меньшей степени) в соединениях. Степень ориентации может представляться посредством "степени растяжения", которая представляет собой отношение расстояния между двумя точками на поверхности георешетки по сравнению с расстоянием между соответствующими точками на исходном материале листа (т.е. до растягивания). Именно молекулярная ориентация предоставляет требуемые прочностные характеристики для георешетки (поскольку молекулярно ориентированный полимер имеет значительно более высокую прочность в направлении растягивания, чем неориентированный полимер). Молекулярная ориентация является необратимой при нормальных температурных условиях, воздействию которых георешетка подвергается после ее изготовления, например, в ходе хранения, транспортировки и использования.
Георешетки, произведенные посредством растягивания апертурных исходных материалов пластикового листа, могут быть одноосно или двуосно ориентированными. В случае одноосно ориентированной ("одноосной") георешетки, растягивание осуществляется только в одном направлении, тогда как двуосно ориентированная ("двуосная") георешетка производится посредством использования двух операций растягивания, поперечных по отношению друг другу в плоскости исходного материала листа, причем эти операции обычно являются перпендикулярными друг другу и, в общем, осуществляются последовательно (но могут осуществляться одновременно с помощью соответствующего оборудования, известного в отрасли). Такие технологии для производства одноосных и двуосных ячеистых структур посредством растягивания апертурного исходного материала пластикового листа в одном направлении (для одноосного продукта) или в двух направлениях (для двуосного продукта) раскрываются, например, в GB2035191 (является эквивалентной US4374798 и EP0374365). Дополнительные примеры георешеток показаны в WO 2004/003303 и WO 2013/061049.
Георешетки (такие как решетки и/или ячеистые сети, например, как описано в данном документе) главным образом используются для того, чтобы стабилизировать неграничные слои посредством способствования взаимному сцеплению частиц в и/или между слоями, причем эта функция стабилизации задается, например, посредством Европейского оценочного документа (EAD) 080002-00-0102 Европейской организации по технической оценке (EOTA), и в Европе георешетка имеет сертификацию по стандартам Европейской технической оценки (ETA) для этой стабилизации. Георешетка предпочтительно изготавливается в соответствии с системой управления, которая соответствует требованиям BS EN ISO 9001:2008. Более предпочтительные георешетки согласно и/или для использования в настоящем изобретении содержат гексагональную структуру с треугольными апертурами, изготовленную из перфорированного и растянутого полипропиленового листа, который затем ориентируется в трех направлениях так что результирующие ребра общего прямоугольного поперечного сечения имеют высокую степень молекулярной ориентации, которая проходит через массу выполненного за одно целое узла или соединения. Типичные георешетки имеют минимальное содержание в 2% по весу мелкоизмельченной углеродной сажи в общем весе коэффициента георешетки, составляющем 100%.
Железнодорожная колея
Железнодорожный путь или железнодорожная колея при использовании в данном документе (также называемая "железной дорогой", причем этот термин является синонимичным) обозначает колею, которая задает путь, по которому должен ехать железнодорожный состав, трамвай или другое аналогичное направляемое транспортное средство, и на которой также предоставляются строго направляющие средства, которые помогают транспортному средству придерживаться колеи. Железнодорожный состав обозначает любое транспортное средство, допускающее движение по железной дороге и направление посредством строго направляющих средств. Предпочтительно, в одном аспекте изобретения строго направляющие средства содержат параллельные рельсы (изготовленные из стали или другого подходящего материала), установленные с разнесением на фиксированное расстояние (это расстояние обозначается как лекало колеи). Оси колес железнодорожного состава имеют идентичное фиксированное лекало колеи, так что они могут поддерживать железнодорожный состав и направляться по колее по мере того, как они едут по рельсам. Наиболее часто используемые лекала колеи представляют собой стандартные, широкие или узкие лекала колеи, при этом нормальная колея в 1435 мм содержит 55% железнодорожных линий в мире. Типично, шпалы, которые могут изготавливаться из любого подходящего материала, обычно из древесины или бетона, разнесены равномерно в направлении колеи продольно вдоль колеи, чтобы держать рельсы на определенном расстоянии с постоянным лекалом колеи. Тем не менее, другие конфигурации колеи без рельсов предусматриваются как находящиеся в пределах объема настоящего изобретения. Они включают в себя, например, колею на плитном основании, в которой рельсы присоединяются к железобетонной плите, и колеи на магнитной подвеске (магнитн. подвеске), в которых рельсы возможно требуются только для того, чтобы механически поддерживать транспортное средство, которое, вместо этого или также, может поддерживаться посредством активного или пассивного управления магнитными или другими полями, чтобы уменьшать или по существу исключать трение между железнодорожным составом и колеей. Когда железнодорожный состав едет по такой колее на высокой скорости, высокоскоростное движение железнодорожного состава по-прежнему может формировать рэлеевские волны в земле, поддерживающей колею, независимо от того, поддерживается или нет железнодорожный состав также на рельсах. Таким образом, следует принимать во внимание, что инженерные конструкции с георешетками по изобретению по-прежнему являются полезными для конструирования железнодорожных колей, которые не имеют рельсов, поскольку отсутствие рельсов не предотвращает эффекты рэлеевской волны. Таким образом, специалисты в данной области техники должны понимать, что определение железных дорог при использовании в данном документе охватывает некоторые колеи, которые содержат направляющие средства, но которые могут не содержать рельсы как таковые.
Высокоскоростные железнодорожные составы
-1
-1
-1
Высокоскоростные железнодорожные составы (HST) относятся в данном документе к тем железнодорожным составам, которые допускают движение на более высокой скорости, чем традиционные железнодорожные составы, посредством использования колеи, сконструированной или модернизированной для высокой скорости. Директива ЕС 96/48/EC задает высокоскоростную железнодорожную магистраль с минимальной скоростью в по меньшей мере 250 км в час (км/ч) (приблизительно в 155 миль в час (миль/ч) или приблизительно в 69 мс) на колее, специально сооруженной для высокой скорости, и в по меньшей мере 200 км/ч (приблизительно в 124 миль/ч или приблизительно в 55 мс) на колеях, модернизированных из существующих колей. Гораздо более высокие скорости, чем указанные, являются возможными для железнодорожных составов, движущихся по колеям по настоящему изобретению, и предусматриваются в пределах объема настоящего изобретения. Типичный HST может ехать на скоростях от 200 до 500 км/ч (приблизительно от 124 до 310 миль/ч или приблизительно от 55 до 139 мс). Колея для высокоскоростной железнодорожной магистрали (также упоминается в данном документе в качестве высокоскоростной колеи) обозначает колею, по которой для HST целесообразно двигаться на высоких скоростях, заданных в данном документе. Предпочтительные высокоскоростные колеи специально сконструированы с возможностью иметь менее глубокие градиенты и более широкие кривые, чем традиционные железнодорожные колеи.
Материал в виде частиц
Железнодорожные колеи согласно и/или при использовании в железнодорожных геоинженерных конструкциях настоящего изобретения могут укладываться на (прямо или косвенно) одном или более слоев материала в виде частиц (слоев частиц), которые могут стабилизироваться, возможно механически стабилизироваться, посредством одной или более георешеток. Термин "зернистый заполнитель" используется в данном документе синонимично с материалом в виде частиц. Следует принимать во внимание, что георешетки, используемые в конструкциях настоящего изобретения, главным образом используются для того, чтобы разрешать проблемы с рэлеевской волной и/или критической скоростью движения по колее, как описано в данном документе, и возможно также могут поддерживать подушку колеи сверху. Поскольку такая опора для подушки колеи может предоставляться вместо этого и/или дополнительно посредством одной или более дополнительных георешеток, уложенных на небольших глубинах (например, от 200 до 300 мм), которые типично используются посредством георешеток в железнодорожных конструкциях предшествующего уровня техники, чтобы формировать механически стабилизированный слой (MSL), помимо георешетки, которая расположена гораздо глубже, чтобы увеличивать Vr и/или Vc.
Материал в виде частиц, который может использоваться в георешетках для того, чтобы конструировать железнодорожные геоинженерные конструкции настоящего изобретения, может вводиться на площадку в качестве заполняющего материала (такого как наполнитель) и/или может содержать или состоять из материала в виде частиц, естественно присутствующего на площадке, на которой должна укладываться железнодорожная колея, например, грунта на месте, который может временно выкапываться, чтобы формировать канавку, в которую укладывается георешетка, и затем повторно помещаться в выкопанную канавку. Средний размер частиц предпочтительно может быть сравнимым по размеру со средним размером апертуры ячеистой сети георешетки, используемой для того, чтобы стимулировать взаимное сцепление частиц в апертурах, чтобы повышать механическую стабилизацию. Размер материала в виде частиц может выбираться для использования с доступным размером ячеистой сети из георешеток, и/или наоборот.
u
60
10
Значения размера частиц материала в виде частиц, описанного в данном документе, могут измеряться посредством просеивания, чтобы определять распределение частиц по размерам (PSD) для материала согласно BS 5930. Высокосортный материал имеет коэффициент однородности (C=D/D), больший 4. Тем не менее, массы частиц с другими PSD (например, многомодальными, к примеру, мономодальными или бимодальными) не исключаются из этого изобретения.
Пластиковый материал
Пластиковый материал предпочтительно обозначает материал, возможно содержащий один или более полимеров, которые имеют достаточно высокий молекулярный вес, чтобы предоставлять требуемые свойства для георешетки, используемой в вариантах применения, описанных в данном документе, но также допускают обработку посредством приложения тепла, давления и/или механической обработки таким образом, что они ориентированы так, как описано в данном документе. Различные полимерные материалы могут использоваться для исходного материала пластикового листа (и в силу этого элемента-предвестника георешетки), и неограничивающие примеры подходящих полимеров описываются в данном документе, причем эти полимеры могут быть термопластическими.
Преимущественно, георешетки согласно и/или при использовании в настоящем изобретении могут содержать один или более полимеров из следующего неограничивающего списка: полиолефины (например, полипропилен и/или полиэтилен), полиуретаны, поливинилгалиды (например, поливинилхлорид (PVC)), сложные полиэфиры (например, полиэтилентерефталат (PET)), полиамиды (например, нейлоны) и/или неуглеводородные полимеры; более преимущественно могут содержать один или более полимеров, выбранных из следующего: полиэтилен высокой плотности (HDPE), полипропилен (PP) и/или полиэтилентерефталат (PET); наиболее преимущественно могут содержать PP, например, состоять из PP.
Составляющие полимеры в георешетке и/или в ее слоях (если георешетка является многослойной) могут ориентироваться, выдуваться, усаживаться, растягиваться, отливаться, экструдироваться, соэкструдироваться и/или содержать любые подходящие сочетания и/или комбинации вышеозначенного. Полимеры, которые содержат георешетку, возможно могут перекрестно сшиваться посредством любого подходящего средства, такого как перекрестное сшивание электронным лучом (EB) или ультрафиолетовое перекрестное сшивание, при необходимости, посредством использования подходящих добавок.
Полимерные смолы, используемые для того, чтобы производить георешетки согласно и/или при использовании в настоящем изобретении, в общем, предлагаются на рынке в форме гранул и могут расплавляться со смешиванием или механически смешиваться посредством распространенных способов, известных в данной области техники, с использованием предлагаемого на рынке оборудования, включающего в себя кантователи, смесители и/или смешиватели. Смолы могут иметь другие дополнительные смолы, смешиваемые с ними, наряду с известными добавками, такими как вспомогательные обрабатывающие средства и/или красители. Способы для производства полимерных листов широко известны, например, чтобы производить полимерный лист, из которого может производиться ячеистая сеть из георешеток, смолы и необязательные добавки могут вводиться в экструдер, в котором смолы могут расплавляться с пластифицированием посредством нагрева и затем переноситься в экструзионную матрицу для образования листа. Температуры экструзионной матрицы, в общем, должны зависеть от конкретной обрабатываемой смолы, и подходящие диапазоны температур являются общеизвестными в данной области техники или предоставляются в технических бюллетенях, публикуемых посредством изготовителей смол. Температуры обработки могут варьироваться в зависимости от выбранных параметров технологического процесса.
Полимерный лист, используемый для того, чтобы подготавливать георешетку согласно и/или при использовании в настоящем изобретении, может ориентироваться посредством растягивания при подходящей температуре. Результирующий ориентированный лист может демонстрировать существенно улучшенные свойства. Ориентация может задаваться вдоль одной оси, если лист растягивается только в одном направлении (как одноосная или одноосная), либо может быть двуосной (двуосной), если лист растягивается в каждом из двух взаимно перпендикулярных направлений в плоскости листа. Двуосный ориентированный лист может быть сбалансированным или несбалансированным, при этом несбалансированный лист имеет более высокую степень ориентации в предпочтительном направлении. Традиционно, продольное направление (LD) представляет собой направление, в котором лист проходит через машину (также известное как направление обработки в машине, или MD), и поперечное направление (TD) является перпендикулярным MD. Предпочтительные двуосные листы ориентированы в MD и в TD.
Термины "эффективный", "приемлемый", "активный" и/или "подходящий" (например, со ссылкой на одно или более из любого процесса, варианта использования, способа, варианта применения, продукта, материала, структуры, конструкции, композиции, компонента, ингредиента и/или полимера, описанных в данном документе согласно и/или при использовании в настоящем изобретении надлежащим образом) должны пониматься как означающие те признаки изобретения, которые, при использовании корректным способом, предоставляют требуемые свойства для того, во что они добавляются и/или включаются для достижения полезности, как описано в данном документе. Такая полезность может быть непосредственной, например, если составляющее имеет требуемые свойства для вышеуказанного использования, и/или косвенной, например, если составляющее имеет применение в качестве промежуточного и/или другого инструмента при подготовке другого составляющего с непосредственной полезностью. При использовании в данном документе, эти термины также обозначают то, что подобъект целого (к примеру, компонента и/или ингредиента) является совместимым с производством эффективных, приемлемых, активных и/или подходящих конечных георешеток и/или конструкций, как описано в данном документе.
Предпочтительная полезность настоящего изобретения содержит использование георешетки для того, чтобы подготавливать железнодорожную геоинженерную конструкцию для колеи (преимущественно, железнодорожную геоинженерную конструкцию настоящего изобретения) таким образом, чтобы увеличивать скорость рэлеевской волны и/или критическую скорость движения по колее, по сравнению с идентичной конструкцией без георешетки, так что она составляет на по меньшей мере 10% выше, более предпочтительно на по меньшей мере 15% выше, еще более предпочтительно на по меньшей мере 20% выше, наиболее предпочтительно на по меньшей мере 25% выше и, например на по меньшей мере 33% выше максимальной скорости (TSL или Vtmax), на которой железнодорожным составам разрешено двигаться по колее.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
Предпочтительно, что другая полезность настоящего изобретения содержит использование георешетки для того, чтобы подготавливать железнодорожную геоинженерную конструкцию для колеи (преимущественно железнодорожную геоинженерную конструкцию настоящего изобретения) таким образом, чтобы увеличивать скорость рэлеевской волны и/или критическую скорость движения по колее, по сравнению с идентичной конструкцией без георешетки, так что она составляет по меньшей мере 140 мс (~310 миль/ч или ~500 км/ч); более предпочтительно по меньшей мере 150 мс(~335 миль/ч или ~540 км/ч); еще более предпочтительно по меньшей мере 160 мс(~360 миль/ч или ~570 км/ч); (к примеру, ≥ 167 мс(~375 миль/ч или ~600 км/ч)), наиболее предпочтительно по меньшей мере 170 мс(~380 миль/ч или ~610 км/ч), например в по меньшей мере 180 мс (~400 миль/ч или ~650 км/ч) (например, ≥ 185 мс(~410 миль/ч или ~660 км/ч)).
Если контекст явно не указывает иное, при использовании в данном документе формы множественного числа терминов в данном документе должны истолковываться как включающие в себя форму единственного числа, и наоборот.
Термин "содержащий" при использовании в данном документе должен пониматься как означающий то, что нижеприведенный список является исчерпывающим, и может включать в себя или может не включать в себя другие дополнительные подходящие пункты, например, один или более дополнительных признаков, компонентов, ингредиентов и/или заменителей, надлежащим образом.
В пояснении изобретения в данном документе, если не указано иное, раскрытие альтернативных значений для верхнего и нижнего предела разрешенного диапазона параметра вместе с указанием того, что одно из упомянутых значений является более предпочтительным, чем другое, должно истолковываться в качестве такого подразумеваемого утверждения, что каждое промежуточное значение упомянутого параметра, составляющее между более предпочтительной и менее предпочтительной из упомянутых альтернатив, является непосредственно предпочтительным относительно упомянутого менее предпочтительного значения, а также относительно каждого менее предпочтительного значения и упомянутого промежуточного значения.
Для всех верхних и/или нижних границ любых параметров, приведенных в данном документе, граничное значение включается в значение для каждого параметра. Также следует понимать, что все комбинации предпочтительных и/или промежуточных минимальных и максимальных граничных значений параметров, описанных в данном документе в различных вариантах осуществления изобретения, также могут использоваться для того, чтобы задавать альтернативные диапазоны для каждого параметра для различных других вариантов осуществления и/или предпочтений изобретения, независимо от того, раскрыта конкретно или нет комбинация таких значений в данном документе.
Следует понимать, что общая сумма любых величин, выражаемых в данном документе в качестве процентных долей, не может (с разрешением ошибок округления) превышать 100%. Например, сумма всех компонентов, которые содержит композиция изобретения (или ее часть(и)), может, при выражении как процентной доли веса (или другого показателя) композиции (или ее идентичной части(ей)), давать всего 100%, с разрешением ошибок округления. Тем не менее, если список компонентов является неисчерпывающим, сумма процентной доли для каждого из таких компонентов может быть меньше 100%, что разрешает определенную процентную для дополнительного количества любого дополнительного компонента(ов), что может не описываться явно в данном документе.
Термин "по существу" при использовании в данном документе может означать величину или объект, чтобы подразумевать большую величину или ее пропорцию. Если он является релевантным в контексте, в котором он используется, "по существу" может пониматься как означающий количественно (относительно любой величины или объекта, к которому он относится в контексте описания), так что он содержит пропорцию в по меньшей мере 80%, предпочтительно в по меньшей мере 85%, более предпочтительно в по меньшей мере 90%, наиболее предпочтительно в по меньшей мере 95%, в частности в по меньшей мере 98%, например, приблизительно в 100% релевантного целого. По аналогии, термин "по существу не содержащий" аналогично может обозначать то, что величина или объект, к которому он относится, содержит не больше 20%, предпочтительно не больше 15%, более предпочтительно не больше 10%, наиболее предпочтительно не больше 5%, в частности, не больше 2%, например, приблизительно 0% релевантного целого.
Георешетки и/или конструкции согласно и/или при использовании в настоящем изобретении (и/или их любые компоненты) также могут демонстрировать улучшенные свойства относительно известных георешеток, которые используются аналогичным образом. Такие улучшенные свойства могут заключаться в по меньшей мере одном, предпочтительно во множестве, более предпочтительно в трех из более этих свойств, описанных в данном документе в качестве предпочтительных и/или посредством аналогичной терминологии. Предпочтительные георешетки и/или конструкции согласно и/или при использовании в настоящем изобретении могут демонстрировать сравнимые свойства (по сравнению с известными композициями и/или их компонентами) в двух или более, предпочтительно в трех или более, наиболее предпочтительно в остальных из этих свойств, описанных в данном документе как предпочтительные или аналогичные.
Улучшенные свойства при использовании в данном документе означают то, что значение компонента, георешетки и/или конструкции согласно и/или при использовании в настоящем изобретении составляет >+8% от значения известного опорного компонента, георешетки и/или конструкции, которая может описываться в данном документе, более предпочтительно >+10%, еще более предпочтительно >+12%, наиболее предпочтительно >+15%.
Сравнимые свойства при использовании в данном документе означают то, что значение компонента, георешетки и/или конструкции согласно и/или при использовании в настоящем изобретении составляет в пределах +/-6% от значения известного опорного компонента, георешетки и/или конструкции, которая может описываться в данном документе, более предпочтительно +/-5%, наиболее предпочтительно +/-4%.
Процентные разности для улучшенных и сравнимых свойств в данном документе означают дробные разности между компонентом, георешеткой и/или конструкцией согласно и/или при использовании в изобретении и известным опорным компонентом, георешеткой и/или конструкцией, которая может описываться в данном документе, причем свойство измеряется в идентичных единицах аналогичным образом (т.е. если значение, которое должно сравниваться, также измеряется в качестве процентной доли, оно не обозначает абсолютную разность).
Если не указано иное, все тесты в данном документе выполняются при стандартных условиях, также заданных в данном документе.
При использовании в данном документе, если контекст не указывает иное, стандартные условия означают атмосферное давление, относительную влажность в 50%±5%, температуру окружающей среды (22ºC±2º) и воздушный поток, меньший или равный 0,1 м/с. Если не указано иное, все тесты в данном документе выполняются при стандартных условиях, заданных в данном документе.
Чертежи
Изобретение проиллюстрировано посредством следующих неограничивающих фиг. 1-5, на которых:
Фиг. 1 показывает конструкцию железнодорожной колеи поверх необработанной земли (обозначается как сравнит. пример A);
Фиг. 2 показывает конструкцию железнодорожной колеи, которая использует зернистую замену подстилочного материала до глубины в 5 м (обозначается как сравнит. пример B), который является текущим предлагаемым способом конструирования линий для высокоскоростных железнодорожных составов;
Фиг. 3 показывает конструкцию железнодорожной колеи с использованием разделения на слои и с механически стабилизированным слоем (MSL) георешеток с зернистым заполнителем (используемым в тестовых примерах 1-4, описанных в данном документе). Конструкция, показанная на фиг. 3, используется в трехмерной численной модели для того, чтобы вычислять скорость сдвиговой волны через землю для данной жесткости и глубины конструкции, приведенной на фиг. 4 и 5;
Фиг. 4 показывает скорость сдвига при относительной деформации в 0,002% для продольного (параллельного с длиной насыпи) CSW-тестирования (суффикс 2 указывает тестирование во втором тесте); и
Фиг. 5 показывает скорость сдвига при относительной деформации в 0,002% для поперечного (перпендикулярного длине насыпи) CSW-тестирования (суффикс 2 указывает тестирование во втором тесте).
Следует отметить, что варианты осуществления и признаки, описанные в контексте одного из аспектов или вариантов осуществления настоящего изобретения, также применяются к другим аспектам изобретения, независимо от того, указываются или нет такие признаки в качестве предпочтительной или аналогичной терминологии. Хотя варианты осуществления раскрыты в описании со ссылкой на конкретные примеры, следует признавать, что изобретение не ограничено этими вариантами осуществления. Все промежуточные обобщения между самым широким объемом изобретения, описанным в данном документе, и каждым из вариантов осуществления и/или примеров, описанных в данном документе, в силу этого предусматриваются как содержащие настоящее изобретение. Комбинации и/или сочетания любых признаков, описанных в одном варианте осуществления изобретения, могут применяться к любым другим вариантам осуществления изобретения, по аналогии или иным образом, и предусматриваются как содержащие настоящее изобретение. Различные модификации могут становиться очевидными для специалистов в данной области техники и могут получаться из практического применения изобретения, и такие варьирования предусмотрены в пределах широкого объема охраны для настоящего изобретения, разрешенного согласно применимому местному законодательству, даже если разновидность может находиться за рамками буквального смысла формулы изобретения. Следует понимать, что используемые материалы и подробности могут немного отличаться или могут модифицироваться относительно описаний без отступления от способов и композиций, раскрытых и изученных посредством настоящего изобретения.
Дополнительные аспекты изобретения и их предпочтительные признаки приводятся в формуле изобретения в данном документе.
Примеры 1 (TX150), 2 (TX130S), 3 (TX170) и 4 (TX190L) и сравнит. примеры A-C
Ниже подробно описывается настоящее изобретение со ссылкой на следующие неограничивающие примеры, которые приводятся только в качестве иллюстрации.
Без ограничения теорией, заявитель полагает, что скорость волн, сформированных в подслое колеи, может быть связана с жесткостью подстилочного материала под колеей (т.е. земли, типично грунта), причем глубина проникновения волны увеличивается с уменьшением частоты и увеличением длины (λ) волны. Волны высокой частоты перемещаются только в тонких слоях. Волны более низкой частоты перемещаются как в неглубоких, так и в глубоких слоях. Скорость волны через землю в силу этого должна варьироваться в зависимости от частоты и глубины, причем это явление является общеизвестным в качестве геометрической дисперсии. Считается, что доля компонента P-волны во внутренне присущей скорости волны Роли (Vr) является небольшой по сравнению с долей от компонента S-волны. Скорость (Vs) S-волны в силу этого может использоваться для того, чтобы определять жесткость земли, в частности, если земля демонстрирует по существу эластичное поведение. В одном варианте осуществления изобретения, заявитель обнаружил, что Vr может извлекаться из Vs, например, с использованием уравнения 1A в первом приближении:
уравнение 1A, где:
- Vr является скоростью рэлеевской волны через землю;
- Vs является скоростью S-волн через землю; и
- ʋ является коэффициентом Пуассона (отношением со знаком поперечной относительной деформации к осевой относительной деформации).
0
0
Профиль скоростей S-волн может преобразовываться в модуль (G) сдвига при малой относительной деформации с использованием простой взаимосвязи с плотностью земли, заданной в уравнении 2. С учетом характера взаимосвязи и ограниченной дисперсии плотности земли (например, если она представляет собой грунт), извлечение G является относительно нечувствительным к предполагаемой плотности земли, если она неизвестна.
уравнение 2, где:
0
- G является свойством жесткости при малой относительной деформации; и
- ρ является плотностью земли.
3
3
Жесткость представляет аппроксимированную среднюю жесткость для данной глубины земли. Если земля представляет собой грунт, то поскольку плотность грунта типично варьируется между 1,6 мг/м и 2,1 мг/м для большинства почво-грунтовых условий (варьирование в 24%), извлечение Go в силу этого является относительно нечувствительным к предполагаемой плотности грунта (если неизвестна), и предполагается консервативная (т.е. нижняя граница) плотности грунта.
3
Go может преобразовываться в модуль Юнга (E) с использованием взаимосвязи E=G.(2.(1+ʋ)). В отличие от жесткости при сдвиге, E затрагивается посредством жесткости грунтовой поровой воды с коэффициентом Пуассона, варьирующимся между 0,2 (с полным осушением) и 0,5 (для насыщенных грунтов без осушения). Выбор соответствующего значения коэффициента Пуассона в силу этого является важным при определении характерного значения E для преобладающих условий осушения. Для условий с осушением, коэффициент Пуассона, в общем, составляет в диапазоне 0,2-0,35, что приводит к диапазону в 32% вычисленных значений E. Если коэффициент Пуассона неизвестен, то могут выбираться умеренные (низкие) значения, формирующие меньшие значения жесткости. Могут использоваться типичная нижняя граничная плотность грунта по умолчанию в 1,80 мг/м и типичный коэффициент Пуассона с осушением в 0,26, если не предоставляется конкретная для площадки информация. Эти значения могут регулироваться, когда определены конкретные для площадки значения, или отражать условия осушения без осушения в насыщенных грунтах.
Значения жесткости, полученные посредством тестирования в примерах, описанных в данном документе, представляют собой значения жесткости при малой относительной деформации, релевантные для уровней относительной деформации ниже приблизительно 0,002%. В примерах, тестирование на площадке выполнено с использованием следующих сейсмических источников и матричных сейсмоприемников. Стандартный встряхиватель: стандартный 80-килограммовый GSS-встряхиватель - 10-91 Гц; и EM-встряхиватель: электромагнитный GSS-встряхиватель - 50-400 Гц. Тесты выполнены на испытательной насыпи высотой в 2,0 м и длиной в 40 м. Насыпь используется в качестве зернистого известняка в виде заполняющего материала, который соответствует британским техническим условиям по эксплуатации высокоскоростных магистралей (SHW) 6F1, полученного из карьерного отвала. Насыпь разделена на 5 зон, каждая из которых имеет ширину в 6 м и глубину в 2 м, как показано в нижеприведенной таблице 1.
Табл. 1
Управление (сравнит. пример C)
Зона (пример 1)
Зона 2 (пример 2)
Зона 3 (пример 3)
Зона 4 (пример 4)
Георешетка
Нет (нестабилизированная)
TX150
TX130S
TX170
TX190L
Сравнит. пример A и сравнит. пример B показаны на соответствующих чертежах 1 и 2 и представляют железнодорожные геоинженерные конструкции предшествующего уровня техники без (сравнит. примера A) и с (сравнит. пример B) георешеткой.
Примеры 1-4 и сравнит. пример C из таблицы 1, используемой в этих тестах, составлены так, как показано на фиг. 3, с георешеткой, расположенной в горизонтальной плоскости непосредственно ниже слоя, отмеченного как "MSL", и выше слоя, помеченного как "зернистый заполнитель". Используемые георешетки представляют собой соответствующие продукты из георешеток, предлагаемые на рынке компанией Tensar International Limited под зарегистрированной торговой маркой TriAx, вместе с торговыми обозначениями, приведенными в таблице 1, за исключением сравнит. примера C, в котором используется идентичная конструкция без георешеток.
Чтобы верифицировать то, что аналогичная степень уплотнения достигнута в тестовых секциях насыпи, тесты с использованием радиоактивного плотномера (NDM) (откалиброванного для конкретного используемого заполнителя) выполнены на насыпи вместе с калибровочным тестом для заполняющего материала. NDM-тесты выполнены только в верхних 200 мм тестовой насыпи, и плотность и влагосодержание на месте, полученные из этих тестов, обобщаются в таблице 2
Табл. 2
Пример
Объемная плотность (мг/м3)
Влагосодержание, %<sup>(b)</sup>
Средняя<sup>(a)</sup>
Диапазон
Среднее<sup> (a)</sup>
Диапазон
Сравнит. пример C
2,27
2,23-2,28
6,3
6,0-6,5
Пример 1
2,29
2,24-2,34
6,3
6,0-6,7
Пример 2
2,25
2,18-2,29
6,4
6,0-6,9
Пример 3
2,26
2,17-2,31
6,4
5,9-6,7
Пример 4
2,25
2,23-2,27
6,4
5,8-6,8
(a) В среднем 6 тестов выполняется в расчете на зону.
(b) Влагосодержание задается в лаборатории для собранных объемных проб
Следует отметить, что земля под тестовой насыпью содержит карьерные отходы, имеющие материал в виде частиц различных размеров (от тонкозернистого грунта до зерен размером с булыжник), и в силу этого слабо уплотнена. Тесты выполнены два раза для идентичной тестовой насыпи в различные моменты времени с перерывом в несколько месяцев. Первый тест выполнен в дождливых и туманных условиях, а второй тест - в сухих и ярких условиях с сильным ветром. Грунт под зоной управления (сравнит. пример C) и зоной примера 1 наблюдается как особенно влажный по сравнению с остальной частью насыпи во время первого теста. Измерения в каждой тестовой зоне проведены как в продольном направлении (см. фиг. 4), так и поперечно через насыпь (см. фиг. 5), при этом также проведены измерения в обратном направлении.
На фиг. 4-5 проиллюстрированы дисперсионные кривые, показывающие скорость (Vs) сдвиговой волны вдоль продольной оси насыпи (фиг. 4), а также Vs вдоль ширины (фиг. 5). Эти кривые вычислены с использованием вышеприведенного уравнения 1A из испытательных данных, при условии коэффициента (ʋ) Пуассона в 0,26 для материала для строительства насыпи. Диапазон комбинированных частот двух сейсмических источников, используемых в этих тестах, составляет от 10 Гц до 400 Гц. Глубина проникновения непосредственно зависит от характеристик исходной частоты и преимущественно от скорости (Vs) S-волн в среде насыпи. Например, если средняя скорость S-волн, сформированных в тестовой насыпи, составляет примерно 200 м/с, то компонент в 10 Гц соответствующей рэлеевской волны, сформированной на насыпи, должен проникать на глубину приблизительно от 7 до 10 м ниже уровня земли, и компонент в 400 Гц соответствующей рэлеевской волны должен проникать через насыпь на глубину приблизительно от 0,2 до 0,3 м ниже уровня земли.
Соответствующая рэлеевская волна обозначает рэлеевскую волну, которая при формировании на насыпи (например, посредством перемещения железнодорожного состава по колее) должна содержать компонент S-волны, эквивалентный S-волнам, вызываемым в насыпи при этих тестах посредством сейсмических источников (и записываемым посредством матричных сейсмоприемников), как описано выше. Для полноты, профили Vs вычислены с использованием тестовых данных в моделях, описанных в данном документе, до глубины на 15 м ниже уровня земли. Тем не менее, поскольку глубина тестовой насыпи только на 2,0 м ниже уровня земли, значения Vs, представленные на фиг. 4 и 5, представляют собой значения, вычисленные только для верхних 2 м.
Результаты
Результаты, полученные из второго теста, показывают уменьшенную скорость (Vs) сдвига около поверхности (приблизительно 0,4-0,5 м), по сравнению с результатами первого теста. Считается, что это обусловлено воздействием атмосферных условий, приводящих к умягчению относительной деформации по существу за двухмесячный интервал между двумя тестами, тогда как на практике этот материал в виде частиц должен покрываться приблизительно на 600 мм используемой конструкцией и не должен быть открытым для воздействия таким способом. Продольная жесткость (из фиг. 4) как для управления, так и для тестовых насыпей превышает поперечную жесткость (из фиг. 5) приблизительно на 25%. Считается, что это обусловлено меньшей ограниченностью тестовой насыпи по ширине по сравнению с длиной. Оба этих эффекта представляют собой артефакты испытания, и маловероятно, что они должны встречаться в железнодорожных колеях реального мира, сконструированных для практического применения, и в силу этого эти различия не считаются сильно релевантными.
Пример 1 (TX150) предоставляет приемлемое, хотя и меньшее, увеличение жесткости насыпи для обоих тестов.
Пример 2 (TX130S) имеет аналогичный эффект с примером 3 (TX170) наверху слоя.
Пример 3 (TX170) увеличивает продольную жесткость насыпи на значение между 20% и 60%.
Пример 4 (TX190L), который использует наиболее жесткую из используемых георешеток, демонстрирует наибольшее повышение продольной жесткости между 30% и 70%.
Пример 5 (TX150L), который является немного более толстой версией примера 1, также предоставляет приемлемое увеличение жесткости насыпи, формируя результаты, аналогичные результатам, приведенным в данном документе для примеров 1-4 в тестах, описанных в данном документе.
Требуемая сертификация для функции стабилизации представляет собой ETA 12/0530.
Таблица 3a. Связанные с рабочими характеристиками физические свойства продуктов
Характеристика продукта
Единица измерения
Пример (Продукт)
Объявленное значение
Допуск
Радиальная секущая жесткость (1) при относительной деформации в 0,5%
кН/м
1 (TX150)
360
-65
2 (TX130S)
275
-75
3(TX170)
480
-90
4(TX190L)
540
-90
5 (TX150L)
365
-90
Коэффициент радиальной секущей жесткости (1)
-
1 (TX150)
0,80
-0,15
2 (TX130S)
0,75
-0,15
3(TX170)
0,80
-0,15
4(TX190L)
0,75
-0,15
5(TX150L)
0,75
-0,15
Таблица 3b. Связанные с рабочими характеристиками физические свойства продуктов (продолжение)
Характеристика продукта
Единица измерения
Пример (Продукт)
Объявленное значение
Допуск
Эффективность соединения (2)
%
1 (TX150)
100
-10
2 (TX130S)
100
-10
3(TX170)
100
-10
4(TX190L)
100
-10
5(TX150L)
100
-10
Шестиугольный шаг (3)
мм
1 (TX150)
80
±4
2 (TX130S)
66
±4
3(TX170)
80
±4
4(TX190L)
120
±6
5(TX150L)
120
±6
Табл. 4. Свойства для идентификации продуктов
Характеристика продукта
Единица измерения
Пример (Продукт)
Объявленное значение
Допуск
Радиальная секущая жесткость (1) при относительной деформации в 2%
кН/м
1 (TX150)
250
-65
2 (TX130S)
205
-65
3 (TX170)
360
-65
4(TX190L)
400
-100
5 (TX150L)
290
-100
Шестиугольный шаг (3)
мм
1 (TX150)
80
±4
2 (TX130S)
66
±4
3(TX170)
80
±4
4(TX190L)
120
±6
4(TX150L)
120
±6
Вес продукта (4)
кг/м<sup>2</sup>
1 (TX150)
0.205
-0.035
2(TX130S)
0.180
-0.030
3(TX170)
0.270
-0.035
4(TX190L)
0.300
-0.035
5(TX150L)
0.240
-0.035
Примечания для таблиц 3a, 3b и 4 (примеры 1-5)
(1) Измерено в соответствии с техническим отчетом EOTA TR41 B.1.
(2) Измерено в соответствии с техническим отчетом EOTA TR41 B.2.
(3) Измерено в соответствии с техническим отчетом EOTA TR41 B.4.
(4) Измерено в соответствии с техническим отчетом EOTA TR41 B.3.
Заключение по долговечности (5,6 и 7) Минимальный срок службы георешетки в природных грунтах со значением pH между 4 и 9 предположительно должен составлять 100 лет при температурах грунта меньше 15°C и ожидаемо должен составлять 50 лет при температурах грунта меньше 25°C, при нанесении в качестве покрытия в течение 30 дней.
(5) Стойкость к воздействию атмосферных условий георешетки оценивается в соответствии с EN 12224. Остаточная прочность превышает 80%, обеспечивая максимальное время для подвергания воздействию после установки в 1 месяц.
(6) Стойкость к окислению определяется в соответствии с EN ISO 13438. Для предполагаемого срока службы в 50 лет, придерживаются принципа способа A2 EN ISO 12438, с таким отклонением, что температура подвергания воздействию составляет 120°C, и время подвергания воздействию составляет 28 дней. Правомерность для этого предоставляется в сертификате ETA 12/0530.
(7) Стойкость к кислотно-щелочным жидкостям определяется в соответствии с EN 14030.