РАЗДЕЛ I.
Укрепление земляного полотна и водоотвод.
Все виды инженерных сооружений, включая шоссейные дороги и подъездные пути, запроектированные по стандартной методике, воспринимают и передают нагрузки на естественное основание таким образом, что не возникает необходимость в его укреплении. По такому же принципу проектируют железнодорожный путь. Из-за сложности конструкции пути и взаимодействия между ним и поездами удовлетворительные методики для проектирования пути все еще не разработаны, поэтому все элементы пути, включая земляное полотно, работают с запасом несущей способности. Это технологическое отставание, вероятно, происходит также из-за присущей конструкции пути особенности: все элементы можно заменить или усилить.
Обычно предполагалось — единственный элемент конструкции пути, не требующий ремонта и реконструкции,— земляное полотно. Такое представление иногда приводит к тому, что земляное полотно становится ахиллесовой пятой, которая вызывает различные отклонения от нормального состояния пути. Этого может не быть, если текущее содержание и ремонт земляного полотна и водоотводных устройств будут планироваться и выполняться заблаговременно и внимательно, т. е. так же, как другие элементы пути при планировании ремонтов и работ по текущему его содержанию. Доктор У. У. Хей считает: «Важность прочного основания и хорошего водоотвода для пути не может быть переоценена».
В журнале «Железнодорожный путь и сооружения»1 отмечается (октябрь 1976 г., с. 6), что даже при больших капиталовложениях в работы по содержанию пути слабое земляное полотно остается помехой для экономичной эксплуатации пути.
Нестабильность земляного полотна.
Балласт и подбалласт1 2 дают возможность дождевым водам и водам, образующимся от таяния снега, проникать в земляное полотно, но не позволяют им испаряться. Так как у большинства насыпей нет естественного водоотвода, они неизменно насыщаются водой и остаются в таком состоянии. Даже в сухих районах из-за суточных колебаний температуры атмосферная влага конденсируется в балласте. В мелкозернистых грунтах эффект капиллярного поднятия может вызвать подъем воды на несколько футов над горизонтом грунтовых вод. Адсорбция воды и последующее размягчение могут уменьшить прочность глинистых и суглинистых грунтов земляного полотна почти до 10% нормативного значения. Большое влияние насыщения водой земляного полотна на его несущую способность очевидно.
Нестабильность пути может вызываться неудовлетворительным состоянием земляного полотна или внешними воздействиями на него. Внешние воздействия — это эрозия и повреждения откосов или склонов. Причиной неудовлетворительного состояния земляного полотна, вызывающей неустойчивость пути, могут быть выплески материала земляного полотна и перемешивание его с балластом (размягченный грунт земляного полотна выдавливается в шпальные ящики или на обочину пути), а также морозное пучение земляного полотна.
За исключением морозного пучения, эти отрицательные условия обычно отягощаются воздействием на насыщенное водой земляное полотно возрастающих скоростей движения, интенсивности движения и веса поездов. Тяжелые вагоны и отдельные поезда вызывают особые проблемы.
Методы решения проблем земляного полотна.
Выплески грунта земляного полотна можно ликвидировать укладкой слоя подбалласта или нетканого материала. Выпирание грунта на основной площадке земляного полотна устраняется при уменьшении нагрузок, передающихся на нее; усилении конструкции пути или увеличении толщины балласта; уменьшении доступа воды к земляному полотну (для этих целей сооружают водоотводные канавы и подкюветный дренаж); улучшении или упрочнении грунтов земляного полотна введением цемента или извести; укладке строительных плит.
При возникновении морозного пучения положение пути можно исправить регулировочными прокладками. Необходимость в регулировке положения пути подкладками уменьшится, если: улучшить водоотвод, выполнить подъемку пути или обработать грунт земляного полотна с использованием соли.
Выплески грунта земляного полотна.
Насыщенные водой грунты основной площадки земляного полотна могут выдавливаться в поры щебеночного или гравийного балласта под воздействием повторяющихся транспортных нагрузок.
Такое перемешивание балласта и материалов основной площадки земляного полотна нежелательно, так как уменьшается прочность и дренирующая способность балласта. Водонасыщенные мелкие пески, суглинки и глины в основной площадке чувствительны к образованию выплесков.
Выплески наиболее часто встречаются под плохо содержащимися рельсовыми стыками. При многократных подъемках пути балласт под слабым стыком может вдавливаться в основную площадку земляного полотна на несколько футов. Грязный балласт в рельсовом стыке, между тем, не должен рассматриваться как несомненный признак выплесков грунтов основной площадки. Такое загрязнение часто вызывается изломом и истиранием кусков балласта под воздействием больших динамических нагрузок.
На главных линиях в особенности старый гравий и песчаный балласт образуют эффективный фильтр против перемещения вверх материала основной площадки. До принятия мер по оздоровлению балластного слоя должна быть установлена причина его загрязнения. Для этого балласт раскапывают и исследуют его разрез.
Выплески грунтов основной площадки земляного полотна можно устранить следующим образом: уменьшить интенсивность пиковых нагрузок при движении поездов или предотвратить попадание нестабильных грунтов в балласт. Замена обычных рельсов бесстыковыми рельсовыми плетями позволяет существенно уменьшить ударные нагрузки, возникающие при проходе подвижного состава по плохо содержащимся стыкам, и таким образом уменьшить повреждения основной площадки земляного полотна.
Инфильтрацию нестабильных грунтов основной площадки земляного полотна в балласт можно предотвратить удалением загрязненного балласта и реконструкцией пути, укладкой в качестве фильтра отсортированного подбалласта или нетканого материала под балласт, защищенного сверху слоем отсортированного песка. При хорошей планировке нетканый материал можно уложить в процессе очистки балласта, но разместить его нужно на достаточной глубине под шпалами, чтобы не повредить механизмами при уплотнении балласта.
Временно уменьшить выплески грунта основной площадки земляного полотна можно инъецированием битумной эмульсии в балласт в зоне стыков с выплесками. Это делается до начала работ по очистке балласта. Использовать верхнюю часть балласта, загрязненного выплесками, не рекомендуется, так как последующие выплески в конце концов загрязнят и новый балласт.
Нагрузки, передающиеся на основную площадку земляного полотна.
На основную площадку земляного полотна совместно действуют два главных фактора — поездные нагрузки и вода. Поездные нагрузки распределяются неравномерно по поверхности основной площадки в силу особенностей конструкции пути с концентрацией напряжений под каждой шпалой. Если основная площадка выполнена из дренирующего песка или супеси, то нагрузки вызывают уплотнение грунтов, которые в дальнейшем стабилизируются. В наиболее общем случае при наличии недренирующих мелкозернистых суглинистых или глинистых грунтов сочетание свободной воды, насыщающей грунты, и часто повторяющихся поездных нагрузок приводит к образованию порового давления, которое ослабляет грунты. Грунт постепенно перемещается из области с высокими напряжениями в подрельсовом сечении под шпалами в области с пониженными напряжениями между шпалами. В местах, где достаточная толщина балласта препятствует такому перемещению, грунт перемещается в направлении обочины. Это приводит к образованию углублений в основной площадке в местах повышенных напряжений, называемых балластными карманами. Вокруг каждого балластного кармана образуется гребень из водонепроницаемого грунта, который удерживает в нем воду. В связи с тем что глина выдавливается из карманов, нижележащие слои глины при наличии воды размягчаются: происходит непрерывное размягчение и перемещение глины в балластном кармане. Однажды начавшись, процесс формирования балластных карманов становится саморазвивающимся.
Постоянная очистка балласта и прочистка кюветов могут не оказать стабилизирующего действия на балластные карманы, так как они могут развиваться даже в насыпях, если основная площадка состоит из водонепроницаемых грунтов.
Нестабильность пути, вызванную перемещением грунта основной площадки, можно устранить следующим образом: уменьшить приток воды к основной площадке; улучшить или упрочнить грунт основной площадки. В этих случаях обычно уменьшают нагрузки на основную площадку земляного полотна.
Уменьшение нагрузок на основную площадку земляного полотна.
В существующей конструкции пути поездные нагрузки, передающиеся на основную площадку земляного полотна, можно уменьшить, если распределить нагрузки от колес подвижного состава на большую площадь основной площадки земляного полотна. Это достигается укладкой более тяжелых рельсов, увеличением жесткости, эпюры и длины шпал, толщины балласта или комбинацией этих вариантов.
Интересный экономический анализ сделан Робертом Е. Алфом для железной дороги Иллинойс Централ Галф (Illinois Central Gulf Railroad). Согласно этому исследованию замена рельсов приблизительно в 2 раза дороже, чем выполнение работ по устройству хорошего водоотвода, балластировке и уплотнению.
Между тем основным для достижения максимальной эффективности при модернизации пути является улучшение модуля упругости пути, который формируется за счет улучшения водоотвода, состояния балласта и шпал. Как отмечает Р. Е. Алф («Железнодорожный путь и сооружения», март, 1975, с. 34—37, 90—92), «это будет значительно более эффективно и менее дорого, чем укладка рельсов более тяжелого типа».
Относительное влияние веса рельсов, эпюры шпал, их длины и толщины балласта на значения напряжений на основной площадке земляного полотна может быть оценено на основании данных, полученных путем математического моделирования. Напряжения на основной площадке земляного полотна измеряли на поверхности контакта балласта с земляным полотном при толщине балластного слоя под шпалами 12 дюймов. Испытания показали, что:
- при увеличении веса рельса со 100 до 132 фунтов напряжения на основной площадке земляного полотна уменьшаются на 6%;
- при уменьшении расстояния между шпалами с 26 до 22 дюймов напряжения на основной площадке земляного полотна уменьшаются на 10%;
- при увеличении длины шпалы с 8 до 9 футов напряжения на основной площадке земляного полотна уменьшаются на 12%;
- при увеличении толщины слоя балласта с 12 до 16 дюймов напряжения на основной площадке земляного полотна уменьшаются на 20%.
Во всех случаях воздействие на земляное полотно уменьшается с глубиной. Насколько известно, железобетонные шпалы не являются эффективным средством уменьшения напряжений на основной площадке земляного полотна, хотя укладка таких шпал, вероятно, не приведет и к увеличению напряжений на основной площадке земляного полотна.
Приведенные выше данные не были сопоставлены с результатами измерений на пути и при расчетах не учитывалась динамическая подвижная нагрузка, поэтому их можно использовать в основном для сравнительных целей (не для планирования работ по текущему содержанию). Допускаемые напряжения на основной площадке земляного полотна установить трудно*. Их значения в значительной степени зависят от грунтов, из которых отсыпано земляное полотно. Поэтому допускаемые напряжения никогда нельзя принимать постоянными. Для каждого отдельного грунта нужно знать минимальные допускаемые напряжения под воздействием динамических нагрузок, которые вызывают расползание грунта. Уровень допускаемых напряжений должен быть установлен таким образом, чтобы грунт не расползался под воздействием поездных нагрузок. Расползание грунта возникает при напряжениях более низких, чем при действии разрушающей нагрузки.
* В СССР допускаемые напряжения на основной площадке земляного полотна приняты равными 0,08 МПа (примеч. ред. перевода).