РЕЛЬСОВЫЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ПУТЬ Российский патент 2019 года по МПК E01B2/00 

Изобретение относится к строительству железных дорог, преимущественно к конструкциям строения пути.

Со времени изобретения железной дороги известно строение путей в составе: «балластный слой - шпалы - рельсы» присутствует во всех технических решениях всех странах, где они построены и строятся.

При этом все железные дороги в той или иной степени подвержены знакопеременным деформациям (подъем-осадка), которые возникают в результате изменений свойств разнообразных по своим физико-механическим и деформативным характеристикам грунтов оснований вдоль трассы.

К деформативным (негативным) свойствам грунтов оснований, приводящих к подъему-осадке железнодорожных путей, относятся:

- пучинистость грунтов основания, проявляющаяся при промерзании грунтов деятельного слоя;

- просадочность лессовидных и макропористых грунтов;

- набухаемость при переувлажнении суглинистых и глинистых грунтов;

- просадочность насыпных и намывных грунтов;

- деформативность органоминеральных и органических грунтов.

При проектировании и строительстве железнодорожных путей все указанные негативные проявления грунтов основания предполагается исключить за счет балластного слоя. Частично, некоторые проявления убираются или уменьшаются. Исключить все негативные явления, приводящие к подъему или просадки железнодорожного пути (балластного слоя, шпал и рельс), не удается. В течение всего периода эксплуатации железнодорожных путей приходится производить их рихтовку.

В последнее время в условиях возрастания объемов перевозок, скоростей движения поездов, особенно высокоскоростных типа «Сапсан» и др. требуется повышение надежности железнодорожных путей как в России, так и за рубежом.

В настоящее время повышение надежности железнодорожных путей осуществляется по следующим направлениям:

- повышение жесткости рельсового основания путем уменьшения расстояния между шпалами, т.е. густоты укладки их до 2000 шт./км;

- повышение погонной массы рельсов для увеличения изгибной жесткости рельсов. Так за время с 1950 г. по 2000 г. масса рельсов в России была повышена с 38,4 до 64,4 кг/м;

- повышение жесткости щебеночного балластного слоя (в настоящее время в России достигает 1 м и более).

С увеличением нагрузок на оси подвижного состава (в перспективе до 30 тс/ось, увеличение скорости движение поездов до 300 км/ч и более вызывает рост напряженно-деформируемого состояния элементов железнодорожного пути, как следствие изменений деформативных свойств грунтов верхних слоев основания. Эти изменения ведут к интенсивному накоплению остаточных деформаций. Последние в свою очередь снижает надежность пути.

Известна балластная призма с порозаполняющим веществом для скоростных грузонапряженных участков безстыкового железнодорожного пути [1].

Недостатком известного решения является большая трудоемкость возведения балластной призмы и значительные материальные затраты.

Известна также опорная плита рельсового пути [2].

Недостаток известного в большой материалоемкости и стоимости конструкции.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому рельсовому железнодорожному пути является безбаластный путь, включающий бетонное полотно на несущей конструкции [3].

Однако этот безбаластный путь недостаточно учитывает деформативные (негативные) свойства грунтов оснований и соответственно имеет не достаточную надежность.

Все перечисленные известные технические решения железнодорожных путей, так или иначе, имеют недостатки, связанные с динамической подвижной, подверженной вертикальной знакопеременной деформации системой: «грунтовое естественное основание - балластный щебеночный слой - шпалы или различного рода плиты - рельсы» не исключают знакопеременных вертикальных перемещений (подъем-осадку).

Цель предлагаемого изобретения - повышение надежности рельсового железнодорожного пути, снижение материальных и эксплуатационных затрат на его содержание снижение сроков возведения.

Поставленная цель достигается тем, что в существующей системе «грунтовое естественное основание - балластный щебеночный слой - шпалы или различного рода плиты - рельсы» исключаются щебеночный балластный слой и шпалы.

Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что рельсовый железнодорожный путь включает в себя комбинированную рамную конструкцию, состоящую из рельсов, соединенных с предварительно напряженными монолитными или сборными элементами ростверка, выполненными из: железобетона, металла или из композитного материала, со сваями через наклонные и вертикальные трапецеидальные пазы на половину высоты элемента и оголовка сваи, при этом горизонтальная ось свай может совпадать с центральной осью железнодорожного пути, а также с осью ростверков рельсов вдоль прямых участков и с радиальным смещением оси в сторону действия максимальных моментных усилий от движения состава на поворотных участках, при этом угол наклона вертикальных осей свай может быть выполнен от 90 до 60 градусов от горизонтальной плоскости железнодорожного пути против направления движения состава, при этом в поперечном сечении конструкция может опираться одна или две сваи, а оптимальная длина блока рамного ростверка рассчитывается по формуле: в зависимости района прокладки железнодорожной магистрали

где

Δ_n - горизонтальное перемещение головы сваи от температурных деформаций продольной конструкции ростверка с четным числом равных пролетов рамного ростверка

α_t - коэффициент линейного расширения материала рамного ростверка (для железобетона α_t=1⋅10^-5 град^-1);

n - порядковый номер сваи, считая от середины ростверка;

L_c - расстояние между парами свай под раму вдоль трассы, м;

расчетный перепад температуры в районе прохождения железнодорожной магистрали

α_r - коэффициент учета грунтовых условий.

С целью повышения надежности железнодорожных путей, снижение материальных и эксплуатационных затрат на его содержание исключению работы по защите дорожных откосов от размывания, исключению работ по строительству водоотводных канав, ограждений дорог забором от людей и животных, что важно для скоростных дорог металлические рельсы закрепляются на надземные отдельно стоящие или рамные железобетонные ростверки располагающие над поверхностью земли на высоте от 0.3 до 1.5 м исключающие необходимость возведения балластного слоя и шпал.

Благодаря использованию свайно-рамных фундаментов под рельсы исключаются все негативные проявления свойств разнообразных грунтов вдоль трассы железной дороги.

Практически свайные фундаменты воспринимают силы пучения грунтов, силы набухания и др. Свайные фундаменты воспринимают нагрузку боковой поверхностью ствола и опорной площадью торца. При этом пронизываются пучинистые, слабые, просадочные и набухающие слои, органоминеральные, органические, намывные слои грунтов основания. Таким образом полностью исключаются негативные проявления грунтов основания трассы железнодорожного пути.

Также не требуется проводить работы по защите дорожных откосов от размывания, строить водоотводные канавы вдоль дороги. В результате возвышения железнодорожного полотна, нет необходимости ограждать дорогу забором от людей и животных, что важно для скоростных дорог.

На фиг. 1 схематически изображена часть железнодорожного пути в разрезе с контурами пассажирского вагона поз. 1 и электровоза поз. 2 на рельсовом пути. В грунтовом основании железнодорожного пути, показан для примера, инженерно-геологический разрез с несущими суглинистыми грунтами основания поз. 3, на котором присутствуют с поверхности деятельный сезоннооттаивающий слой поз. 4 в летний период и он же сезоннопромерзающий в зимний период. Деятельный слой, как правило, обладает пучинистыми свойствами. При промерзании в зимний период суглинистых грунтов нормальные силы пучения могут достигать значений до 300 тс/м². Величина подъема поверхности деятельного слоя может достигать 10-12 см.

На разрезе фиг. 1 также показаны, для примера, просадочный слой поз. 5, и слабый водонасыщенный слой поз. 6, дающий осадку при воздействии нагрузки на поверхности массива грунта от поезда.

На фиг. 2 приведен поперечный разрез фиг. 1 по А-А. На разрезе изображена схема вагона поз. 1 на колесной паре установленный на рельсы поз. 9. Рельсы уложены и закреплены анкерами в железобетонный или (полимербетонный) поперечный элемент ростверка поз. 7 опирающийся на сваи поз. 8. Сваи жестко соединены с ростверком посредством рабочей арматуры сваи. Материал, размер сечения, длина свай подбирается в зависимости от фактических статических и динамических нагрузок на ростверк в соответствии с действующим нормативным документами СНиП и СП на территории РФ. На Фиг. 2-15 размер между рельсами обозначен буквой «В» Для железнодорожных путей России значение равно В=1520 мм. При этом поперечная длина ростверка равна в пределах В_р=2000÷2200 мм. Размер сечения ростверка (300×350)÷(400-450)мм.

На фиг. 3-15 приведены варианты надземного ростверка.

На фиг. 3 приведен монолитный железобетонный ростверк, опирающийся на железобетонные сваи поз. 8 квадратного сечения. Продольный элемент ростверк поз. 11 имеет уширение в месте стыка сваи с поперечным элементом поз. 7 ростверка. Элементы ростверка поз. 7 стыкуются с элементом ростверка поз. 11 монолитно.

На фиг. 4 приведен поперечный разрез фиг. 3 по 1-1.

На фиг. 5 изображена часть надземного уширенного элемента ростверка поз. 11 по всей длине пути (звена) на железобетонных сваях поз. 8 квадратного сечения. Поперечные элементы ростверка поз. 7 и сваи поз. 8 стыкуются с продольным элементом ростверка поз. 11 монолитно.

На фиг. 6 приведен поперечный разрез фиг. 5 по 2-2.

На фиг. 7 показан план, а на фиг. 8 - фрагмент надземного элемента ростверка поз. 11 с использованием в качестве опоры свай поз. 8 прямоугольного сечения. Сборные поперечные элементы ростверка поз. 7 крепятся к продольному ростверку с помощью закладных деталей 15 на сварке.

На фиг. 9 приведен поперечный разрез фиг. 8 по 3-3.

На фиг. 10 показан вариант рельсового железнодорожного пути, включающий сборные железобетонные стаканы поз. 14, имеющие гнезда поз. 10 под сваи. Сборные поперечные элементы ростверка поз. 7 имеют в торцах закладные детали.

На фиг. 11 приведен вариант рельсового железнодорожного пути из сборно-монолитных элементов. Продольный ростверк выполнен из монолитного стакана поз. 13, имеющий закладные детали поз. 15 соединенные со сборными элементами ростверка поз. 7.

На фиг. 12 приведен вариант рельсового железнодорожного пути из сборных элементов ростверка поз. 11. Поперечный элемент ростверка поз. 7 закрепляется на одной трубчатой свае поз. 12.

На фиг. 13 приведен поперечный разрез фиг. 12 по 4-4. К поперечному элементу ростверка с помощью сварки крепятся продольные элементы ростверка поз. 11, на которые укладываются рельсы.

На фиг. 14 приведен вариант рельсового железнодорожного пути из сборных элементов ростверка поз. 11 соединенных с поперечными элементами ростверка поз. 7 и сваями поз. 8 через наклонные и вертикальные трапецеидальные пазы поз. 16 на половину высоты элемента и оголовка сваи.

На фиг. 15 приведен поперечный разрез фиг. 14 по 5-5.

Технология производства работ по устройству рельсового железнодорожного пути осуществляется в следующей последовательности.

На выровненном основание устраиваются сваи поз. 8 или трубчатые сваи поз. 12 в зависимости от выбранной технологии в соответствии с одним из известных способом, при необходимости с предварительным лидерным бурением для забивных свай в вечномерзлых грунтах производится монтаж элементов ростверка поз. 7 одного из вида конструкций фиг. 3-15 в сборном или монолитном варианте, после чего производится монтаж элементов ростверков поз. 11 и рельсов поз. 9 по одной из выбранных технологии фиг. 3-15, при этом соединение со сваями может быть выполнено через монолитный стакан поз. 13, сборный стакан поз. 14, через закладные детали поз. 15 или через наклонные и вертикальные трапецеидальные пазы поз. 16.

Предлагаемая конструкция рельсового железнодорожного пути позволяет сократить расход материала, уменьшить эксплуатационные затрат на его содержание, а технология возведения позволяет повысить качество работ и надежность железнодорожного пути, снизить сроки возведения.

Технико-экономические показатели на возведение 1^го км рельсового железнодорожного пути

А. По предлагаемому решению (свайный фундамент - надземный ростверк-рельсы)

1. Сечение продольной балки под рельс:

- высота h=300 мм;

- ширина b=400 мм;

- площадь сечения F=0,3×0,4=0,12 м³

Объем ж/бетона 1000 п.м составит V=0.12×1000=120 м³

Общий объем железобетона на 2 продольных балок V=240 м³

2. Сечение поперечной балки рамы

- высота h=150 мм;

- ширина b=150 мм;

- длина поперечной балки 1=1120 мм

- площадь сечения F=0,15×0,15=0,0225 м²

- объем ж/бетона одной балки V=0.0225×1,12=0,0252 м³

- количество балок при расстоянии 2 м между осями на 1000 п.м. составляет n=500 шт.

Объем железобетона на 500 поперечных балок V=0,0252×500=12,6 м³

Объем железобетона на ростверки потребуется V=240+12,6=253 м³

Средняя длина свай L_св=5 м

Б. По известному решению (балластный слой - шпалы-рельсы)

- объем бетона на одну шпалу V=0,108 м³

- количество ж/б шпал на 1 км пути - n=1600 шт.

- объем железобетона V=0,108×1600=172 м³

- объем балластного слоя при высоте в среднем 0,5 м

V=(3,6+6/2)×0,5×1000=2400 м³

Экономический эффект составляет С_эфф=C₁+С₂=11,38-,94=3,44 млн руб. на 1 км рельсового железнодорожного пути.

Источники информации

1. Патент №2475580, Кл Е01В 1/00; E02D 3/12, 20.02.2013.

2. Патент №2509835, Кл Е01В 1/00; Е01В 3/14; Е01В 3/24; Е01В 3/40, 20.03.2014.

3. Патент №2472893, Кл Е01В 2/00; Е01В 1/00, 20.01.2013.

Рельсовый железнодорожный путь включает комбинированную рамную конструкцию, состоящую из рельсов, соединенных с предварительно напряженными монолитными или сборными элементами ростверка, выполненными из железобетона, металла или из композитного материала. Соединение со сваями выполнено через наклонные и вертикальные трапецеидальные пазы на половину высоты поперечного элемента ростверка и оголовка сваи. Горизонтальная ось свай совпадает с центральной осью железнодорожного пути, а также с осью ростверков рельсов вдоль прямых участков и с радиальным смещением оси в сторону действия максимальных моментных усилий от движения состава на поворотных участках. Угол наклона вертикальных осей свай выполнен от 90 до 60 градусов от горизонтальной плоскости железнодорожного пути против направления движения состава. Повышается надежность пути. 1 з.п. ф-лы, 15 ил., 1 табл.

1. Рельсовый железнодорожный путь, включающий в себя комбинированную рамную конструкцию, состоящую из рельсов, соединенных с предварительно напряженными монолитными или сборными элементами ростверка, выполненными из: железобетона, металла или из композитного материала, отличающийся тем, что соединение со сваями выполнено через наклонные и вертикальные трапецеидальные пазы на половину высоты поперечного элемента ростверка и оголовка сваи, при этом горизонтальная ось свай совпадает с центральной осью железнодорожного пути, а также с осью ростверков рельсов вдоль прямых участков и с радиальным смещением оси в сторону действия максимальных моментных усилий от движения состава на поворотных участках, угол наклона вертикальных осей свай выполнен от 90 до 60 градусов от горизонтальной плоскости железнодорожного пути против направления движения состава.

2. Рельсовый железнодорожный путь по п. 1, отличающийся тем, что оптимальная длина блока рамного ростверка рассчитывается по формуле:

в зависимости района прокладки железнодорожной магистрали

где:

Δ_n - горизонтальное перемещение головы сваи от температурных деформаций продольной конструкции ростверка с четным числом равных пролетов рамного ростверка;

α_t - коэффициент линейного расширения материала рамного ростверка (для железобетона α_t=1⋅10^-5 град^-1);

n - порядковый номер сваи, считая от середины ростверка;

L_c - расстояние между парами свай под раму вдоль трассы, м;

Δt=(|T|_max+|T|_min) расчетный перепад температуры в районе прохождения железнодорожной магистрали;

α_r - коэффициент учета грунтовых условий.