ЗАЩИТНЫЙ ПОДБАЛЛАСТНЫЙ СЛОЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОЛОТНА, АРМИРОВАННЫЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПОЛИМЕРНОЙ ГЕОРЕШЕТКОЙ

Полезная модель относится к устройствам и конструкциям элементов железнодорожного полотна, а именно к устройствам защитного подбалластного слоя, усиленного пространственной (объемной) полимерной георешеткой, разделяющего балластную призму и земляное основание.
Наиболее распространенными геосинтетиками являются геотекстиль, плоские георешетки (геосетки), а также пространственные (объемные) георешетки. Объемные полимерные георешетки представляют собой комплект полиэтиленовых листовых полос с высокой разрывной прочностью, соединенных серией смещенных сварных швов на всю глубину ячейки. При заполнении ячеек георешетки различными зернистыми материалами (например, крупнозернистым песком или песчано-гравийной смесью) происходит изменение напряженно-деформационного состояния заполнителя за счет стенок ячейки, которые упруго ограничивают горизонтальное перемещение частиц. Придание конструкции равномерно-жесткого состояния позволяет значительно (на порядок и более) уменьшить остаточные деформации от прилагаемых нагрузок и более чем в 2 раза снизить нагрузку на основание. Геосинтетические материалы находят все большее применение в дорожном и железнодорожном строительстве. Их эффективность в конструкциях дорожных одежд и искусственных сооружений очевидна и подтверждена мировой и отечественной практикой. Создание прослоек из геосинтетических материалов позволяет: уменьшить расходы традиционных строительных материалов (песка, щебня и др.); значительно сократить объемы земляных работ; повысить устойчивость и надежность дорожной конструкции в целом; увеличить сроки службы дорожной конструкции или отдельных ее элементов.
Известно, например, устройство дорожной одежды, содержащее слой песка, размещенный над слоем, выполненным из георешетки ячеистой конструкции из соединенных между собой швами полимерных полос, ячейки которой заполнены песком, и слой синтетического нетканого материала [Геосинтетические и геопластиковые материалы в дорожном строительстве. - Автомобильные дороги: Обзорная информация/ Информавтодор; Вып.5. - М., 1998, стр.52-54]. Из патента на полезную модель RU 55791 известно устройство дорожной одежды, состоящее из верхнего слоя из зернистого материала и нижнего слоя, выполненного из георешетки ячеистой конструкции, из соединенных между собой швами полимерных полос высотой от 100 до 200 мм, ячейки которой заполнены зернистым материалом, верхний слой выполнен высотой от 60 до 150 мм.
Известные технические решения предназначены, в основном, для укрепления откосов, конусов мостов, армирования оснований автомобильных дорог, аэродромов, промышленных и строительных площадок, а также береговых линий, русел водоемов и т.п. Отметим, что ранее объемные георешетки на российских железных дорогах применялись только для укрепления откосов выемок и насыпей полотна.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении несущей способности железнодорожного полотна за счет создания армированного разделительного слоя между балластной призмой и земляным основанием, что позволяет уменьшить общие деформации внутри балласта, уменьшить прогибы на слабых основаниях и величины их стандартных отклонений, обеспечить максимальную защиту слабого земляного основания за счет снижения вертикальной нагрузки. Кроме того, уменьшается высота подбалластного слоя. С практической точки зрения данная конструкция позволит увеличить скоростные режимы и повысить транспортные нагрузки с одновременным увеличением тяжеловесности поездов, значительно увеличит увеличить межремонтный интервал и сократить расходы на содержание дорог, снизить аварийность и повысить безопасность движения.
Указанный технический результат достигается за счет конструкции разделительного слоя путем включения объемной георешетки в качестве армирующего элемента и оптимизации геометрических параметров слоя.
-4
Предлагается защитный подбалластный слой железнодорожного полотна, выполненный в виде уложенной на искусственное или естественное грунтовое основание конструкции, состоящей из слоя нетканого геотекстильного материала с коэффициентом фильтрации не менее 1*10 м/сек при давлении 200 кПа, на который уложена пространственная полимерная георешетка, заполненная различными уплотненными зернистыми материалами природного или техногенного происхождения. В качестве заполнителя может использоваться местный грунтовый материал, например, легкоуплотняемый крупнозернистый песок, щебень, а также песчано-гравийная смесь. Кроме того, в качестве заполнителя могут использоваться щебеночно-песчаные смеси из отвальных сталеплавильных шлаков.
Устройство защитного подбалластного слоя железнодорожного полотна осуществляется следующим образом.
2
На выровненный с использованием строительной техники верхний слой земляного основания укладывается нетканый геотекстильный материал с поверхностной плотностью 280 г/м на всю ширину железнодорожного пути (не менее 4,2 м). Поверх геотекстиля последовательно устанавливаются встык один к другому модули пространственной полимерной георешетки. Модули растягиваются в рабочее положение, при котором ширина ячеек в продольном и поперечном направлениях приблизительно одинаковая и фиксируются с помощью предварительно установленных крепежных анкеров, расположенных по обеим сторонам решетки. Соединение соседних модулей друг с другом осуществляется металлическими скобами с помощью степлера, или посредством полимерного шнура, пропущенного через специальные отверстия в стенках георешетки, или иным способом, обеспечивающим соединение моделей с прочностью на уровне не менее 30% от прочности на разрыв материала. Затем ячейки георешетки заполняются засыпным материалом. Высота слоя заполнителя в неуплотненном состоянии должна на не менее чем на 10 см превышать высоту георешетки. После этого заполнитель уплотняют путем укатки до требуемого значения степени плотности с помощью стандартного оборудования, например, вибрационных катков. Фактическая высота выравнивающего слоя в уплотненном состоянии должна составлять около 1 см. В качестве заполнителя может использоваться местный грунтовый материал, например, легкоуплотняемый крупнозернистый песок, щебень, песчано-гравийная смесь. Кроме того, в качестве заполнителя могут использоваться щебеночно-песчаные смеси из отвальных сталеплавильных шлаков и др.
Пример реализации полезной модели.
Была проведена опытная укладка этой георешетки для укрепления (армирования) подбалластного защитного слоя слабого земляного основания на двух объектах: Щербинское испытательное кольцо и на участке Няндома - Зеленый Северной железной дороги. Укладка производилась ручным способом. Использовалась георешетка высотой 15 см без перфорации с размером ячейки 20 см. Анализ результатов наблюдений за состоянием пути, проведенный специалистами ВНИИЖТ и центр диагностики, показал высокую эффективность ее использования. При этом следует обратить внимание на некоторые важные аспекты. Следует отметить, что используемая решетка не полностью адаптирована к условиям эксплуатации в конструкции подбалластного слоя полотна. В дальнейшем это было учтено при разработке сертификационных показателей на данную продукцию применительно к ее использованию в пути.
В настоящее время объемную георешетку выпускают многие зарубежные и отечественные производители, в том числе и компания «ИнфраТех», которая сертифицировала свою георешетку в «PC ФЖТ» на применение в конструкции защитного подбалластного слоя. Следует отметить, что не все производители выпускают продукцию с необходимыми эксплуатационными характеристиками. При этом георешетки отечественных производителей, изготовленные на современном оборудовании, не уступают импортным по качеству, а по отдельным показателям (прочности материала и сварного шва, а также морозостойкости и жесткости) - даже превосходят, а цены на отечественные материалы значительно ниже. Необходимо также отметить, что ручной способ укладки объемной георешетки имеет ряд недостатков, среди которых: высокая трудоемкость процесса укладки; необходимость снятия рельсошпальной решетки; организация глухих окон на ремонтируемом пути; частичное перекрытие соседнего пути; невозможность осуществлять ремонт на однопутных участках.
Для повышения эффективности проведения строительных и ремонтных работ в настоящее время разрабатывается путевой Комплекс для создания защитного подбалластного слоя, армированного объемной георешеткой.
Назначением Комплекса является проведение ремонта железнодорожного полотна, в том числе без снятия рельсошпальной решетки, во время которого в защитный подбалластный слой будет установлена объемная георешетка (при необходимости, совместно с геотекстилем), заполненная песчано-гравийной смесью. Засыпной материал параллельно будет увлажняться и уплотняться до заданных параметров.
Подготовка железнодорожного пути для проведения ремонтных работ с участием Комплекса и последующее формирование балластной призмы будет осуществляться традиционными способами с помощью существующих путевых машин. Комплекс состоит из четырех модулей: универсального тягового модуля; укладочной машины; машины для транспортировки объемной георешетки к месту проведения ремонтных работ; цистерны для транспортировки воды к месту проведения работ. Универсальный тяговый модуль, например, УТМ-2М осуществляет тяговое усилие для движения Комплекса, а также снабжает его электроэнергией и сжатым воздухом, необходимыми для маневрирования и работы устройств. Укладочная машина реконструирована из щебнеочистительной машины СЧ-601 путем удаления функционально ненужных узлов и установкой различных агрегатов, необходимых для: вырезки подшпального засыпного материала (баровая цепь); укладки в образовавшуюся выемку геотекстиля и объемной георешетки с одновременным растягиванием их на требуемую ширину; увлажнения засыпного материала; засыпки растянутых геоматериалов увлажненным засыпным материалом; уплотнения засыпанного материала (песчано-гравийной смеси). На укладочной машине размещается также запас геотекстиля для пополнения расходуемого во время работы. Проведенные многочисленные фундаментальные исследования, как на модельных системах, так и на реальных участках железных дорог, убедительно показывают высокую эффективность пространственных георешеток. Их применение обеспечивает: значительное увеличение несущей способности конструкции; повышение жесткости подбалластного слоя для обеспечения максимальной защиты слабого земляного основания. Например, даже при высокой (трехкратно превышающей обычную) вертикальной нагрузке давление на верхний слой земляного основания не превосходит безопасного (не более 0,8 кгс/см2) уровня; уменьшение поперечного перемещения балласта, вызываемое высокими динамическими нагрузками; уменьшение величин прогибов на слабых основаниях и значений их стандартных отклонений; снижение общих деформаций внутри балласта.