Эффективность применения теплоизоляции земляного полотна на пучинистых участках железнодорожного пути (стр. 1 )

На правах рукописи

ЦИГИПОВ АЛЕКСАНДР ДМИТРИЕВИЧ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ПУЧИНИСТЫХ УЧАСТКАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Специальность 05.22.06 – Железнодорожный путь, изыскания и проектирование железных дорог

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 2004 г.

Диссертация выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщения

Научный руководитель: Доктор технических наук,

профессор

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

профессор

Кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Ведущее предприятие: «Сибгипротранс»

Защита состоится « » января 2004 года в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д 218.012.03 при Сибирском государственном университете путей сообщения 91.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного университете путей сообщения (СГУПС).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю по указанному адресу.

Автореферат диссертации разослан « » декабря 2003 года.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В последнее десятилетие значительно повысились требования к надежности земляного полотна. Это связано с увеличением массы и скорости движения поездов и, особенно с учетом нового статуса железных дорог, который приобретает значение транспортных коридоров Север – Юг, Восток – Запад.

На дорогах, построенных в Сибири и на Востоке страны, значительный объем деформаций связан с промерзанием и пучением глинистых грунтов в теле насыпей и основании выемок. Это существенно ограничивает возможность укладки бесстыкового пути на этих участках, одним из условий, применения, которого является полное исключение болезней земляного полотна.

Ежегодно затрачиваются огромные средства на устранение пучинных деформаций, но не всегда получается ожидаемый эффект. Применение теплоизолирующих покрытий без расчетного обоснования ведет к перерасходу средств или использованию пенопластов недостаточной толщины. Это, несомненно, наносит ощутимый ущерб отрасли и говорит о малой изученности факторов, влияющих на величину пучения и предотвращающих его.

Методика определения толщины пенополистирола, приведенная в ЦПИ–24 «Технические указания по устранению пучин и просадок железнодорожного пути», не учитывает характерного для Западно-Сибирской железной дороги балластного напластования, состоящего из загрязненных балластных материалов толщиной до 1,5 м. и остающейся асбестовой подушки, имеющей высокие теплоизоляционные свойства. Толщина пенополистирола получается завышенной.

Существует необходимость в дальнейшем исследовании и теоретическом обобщении этой проблемы, базирующихся на современных представлениях о морозном пучении грунтов, при всем многообразии факторов, влияющих на формирование и динамику сил морозного пучения, а также в разработке надежных методов расчета толщин теплоизолирующих покрытий. Поэтому тема настоящей работы имеет важное практическое значение и является актуальной в научно – теоретическом плане.

Предметом исследования является процесс промерзания земляного полотна на пучинстых участках железнодорожного пути.

Объектом исследования является противопучинная конструкция пути с применением теплоизоляции земляного полотна.

Целью работы является оптимизация проектирования теплоизолирующих противопучинных устройств с обеспечением их эффективности при одновременном снижении затрат.

Основные задачи исследований:

-  обобщение опыта борьбы с пучинными деформациями на отечественных и зарубежных железных дорогах с выполнением патентного поиска научных решений;

-  исследование динамики промерзания пучинистого грунта и деформаций пучения на экспериментальном участке;

-  математическое моделирование процессов промерзания подрельсового основания на персональном компьютере в различных климатических и геологических условиях;

-  разработка обоснованных методов определения конструкции и толщины теплоизолирующего покрытия с учетом местных факторов.

Методика исследований. В работе использованы результаты теоретических и экспериментальных исследований в полевых и лабораторных условиях. Полевые экспериментальные исследования, выполненные на перегоне Кабинетное – Коченево по главному ходу Западно – Сибирской железной дороги, включали инструментальные наблюдения за участком железной дороги на пучинистых грунтах при их сезонном промерзании с использованием электрических датчиков температуры и неравновесного моста для съема значений. В лабораторных условиях были определены геологические показатели грунтов и проведены вычислительные эксперименты, моделирующие промерзание подрельсового основания.

Научная новизна работы заключается в комплексном подходе к назначению противопучинных мероприятий, включая пенополистирол, геотекстиль и асбестовые отходы с учетом возможностью промерзания пассивной зоны пучения.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложены технические решения по борьбе с пучинами на Западно-Сибирской железной дороге, обеспечивающие требуемую их эффективность при одновременном снижении затрат. Обоснованы наиболее эффективные конструкции противопучинных устройств.

Реализация работы. Основные результаты работы были использованы на Западно-Сибирской железной дороге при проектировании усиленного капитального ремонта пути в 2001 – 2003 г. г. на перегонах Барабинск - Труновское, Кормиловка – Калачинская.

Апробация работы. Результаты работы и практические рекомендации докладывались и были одобрены: на заседании кафедры "Путь и путевое хозяйство" СГУПС в 2001, 2002, 2003 г. г. и на научно-практических конференциях: «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе», «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока Транссибу».

Основные научные результаты, защищаемые автором:

-  методика прогнозирования процессов промерзания подрельсового основания для наиболее неблагоприятных сочетаний природных и грунтовых условий;

-  методика назначения размеров теплоизоляционного покрытия и его сопряжений с соседними участками, с учетом величины пучения, суммы морозоградусосуток и толщины балластных отложений;

-  рекомендации по техническим условиям реализации противопучинных устройств при усиленном капитальном ремонте пути.

Публикации основные положения диссертации опубликованы в трех статях общим объемом 1,5 печатных листа.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и предложений, списка литературы и приложений.

Работа содержит 80 страниц основного текста, 24 рисунка, 27 таблиц. Список использованной литературы включает 56 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

На территории Западной Сибири и Востока страны пучинистые грунты имеют широкое распространение. К ним относятся глины, суглинки, супеси, мелкие и пылеватые пески. При определенной влажности эти грунты, замерзая, увеличиваются в объеме, что приводит к подъему слоев грунта в пределах глубины его промерзания.

На железнодорожном пути пучение может быть равномерным и неравномерным. Неравномерное пучение проявляется в виде пучинных горбов, впадин или перепадов.

Появление неравномерных пучин при промерзании грунта под основной площадкой может быть вызвано следующими причинами:

-  образование балластных углублений в виде корыт, лож, мешков и гнезд;

-  неоднородность сложения грунтов в поперечном и продольном профиле;

-  неравномерность увлажнения грунтов в поперечном профиле.

Согласно современным представлениям основное условие пучения любого грунта состоит в превышении объема замерзшей Wл и незамерзшей Wн воды, содержащейся в промерзающем грунте, над объемом свободных от воды пор. Теплообмен, происходящий в грунте при отрицательной температуре на его поверхности, влияет не только на местные фазовые превращения влаги, но и способствуют ее пространственному перераспределению (миграции) в жидком и парообразном состоянии, что ведет к приращению толщины ледяных прослоек в промерзающем грунте.

Замерзание свободной воды начинается с образования мелких частиц твердой фазы, вызываемого процессом зарождения центров кристаллизации. Возникновение этих центров проистекает в условиях переохлаждения жидкости, то есть при температуре более низкой, чем температура последующего роста кристаллов.

При этом формирование прослойки или линзы льда на данном горизонте за счет свободной воды будет продолжаться до тех пор, пока количество отводимого тепла не превысит количество тепла, выделяющегося при кристаллизации и поступающего из нижележащих слоев грунта, или пока не прекратится питание кристаллов водой вследствие сопротивления, оказываемого капиллярным силам скелетом грунта в процессе развития сжимающих напряжений при объемном расширении замерзающей воды.

Таким образом, пучинные деформации могут возникать при одновременном проявлении трёх условий: наличия пучинистых грунтов, высокой их влажности и промерзания. Исключение любого из этих условий устраняет возможность образования пучин. Так, замена пучинистых грунтов непучинистыми материалами осуществляется устройством врезных подушек, снижение влажности достигается качественной планировкой основной площадки, её гидроизоляцией или осушением грунта, а выведение глубины промерзания из зоны пучащегося грунта может быть реализовано увеличением толщины балластного слоя, размещением в нем накладной подушки из материала с низкими теплопроводными свойствами или теплоизоляционным покрытием. По каждому из этих трех направлений борьбы с пучинами был проанализирован опыт эксплуатации отечественных и зарубежных железных дорог и выполнен патентный поиск предложенных технических решений.

В качестве материала врезных подушек чаще всего использовался шлак, дренирующий песок или крупнообломочный грунт (гравий, галечник, щебень). Но при исследовании работы шлаковых подушек и изучении температурного режима земляного полотна на участках пучения были установлены не только факты полного промерзания шлаковых подушек, но также и почти полная идентичность процесса промерзания и распределения изотерм в шлаковых подушках и на соседних незашлакованных участках земляного полотна. Почти одинаковый характер промерзания основной площадки земляного полотна со шлаковыми подушками и на соседних участках пути без них объясняется, с одной стороны, увеличением влажности шлака, и, следовательно, повышением коэффициента его теплопроводности по сравнению с сухим шлаком и различной интенсивностью выделения скрытой теплоты льдообразования (в шлаке меньше, нежели в связанных грунтах), а с другой - наличием теплового потока из нижних слоев грунта в верхние, влияние, которого больше сказывается на уменьшении скорости и глубины промерзания грунта, обладающего большей теплопроводностью, чем шлак. Сказанное позволяет утверждать, что шлак в основной площадке земляного полотна, особенно в выемках, прикрытый слоем балласта толщиной в 0,5 м при его увлажнении, как термоизолирующий и дренирующий материал, не имеет значительного отличия от крупно - и среднезернистого песка. Эти выводы подтверждаются выполненными расчетами выделения скрытой теплоты льдообразования и глубины промерзания по опытным участкам с исходными данными, взятыми из натурных наблюдений. Таким образом, эффективность шлаковых подушек связана не теплофизическими свойствами шлака, а планировкой поверхности основной площадки и ликвидацией имеющихся в ней углублений при устройстве шлаковой подушки.