ОСНОВАНИЕ БЕЗБАЛЛАСТНОГО РЕЛЬСОВОГО ПУТИ

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к верхнему строению железнодорожного пути.
Известно основание рельсового пути, состоящее из установленного на земляном полотне нижнего конструктивного слоя, на котором расположен верхний конструктивный слой, при этом нижний конструктивный слой выполнен в виде железобетонного лотка, а верхний конструктивный слой состоит из первого слоя щебеночного балласта, на который уложена диафрагма из армодренажного материала, на которой расположен второй слой балласта (см. патент РФ №2127786 «Верхнее строение пути и способ его сооружения», опубликованный 1999.03.20). Толщина первого слоя балласта, меньше толщины второго слоя балласта, на который впоследствии укладывается рельсошпальная решетка. В нижней части боковых стенок лотка выполнены дренажные отверстия.
Основной проблемой содержания балласта является его загрязнение. В процессе эксплуатации под воздействием поездной нагрузки происходит разрушение крупных фракций щебня балластных слоев и заполнение пустот между фракциями щебня более мелкими частицами (падающие с вагонов частицы перевозимы сыпучих грузов, продукты износа железобетонных шпал, продукты дробления и истирания балласта), что ухудшает дренажные и упругие свойства балластных слоев. Легкоподвижные и мелкосыпучие частицы просыпаются между щебнем и во втором балластном слое концентрируются на поверхности диафрагмы из армодренажного материала, ухудшая его дренажные свойства, а в первом балластном слое - на дне лотка, забивая дренажные отверстия, что способствует заиливанию обоих балластных слоев и приводит к необходимости внеочередной очистки щебня.
Балластные слои с ухудшенными упругими свойствами хуже распределяют действующую нагрузку, что приводит к увеличению напряжения в донной части лотка и в земляном полотне, а следствием этого является необходимость проведения ремонтных работ.
Данная конструкция имеет достаточно сложную технологию монтажа:
основание пути в собранном виде вместе с рельсошпальной решеткой, содержащей инвентарные рельсы, отправляют к месту укладки, после которой инвентарные рельсы заменяют на стандартные и производят выправку пути. Такой способ монтажа требует больших транспортных расходов.
Известно основание безбалластного рельсового пути, описанное в патенте РФ №2314382 «Способ производства конструкции рельсового пути» с приоритетом от 2004.06.03, опубликованном 2008.01.10 и выбранном в качестве прототипа.
Данное основание безбалластного рельсового пути состоит из нижнего конструктивного слоя, расположенного на земляном полотне и выполненного в виде бетонной плиты, на которую между ее вертикальными бортами уложен верхний конструктивный слой, выполненный в виде железобетонного лотка, состоящего из отдельных сегментов, каждый из которых снабжен краевой установочной выемкой или, соответственно, прорезью с центрирующим вкладышем, при этом ширина лотка равна расстоянию между вертикальными бортами бетонной плиты. Для лучшей фиксации стыкового шва между сегментами используется вкладыш с поперечным сечением в форме креста. Статические и динамические нагрузки на верхние слои земляного полотна пути снижены благодаря тому, что элементы основания (бетонная плита и железобетонный лоток) распределяют силовые воздействия на значительную площадь. Заданная геометрия пути обеспечивается тем, что расстояние между стенками лотка соответствует длине шпал и при установке рельсов происходит их автоматическое центрирование.
Данная известная конструкция основания пути, требующая высокой точности при укладке сегментов лотка и их центрировании, весьма чувствительна к погрешностям, допущенным при изготовлении, как бетонной плиты, так и сегментов лотка, и поэтому необходим строгий контроль как на стадии изготовления сегментов лотка, так и на стадии производства строительных и монтажных работ.
Ранее господствовало убеждение, что геометрия пути является основным показателем состояния пути. Однако в последнее время распространяется мнение, что в большей степени состояние пути определяют его прочностные характеристики (см. статью «Выставки путевой техники в Далласе и Мюнстере», журнал «Железные дороги мира», 2003 г., №11).
Пенобетон, из которого выполнены бетонная плита и сегменты лотка, имеет хорошую механическую прочность и высокие показатели тепло- и звукоизоляции. Однако на прочность пенобетона влияют содержание влажности (влажное выдерживание), физические и химические характеристики компонентов смеси и их пропорции, то есть состав смеси, тип цемента, песка и другие наполнители должны быть постоянными, так как любое изменение может весьма заметно изменить прочность пенобетона. Отсюда видно, что соблюдение таких жестких требований для получения пенобетона заданной прочности возможно только в заводских условиях, то есть при изготовлении сегментов лотка. Прочностные же свойства бетонной плиты, которая заливается из замешанного на месте пенобетона, могут значительно отличаться от расчетных показателей, что может привести к преждевременному разрушению как бетонной плиты, так и железобетонного лотка, установленного на ней. Так как предел прочности пенобетона на растяжение составляет 0,25 от предела прочности при сжатии, то под действием циклических и динамических нагрузок, возникающих при прохождении подвижного состава, произойдет разрушение (нарушение целостности) монолитных бетонных конструкций и плиты и лотка, армированного сталью, которая также будет разрушаться под действием коррозии. Возникающие разрушения конструктивных элементов основания приводят к его неравномерной деформации, которая является причиной возникновения крайне нежелательных дополнительных напряжений рельсовых плетей.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание прочного, конструктивно и технологически простого основания безбалластного рельсового пути.
Решением данной задачи является заявляемое основание безбалластного рельсового пути, состоящее из нижнего конструктивного слоя, расположенного на земляном полотне, и выполненного в виде плиты, на которую уложен верхний конструктивный слой, новым в котором является то, что плита нижнего конструктивного слоя выполнена на основе ячеистого каркаса с пространственными ячейками, заполненными грунтом, верхний конструктивный слой выполнен в виде плиты на основе ячеистого каркаса с пространственными ячейками, заполненными бетоном.
Плита верхнего конструктивного слоя в целом может иметь модуль упругости от 1500 мега паскалей до 21000 мега паскалей. Ячеистые каркасы могут быть выполнены из полимерных элементов, соединенных между собой, внутренние стенки ячеистого каркаса верхнего конструктивного слоя могут иметь перфорацию.
Используемый в нижнем и верхнем конструктивных слоях ячеистый каркас с пространственными ячейками, представляющий собой сотовую конструкцию, выполнен из полимерных элементов, соединенных между собой, является компактным элементом, в котором стенки ячеек и места соединений элементов являются ребрами жесткости, увеличивающими прочность конструктивных слоев за счет объемного армирования, степень их устойчивости в горизонтальном и вертикальном направлениях и сопротивляемость изгибу. В качестве полимерного материала для изготовления каркасов используют, например, полиэтилен, имеющий хорошие прочностные и упругие свойства. Глубина ячеек каркаса определяет толщину конструктивного слоя. Оптимальная толщина стенок каркасов (в зависимости от класса пути) равна 5-10 мм.
Используемый для заполнения ячеек каркаса нижнего конструктивного слоя грунт - это любая горная порода или почва. По своему механическому составу грунты подразделяются на несвязные (галька, щебень, гравий, дресва, песок, пыль) и связные (супесь, суглинок, глина) и при использовании в строительстве могут быть укреплены неорганическими и/или органическими вяжущими материалами.
В каждой ячейке каркаса заполнитель (грунт или бетон) находится в контакте с ее стенками и со смежными, расположенными снизу и/или сверху, слоями. Так заполнитель (грунт) нижнего конструктивного слоя находится в контакте с земляным полотном и с заполнителем (бетоном) верхнего конструктивного слоя с образованием промежуточного связующего слоя грунтобетона, обладающего высокими прочностными и деформационными характеристиками. При этом заполнитель (грунт) в ячейке находится в условиях всестороннего сжатия, что обеспечивает всему нижнему конструктивному слою необходимую прочность и упругость. При наличии перфорации во внутренних стенках каркаса верхнего конструктивного слоя образуется дополнительная связь между заполнителем (бетоном) соседних ячеек. Каркасы, ячейки которых заполнены заполнителем (грунтом, бетоном), представляют собой плиты, которые при эксплуатации в условиях повышенных статических, циклических и динамических нагрузок распределяют действующие нагрузки на значительную площадь, за пределы зоны их воздействия, в результате чего снижается величина вертикального напряжения на плиту нижнего конструктивного слоя и на земляное полотно, что обеспечивает их высокую несущую способность.
Так как излишне жесткая конструкция основания может быть повреждена при интенсивных циклических и динамических нагрузках от подвижного состава, при испытаниях заявляемого основания безбалластного рельсового пути было установлено, что для повышения упругости основания желательно, чтобы верхний конструктивный слой в целом (в зависимости от класса пути) имел модуль упругости от 1500 мега паскалей до 1000 мега паскалей. Упругость конструктивного слоя обеспечивается конструкцией каркаса и, связанного с ним, бетона, упругие и прочностные свойства которого являются определяющими и могут быть оптимизированы комплексной полимерной добавкой полифункционального действия (комплексный модификатор бетона). Конструктивный слой с модулем упругости менее 1500 мега паскалей не обладает достаточной жесткостью, что может привести к его смятию, а конструктивный слой с модулем упругости более 21000 мега паскалей не повышает упругость основания.
Ширина готового основания больше длины укладываемой на него шпалы на 1/3-1/4 часть.
Для изготовления заявляемого конструктивно простого основания безбалластного рельсового пути с использованием ячеистых каркасов не требуется какого-либо специального оборудования и сложной технологии.
Авторам известно использование ячеистого каркаса из полимерных элементов для объемного усиления (армирования) грунтов (при строительстве автомобильных и железных дорог, аэродромов), для защиты их от эрозии, в частности, для защиты от эрозии откосов насыпей и выемок дорог (СТО 218.3.005/2-2007 «Решетка геотекстильная каркасная марки «Геомат»).
Авторам не известно использование плит на основе ячеистого каркаса в качестве основных несущих конструктивных элементов основания рельсового пути. Предлагаемое техническое решение преодолевает стереотипность мышления специалистов в данной области и выводит использование строительных элементов на основе ячеистого каркаса на новую ступень развития, обеспечивая новые возможности в области строительства оснований рельсовых путей, что позволяет говорить о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где схематично изображено: на фиг.1 - ячеистый каркас; на фиг.2 - основание безбалластного рельсового пути в сборе.
Основание безбалластного рельсового пути состоит из нижнего конструктивного слоя 1, расположенного на земляном полотне 2, и выполненного в виде плиты, на которую уложен верхний конструктивный слой 3. Плита нижнего слоя 1 выполнена на основе ячеистого каркаса 4 с пространственными ячейками, заполненными грунтом 5. Верхний конструктивный слой 3 выполнен в виде плиты на основе ячеистого каркаса 6 с пространственными ячейками, заполненными бетоном 7. Ячеистые каркасы 4 и 6 могут быть выполнены из полимерных элементов, например, в виде пластин, соединенных между собой. В качестве полимерного материала используют, например, полиэтилен. Внутренние стенки ячеистого каркаса 6 верхнего слоя 3 могут иметь перфорацию (на чертеже не показано).
2
2
1
2
Площадь ячеек каркасов 4 и 6 выбирается исходя из условий эксплуатации, а именно: так как плита слоя 3 воспринимает максимальные нагрузи со стороны подвижного состава, то ее прочностные свойства, которые зависят от площади ячейки каркаса 6, также должны быть максимальными, то есть площадь ячейки каркаса 6 должна быть минимальной, а площадь ячейки каркаса 4 слоя 1, воспринимающего распределенную нагрузку, может быть увеличена, как показали испытания, не более чем в 4 раза относительно площади ячейки каркаса 6. Наиболее оптимальной для верхнего конструктивного слоя 3 является ячейка площадью 16-25 см, а для нижнего конструктивного слоя 1 - 49-100 см. Глубина ячеек каркасов 4 и 6 определяет толщину конструктивных слоев 1 и 3 соответственно. В результате проведенных испытаний было установлено, что для создания прочного основания безбалластного рельсового пути толщина Н основания должна быть равна (в зависимости от класса пути) от 150 до 300 мм, при этом оптимальная толщина h верхнего конструктивного слоя 3 равна 100 мм, а толщина h нижнего конструктивного слоя 1 - остальное от толщины основания Н.
Плита верхнего слоя 3 в целом может иметь модуль упругости от 1500 мега паскалей до 21000 мега паскалей для чего используется комплексная полимерная добавка полифункционального действия (комплексный модификатор бетона), количество которой (5-50% от массы неорганического вяжущего материала - цемента) выбирается в зависимости от вида и свойств используемого инертного материала (земля и/или песок и/или гравий и/или щебень и/или керамзит и/или асфальтовая крошка и/или бой кирпича и/или отходы ферросплавного производства). Метод выбора конкретных соотношений компонентов наполнителя является авторским и основан на личных знаниях и опыте работы авторов. Полимерная добавка одновременно с увеличением упругости наполнителя, увеличивает и его прочность (предел прочности к механическому разрушению 2,5 - 20 мега паскалей), в частности за счет повышения водонепроницаемости и стойкости к образованию трещин, уменьшения усадочных деформаций. Полимерная добавка полифункционального действия выбирается из числа известных добавок, например, комплексный модификатор бетона по патенту РФ №2288197, или добавка «Ренолит», выполненная на основе латекса, выполняющего роль вяжущего материала в дополнение к неорганическому вяжущему материалу (цементу). Использование добавки на основе латекса позволяет для достижения заданных упругих свойств наполнителя уменьшить долю полимерной добавки. Так при использовании в качестве инертного материала песка, доля полимерной добавки составляет 5-8%, а для жестких инертных материалов (щебень) - 10-40%.
Заявляемое основание безбалластного рельсового пути сооружают следующим образом:
- выравнивают и утрамбовывают земляное полотно 2;
- на земляное полотно 2 укладывают ячеистый каркас 4;
- заполняют ячейки каркаса 4 грунтом 5 и уплотняют его, например, вибрацией;
- на сформированную плиту, являющуюся конструктивным слоем 1, укладывают ячеистый каркас 6;
- заполняют ячейки каркаса 6 бетоном 7, подготовленным на месте из имеющегося в достаточном количестве инертного материала (земля и/или песок и/или гравий и/или щебень и/или керамзит и/или асфальтовая крошка и/или бой кирпича и/или отходы ферросплавного производства), цемента, полимерной добавки и воды;
- уплотняют бетон 7.
Таким образом последовательно формируют единую конструкцию основания безбалластного рельсового пути, которое после высыхания бетона 7 конструктивного слоя 3, считается готовым для укладки рельсошпальной решетки (на чертеже не показано).
Все строительный работы проводятся на месте с использованием простой технологии с помощью обычной строительно-дорожной техники.
При эксплуатации в условиях повышенных статических, циклических и динамических нагрузок со стороны подвижного состава, плита верхнего слоя 3 принимает на себя эти нагрузки и распределяет их на значительную площадь, за пределы зоны их воздействия, в результате чего снижается величина вертикального напряжения на плиту нижнего конструктивного слоя 1 и на земляное полотно 2, что обеспечивает их высокую несущую способность и снижает вероятность разрушения. Под действием нагрузки высокая собственная жесткость каркасов 4 и 6 обеспечивает минимальную деформацию упругих заполнителей (грунта и бетона). Благодаря упругим свойствам заполнителей снижается уровень разрушительных упругих колебаний в основании, что увеличивает срок его службы.
Заявляемое основание безбалластного рельсового пути на основе ячеистых каркасов конструктивно и технологически просто, имеет малую себестоимость и обладает необходимыми показателями прочности и упругости, позволяющими использование заявляемого основания без защитного покрытия в условиях повышенных статических, циклических и динамических нагрузок.