Оптимизация балластного слоя на высокоскоростных линиях ГАЖК 'Узбекистон Темир Йуллари'

Оптимизация балластного слоя на высокоскоростных линиях ГАЖК 'Узбекистон Темир Йуллари'

Оптимизация балластного слоя на высокоскоростных линиях ГАЖК «Узбекистон Темир Йуллари»

Магистерская диссертация

на соискание ученой степени магистра по специальности М 580302

Введение

К высокоскоростным железным дорогам относятся линии, на которых осуществляется движение специализированного подвижного состава со скоростями более 200 км/ч с заданным уровнем безопасности и комфорта, что обеспечивается принятыми проектными параметрами, инженерно-техническими решениями, должным строительно-технологическим исполнением сооружений и инфраструктуры, а также эффективной системой контроля, технического обслуживания и ремонта подвижного состава и стационарных устройств.

Уже не одно десятилетие высокоскоростные линии являются, в сущности, «локомотивами» технического перевооружения железных дорог развитых стран. С учетом неоспоримых преимуществ высокоскоростных магистралей (ВСМ) решения о сооружении таких линий приняты в качестве государственных программ во многих странах. К примеру, в Европе эти планы вышли на межгосударственный уровень. Параметры высокоскоростных железных дорог мира приведены в табл. 1

Понятие «высокоскоростная железная дорога» утвердилось в 60-70-х гг. XX в. после ввода в 1964 г. в эксплуатацию первой специализированной железнодорожной магистрали Токио-Осака в Японии. С учетом реконструированных линий полигон обращения скоростных и высокоскоростных поездов превышает 22 тыс. км.

Еще в середине XX столетия к категории «высокоскоростного» на железнодорожном транспорте относили движение со скоростями 140… 160 км/ч. За последние 50 лет граница высокоскоростного движения поднялась к значению 200 км/ч. Эта величина, принятая в настоящее время во многих странах, в значительной мере носит конвенциональный и исторически сложившийся характер.

Таблица 1 - Параметры высокоскоростных железных дорог

Наибольшая скорость движения по высокоскоростной железной дороге была достигнута во Франции 3.04.2007 г. и составила 574,8 км/ч (рис. 1).

Рис. 1 Поезд TGV, установивший рекорд скорости 574, 8 км/ч

В мире при общем сокращении протяженности железных дорог во второй половине ХХ столетия неуклонно растут размеры пассажирских перевозок по высокоскоростным магистралям, суммарная длина которых приблизилась к 7 тыс. км, в том числе 3750 км в Европе. Высокоскоростные поезда обслуживают также полигон протяженностью около 20 тыс. км обычных железнодорожных линий, реконструированных под скоростное движение. Сегодня самые обширные сети высокоскоростного транспорта существуют в Японии и во Франции. При этом вновь сооружаемые линии уже проектируют на максимальную расчетную скорость движения - 350 км/ч.         

Сегодня сложилась следующая градация скоростей в пассажирском движении:

до 140… 160 км/ч - движение поездов на обычных железных дорогах;

до 200 км/ч - скоростное движение поездов, как правило, на реконструированных линиях;

свыше 200 км/ч - высокоскоростное движение на специально построенных ВСМ.

Для скоростей движения выше 200 км/ч требуются иные технические нормы и более высокая, чем на обычных линиях, оснащенность стационарных устройств, инфраструктуры и подвижного состава, что приводит к росту капитальных затрат на строительство, стоимости подвижного состава и более высоким эксплуатационным расходам, что перекрывается высоким экономическим и социальным эффектом при массовых пассажирских перевозках.

Концепция развития скоростного и высокоскоростного движения на железных дорогах Республики Узбекистан является составной частью транспортной политики страны, стратегической целью которой является обеспечение посредством опережающего развития транспорта ускоренного и стабильного развития национальной экономики, роста ее конкурентоспособности, повышения благосостояния и качества жизни населения каждого региона.

В рамках выполнения программы по организации высокоскоростного движения пассажирских поездов в Республике Узбекистан, а также в соответствии с распоряжением Кабинета Министров №615 от 17.11.2009 г. были определены мероприятия по организации высокоскоростного движения на магистральных линиях ГАЖК «Узбекистон темир йуллари», которые включают следующие этапы:

•  первый этап (2010-2015 годы) связан с подготовкой и внедрением высокоскоростного движения на направлении ст. Ташкент - ст. Самарканд /3/, (скорости движения поездов - до 250 км/ч). Для этого у испанской компании Patentes TALGO были закуплены два электропоезда Talgo AVE серии 250 в составе четырех головных и восемнадцати пассажирских вагонов. Их ввод в эксплуатацию запланирован на III квартал 2011 г. Протяженность маршрута по железной дороге составляет 356 км (рис. 2).

Рис. 2 Первый этап внедрения высокоскоростного движения на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари»

•  второй этап (2016-2020 годы) определен расширением зон эксплуатации скоростного движения на направлении железных дорог Ташкент - Карши. В этот период завершатся работы по электрификации железных дорог на участке Мараканд - Карши. Предусматривается организация движения скоростных пассажирских поездов со скоростью до 160 км/час по существующему пути, который должен быть предварительно реконструирован в соответствии с техническими требованиями.

•  третий этап (2021-2025 годы). На данном этапе сфера скоростного и высокоскоростного движения будет расширена за счет направлений:

высокоскоростное движение на участке Ташкент - Бухара с электрификацией участка Мараканд - Навои - Бухара, скоростное движение - на направлениях пригородного движения Ташкент - Чинар и Ташкент - Ангрен.

•  четвертый этап (до 2035 года): развитие скоростного движения на полигонах Ташкент - Навои - Ургенч (Нукус), Ташкент - Андижан.

В настоящее время наметилось несколько принципиально отличных подходов к созданию железнодорожного пути для ВСМ:

.        Японская и испанская концепции предусматривают сооружение ВСМ, путевая (рельсовая) система которых полностью изолирована от остальной железнодорожной сети страны.

.        Французская концепция предполагает строительство новых ВСМ, входящих в общий состав сети, но предназначенных исключительно для высокоскоростного подвижного состава.

.        Российская, итальянская и германская концепции заключаются в комплексной реконструкции железнодорожных направлений, при которой осуществляется строительство высокоскоростных участков и модернизация существующих линий, спрямление главных путей с целью организации скоростного и высокоскоростного движения.

При организации высокоскоростного железнодорожного движения в этих странах проводилась комплексная модернизация железнодорожных участков. В конечном итоге это позволило получить железнодорожные магистрали с тремя, четырьмя и иногда пятью путями, как правило, обезличенными; по некоторым из них на значительном протяжении можно осуществлять движение поездов со скоростями более 200 км/ч.

Система внедрения скоростного и высокоскоростного движения на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» ближе к третьей из перечисленных моделей (строительство высокоскоростных участков имодернизация существующих линий).

При этом важнейшим вопросом обеспечения безопасности движения скоростных и высокоскоростных поездов является выбор вида подшпального основания (балластный слой, безбалластное рамное или плитное основание, рис. 3 и 4, применение защитных слоев, геотекстиля и георешеток, рис. 5 и пр.), а также и расчет конструкции балластной призмы и защитного слоя.

Рис. 3. Балластная конструкция верхнего строения пути на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари»

Рис. 4. Безбалластная конструкция железнодорожного путина ОАО «Российские железные дороги»

Рис. 5. Применение геотекстиля, георешеток и защитных слоев

Ниже приведен опыт применения различных видов подшпального основания на зарубежных высокоскоростных железных дорогах.

В Японии на первой в мире ВСМ Токио-Осака был уложен бесстыковой путь из рельсов 53,3 кг/пог. м (позже замененных на рельсы массой 60 кг/'пог.м) на железобетонных шпалах на щебеночном балласте и на земляном полотне. Большие затраты на содержание пути традиционной конструкции при высоких скоростях движения предопределили дальнейший выбор японских специалистов - использование жестких (плитных) оснований вместо балластной призмы и практически полный отказ от земляного полотна на новых линиях ВСМ.

Во Франции после анализа японского опыта была принята конструкция главных путей ВСМ, предусматривающая укладку бесстыкового пути из рельсов массой 60,8 кг/пог. м на шпально-балластном основании. При этом учитывались два решающих достоинства балластного варианта: значительно меньшая цена конструкции и больший запас устойчивости пути против поперечного сдвига. Принимались во внимание и недостатки плитного основания на земляном полотне, которые проявились в Японии: дороговизна такой конструкции, трудности устранения геометрических отклонений пути, отсутствие отлаженной технологии укладки пути и пр.

Во Франции многолетний опыт эксплуатации французской ВСМ Париж-Лион подтвердил высокие эксплуатационные качества и надежность пути на балласте. Он уложен и на других ВСМ Франции, предназначенных для движения поездов со скоростями до 350 км/ч.

В Германии на первых линиях ВСМ предпочтение отдавалось пути на земляном полотне с балластной призмой. Однако позднее, когда возникла проблема строительства спрямляющих ходов с большим числом тоннелей и других искусственных сооружений, были проведены исследования и испытания пути на жестком основании. В результате было признано целесообразным применение верхнего строения японского типа с некоторыми коррективами немецких специалистов, принятыми в соответствии с местными условиями.

В Испании на первой испанской ВСМ Мадрид-Севилья применена конструкция пути, близкая к французской (путь на балласте).

В Российской Федерации применяется также балластная конструкция железнодорожного пути скоростных и высокоскоростных линий. В опытном порядке уложен путь на безбалластном плитном основании (рис. 4). Таким образом, разные страны принимают свою концепцию применения подшпального основания на скоростных и высокоскоростных линиях и определяют параметры конструкции подшпального основания.

В связи с отмеченным настоящая диссертация посвящена изучению вопроса разработки оптимальной конструкции балластной призмы на участках ГАЖК «Узбекистон темир йуллари», где обращаются высокоскоростные («Афрасиаб» - до 250 км/ч) и скоростные поезда («Афрасиаб» и «Узбекистан» - 160-200 км/ч) на направлении Ташкент - Самарканд.

1. Постановка вопроса. Обзор литературы. Цели и задачи исследования

.1 Назначение балластного слоя

Балластный слой - элемент верхнего строения пути из балласта - минерального сыпучего материала, укладываемого на основную площадку земляного полотна. Он обеспечивает вертикальную и горизонтальную устойчивость пути при воздействии динамических нагрузок отподвижного состава и изменяющихся температур. От конструкции и качества балластного слоя зависят общее состояние железнодорожного пути, уровень допускаемых скоростей движения поездов, сроки службы всех элементов верхнего строения (рельсов, скреплений, шпал), затраты на текущее содержание пути и вся система его ремонтов.

Балластный слой:

воспринимает давление от шпал (брусьев на стрелочных переводах);

распределяет давление от подвижного состава практически равномерно на возможно большую площадь земляного полотна;

обеспечивает стабильное проектное положение рельсошпальной решетки в процессе эксплуатации и возможность выправки пути в профиле и плане (путем подбивки, рихтовки балластного слоя) для компенсации неизбежных остаточных деформаций;

отводит воду от балластной призмы и с основной площадки земляного полотна, препятствует переувлажнению и пересыханию верхнего слоя грунта полотна, потере им несущей способности (весной) и пучению ((зимой);

участвует в формировании оптимальной упругости подрельсового основания, особенно при железобетонных шпалах.

Балласт должен быть твердым и прочным (износостойким) и одновременно упругим (амортизационная способность), достаточно крупным (стабильность положения рельсошпальной решетки) и одновременно мелким (ровная опорная поверхность под шпалами); иметь зерна формы, близкой к кубической (увеличивается износостойкость зерен и распределяющая способность призмы, но одновременно снижается ее общая несущая способность - призма «расползается» под нагрузкой); содержать зерна вытянутой формы (лещадные или игловатые), прошивающие и расклинивающие балластный слой (повышается устойчивость призмы), но одновременно имеющие повышенную ломкость под нагрузкой (увеличиваются осадки); обладать низкой электропроводностью, обеспечивающей нормальную работу рельсовых цепей автоблокировки вне зависимости от погодных условий.

Щебеночный балласт из природного камня получают дроблением горных пород до фракций 25-60 мм. Он может изготовляться из скальных пород 100% дробленых частиц), а также из валунов и гравия (не менее 50% дробленых зерен по массе). Очертания балластной призмы в прямом и кривом участке пути приведены на рис. 6.

Рис. 6. Конструкция балластной призмы с железобетонными шпалами

Лучшим из современных балластных материалов является щебеночный балласт, полученный из прочных магматических пород (граниты, габбро, диориты, сиениты, глубинные породы; диабазы, базальты, излившиеся породы). Щебеночная призма из такого балласта обладает долговечностью, высокой сопротивляемостью осадкам шпал и их смещениям в горизонтальной плоскости, хорошими дренирующими, упругими и электроизоляционными свойствами. В то же время применение на участках эксплуатируемых железнодорожных линийлиний призмы из щебня низкого качества из слабых осадочных пород (известняки, доломиты, песчаники), особенно при железобетонных шпалах, неэффективно из-за быстрого износа и измельчения такого балласта, потери им дренирующих свойств, образования выплесков.

Щебеночный балласт оказывает большое влияние на качество и прочность железнодорожного пути. Верхнее строение балластного пути имеет конструкцию, которую можно назвать плавающей.

Если параметры рельсов, скреплений и шпал выбраны правильно, то щебеночный балласт является наиболее слабым звеном в этой системе железнодорожного пути.

Балластное основание должно быть рассчитано таким образом, чтобы нагрузка от подвижного состава, передаваемая рельсами через шпалы на щебень, распределялась как можно равномернее в нижнем строении пути.

Этим требованиям в лучшей степени удовлетворяют такие балластные материалы, как щебень из твердых каменных пород, а также гравий и гравийно-песчаная смесь.

Для определения правильной конструкции балластной призмы на скоростных и высокоскоростных линиях ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» необходимо понимать принцип работы балластного слоя под нагрузкой (раздел 1.2).

1.2 Работа балластного слоя под нагрузкой

При передаче нагрузок от подвижного состава через элементы верхнего строения пути на основную площадку земляного полотна балластный слой обеспечивает ее распределение на большую площадь, а значит, и снижение напряжений. Расчетная схема распределения напряжений от поездной нагрузки показана на рис. 7.

Рис. 7. Перераспределение напряжений в балластном слое

Вопросам конструкции и прочности балластной призмы уделялось большое внимание. В наибольшей степени по этому вопросу известны работы Г.М. Шахунянца, М.Ф. Вериго, Крейнис В.О., Е.С. Варызгина, С.Н. Попова, А.М. Голованчикова, А.Н. Марготьева, В.В. Соловьева и др. Особое внимание балластному слою было уделено в 50-70 годы ХХ в. В последующем с переходом на щебеночный балласт внимание к прочности балластной призмы практически не уделялось и только сейчас при возможности пропуска на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» поездов со скоростями до 250 т/ось необходимо к этому вопросу вернуться.

Под воздействием поездной нагрузки в балластном слое постоянно накапливаются остаточные деформации (осадки). В зависимости от этого работу балластного слоя можно условно разделить на три периода.

Первый (начальный) период работы балластного слоя после его устройства характеризуется наиболее интенсивным накоплением осадок (период относительной стабилизации балластного слоя). Основная доля осадок происходит за счет уменьшения объема пустот, что связано с изменением взаимного расположения зерен и околом их острых граней. При этом отсутствует выпирание зерен как в шпальные ящики, так и за торцы шпал. Чтобы сократить срок и размер осадки в этот период, необходимо качественно производить уплотнение балласта под шпалой, а также на откосах балластной призмы и в шпальных ящиках. Интенсивность накопления осадок за счет окола зерен зависит от контактной прочности горной породы, из которой приготовлен щебень. Так, контактная прочность гранита составляет 1120-4000 МПа, прочность известняка 290-3570 МПа. Под воздействием вибрации при движении поездов контактирующие грани зерен слабой прочности округляются, истираются, что приводит к дополнительным осадкам и снижению несущей способности балластного слоя. Особенно сильно истираются зерна слабых пород, смешанных с зернами прочных пород. Поэтому смешение щебня из разных горных пород не допускается.

Во второй период (период нормальной эксплуатации) накопление остаточных деформаций значительно уменьшается. Работа балласта происходит в упругой стадии, т.е. после снятия поезд, ной нагрузки балласт возвращается в прежнее состояние. Незначительные деформации в этот период происходят за счет выпирания зерен щебня в шпальные ящики и за торцы шпал вследствие нарушения состояния предельного равновесия и частично за счет вдавливания зерен щебня в песчаную подушку. Это наблюдается в основном в зоне стыка при стыковом пути, где имеют место значительные динамические нагрузки, а также при пропуске подвижного состава с большими осевыми нагрузками. Деформации зависят и от фракции балласта; при небольшой крупности зерен и их гладкой поверхности (например, песок), угол внутреннего трения и сила зацепления небольшие. Поэтому такой балласт неустойчив, его зерна начинают перемещаться даже при незначительных вибрационных нагрузках (песок течет из-под шпалы), «вследствие чего предельно допустимые напряжения уменьшаются. С увеличением крупности зерен повышается несущая способность балластного слоя. При фракции щебня 25-60 мм обеспечивается наиболее оптимальная прочность балластного материала. Увеличение крупности зерен щебня (фракция 25-70 мм) нежелательно, так как это затрудняет выправку пути, а неравномерное опирание шпалы или рамного блока на балласт ведет к выходу их из строя. Рельсо-шпальная решетка, уложенная на щебень, зерна которого имеют остроугольную поверхность, обладает большей устойчивостью, чем решетка, уложенная на щебень из валунов и гальки, зерна которого имеют частично гладкую поверхность и, следовательно, меньшие значения трения и сцепления.

С проходящих поездов, особенно перевозящих сыпучие грузы, в балласт попадают загрязнители, которые значительно снижают его характеристики. Предельно загрязненный балласт уже не может упруго смягчать удары колес подвижного состава о рельсы, увеличивается его неравнопрочность.

Наступает третий период работы балластного слоя. Остаточные деформации вновь начинают резко увеличиваться за счет выплесков загрязненного балласта из-под шпал, что приводит к изменению положения рельсошпальной решетки. Такое состояние балласта допускать нельзя, необходимо ремонтировать путь с очисткой или заменой балласта.

При этом важно учитывать влияние скоростей движения поездов на формирование напряжений в элементах верхнего строения пути.

Увеличение скоростей движения поездов приводит к росту напряжений в балластном слое и на основной площадке земляного полотна. Однако приращение напряжений для одного и того же диапазона скоростей движения, по мере роста скоростей движения снижается. По данным ВНИИЖТа наибольшее приращение напряжений наблюдается в интервалах повышения скоростей движения 20-80 км/ч, где оно составляет 19,4%. В интервале 140-200 км/ч наблюдаются более медленный (почти в два раза) по сравнению с интервалом 20-80 км/ч рост напряжений на основной площадке и снижение этих величин в теле насыпи на глубинах >1 м. Это связано как с относительным снижением коэффициента вертикальной динамики скоростного подвижного состава (например, для электропоезда ЭР-200 в 7,5 раза в интервале скоростей 140-200 км/ч по сравнению 80-140 км/ч), так и с инерционными свойствами грунтовой массы насыпи, которая не успевает реагировать на кратковременные силовые нагрузки подвижного состава. Далее в земляном полотне реакция грунта на воздействия подвижного состава на разных глубинах оценивается динамическим коэффициентом, представляющим собой отношение напряжений на горизонтах, - при различных скоростях к статическим напряжениям на этом горизонте. Расчеты ВНИИЖТа показали, что чем выше скорость движения, т.е. чем быстрее перемещается поездная нагрузка через данное сечение пути, тем на меньшую глубину проникает ее влияние. При скоростях движения 150-200 км/ч на основной площадке динамический коэффициент составляет 1,41-1,62; на глубине 0,5 м он равен 1,18 - 1,19. На глубинах > 1,0 м он даже менее 1 вследствие больших сил внутреннего сопротивления грунта.

Для поддержания традиционного железнодорожного пути на балласте в должном состоянии, соответствующем современным требованиям к качеству пути для интенсивного движения поездов, необходимы значительные инвестиции, сложные технические средства, большие затраты труда и высокая квалификация исполнителей. Предложены новые типы путевых структур, применение которых, как полагают, может упростить решение проблемы обслуживания пути.

Нарушения геометрии пути, выражающиеся, главным образом, в осадке балласта и земляного полотна, являются основнымфактором, определяющим сроки и объемы путевых работ. При этом следует отметить, что именно балласт представляет собой основной компонент путевой структуры, так как от него зависит способность пути воспринимать и оптимально распределять динамические нагрузки от движущегося подвижного состава. Кроме того, именно путем исправления балластной призмы можно восстанавливать параметры и несущую способность путевой структуры, особенно в случае ослабления основания пути.

Вместе с тем балластный слой чаще всего склонен к искажению заданных геометрических очертаний верхнего строения пути, главным образом в вертикальной плоскости, и в этом отношении он гораздо податливее подбалластного слоя или земляного полотна и в большей степени, чем они, подвержен осадке.

Механизм нарушения целостности балластного слоя можно вкратце охарактеризовать следующим образом. При проходе поезда на балласт воздействуют циклические нагрузки переменной направленности: когда колесная пара находится непосредственно над конкретной шпалой, нагрузка максимальной амплитуды направлена вниз, а когда над шпалой нет колесной пары, балласт в силу определенной упругости приподнимается вверх. Циклы знакопеременных нагрузок создают в балласте напряжения, достаточные, чтобы как изменить взаимное расположение частиц балласта, так и вызвать их разрушение.

Последствия осадки пути и иных нарушений его геометрии чаще всего устраняют путем подбивки балласта и выправки. Однако подбивка влечет за собой еще большее разрушение частиц балласта ввиду сильного механического воздействия на них, также связанного со знакопеременными нагрузками. Периодически повторяемые операции по подбивке, входящие в качестве неотъемлемой части в комплекс работ по обслуживанию верхнего строения пути, постепенно ведут к потере прочности и жесткости балластного слоя. Отрицательные последствия этого процесса наиболее явно сказываются, когда измельчение балластного материала достигает критической степени и балласт теряет не только механические свойства, но и способность должным образом отводить воду с пути. На этой стадии балласт необходимо очищать или заменять, что требует большого объема путевых работ и обусловливает задержки движения поездов.

Для решения этой проблемы есть два пути: или улучшать характеристики балласта как такового в целях повышения срока его службы без утраты нужных свойств, или отказаться от пути на балласте в пользу безбалластного пути на жестком основании (рис. 4).

В Узбекистане на направлении Самарканд - Ташкент - Бухара в настоящее время принято целесообразным применение балластного путина земляном полотне с использованием современной технологии уплотнения насыпей. Именно такая конструкция пути была применена на первом высокоскоростной линии в Узбекистане на направлении Ташкент - Самарканд (рис 8).

Рис. 8. Балластная конструкция пути на направлении Ташкент - Самарканд

Анализ первого опыта по организации высокоскоростного движения поездов выявил следующие вопросы, подлежащие изучению в условиях ГАЖК «Узбекистон темир йуллари»:

уровень динамического воздействия на путь и земляное полотно от высокоскоростных поездов растет прямо пропорционально квадрату их скорости и с учетом высокочастотной вибрации вызывает резкий рост остаточных деформаций (в том числе интенсивное дробление балластного слоя, рис. 9) в пути и интенсивный износ подвижного состава;

Рис. 9. Дробление балластного слоя от вибровоздействия железобетонных шпал Ш1-1 со скреплением КБ

для обеспечения безопасности движения поездов необходима комплексная реконструкция балластной призмы, земляного полотна, усиление верхнего строения пути;

внедрение системы диагностики, контроля состояния пути, машинизированного текущего содержания пути и системы ремонтов и др.;

при строительстве земляного полотна и верхнего строения пути необходимо добиться того, чтобы упругая осадка основной площадки под действием нагрузки не превышала 1,5-2 мм;

при совмещенном движении грузовых и пассажирских поездов содержание пути в пределах норм и допусков на высокоскоростных участках вызывает значительные эксплуатационные расходы;

движение грузовых и высокоскоростных пассажирских поездов на одной линии приводит к значительному съему грузовых поездов и, как следствие, значительным эксплуатационным затратам и др.;

для пропуска скоростных и высокоскоростных поездов состояние пути должно соответствовать оценке «отлично»;

необходимо установить конструкцию балластной призмы для конкретных эксплуатационных условий (тип подвижного состава, осевые нагрузки, скорости движения и пр.).

В связи с отмеченным для ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» в настоящее время необходимо проанализировать требования различных нормативных документов и рассчитать оптимальные параметры балластной призмы для конкретных условий эксплуатации на скоростных и высокоскоростных линиях при обращениипоездов «Афрасиаб» (160 - 250 км/ч) и «Узбекистан» (до 160 км/ч) на направлении Ташкент - Самарканд.

1.3 Требования нормативных документов к балластному слою высокоскоростных участков ГАЖК «УТЙ»

Материалы для балласта должны удовлетворять требованиям соответствующих государственных стандартов и действующих в Республике Узбекистан нормативных документов, в том числе:

1.   ГОСТ 7392-2002. Межгосударственный стандарт. Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути. Технические условия.

ГОСТ 7392-2002 распространяется на щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути - неорганический зернистый сыпучий материал с номинальным размером зерен от 25 до 60 мм, получаемый дроблением изверженных горных пород с последующим рассевом продуктов дробления.

Ниже перечислены основные требования к щебню. Полные остатки на контрольных ситах должны соответствовать указанным в таблице 1.

Таблица 1

Марка щебня по истираемости должна быть И1, для которой потеря массы при испытании не должна быть более 25%.

Марка щебня по сопротивлению удару должна быть У75, для которой показатель сопротивления удару должен быть более 75.

Содержание зерен слабых пород должно быть не более 5% по массе.

В щебне не должно быть глины в комках, почвы растительного слоя, других органических и засоряющих примесей.

2.   ВСН 448-Н. Ведомственные технические указания. Инфраструктура высокоскоростной железнодорожной линии Ташкент - Самарканд. Общие технические требования. ГАЖК «УТЙ»

В ВСН приведены следующие требования к балластному слою высокоскоростных линий:

1. Балластная призма должна иметь плечо не менее 450 mm; крутизну откосов не более 1:1,5; толщину слоя балласта под подошвой шпал у концов со стороны междупутья не менее 400 mm. В кривых участках пути толщина слоя балласта под подошвой шпал у концов со стороны внутреннего рельса должна быть не менее 400 mm, а со стороны наружного рельса она рассчитывается в зависимости от возвышения.

2.      Поверхность балластной призмы должна быть на 10 mm ниже верха железобетонной шпалы в средней части.

.        Уклон на уровне подошвы балластной призмы должен составлять 0,04 в полевую сторону.

.        Толщина балластного слоя определяется по условию недопущения возникновения пластических деформаций оттаивающего глинистого грунта под вибродинамическим воздействием подвижной нагрузки и проверяется по условию недопущение морозного пучения.

.        В качестве необходимой толщины слоя балластных и дренирующих материалов принимается максимальное значение.

.        В местах, где по данным обследований определена недостаточная толщина балластных и дренирующих материалов, необходимо под балластной призмой устраивать защитный слой, отвечающий требованиям ГОСТ 25607-09.

.        Защитный слой выполняется из щебенисто-гравийно-песчаных смесей и при необходимости дополняется покрытиями из геотекстиля, пенополистирола, георешеток или геосеток. При устройстве защитного слоя необходимо выполнить срезку и замену грунтов на 0,1 m ниже залегания балластных деформаций.

.        Толщина защитного слоя назначается расчетом, исходя из выполнения требования обеспечения несущей способности нижележащих грунтов под действием нагрузки от подвижного состава и устранения пучения этих грунтов.

3.   ВСН 450-Н Ведомственные технические указания по проектированию и строительству. Железные дороги колеи 1520 мм

В ВСН 450-Н приводятся следующие требования к защитным слоям:

1.   Для земляного полотна из глинистых грунтов всех видов, кроме супесей, содержащих песчаные частицы размером от 2 до 0,05 mm более 50% по массе, следует предусматривать усиление конструкции в зоне основной площадки: устройство под балластной призмой защитного слоя из дренирующего грунта или из дренирующего грунта в комбинации с геотекстильным материалом.

2.      Толщина защитных слоев из дренирующего грунта без применения геотекстильных материалов в основании должна назначаться расчетом, но в зависимости от климатических условий не менее 0,8 m - для суглинков и глин, 0,5 m - для супесей.

4.   ВСН. Ведомственные технические указания по проектированию новых железнодорожных линии колеи 1520 мм. ГАЖК «УТЙ»

1.   Ширину балластной призмы поверху на прямых однопутных участках следует принимать при всех видах балласта, не менее, м:

на высокоскоростных, особогрузонаоряженных линиях и

линиях I и II категории…………………………………. 3,85

на линиях III категории…………………………………. 3,65

на линиях IV категории…………………………………. 3,45.

2.   На кривых участках пути толщину балластной призмы следует принимать с учетом возвышения наружного рельса при сохранении под внутренним рельсом балластного слоя толщиной, установленной для прямых участков.

3.      Для земляного полотна из глинистых грунтов всех видов, кроме супесей, содержащих песчаных частиц размером от 2 до 0,05 мм в количестве более 50% по массе, следует предусматривать усиление конструкции в зоне основной площадки: устройство под балластной призмой защитного слоя из дренирующего грунта в комбинации с геотекстилем или без геотекстиля. Укладка геотекстиля без защитного слоя из дренирующего грунта не допускается.

4.      Толщину слоя дренирующего грунта под балластной призмой устанавливают в зависимости от вида грунта земляного полотна и его состояния.

.        При проектировании защитных слоев из дренирующего грунта без применения геотекстиля в основании толщина его должна назначаться расчетом, но не менее в зависимости от климатических условий 0,8-1,0 м для суглинков и глин и 0,5-0,7 м для супесей.

.        Для линий особогрузонапряженных, со скоростным и высокоскоростным движением пассажирских поездов защитный слой принимается двухслойным: верхний слой для обеспечения заданной прочности основной площадки; второй слой определяется из условия недопустимости пучения.

.        Верхний защитный слой выполняется из щебенисто-гравийно-песчаной смеси с коэффициентом уплотнения не менее 1,0 и модулем упругости 120 МПа. При необходимости дополняется укладкой геоматериалов (геотекстиля, георешеток, геосеток).

.        Нижний защитный слой отсыпается из дренирующего грунта с модулем упругости 80 МПа и коэффициентом плотности не менее 0,98.

5.   ВСН. Ведомственные технические указания по проектированию земляного полотнажелезных дорог колеи 1520 мм.

Для земляного полотна из глинистых грунтов всех видов с влажностью на границе текучести W_L> 0,23, кроме супесей, содержащих песчаные частицы размером от 2 до 0,05 мм в количестве более 50% по массе, следует предусматривать усиление конструкции в зоне основной площадки: устройство под балластной призмой защитного слоя из дренирующего грунта или из дренирующего грунта в комбинации с геотекстильными материалами для исключения деформации морозного пучения (ВСН 448-Н). При проектировании защитных слоев из дренирующего грунта без применения геотекстиля в основании толщина его должна назначаться расчетом, но не менее в зависимости от климатических условий 0,8-1,0 м для суглинков и глин и 0,5-0,7 м для супесей.

Для линий особогрузонапряженных, со скоростным и высокоскоростным движением пассажирских поездов защитный слой принимается двухслойным.

Верхний слой для обеспечения заданной прочности основной площадки, исключающий появление превышения допустимой упругой осадки рельса выполняется из щебенисто-гравийно-песчаной смеси с коэффициентом уплотнения не менее 1,0, модулем деформации 120 МПа и при необходимости дополняется укладкой геоматериалов (геотекстиля, георешеток, геосеток).

Защитный слой из дренирующего грунта (с геотекстильными материалами или без них) следует применять также при использовании глинистых грунтов всех разновидностей при повышенной влажности (I_L> 0,25).

Толщина второго нижнего слоя с коэффициентом уплотнения не менее 0,98 и модулем деформации 80 МПа для исключения пучения отсыпается из дренирующего грунта.

Для устройства защитного слоя следует применять дренирующие грунты: крупнообломочные (с фракциями не более 0,2 м) с песчаным заполнителем, пески (за исключением мелких пылеватых).

Защитный слой насыпей высокоскоростных железных дорог может содержать гипс в количестве не более 0,2%.

Применение недренирующих мелких и пылеватых песков допускается в исключительных случаях, обоснованных технико-экономическими расчетами при отсутствии в зоне строительства требуемых кондиционных грунтов. При этом конструкцию защитного слоя и его толщину устанавливают индивидуальным проектом.

Верх защитного слоя согласно должен быть ниже уровня подошвы шпалы не менее 0,4 м.

Поверхность глинистого грунта в основании защитного слоя на новых линиях следует планировать с двусторонним уклоном 0,04 от оси полотна в сторону откосов.

Верх защитного слоя планируется горизонтально - при дренирующих грунтах, в виде сливной призмы - при песках мелких и пылеватых (рисунок).

Толщина защитного слоя под балластной призмой устанавливается на основании расчетов в зависимости от вида грунта земляного полотна и его состояния, категории железной дороги, и с учетом вида грунта защитного слоя, глубины промерзания грунтов.

Расчеты по определению толщины защитного слоя выполняют исходя из двух условий:

обеспечения заданной прочности основной площадки, исключающей появление деформаций под воздействием поездной нагрузки выше допустимых значений;

ограничения деформаций пути под воздействием морозного пучения или набухания сильнонабухающих грунтов (при W_L> 0,40).

а, б, в-насыпи и выемки с защитным слоем из дренирующих песчано-гравийных грунтов; 1 - балласт щебеночный; 2 - балласт песчано-гравийный; 3 - защитный слой; 4 - глинистый грунт

Рисунок 10 - Земляное полото из глинистых грунтов, характеризуемых W_L> 0,23 с защитным слоем

6.   Инструкция по техническому обслуживанию и эксплуатации сооружений, устройств, подвижного состава и организации движения на участках обращения скоростных пассажирских поездов.

Толщина балластного слоя определяется по условию недопущения возникновения пластических деформаций оттаивающего глинистого грунта под вибродинамическим воздействием подвижной нагрузки. В качестве необходимой толщины слоя балластных и дренирующих материалов принимается максимальное значение.

В местах, где по данным обследований определена недостаточная толщина балластных и дренирующих материалов, необходимо под балластной призмой устраивать защитный слой, отвечающий требованиям ГОСТ 25607.

Защитный слой выполняется из щебенисто-гравийно-песчаных смесей и при необходимости дополняется покрытиями из геотекстиля, пенополистирола, георешеток или геосеток. При устройстве защитного слоя необходимо выполнить срезку и замену грунтов на 0,1 м ниже залегания балластных деформаций.

Толщина защитного слоя назначается расчетом, исходя из выполнения требования обеспечения несущей способности нижележащих грунтов под действием нагрузки от подвижного состава и устранения пучения этих грунтов.

Защитный слой должен устраиваться на всю ширину основной площадки земляного полотна. Допускается уменьшать ширину защитного слоя до ширины, обеспечивающей размещение на нем балластной призмы из щебня в соответствии с нормами. При этом вырезку накопленных балластных материалов и грунтов земляного полотна в пределах обочин необходимо производить до уровня низа защитного слоя с уклоном не менее 0,04 в полевую сторону с последующей засыпкой обочины щебнем. Край защитного слоя на двухпутных участках со стороны междупутья следует располагать на расстоянии не менее 0,7 м от торцов шпал.

Поперечный уклон по верху защитного слоя следует предусматривать не менее 0,04 в полевую сторону. Верх этого слоя необходимо располагать на глубине не менее 0,4 м ниже подошвы шпал. Поверхность среза по низу защитного слоя должна иметь уклон не менее 0,04 в полевую сторону.

7.      Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути

Размеры балластной призмы для 1 и 2 классов пути на железобетонных шпалах:

Толщина балластного слоя под шпалой - 40 см;

Толщина песчаной подушки - 20 см;

Ширина плеча балластной призмы - 45 см;

8.      Специальные технические условия на проектирование железнодорожной линии Ташкент - Самарканд

Таблица 2. Параметры проектирования инфраструктуры железной дороги для организации скоростного движения со скоростями 160 км/час и 250 км/час

Параметры балластного слоя зарубежных железных дорог близки к ГАЖК «УТЙ». При обычной для Европы осевой нагрузке, равной 220 кН, расстоянии между шпалами 60 см и ширине шпалы 26 см толщина балластного слоя должна быть как минимум 30 см. Для высокоскоростных участков она должна быть увеличена до 40 см.

Ширина балластной призмы влияет на сопротивление сдвигу шпал по их продольной оси. Сопротивление сдвигу тем сильнее, чем больше щебня имеется перед торцом шпалы. В среднем ширина балластного слоя между краем призмы и торцами шпал на зарубежных железных дорогах составляет 45 см.

Как видно из представленных документов в них нет единого подхода к параметрам балластной призмы для участков скоростного и высокоскоростного движения поездов. К примеру, в «Специальных технических условиях на проектирование железнодорожной линии Ташкент - Самарканд» вовсе отсутствует раздел по защитному слою земполотна. Толщина балласта принята без расчетов напряжений на основной площадке земполотна под воздействием конкретного типа подвижного состава и конкретных скоростей движения поездов. То есть необходимо определить оптимальную толщину балластного слоя и ширину плеча балластной призмы для конкретных эксплуатационных условий ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» при обращении на них электропоездов «Афрасиаб» и «Узбекистан».

.4 Критерии определения толщины балластного слояи ширины плеча балластной призмы

Критерии определения толщины балластного слоя. Рост скоростей, осевых нагрузок на рельсовый путь приводит к повышению динамических давлений, передаваемых на балластную призму. В связи с этим необходимо уметь определять прочность балластного слоя с учетом многих факторов, таких как:

скорость движения;

осевая нагрузка;

свойства балластных материалов.

В настоящее время все имеющиеся методики определения предельно допустимого давления шпалы на балласт (несущая способность балласта) и балласта на основную площадку земляного полотна основаны на экспериментальных данных. В случае для оценки величины прочности балластной призмы и земляного полотна с изменением какого-либо из внешних факторов (скорость движения, осевая нагрузка и т.п.) необходимо выполнять большой объем экспериментальных работ.

Все изложенное предопределяет необходимость определения несущей способности балластного слоя и земляного полотна при движении поездов на скоростных и высокоскоростных магистралях.

Под несущей способностью балластного слоя и земляного полотна понимается наибольшая (предельная) величина напряжений, воспринимаемых соответственно балластом и основной площадкой земляного полотна, при которых они находится в предельном равновесии и при минимальном превышении этих напряжений происходит разрушение балластного слоя как конструктивного элемента железнодорожного пути или возникают остаточные деформации на основной площадке земполотна.

При этом важнейшим параметром является толщина балластного слоя. Она зависит от расстояния между шпалами, ширины шпал и угла распределения давления. Для обеспечения наиболее благоприятных условий передачи нагрузок далее нижнему строению пути необходимо стремиться к наибольшей толщине hбалластного слоя (рис. 11).Толщина балластного слоя должна быть такой, чтобы линии распределения давления соседних шпал пересекалась над поверхностью защитного слоя земляного полотна, в противном случае зоны нижнего строения пути, заключенные между шпалами, будут подвергаться слишком высоким нагрузкам.

В связи с этим несущая система пути должна быть рассчитана таким образом, чтобы не могли возникнуть недопустимые упругие и пластические деформации. В противном случае могут возникнуть недопустимые напряжения на основной площадке земляного полотна (рис. 11) или в защитном слое земляного полотна (рис. 12).

Компания PfleidererTrackSystems (Германия) исследовала также влияние железобетонных шпал шести типов на балластный слой и основание земляного полотна в зависимости от скорости движения поезда и осевой нагрузки.

Рис. 11. Распределение давления на основную площадку земляного полотна при недостаточной толщине балластного слоя

Рис. 12. Разрушение (выдавливание) защитного слоя земляного полотна ввиду недостаточной толщины балластного слоя

Основным был вывод, что чем больше площадь опирания шпалы, тем меньше деформация балластного материала. Давление в балласте под шпалой и давление на основную площадку земляного полотна в зависимости от толщины балласта приведены ниже на рис. 15,16, табл. 3. Шпалы BF70, применяемые на ГАЖК «УТЙ» наиболее близки по характеристикам к шпалам типа B70, поэтому приведенные ниже данные можно применять и для шпал типа BF70.

Как видно из рис. недостаточная толщина балластного слоя приводит к превышению допустимых напряжений в балластном слое и на основной площадке земляного полотна.

Таким образом, толщина балластного слоя, а также расстояние между шпалами должны быть такими, чтобы давление на земляное полотно не превышало величины, обеспечивающей его упругую осадку, исчезающую после снятия нагрузки. По мере удаления вниз от места непосредственного контакта пути с подвижным составом давление должно рассредоточиваться на все большую площадь и на земляное полотно уже передаваться почти равномерное давление примерно 0.8-10² кПа (0,8 - 1,0 кг/см²).

Критерии определения ширины плеча балластной призмы. Ширина плеча балластной призмы (рис. 13) определяется в основном из условия исключения выброса пути в летних условиях эксплуатации (рис. 14).

Рис. 13. Плечо балластной призмы

Рис. 14. Выброс пути

Сбор материалов по характеристикам верхнего строения пути высокоскоростной линии Ташкент - Самарканд (табл. 4) указывает на наличие большого количества участков с толщиной щебеночного балласта значительно меньше минимально допустимой, например, 20 см.

Исследованию влияния недостаточной толщины балласта на работу верхнего строения пути и определению оптимальных параметров балластной призмы (толщина балласта и защитных слоев земполотна, ширина плеча балластной призмы) посвящены приведенные ниже исследования и расчеты.

Эти задачи решаются в настоящей диссертации.

Таблица 3 - Параметры железобетонных шпал различных типов

Давление, σ_б, Н/мм²

Типы железобетонных шпал

Рис. 15. Давление в балласте под шпалой

Давление, σ_опзп,Н/мм²

Толщина балласта, а_б, мм

Рис. 16. Давление на основную площадку земляного полотна в зависимости от толщины балласта

Таблица 4. Пример рельсо-балластной карты ПЧ-2 ГАЖК «УТЙ»

.5 Цели и задачи исследования

Приведенные в диссертационной работе исследования включают в себя цели:

1.       Установление напряжений в элементах верхнего строения пути при воздействии высокоскоростного поезда «Афрасиаб» на участках скоростного и высокоскоростного движения поездов со скоростями 160 - 200 - 250 км/ч.

2.      Установление оптимальных параметров толщины балластной призмы по критерию ограничения максимально допустимых напряжений на основной площадке земляного полотна для конкретных условий ГАЖК «Узбекистон темир йуллари».

.        Установление оптимальных параметров плеча балластной призмы по критерию исключения выброса путидля конкретных условий ГАЖК «Узбекистон темир йуллари».

.        Исследование необходимости устройства защитного слоя земляного полотна на участках обращения скоростных и высокоскоростных поездов.

Приведенные в диссертационной работе исследования включают в себя следующие задачи:

1. Анализ параметров балластной призмы на железных дорогах мира, включая магистральные, скоростные и высокоскоростные участкиГАЖК «Узбекистон темир йуллари».

2.      Сопоставление требований различных нормативных документов, действующих на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари», к балластному слою железных дорог.

.        Расчеты напряженного и деформированного состояния верхнего строения пути со шпаламитипа BF70 и скреплениями «Pandrol Fastclip» на скоростных и высокоскоростных линиях ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» при обращениивысокоскоростного поезда «Афрасиаб» на направлении Ташкент - Самарканд.

.        Сравнение полученных результатов с расчетами других магистрантов (Шодманов С.) по определению напряженного и деформированного состояния верхнего строения пути со шпаламитипа BF70 и скреплениями «Pandrol Fastclip» на скоростных линиях ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» при обращениипоездов «Шарк» и «Насаф» со скоростями до 160 км/ч.

2. Расчеты устойчивости бесстыкового пути и оптимального плеча балластной призмы на высокоскоростной линии Ташкент - Самарканд

При повышении температуры рельсовых плетей по сравнению с нейтральной (температурой закрепления t₀) в них могут развиваться значительные сжимающие силы (P_t = 1200÷1500 кН), которые при неблагоприятном стечении обстоятельств могут привести к опасному нарушению устойчивости пути - выбросу. Это быстрый, практически мгновенный процесс искривления рельсов в горизонтальной плоскости с одновременным (или предшествующим) небольшим подъемом путевой решетки (до 15 мм), при котором контакт нижней постели шпал со щебнем теряется частично или полностью (рис. 17).

Рис. 17. Выброс железнодорожного пути

На прямых выброс протекает с резким звуком, на кривых - более плавно и тихо. При этом образуется резкое искривление рельсов (до 0,3 - 0,5 м на длине 20 - 40 м) с несколькими волнами в горизонтальной плоскости. Рельсы на этом участке приобретают остаточные деформации и становятся непригодными для работы в пути, щебень с откосов призмы отбрасывается (до 1,0 м).

Обеспечение устойчивости бесстыкового пути - одно из важнейших требований при его устройстве. Недостаточная устойчивость - прямая угроза безопасности движения поездов, а избыточные запасы устойчивости снижают эффективность применения бесстыкового пути.

Задача сводится к определению ∆t_у - допускаемого по устойчивости пути повышения температуры по сравнению с температурой закрепления рельсовых плетей.

Расчеты в диссертации были выполнены по наиболее распространенному методу С.П. Першина, в котором принята во внимание нелинейность сопротивления деформациям со стороны балластного слоя и узлов прикрепления рельсов к шпалам, а также учтено наличие начальных неровностей колеи, которые оказывают существенное влияние на устойчивость пути под действием продольных сил.

Согласно этому расчету при заданной длине l хорды зоны искривления и прочих известных параметрах можно найти стрелу f, при которой значения сжимающей силы максимальны. Это положение соответствует максимуму потенциальной энергии и отражает состояние неустойчивого равновесия.

Значение maxN_t меняется в зависимости от lи может быть получен минимум maxN_t, который при данном расчете и представляет собой наименьшую силу сжатия в состоянии неустойчивого равновесия. Минимум maxN_tпринят как значение расчетной закритической силы N_з, при достижении которой неустойчивое равновесие может перейти к выбросу пути.

Таблица 5. Параметры А и μ, зависящие от типа рельса и плана линии

В результате выполненных экспериментальных исследований /5,6/ на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» предложена оптимальная ширина плеча балластной призмы, равная 45 см.

В этом случае средняя сдвигающая сила, соответствующая сопротивлению балласта смещению шпал по результатам испытаний была равна 815 кг. В соответствии с графиком, приведенным на рис. 18 Принято:

к₁= 1,2.

к₂ принят:

при эпюре шпал в прямой 1720 шт./км к₂=0,95

при эпюре шпал в кривой 1840 шт./км к₂= 1,0

Коэффициент к₃зависит от степени затяжки гаек клеммных болтов (силы прижатия клеммы «PandrolFastclip»). При этом нормативное прижатие рельса к основанию для скреплений типа КБ составляет 19,6 кН, что соответствует крутящему моменту в размере 120 н м.

Для скреплений типа «PandrolFastclip» нормативное прижатие рельса к основанию составляет не менее 20 кН, т.е. в соответствии с графиком, приведенным на рис. 19, этот коэффициент может быть принят равным:

к₃ = 0,93 (при i=2% ₀)

к₃ = 0,97 (при i=3% ₀)

Для сравнения ниже рассмотрены 2 варианта конструкции и состояния пути:

Вариант 1. Сопротивление одиночных шпал смещению поперек пути 450 кг (при плече балластной призмы 25 см), начальная неровность составляет i=3% ₀

Вариант 2. Сопротивление смещению шпал типа BF 70 при плече балластной призмы составляет 815 кг (при плече балластной призмы 45 см), начальная неровность составляет i=2% ₀

Ниже приведена сводная таблица 6 температурных сил и повышений температуры рельсовой плетиΔt_у, допускаемое по условию устойчивости для вариантов 1 и 2.

Таблица 6

Из приведенных в табл. 6 данных видно, что в первом случае коэффициент запаса по устойчивости k_у не превышает 1,47, в то время, как его значение по условию безопасности должно находиться в пределах 1,5 ÷2,0 / 3/.Во втором случае коэффициент запаса по устойчивости находится в пределах 1,76÷2,00, что соответствует требованиям безопасности.

3. Расчет пути на прочность и устойчивость при воздействии электропоезда «Афрасиаб» с определением оптимальной толщины балластного слоя

балластный сыпучий земляной полотно

В рамках реализации первого этапа внедрения высокоскоростного движения на направлении ст. Ташкент - ст. Самарканд ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» в 2011 году приобрела два электропоезда Talgo AVE серии 250 (Афросиаб). Однако до настоящего времени не был оценен уровень динамического воздействия при движении этого поезда по железнодорожному пути со шпалами BF70 и рельсовыми скреплениями типа «Pandrol Fastclip». Не была также оценена прочность работы железнодорожного пути при воздействии высокоскоростных поездов и его устойчивость против выброса.

Выполненные испытания железобетонных шпал BF70 на заводе-производителе железобетонных шпал на прочность и трещиностойкость (рис. 20), приведенные в диссертации магистранта Шодманова А., подтвердили возможность применения этих шпал на скоростных и высокоскоростных линиях ГАЖК «Узбекистон темир йуллари». Для остальных элементов верхнего строения пути это надо доказать. Поэтому с целью определения оптимальных параметров укладки и эксплуатации остальных параметров верхнего строения пути (балластный слой, защитный слой земполотна) при максимальных скоростях движения пассажирского электропоезда «Афрасиаб» 250 км/час был выполнен приведённый ниже расчет пути на прочность и устойчивость.

Расчет выполнен в соответствии с «Методикой оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности». Исходные данные для расчета приведены в табл. 7

Рис. 20 Испытания шпал на прочность и устойчивость

Таблица 7 - Исходные данные для расчета

3.1 Расчетные усилия, передаваемые на рельс

Расчетная величина силы взаимодействия колеса и рельса в сечении под колесом определяется с вероятностью непревышения ее Ф = 0,99379 и составляет:

Р_РАСЧ = Р_СР + 2,5 S                                   (1)

С учетом вероятностного сочетания составляющих общего давления колеса на рельс, реализуемых при движении современных единиц подвижного состава, имеем:

для силы среднего давления колеса на рельс

Р_СР = Р_СТ +Р_р^ср                                          (2)

и для среднеквадратического отклонения совокупности действующих на рельс сил

                (3)

Из формул (1 - 3) видно, что величина расчетного давления колеса на рельс определяется с учетом: статического давления от подвижного состава, отнесенного к одному колесу, (Р_СТ); дополнительного динамического давления, вызванного колебаниями кузова на рессорах, (Р_р^ср); дополнительных динамических давлений, вызванных наличием изолированной неровности на пути, (S_НП), неровностей на колесе - изолированной (S_ИНК) и непрерывной (S_ННК) с учетом доли колес, обращающихся на участке, с изолированными неровностями, (q₁).

Отдельные составляющие расчетного давления колеса на рельс учитываются следующим образом:

статическое давление колеса на рельс (Р_СТ) принимается в расчете по паспортным данным подвижного состава;

сила дополнительного давления от колебания кузова на рессорах учитывается средним давлением и среднеквадратическим отклонением:

,                                       (4)

сила дополнительного давления, вызванного наличием изолированной неровности на пути, учитывается среднеквадратическим отклонением:

                     (5)

сила дополнительного давления, вызванного наличием изолированной неровности на колесе, учитывается среднеквадратическим отклонением;

                                         (6)

сила дополнительного давления, вызванного наличием непрерывной, неровности на колесе, учитывается среднеквадратическим отклонением:

                                     (7)

В формулах (4 - 7) введены следующие расчетные величины:

a₀ - коэффициент, учитывающий влияние приведенной массы пути не дополнительные давления, вызванные наличием неровностей на колесе (табл. 8);

a₁ - коэффициент, учитывающий влияние приведенной массы пути на дополнительное давление, вызванное наличием изолированной неровности на пути (табл. 8);

e - коэффициент, учитывающий влияние жесткости подрельсового основания на крутизну дополнительной динамической неровности на пути (табл. 8);

g - коэффициент, учитывающий род балластного слоя (табл. 8);

Таблица 8 - Расчетные коэффициенты

l - среднее расстояние между осями шпал (табл. 10);

Таблица 9 - Величина среднего расстояния между осями шпал

U - модуль упругости подрельсовго основания;

v - скорость движения экипажа;

q_K - вес необрессоренных частей экипажа, отнесенный к одному колесу;

d - диаметр среднего круга катания колеса;

е₀ - величина наибольшей расчетной глубины изолированной неровности (табл. 2.4.);

Таблица 10 - Наибольшая расчетная глубина изолированной неровности

b - коэффициент, учитывающий влияние мощности рельса на образование неровности на пути:

;

J - момент инерции рельса с учетом величины износа;

К - коэффициент относительной жесткости рельса и основания:

;

Е - модуль упругости материала рельсовой стали, Е=2,1´10⁶ кг/см²;

x - максимальный дополнительный прогиб рельса при проходке колесом косинусоидальной неровности, отнесенный к единице глубины неровности; принимается x = 1,47, если соблюдается неравенство:

v³v_КР,

где

,

g - ускорение свободного падения, g = 981 см/с².

При расчетах бесстыкового пути, а также для единиц подвижного состава, не прошедших экспериментальную проверку,

где f_СТ - статический прогиб рессорного комплекта.

3.2 Расчетные напряжения и деформации в элементах верхнего строения пути

Величина напряжений в элементах верхнего строения пути и прогиб рельса определяются с учетом воздействия на расчетное сечение системы (сосредоточенных нагрузок, в зону воздействия которых входит рассматриваемое расчетное сечение. Для верхнего строения пути современных типов влияние от отдельных сосредоточенных нагрузок (давлений осей подвижного состава) практически ощущается при расстоянии от оси до расчетного сечения не более 350 см. Притом следует выбирать наиболее неблагоприятные сочетания системы сосредоточенных нагрузок от осей подвижного состава, а именно; в расчетном сечении устанавливается ось подвижного состава, оказывающая максимально-вероятностное давление на рельс (Р_РАСЧ); воздействие от соседних осей учитывается коэффициентами линий влияния при величине давления этих осей на рельс, равной Р_СР. Коэффициенты линий влияния принимаются с учетом относительной жесткости рельса и основания (К) и расстояния от расчетного сечения до учитываемой нагрузки от соседней оси (Х=L_i) в соответствии с расчетными формулами: для изгибающих моментов

m=е^-КХ(cos KX - sin KX),

для прогибов, перерезыващих сил и давления рельса на шпалу

h=е^-КХ(cos KX + sin KX).

Наиболее неблагоприятное сочетание нагрузок следует принимать следующим образом:

для экипажей с двухосной жесткой базой - одна из осей принимается за расчетную и учитывается влияние второй оси; для экипажей с трехосной жесткой базой предварительно определяется знак коэффициента линии влияния ближайших осей тележки: при положительном значении коэффициента линии влияния за расчетную ось принимается средняя ось тележки и учитывается влияние крайних осей, при отрицательном значении коэффициента линии влияния за расчетную ось принимается крайняя ось тележки и учитывается влияние средней оси.

Считая схему работы рельса под действием расчетной системы грузов статической, получаем:

величину изгибающего момента в расчетном сечении рельса

,           (8)

величину давления рельса на шпалу в расчетном сечении

,            (9)

величину прогиба рельса в расчетном сечении

           (10)

По величине изгибающего момента и давления рельса на шпалу определяется напряжения в элементах верхнего строения пути:

в рельсах:

по оси подошвы

,                                (11)

кромочные по подшве

,                           (12)

кромочные в головке

,                       (13)

по верхней постели шпалы под подкладкой

,                                  (14)

в балластном слое по нижней части шпалы

.                                  (15)

В приведенных выше формулах приняты следующие обозначения:

W - момент сопротивления рельса;

f - коэффициент учета горизонтального изгиба и кручения рельса;

m_Г-К - коэффициент перехода от осевых напряжений в подошве рельса к кромочным напряжениям в подошве рельса:

,

_Г, Z_П - расстояние от горизонтальной оси рельса, проходящей через центр тяжести рельса, до крайних волокон соответственно головки и подошвы рельса;_П, b_Г - ширина соответственно подошвы и головки рельса в расчетном уровне;

w - площадь подрельсовой подкладки;

W_a - опорная площадь полушпалы с учетом изгиба.

3.3 Допускаемые напряжения

В соответствии с [6] критерии прочности пути определены из условия обеспечения его надежности по следующим критериям:

•        [σ_к] - из условия непревышения допускаемого количества отказов рельсов за период нормативной наработки;

•        [σ_ш] - из условия непревышения допускаемого износа шпал и прокладок под подкладками за период нормативной наработки;

•        [σ_б] и [σ_з] - из условия непревышения допускаемой интенсивности накопления остаточных деформации соответственно в балласте и па основной площадке земляного полотна.

Численные значения оценочных критериев прочности звеньевого пути приведены в табл. 8.

Таблица 8 - Оценочные критерии прочности

Данные таблицы применимы: [σ_к] - для типовых нетермообработанных рельсов в прямых и кривых радиусом более 1000 м. Для термоупрочненных рельсов значения [σ_к] увеличиваются на 14%, В кривых с R≤1000 м [σ_к] -2400 кг/см², так как нормативными документами предусмотрена сплошная смена рельсов между капитальными ремонтами пути в кривых с R=1000÷651 м - один paз, R=650÷351 м - два раза; R≤350 м - три раза; [σ_ш] - для сосновых стандартных шпал; [σ_к]=40 кг/см²-допускаемое напряжение в прокладке (при железобетонных шпалах); [σ_б] - для щебеночного и асбестового балласта. Для песчаного балласта приведенные значения [σ_б] необходимо уменьшить в 1,6 раза, при карьерном гравии и ракушкe в 1,4 раза; [σ_з] для земляного полотна из суглинистых грунтов.

3.4 Напряженное состояние основной площадки земляного полотна

Расчет напряжений на основной площадке земляного полотна, как правило, принято вести на основе вероятностного совокупного воздействия всех осей расчетного поезда. Учитывая, что по пути проследуют поезда с различным сочетанием нагрузки на ось (порожние и груженые), имеющие в составе вагоны различных типов (четырех-, шести- и восьми-осные), выбор состава расчетного поезда является затруднительным. Поэтому целесообразно определять напряжение на основной площадке земляного полотна от воздействия типовой единицы подвижного состава, преобладающей в поезде. Для средних условий за такую единицу подвижного состава можно принимать четырехосный грузовой вагон. При преобладающем движении по участку шести- или восьми-осных полувагонов за расчетную единицу подвижного состава принимать шести- или восьмиосный полувагон для определения воздействий на основную площадку земляного полотна.

Метод расчета напряжений на основной площадке земляного полотна заключается в суммировании напряжений, передаваемых в расчетную точку от трех соседних шпал, средняя из которых расположена в сечении над расчетной точкой.

,

где  - напряжение на основной площадке земляного полотна, вызванное давлением основной расчетной шпалы в расчетном сечении:

d_б - напряжение в балласте по нижней постели расчетной шпалы;

r₁ - поправочный коэффициент, учитывающий род шпал: для железобетонных - r₁ = 0,7, для деревянных - r₁ = 0,8;

m - коэффициент, учитывающий характер распределения напряжений в балластном слое по нижней поверхности шпалы в поперечном направлении:

Принимаемая в расчетах величина m должна соответствовать условию: 1 £m£ 2;

С₁, С₂ - параметры, учитывающие характер распределения напряжений в балластном слое под шпалой:

,                ,

b - средняя ширина нижней постели шпалы, h - толщина балласта под шпалой

Величины параметров С₁ и С₂ можно принимать для типовых конструкций верхнего строения пути;  - напряжение в расчетной точке основной площадки земляного полотна, передаваемое от соседних шпал:

,                   

А - параметр, определяющий характер передачи давлений в балластном слое от соседних шпал на расчетную точку:

А=b₁-b₂+0,5 (sin 2b₁ - sin 2b₂),

 - соответственно напряжения в балластном слое под первой и второй соседними шпалами от поездной нагрузки:

;                      ;

 - давления от расчетной нагрузки и соседних осей подвижного состава соответственно на первую и вторую соседние шпалы:

;

Полученное в процессе расчета напряжение d_h сравнивается с допускаемым напряжением для грунта основной площадки земляного полотна (табл. 11).

3.4 Расчеты бесстыкового пути

Практические расчеты бесстыкового пути выполняются с целью определения условий укладки и закрепления плетей бесстыкового пути и установления режимов эксплуатации. Для этого на основе рассмотрения условий прочности и устойчивости плетей бесстыкового пути определяются возможные запасы изменения температуры плети по сравнению с температурой закрепления ее для работы в выбранном режиме эксплуатации.

Допускаемые интервалы изменения температуры плети бесстыкового пути по условиям прочности рельса

Для бесстыкового пути из-за наличия погонных и стыковых сопротивлений температурному изменению длины плети характерно развитие значительных продольных сил, вызывающих осевое напряженное состояние рельса даже при отсутствии поездной нагрузки. Поэтому общее условие прочности для рельсов бесстыкового пути, принятое до настоящего времени в практических расчетах, имеет вид:

K_Пd_К+d_t£[d]

где К_П - коэффициент запаса прочности, К_П= 1,3;

d_К - кромочные напряжения в наиболее загруженных волокнах рельса, реализуемые при воздействии поездной нагрузки. Устанавливаются предварительным расчетом элементов верхнего строения пути на прочность;

d_t - нормальные напряжения в рельсах, возникающие в связи с изменением температуры плети по сравнению с температурой ее зацепления;

[d] - допускаемое напряжение для рельса плети бесстыкового пути, принимаемое равным условному нормальному пределу текучести рельсовой стали, [d]= 3500 кг/см².

Плеть бесстыкового пути работает при температурах как выше, так и ниже температуры закрепления. То есть нормальные температурные напряжения могут быть и растягивающими (при пониженных температурах), и сжимающими (при повышенных температурах). Учитывая характер распределения нормальных напряжений от изгиба по поперечному сечению рельса, следует общее условие прочности преобразовать:

для температур работы бесстыковой плети ниже температуры закрепления

K_Пd_П-К+d_tp£[d];

для температур работы бесстыковой плети выше температуры закрепления

K_Пd_Г-К+d_tс£[d];

где d_tp; d_tс - соответственно нормальные напряжения растяжения и сжатия по поперечному сечению рельса бесстыковой плети, вызванные изменением температуры рельса по сравнению с температурой закрепления;

d_П-К - растягивающие напряжения в кромочных волокнах подошвы рельса от изгиба под поездной нагрузкой. Подсчитываются формуле (12) с учетом состояния балластного слоя. Для районов с минимальными температурами не ниже - 20^ОС расчетные параметры состояния железнодорожного пути принимаются для подсчета d_П-Кпо летним условиям работы, а для районов с минимальными температурами рельса ниже - 20°С - по зимним условиям работы;

d_Г-К - сжимающие напряжения в кромочных волокнах головки рельсе от изгиба под поездной нагрузкой. Подсчитываются по формуле (13) для летних условий работы пути.

При полном отсутствии температурного изменения длины рельса температурные напряжения незагруженной поездной нагрузкой плети составляют

d_t = aЕDt»25Dt,

где a - коэффициент линейного расширения рельсовой стали,

a=1,18´10^-5 1/град;

Dt - интервал изменения температуры рельса по сравнению с температурой закрепления.

Следовательно, на основе условий прочности можно определить допускаемые интервалы безопасного изменения температуры:

понижение температуры рельса по условиям прочности кромочных волокон подошвы рельса

повышение температуры рельса по условиям прочности кромочных волокон головки рельса

Допускаемые интервалы изменения температуры плети бесстыкового пути по условиям устойчивости

В летних условиях при повышенных по сравнению с закреплением плети температурах продольные сжимающие температурные силы могут привести к нарушению устойчивости первоначального положения плети, т.е. к выбросу пути. Допускаемое повышение температуры по условиям сохранения устойчивости положения рельсо-шпальной решетки составляет:

где F - площадь поперечного сечения рельса;

[N_K] - допускаемая продольная сила, не вызывающая потери устойчивости положения рельсошпальной решетки.

Условия укладки и эксплуатации бесстыкового пути

Для железных дорог Узбекистана характерно применение температурно-напряженного бесстыкового пути без сезонных разрядок напряжений. Укладка и эксплуатация бесстыкового пути в этом случае возможны при соблюдении условия

Т_А£[Т_А],                                          

где Т_А - фактическая максимальная годовая амплитуда колебания температуры рельса для района эксплуатации бесстыкового пути;

[Т_А] - допускаемая по условиям прочности и устойчивости амплитуда изменения температуры рельса:

[Т_А]=Dt_P+Dt_C - [Dt₃],

Dt_P - допускаемый интервал понижения температуры рельса по сравнению с температурой закрепления, когда в рельсах возникают растягивающие температурные силы, принимается Dt_P=Dt_ПП;

Dt_C - допускаемый интервал повышения температуры рельса по сравнению с температурой закрепления, когда в рельсах возникают сжимающие температурные силы, принимается равным наименьшей из величин Dt_ПГ и Dt_y;

[Dt₃] - интервал температур, на котором можно произвести окончательное закрепление плетей, устанавливаемый по условиям производства работ; минимальный интервал [Dt₃] рекомендуется принимать при закреплении в весенний период 15^ОС, а в осенний период - 10^ОС;

При соблюдении условия возможна укладка и эксплуатация бесстыкового пути температурно-напряженного типа без сезонных разрядок. Фактический возможный интервал закрепления плети составит:

Dt₃=Dt_Р+Dt_С-Т_А

При этом возможные крайние температуры закрепления плети могут быть приняты:

минимальная температура закрепления

mint₃ = t_maxmax - Dt_С

максимальная температура закрепления

maxt₃ = Dt_Р + t_minmin.

В этих формулах включены температуры:_maxmax - максимальная летняя температура рельса;_minmin - минимальная зимняя температура рельса.

В результате расчетов были получены все параметры напряженно-деформированного состояния пути: сила воздействия от колеса на рельс (P_расч); осевые и кромочные напряжения в подошве и головке рельса (σ_п-о;σ_п-к; σ_г-к); напряжения в прокладке (σ_ш); напряжения в балластном слое и на основной площадке земляного полотна (σ_биσ_опзп); допускаемые интервалы изменения температуры плети бесстыкового пути Δtp и Δtс; температурный интервал закрепления плетей (mintз - maxtз); температурные силы в плетях Р_t.

Результаты расчетов для различной толщины балластного слоя и скоростях движения электропоезда «Афрасиаб» приведены в прил. 1

Полученные напряжения были сравнены с их допускаемыми величинами (табл. 8), в результате чего были сделаны следующие выводы:

1.      Установлена существенная зависимость напряжений в элементах верхнего строения пути от модуля упругости подрельсового основания. Для объективной оценки расчетных и фактических напряжений необходимо экспериментальным путем установить величины этого параметра для различных условий эксплуатации (раздел).

2.      Для принятых в расчетахU_пр-л=3000 кг/см²; U_пр-з=4500 кг/см²U_кр-л=3400 кг/см²; U_кр-з=5100 кг/см² при а_б=20/20 см при эпюре шпал от 1680 до 2000 шпал/км напряжения в резиновых прокладках, в балласте под шпалой и на основной площадке земляного полотна существенно превышают допустимые значения. При а_б=35/20 см не превышение допустимых напряжений в этом случае имеет место только при эпюре шпал 2000/2000 шпал/км и скоростях до 160 км/ч. При принятых величинах U_i на скоростных и высокоскоростных участках при воздействии электропоезда «Афрасиаб» необходимо устройство защитных слоёв земляного полотна из гравийно - песчаной смеси толщиной не менее 50 см.

.        Для принятых в расчете U_пр-л=2000 кг/см²; U_пр-з=3000 кг/см²; U_кр-л=2200 кг/см²; U_кр-з=3300 кг/см² при а_б=20/20 см при эпюре шпал 1680/1720, 1720/1840 и 1840/2000 шпал/км при скоростях 160-250 км/ч напряжения в резиновых прокладках, в балласте под шпалой и на основной площадке земляного полотна превышают допустимые значения. Не превышение допустимых напряжений в этом случае имеет место только при эпюре шпал 2000/2000 шпал/км и скоростях до 160 км/ч. При а_б=35/20 см не превышение допустимых напряжений в этом случае имеет место при эпюре шпал 2000/2000 шпал/км и скоростях до 200 км/ч. При принятых величинах U_i на высокоскоростных участках при воздействии электропоезда «Афрасиаб» необходимо устройство защитных слоёв земляного полотна из гравийно - песчаной смеси толщиной не менее 50 см.

.        Установлено, что толщина балласта на скоростных участках при воздействии электропоездов «Афрасиаб» и «Узбекистан» (до 200 км/ч) должна быть не менее а_б=35/20 см. Участки с меньшей толщиной балласта необходимо реконструировать.

.        На высокоскоростных участках необходимо устройство защитных слоев из щебенисто-гравийно-песчаных смесей, укладываемого на границе щебня и естественного грунта. Толщина защитного слоя в каждом конкретном случае рассчитывается в зависимости от типа подвижного состава и эксплуатационных параметров железнодорожной линии и должна быть не менее 50 см при толщине щебеночного слоя 35 см.

.6 Методика определения модуля упругости подрельсового основания

При определении модуля упругости подрельсового основания величина Р может быть установлена следующими способами:

. По известным величинам статических осевых нагрузок от различных типов подвижного состава, статически действующими на расчетное сечение (рис. 22). При необходимости учет влияния соседних осей производится по известной методике расчетов железнодорожного пути на прочность.

Путем нагружения рельса статической нагрузкой, передаваемой от домкратов на головку рельса (рис. 22). При этом влияние соседних осей не учитывается (т.к. li ≥3,5 м).

2.      Нагружением рельса динамической нагрузкой от различных типов подвижного состава, движущихся с различной скоростью. При этом с помощью тензометрической аппаратуры и осциллографов непрерывно фиксируется с записью и дальнейшей расшифровкой величины прогибов рельсов в расчетных сечениях. В этом случае необходимо учитывать влияние соседних осей на величины динамических нагрузок от колес подвижного состава (см. следующий раздел).

Прогибы рельса в указанных случаях определяются с помощью прогибомеров. Прогибомеры устанавливают на свайках, забитых около рельсов на глубину 0,70-0,75 м от верха поверхности балласта (рис 23).

а) путь без нагрузки; б) путь под нагрузкой

Рис. 22 Схема определения модуля упругости подрельсового основания (вариант 1)

Рис. 23 Схема определения модуля упругости подрельсового основания (вариант 2)

Общие выводы по диссертации

1. Диссертация посвящена изучению вопроса разработки оптимальной конструкции балластной призмы на участках ГАЖК «Узбекистон темир йуллари», где обращаются высокоскоростные («Афрасиаб» - до 250 км/ч) и скоростные поезда («Афрасиаб» и «Узбекистан» - 160-200 км/ч) на направлении Ташкент - Самарканд.

2.      Установлено, что высокий уровень динамического воздействия на путь и земляное полотно от воздействия скоростных и высокоскоростных поездов «Афрасиаб» и «Узбекистанс учетом высокочастотной вибрации вызывает резкий рост остаточных деформаций, в том числе интенсивное дробление балластного слоя в пути, осадки земляного полотна, износ подвижного состава и др.

.        Впервые выполнены расчеты напряженного и деформированного состояния элементов верхнего строения пути и земляного полотна под воздействием электропоезда «Афрасиаб» при скоростях до 250 км/ч. Для сравнения взяты результаты аналогичных расчетов, выполненных магистрантом Шодмановым С. для электропоезда «Узбекистан» для скоростей до 160 км/ч.

.        Установлено, что динамическое воздействие на путь от электропоезда «Афрасиаб» на 34-38% ниже, чем при тех же условиях упоезда «Узбекистан». Динамическое воздействие от электропоезда «Афрасиаб» при скорости 250 км/ч приблизительно соответствует динамическому воздействию от поезда «Узбекистан» при скорости 160 км/ч.

.        Были проанализировать требования различных нормативных документов по конструкции и размерам балластной призмы на скоростных и высокоскоростных линиях. Установлено, что в нормативных документах них нет единого подхода к параметрам балластной призмы для участков скоростного и высокоскоростного движения поездов.

.        Установлено, что фактическая толщина балластного слоя на направлении Ташкент-Самарканд на многих участках находится в пределах 20-35 см и менее, то есть явно недостаточна для обеспечения безопасности движения поездов на скоростных и высокоскоростных линиях.

.        Установлены критерии определения необходимой толщины балластного слоя и ширины плеча балластной призмы по предельно допустимым напряжениям на основной площадке земляного полотна и исключению выброса бесстыкового пути.

.        Получены величины допускаемых повышений температуры Δt_у, ⁰С по сравнению с температурой закрепления плетей железнодорожного пути со шпалами BF70 и скреплениями «PandrolFastclip» на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» по условию устойчивости пути.

9. Определены оптимальные размеры плеча балластной призмы из условия исключения выброса пути для скоростных и высокоскоростных линий. При эпюре шпал в прямых и кривых участках пути 2000 шт./км ширина плеча должна составлять не менее 45 см.

10.    Приведенная в ВСН «Ведомственные технические указания по проектированию новых железнодорожных линии колеи 1520 мм» ширина балластной призмы поверху на прямых однопутных участках должна быть на высокоскоростных линиях в размере не менее 3,85 м нельзя считать обоснованной, так как плечо балластной призмы в этом случае составляет 57,5 м (вместо требуемых 45 см). Это приводит к удорожанию строительства железнодорожного пути.

6. Установлено, что уклон неровности железнодорожного пути в плане не должен превышать i=2% ₀.

7.      Установлена существенная зависимость напряжений в элементах верхнего строения пути σ_iот модуля упругости подрельсового основанияU_i. Для объективной оценки расчетных и фактических напряжений необходимо экспериментальным путем установить величины этого параметра для различных условий эксплуатации. Рекомендуемая методика приведена в разделе 4.9.

8.      Для принятых в расчетахпо первому варианту U_пр-л=3000 кг/см²; U_пр-з=4500 кг/см²; U_кр-л=3400 кг/см²; U_кр-з=5100 кг/см² при а_б=20/20 см при эпюре шпал от 1680 до 2000 шпал/км напряжения в резиновых прокладках, в балласте под шпалой и на основной площадке земляного полотна существенно превышают допустимые значения. При а_б=35/20 см не превышение допустимых напряжений в этом случае имеет место только при эпюре шпал 2000/2000 шпал/км и скоростях до 160 км/ч. При таких величинах U_iи толщине балласта на скоростных и высокоскоростных участках при воздействии электропоезда «Афрасиаб» необходимо устройство защитных слоёв земляного полотна из гравийно - песчаной смеси толщиной не менее 50 см.

9.      Для принятых в расчете по второму варианту U_пр-л=2000 кг/см²; U_пр-з=3000 кг/см²; U_кр-л=2200 кг/см²; U_кр-з=3300 кг/см² при а_б=20/20 см при эпюре шпал 1680/1720, 1720/1840 и 1840/2000 шпал/км при скоростях 160-250 км/ч напряжения в резиновых прокладках, в балласте под шпалой и на основной площадке земляного полотна превышают допустимые значения. Не превышение допустимых напряжений в этом случае имеет место только при эпюре шпал 2000/2000 шпал/км и скоростях до 160 км/ч. При а_б=35/20 см не превышение допустимых напряжений в этом случае имеет место при эпюре шпал 2000/2000 шпал/км и скоростях до 200 км/ч. При принятых величинах U_i на высокоскоростных участках при воздействии электропоезда «Афрасиаб» необходимо устройство защитных слоёв земляного полотна из гравийно - песчаной смеси толщиной не менее 50 см.

.        Установлено, что толщина балласта на скоростных участках при воздействии электропоездов «Афрасиаб» (до 200 км/ч) и «Узбекистан» (160 км/ч) должна быть не менее а_б=35-40/20 см. Участки с меньшей толщиной балласта необходимо реконструировать.

.        На высокоскоростных участках целесообразно при толщине щебеночного слоя 40 см устройство защитных слоев из щебенисто-гравийно-песчаных смесей, укладываемого на границе щебня и естественного грунта. Толщина защитного слоя в каждом конкретном случае рассчитывается в зависимости от типа подвижного состава и эксплуатационных параметров железнодорожной линии, но должна быть не менее 50 см.

Литература

1.   Приказ №70Н ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» от 05.11.1995 г. «О переходе на новую систему ведения путевого хозяйства на основе повышения технического уровня и внедрения ресурсосберегающих технологий». Ташкент, 1995.

2.      Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути. Ташкент, «Узбекистон темир йуллари», 2004.

.        Железнодорожный путь/под ред. Т.Г. Яковлевой. - М.: Транспорт, 2001.

.        Основы устройства и расчетов железнодорожного пути. Под ред. С.В. Амелина и Т.Г. Яковлевой. М.: Транспорт, 1990.

.        Бесстыковой путь. /Под ред. Г. Альбрехта. М.: Транспорт, 2000.

.        Шахунянц, Г.М. Железнодорожный путь: Учеб.для вузов ж.-д.трансп. - 3-е изд., перераб. и доп. / Г.М. Шахунянц - М.: Транспорт. 1987.

.        Шахунянц Г.М. К вопросу об определении эпюры давления на балласт. Труды МИИТа, вып. 45, Трансжелдориздат, 1936

.        Прокудин И.В. Прочность и деформативность железнодорожного земляного полотна из глинистых грунтов, воспринимающихвибродинамическую нагрузку: Дис…. докт. техн. наук. - Л., 1982. - 455 с.

.        Марготьев А.Н. Оценка прочности балластного слоя и земляного полотна по предельному состоянию. - М.: Транспорт, 1970. - 152 с.

.        Соловьев В.В. Размеры двухслойной балластной призмы на участках обращения поездов с осевыми нагрузками 250 - 270 кН. Дис. … канд. техн. наук. - Л., 1990. -185 с.

.        Мамажанов Р.К. и др. Определение оптимальных параметров и условий эксплуатации железнодорожного пути с железобетонными шпалами типа BF 70 и эластичными рельсовыми скреплениями «Pandrol Fastclip» на направлении Самарканд - Бухара. Ташкент, ТашИИТ 2005 г.

12. Мамажанов Р.К. Экспериментальные и эксплуатационные исследования работы железнодорожного пути с железобетонными шпалами BF70 и промежуточными рельсовыми скреплениями типа «РandrolFastclip».Ташкент, ТашИИТ 2006 г.

13.    Овчинников А.Н., Мамажанов Р.К., д.т.н., Вопросы исследования поперечной устойчивости путевой решетки с железобетонными шпалами типа BF 70 и скреплениями «Pandrol Fastclip». Ташкент, ТашИИТ, 2006 г.

.        Овчинников А.Н. Перспективы применения на ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» железобетонных шпал с эластичными скреплениями. Алматы, КАТиК, 2005 г.

.        Овчинников А.Н. Экспериментальные исследования работы железобетонных шпал BF70 с упругими рельсовыми скреплениями. Москва, РГУПС, 2009 г.