Загальні положення. Як інтегральний показник несучої здатності підрейкової основи на всіх залізницях світу використовують розподілену по протязі рейкової нитки його твердість

Як інтегральний показник несучої здатності підрейкової основи на всіх залізницях світу використовують розподілену по протязі рейкової нитки його твердість, названий модулем пружності підрейкової основи U. Цей показник інтегрально характеризує густоту укладання і твердість шпал, товщину і щільність баластового шару, а також деформативність (піддатливість) земляної полотнини. Протягом усього періоду існування залізниць в усьому світі прагнули збільшити несучу здатність підрейкової основи за рахунок більш густого укладання і збільшення твердості шпал, збільшення товщини і щільності, а виходить, і твердості баластового шару і зниження піддатливості (збільшення твердості) земляної полотнини шляхом його осушення й ущільнення. Цей процес відбувався на усіх залізницях світу і не тільки залізним, але й автомобільним і аеродромним покриттям, де для збільшення твердості доріг застосовують навіть бетонне покриття. Відомо, що чим вище твердість підрейкової основи, тим більше його міцність. По цьому показнику за останні 50 років на залізницях міцність (твердість) колії збільшена приблизно в три рази внаслідок підвищення погонної маси лежачих у колії рейок (збільшення їх згибної твердості EJ), збільшення густоти розташування і твердості залізобетонних шпал у порівнянні з дерев'яними, а також унаслідок збільшення товщини і щільності щебеневого баласту під шпалами.

Якби колія і колеса були без нерівностей, то збільшення твердості колії було б корисним аж до нескінченності в зв'язку зі зменшенням витрат на тягу поїздів через зниження опору руху і, саме головне, у зв'язку зі зменшенням згибних напруг у рейках і зниженням розладів (залишкових деформацій) підрейкової основи через зниження динамічного (вібраційного) впливу коліс. Однак, унаслідок наявності повзунів, вищербив, наварів і інших нерівностей на колесах, а також рейкових стиків, сідловин, боксовин, хвилеподібного зносу й інших нерівностей на рейках динамічне (вібраційне) вплив на тверду колію зростає. Тому підвищення міцності колії внаслідок збільшення її твердості не адекватно збільшенню її надійності. Навіть на самій міцній колії показники безвідмовності і довговічності можуть бути низькими, якщо не буде забезпечена оптимізація трьох основних технічних параметрів: 1) нерівностей на колії і колесах; 2) твердості системи колія-екіпаж і 3) швидкості руху вантажних поїздів. Одночасне існування підвищених значень усіх трьох зазначених параметрів приводить до інтенсивного нагромадження розладів і ушкодженню не тільки колії, але і рухомого складу. Це антагоністичні параметри. Тому колійникам досягти зниження експлуатаційних витрат на дорогах можна такими способами:

перший спосіб - це зменшення кількості і розмірів нерівностей на колії. Найважливіший напрямок реалізації цього спосіб-розширення сфер застосування безстикової колії, у тому числі без зрівнювальних рейок із ввариванием стрілочних переводів. Найбільше поширення цей спосіб одержав на залізницях Німеччини, де більш 90 % протягу складає безстикова колія із залізобетонними шпалами.

Також важливим напрямком реалізації зазначеного способу є підвищення прямолінійності нових рейок, у тому числі шліфуванням у колії після укладання, а також ліквідацією виникаючих нерівностей на поверхні катання в процесі експлуатації періодичним шліфуванням;

другий спосіб — це використання віброзахисних залізобетонних шпал (ТУ затверджені ЦП МШС 22.01.88 р.) у місцях наявності детермінованих нерівностей колії (боксовиниы, болтові і зварені стики із сідловинами і т.п.), розробка нових технічних і технологічних рішень по створенню нової більш надійної конструкції колії і по удосконалюванню існуючих конструкцій;

третій спосіб — це зниження інтенсивності нагромадження ушкоджень і відмов колії внаслідок обмеження швидкості руху, що допускається, вантажних поїздів, що перевозять масові не швидкопсувні вантажі (руду, вугілля, будматеріали і т.п.).

Цей спосіб ефективно реалізується на залізницях США, Австралії, Канади, Швеції й інших країн. Так, наприклад, на залізницях США вже більш 20 років на полігоні мережі протягом більш 65 % розгорнутої довжини швидкість, що допускається, для таких поїздів обмежена до 64 км/год, а на ряді рудо- і вуглевозних доріг — до 40 км/ч. Така технічна політика малих швидкостей руху вантажних поїздів на залізницях США визнана дуже ефективної. По такому ж шляху йдуть інші дороги, так, наприклад, зараз шведська гірничорудна компанія LKAB інвестує виготовлення вантажних вагонів для осьових навантажень 30 т/вісь з обмеженням швидкості руху, що допускається, до 60 км/ч.

Для колійників таке зниження швидкості руху вантажних поїздів надзвичайно вигідно. Справа в тім, що основні види зносу, залишкових деформацій і втомлестних ушкоджень колії в цілому і її елементах відбуваються в основному від впливу коліс вантажних поїздів. Усі зазначені види ушкоджень колії різко (нелінійно) зростають зі збільшенням швидкості. Тому зниження їхньої швидкості, що допускається, з 80 км/год до 40 км/год (у два рази) приводить до зниження інтенсивності ушкоджень колії як мінімум у чотири рази. Зниження швидкості вантажних поїздів, що допускається, на ділянках змішаного руху вантажних і пасажирських поїздів дозволяє забезпечувати рух пасажирських поїздів з підвищеними швидкостями, тому що легше утримати колію у відмінному стані через меншу інтенсивність нагромадження її ушкоджень від впливу коліс вантажних поїздів.

Зі сказаного випливає, що найважливішою умовою розробки методики створення нової нормативної бази для підрейкової основи за умовою забезпечення надійності колії в цілому є комплексне формування методики створення такої бази і для рейок, особливо в частині нормування нерівностей поверхні катання.

Фізична сутність процесу нагромадження залишкових деформацій основної площадки експлуатованої земляної полотнини

Залишкові деформації основної площадки, що накопичуються в процесі, експлуатації земляної полотнини через обдимання узимку й опади (ущільнення) ґрунту влітку є основним показником, що впливає на надійність колії в цілому. Зазначені деформації — це наслідок дії багатьох факторів, у тому числі несправностей (хвороб) земляної полотнини, усунення яких вимагає істотних трудових і матеріальних витрат. Природно, що залишкові деформації основної площадки земляної полотнини в процесі експлуатації в основному визначаються величиною і кількістю впливу поїзних напружень на основній площадці, а також опірністю нагромадженню залишкових деформацій, обумовленої поїздом і станом ґрунтів верхньої (діяльної) частини земляної полотнини. Природно також, що поїзд і стан (щільність, вологість) ґрунтів земляної полотнини по її протязі сильно змінюється. Не слід забувати, що стан ґрунтів сильно змінюється і в часі (узимку, навесні, влітку і восени). Тому практично має сенс розглядати земляну полотнину зі слабких і широко розповсюджених ґрунтів (суглинків).

В даний час немає загальної теорії, що досить повно пояснює фізичну сутність процесу нагромадження деформацій основної площадки земляної полотнини з урахуванням усього різноманіття факторів, що впливають на цей процес. Мається ряд гіпотез і теорій, що дозволяють пояснити вплив окремих факторів на нагромадження деформацій при інших незмінних чи мало змінюющіхся умовах. Більшість з них відноситься до однократного додатка навантаження. На думку ряду фахівців, характер процесів, що відбуваються в ґрунтах при багаторазовому прикладенні постійного по величині навантаження при інших незмінних умовах, досить повно порозумівається теорією Г. И. Покровського, відповідно до якого повторні навантаження викликають безупинні переміщення часток. Після деякого числа повторень навантаження частки ґрунту приймають найбільш стійке взаємне розташування. При постійному навантаженні скінчена величина деформації відповідно до цієї теорії залежить від початкової щільності. Дані теорії добре підтверджуються експериментами при багаторазовому навантаженні ґрунту в замкнутому обсязі. У реальних умовах вони застосовні лише при відсутності сезонного промерзання й пучіння ґрунту з разупрочнением його при відтаванні.

На більшості ділянок мережі спостерігається сезонне промерзання ґрунту верхньої частини земляної полотнини і його пучіння (у тому числі і рівномірне). Усі сучасні гіпотези, що пояснюють процес пучіння, свідчать про істотне збільшення змісту води в шарі, що пучить, і про розщільнення ґрунту унаслідок збільшення його обсягу через утворення і поступове збільшення лінз і прошарків льоду. У процесі їхнього танення і видалення надлишкової вологи пучиністий шар ґрунту осідає за рахунок ущільнення під дією поїзного навантаження і власної ваги верхньої будови колії. Процес ущільнення може тривати до наступного промерзання.

У цей період фізичну сутність процесу можна з деяким наближенням пояснити на основі теорії Г. И. Покровського. При наступних промерзаннях і відтаванні процес повторюється. Якби річний цикл вертикальних переміщень основної площадки був замкнутий, то при стабілізованій експлуатованій земляній полотнині річні деформації її дорівнювали б нулю і при незмінному поїзному навантаженні не відбувалося би нагромадження їх по роках.

Експерименти в натурних умовах показали, що на стабілізованій експлуатованій земляній полотнині деформації основної площадки щорічно накопичуються навіть після пропуску за період спостережень більш 750 млн т брутто вантажу. Нагромадження деформацій істотно залежить від величини поїзних напружень, що діють на основну площадку, і кількості впливів цих напружень.

У підрейкових зонах нагромадження річних вертикальних деформацій основної площадки на стабілізованій експлуатованій земляній полотнині може бути пояснене тим, що в період річного циклу, крім вертикальних переміщень часток ґрунту основної площадки, описуваних теоріями ущільнення і переупаковки часток і гіпотезами про обдимання, також відбувається горизонтальне залишкове переміщення часток ґрунту з підрейкових зон убік кінців шпал і осі колії, тобто в зони з меншим тиском на основну площадку. Таке переміщення можна пояснити двома причинами.

1. Обдимання ґрунту верхньої частини земляної полотнини внаслідок наявності вільних бічних поверхонь (укоси чи насипу кюветів) є об'ємним, тобто ґрунт при обдиманні збільшується в обсязі не тільки у вертикальному, але і до деякої міри в горизонтальному напрямку. У пучиністім шарі при відтаванні лінз і прошарків льоду ґрунт зменшується в обсязі внаслідок його ущільнення у вертикальному напрямку поїзним навантаженням і власною вагою верхньої будови колії. При цьому частки ґрунту, що перемістилися при пучінні в горизонтальному напрямку, не повертаються у вихідне положення, тому що при відтаванні ніякого горизонтального навантаження, що ущільнює, на них не діє. Отже, при наявності хоча б незначного горизонтального переміщення ґрунта основної площадки з'ясовна наявність незамкнутого циклу вертикальних переміщень її протягом року, тобто з'ясовне нагромадження річних деформацій основної площадки стабілізованої експлуатованої земляної полотнини.

2. Поїзне навантаження на основну площадку нерівномірно розподілені по довжині шпали: у підрейкових зонах вона максимальна, поступово зменшуючись до осі колії і до кінців шпал. Особливо збільшується зазначена нерівномірність відразу після підбиття шпал, що у багатьох випадках виробляється тільки в підрейкових зонах.

Максимальне нагромадження деформацій протікає по напрямку лінії дії максимальних напружень, тобто по напрямку лінії дії головних напружень. Напрямок же цих напружень у ґрунті при дії на нього розподіленого навантаження, як відомо, визначається градіентом навантаження. Так, наприклад, при градієнті, рівному нулю, тобто при рівномірно розподіленому навантаженні, напрямок головних напружень співпадає з напрямком діючого навантаження. При зазначеному вище нерівномірному розподілі напружень на основну площадку градіент напружень, що діють на неї, дорівнює нулю тільки під рейками і по осі колії. На інших ділянках довжини шпали він не дорівнює нулю. Отже, максимальні стискаючі напруження діють на основну площадку вертикально тільки в підрейкових зонах. На інших ділянках довжини шпали напрямок їхньої дії трохи відхилено від вертикалі: відхилення спрямоване на ділянках від підрейкових зон до кінців шпал убік кінців шпал, на ділянках від підрейкових зон до осі колії — убік осі колії. Зі сказаного випливає, що частки пучиністого шару ґрунту після відтавання в процесі їхнього ущільнення переміщаються не тільки вниз, але і трохи зміщаються з підрейкових зон убік кінців шпал і осі колії. За один річний цикл такий зсув може бути мізерно малим. Але в результаті багаторічних циклів ущільнення поїзним навантаженням у весняно-літній період і розщільненням при пучінні в зимовий період зазначені переміщення можуть бути значимими.

Таким чином, на ділянках стабілізованої експлуатованої земляної полотнини у випадках, коли відбувається промерзання й пучіння верхнього шару, нагромадження деформацій основної площадки в підрейкових зонах з’ясовано, навіть якщо величина циклічного навантаження не збільшується в процесі експлуатації.

Звичайно, реальний процес нагромадження деформацій основної площадки незмірно складніше, ніж це випливає з будь-якої окремо узятої гіпотези. Імовірніше всього даний процес визначається причинами всілякого характеру від гідрогеологічних і термічних до механічних.

Сказане повною мірою відноситься до нагромадження деформацій і ушкоджень інших елементів колії. Тому за всю історію розвитку доріг, і особливо в післявоєнний період, технічна політика в удосконалюванні колії проводилася і проводиться таким чином, що на більш вантажонапружених ділянках улаштовується більш міцна колія (більша погонна вага рейок, більша кількість шпал на кілометр, велика товщина баластового шару), на малодіяльних же лініях — менш міцний. Отже, несуча здатність колії і її елементів, а в зв'язку з цим і величина навантажень, що діють від рейок на нижележащі елементи, диференціюються по вантажонапруженості ліній, хоча вагони є всюдихідними і максимально припустима швидкість для вантажних вагонів у сучасних умовах установлена 80 км/год незалежно від типу рейок, епюри шпал і товщини баласту. Виникло протиріччя між практикою проектування і розподілу типів верхньої будови колії з урахуванням вантажонапруженості і діючим розрахунковим апаратом для цих цілей, що не враховує вантажонапруженість. Розроблена методика розрахунку несучої здатності основної площадки земляної полотнини приводить у відповідність розрахунковий апарат із практикою диференціювання несучої і здатності колії, що розподіляє, і її елементів по вантажонапруженості.

Уведення цієї методики розрахунку полегшить рішення ряду питань і дозволить більш обґрунтовано визначати технічну політику при удосконалюванні колії і методів її утримання, а також при визначенні умов звертання рухомого складу.

Основи методики створення нової нормативної бази для основної площадки земляної полотнини

Основою створення нової нормативної бази для основної площадки земляної полотнини є методика розрахункового прогнозування (передбачення) нагромадження її залишкових деформацій у процесі експлуатації. Така методика призначається для визначення:

1) необхідної потужності верхньої будови колії (типу рейок, епюри шпал, товщини баластового шару) для заданих умов експлуатації;

2) припустимих умов експлуатації (швидкостей, осьових навантажень, вантажонапруженості) для заданої конструкції і потужності шляху;

3) оптимальних варіантів конструкції колії й умов його експлуатації.

Дата добавления: 2014-01-07