1 На правах рукописи ЦИГИПОВ АЛЕКСАНДР ДМИТРИЕВИЧ
реклама
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. 2 Диссертация выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщения Научный руководитель: Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Карпущенко Николай Иванович Доктор технических наук, профессор Исаков Александр Леонидович Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Потапов Анатолий Симонович Ведущее предприятие: «Сибгипротранс» ОАО «РЖД» Защита состоится « » января 2004 года в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д 218.012.03 при Сибирском государственном университете путей сообщения по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191. 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 С.А. Бессоненко 3 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; 4 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 БарабинскТруновское, 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. 5 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 6 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. 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 7 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, 8 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 Титова В.П., Моченова Г.М. и Грицыка В.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. 9 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 щебеночнопесчаными 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. 10 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” ОАО «РЖД» 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. В результате выполненных работ составлены инженерно-геологические профили, на которых имеется полная информация о виде и толщине напластований балластных материалов на каждом пикете, о виде и состоянии грунтов земляного полотна и основания. На стадии разработки проекта производился подробный анализ продольного профиля и разбивка его на расчетные участки с одинаковыми условиями, к которым относятся: тип земляного полотна, вид и состояние (интенсивность 11 пучения) грунтов земляного полотна и основания, характер напластований и мощность балластных материалов, величина проектной подъемки или срезки. В зависимости от вида грунта, числа пластичности, плотности в сухом состоянии, естественной влажности и влажности на границе текучести определялись: коэффициент теплопроводности, объемная теплоемкость для талого и мерзлого состояний и теплота фазовых переходов для каждого грунта, которые необходимы для теплотехнических расчетов. При усиленном капитальном ремонте пути верхний, как правило, асбестовый, слой балласта заменяется на щебень твердых пород, что может привести к значительному увеличению глубины промерзания и влажности глинистых грунтов земляного полотна, а значит и величины пучения. Рекомендуемая ЦПИ-24 методика расчета толщины теплоизолирующих покрытий не учитывает такого важного фактора, как наличие в балластном слое асбеста, что приводит к значительному увеличению объема пенополистирола. Алгоритм, реализующий метод решения системы дифференциальных уравнений теплопроводности применительно к расчету процессов промерзания и оттаивания грунтовых оснований, был впервые предложен к.т.н. Палькиным Ю.С. в 1966 году. Далее он прошел широкую апробацию при прогнозе теплового состояния проектируемых транспортных объектов – земляного полотна, зданий, мостов, водопропускных труб на железнодорожных линиях Сибири и Востока страны. В 1999г. в “Сибжелдорпроекте” по этому алгоритму была разработана программа «Led-IА». Программа позволяет определять температуры грунта на любой период промерзания при одномерном процессе теплопередачи в системе «атмосфера – балластная призма - теплоизоляция – грунт». Фактически температурное поле в земляном полотне формируется в результате двухмерного процесса теплопередачи с учетом горизонтальных теплопотоков. Однако, влияние этих теплопотоков существенно меньше, чем теплопередача по вертикали. Если при этом учесть, что точность воспроизведения n-мерного пространства в тепловых задачах должна соответствовать точности назначения исходной информации, которая принимается в практических расчетах с известной степенью приближения, правомерность применения одномерной схемы промерзания вполне оправдана. Имея всю исходную информацию, легко решается задача о глубине промерзания, и, соответственно, величине пучения любого подрельсового основания. Мощность пенополистирола, принятая к укладке, определена как уточненная расчетная с запасом на вдавливание щебня (1см) и кратная толщине поставляемого пенополистирола «Стиродур» типа RHS (40, 50, 60 мм). Результаты расчетов выдаются в табличной форме, где показаны: границы участков; вид, последовательность напластований и толщина балластных материалов, теплоизоляции, грунтов; глубина промерзания общая и глинистых грунтов; интенсивность пучения; величина пучения. 12 В настоящее время анализ существующего и прогноз послеремонтного водно-теплового режима земляного полотна на Западно-Сибирской железной дороге производится по описанной выше методике. В 1999 г. кафедрой «Путь и путевое хозяйство» СГУПС под руководством профессора Щепотина Г.К. были выполнены инструментальные наблюдения за опытными участками, на которых были уложены покрытия из пенополистирола. Сравнение результатов натурных исследований глубины промерзания любого подрельсового основания с расчетными показало хорошее совпадение расчетных и фактических данных. В частности, по измерениям на Называевской дистанции пути отличие натурных измерений от расчетных составило не более 11%. Кроме обоснованного назначения толщины и ширины теплоизоляции важным условием ее эффективности является правильное проектирование сопряжений противопучинного устройства с соседними участками. Сопряжения выполняются за счет уменьшения толщины и (или) ширины слоя тепловой изоляции, а также укладкой пенополистирола с постепенным увеличением зазора между плитами. Длина сопряжения L определяется расчетной величиной равномерного пучения Рр у краев теплоизоляционного покрытия и допустимым уклоном отвода рельсовых нитей. Наиболее распространенная технология проведения капитального ремонта включает шесть этапов: 1. Подготовительные работы. 2. Основные работы. - вырезка загрязненного балласта машиной RM 80; - разборка существующей рельсошпальной решетки; -срезка, планировка и уплотнение верхнего слоя балластной призмы комплексом автотракторной техники; - укладка новой рельсошпальной решетки с инвентарными рельсами и звеньевого пути; - укладка тепловой изоляции из плит пенополистирола; - балластировка пути новым щебеночным балластом. 3. Отделочные работы. 4. Замена инвентарных рельсов на рельсовые плети. 5. Ввод рельсовых плетей в расчетный интервал температур 6. Шлифовка рельсов. До начала выполнения основных ремонтно–путевых работ в подготовительный период демонтируются стеллажи покилометрового запаса рельсов, снимаются путевые и пикетные знаки. Путевым стругом производится срезка загрязненного балласта с обочины земляного полотна и откоса балластной призмы. Подготавливаются места для въезда на путь и съезда с него землеройной техники. Производится опробование и смазка стыковых болтов. Подготавливаются места для зарядки машины ВПО-3000. Производится 13 детальная разбивка трассы с выноской проектных отметок на опоры контактной сети. Перед началом работы машины RM 80 производится подъемка рельсошпальной решетки машиной ВПО-3000 и подготавливается место для зарядки выгребного устройства щебнеочистительной машины. При вырезке загрязненного балласта машиной RM 80 по слою старого балласта устраивается срез с уклоном 0,04 в сторону обочины на глубине 40 см под шпалой. Загрязненный балласт отгружается в состав из ПУ. Затем транспортируется в отвал с последующей отвозкой в хранилище. Исправление искажений продольного профиля, в основном, выполняется машиной RM 80 при срезке верхнего слоя балластной призмы и подготовке постели для укладки звеньев. Окончательная выправка пути производится в отделочных работах (третий этап). Анализ опыта применения противопучинных мероприятий на железных дорогах с учетом результатов борьбы с пучинами на Западно-Сибирской дороге показал, что использование пенополистирольных покрытий в конструкции верхнего строения пути является наиболее перспективным направлением ликвидации пучинных деформаций. В то же время имеется ряд малоизученных вопросов, что нередко приводит к неоправданному завышению объема пенополистирола или неэффективному его применению. В частности, не выявлены рациональные сферы теплоизоляции основной площадки в сочетании с ее гидроизоляцией в зависимости от величины пучения; при назначении толщины пенополистирола, не учитывается наличие в промерзающем слое грунта зоны пассивного пучения, формирующейся при температуре близкой 00С в конце зимнего периода; отсутствует практика использования асбестовых отходов в совокупности с покрытием из пенополистирола. Выполненная работа является попыткой решения данных вопросов применительно к условиям Западно-Сибирской дороги. Исследования включали в себя наблюдения за промерзанием подрельсового основания на опытном участке, геодезические измерения на линии с уложенным покрытием и математическое моделирование процессов промерзания на персональном компьютере. В третьем разделе изложена методика и приведены результаты экспериментальной части работы. Для измерения температуры по глубине подшпального основания использована методика дистанционного определения величин электрического сопротивления грунтов с помощью медных электрических датчиков температуры (ЭДТ). Комплект для полевого измерения температуры грунтов в скважинах представляет собой гирлянду (сборку) электрических датчиков температуры, закрепленных на несущем шнуре в соответствии с глубиной точек измерения После установки термоплети в скважину необходима ее выдержка (1…1,5) часа для восстановления теплового равновесия между ЭДТ и грунтом. 14 После этого при помощи декадных переключателей снимаются показания сопротивлений электрических датчиков температур, а далее вычисляется температура по формуле: t Rt R0 , S где t – вычисляемая температура, оС; Rt – измеренное электрическое сопротивление, Ом; R0 – номинал сопротивления электрического термометра, Ом, при температуре 0оС; S – коэффициент чувствительности, полученный в результате градуировки термометров (индивидуальная поправка на "место нуля" электрического термометра), Ом/оС. В октябре 2001г. на двухпутном электрифицированном участке железнодорожной линии Кабинетное – Коченево в районе о.п. Лесная Поляна на пк 32723+80,00 было выполнено бурение трех наблюдательных скважин глубиной 3,0 м с последующей обсадкой металлическими трубами. В процессе бурения отбирались монолиты и образцы грунта через 0,5 м, для которых в лабораторных условиях устанавливались следующие параметры: - природная влажность; - пределы пластичности; - гранулометрический состав; - реакция с соляной кислотой. Земляное полотно представлено насыпью высотой более 3,0 м. Откосы насыпи устойчивы, задернованы, покрыты шлейфовыми отложениями. На момент обследования по I пути в сентябре 2001г. выполнен капитальный ремонт с заменой асбеста на щебень и укладкой пенополистирола толщиной 6 см. По II пути капитальный ремонт был выполнен в 2000 г. без укладки пенополистирола. Балластная призма по оси I пути однослойная, по оси II пути – двухслойная. Балластные отложения песчано-гравийные толщиной (30…65) см. Суммарная мощность вновь уложенного и старого балласта от верха шпалы (128…157) см. Грунты земляного полотна представлены суглинками тяжелыми пылеватыми черно-бурого цвета с включениями почвы, вскрытой мощностью (1,43…1,72) м. Суглинки тяжелые пылеватые с числом пластичности 0,13…0,17 при влажности на границе текучести 0,32…0,38, раскатывания 0,16…0,25. Грунты средней степени водонасыщения (коэффициент водонасыщения 0,75…0,78) и насыщенные водой (коэффициент водонасыщения 0,83…0,85). По показателю текучести суглинки, преимущественно, полутвердой консистенции (показатель текучести 0,06…0,25), реже тугопластичной (показатель текучести 0,31…0,50) и мягкопластичной (показатель текучести 0,63). Плотность грунта составляет (1,81…1,93)г/см3, плотность сухого грунта (1,46…1,57) г/см3, коэффициент пористости 0,739…0,870. 15 Скважинами глубиной 3,0 м грунтовые воды на момент обследования не вскрыты. Слагающие земляное полотно полутвердые суглинки при природной влажности на момент обследования – слабопучинистые, реже среднепучинистые, тугопластичные суглинки – средне и сильнопучинистые, мягкопластичные – чрезмернопучинистые. Для измерений были использованы три термоплети. На каждой термоплети через 0,5 м. расположены шесть ЭДТ. В качестве измерительного прибора был использован лабораторный мост сопротивления Р 4833 с классом точности 0,02/1,5х10-4 Ом. Измерения температуры грунтов проводились с декабря 2001 г. по март 2002 г. один раз в месяц. По результатам измерений и вычислений построены графики изменения температур по глубине скважин для каждого измерения (рис.1). Построены также температурные поля в поперечном профиле земляного полотна на каждую из дат измерений. Из полученных данных видно, что в декабре, в связи с резким похолоданием и из-за небольшого снежного покрова, произошло интенсивное промерзание верха балластного слоя (чистого щебня) на глубину более 0,5 м, то есть в промерзшую зону попал и пенополистирол, и асбест. На данном этапе их теплоизолирующая роль практически не проявляется. В январе интенсивность морозного воздействия снизилась, мощность снежного покрова увеличилась, и скорость промерзания уменьшилась. Причем, на II пути отрицательные температуры практически достигли грунта основания земляного полотна. В феврале каких-либо заметных изменений ни в средней температуре воздуха, ни в измеренных температурах в скважинах не произошло. В марте ситуация коренным образом не изменилась: на втором пути отрицательные температуры проникли в грунты земляного полотна, а под пенополистиролом на поверхности грунтов основной площадки минимальная температура не достигла отрицательных значений и составила около 0,50С. С декабря 2002 г. по март 2003 г. один раз в месяц проводилось нивелирование отметок головки рельса наружной нити обоих путей опытного участка (по 150 м в каждую сторону от рассматриваемого поперечника – 6 звеньев). Нивелирование производилось геометрическим способом из середины при максимальном расстоянии нивелирования (100…150)м в каждую сторону. В качестве измерительного прибора был использован нивелир Н-3К, рейка типа РН 3. В декабре, январе и феврале пучинных деформаций отмечено не было. В марте по второму пути на протяжении 100 м было отмечено равномерное пучение с высотой горба 5…7 мм. В четвертом разделе описано расчетное моделирование промерзания подрельсового основания на персональном компьютере. В настоящее время при усиленном капитальном ремонте пути верхний, как правило, асбестовый слой балласта заменяется на щебень твердых пород, что, учитывая теплотехнические 16 Изменение температуры грунтов по глубине по данным наблюдений 09.01.2002 г. 09.12.2001 г. Температура, t,0С -13.0 -10.0 -7.0 -4.0 -1.0 2.0 5.0 Температура, t, 0С -8.0 -5.0 -2.0 1.0 -1 -1 -1.5 -1.5 -2 -2 -2.5 -2.5 -3 -3 09. 03. 2002 г. 09.02.2002 г. 0 Температура, t, С -5.0 -3.0 -1.0 1.0 3.0 Температура, t, 0С -6.0 -4.0 -2.0 0.0 -0.5 -0.5 -1 -1 2.0 -1.5 -1.5 -2 Глубина, Z, м -2 Глубина, Z, м -7.0 4.0 -0.5 Глубина, Z, м Глубина, Z, м -0.5 -2.5 -2.5 -3 -3 Наклонная скважина; Ось I пути; рисунок 1 Край шпалы II пути. 4.0 17 характеристики асбеста и щебня, приводит к увеличению глубины промерзания, увлажнению глинистых грунтов земляного полотна и, как следствие, к росту пучения. Прогнозирование глубины промерзания земляного полотна в новых условиях выполнялись решением системы дифференциальных уравнений теплопроводности применительно к расчету процессов промерзания и оттаивания грунтовых оснований по программе «Led - IA» на ПК (рис. 2). Моделирование процесса промерзания и оттаивания подрельсового основания сводится таким образом к расчету системы из n обыкновенных алгебраических уравнений вида: Ci (tit t ) ti ) i 2 (ti1 2ti ti1 ) (Qi Qi ) X i где Сi, λi, и Q – соответственно, объемная теплоемкость, коэффициент теплопроводности и количество теплоты фазовых переходов грунтовой влаги в 1 м3 грунта; ΔХi – толщина i-го слоя подрельсового основания, м; Δτ – временной шаг дискретной модели, назначаемый из условия сходимости решения: Ci X i2 . 2i Условиями однозначности полученной системы уравнений являются приведенная температура воздуха и температура на глубине нулевых годовых амплитуд. Приведенная температура устанавливалась с учетом радиационного теплообмена и затрат тепла на испарение влаги. Термическое сопротивление теплообмену на поверхности балластной призмы определялось с учетом ее теплоотдачи, а также толщины и плотности снежного покрова. Для установления степени сходимости результатов расчетов, полученных при помощи программы «Led-IА», с натурными данными смоделирован поперечный профиль на ПК 32723+80,00 в соответствии со скважинами, где были произведены замеры температур. Климатические данные приняты по наблюдениям Новосибирской метеостанции. Расчетные величины теплофизических характеристик грунтов установлены в соответствии с методикой прогноза геокриологических условий в основаниях транспортных сооружений. По результатам расчетов построены графики распределения температур в грунте по месяцам (рис.3). Сравнение этих графиков с наблюденными показало идентичность распределения температур в грунте земляного полотна, причем особенно наглядно просматривается влияние пенополистирола на «заторможенность» промерзания. Необходимо учесть, что зима 2001 – 2002 г.г., когда производились натурные измерения, была сравнительно теплой. 18 Блок схема рис, 2 19 Результаты математического моделирования промерзания грунтов Скважина С-1 Скважина С-2 Температура, t, oС Температура, t, oС -6 0 -2 2 -4 -2 4 0 2 -0.5 4 Температура, t, oС -6 -4 -2 0 -1 -2 -2.5 -1.5 -1.5 -2 -2 -2.5 -3 -3 Декабрь Январь -2.5 -3 Февраль Рисунок 3. Март 19 -1.5 4 -1 Глубина, Z, м -1 2 -0.5 -0.5 Глубина, Z, м -4 Глубина, Z, м -6 Скважина С-3 20 Прогнозируемая величина пучения по II пути оказалась завышенной не более чем на 15%, что объясняется запасом расчета, вводимым для возможных случаев аномально холодных зим. Таким образом, был сделан вывод о том, что программа «Led-IА» достоверно, с высокой точностью описывает процессы промерзания – оттаивания в грунтах земляного полотна и может быть использована для моделирования тепловых процессов при любом сочетании природных факторов и конструкций пути. В этом же разделе работы при помощи программы «Led-IА» было изучено влияние различных сочетаний природных факторов на глубину промерзания подрельсового основания. При этом выделены три группы численных экспериментов. В первой группе изучено влияние влажности грунта на процесс пучинообразования при прочих неизменных условиях. Исходные данные: грунт - суглинок пылеватый, его плотность в сухом состоянии принята постоянной, соответствующей предзимнему периоду инженерно-геологических исследовании в октябре 2001 г: ρd = 1,50 т/м3. Относительное пучение при влажности W=0,8WL f = 0,112. Влажность на границе раскатывания WР изменялась от 15% до 30% с шагом 5%. Расчет рассмотренных выше величин произведен в табличной форме. Мощность балластных материалов 1,58 м. Полученные результаты подтвердили обратно пропорциональную зависимость величины пучения от влажности грунта в предзимний период. Для исследованных условий она имеет вид: p = 69,44 - 0,448W. Это объясняется тем, что величина пучения зависит от количества миграционной влаги, поступающей в пучащий слой в зимний период, а чем выше влажность пучащегося грунта, тем ниже темп промерзания и доля миграционной влаги, а значит и величина пучения. Во второй группе экспериментов рассмотрена зависимость величины пучения от климатических условий. Грунт - суглинок пылеватый, влажность на границе раскатывания WР = 25%. Температура воздуха принималась по среднемесячным значениям в четырех вариантах: - в соответствии со СНиП 23-01-99; -за десятилетний период наблюдений (1988 по 1998 г.г.) Новосибирской метеостанции; - по наиболее холодному году, каким оказался 1996 г.; - по самому малоснежному году. По результатам расчетов построен график, представляющий линейную зависимость глубины промерзания от среднегодовой температуры поверхности, который позволяет оценить возможное увеличение высоты пучения в аномально холодные и малоснежные годы (рис.4). В третьей группе экспериментов изучалась зависимость величины пучения от вида промерзающего грунта. Данные по теплофизическим свойствам грунтов приняты на основании инженерно-геологических исследований главного хода Западно-Сибирской железной дороги. 21 В качестве промерзающего слоя рассматривались три вида грунта: супесь, суглинок, глина. Плотность, влажность, число пластичности приняты равными наиболее распространенным для Западно-Сибирской железной дороги. Полученные результаты показали, что глина и супесь обладают схожей степенью промерзания и в равнозначных условиях промерзают одинаково. Суглинок заметно отличается от других глинистых грунтов. По степени пучинистости он является наиболее опасным и при новом строительстве желательно избегать его применения в земляном полотне. График зависимости величины пучения от среднегодовой температуры поверхности Величина пучения, мм 62 60 58 56 54 52 50 0 0.5 1 1.5 2 Среднегодовая температура, 0С Рисунок 4. Проведенные машинные эксперименты позволили сделать вывод о самом неблагоприятном, по величине пучения, сочетании: теплая малоснежная зима, грунт под основной площадкой – маловлажный пылеватый суглинок. В заключительном разделе даны рекомендации по применению противопучинных мероприятий для условий, аналогичных Западно-Сибирской ж.д. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Результаты математического моделирования процессов промерзания подрельсового основания для различных исходных условий, подтвержденные экспериментальными наблюдениями на опытных участках, позволил рекомендовать упрощенную формулу для расчета толщины пенополистирола h (см.): h 0.01 18 , где Ω – сумма морозоградусосуток; δ – толщина оставляемых под покрытием балластных отложений, м. 22 С целью уменьшения толщины h на участках пучинных деформаций, превышающих 25 мм., наиболее эффективной представляется противопучинная конструкция подрельсового основания, состоящая из щебеночной балластной призмы толщиной 0,5 м., отсыпанной по слою асбестовых отходов толщиной 0,2 м., под который уложен пенополистирол толщиной (h-2) см., подстилаемый покрытием из геотекстиля «Комитекс» марки Геоком ДТМ – 360 с поверхностной плотностью не менее 360 г/см2., так как каждые 10 см. асбеста эквивалентны 1 см. пенополистирола, то его толщина может быть уменьшена на (2…3)см. Наряду с теплоизолирующим воздействием асбестовые отходы защищают пенополистирол от механических повреждений. Применение именно этой марки геотекстильного материала обосновано испытаниями, проведенными на кафедре «Путь и путевое хозяйство» Сибирского Государственного Университета Путей Сообщения и показавшими его практическую водонепроницаемость. На участках пути с неравномерными пучинами высотой (20…25)мм. рекомендуется укладка пенополистирола толщиной (4…6)см. (по расчету) с щебеночным балластом толщиной 0,5м. При высоте пучинных горбов менее 20 мм. их ликвидация может быть достигнута укладкой пенополистирола толщиной 4см. при нормативной толщине балластной призмы. На участках равномерного пучения, подготавливаемых к укладке бесстыкового пути, деформации исключаются укладкой геотекстиля «Комитекс С – 1». Еще одним резервом снижения объема теплоизоляции является его сочетание с геотекстилем: в этом случае влажность пучинистого грунта под балластными отложениями не превысит влажности на границе раскатывания WР, что исключает возможность появления коренных пучин. Данные рекомендации существенно снижают объемы использования пенополистирола, толщина которого на большом протяжении пучинистых участков составляла до недавнего времени (10 … 15) см. Проведенные нами исследования показали, что даже в отсутствие слоя асбестовых отходов эти цифры завышены, так как они назначались из условия полного выведения глубины промерзания из зоны пучащегося грунта. Между тем, промерзание этого грунта на глубину (0,2…0,3)м. вполне допустимо, так как оно может произойти лишь в марте – апреле, когда миграция влаги из талого слоя к ледяным линзам невозможна, а значит, отсутствуют предпосылки к росту пучинных горбов. Требуемая эффективность использования пенополистирола достигается не только обоснованным назначением его толщины, но и соблюдением следующих условий: 1. Тщательная подготовка дна вырезки с уклоном в сторону откоса не менее чем 40 ‰ и удаление с его поверхности частиц щебня: контроль качества планировки поверхности должен быть направлен на исключение местных углублений и резкого изменения уклона планирования, могущих вызвать излом уложенных плит. 23 2. Обеспечение ширины вырезки не менее чем (4,7…5,2)м для укладки плит пенополистирола длиной (4,5…5,0)м. в зависимости от суммы морозоградусосуток, с обязательной засыпкой торцов пенополистирола с целью исключения бокового промерзания грунта и механического повреждения. 3. Устройство сопряжений по краям теплоизолируемого участка путем раскладки плит пенополистирола с просветами между ними от 0,05м. до 0,50 м. по длине сопряжения 4. Надлежащая культура производства работ при стыковке плит между собой, не допускающая зазоры и изломы плит пенополистирола. На участках сопряжения требуется фиксация плит и их покрытие балластом во избежание смещения относительно проектного положения. В целом выполненные исследования позволяют оптимизировать применение теплоизолирующих покрытий в зависимости от величины пучения, сочетая их с использованием геотекстиля и асбестовых отходов, что повысит эффективность противопучинных устройств и снизит затраты железных дорог по устранению морозных деформаций пути. Основные положения диссертации опубликованы в работах автора: 1. Цигипов А.Д. Нерешенные вопросы борьбы с пучинами на железной дороге// Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе/ Научно-практическая конференция -Новосибирск: СГУПС, 2001. – С. 283-284. 2. Цигипов А.Д. Результаты наблюдений за промерзанием теплоизолированного земляного полотна// ВУЗы Сибири и Дальнего Востока Транссибу/ Региональная научно-практическая конференция Новосибирск: СГУПС, 2002. – С. 135-136. 3. Цигипов А.Д. Расчетное обоснование укладки пенополистирольного покрытия для предотвращения пучинообразования// Современные научно-технические проблемы железнодорожного транспорта/ Научно-практическая конференция – Екатеринбург: УрГУПС, 2003. Подписано в печать 24.12.2003 Объем 1,75 печ.л. Тираж 70 экз. Заказ №1160 Отпечатано с готового оригинал-макета в издательстве СГУПСа Новосибирск, ул. Д.Ковальчук, 191
