ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННАЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ ПЛИТА ДЛЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
PRESTRESSED REINFORCED CONCRETE SLAB FOR RAILWAY ROADS

Предлагаемое изобретение относится к строительству железных дорог, преимущественно к блочным конструкциям подрельсового основания.
В настоящее время железнодорожный транспорт как в России, так и во всем мире, в плане повышения надежности железнодорожных путей с шпальным основанием близок к пределу возможностей.
Надежность железнодорожного пути по фундаментальной работе В.С.Лысюк, В.Н.Сазонова и Л.В.Башкатовой - свойство пути сохранить в условленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнить требуемые функции (бесперебойный пропуск поездов с установленной скоростью) в заданных условиях эксплуатации (текущего содержания и ремонтов). При этом количественно надежность пути оценивается численными значениями показателей его безотказности, долговечности и ремонтопригодности.
В условиях возрастания объемов перевозок, скоростей движения поездов в последние десятилетия стремление к повышению надежности железнодорожных путей в отечественной и зарубежной практике осуществлялось по направлениям:
- повышения изгибной жесткости рельсов путем увеличения погонной массы рельсов;
- повышения жесткости рельсового основания путем увеличения густоты расположения шпал;
- повышения жесткости балласта путем увеличения толщины балластного слоя щебня под шпалами.
Однако в настоящее время укрепилось общее мнение, что дальнейшее увеличение погонной массы рельсов свыше 65 кг/м нецелесообразно. В течение 1950-2000 гг. масса рельса в России была повышена с 38,4 до 64,4 кг/м. Доля протяжения главного пути с рельсами Р65 и Р75 уже достигла 95%.
Тем не менее, о низкой эффективности дальнейшего повышения погонной массы рельсов типа Р65 и Р75 свидетельствует доля их отказов по контактно-усталостным дефектам, которая по сравнению с 1950 г. для рельсов с q=38,4 кг/м возросла для всех типов в 2000 г. до 45%, а для рельсов Р75 до 64%.
Густота укладки шпал в настоящее время уже повысилась до 1840-2000 шт./км железнодорожного пути, что существенно удорожает как строительство новых, так и ремонт старых путей. Толщина щебеночного балласта на отечественных дорогах уже достигает 1 м, а кое-где его превышает. Наблюдающееся во всем мире повышение скоростей и осевых нагрузок при железобетонных шпальных основаниях намного увеличило вибрацию пути и понизило сопротивление вибрации всех элементов пути, ухудшило условия работы балластной призмы и земляного полотна.
Верхнее строение пути является несущей конструкцией железнодорожного пути, воспринимающей нагрузки от колес подвижного состава и направляющей их движение.
Организация скоростного движения поездов и увеличение нагрузок на ось подвижного состава (в перспективе до 30 т/ось) вызывает значительный рост напряженно-деформированного состояния всех элементов железнодорожного пути. Возрастание грузонапряженности ведет к интенсивному накоплению остаточных деформаций пути, что осложняет обеспечение надежности пути.
Специалисты считают, что единственно эффективным путем повышения надежности и объемов наработки путей, обеспечения безопасности железнодорожного транспорта являются интенсивные методы, связанные с повышением указанных факторов за счет конструктивного совершенствования железных дорог без увеличения их материалоемкости.
Кроме того, при поиске лучших инженерных решений для развития железнодорожного транспорта необходимо учесть следующие пожелания эксплуатационников:
- создание пути равнопрочного по его протяжению;
- высокую изгибную прочность рельсов без увеличения массы погонного метра рельса;
- минимизацию неровностей на железнодорожном пути;
- ускорение строительства новых путей и упрощение замены при ремонте, снижение сроков простоя пути при ремонтах полотна.
Значительное внимание инженеров уже многие десятилетия привлекает возможность перехода от шпальных подрельсовых оснований к железобетонным из сборных плит, балок, рам или лежней. В отдельных странах есть определенный опыт применения сплошных железобетонных оснований.
В цитированных работах приводятся различные данные о многочисленных преимуществах сплошных железобетонных оснований как сборных, так и монолитных, однако десятилетия упорных исследований не позволили в мировой практике железнодорожного транспорта заменить шпальное основание железнодорожных путей. Практическое применение сплошных (блочных) железобетонных опор рельсов применяется только при прокладке отдельных путей на мостах и тоннелях, а также как основания трамвайных путей.
Не случайно современный СНиП 32-01-95 «Железные дороги колеи 1520 мм» в разделе 5 «Верхнее строение пути» не предусматривает применение железобетонных плит, рам или подобных опор.
Кроме того, авторы работы в качестве будущего железных дорог предполагают переход от прочного пути к надежному с учетом двух направлений стратегий:
1 - своевременную ликвидацию неровностей на колесах и рельсах, а также укладки виброзащитных железобетонных шпал с резиновыми прокладками;
2 - повышение безотказности и долговечности пути без увеличения его материалоемкости: изменение очертания верха головки рельсов по типу американских рельсов 132 RE, применение шарнирных стыковых накладок вместо клиновых, противораспорных костыльных подкладок, ликвидация избытка возвышения наружного рельса в кривых и укладка рельсовых стыков в разбежку, а не по наугольнику.
Ведущие специалисты железнодорожники практически не видят сегодня перспективы применению сборных блочных или монолитных железобетонных оснований, что связано с тем, что такие основания обычно связаны:
- с излишней жесткостью основания, оказывающей влияние на быстрый износ колесных пар;
- с незначительным влиянием на изгибную прочность рельсов;
- недостаточной равнопрочностью основания пути по протяжению, особенно при применении сборных железобетонных плит заводского изготовления, тем более применение монолитных железобетонных оснований для климатических условий России не реально;
- с большим расходом железобетона.
Это связано с определенными недостатками сплошных железобетонных опор (сборных или монолитных), устранению которых посвящено предлагаемое изобретение.
Из уровня техники известно укладываемое на балластный слой блочное рамно-лежневое подрельсовое основание из предварительно напряженного железобетона (см., например, патент США №3223328, кл. 238-25, 1965 г.). Каждый блок известного устройства для стыкования друг с другом имеет на одном торце выступ, а на другом - паз. Предварительное напряжение блоков осуществляется с помощью пучка высокопрочных струн, причем каждая струна продольной арматуры натягивается силой до 63,8 Н (6,5 кг), а весь пучок объединяется витками арматуры с шагом спирали 15 см.
Верхняя поверхность блока имеет уклон 1/40 внутрь колеи. Ширина блока по верху 37 см, по низу 61 см, высота 40 см, длина 12 м. Для соединения блоков друг с другом с помощью перемычек из предварительно напряженного железобетона на внутренней стороне блоков имеются металлические пластины, приваренные к арматуре. Пластины одновременно служат амортизаторами при передаче боковых ударов или вибрации, а за счет их толщины можно регулировать расстояние между блоками.
Известная конструкция блочного рамно-лежневого подрельсового основания обеспечивает более плавное и безопасное движение поездов, снижение затрат на текущее содержание и периодические ремонты пути, распределенную передачу подвижных нагрузок на основную площадку земляного полотна без больших перепадов, имеющих место при рельсошпальной решетке.
Однако из-за относительных перемещений отдельных элементов конструкции не сохраняются в течение длительного срока нормативные характеристики рельсовой колеи, в частности, ее ширина, подуклонка рельсов.
Также известна предварительно напряженная многопустотная железобетонная плита длиной 6,24 м и постоянной площадью поперечного сечения по всей длине плиты 250×30 см для изготовления сплошного подрельсового основания, включающая четыре цилиндрических отверстия диаметром 160 мм и три овальных отверстия высотой 160 мм и шириной 340 мм (см., например, книгу В.Г.Альбрехта и др. «Современные конструкции верхнего строения пути». - М.: Транспорт, 1975 г., с.165-1). Для стока воды плита имеет уклон в обе стороны от оси пути.
Вдоль боковых граней плит в верхней части предусмотрены выступы - «плечики» шириной 50 мм, которые позволяют подводить под них покрытия откосов балластной призмы впритык к боковым граням и, таким образом, предотвращают загрязнение балласта у края плиты и стекание воды по ее боковым граням. Плиты армированы в продольном направлении предварительно напряженной арматурой диаметром 5 мм и в поперечном направлении - стержнями периодического профиля диаметром 10 мм. Масса одной плиты - 8,5 т, длина плит - 4,16 и 6,25 м.
Такая плита имеет наибольшую площадь опоры подрельсового основания, благодаря чему существенно уменьшаются напряжения в балластном слое и земляном полотне и интенсивность накопления остаточных деформаций в них. Одновременно балластная призма в значительной мере защищена от засорения.
Однако эти плиты имеют небольшую трещиностойкость, кроме того, с ростом грузонапряженности пути происходит уширение колеи, которое трудно поддается исправлению.
Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является предварительно напряженная беспустотная железобетонная плита, представляющая собой улучшенный вариант предыдущей многопустотной предварительно напряженной железобетонной плиты и включающая напрягаемую стальную арматуру в виде прядей из высокопрочной предварительно напряженной проволоки диаметром 5 мм, уложенных в продольном и поперечном направлениях (см., например, книгу Ю.Д.Волошко и др. «Рельсовый путь с блочными железобетонными опорами». - М.: Транспорт, 1980, с.21-22). Плита имеет уклон внутри колеи в стороны торцов от поперечной оси. На концах торцов установлены уголки, направляющие воду в обе стороны от оси пути, не допуская ее попадания в зазоры между плитами.
Применение плитного основания с использованием известной беспустотной железобетонной плиты позволяет существенно повысить трещиностойкость подрельсового основания и, следовательно, надежность железнодорожного пути, а за счет уменьшения высоты плиты сокращен расход бетона и арматуры в сравнении с многопустотной преднапряженной плитой.
Однако слабым местом в подрельсовом основании, смонтированном из известных преднапряженных бетонных плит так же, как и из плит прототипа, являются стыки, где бетонное основание получает повышенные прогибы, а остаточные деформации пути накапливаются быстрее, чем на остальном протяжении.
Применение таких плит, опирающихся на монолитное бетонное основание, радикально повышает жесткость верхнего строения пути, что существенно увеличивает износ колесных пар. Вероятно, именно этим обстоятельством объясняется практическое отсутствие таких жестких оснований в железнодорожном пути, нашедших свое применение только при строительстве отдельных путей на мостах и в тоннелях. В случае если применяется щебеночное балластное основание, отсутствие сплошности между стыкуемыми плитами вызывает неравномерную осадку торцов соседних плит и, что наиболее важно, определенную просадку стальных рельсов в местах стыковки плит. Это в свою очередь снижает равнопрочность пути по его протяжению и вызывает появление неровностей пути.
Цель предлагаемого изобретения - повышение надежности железнодорожного пути, создание элементов сборного устройства верхнего строения пути в виде железобетонных плит, обеспечивающих повышение равнопрочности пути, увеличение изгибной прочности стальных рельсов со смонтированными на них плитами.
Решение технической задачи состоит в том, что преднапряженная железобетонная плита для строительства железных дорог, включающая напрягаемую стальную арматуру из высокопрочной предварительно напряженной проволоки, уложенную в продольном и поперечном направлениях, а также пустоты для крепежных элементов и уклоны для стока воды, дополнительно содержит в плоскости, расположенной в пределах от 60 до 80 мм от нижней поверхности плиты, горизонтальные сквозные каналы диаметром, выбранным в пределах от 20 до 40 мм, ориентированные вдоль рельсового пути параллельно друг другу на расстоянии от трех до семи минимальных толщин плиты, начиная от края плиты на расстоянии, взятом в пределах от одной до двух минимальных толщин плиты, при этом вход и выход сквозных каналов в торцах плиты выполнен с симметричным оси каналов углублением в бетон в виде цилиндрической полости глубиной и диаметром, равными половине минимальной толщины плиты, для введения в торец плиты амортизирующих упругих цилиндрических элементов.
Кроме того, плита снабжена в своей нижней части оребрением, ориентированным перпендикулярно нижней поверхности плиты и параллельно продольной напряженной арматуре, с высотой и шириной ребра, выбранными в пределах от 0,3 до 0,8 минимальной толщины плиты; причем верхняя часть плиты может быть выполнена с выемками для опирания рельсов и снабжена отверстиями для скрепления рельсов и слива воды. Часть разработанных плит снабжена прямоугольными крепежными пустотами для размещения концов стальных канатов и анкеров после их натяжения с последующим омоноличиванием бетоном. Такие пустоты открыты кверху, ориентированы вдоль длиной стороны и сообщаются с сквозными каналами, при этом ширина прямоугольных крепежных пустот соответствует минимальной толщине, а длина варьируется от полутора до трех минимальных толщин плиты, а соседние крепежные пустоты могут смещаться относительно друг друга вдоль пути на расстояние не меньшее расстоянию между соседними каналами. Сквозные каналы в плитах могут быть выполнены с ребристой футеровкой из металла или пластмассы. Предлагаемая преднапряженная железобетонная плита для обеспечения строительно-технических характеристик и обеспечения надежности и долговечности железнодорожного пути должна быть изготовлена из бетона марки не ниже В 35.
Предлагаемая преднапряженная железобетонная плита для строительства железных дорог изображена на фиг.1 - вид плиты с торца (а) и сверху (б) с сечением на фиг.1, аналогичным вертикальному сечению железобетонной шпалы, а на фиг.2 - простому прямоугольному сечению, на обоих фиг.: 1 - собственно плита; 2 - уклоны для стока воды; 3 - сквозные каналы для протягивания и крепления стальных канатов при сборке плит в звено железнодорожного пути; 4 - посадочное гнездо - углубление в торцах плит для крепления упругих элементов, надеваемых на стальные канаты при сборке разработанных плит в звено; 5 - оребрение железобетонных плит, ориентированное параллельно сквозным каналам; 6 - посадочные площадки для стальных рельсов пути с периодическими отверстиями 7 для скреплений рельсов к плитам и 8 - периодические отверстия по длине плит для слива воды.
На фиг.2 показано также сечение прямоугольных преднапряженных железобетонных плит с плоской верхней поверхностью: вариант А - с семью сквозными каналами; вариант Б - с пятью сквозными каналами; вариант В - с тремя сквозными каналами с размерностями, обозначенными на фиг.1 и 2 и защищаемыми в предлагаемом изобретении.
Предварительно напряженная железобетонная плита 1 для железных дорог может иметь разное сечение и длину, но по ширине должна соответствовать ширине железнодорожного полотна, применяемого в России и за рубежом, т.е. 2700 мм. Длина плит может составлять от двух до восьми метров для формирования рельсовых звеньев железнодорожных путей, характеризующихся общепринятой длиной 12,5 и 25 м, связанной с возможностями протяженности строительных платформ и подъемных механизмов. Минимальную толщину плит с учетом преднапряжения можно варьировать в пределах от 140 до 200 мм с учетом профиля сечения плит, особенностей армирования и предназначения по грузоподъемности пути.
При этом сквозные каналы, для размещения стягивающих плиты стальных канатов и максимальной несущей способности плит с напряженными стальными канатами, целесообразно размещать на расстоянии 60-80 мм от нижней поверхности плит и при этом применять каналы диаметром в пределах от 20 до 40 мм с учетом возможных размеров протягиваемых и напрягаемых при сборке плит стальных канатов с определенными стягивающими усилиями (в пределах от 5 до 30 тс на канат).
Вход в плиты и выход из них выполнен с цилиндрическими углублениями в бетоне (посадочными гнездами) для цилиндрических упругих элементов, что обеспечивает эффективную работу разработанных плит в новом верхнем строении пути. Предлагаемое изобретение предусматривает, в частности, возможность изготовления преднапряженных плит с выемками 6 для опирания стальных рельсов и отверстиями 7 для скрепления рельсов с плитой, содержит уклоны 2 и по длине плит периодические отверстия 8 для стока воды.
Горизонтальные сквозные каналы 3 диаметром от 20 до 40 мм размещены (фиг.2) в плоскости, расположенной на расстоянии 60-80 мм от нижней поверхности плиты, и ориентированны вдоль рельсового пути параллельно друг другу на расстоянии от трех до семи минимальных толщин плиты, на расстоянии от края плиты, составляющем одну-две минимальные толщины плиты. Для повышения сцепления арматуры с бетоном плит после натяжения арматуры сквозные каналы могут быть выполнены с ребристой футеровкой из металла или пластмассы, закладываемыми при изготовлении плит.
Вход и выход каналов выполнен в торцах плит с симметричными оси каналов посадочными гнездами для цилиндрических упругих элементов, располагаемых между плитами в виде цилиндрической полости глубиной и диаметром, равными половине минимальной толщины плиты. В нижней части плит для предотвращения поперечных деформаций пути может быть изготовлено оребрение 5, ориентированное перпендикулярно нижней поверхности плиты и параллельно продольной напряженной арматуре, с высотой и шириной ребра, составляющими от 0,3 до 0, 8 минимальной толщины плиты.
Для монтажа разработанных преднапряженных железобетонных плит часть плит должна изготавливаться с технологическими полостями для протягивания через них и напряжения стальных канатов. Предлагаемое техническое решение предусматривает изготовление в части плит прямоугольных крепежных пустот, открытых кверху, ориентированных по длинной стороне вдоль и сообщающихся в основании с сквозными каналами для стальных канатов (фиг.3).
Ширина таких крепежных пустот соответствует минимальной толщине плиты, а длина выбирается в пределах от полутора до трех минимальных толщин преднапряженной плиты, при этом соседние крепежные пустоты могут смещаться относительно друг друга вдоль пути на расстояние, не меньшее такового между соседними каналами. На фиг.4 показан стык двух звеньев рельсового пути с крайними в звеньях плитами, в которых размещены крепежные пустоты. Указанные пустоты омоноличиваются бетоном вместе с анкерами, размещенными в описанных крепежных пустотах после натяжения стальных канатов и закрепления их концов.
За пределами заявленных параметров изготовления предварительно напряженной бетонной плиты согласно предлагаемому техническому решению поставленная цель не достигается.
При сборке рельсовых звеньев или монтаже новых верхних строений железнодорожного пути с использованием заявляемой предварительно напряженной железобетонной плиты последние раскладывают таким образом, чтобы сквозные каналы 3 в плитах (фиг.1-3), соединяемых в звено или длинномерный пакет, располагались соосно (фиг.4). Затем через сквозные каналы пропускают стальные канаты 9, на которые одевают цилиндрические упругие элементы 10, закрепляя их в углублениях в виде цилиндрической полости - посадочное гнездо 4 - в торцах плит. Концы стальных канатов 9 после натяжения закрепляют анкерами в прямоугольных крепежных полостях 11 каждой пары крайних плит звеньев. Натяжение арматуры производят с помощью домкратов, после чего начало и конец каждого каната заанкеривают.
После натяжения арматурные канаты омоноличивают быстротвердеющим цементно-песчаным раствором и на смонтированное из предлагаемых преднапряженных бетонных плит подрельсовое основание укладывают и закрепляют рельсы.
Предлагаемая преднапряженная железобетонная плита для железных дорог позволяет повысить изгибную прочность и равнопрочность пути без повышения его жесткости благодаря стягиванию бетонных плит, не прогибающихся на натянутых стальных канатах, но способных к вибрации для эффективного гашения периодических нагрузок. Новое техническое решение позволяет оперативно монтировать длинномерные конструкции из разработанных плит, которые обеспечивают устойчивость земляного полотна, невзирая на вспучивание или осадку части полотна, возникающих при традиционной рельсошпальной решетке пути.
Производство пренапряженных железобетонных плит по предлагаемому изобретению не представляет проблем и может быть организовано на существующих заводах сборных железобетонных изделий и технологических линиях по безопалубочной формовке преднапряженных железобетонных плит типа Спанкрит.
Заявляемое техническое решение позволяет строить гибкое, хорошо ориентированное горизонтально, без возможности просадки в стыках соседних плит, верхнее строение пути с повышенной изгибной прочностью рельсов и обеспеченной равнопрочностью пути. Значительная площадь опирания длинномерного пакета плит на балласт или земляное полотно позволяет существенно более эффективно (по сравнению со шпальным основанием) передавать нагрузки от движущегося состава на грунт, с минимизацией угона, поперечных сдвигов и других негативных явлений.
Новое решение, тем более при применении бесстыковых рельсовых путей, позволит повысить скорости движения поездов, снизить основное удельное сопротивление пути движению поездов и благодаря этому экономить топливо и электроэнергию на тягу. Одновременно существенно сокращаются сроки монтажа железнодорожных путей за счет быстрой сборки звеньев плит на балластных основаниях.
Особенно эффективным является применение таких звеньев для слабых грунтов, условий вечной мерзлоты. Экономичность предлагаемых преднапряженных железобетонных плит связана с быстротой строительства и ремонта пути, возможностью изготовления балластной призмы небольшой толщины, практически отсутствием ее засорения, повышением надежности и долговечности пути.