СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ И УСТРОЙСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ Российский патент 2009 года по МПК E01B2/00 

Изобретения относятся к области железнодорожного транспорта, конкретно к способам и устройствам сооружения дорожного пути с верхним и нижним строением, гарантирующим упругое взаимодействие с подвижным составом.

Известен способ сооружения железнодорожного пути на торфяном основании, заключающийся в отсыпке на торфяную залежь, предварительно осушенную до величины, обеспечивающей ее достаточную несущую способность для грузового состава, балластного слоя щебня высотой h при ширине в верхнего строения и угле β боковых откосов, уплотнении балластного слоя и упругого торфяного основания, укладке пролетов путевой решетки на уплотненный балластный слой горизонтальной опорной плоскостью шпал и соединении стыков рельсовых плетей с образованием путевой решетки [1].

Известен способ сооружения железнодорожного пути на грунтовом основании, заключающийся в отсыпке на горизонтально профилированное грунтовое основание с достаточной несущей способностью для грузового состава горизонтально спрофилированного поверху балластного слоя щебня фракциями более 10 мм высотой h при ширине в верхнего строения и угле β боковых откосов, уплотнении балластного слоя и грунтового основания, укладке пролетов путевой решетки на уплотненный балластный слой горизонтальной опорной плоскостью шпал и соединении стыков рельсовых плетей с образованием путевой решетки [2].

Неравномерная упругость подстилающего основания приводит к возникновению волнообразного износа рельсов в продольном направлении. Шпалы под поездной нагрузкой испытывают знакопеременные нагрузки. Причем растягивающие напряжения по своим значениям могут превышать предел выносливости железобетона, из которого изготовлены шпалы, вызывая образование в бетоне трещин. Только с переходом на предварительно напряженный бетон задача создания выносливых железобетонных шпал типа ШС-1, ШС-2 и ШС-2у была в определенной мере решена. Однако контакт путевой решетки с балластным слоем и балластного слоя с грунтовым основанием по горизонтальной плоскости приводит при невозможности значительной продольной деформации на изгиб железобетонных шпал к возникновению крайне неравномерной эпюры контактных и закраевых контактных напряжений с проявлением их максимальных пиков у краев шпал, при этом деформируемое в процессе осадок под балластным слоем и путевой решеткой горизонтальное грунтовое основание, особенно торфяное, принимает параболическую поверхность в плоскости контакта с балластным слоем при более равномерном распределении в контактной плоскости напряжений сжатия.

Технологический результат по способу сооружения железнодорожного пути, заключающемуся в определении по данным лабораторных испытаний консолидированных образцов несущего основания и материала балластного слоя на сдвиг соответствующих параметров φ и φ_б - угла их внутреннего трения, с и с _б - их удельного сцепления, в отсыпке на профилированное основание с достаточной несущей способностью для грузового состава балластного слоя высотой h и шириной в верхнего строения при угле β боковых откосов, в уплотнении балластного слоя с грунтовым основанием, укладке пролетов путевой решетки на уплотненный балластный слой опорной плоскостью шпал длиной l, соединении стыков рельсовых плетей, достигается тем, что основание перед отсыпкой балластного слоя профилируют по дуге окружности так, чтобы в процессе консолидации осадок основания под нагруженным балластным слоем радиус плоскости их контакта составил величину R≥(h·tgβ+в/2)/sin(Ψ_max), где угол сектора дуги упругого полуконтакта балластного слоя с грунтовым основанием -

(Ψ_max)≈arctg[0,5р^стр _раст./(р^кр _ц.+с·ctgφ)], с торфяным основанием - (Ψ^т. _max)≈arctg{sin2φcosφ/[(1+sinφ)²·(1+4sinφ)]}, где р^кр. _ц=с{π/[1+(φ-π/2)tgφ]+[2cosφ/(1-sinφ)]} - критическое давление для основания под центром балластного слоя, р^стр. _раст.=2с·cosφ/(1+sinφ) - давление структурной прочности на растяжении грунтового или торфяного основания, а балластный слой профилируют с уплотнением путем придания поперечному профилю его поверхности дугообразных продольных углублений, соответствующих ответным дугообразным выпуклостям шпал, а шпалы изготавливают с опорной выпуклой поверхностью с радиусом r≥0,5l_о/sin(Ψ^шп. _max), где угол сектора дуги полуконтакта опорной плоскости шпалы длиной l_о с балластным слоем составляет (Ψ^шп. _max)≈arctg[0,5·р^б.стр. _раст./(р^б.кр. _ц.+с_б·ctgφ)], где р^б.стр. _раст. - давление структурной прочности балластного слоя на растяжение, р^б.кр. _ц. - критическое давление для балластного слоя.

Известно устройство железнодорожного пути, состоящее из балластного слоя в виде насыпи щебня с фракциями более 10 мм высотой h при ширине в верхнего горизонтального строения и угле β боковых откосов, характеризующегося углом внутреннего трения φ_в и удельным сцеплением с_б, отсыпанного и уплотненного на горизонтально профилированном грунтовом или торфяном основании, характеризующемся в консолидированном под насыпью стоянии углом внутреннего трения φ и удельным сцеплением с, достаточными для его гарантированной упругой несущей способности под балластным слоем вместе с грузовым составом, пролетов путевой решетки с соединенными стыками рельсовых путей, уложенных на шпалах с опорной поверхностью, упруго контактирующей с балластным слоем [2].

Известное современное устройство железнодорожного пути при работе под нагрузкой от современных длинных грузовых составов при скоростях движения менее 50 км/час воспринимают динамическую вертикальную нагрузку, иногда достаточную для потери устойчивости подстилающего грунтового (или торфяного) основания вместе с балластным слоем и потери их общей несущей способности. При этих скоростных режимах движения для тяжелогруженых длинных грузовых составов линии сдвигов под краями путевой решетки успевают развиваться в балластном слое и подстилающем его основании с выходом за краями насыпи на дневную поверхность, что приводит к общему разрушению железнодорожного пути и аварийному сходу с него с опрокидыванием всего грузового состава. Этим объясняется, например, авария грузового состава с цистернами на железных дорогах города Зубцов Тверской области в июле 2005 года, когда при замедлении хода поезда на повороте при выходе с моста через реку линии сдвигов в балластном слое успели развиться под путевой решеткой в сторону реки с потерей устойчивости насыпи балластного слоя и общей его несущей способности. Аналогичные аварии с длинными грузовыми составами происходят и за рубежом.

Современные исследования в области механики контактного взаимодействия [3, 4] свидетельствуют, что при контакте плоской поверхности путевой решетки верхнего строения железных дорог с балластным слоем и балластного слоя с подстилающим его грунтовым (торфяным) основанием фаза упругих деформаций под нагрузкой как балластного слоя, так и подстилающего его основания проявляется в значительно малом диапазоне действующих внешних нагрузок по сравнению с полуцилиндрическими и еще более по сравнению со сферическими контактными поверхностями. В связи с этим предлагается новое устройство железнодорожного пути.

Технический результат по устройству железнодорожного пути, состоящего из балластного слоя высотой h при ширине в верхнего строения и угле β боковых откосов, характеризующееся углом φ_б внутреннего трения и удельным сцеплением с_б, отсыпанного и уплотненного на профилированном грунтовом или торфяном основании, характеризующемся по результатам лабораторных испытаний отобранных образцов на сдвиг углом φ внутреннего трения и удельным сцеплением с, достаточными для его гарантированной упругой способности под балластным слоем вместе с грузовым составом, пролетов путевой решетки с соединенными стыками рельсовых путей, уложенных на шпалах длиной l с опорной поверхностью, упруго контактирующей с балластным слоем, достигается тем, что подготовленное грунтовое или торфяное основание спрофилировано на ширине (h·tgβ+в/2) по дуге окружности радиусом R≥(h·tgβ+в/2)/sin(Ψ_max), где угол сектора дуги упругого полуконтакта балластного слоя с грунтовым основанием (Ψ_max)≈arctg[0,5·р^стр. _раст./(р^кр. _ц.+с·ctgφ)], с торфяным основанием - (Ψ^т. _max)≈arctg{sin2φ·cosφ/[(1+sinφ)²(1+4sinφ)]}, где р^кр. _ц.=с{π/[1+(φ-π/2)tgφ]+[2cosφ/(1-sinφ)] - критическое давление для основания под центром балластного слоя, р^стр. _раст.=2c·cosφ/(1+sinφ) - давление структурной прочности основания на растяжение, а балластный слой выполнен с поверхностными дугообразными профильными углублениями, соответствующими дугообразным выгибам шпал, выполненным по дуге окружности с радиусом r≥0,5l_о/sinΨ_max, где угол сектора дуги полуконтакта опорной выпуклой шпалы длиной l_о с балластным слоем составляет (Ψ^шп. _max)≈arctg[0,5·р^б.стр. _раст./(р^б.кр. _ц.+с_б·ctgφ_б)], где р^б.стр. _раст. - давление структурной прочности балластного слоя на растяжение, р^б.кр. _ц. - критическое давление для балластного слоя.

Изобретения поясняются графическими материалами, где на фиг.1 - поперечный разрез железнодорожного пути с цилиндрической контактной плоскостью между основанием и балластным слоем, а также между балластным слоем и железобетонной шпалой путевой решетки, на фиг.2 - общий вид предлагаемой железобетонной шпалы типа ШС, фиг.3 - вид А шпалы; фиг.4 - вид Б шпалы.

Предлагаемое устройство железнодорожного пути состоит из подготовленного основания, спрофилированного по радиусу дуги окружности R≥(h·tgβ+в/2)/sin(Ψ_max), где угол сектора дуги упругого полуконтакта балластного слоя 1 с грунтовым основанием ∠2(Ψ_max)≈arctg[0,5·р^стр. _раст./(р^кр. _ц.+с·ctgφ)], с тофяным основанием -

(Ψ^т. _max)≈arctg{sin2φ·cosφ)/[(1+sinφ)²(1+4sinφ)]}, где р^кр. _ц.=с{π/[1+(φ-π/2)tgφ]+[2cosφ/(1-sinφ)]} - критическое давление для основания под центром балластного слоя, р^стр. _раст.=2с·cosφ/(1+sinφ) - давление структурной прочности основания на растяжение, φ - угол внутреннего трения и с - удельное сцепление консолидированного под проектной нагрузкой грунтового или торфяного основания под отсыпанный балластный слой 1 высотой h при ширине в верхнего строения и узле β боковых откосов 3, характеризующийся углом φ_б внутреннего трения и удельным сцеплением с_б, статически нагруженный вертикальной нагрузкой от веса грузового состава. При этом балластный слой 1 поверху на ширине в выполнен с продольными дугообразными профилированными углублениями 4 под выпуклости шпал 5, выполненными по дуге окружности r≥0,5l_о/sinΨ^шп. _max, где угол сектора дуги на ширине l полуконтакта опорной плоскости шпалы 5 с балластным слоем 1 составляет (Ψ^шп. _max)≈arctg[0,5·р^б.стр. _раст./(р^б.кр. _ц.+с_б·ctgφ_б), где р^б.стр. _раст.=2с_б·cosφ_б/(1+sinφ_б) - давление структурной прочности балластного слоя 1 на растяжение,

р^б.кр. _ц.=с_б·{π/[1+(φ_б-π/2)tgφ_б]+[2с_б·cosφ/(1-sinφ_б)] - критическое давление для балластного слоя под центром выгиба шпалы 5 под углубления 4. Шпалы 5 опорной поверхностью путевой решетки с соединенными стыками рельсовых путей 6 уложены в ответные углубления 4 балластного слоя 1.

Способ сооружения предлагаемого железнодорожного пути реализуется следующим образом. По результатам проектных расчетов, полученным на базе лабораторных испытаний образцов грунтового или торфяного основания 2 при линейных инженерно-геологических изысканиях, и данным опытов с материалом балластного слоя 1 железнодорожного пути с определением параметров c_б и с удельного сцепления балластного слоя и подстилающего основания, φ_б и φ соответственно углов их внутреннего трения определяют радиусы контактных поверхностей R и r соответственно балластного слоя 1 с основанием 2 и балластного слоя 1 с опорной поверхностью шпал 5 путевой решетки по соответствующим расчетным зависимостям R≥(htgβ+в/2)/sin(Ψ_max) и r≥0,5l_о/sinΨ^шп. _max, где (Ψ_max)≈arctg[0,5·р^стр. _раст./(р^кр. _ц.+с·ctgφ)], (Ψ^т. _max)≈arctg{sin2φ·cosφ)/[(1+sinφ)²(1+4sinφ)]} - соответственно углы сектора дуги упругого полуконтакта балластного слоя 1 с грунтовым и торфяным основанием 2, р^кр. _ц.=с{π/[1+(φ-π/2)tgφ]+[2cosφ/(1-sinφ)]} - критическое давление под центром балластного слоя для основания, р^стр. _раст.=2с·cosφ/(1+sinφ) - структурная прочность грунта или торфа на растяжение, (Ψ^шп. _max)≈arctg[0,5·р^б.стр. _раст./(р^стр. _ц.+с_б·ctgφ_б)], где р^б.стр. _раст.=2с_б·cosφ_б/(1+sinφ_б) - структурная прочность балластного слоя 1 на растяжение,

р^б.кр. _ц.=с_б·{π/[1+(φ_б-π/2)tgφ_б]-[2cosφ_б/(1+sinφ_б)]} - критическое давление для балластного слоя 1 под шпалой 5 длиной l под рельсовые плети 6 путевой решетки. По данным проектных расчетов по дуге окружности >R профилируют основание 2 железнодорожного пути, производят отсыпку балластного слоя 1 высотой h на ширине (в/2+h·tgβ) и после стабилизации осадок уплотненного балластного слоя 1 с основанием 2 ведут продольное профилирование поверхности балластного слоя 1 с радиусом r выемок под ответные выгибы путевой решетки радиусом r (фиг.1).

На профилированную поверхность балластного слоя 1 укладывают плети путевых решеток, сложенные из шпал 5 длиной l с соединяемыми стыками рельсовых путей 6.

Предлагаемые способ и устройство позволяют гарантированно обеспечить безопасность работы железнодорожного пути под грузовыми тяжелыми составами за счет обеспечения упругого взаимодействия подвижного состава с путевой решеткой и балластного слоя на подстилающем грунтовом или торфяном основании. Упругое взаимодействие шпал с балластным слоем и последнего с основанием по радиусам окружности находится в гораздо большем диапазоне действующих внешних нагрузок по сравнению с взаимодействием их по горизонтальной плоскости, что гарантирует надежность работы основания и балластного слоя под современными грузовыми подвижными составами при статическом и динамическом взаимодействии.

Источники информации

1. Виноградов Ф.П., Тетеркин А.Е., Питерман М.А. Строительные свойства торфяных грунтов. (Под ред. Н.А.Цечтовича и Ф.П.Виноградова). - Минск: изд-во АНБССР, 1962 г. - С.172-174. (Аналог по способу и устройству).

2. Андреев Г.Е., Лапидус Т.А., Мельков Г.В. Многократное использование элементов путевой решетки с железобетонными шпалами. - М.: Транспорт, 1989 г. - С.45-47.(Прототип по способу и устройству).

3. Хрусталев Е.Н. Контактное взаимодействие в геомеханике. 4.1: Несущая способность оснований сооружений. - Тверь: ТТТУ, 2004, 239 с.

4. Хрусталев Е.Н. Контактное взаимодействие в геомеханике. 4.II: Напряжения и деформации оснований сооружений. - Тверь: Научная книга, 2007, 364 с.

Изобретения относятся к области железнодорожного транспорта, а именно к способам и устройствам сооружения дорожного пути с верхним и нижним строением, гарантирующим упругое взаимодействие с подвижным составом. Способ сооружения железнодорожного пути заключается в создании контактной поверхности грунтового или торфяного основания с балластным слоем и последнего со шпалами путевой решетки с вогнутой полуцилиндрической формой с соответствующими радиусами. Основание перед отсыпкой балластного слоя профилируют по дуге окружности. Балластный слой профилируют с уплотнением путем придания поперечному профилю его поверхности дугообразных продольных углублений, соответствующих ответным дугообразным выпуклостям шпал. Устройство железнодорожного пути включает подготовленное грунтовое или торфяное основание, спрофилированное по дуге окружности, а также балластный слой, выполненный с поверхностными дугообразными вогнутыми профильными углублениями, соответствующими дугообразным выгибам шпал, выполненным по дуге окружности. Техническим результатом изобретения является обеспечение безопасности и надежности работы основания и балластного слоя в фазе упругого взаимодействия с верхним строением железнодорожного пути. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ сооружения железнодорожного пути, заключающийся в определении по данным лабораторных испытаний консолидированных образцов несущего основания и материала балластного слоя на сдвиг соответствующих параметров φ, φ_б - углов их внутреннего трения и с, с_б - их удельного сцепления, в отсыпке на профилированное основание с достаточной несущей способностью для грузового состава балластного слоя высотой h и шириной в верхнего строения при угле β боковых откосов, в уплотнении балластного слоя с грунтовым основанием, укладке пролетов путевой решетки на уплотненный балластный слой опорной поверхностью шпал длиной l, соединении стыков рельсовых плетей, отличающийся тем, что основание перед отсыпкой балластного слоя профилируют по дуге окружности так, чтобы в процессе консолидации осадок основания под нагруженным балластным слоем радиус плоскости их контакта составил величину R≥(h·tgβ+в/2)/sin(Ψ_max), где угол сектора дуги упругого полуконтакта балластного слоя с грунтовым основанием (Ψ_max)≈arctg[0,5·р^стр _раст/(р^кр _ц+с·ctgφ), с торфяным основанием - (Ψ^т _max)≈arctg{sin2φ·cosφ/[(1+sinφ)²(1+4sinφ)]}, где р^кр _ц=с{π/[1+(φ-π/2)tgφ]+[2cosφ/(1-sinφ)]} - критическое давление для основания под центром балластного слоя, р^стр _раст=2с·cosφ/(1+sinφ) - давление структурной прочности на растяжение грунтового или торфяного основания, а балластный слой профилируют с уплотнением путем придания поперечному профилю его поверхности дугообразных продольных углублений, соответствующих ответным дугообразным выпуклостям шпал, а шпалы изготавливают с опорной выпуклой поверхностью с радиусом r≥0,5l_о/sin(Ψ^шп _max), где угол сектора дуги полуконтакта опорной плоскости шпалы длиной l_о с балластным слоем составляет (Ψ^шп _max)≈arctg[0,5·р^б.стр _раст/(р^б.кр _ц+с_б·ctgφ^б)], где р^б.стр _раст - давление структурной прочности балластного слоя на растяжение, р^б.кр _ц - критическое давление для балластного слоя.

2. Устройство железнодорожного пути, состоящего из балластного слоя высотой h при ширине в верхнего строения и угле β боковых откосов, характеризующегося углом φ_б внутреннего трения и удельным сцеплением с_б, отсыпанного и уплотненного на профилированном грунтовом или торфяном основании, характеризующемся по результатам лабораторных испытаний отобранных образцов на сдвиг углом φ внутреннего трения и удельным сцеплением с, достаточными для его гарантированной упругой способности под балластным слоем вместе с грузовым составом, пролетов путевой решетки с соединенными стыками рельсовых путей, уложенных на шпалах длиной l с опорной поверхностью, упруго контактирующей с балластным слоем, отличающееся тем, что подготовленное грунтовое или торфяное основание спрофилировано на ширине (h·tgβ+в/2) по дуге окружности радиусом R≥(h·tgβ+в/2)/sin(Ψ_max), где угол сектора дуги упругого полуконтакта балластного слоя с грунтовым основанием (Ψ_max)≈arctg[0,5·р^стр _раст/(р^кр _ц+с·ctgφ)], с торфяным основанием - (Ψ_max)≈arctg{sin2φ·cosφ/[(1+sinφ)²(1+4sinφ)]}, где р^кр _ц=с{π/[1+(φ-π/2)tgφ]+[2cosφ/(1-sinφ)] - критическое давление для основания под центром балластного слоя, р^стр _раст=2c·cosφ/(1+sinφ) - давление структурной прочности основания на растяжение, а балластный слой выполнен с поверхностными дугообразными вогнутыми профильными углублениями, соответствующими дугообразным выгибам шпал, выполненным по дуге окружности с радиусом r≥0,5l_о/sin(Ψ^шп _max), где угол сектора дуги полуконтакта опорной плоскости шпалы длиной l_о с балластным слоем составляет (Ψ^шп _max)≈arctg[0,5·р^б.стр _раст/(р^б.кр _ц+с_б·ctgφ_б)], где р^б.стр _раст - давление структурной прочности балластного слоя на растяжение, р^б.кр _ц - критическое давление для балластного слоя под центром выгибов шпалы.