Деформация основной площадки

Деформация основной площадки земляного полотна. Основная площадка земляного полотна – это один из важных составных элементов железнодорожного полотна, определяющаяся стабильностью геометрии рельсовой колеи.

Вместе с тем сложные условия работы с грунтами основной площадки, как правило приводят к широкому распространению в сети железных дорог дефектов и деформаций этого составного элемента (более 40 % от протяжения всех видов деформаций), что вызывает повышенные затраты на содержание пути.

Проблема обеспечения стабильности основной площадки становится особенно острой на линиях, где предусматривается введение скоростного пассажирского движения либо повышение осевых или погонных нагрузок в грузовом движении.

Наиболее характерными факторами деформация основной площадки являются балластные углубления, которые связаны с недостаточной прочностью слагаемых в ней грунтов, что и вызывает попадание мелких частиц грунта в балласт и последующее его интенсивное загрязнение, а также морозное пучение при промерзании и весенней усадки при оттаивании.

Условия работы этого элемента для длительно эксплуатируемых линий существенно отличаются от условий работы для только что построенного полотна.

Основным отличием деформация основной площадки является то, что под основной площадкой при длительной эксплуатации накоплена толща из старого балласта, представляющего собой смесь материалов с разными свойствами, граница их не имеет правильного очертания, что не обеспечивает нормальный отвод проникающей в балластную призму воды.

При этом главным вопросом является вопрос свойств этих материалов: возможность восприятия нагрузки, фильтрационные свойства и склонность к морозному пучению при замерзании.

Для ответов на эти вопросы рассмотрим возможные случаи появления деформаций на основной площадке при выходе этого элемента земляного полотна за предельное состояние.

Первую группу деформация основной площадки земляного полотна составляют развитие балластных углублений и появление выплесков в результате поднятия вверх мелких частиц грунта. Причинами данных деформаций является недостаточная прочность (несущая способность), либо глинистых грунтов под накопленными балластными материалами с внедрением этих материалов в ослабленные глинистые грунты, либо загрязнение мелкими частицами балластных материалов.

При этом зона их развития распространяется на так называемую рабочую зону земляного полотна под основной площадкой, в местах где имеется наибольшее силовое воздействие и нагрузка. Глубина этой зоны составляет до 1 метра и более, а внешней нагрузкой, вызывающей деформации, являются напряжения в грунте, возникающие от воздействия поездов.

Соответственно прочность грунтов площадки существенно зависит от их влажности, снижаясь при ее увеличении. Причем нарушение условий прочности при повышении влажности возможно как в глинистых грунтах, так и в балластных материалах, имеющих наибольшее содержание пылевато-глинистых грунтов.

Для правильной оценки возможных изменений предельного состояния по несущей конструкции рабочей зоны земляного полотна железных дорог применяется два способа:

—   расчетный, основанный на оценке возникновения в грунте сдвигов, возникающих по причине превышения напряженности предельной нагрузки, определяемой его прочностными свойствами;

—       натурный, основанный на выделении участков возникновения больших упругих усадок, в которых под расчетной нагрузкой не превышают изменения 2 мм.

При этом непревышение напряжений должно быть определено в каждой точке грунтового массива.

По форме и глубине развития углублений различают: балласт­ные корыта, ложа, мешки и гнезда (рис. 1)

Рис. 1. Балластные углубления: а — балластные корыта; б — балластное ложе; в — балластный мешок; 1 — балласт; 2 — грунт земляного полотна; 3 — вода

Балластные корыта, замкнутые под каждой шпалой в углублениях конструкции основной площадки, чаще всего связаны с недостающей толщиной балласта под шпалой и образуются в начальном периоде сооружения земляного полотна. Глубина их минимальна и составляет 0,1—0,3 метра.

Балластные ложа, вытянутые вдоль железнодорожного пути замкнутые углубления в основной площадке (развиты под несколькими соседними шпалами), чаще всего связаны с недостаточным уплотнением глинистых грунтов насыпей и недостаточной прочностью глинистых грунтов для выемок. Глубина лож достигает 0,4—0,5 метра.

Балластные мешки, замкнутые глубокие вдавливания в основной площадке, развитые в поперечном сечении, часто к откосной части, формируются в течение продолжительного срока эксплуатации, как правило, на высоких насыпях и, особенно, в зонах водопропускных труб, по причине недостаточной прочности глинистых грунтов.

Глубина мешков может составлять от одного до несколько метров. Опасность балластного мешка заключается в формировании условий для смыва откоса из-за прорыва скопившейся в нем воды и выноса мелких частиц.

Балластные гнезда, балластные мешки и ложа, имеющие один или несколько карманов, которые заполнены балластными материалами, характеризуются следующими опознавательными признаками: просадка пути, толчки, перекосы, разжижение и выплески балласта, трещины на поверхности балластного слоя, на откосах и обочинах, выпирание глинистого грунта на междупутье или в кюветы.

Для устранения последствий деформаций балластных углублений производится выпуск воды из углубления и отведение ее от мест неисправностей, вырезка слабых грунтов и подъем пути на балласт с его выправкой и обеспечением норм геометрии рельсовой колеи.

Вторую группу деформация основной площадки земляного полотна составляют деформации морозного пучения как в виде пучин, так и равномерного пучения, которые для обеспечения безопасности и устойчивой работы железнодорожного пути, должны быть устранены на участках, с намеченным проведением ремонтных работ.

При этом деформации зимой проявляются при промерзании в виде вспучивания грунта, а весной при оттаивании — в виде просадок. Зоной развития таких деформация основной площадки является деятельный слой грунта, где периодически происходят промерзания и оттаивания. Глубина такой зоны зависит от климатических условий и может доходить до 3 метров.

Морозное пучение грунта — это увеличение его объема при замерзании в порах воды, которое приводит к поднятию его поверхности. Этот процесс в грунтах, склонных к пучению, происходит примерно следующим образом.

При вхождении фронта промерзания во влажный пучинистый грунт вода начинает замерзать вначале в более крупных порах, образуя центры кристаллизации льда, рост которых вызывает уменьшение пленочной влаги и нарушение ее равновесия. Создается разность потенциалов влажности, которая приводит к миграции влаги к фронту промерзания из теплых слоев грунта.

Эта влага замерзает, образуя новые линзы льда, и процесс продолжается в динамике дальше вместе с движением фронта промерзания вглубь грунта. Процесс замерзания влаги в слое грунта продолжается до достижения его температуры минус 3—5 °С, когда происходит замерзание прочно связанной влаги.

При оттаивании грунта происходит обратный процесс. При этом над фронтом оттаивания образуется слой слабого водонасыщенного грунта, фильтрация воды из которого возможна только вверх в уже оттаявшие грунты. Такие условия создают предпосылки к потере прочности грунта, его выдавливанию в стороны и к просадкам пути.

На железных дорогах России по морозному пучению нормируется как сама деформация, так и ее неравномерность. На эксплуатируемом пути эти величины нормируются в зависимости от скорости движения поездов.

Величина пучения определяется по высоте поднятия поверхности балластного слоя (рельсошпальной решетки) по сравнению с ее предзимним положением. При разнородном составе грунтов земляного полотна величина пучения определяется суммой величин пучения всех грунтов, слагающих зону сезонного промерзания.

Общепринятой количественной характеристикой степени пучения грунта является интенсивность пучения, которая представляет собой отношение величины пучения слоя промерзшего грунта к его толщине. Соответственно, чем больше величина пучения, тем более пучинистым считается грунт.

К пучинистым грунтам относятся все глинистые грунты, мелкие и пылеватые грунты, а также крупнообломочные грунты с большим содержанием мелких частиц. Загрязнение толщины старого балласта, при определенном содержание в нем пылеватых и глинистых частиц так же может быть пучинистым.

Дренирующие грунты, предохраненные от загрязнения и заиливания, неводонасыщенные мелкие пески, а также асбестовые отходы, применяемые в качестве балластных материалов, пучению не подвержены.

Пучинами называют неравномерные по протяжению пути деформации морозного пучения, которые вызывают искажения профиля рельсовой колеи, превышающие ее допуски по содержанию. В отличие от пучин равномерным пучением называются такие деформации морозного пучения, которые не приводят к искажению профиля рельсовой колеи выше допускаемых норм содержания.

Пучины фиксируются дистанциями пути в техническом паспорте в виде ведомости пучин (Форма ПУ10). Пучина характеризуется высотой и длиной. Высота пучины определяется разностью между величиной пучения в месте максимальной неровности hн и величиной равномерного пучения hp.

Величины hн и hp могут быть определены только инструментально по результатам двух кратного нивелирования в момент до начала промерзания и при максимальном промерзании. Косвенно в дистанциях пути высоту пучины определяют максимальной толщиной пучинных прокладок, на которые исправляют путь. По величине высоты пучины классифицируются на пучины высотой до 10 мм, от 10 до 25, от 25 до 50 и более 50 мм.

Рис. 2. Разновидности пучин: а — пучинный горб; б — пучинная впадина; в — пучинный перепад; г — перекосная пучина; д — односторонняя пучина; е — пучинный участок; I и II — левая и правая нити; 1,2— соответственно летнее и зимнее положение пути; 3— пучинные подкладки; hp — величина равномерного пучения; hr hB, hn, hoa — высота соответственно пучинного горба, впадины, перепада, односторонней пучины

По форме искажения рельсовой колеи выделяются следующие основные разновидности отдельных пучин (рис. 2): пучинный горб, пучинная впадина, пучинный перепад, перекосная пучина, односторонняя пучина. Кроме приведенных разновидностей пучин на практике часто встречаются также протяженные пучинные участки (длина 100 м и более), где имеется по протяжению чередование отдельных неровностей (рис. 2, е).

Возникновение пучин, при которых неравномерность морозного пучения превышает установленные нормы, происходит по следующим причинам:

—неоднородность состава и сложения грунта по простиранию и по глубине;

—неравномерность увлажнения грунта в результате перераспределения фильтрующейся атмосферной влаги, а в местах балластных углублений, за счет локальных источников грунтовых вод;

—неравномерность промерзания грунта земляного полотна и основания в местах инженерно технических сооружений (на пересечениях трубопроводов, водопропускных труб, пассажирских платформ и т.п.), а так же по причине неодинаковой толщины снежного покрова.

Эти причины могут возникать как порознь, так и совместно. К особому виду пучин относят налёдные пучины, которые образуются при наличии напорного потока грунтовых вод. Налёдные пучины характеризуются большой высотой, которая может составлять 100 мм и более.

Просадки при оттаивании грунтов земляного полотна возникают на участках пучин или при большом равномерном пучении, когда распученный грунт при его оттаивании теряет свою прочность.

Просадки происходят в весенний период и характеризуются быстропротекающими неравномерными оседаниями и сдвижками рельсовой колеи, разжижением глинистого грунта с выплесками из-под шпал и выдавливанием масс этого грунта на поверхность обочин, в кюветы или в междупутье.

Последствия пучин устраняются выправкой пути в зимнее время на специальные пучинные подкладки, а в весеннее время — и выправкой балластом. При значительных деформация основной площадки и с учетом быстротечности процесса деформирования и трудности прогнозирования его протекания часто на участках пучин во время их роста и спада приходится вводить ограничения скорости движения поездов.

Наиболее частому пучению и просадкам подвержены участки железнодорожного пути со следующим типом земляного полотна:

• выемки, нулевые места и насыпи высотой до 2 метров при залегании в зонах промерзания пучинистых грунтов;
• выемки и нулевые места в скальных легковыветривающихся породах при избыточном переувлажнении, а так же близком залегании грунтовых вод;
• концевые участки выемок;
• полунасыпи и полувыемки, основания которых сложены из пучинистых грунтов;
• насыпи высотой более 2 метров, сложенные глинистыми грунтами;
• насыпи на участках подходов к мостам и водопропускным трубам, отсыпанные глинистыми грунтами;
• земляное полотно на пересечении трубопроводов, теплотрасс изменяющих температурный режим грунтов;
• земляное полотно на косогорах или вблизи их подошв при наличии потока грунтовых вод в пределах зоны промерзания.

Помощь студентам железнодорожникам