CC BY
11Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 1 (60). С. 21-28. The Siberian Transport University Bulletin. 2022. No. 1 (60). Р. 21-28.
ТРАНСПОРТ
Научная статья УДК 625.17(07)
doi 10.52170/1815-9265_2022_60_21
Допустимое морозное пучение подшпального основания с учетом весеннего оттаивания пути для модернизации восточного полигона
Георгий Константинович Щепотин
Сибирский государственный университет путей сообщения, Новосибирск, Россия, [email protected]
Аннотация. Повышение несущей способности подшпального основания пути в сложных инженерно-геологических условиях Сибири является одной из основных задач при модернизации восточного полигона. Вопрос о допустимом морозном пучении актуален для проектирования противопучинных конструкций при строительстве новых железных дорог, а также для устранения их на эксплуатируемых линиях. Существующую градацию допустимого морозного пучения необходимо дополнительно детализировать с учетом многообразия инженерно-геологических особенностей восточного региона.
Весеннее оттаивание пути - наиболее опасный период года. По мере оттаивания пути снижается морозное пучение. Оттаивание мерзлых грунтов сопровождается снижением их несущей способности и образованием просадок основания. В результате сезонные деформации наносят немалый ущерб путевому хозяйству дорог в условиях Сибири и препятствуют бесперебойному и безопасному движению поездов с установленными скоростями. Поэтому при определении допустимого морозного пучения необходимо учитывать весеннее оттаивание подшпального основания.
Ключевые слова: модернизация восточного полигона, допустимое морозное пучение, усиление подшпального основания, сезонные деформации, асбестовый балласт, глинистые грунты
Для цитирования: Щепотин Г. К. Допустимое морозное пучение подшпального основания с учетом весеннего оттаивания пути для модернизации восточного полигона // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 1 (60). С. 21-28. DOI 10.52170/1815-9265_2022_60_21.
TRANSPORT
Original article
Permissible frost heaving of the sleeper base, taking into account the spring thawing of the track during the modernization of the eastern polygon
George K. Shchepotin
Siberian Transport University, Novosibirsk, Russia, [email protected]
Abstract. Increasing the load-bearing capacity of the sleeper base of the track in the difficult engineering and geological conditions of Siberia is one of the main tasks in the modernization of the eastern polygon. The issue of permissible frost heaving is relevant for the design of anti-spring structures during the construction of new railways, as well as their elimination on existing lines. The existing gradation of permissible frost heaving should be further detailed, taking into account the variety of engineering and geological features of the eastern region.
Spring thawing is the most dangerous period of the year. As the path thaws, frost heaving decreases. Thawing of frozen soils is accompanied by a decrease in their bearing capacity and the formation of subsidence of the base. As a result, seasonal deformations cause considerable damage to the road infrastructure in Siberia and hinder the smooth and safe movement of trains at set speeds. Therefore, when determining the permissible frost heaving, it is necessary to take into account the spring thawing of the sleeper base.
Keywords: modernization of the eastern polygon, permissible frost heaving, strengthening of the sleeper base, seasonal deformations, asbestos ballast, clay soils
For citation: Shchepotin G. K. Permissible frost heaving of the sleeper base, taking into account the spring thawing of the track during the modernization of the eastern polygon. The Siberian Transport University Bulletin. 2022;(60):21-28. (In Russ.). DOI 10.52170/1815-9265_2022_60_21.
© Щепотин Г. К., 2022
При реализации поэтапной модернизации восточного полигона планируется к 2024 г. увеличить грузонапряженность путей в 1,5 раза. Существенное повышение пропускной способности дорог предполагается за счет строительства новых и вторых путей, а также внедрения тяжеловесного движения.
Восточный полигон располагается в труднодоступных таежно-болотистых районах с наличием вечномерзлых грунтов. В этих сложных инженерно-геологических условиях важно создать прочное и устойчивое основание железной дороги для ее эффективной эксплуатации. Однако именно подшпальное основание является наименее надежным элементом пути.
Подшпальное основание железных дорог восточного региона - это сложный по своей работе и неоднородный по физико-механическим характеристикам комплекс, состоящий из балластной призмы, старых балластных материалов и основания, как правило, из переувлажненных глинистых грунтов [1-3].
Данный комплекс представляет собой слой от нижней постели шпал до глубины, на которой уже можно пренебрегать деформациями от динамического воздействия поездной нагрузки. В этом слое (примерно 3 м) деформации от поездной нагрузки постепенно затухают.
С ростом нагрузок (уголь и другие сыпучие грузы) интенсивность остаточных деформаций пути при движении тяжеловесных поездов увеличивается, при этом увеличивается и толщина слоя активного сжатия грунтов основания. Путейцам становится затруднительно содержать путь в исправном состоянии и обеспечивать бесперебойное и безопасное движение поездов.
Подшпальное основание длительно эксплуатируемых железных дорог запроектировано и построено по устаревшим и не удовлетворяющим современным эксплуатационным требованиям нормам [4].
Работа пути осложняется изменчивостью состояния земляного полотна в зависимости от свойств слагающих его грунтов, которые не постоянны во времени и меняются при взаимодействии с грунтовой и поверхностной водой, при сезонном промерзании-оттаивании [5-7].
Поэтому усиление подшпального основания пути на эксплуатируемых железнодорожных линиях в сложных инженерно-геологических и климатических условиях Сибири яв-
ляется одной из основных задач при модернизации восточного полигона [8, 9].
Для предотвращения остаточных деформаций в толщине слоя активного сжатия грунтов подшпального основания необходимо выполнить замену слабых грунтов на более прочные дренирующие [10-12].
Замена местных слабых грунтов на пес-чано-гравийные смеси широко применялась в 60-х годах при строительстве «трассы мужества» Абакан - Тайшет. Первоначально толщина замены (противодеформационной подушки) принималась 60 см. Позднее она была увеличена до 80 см.
В дальнейшем опыт эксплуатации этой линии показал недостаточность данных мероприятий для борьбы с последствиями морозного пучения грунтов. Пучинные деформации здесь получили повсеместное распространение. Исправить ситуацию не удается до сих пор [1].
При строительстве линии Тюмень - Сургут толщина подушек принималась 80 см. Но вместо песчано-гравийных смесей укладывался асбестовый балласт. Он использовался в накладных и врезных подушках (слой 80 см), а также в качестве балластного слоя (толщиной 50 см). В результате этого на линии пучинные деформации не получили широкого развития [13].
Выяснилось, что к положительным качествам асбестового балласта относятся не только хорошие противопучинные свойства, но и высокая несущая способность и сопротивляемость вибрационным воздействиям, а также незначительная водопроницаемость и относительно постоянный влажностный режим. При этом отпускная стоимость асбестового балласта в 3 раза меньше, чем стоимость путевого щебня [8, 14].
Опыт эксплуатации пути в Сибири показывает, что полностью избежать пучения практически невозможно (или очень дорого). Поэтому целесообразно обеспечить такие условия, при которых пучение не будет вызывать недопустимых деформаций как в процессе промерзания, так и при оттаивании [15-17].
Морозное пучение - один из важнейших факторов, определяющих эксплуатационную надежность железных дорог. Вопрос о допустимом морозном пучении актуален в связи с разработкой эффективных мер предотвраще-
ния пучинообразований при строительстве новых железных дорог и устранением их на эксплуатируемых линиях [10].
Весной по мере оттаивания пути снижается морозное пучение (оттаивают ледяные прослойки). Оттаивание мерзлых грунтов сопровождается снижением их несущей способности и образованием просадок основания. В результате сезонные деформации наносят большой ущерб путевому хозяйству дорог в условиях Сибири и препятствуют бесперебойному и безопасному движению поездов с установленными скоростями [11, 18].
Принятую в настоящее время градацию допустимого пучения нельзя считать окончательной, поскольку она не затрагивает всего многообразия эксплуатационных условий, существующих конструкций пути, а также климатических и инженерно-геологических особенностей восточного региона [1, 19].
Весна - наиболее опасный сезон года в работе пути. В этот период (апрель - май) при оттаивании оседают распученные зимой грунты земляного полотна. Интенсивность накопления остаточных деформаций возрастает (рис. 1).
Наблюдения позволили установить зависимость между остаточными деформациями Еот в период оттаивания пути и величиной морозного пучения к:
Е = 2,35 + 0,9к. (1)
от ' ' 4 '
Из формулы (1) следует, что остаточные деформации пути в период весеннего оттаивания определяются в основном величиной морозного пучения:
Е = к. (2)
от ^ '
При весеннем неравномерном оттаивании существенно изменяется напряженно-деформированное состояние пути за счет дополнительных напряжений, возникающих при дви-
жении транспорта по неровностям. Это ускоряет процессы разрушения элементов пути. Отсюда существует целесообразность ограничения величины морозного пучения не только из условия неравномерности пучения грунтов при промерзании, но и из-за неравномерности их осадки при оттаивании.
Учитывая вышесказанное, наиболее кардинальным следует считать такой вариант, при котором допустимое пучение [к] равно 0, что практически невозможно с экономической точки зрения.
Чтобы решить данную задачу, необходимо минимизировать интенсивность нарастания неравномерности пути при оттаивании подшпального основания весной в зависимости от величины морозного пучения.
Для решения этой задачи на основе натурных исследований разработана математическая модель, которая описывает распределение отклонений по уровню от величины морозного пучения по сечениям пути.
Состояние пути по уровню оценивается с помощью проходов путеизмерительных вагонов два раза в месяц. Рост интенсивности осадок пути весной приводит к увеличению вероятности появления недопустимых нерав-номерностей пути по уровню в сравнении с летним сезоном за одинаковый промежуток времени (например, равный периоду прохода путеизмерительного вагона). Следовательно, величину морозного пучения следует ограничить таким допустимым значением, при котором не наблюдается существенного увеличения вероятности появления недопустимых неравномерностей пути по уровню при оттаивании подшпального основания.
В модели было принято оценивать неравномерность пути по уровню вероятностью Рн появления в пути перекосов больше 8 мм.
II 1У У1 УШ X месяцы Рис. 1. График накопления остаточных деформаций Е по сезонам года
Пусть АТ - пропущенный тоннаж, Мт, между у-м и (+1)-м моментами контроля состояния рельсовой колеи вагоном-путеизмерителем, а Ёу - интенсивность
накопления остаточных деформаций в 7-м сечении пути, мм/Мт. Тогда остаточная деформация Ёу в 7-м сечении пути за период
АТ составит
Ё у = Ёу АТ. (3)
Превышение одной рельсовой нити над другой за АТ находится по формуле
Ай.. = Ё .. - Ё .., (4)
7] м 7. пу ' У*'
а величина отклонения пути по уровню в 7-м сечении в (.+1) момент контроля определяется как
й]+1 = йу +Ай у , (5)
где й . - отклонение пути по уровню в -м сечении в у-й момент контроля, мм; Ёму - остаточная деформация по междупутной рельсовой нити, мм; Ё^. - остаточная деформация
по полевой рельсовой нити, мм.
Перекос пути в 7-м сечении в (у + 1) момент контроля будет равен:
Поскольку значения d и N на любой момент контроля являются случайными величинами, то, зная функции распределения d и N, можно определить возрастание вероятности отклонений рельсовой колеи от норм содержания за период АТ.
На рис. 2 и 3 приведены характерные гистограммы частостей распределения отклонений пути по уровню d и перекосов N на опытных участках в различные моменты времени. Гистограммы указывают на возможность подчинения случайной величины d нормальному закону распределения, а случайной величины N - экспоненциальному.
В этом случае плотность вероятностей распределения перекосов пути может быть представлена в виде
р( N) = А ехр(-Ш), (7)
а плотность вероятностей распределения отклонений рельсовых нитей по уровню как
I (й) = ■
1
гехр<
(й - й )2
(8)
N у+1 =
7+1,у+1
7,3+1
(6)
Б^тЛ 4 [ 2Б J
где А - параметр, равный 1/N (N - среднее
значение перекосов пути); й и - среднее значение отклонений по уровню и среднеквадратичное отклонение.
Рис. 2. Гистограмма частостей распределения перекосов пути Ы: 1 - опытные данные; 2 - теоретическое распределение
Рис. 3. Гистограмма частостей распределения отклонений пути по уровню ё: 1 - опытные данные; 2 - теоретическое распределение
Нахождение параметров распределения ё и N на очередной момент контроля выполнялось методом статистического моделирования [20, 21].
Вследствие подчинения случайной величины Е нормальному закону розыгрыш Ему
с математическим ожиданием Е и среднеквадратичным отклонением Бе осуществлялся следующим образом:
Ем.ч = (х Я - з!+Е. (9)
V к=1 У
Для получения псевдослучайных чисел Як использовался стандартный генератор случайных чисел [22], реализованный конгруэнтным мультипликативным методом
Як+1 = ( Як Я) шсё1. (10)
Формула (10) определяет последовательность чисел в интервале от 0 до 1 с распределением, близким к равномерному.
Величина интенсивности накопления остаточных деформаций по полевой рельсовой нити Епу. находилась по величине Е у с использованием процедуры розыгрыша двух зависимых случайных величин с учетом коэффициента корреляции в поперечном профиле ги. Аналогично определялась и величина Ем (+1 , но
с учетом значений коэффициента корреляции в продольном профиле Гпр [23].
Средняя интенсивность накопления остаточных деформаций в период оттаивания пути находилась по формуле
к
Е = к, (11)
от
где Тот - пропущенный тоннаж за период оттаивания пути, Мт, определяемый как
Г/
Т„ = -
365
(12)
где Г - грузонапряженность, Мт; /от - период оттаивания (апрель - начало июня), дни; 365 - число дней в году
Параметры распределения отклонений пути по уровню в период оттаивания приняты согласно натурным замерам на опытных участках: ёу=1 = 0,61 мм, 5у=1 = 3,10 мм (см. рис. 3).
Приведем упрощенную последовательность выполнения расчетов на ПЭВМ:
1) ввод исходных данных: к, /от, гп, г ,
ё
у=1> "у=1 :
2) генерация случайных чисел Рк, равномерно распределенных в интервале (0,1);
3) использование этих чисел для получе-
ния Е
4) вычисление Аё у, ё _
1, у+1
N
1, у+1 :
5) вычисление ёу+1, Б у+1, N
V+1
6) вычисление вероятностей Рй и PN превышения отклонений по уровню йу+1 и перекосам пути Nу+1 от норм содержания;
7) печать результатов расчета.
В модели принято определять вероятность Рй как
Ра = Р{й >[й]}, (13)
а вероятность из условия
Р„ = Р{N >[N]}, (14)
где [й] и [V] - нормы содержания рельсовой колеи по уровню и перекосам.
Результаты статистического моделирования представлены на рис. 4. Здесь изображена зависимость вероятности от величины морозного пучения к.
Таким образом, из условия обеспечения минимума объемов работ по выправке пути по уровню в период оттаивания из-за неравномерной осадки распученных грунтов допустимое морозное пучение не должно превышать 10 мм. А в условиях дефицита рабочей силы на дорогах восточного региона задача минимизации объемов работ при эксплуатации пути является актуальной. Кроме того, следует учитывать, что при укладке бесстыкового пути в холодных климатических условиях Сибири крайне важно ограничить весенние деформации пути для исключения отказов рельсовых плетей и обеспечения без-
опасности движения поездов с установленными скоростями в период оттаивания.
0,006 0,005
0,004 0,003 0,002 0,001
0 10 20 30 к, мм
Рис. 4. Зависимость вероятности PN от величины морозного пучения к
Зависимость на рис. 4 имеет степенной вид. Из ее анализа следует, что при значениях к больше 10-12 мм наблюдается существенное увеличение вероятности PN, т. е. на практике имеет место резкое приращение объемов работ по выправке пути по уровню в единицу времени.
Список источников
1. Щепотин Г. К. Усиление подшпального основания в условиях Сибири // Путь и путевое хозяйство. 2021. № 7. С. 22-24.
2. Бесстыковой путь / В. Г. Альбрехт, Н. П. Виногоров, Н. Б. Зверев [и др.] ; под ред. В. Г. Альбрехта, А. Я. Когана. М. : Транспорт, 2000. 408 с.
3. Бредюк Г. П., Палькин Ю. С. Проектирование земляного полотна на вечномерзлых грунтах. Новосибирск : Изд-во НИИЖТа, 1986. 87 с.
4. Титов В. П. Усиление земляного полотна длительно эксплуатируемых железных дорог. М. : Стройиздат, 1980. 272 с.
5. Справочник по земляному полотну эксплуатируемых железных дорог / под ред. А. Ф. Подпалого, М. А. Чернышева, В. П. Титова. М. : Транспорт, 1978. 767 с.
6. Пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений / В. О. Орлов, Ю. Д. Дубнов, Н. Д. Меренков. Л. : Стройиздат, 1977. 183 с.
7. Рувинский В. И. Оптимальные конструкции земляного полотна. М. : Транспорт, 1982. 166 с.
8. Щепотин Г. К., Машкин Н. А. Повышение морозоустойчивости земляного полотна автомобильных дорог // Известия вузов. Строительство. 2015. № 3. С. 85-91.
9. Щепотин Г. К., Крутасов Б. В. Повышение несущей способности дорожных конструкций в условиях Сибири // Труды Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета. 2018. Т. 21. № 1 (67). С. 127-137.
10. ЦПИ-24. Технические указания по устранению пучин и просадок железнодорожного пути / МПС России. М., 1997. 73 с.
11. Щепотин Г. К. Надежность подшпального основания бесстыкового пути в суровом климате // Путь и путевое хозяйство. 2002. № 5. С. 17.
12. Руководство по применению полимерных материалов (пенопластов, геотекстилей, георешеток, полимерных дренажных труб) для усиления земляного полотна при ремонтах пути / МПС России. М., 2002. 110 с.
13. Методические рекомендации по применению асбестового балласта на железнодорожном транспорте : утв. 07.08.2008. Министерство промышленности и науки Свердловской области. Екатеринбург, 2008. 13 с.
14. ТУ 32-ЦП-782-92. Смесь песчано-щебеночная из отсевов дробления серпентинитов для балластного слоя железнодорожного пути : утв. 15.08.1992. М., 1992.
15. Щепотин Г. К., Величко Д. В. Эффективность усиления подшпального основания пенополисти-ролом // Путь и путевое хозяйство. 2005. № 9. С. 12-13.
16. Akimov S., Kosenko S., Bogdanovich S. Stability of the supporting subgrade on the tracks with heavy train movement // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. № 1116. Р. 228-236.
17. Севастьянов А. А., Кочетков А. С., Стрелков Д. А. Анализ воздействия поездов на железнодорожный путь в условиях Среднесибирского хода // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2020. № 4 (55). С. 26-33.
18. Косенко С. А., Акимов С. С. Причины отказов элементов железнодорожного пути на полигоне Западно-Сибирской железной дороги // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2017. № 3 (42). С. 26-34.
19. Щепотин Г. К. Влияние грузонапряженности и осевых нагрузок на долговечность рельсов в регионах с холодным климатом // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2021. № 1 (56). С. 12-19.
20. Математическая статистика / В. М. Иванова, В. Н. Калинина, В. Н. Нешумова [и др.]. М. : Высшая школа, 1981. 371 с.
21. Надежность технических систем : справ. / Ю. К. Беляев, В. А. Богатырев, В. В. Болотин [и др.] ; под ред. И. А. Ушакова. М. : Радио и связь, 1985. 608 с.
22. Вентцель Е. С. Исследование операций. М. : Сов. радио, 1972. 552 с.
23. Щепотин Г. К. Усиление подшпального основания бесстыкового пути. Екатеринбург : Изд-во Урал. гос. ун-та путей сообщения, 2008. 150 с.
References
1. Shchepotin G. K. Strengthening of the sleeper base in Siberia. Way and track facilities. 2021;(7):22-24. (In Russ.).
2. Albrekht V. G., Vinogorov N. P., Zverev N. B. [at al.]. Continuons welded rail track. M.: Transport; 2000. 408 р. (In Russ.).
3. Bredyuk G. P., Palkin Yu. S. Design of subgrade on permafrost soils. Novosibirsk: Publishing house of NIIZhT; 1986. 87 р. (In Russ.).
4. Titov V. P. Strengthening the subgrade of long-term operated railways. M.: Stroyizdat; 1980. 272 р. (In Russ.).
5. Podpalogo A. F., Chernysheva M. A., Titov V. P., eds. Reference book on the subgrade of operated railways. M.: Transport; 1978. 767 р. (In Russ.).
6. Orlov V. O., Dubnov Yu. D., Merenkov N. D. Heaving of freezing soils and its influence on the foundations of structures. L.: Stroyizdat; 1977. 183 р. (In Russ.).
7. Ruvinskiy V. I. Optimal designs of subgrade. M.: Transport; 1982. 166 р. (In Russ.).
8. Shchepotin G. K., Mashkin N. A. Increasing the frost resistance of the subgrade of motor roads. Izvestiya vuzov. Building. 2015;(3):85-91. (In Russ.).
9. Shchepotin G. K., Krutasov B. V. Increasing the bearing capacity of road structures in Siberia. Proceedings of the Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering. 2018;21(67): 127-137. (In Russ.).
10. TsPI-24. Technical instructions for eliminating the depths and subsidence of the railway track. Ministry of Railways of Russia. M.; 1997. 73 р. (In Russ.).
11. Schepotin G. K. Reliability of the under-sleeper base of a jointless track in a harsh climate. Way and track management. 2002;(5):17. (In Russ.).
12. Guidelines for the use of polymeric materials (foam plastics, geotextiles, geogrids, polymeric drainage pipes) to strengthen the subgrade during track repairs. Ministry of Railways of Russia. M.; 2002. 110 р. (In Russ.).
13. Guidelines for the use of asbestos ballast in railway transport: approved. 08/07/2008. Ministry of Industry and Science of the Sverdlovsk Region. Yekaterinburg; 2008. 13 р. (In Russ.).
14. TU 32-TsP-782-92. A mixture of sand and crushed stone from screenings of crushing serpentinites for the ballast layer of the railway track: approved. 08/15/1992. M.; 1992. (In Russ.).
15. Shchepotin G. K., Velichko D. V. Efficiency of reinforcing the sleeper base with polystyrene foam. Way and track management. 2005;(9):12-13. (In Russ.).
16. Akimov S., Kosenko S., Bogdanovich S. Stability of the supporting subgrade on the tracks with heavy train movement. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020;(1116):228-236.
17. Sevastyanov A. A., Kochetkov A. S., Strelkov D. A. Analysis of the impact of trains on the railway track in the conditions of the Central Siberian course. Bulletin of the Siberian State University of Communications. 2020;4(55):26-33. (In Russ.).
18. Kosenko S. A., Akimov S. S. Causes of failures of railway track elements at the site of the West Siberian Railway. Bulletin of the Siberian State University of Communications. 2017;3(42):26-34. (In Russ.).
19. Shchepotin G. K. Influence of cargo tension and axial loads on the durability of rails in cold climate regions. Bulletin of the Siberian State University of Communications. 2021;1(56):12-19. (In Russ.).
20. Ivanova V. M., Kalinina V. N., Neshumova V. N. [at al.]. Mathematical statistics. M.: Higher school; 1981. 371 р. (In Russ.).
21. Belyaev Yu. K., Bogatyrev V. A., Bolotin V. V. [at al.]; Ushakova I. A., ed. Reliability of technical systems: Ref. M.: Radio and communication; 1985. 608 р. (In Russ.).
22. Wentzel E. S. Research operations. M.: Sov. Radio; 1972. 552 р. (In Russ.).
23. Shchepotin G. K. Strengthening of the sleeper base of a seamless path. Yekaterinburg: Publishing house of Ural State Transport University; 2008. 150 р. (In Russ.).
Информация об авторе
Г. К. Щепотин - доктор технических наук, профессор кафедры «Путь и путевое хозяйство» Сибирского государственного университета путей сообщения.
Information about the author
G. K. Shchepotin - Doctor of Engineering, Professor of the Department of Track and Track Facilities, Siberian Transport University.
Статья поступила в редакцию 31.09.2021; одобрена после рецензирования 20.10.2021; принята к публикации 17.01.2022.
The article was submitted 31.09.2021; approved after reviewing 20.10.2021; accepted for publication 17.01.2022.
