Оптимизация балластного слоя на высокоскоростных линиях ГАЖК "Узбекистон Темир Йуллари"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимизация балластного слоя на высокоскоростных линиях ГАЖК «Узбекистон Темир Йуллари»

Магистерская диссертация

на соискание ученой степени магистра по специальности М 580302

Введение

К высокоскоростным железным дорогам относятся линии, на которых осуществляется движение специализированного подвижного состава со скоростями более 200 км/ч с заданным уровнем безопасности и комфорта, что обеспечивается принятыми проектными параметрами, инженерно-техническими решениями, должным строительно-технологическим исполнением сооружений и инфраструктуры, а также эффективной системой контроля, технического обслуживания и ремонта подвижного состава и стационарных устройств.

Уже не одно десятилетие высокоскоростные линии являются, в сущности, «локомотивами» технического перевооружения железных дорог развитых стран. С учетом неоспоримых преимуществ высокоскоростных магистралей (ВСМ) решения о сооружении таких линий приняты в качестве государственных программ во многих странах. К примеру, в Европе эти планы вышли на межгосударственный уровень. Параметры высокоскоростных железных дорог мира приведены в табл. 1

Понятие «высокоскоростная железная дорога» утвердилось в 60-70-х гг. XX в. после ввода в 1964 г. в эксплуатацию первой специализированной железнодорожной магистрали Токио-Осака в Японии. С учетом реконструированных линий полигон обращения скоростных и высокоскоростных поездов превышает 22 тыс. км.

Еще в середине XX столетия к категории «высокоскоростного» на железнодорожном транспорте относили движение со скоростями 140… 160 км/ч. За последние 50 лет граница высокоскоростного движения поднялась к значению 200 км/ч. Эта величина, принятая в настоящее время во многих странах, в значительной мере носит конвенциональный и исторически сложившийся характер.

Таблица 1 - Параметры высокоскоростных железных дорог

№№ п/п	Наименование показателей	Ед. изм.	Показатели
			ФРГ	Япония	Италия	Испания	Франция	Франция	Россия СНиП 32-01-95 СТНЦ 01-95	СТО РЖД 1.07.001-2007 Россия
1.	Ширина колеи	мм	1435	1435	1435	1435	1435	1435	1520	1520
2.	Проектная скорость	км/ч	250	250,220, 240	250	250	270	300	200	250
6.	Минимальный радиус кривых	м	7000 - 5700	4000	3000	4000	4000	6000	4000-3000	5000-3000
7.	Исключительная величина радиуса	м	5100	-	-	3200	3200	4000	2500	2000
9.	Ширина земляного полотна	м	13.5-13.7	11.6	11.0	12.7-13.3	11.35-13.0	13.6	11.7	11.7
10.	Марка стрелочных переводов		1/18,5	1/18	1/18,2	-	1/33	1/33	1/11	1/11
11.	Тип рельс	кг/м	60,0	60,8	60,0	60,0	60,0	60,0	Р-75, Р-65	Р-65
12.	Число шпал на 1 км -	шт.	1600	-	-	-	1722	-	2000	1840
13.	Длина шпал / тип	м	2.6 / ж.б.	2.6 / ж.б.	2.3 / ж.б.	2.6 / ж.б.	2.6 / ж.б.	2.30 / ж.б.	2.7 / ж.б.	2.7 / ж.б.
14.	Плечо балл. призмы	м	0.5	0.5	-	-	-	-	0.45	0.45
15.	Толщина балласта, - щебень - балластная подушка	см	30 15ч30	-	35 -	30 25	35	30	35 20	40 20
16.	Ширина балластной призмы	м	3.6	3.6	3.3	-	3.6	3.3	3.85	3.85

Наибольшая скорость движения по высокоскоростной железной дороге была достигнута во Франции 3.04.2007 г. и составила 574,8 км/ч (рис. 1).

Рис. 1 Поезд TGV, установивший рекорд скорости 574, 8 км/ч

В мире при общем сокращении протяженности железных дорог во второй половине ХХ столетия неуклонно растут размеры пассажирских перевозок по высокоскоростным магистралям, суммарная длина которых приблизилась к 7 тыс. км, в том числе 3750 км в Европе. Высокоскоростные поезда обслуживают также полигон протяженностью около 20 тыс. км обычных железнодорожных линий, реконструированных под скоростное движение. Сегодня самые обширные сети высокоскоростного транспорта существуют в Японии и во Франции. При этом вновь сооружаемые линии уже проектируют на максимальную расчетную скорость движения - 350 км/ч.

Сегодня сложилась следующая градация скоростей в пассажирском движении:

- до 140… 160 км/ч - движение поездов на обычных железных дорогах;

- до 200 км/ч - скоростное движение поездов, как правило, на реконструированных линиях;

- свыше 200 км/ч - высокоскоростное движение на специально построенных ВСМ.

Для скоростей движения выше 200 км/ч требуются иные технические нормы и более высокая, чем на обычных линиях, оснащенность стационарных устройств, инфраструктуры и подвижного состава, что приводит к росту капитальных затрат на строительство, стоимости подвижного состава и более высоким эксплуатационным расходам, что перекрывается высоким экономическим и социальным эффектом при массовых пассажирских перевозках.

Концепция развития скоростного и высокоскоростного движения на железных дорогах Республики Узбекистан является составной частью транспортной политики страны, стратегической целью которой является обеспечение посредством опережающего развития транспорта ускоренного и стабильного развития национальной экономики, роста ее конкурентоспособности, повышения благосостояния и качества жизни населения каждого региона.

В рамках выполнения программы по организации высокоскоростного движения пассажирских поездов в Республике Узбекистан, а также в соответствии с распоряжением Кабинета Министров №615 от 17.11.2009 г. были определены мероприятия по организации высокоскоростного движения на магистральных линиях ГАЖК «Узбекистон темир йуллари», которые включают следующие этапы:

* первый этап (2010-2015 годы) связан с подготовкой и внедрением высокоскоростного движения на направлении ст. Ташкент - ст. Самарканд /3/, (скорости движения поездов - до 250 км/ч). Для этого у испанской компании Patentes TALGO были закуплены два электропоезда Talgo AVE серии 250 в составе четырех головных и восемнадцати пассажирских вагонов. Их ввод в эксплуатацию запланирован на III квартал 2011 г. Протяженность маршрута по железной дороге составляет 356 км (рис. 2).



Рис. 2 Первый этап внедрения высокоскоростного движения на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари»

* второй этап (2016-2020 годы) определен расширением зон эксплуатации скоростного движения на направлении железных дорог Ташкент - Карши. В этот период завершатся работы по электрификации железных дорог на участке Мараканд - Карши. Предусматривается организация движения скоростных пассажирских поездов со скоростью до 160 км/час по существующему пути, который должен быть предварительно реконструирован в соответствии с техническими требованиями.

* третий этап (2021-2025 годы). На данном этапе сфера скоростного и высокоскоростного движения будет расширена за счет направлений:

высокоскоростное движение на участке Ташкент - Бухара с электрификацией участка Мараканд - Навои - Бухара, скоростное движение - на направлениях пригородного движения Ташкент - Чинар и Ташкент - Ангрен.

* четвертый этап (до 2035 года): развитие скоростного движения на полигонах Ташкент - Навои - Ургенч (Нукус), Ташкент - Андижан.

В настоящее время наметилось несколько принципиально отличных подходов к созданию железнодорожного пути для ВСМ:

1. Японская и испанская концепции предусматривают сооружение ВСМ, путевая (рельсовая) система которых полностью изолирована от остальной железнодорожной сети страны.

2. Французская концепция предполагает строительство новых ВСМ, входящих в общий состав сети, но предназначенных исключительно для высокоскоростного подвижного состава.

3. Российская, итальянская и германская концепции заключаются в комплексной реконструкции железнодорожных направлений, при которой осуществляется строительство высокоскоростных участков и модернизация существующих линий, спрямление главных путей с целью организации скоростного и высокоскоростного движения.

При организации высокоскоростного железнодорожного движения в этих странах проводилась комплексная модернизация железнодорожных участков. В конечном итоге это позволило получить железнодорожные магистрали с тремя, четырьмя и иногда пятью путями, как правило, обезличенными; по некоторым из них на значительном протяжении можно осуществлять движение поездов со скоростями более 200 км/ч.

Система внедрения скоростного и высокоскоростного движения на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» ближе к третьей из перечисленных моделей (строительство высокоскоростных участков имодернизация существующих линий).

При этом важнейшим вопросом обеспечения безопасности движения скоростных и высокоскоростных поездов является выбор вида подшпального основания (балластный слой, безбалластное рамное или плитное основание, рис. 3 и 4, применение защитных слоев, геотекстиля и георешеток, рис. 5 и пр.), а также и расчет конструкции балластной призмы и защитного слоя.



Рис. 3. Балластная конструкция верхнего строения пути на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари»

Рис. 4. Безбалластная конструкция железнодорожного путина ОАО «Российские железные дороги»

Рис. 5. Применение геотекстиля, георешеток и защитных слоев

Ниже приведен опыт применения различных видов подшпального основания на зарубежных высокоскоростных железных дорогах.

В Японии на первой в мире ВСМ Токио-Осака был уложен бесстыковой путь из рельсов 53,3 кг/пог. м (позже замененных на рельсы массой 60 кг/'пог.м) на железобетонных шпалах на щебеночном балласте и на земляном полотне. Большие затраты на содержание пути традиционной конструкции при высоких скоростях движения предопределили дальнейший выбор японских специалистов - использование жестких (плитных) оснований вместо балластной призмы и практически полный отказ от земляного полотна на новых линиях ВСМ.

Во Франции после анализа японского опыта была принята конструкция главных путей ВСМ, предусматривающая укладку бесстыкового пути из рельсов массой 60,8 кг/пог. м на шпально-балластном основании. При этом учитывались два решающих достоинства балластного варианта: значительно меньшая цена конструкции и больший запас устойчивости пути против поперечного сдвига. Принимались во внимание и недостатки плитного основания на земляном полотне, которые проявились в Японии: дороговизна такой конструкции, трудности устранения геометрических отклонений пути, отсутствие отлаженной технологии укладки пути и пр.

Во Франции многолетний опыт эксплуатации французской ВСМ Париж-Лион подтвердил высокие эксплуатационные качества и надежность пути на балласте. Он уложен и на других ВСМ Франции, предназначенных для движения поездов со скоростями до 350 км/ч.

В Германии на первых линиях ВСМ предпочтение отдавалось пути на земляном полотне с балластной призмой. Однако позднее, когда возникла проблема строительства спрямляющих ходов с большим числом тоннелей и других искусственных сооружений, были проведены исследования и испытания пути на жестком основании. В результате было признано целесообразным применение верхнего строения японского типа с некоторыми коррективами немецких специалистов, принятыми в соответствии с местными условиями.

В Испании на первой испанской ВСМ Мадрид-Севилья применена конструкция пути, близкая к французской (путь на балласте).

В Российской Федерации применяется также балластная конструкция железнодорожного пути скоростных и высокоскоростных линий. В опытном порядке уложен путь на безбалластном плитном основании (рис. 4). Таким образом, разные страны принимают свою концепцию применения подшпального основания на скоростных и высокоскоростных линиях и определяют параметры конструкции подшпального основания.

В связи с отмеченным настоящая диссертация посвящена изучению вопроса разработки оптимальной конструкции балластной призмы на участках ГАЖК «Узбекистон темир йуллари», где обращаются высокоскоростные («Афрасиаб» - до 250 км/ч) и скоростные поезда («Афрасиаб» и «Узбекистан» - 160-200 км/ч) на направлении Ташкент - Самарканд.

1. Постановка вопроса. Обзор литературы. Цели и задачи исследования

1.1 Назначение балластного слоя

Балластный слой - элемент верхнего строения пути из балласта - минерального сыпучего материала, укладываемого на основную площадку земляного полотна. Он обеспечивает вертикальную и горизонтальную устойчивость пути при воздействии динамических нагрузок отподвижного состава и изменяющихся температур. От конструкции и качества балластного слоя зависят общее состояние железнодорожного пути, уровень допускаемых скоростей движения поездов, сроки службы всех элементов верхнего строения (рельсов, скреплений, шпал), затраты на текущее содержание пути и вся система его ремонтов.

Балластный слой:

- воспринимает давление от шпал (брусьев на стрелочных переводах);

- распределяет давление от подвижного состава практически равномерно на возможно большую площадь земляного полотна;

- обеспечивает стабильное проектное положение рельсошпальной решетки в процессе эксплуатации и возможность выправки пути в профиле и плане (путем подбивки, рихтовки балластного слоя) для компенсации неизбежных остаточных деформаций;

- отводит воду от балластной призмы и с основной площадки земляного полотна, препятствует переувлажнению и пересыханию верхнего слоя грунта полотна, потере им несущей способности (весной) и пучению ((зимой);

- участвует в формировании оптимальной упругости подрельсового основания, особенно при железобетонных шпалах.

Балласт должен быть твердым и прочным (износостойким) и одновременно упругим (амортизационная способность), достаточно крупным (стабильность положения рельсошпальной решетки) и одновременно мелким (ровная опорная поверхность под шпалами); иметь зерна формы, близкой к кубической (увеличивается износостойкость зерен и распределяющая способность призмы, но одновременно снижается ее общая несущая способность - призма «расползается» под нагрузкой); содержать зерна вытянутой формы (лещадные или игловатые), прошивающие и расклинивающие балластный слой (повышается устойчивость призмы), но одновременно имеющие повышенную ломкость под нагрузкой (увеличиваются осадки); обладать низкой электропроводностью, обеспечивающей нормальную работу рельсовых цепей автоблокировки вне зависимости от погодных условий.

Щебеночный балласт из природного камня получают дроблением горных пород до фракций 25-60 мм. Он может изготовляться из скальных пород 100% дробленых частиц), а также из валунов и гравия (не менее 50% дробленых зерен по массе). Очертания балластной призмы в прямом и кривом участке пути приведены на рис. 6.

Рис. 6. Конструкция балластной призмы с железобетонными шпалами

Лучшим из современных балластных материалов является щебеночный балласт, полученный из прочных магматических пород (граниты, габбро, диориты, сиениты, глубинные породы; диабазы, базальты, излившиеся породы). Щебеночная призма из такого балласта обладает долговечностью, высокой сопротивляемостью осадкам шпал и их смещениям в горизонтальной плоскости, хорошими дренирующими, упругими и электроизоляционными свойствами. В то же время применение на участках эксплуатируемых железнодорожных линийлиний призмы из щебня низкого качества из слабых осадочных пород (известняки, доломиты, песчаники), особенно при железобетонных шпалах, неэффективно из-за быстрого износа и измельчения такого балласта, потери им дренирующих свойств, образования выплесков.

Щебеночный балласт оказывает большое влияние на качество и прочность железнодорожного пути. Верхнее строение балластного пути имеет конструкцию, которую можно назвать плавающей.

Если параметры рельсов, скреплений и шпал выбраны правильно, то щебеночный балласт является наиболее слабым звеном в этой системе железнодорожного пути.

Балластное основание должно быть рассчитано таким образом, чтобы нагрузка от подвижного состава, передаваемая рельсами через шпалы на щебень, распределялась как можно равномернее в нижнем строении пути.

Этим требованиям в лучшей степени удовлетворяют такие балластные материалы, как щебень из твердых каменных пород, а также гравий и гравийно-песчаная смесь.

Для определения правильной конструкции балластной призмы на скоростных и высокоскоростных линиях ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» необходимо понимать принцип работы балластного слоя под нагрузкой (раздел 1.2).

1.2 Работа балластного слоя под нагрузкой

При передаче нагрузок от подвижного состава через элементы верхнего строения пути на основную площадку земляного полотна балластный слой обеспечивает ее распределение на большую площадь, а значит, и снижение напряжений. Расчетная схема распределения напряжений от поездной нагрузки показана на рис. 7.

Рис. 7. Перераспределение напряжений в балластном слое

Вопросам конструкции и прочности балластной призмы уделялось большое внимание. В наибольшей степени по этому вопросу известны работы Г.М. Шахунянца, М.Ф. Вериго, Крейнис В.О., Е.С. Варызгина, С.Н. Попова, А.М. Голованчикова, А.Н. Марготьева, В.В. Соловьева и др. Особое внимание балластному слою было уделено в 50-70 годы ХХ в. В последующем с переходом на щебеночный балласт внимание к прочности балластной призмы практически не уделялось и только сейчас при возможности пропуска на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» поездов со скоростями до 250 т/ось необходимо к этому вопросу вернуться.

Под воздействием поездной нагрузки в балластном слое постоянно накапливаются остаточные деформации (осадки). В зависимости от этого работу балластного слоя можно условно разделить на три периода.

Первый (начальный) период работы балластного слоя после его устройства характеризуется наиболее интенсивным накоплением осадок (период относительной стабилизации балластного слоя). Основная доля осадок происходит за счет уменьшения объема пустот, что связано с изменением взаимного расположения зерен и околом их острых граней. При этом отсутствует выпирание зерен как в шпальные ящики, так и за торцы шпал. Чтобы сократить срок и размер осадки в этот период, необходимо качественно производить уплотнение балласта под шпалой, а также на откосах балластной призмы и в шпальных ящиках. Интенсивность накопления осадок за счет окола зерен зависит от контактной прочности горной породы, из которой приготовлен щебень. Так, контактная прочность гранита составляет 1120-4000 МПа, прочность известняка 290-3570 МПа. Под воздействием вибрации при движении поездов контактирующие грани зерен слабой прочности округляются, истираются, что приводит к дополнительным осадкам и снижению несущей способности балластного слоя. Особенно сильно истираются зерна слабых пород, смешанных с зернами прочных пород. Поэтому смешение щебня из разных горных пород не допускается.

Во второй период (период нормальной эксплуатации) накопление остаточных деформаций значительно уменьшается. Работа балласта происходит в упругой стадии, т.е. после снятия поезд, ной нагрузки балласт возвращается в прежнее состояние. Незначительные деформации в этот период происходят за счет выпирания зерен щебня в шпальные ящики и за торцы шпал вследствие нарушения состояния предельного равновесия и частично за счет вдавливания зерен щебня в песчаную подушку. Это наблюдается в основном в зоне стыка при стыковом пути, где имеют место значительные динамические нагрузки, а также при пропуске подвижного состава с большими осевыми нагрузками. Деформации зависят и от фракции балласта; при небольшой крупности зерен и их гладкой поверхности (например, песок), угол внутреннего трения и сила зацепления небольшие. Поэтому такой балласт неустойчив, его зерна начинают перемещаться даже при незначительных вибрационных нагрузках (песок течет из-под шпалы), «вследствие чего предельно допустимые напряжения уменьшаются. С увеличением крупности зерен повышается несущая способность балластного слоя. При фракции щебня 25-60 мм обеспечивается наиболее оптимальная прочность балластного материала. Увеличение крупности зерен щебня (фракция 25-70 мм) нежелательно, так как это затрудняет выправку пути, а неравномерное опирание шпалы или рамного блока на балласт ведет к выходу их из строя. Рельсо-шпальная решетка, уложенная на щебень, зерна которого имеют остроугольную поверхность, обладает большей устойчивостью, чем решетка, уложенная на щебень из валунов и гальки, зерна которого имеют частично гладкую поверхность и, следовательно, меньшие значения трения и сцепления.

С проходящих поездов, особенно перевозящих сыпучие грузы, в балласт попадают загрязнители, которые значительно снижают его характеристики. Предельно загрязненный балласт уже не может упруго смягчать удары колес подвижного состава о рельсы, увеличивается его неравнопрочность.

Наступает третий период работы балластного слоя. Остаточные деформации вновь начинают резко увеличиваться за счет выплесков загрязненного балласта из-под шпал, что приводит к изменению положения рельсошпальной решетки. Такое состояние балласта допускать нельзя, необходимо ремонтировать путь с очисткой или заменой балласта.

При этом важно учитывать влияние скоростей движения поездов на формирование напряжений в элементах верхнего строения пути.

Увеличение скоростей движения поездов приводит к росту напряжений в балластном слое и на основной площадке земляного полотна. Однако приращение напряжений для одного и того же диапазона скоростей движения, по мере роста скоростей движения снижается. По данным ВНИИЖТа наибольшее приращение напряжений наблюдается в интервалах повышения скоростей движения 20-80 км/ч, где оно составляет 19,4%. В интервале 140-200 км/ч наблюдаются более медленный (почти в два раза) по сравнению с интервалом 20-80 км/ч рост напряжений на основной площадке и снижение этих величин в теле насыпи на глубинах >1 м. Это связано как с относительным снижением коэффициента вертикальной динамики скоростного подвижного состава (например, для электропоезда ЭР-200 в 7,5 раза в интервале скоростей 140-200 км/ч по сравнению 80-140 км/ч), так и с инерционными свойствами грунтовой массы насыпи, которая не успевает реагировать на кратковременные силовые нагрузки подвижного состава. Далее в земляном полотне реакция грунта на воздействия подвижного состава на разных глубинах оценивается динамическим коэффициентом, представляющим собой отношение напряжений на горизонтах, - при различных скоростях к статическим напряжениям на этом горизонте. Расчеты ВНИИЖТа показали, что чем выше скорость движения, т.е. чем быстрее перемещается поездная нагрузка через данное сечение пути, тем на меньшую глубину проникает ее влияние. При скоростях движения 150-200 км/ч на основной площадке динамический коэффициент составляет 1,41-1,62; на глубине 0,5 м он равен 1,18 - 1,19. На глубинах > 1,0 м он даже менее 1 вследствие больших сил внутреннего сопротивления грунта.

Для поддержания традиционного железнодорожного пути на балласте в должном состоянии, соответствующем современным требованиям к качеству пути для интенсивного движения поездов, необходимы значительные инвестиции, сложные технические средства, большие затраты труда и высокая квалификация исполнителей. Предложены новые типы путевых структур, применение которых, как полагают, может упростить решение проблемы обслуживания пути.

Нарушения геометрии пути, выражающиеся, главным образом, в осадке балласта и земляного полотна, являются основнымфактором, определяющим сроки и объемы путевых работ. При этом следует отметить, что именно балласт представляет собой основной компонент путевой структуры, так как от него зависит способность пути воспринимать и оптимально распределять динамические нагрузки от движущегося подвижного состава. Кроме того, именно путем исправления балластной призмы можно восстанавливать параметры и несущую способность путевой структуры, особенно в случае ослабления основания пути.

Вместе с тем балластный слой чаще всего склонен к искажению заданных геометрических очертаний верхнего строения пути, главным образом в вертикальной плоскости, и в этом отношении он гораздо податливее подбалластного слоя или земляного полотна и в большей степени, чем они, подвержен осадке.

Механизм нарушения целостности балластного слоя можно вкратце охарактеризовать следующим образом. При проходе поезда на балласт воздействуют циклические нагрузки переменной направленности: когда колесная пара находится непосредственно над конкретной шпалой, нагрузка максимальной амплитуды направлена вниз, а когда над шпалой нет колесной пары, балласт в силу определенной упругости приподнимается вверх. Циклы знакопеременных нагрузок создают в балласте напряжения, достаточные, чтобы как изменить взаимное расположение частиц балласта, так и вызвать их разрушение.

Последствия осадки пути и иных нарушений его геометрии чаще всего устраняют путем подбивки балласта и выправки. Однако подбивка влечет за собой еще большее разрушение частиц балласта ввиду сильного механического воздействия на них, также связанного со знакопеременными нагрузками. Периодически повторяемые операции по подбивке, входящие в качестве неотъемлемой части в комплекс работ по обслуживанию верхнего строения пути, постепенно ведут к потере прочности и жесткости балластного слоя. Отрицательные последствия этого процесса наиболее явно сказываются, когда измельчение балластного материала достигает критической степени и балласт теряет не только механические свойства, но и способность должным образом отводить воду с пути. На этой стадии балласт необходимо очищать или заменять, что требует большого объема путевых работ и обусловливает задержки движения поездов.

Для решения этой проблемы есть два пути: или улучшать характеристики балласта как такового в целях повышения срока его службы без утраты нужных свойств, или отказаться от пути на балласте в пользу безбалластного пути на жестком основании (рис. 4).

В Узбекистане на направлении Самарканд - Ташкент - Бухара в настоящее время принято целесообразным применение балластного путина земляном полотне с использованием современной технологии уплотнения насыпей. Именно такая конструкция пути была применена на первом высокоскоростной линии в Узбекистане на направлении Ташкент - Самарканд (рис 8).

Рис. 8. Балластная конструкция пути на направлении Ташкент - Самарканд

Анализ первого опыта по организации высокоскоростного движения поездов выявил следующие вопросы, подлежащие изучению в условиях ГАЖК «Узбекистон темир йуллари»:

- уровень динамического воздействия на путь и земляное полотно от высокоскоростных поездов растет прямо пропорционально квадрату их скорости и с учетом высокочастотной вибрации вызывает резкий рост остаточных деформаций (в том числе интенсивное дробление балластного слоя, рис. 9) в пути и интенсивный износ подвижного состава;



Рис. 9. Дробление балластного слоя от вибровоздействия железобетонных шпал Ш1-1 со скреплением КБ

- для обеспечения безопасности движения поездов необходима комплексная реконструкция балластной призмы, земляного полотна, усиление верхнего строения пути;

- внедрение системы диагностики, контроля состояния пути, машинизированного текущего содержания пути и системы ремонтов и др.;

- при строительстве земляного полотна и верхнего строения пути необходимо добиться того, чтобы упругая осадка основной площадки под действием нагрузки не превышала 1,5-2 мм;

- при совмещенном движении грузовых и пассажирских поездов содержание пути в пределах норм и допусков на высокоскоростных участках вызывает значительные эксплуатационные расходы;

- движение грузовых и высокоскоростных пассажирских поездов на одной линии приводит к значительному съему грузовых поездов и, как следствие, значительным эксплуатационным затратам и др.;

- для пропуска скоростных и высокоскоростных поездов состояние пути должно соответствовать оценке «отлично»;

- необходимо установить конструкцию балластной призмы для конкретных эксплуатационных условий (тип подвижного состава, осевые нагрузки, скорости движения и пр.).

В связи с отмеченным для ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» в настоящее время необходимо проанализировать требования различных нормативных документов и рассчитать оптимальные параметры балластной призмы для конкретных условий эксплуатации на скоростных и высокоскоростных линиях при обращениипоездов «Афрасиаб» (160 - 250 км/ч) и «Узбекистан» (до 160 км/ч) на направлении Ташкент - Самарканд.

1.3 Требования нормативных документов к балластному слою высокоскоростных участков ГАЖК «УТЙ»

Материалы для балласта должны удовлетворять требованиям соответствующих государственных стандартов и действующих в Республике Узбекистан нормативных документов, в том числе:

1. ГОСТ 7392-2002. Межгосударственный стандарт. Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути. Технические условия.

ГОСТ 7392-2002 распространяется на щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути - неорганический зернистый сыпучий материал с номинальным размером зерен от 25 до 60 мм, получаемый дроблением изверженных горных пород с последующим рассевом продуктов дробления.

Ниже перечислены основные требования к щебню. Полные остатки на контрольных ситах должны соответствовать указанным в таблице 1.

Таблица 1

Размер отверстий контрольных сит, мм	70	60	40	25
Полный остаток на сите, % по массе	0	До 5	От 35 до 75	От 95 до 100

Марка щебня по истираемости должна быть И1, для которой потеря массы при испытании не должна быть более 25%.

Марка щебня по сопротивлению удару должна быть У75, для которой показатель сопротивления удару должен быть более 75.

Содержание зерен слабых пород должно быть не более 5% по массе.

В щебне не должно быть глины в комках, почвы растительного слоя, других органических и засоряющих примесей.

2. ВСН 448-Н. Ведомственные технические указания. Инфраструктура высокоскоростной железнодорожной линии Ташкент - Самарканд. Общие технические требования. ГАЖК «УТЙ»

В ВСН приведены следующие требования к балластному слою высокоскоростных линий:

1. Балластная призма должна иметь плечо не менее 450 mm; крутизну откосов не более 1:1,5; толщину слоя балласта под подошвой шпал у концов со стороны междупутья не менее 400 mm. В кривых участках пути толщина слоя балласта под подошвой шпал у концов со стороны внутреннего рельса должна быть не менее 400 mm, а со стороны наружного рельса она рассчитывается в зависимости от возвышения.

2. Поверхность балластной призмы должна быть на 10 mm ниже верха железобетонной шпалы в средней части.

3. Уклон на уровне подошвы балластной призмы должен составлять 0,04 в полевую сторону.

4. Толщина балластного слоя определяется по условию недопущения возникновения пластических деформаций оттаивающего глинистого грунта под вибродинамическим воздействием подвижной нагрузки и проверяется по условию недопущение морозного пучения.

5. В качестве необходимой толщины слоя балластных и дренирующих материалов принимается максимальное значение.

6. В местах, где по данным обследований определена недостаточная толщина балластных и дренирующих материалов, необходимо под балластной призмой устраивать защитный слой, отвечающий требованиям ГОСТ 25607-09.

7. Защитный слой выполняется из щебенисто-гравийно-песчаных смесей и при необходимости дополняется покрытиями из геотекстиля, пенополистирола, георешеток или геосеток. При устройстве защитного слоя необходимо выполнить срезку и замену грунтов на 0,1 m ниже залегания балластных деформаций.

8. Толщина защитного слоя назначается расчетом, исходя из выполнения требования обеспечения несущей способности нижележащих грунтов под действием нагрузки от подвижного состава и устранения пучения этих грунтов.

3. ВСН 450-Н Ведомственные технические указания по проектированию и строительству. Железные дороги колеи 1520 мм

В ВСН 450-Н приводятся следующие требования к защитным слоям:

1. Для земляного полотна из глинистых грунтов всех видов, кроме супесей, содержащих песчаные частицы размером от 2 до 0,05 mm более 50% по массе, следует предусматривать усиление конструкции в зоне основной площадки: устройство под балластной призмой защитного слоя из дренирующего грунта или из дренирующего грунта в комбинации с геотекстильным материалом.

2. Толщина защитных слоев из дренирующего грунта без применения геотекстильных материалов в основании должна назначаться расчетом, но в зависимости от климатических условий не менее 0,8 m - для суглинков и глин, 0,5 m - для супесей.

4. ВСН. Ведомственные технические указания по проектированию новых железнодорожных линии колеи 1520 мм. ГАЖК «УТЙ»

1. Ширину балластной призмы поверху на прямых однопутных участках следует принимать при всех видах балласта, не менее, м:

на высокоскоростных, особогрузонаоряженных линиях и

линиях I и II категории…………………………………. 3,85

на линиях III категории…………………………………. 3,65

на линиях IV категории…………………………………. 3,45.

2. На кривых участках пути толщину балластной призмы следует принимать с учетом возвышения наружного рельса при сохранении под внутренним рельсом балластного слоя толщиной, установленной для прямых участков.

3. Для земляного полотна из глинистых грунтов всех видов, кроме супесей, содержащих песчаных частиц размером от 2 до 0,05 мм в количестве более 50% по массе, следует предусматривать усиление конструкции в зоне основной площадки: устройство под балластной призмой защитного слоя из дренирующего грунта в комбинации с геотекстилем или без геотекстиля. Укладка геотекстиля без защитного слоя из дренирующего грунта не допускается.

4. Толщину слоя дренирующего грунта под балластной призмой устанавливают в зависимости от вида грунта земляного полотна и его состояния.

5. При проектировании защитных слоев из дренирующего грунта без применения геотекстиля в основании толщина его должна назначаться расчетом, но не менее в зависимости от климатических условий 0,8-1,0 м для суглинков и глин и 0,5-0,7 м для супесей.

6. Для линий особогрузонапряженных, со скоростным и высокоскоростным движением пассажирских поездов защитный слой принимается двухслойным: верхний слой для обеспечения заданной прочности основной площадки; второй слой определяется из условия недопустимости пучения.

7. Верхний защитный слой выполняется из щебенисто-гравийно-песчаной смеси с коэффициентом уплотнения не менее 1,0 и модулем упругости 120 МПа. При необходимости дополняется укладкой геоматериалов (геотекстиля, георешеток, геосеток).

8. Нижний защитный слой отсыпается из дренирующего грунта с модулем упругости 80 МПа и коэффициентом плотности не менее 0,98.

5. ВСН. Ведомственные технические указания по проектированию земляного полотнажелезных дорог колеи 1520 мм.

Для земляного полотна из глинистых грунтов всех видов с влажностью на границе текучести W_L> 0,23, кроме супесей, содержащих песчаные частицы размером от 2 до 0,05 мм в количестве более 50% по массе, следует предусматривать усиление конструкции в зоне основной площадки: устройство под балластной призмой защитного слоя из дренирующего грунта или из дренирующего грунта в комбинации с геотекстильными материалами для исключения деформации морозного пучения (ВСН 448-Н). При проектировании защитных слоев из дренирующего грунта без применения геотекстиля в основании толщина его должна назначаться расчетом, но не менее в зависимости от климатических условий 0,8-1,0 м для суглинков и глин и 0,5-0,7 м для супесей.

Для линий особогрузонапряженных, со скоростным и высокоскоростным движением пассажирских поездов защитный слой принимается двухслойным.

Верхний слой для обеспечения заданной прочности основной площадки, исключающий появление превышения допустимой упругой осадки рельса выполняется из щебенисто-гравийно-песчаной смеси с коэффициентом уплотнения не менее 1,0, модулем деформации 120 МПа и при необходимости дополняется укладкой геоматериалов (геотекстиля, георешеток, геосеток).

Защитный слой из дренирующего грунта (с геотекстильными материалами или без них) следует применять также при использовании глинистых грунтов всех разновидностей при повышенной влажности (I_L> 0,25).

Толщина второго нижнего слоя с коэффициентом уплотнения не менее 0,98 и модулем деформации 80 МПа для исключения пучения отсыпается из дренирующего грунта.

Для устройства защитного слоя следует применять дренирующие грунты: крупнообломочные (с фракциями не более 0,2 м) с песчаным заполнителем, пески (за исключением мелких пылеватых).

Защитный слой насыпей высокоскоростных железных дорог может содержать гипс в количестве не более 0,2%.

Применение недренирующих мелких и пылеватых песков допускается в исключительных случаях, обоснованных технико-экономическими расчетами при отсутствии в зоне строительства требуемых кондиционных грунтов. При этом конструкцию защитного слоя и его толщину устанавливают индивидуальным проектом.

Верх защитного слоя согласно должен быть ниже уровня подошвы шпалы не менее 0,4 м.

Поверхность глинистого грунта в основании защитного слоя на новых линиях следует планировать с двусторонним уклоном 0,04 от оси полотна в сторону откосов.

Верх защитного слоя планируется горизонтально - при дренирующих грунтах, в виде сливной призмы - при песках мелких и пылеватых (рисунок).

Толщина защитного слоя под балластной призмой устанавливается на основании расчетов в зависимости от вида грунта земляного полотна и его состояния, категории железной дороги, и с учетом вида грунта защитного слоя, глубины промерзания грунтов.

Расчеты по определению толщины защитного слоя выполняют исходя из двух условий:

обеспечения заданной прочности основной площадки, исключающей появление деформаций под воздействием поездной нагрузки выше допустимых значений;

ограничения деформаций пути под воздействием морозного пучения или набухания сильнонабухающих грунтов (при W_L> 0,40).



а, б, в-насыпи и выемки с защитным слоем из дренирующих песчано-гравийных грунтов; 1 - балласт щебеночный; 2 - балласт песчано-гравийный; 3 - защитный слой; 4 - глинистый грунт

Рисунок 10 - Земляное полото из глинистых грунтов, характеризуемых W_L> 0,23 с защитным слоем

6. Инструкция по техническому обслуживанию и эксплуатации сооружений, устройств, подвижного состава и организации движения на участках обращения скоростных пассажирских поездов.

Толщина балластного слоя определяется по условию недопущения возникновения пластических деформаций оттаивающего глинистого грунта под вибродинамическим воздействием подвижной нагрузки. В качестве необходимой толщины слоя балластных и дренирующих материалов принимается максимальное значение.

В местах, где по данным обследований определена недостаточная толщина балластных и дренирующих материалов, необходимо под балластной призмой устраивать защитный слой, отвечающий требованиям ГОСТ 25607.

Защитный слой выполняется из щебенисто-гравийно-песчаных смесей и при необходимости дополняется покрытиями из геотекстиля, пенополистирола, георешеток или геосеток. При устройстве защитного слоя необходимо выполнить срезку и замену грунтов на 0,1 м ниже залегания балластных деформаций.

Толщина защитного слоя назначается расчетом, исходя из выполнения требования обеспечения несущей способности нижележащих грунтов под действием нагрузки от подвижного состава и устранения пучения этих грунтов.

Защитный слой должен устраиваться на всю ширину основной площадки земляного полотна. Допускается уменьшать ширину защитного слоя до ширины, обеспечивающей размещение на нем балластной призмы из щебня в соответствии с нормами. При этом вырезку накопленных балластных материалов и грунтов земляного полотна в пределах обочин необходимо производить до уровня низа защитного слоя с уклоном не менее 0,04 в полевую сторону с последующей засыпкой обочины щебнем. Край защитного слоя на двухпутных участках со стороны междупутья следует располагать на расстоянии не менее 0,7 м от торцов шпал.

Поперечный уклон по верху защитного слоя следует предусматривать не менее 0,04 в полевую сторону. Верх этого слоя необходимо располагать на глубине не менее 0,4 м ниже подошвы шпал. Поверхность среза по низу защитного слоя должна иметь уклон не менее 0,04 в полевую сторону.

7. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути

Размеры балластной призмы для 1 и 2 классов пути на железобетонных шпалах:

Толщина балластного слоя под шпалой - 40 см;

Толщина песчаной подушки - 20 см;

Ширина плеча балластной призмы - 45 см;

8. Специальные технические условия на проектирование железнодорожной линии Ташкент - Самарканд

Таблица 2. Параметры проектирования инфраструктуры железной дороги для организации скоростного движения со скоростями 160 км/час и 250 км/час

№ п/п	Наименование показателей	Ед. изм.	Характеристики показателя
			V= 160 км/час	V= 250 км/час
			величина	величина
1.	Расчетная рузонапряженность нетто в грузовом направлении	млн. ткм/км	свыше 12-20	свыше 15 - 30
2.	Категория линий		I	высокоскоростная
3.	Максимальные скорости пассажирских поездов	км/час	160	250
4.	Руководящий уклон	‰	Не более 12	Не более 15
5.	Радиусы кривых в плане
	Рекомендуемые	м	4000-2500 м	5000-3000 м
	Допускаемые:
	В трудных условиях	м	2000 м	2500 м
	В особо трудных условиях	м	800 м	2000 м
	По согласованию с ГАЖК		400 м	-
6.	Тип рельсов		Р75 - Р65 путь б/с	Р-65, ТУ 0921-195 ОП-01124323, б/с
7.	Число шпал на км	шт.	1840 / 2000	2000
8.	Ширина балластной призмы	м	3,6	3,85
10.	Толщина балласта фракции 20-60 мм	см	35 / 20	40 / 20 ГОСТ7392

Параметры балластного слоя зарубежных железных дорог близки к ГАЖК «УТЙ». При обычной для Европы осевой нагрузке, равной 220 кН, расстоянии между шпалами 60 см и ширине шпалы 26 см толщина балластного слоя должна быть как минимум 30 см. Для высокоскоростных участков она должна быть увеличена до 40 см.

Ширина балластной призмы влияет на сопротивление сдвигу шпал по их продольной оси. Сопротивление сдвигу тем сильнее, чем больше щебня имеется перед торцом шпалы. В среднем ширина балластного слоя между краем призмы и торцами шпал на зарубежных железных дорогах составляет 45 см.

Как видно из представленных документов в них нет единого подхода к параметрам балластной призмы для участков скоростного и высокоскоростного движения поездов. К примеру, в «Специальных технических условиях на проектирование железнодорожной линии Ташкент - Самарканд» вовсе отсутствует раздел по защитному слою земполотна. Толщина балласта принята без расчетов напряжений на основной площадке земполотна под воздействием конкретного типа подвижного состава и конкретных скоростей движения поездов. То есть необходимо определить оптимальную толщину балластного слоя и ширину плеча балластной призмы для конкретных эксплуатационных условий ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» при обращении на них электропоездов «Афрасиаб» и «Узбекистан».

1.4 Критерии определения толщины балластного слояи ширины плеча балластной призмы

Критерии определения толщины балластного слоя. Рост скоростей, осевых нагрузок на рельсовый путь приводит к повышению динамических давлений, передаваемых на балластную призму. В связи с этим необходимо уметь определять прочность балластного слоя с учетом многих факторов, таких как:

- скорость движения;

- осевая нагрузка;

- свойства балластных материалов.

В настоящее время все имеющиеся методики определения предельно допустимого давления шпалы на балласт (несущая способность балласта) и балласта на основную площадку земляного полотна основаны на экспериментальных данных. В случае для оценки величины прочности балластной призмы и земляного полотна с изменением какого-либо из внешних факторов (скорость движения, осевая нагрузка и т.п.) необходимо выполнять большой объем экспериментальных работ.

Все изложенное предопределяет необходимость определения несущей способности балластного слоя и земляного полотна при движении поездов на скоростных и высокоскоростных магистралях.

Под несущей способностью балластного слоя и земляного полотна понимается наибольшая (предельная) величина напряжений, воспринимаемых соответственно балластом и основной площадкой земляного полотна, при которых они находится в предельном равновесии и при минимальном превышении этих напряжений происходит разрушение балластного слоя как конструктивного элемента железнодорожного пути или возникают остаточные деформации на основной площадке земполотна.

При этом важнейшим параметром является толщина балластного слоя. Она зависит от расстояния между шпалами, ширины шпал и угла распределения давления. Для обеспечения наиболее благоприятных условий передачи нагрузок далее нижнему строению пути необходимо стремиться к наибольшей толщине hбалластного слоя (рис. 11).Толщина балластного слоя должна быть такой, чтобы линии распределения давления соседних шпал пересекалась над поверхностью защитного слоя земляного полотна, в противном случае зоны нижнего строения пути, заключенные между шпалами, будут подвергаться слишком высоким нагрузкам.

В связи с этим несущая система пути должна быть рассчитана таким образом, чтобы не могли возникнуть недопустимые упругие и пластические деформации. В противном случае могут возникнуть недопустимые напряжения на основной площадке земляного полотна (рис. 11) или в защитном слое земляного полотна (рис. 12).

Компания PfleidererTrackSystems (Германия) исследовала также влияние железобетонных шпал шести типов на балластный слой и основание земляного полотна в зависимости от скорости движения поезда и осевой нагрузки.



Рис. 11. Распределение давления на основную площадку земляного полотна при недостаточной толщине балластного слоя

Рис. 12. Разрушение (выдавливание) защитного слоя земляного полотна ввиду недостаточной толщины балластного слоя

Основным был вывод, что чем больше площадь опирания шпалы, тем меньше деформация балластного материала. Давление в балласте под шпалой и давление на основную площадку земляного полотна в зависимости от толщины балласта приведены ниже на рис. 15,16, табл. 3. Шпалы BF70, применяемые на ГАЖК «УТЙ» наиболее близки по характеристикам к шпалам типа B70, поэтому приведенные ниже данные можно применять и для шпал типа BF70.

Как видно из рис. недостаточная толщина балластного слоя приводит к превышению допустимых напряжений в балластном слое и на основной площадке земляного полотна.

Таким образом, толщина балластного слоя, а также расстояние между шпалами должны быть такими, чтобы давление на земляное полотно не превышало величины, обеспечивающей его упругую осадку, исчезающую после снятия нагрузки. По мере удаления вниз от места непосредственного контакта пути с подвижным составом давление должно рассредоточиваться на все большую площадь и на земляное полотно уже передаваться почти равномерное давление примерно 0.8-10² кПа (0,8 - 1,0 кг/см²).

Критерии определения ширины плеча балластной призмы. Ширина плеча балластной призмы (рис. 13) определяется в основном из условия исключения выброса пути в летних условиях эксплуатации (рис. 14).

Рис. 13. Плечо балластной призмы

Рис. 14. Выброс пути

Сбор материалов по характеристикам верхнего строения пути высокоскоростной линии Ташкент - Самарканд (табл. 4) указывает на наличие большого количества участков с толщиной щебеночного балласта значительно меньше минимально допустимой, например, 20 см.

Исследованию влияния недостаточной толщины балласта на работу верхнего строения пути и определению оптимальных параметров балластной призмы (толщина балласта и защитных слоев земполотна, ширина плеча балластной призмы) посвящены приведенные ниже исследования и расчеты.

Эти задачи решаются в настоящей диссертации.

Таблица 3 - Параметры железобетонных шпал различных типов

Давление, у_б, Н/мм²

Типы железобетонных шпал

Рис. 15. Давление в балласте под шпалой

Давление, у_опзп,Н/мм²

Толщина балласта, а_б, мм

Рис. 16. Давление на основную площадку земляного полотна в зависимости от толщины балласта

Таблица 4. Пример рельсо-балластной карты ПЧ-2 ГАЖК «УТЙ»



1.5 Цели и задачи исследования

Приведенные в диссертационной работе исследования включают в себя цели:

1. Установление напряжений в элементах верхнего строения пути при воздействии высокоскоростного поезда «Афрасиаб» на участках скоростного и высокоскоростного движения поездов со скоростями 160 - 200 - 250 км/ч.

2. Установление оптимальных параметров толщины балластной призмы по критерию ограничения максимально допустимых напряжений на основной площадке земляного полотна для конкретных условий ГАЖК «Узбекистон темир йуллари».

3. Установление оптимальных параметров плеча балластной призмы по критерию исключения выброса путидля конкретных условий ГАЖК «Узбекистон темир йуллари».

4. Исследование необходимости устройства защитного слоя земляного полотна на участках обращения скоростных и высокоскоростных поездов.

Приведенные в диссертационной работе исследования включают в себя следующие задачи:

1. Анализ параметров балластной призмы на железных дорогах мира, включая магистральные, скоростные и высокоскоростные участкиГАЖК «Узбекистон темир йуллари».

2. Сопоставление требований различных нормативных документов, действующих на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари», к балластному слою железных дорог.

3. Расчеты напряженного и деформированного состояния верхнего строения пути со шпаламитипа BF70 и скреплениями «Pandrol Fastclip» на скоростных и высокоскоростных линиях ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» при обращениивысокоскоростного поезда «Афрасиаб» на направлении Ташкент - Самарканд.

4. Сравнение полученных результатов с расчетами других магистрантов (Шодманов С.) по определению напряженного и деформированного состояния верхнего строения пути со шпаламитипа BF70 и скреплениями «Pandrol Fastclip» на скоростных линиях ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» при обращениипоездов «Шарк» и «Насаф» со скоростями до 160 км/ч.

2. Расчеты устойчивости бесстыкового пути и оптимального плеча балластной призмы на высокоскоростной линии Ташкент - Самарканд