Эффективность применения теплоизоляции земляного полотна на пучинистых участках железнодорожного пути (стр. 2 )

Замена пучащегося грунта песком или крупнообломочным материалом довольно широко применялась при сооружении земляного полотна новых железнодорожных линий. Замена грунта производилась на полную глубину промерзания и, как правило, при устроенных сопряжениях полностью ликвидировала пучины. Исходя из причин образования пучин, толщина слоя заменяемого грунта может быть уменьшена и должна определяться так же, как и для шлаковых подушек - из условия создания однородной поверхности основной площадки земляного полотна.

На дорогах Урала и Сибири для устройства противопучинных подушек широко применялись асбестовые отходы. Они зарекомендовали себя с самой лучшей стороны. В НИИЖТе при исследовании асбоотходов отмечалось уменьшение водопроницаемости после просыхания асбоотходов и образования в поверхностном слое усадочной «корочки». Было установлено, что для уменьшения инфильтрации воды в грунты и предохранения их от водонасыщения обочины земляного полотна целесообразно покрывать слоем мелких асбоотходов толщиной до 10 см.

Наряду с положительными качествами асбоотходов следует учитывать и негативные факты их применения в противодеформационных конструкциях. Так, нередко завышались теплоизолирующие свойства асбоотходов, вследствие чего применялись подушки недостаточной толщины. Неправильный учет фильтрационных свойств крупных асбоотходов приводил к устройству подушек без выпусков воды и увеличению влажности грунтов под подушкой.

Уменьшению или исключению инфильтрации атмосферных осадков в пучинистый грунт способствует планировка и гидроизоляция основной площадки с помощью полимерных рулонных или ячеистых материалов. В соответствии с международной классификацией можно выделить четыре их основных типа:

а) геотекстиль типа «спандбонд» – нетканый волокнистый материал из расплавов полимеров;

б) рулонные геосетки, образованные переплетением под прямым углом нитей или волокон из высокопрочных синтетических материалов, покрытых защитным слоем;

в) рулонные двухосные плоскостные георешетки, выпускаемые в виде сплошного перфорированного листа из полиолефинов или полиэфиров;

г) объемные георешетки - модульная, сотовидная конструкция, которая состоит из пористых синтетических лент, соединенных между собой линейными швами, расположенными в шахматном порядке.

В последнее время положительно себя зарекомендовали объемные георешетки, перераспределяющие нагрузки и рекомендованные как основное средство для увеличения прочности земляного полотна.

Устройство дренажей для ликвидации пучин получило широкое распространение главным образом потому, что при их осуществлении не нужно снимать верхнее строение пути. Однако, по данным ряда дорог осушение грунтов, как самостоятельная мера предупреждения или устранения пучения, эффективно лишь в том случае, если коэффициент фильтрации этих грунтов превышает 0,2 м/сут. Преимущество открытых дренажей заключается в том, что для их сооружения и эксплуатации применимы механизмы, имеющие широкое распространение и не требующие закрытия перегона.

Как показали исследования, подкюветные дренажи не ликвидируют полностью пучины, а только снижают их величину. Образование пучин, несмотря на устройство подкюветных дренажей, происходит потому, что основные причины неравномерного пучения – неоднородность строения основной площадки земляного полотна или наличие в ней разных углублений - с устройством дренажей не устраняются.

Поперечные дренажные прорези, как показал опыт их применения, также не ведут к существенному снижению величины пучения. Более того, на участках пути с большим равномерным пучением после устройства прорезей пучины могут проявляться еще интенсивнее в виде пучинных впадин над каждой прорезью. Образование пучинных впадин над прорезями происходит в связи с тем, что после промерзания балластного слоя и опускания фронта промерзания в связанные грунты на участках пути между прорезями начинается процесс пучения. На прорезях же, заполненных песком или шлаком, пучение в это время не происходит и может начаться только после проникания отрицательных температур ниже дна прорези. При этом интенсивность пучения над прорезями будет меньше, нежели на соседних с ним участках.

Теплоизоляция земляного полотна железных дорог, как противопучинное мероприятие, снижающее или исключающее промерзание подрельсового основания, применяется с середины 60-х годов прошлого столетия.

В настоящее время они получили наиболее широкое распространение. Этому способствовали, главным образом, экономические показатели теплоизоляции: по оценкам специалистов института «Гипротранспуть» стоимость и трудоемкость работ по предупреждению пучин укладкой пенопласта примерно в 1,5 раза меньше, чем устройство накладных и врезных противопучинных подушек, а в особо сложных условиях это различие еще существеннее – стоимость меньше в 2 раза, а трудоемкость в 6 раз. При этом стоимость пенопласта составляет от 50% до 75% от общей стоимости работ.

С появлением в Европе машин для глубокой очистки балласта (RM 80, SH 600, SHU 800) укладку плит пенопласта стали производить без снятия рельсошпальной решетки одновременно с обновлением балластного слоя

Вопросы борьбы с пучинами привлекали внимание ученых со времени постройки первых железных дорог. Как показали исследования , и , эффективность таких противопучинных мероприятий как дренаж, накладные и врезные подушки из шлака и асбоотходов, в среднем составляет около 50%.

Укладка легких теплоизолирующих плит под балластный слой – работа несравненно менее трудоемкая, чем вырезка пучинистого грунта и устройство дренажей и легко вписывается в технологический процесс капитального ремонта пути.

При реконструкции линий Санкт-Петербург – Москва и Санкт-Петербург – Выборг– Государственная граница для скоростного движения пассажирских поездов широко использовались перспективные технологии с применением синтетических геоматериалов, которые позволяют повысить эксплуатационную надежность основной площадки.

Первые упоминания о применении противопучинных устройств в Европе относятся к 1890 г., когда в скандинавских странах под балластный слой в качестве теплоизоляции были уложены старогодные деревянные шпалы или прессованная кора и опилки. В последующем там же стали применять подъемку пути на балласт и врезные подушки из гравия и песка или торфа, прессованного в виде брикетов. После обобщения известных методов борьбы с пучинами в развитых странах основным противопучинным мероприятием стало покрытие из экструдированного жестко-вспененного полистирола. Этому способствовали такие его качества, как незначительное влагопоглощение, высокая устойчивость к давлению при определенной эластичности и неспособность к гниению.

В зависимости от осевой нагрузки к свойствам теплоизоляционного материала предъявляются различные требования и на этом основании железнодорожная сеть Немецких железных дорог разделена на три зоны воздействия холода, где рекомендуемая толщина изоляционного покрытия составляет от 30 до 50 мм.

Шведские железные дороги также установили для своей железнодорожной сети необходимую толщину изоляционного слоя. Она составляет от 50 до 140 мм.

Накопленный опыт позволил разработать международные нормы по защите железнодорожных линий экструдивными плитами из жестко-вспененного полистирола.

Теплоизоляционные слои на железнодорожной насыпи со щебеночным балластом укладываются двумя различными способами: с щебеночно-песчаными слоями над и под теплоизоляционным слоем при строительстве новых железнодорожных линий и их реконструкции, а также прокладкой в щебеночном балласте в ходе очистки железнодорожного полотна.

В ходе укладки щебеночно-песчаных слоев при строительстве новых железнодорожных линий и их реконструкции изоляционный слой располагается между двумя холодоустойчивыми щебеночно-песчаными слоями.

Работы ведутся в следующей последовательности: на подготовленную поверхность укладывается щебеночно-песчаный слой, на нем размещаются «стиродуровые» плиты, сверху укладывается второй щебеночно-песчаный слой толщиной около 10 см. Затем наносится щебеночный балласт и укладываются шпалы.

При прокладке изоляционных плит в ходе очистки железнодорожного полотна защитный песчаный слой не может быть уложен ни над теплоизоляционным слоем, ни под ним. Для того, чтобы компенсировать возможные потери теплоизоляционного эффекта, вызываемые повреждением поверхности плит при вдавливании щебеня, толщина изоляционного слоя увеличивается не менее, чем на 10 мм.

Во втором разделе выполнен анализ результатов борьбы с пучинными деформациями с помощью пенополистирола на Западно-Сибирской железной дороге.

Западно-Сибирская дорога проходит по зоне глубокого сезонного промерзания и потенциально возможного образования многолетнемерзлых толщ в процессе хозяйственного освоения территории. Глубина сезонного промерзания колеблется от (0,3…0,8)м на торфяниках до (2,0…2,5)м в песчаных и глинистых грунтах.

Основными особенностями инженерно-геологических и климатических условий района являются следующие:

-  равнинность территории со сглаженными формами рельефа;

-  основными водоразделами являются материковые возвышенности с небольшой разностью высот;

-  достаточно высокая залесенность территории, причем лес в основном смешанный;

-  наличие заболоченных участков: суммарная площадь болот и озер достигает 30%, что объясняется равнинностью рельефа, плохим поверхностным и подземным стоком воды, относительным обилием атмосферных осадков;

-  близкое к поверхности земли, особенно в пониженных формах рельефа, залегание грунтовых вод, режим которых существенно зависит от выпадения осадков, вследствие чего значительную протяженность имеют участки сырых и мокрых оснований насыпей;

-  повсеместное распространение глинистых грунтов, имеющих, как правило, повышенную влажность и высокий показатель текучести: в 27% случаев отбора проб их консистенция мягкопластичная;

-  суровость климата с морозами до минус (30…40) градусов Цельсия, вследствие чего глубина сезонного промерзания грунтов, особенно на открытой от снега поверхности, может превышать 2,5 м от поверхности балластной призмы.

Для разработки проектов ремонта пути в “Сибжелдорпроект” выполнено инженерно-геологическое обследование земляного полотна по «Программе инженерно-геологического обследования» в соответствии с требованиями действующих нормативных документов. Промер балласта производился на полную мощность с помощью проходки шурфов глубиной 1,5 м по оси пути через каждые 100 м. Из шурфов с шагом 300 м сделан отбор образцов грунта из-под балласта.