О геометрических формах частиц балласта

Н.Д. Гайденок, Д.А. Науменко

Красноярский институт инженеров железнодорожного транспорта, Красноярск

Создание математической модели балластного слоя, позволяющей проводить исследование процессов формирования его сложения при работе путевых машин и решать вопросы оптимизации фракционного состава балласта от различных воздействий, является одним из давно разрабатываемых научных направлений. Известна работа, моделирующая балласт в виде случайного набора твердых тел, имеющих идентичные с реальным частицам балласта физические и геометрические характеристики. Частицы балласта представлены плоскими многоугольниками, а вопрос геометрической формы этих многоугольников априорно обходится стороной. Между тем, даже по условиям описанной модельной задачи, число вершин и размер сторон многоугольника будут оказывать решающее влияние даже на форму взаимодействия частиц(трение или зацепление) не говоря уже о численных значениях величин, следовательно, описание «случайной» геометрической формы частиц выходит в разряд первоочередных задач.

С точки зрения современных стандартов, частица щебня обладает только одним геометрическим размером, характеризующим ее гранулометрический состав. Подобным образом может быть описан только шар, форма которого не соответствует даже реальным частицам гравия. Для достоверного описания частиц необходимо определить еще минимум два ортогональных геометрических размера, но знание наибольших геометрических размеров по трем ортогональным осям еще не позволяет опознать геометрическую фигуру. Например: одинаковыми ортогональными размерами могут обладать параллелепипед и пирамида, при этом существенно отличаясь геометрической формой. Необходим критерий, позволяющий распознать частицы различных геометрических форм.

Критерием может стать плотность скелета, величина крайне мало изменчивая для щебня из одной горной породы:

ρcк = mск /Vск ,

где mск — масса скелета, Н; Vск — объем скелета, м3.

152

Взвешиванием можно определить mск каждой частицы, а являющийся ключевым для последующих действий Vск — методом вытесненных объемов (Архимеда).

Сравнивая плотности ρcк и ρчаст , можно определить, насколько точно заданная геометрическая фигура описывает -ре альную форму частиц.

В целом, методика определения геометрических форм была такова:

-определялись mск и крупнейшие ортогональные размеры

частицы (H, B, L);

-задавалась условная геометрическая форма, и определялся ожидаемый объем частицы V част ;

-вычислялась условная плотность частицы: ρчаст = mск /Vчаст ;

-определялась плотность скелета (52 образца) — 3 г/см3;

-на основании сравнения плотностейρчаст и ρcк

определялось соответствие геометрических фигур камней ожидаемым, см. рис.

Означенная работа была проведена на выборке, состоявшей из 287 образцов.

Рисунок. Частота распределения (%) степени заполнения (%) частицей объема описанного параллелепипеда

Анализ кривой распределения позволяет говорить о том, что форма частиц представляет собой в основном неправильные усе-

153

ченные пирамиды, и редко — призмы или параллелепипеды. Для них были получены следующие статистические показатели — табл.

Таким образом, уже на данном этапе исследований можно сделать выводы:

–современное представление о форме частиц балласта, как абсолютно случайной величине — не соответствует истинному положению дел;

–полученные значения форм и геометрических размеров частиц могут быть широко использованы для моделирования процессов уплотнения балласта;

–методика определения форм частиц может быть использована в качестве критериев подобия при моделировании упомянутых процессов более мелкими фракциями щебня.

Использование пенополистирола для предотвращения морозных деформаций

Г.Г. Гришина

Сибирский государственный университет путей сообщения, Новосибирск

Значительную часть территории РФ с сезонным промерзанием грунтов занимают участки, имеющие неблагоприятные инженер- но-геологические условия. Они характеризуются наличием пучинистых грунтов, высоким горизонтом грунтовых вод и необеспеченным поверхностным стоком.

При строительстве в этих условиях важно учитывать морозное пучение оснований. Условиями пучения являются значительное увлажнение грунтов и их промерзание. Исключение любого из этих условий (а тем более обоих) предотвращает само пучение.

154

Оттаивание мерзлых грунтов земляного полотна в весенний период сопровождается снижением их несущей способности и образованием просадок оснований.

Характерной особенностью морозного пучения грунтов является его неравномерность как по простиранию, так и по глубине в пределах зоны промерзания.

Успешное внедрение бесстыкового пути в условиях Сибири без надлежащего усиления подшпального основания невозможно.

Для решения практических задач предупреждения недопустимых деформаций важно установить зависимость последних от величины пучения. Исследованиями установлено, что эта зависимость имеет вероятностный характер. При этом равномерного пучения, как правило, не бывает. Причем, чем больше величина пучения, тем выше искажение продольного и поперечного профилей земляного полотна.

Неравномерное пучение зимой и неравномерные весенние просадки сопровождаются образованием на покрытиях автомобильных дорог трещин, которые ускоряют разрушение дорожных одежд.

Вусловиях железнодорожного пути неравномерность пучения вызывает искажения рельсовой колеи, что нарушает безопасность движения поездов.

Врезультате сезонного промерзания-оттаивания земляного полотна существенно изменяются в течение года такие важные показатели состояния грунтов как их влажность и плотность. Так значения коэффициента пористости в период оттаивания грунтов оснований превышают осенние величины на15 %. При этом величина пучения составляет всего 25–35 мм.

Консистенция грунтов также существенно изменяется по сезонам года. Если в осенний период мягкопластичная и текучая консистенция наблюдается только у4 % отобранных проб грунтов, то весной — у 27 %.

Исследования работы железнодорожного пути с теплоизоляционными материалами показали, что теплоизоляция позволяет уменьшить глубину промерзания земляного полотна и тем самым ограничить допустимыми значениями пучение или полностью исключить промерзание подстилающего грунта и ликвидировать возможность его морозного пучения. Уменьшение или исключе-

155

ние морозного пучения ограничивает или полностью устраняет разуплотнение грунтов в процессе эксплуатации дороги.

Выполненные исследования на автомобильных и железных дорогах РФ, в том числе на линии Омск-Новосибирск, указывают на эффективность применения пенополистирола для ликвидации сезонных деформаций оснований.

Пенополистирол — это экструзивный вспененный полистирол, обладающий низкой теплопроводностью и высокой прочностью на сжатие, что обеспечивает возможность укладки его в основание дорог.

Расчет мощности противодеформационных конструкций с использованием пенополистирола необходимо выполнять исходя из условий:

1)обеспечение требуемой несущей способности подстилающих глинистых грунтов;

2)ликвидации деформаций пути под воздействием морозного пучения.

Толщина покрытия для ликвидации морозного пучения определяется расчетом из условия полного выведения границы промерзания из пучинистых грунтов. Задача состоит в том, чтобы при известных значениях дренирующей подушки под покрытием определить толщину слоя тепловой изоляции из пенополистирола.

Врезультате исследований было установлено, что в климатических условиях Сибири при толщине защитного слоя из дренирующих материалов в 1,1 м минимальная толщина пенополистирола должна быть равна не менее 70 мм.

Оценка эффективности работы дорожных конструкций с теплоизоляционными материалами свидетельствуют о перспективности такого направления улучшения водно-теплового режима земляного полотна. Это подтверждается статистическим анализом числа предупреждений об ограничении скоростей движения поездов из-за отказов пути, выполненном на линии Омск— Новосибирск. В расчет принимались только предупреждения связанные сезонными деформациями земляного полотна. Так установлено, что на участках пути с пенополистиролом число предупреждений уменьшилось в 2,5 раза по сравнению с участками, где данный материал не укладывался.

156

Расчеты экономической эффективности применения пенополистирола показали, что срок его окупаемости составляет5 лет. Экономия формируется за счет снижения эксплуатационных расходов, которые складываются из снижения затрат на текущее содержание пути и сокращение потерь, связанных со снижением скоростей движения поездов по предупреждениям, выдаваемым по состоянию земляного полотна.

При этом экономическая эффективность от применения пенополистирола на линии Омск-Новосибирск будет возрастать. Это обуславливается ростом грузонапряженности(числа поездов), а, следовательно, и возрастанием потерь от предупреждений, так как при большой плотности поездо-потока указанные потери возрастают нелинейно, а с прогрессирующей интенсивностью.

Обеспечение перспективного роста объемов движения на БАМе

А.В. Дмитренко, Д.В. Величко

Сибирский государственный университет путей сообщения, Новосибирск

На развитие железнодорожного транспорта большое влияние может оказать порядок направления средств в объекты инфраструктуры. К таким объектам могут относиться затраты в первую очередь в земляное полотно.

Необходимость затрат в инфраструктуру объясняется тем, что объекты инфраструктуры существуют длительный срок, исчисляемый многими десятками лет или даже столетиями. Затраты в инфраструктуру имеют значительные преимущества, по сравнению с другими затратами в технические средства железнодорожного транспорта потому что дальнейшая их эксплуатация дают значительный кумулятивный эффект:

1.Объекты инфраструктуры (в первую очередь земляное полотно) имеют длительный жизненный цикл, по сравнению с объектами подвижного состава или других технических средств транспорта.

2.Объекты инфраструктуры являются основой для осуществления последующего промышленного развития, что позволяет за счет последующих затрат в подвижной состав осваивать в промышленном отношении многие территории. Т.е. объекты по-

157

движного состава могут функционировать только после создания технических объектов средств инфраструктуры.

3.В инфраструктуру внедряются объекты для которых в промышленности уже имеются и материальная база и технологии по их созданию, что определяет увеличение роста промышленного производства.

4.Строительство объектов инфраструктуры позволяет достигать высоких экономических показателей путем простого увеличения протяженности вторых главных путей на однопутных железнодорожных линиях.

Кнаиболее трудоемким и дорогостоящим объектам инфраструктуры следует отнести, прежде всего, земляное полотно. В целях экономии средств и суммарных затрат земляное полотно на БАМе строилось под два главных пути, а движение поездов осуществлялось только по одному главному пути. Сегодня это позволяет значительно сокращать суммарные затраты, связанные с перспективным созданием двухпутных железнодорожных линий.

Так, существовавшая в прошлом тенденция в дальнейшем повышении среднего веса грузовых поездов, особенно при электрификации на однопутных железнодорожных линиях, приводит к необходимости осуществления особо крупных капитальных затрат в строительство станционных, а также подъездных путей и грузовых пунктов большой вместимости или с большим числом путей. Так, многие участковые и сортировочные станции, а также и грузовые станции оказались раньше построенными в перспективных крупных городах. Дальнейшее техническое развитие и усиление инфраструктуры и усиление их пропускной и провозной способности возможно осуществлять только за счет строительства сплошных вторых путей,

атакже значительного увеличения пропускной и провозной способности однопутных железнодорожных линий. Становятся эффективными варианты, когда вначале строится сплошные вторые пути после чего осуществляется электрификация линий.

Строительство в быстрые сроки сплошных вторых путей в ближайшей перспективе позволяет осваивать возрастающие объемы перевозок простым увеличением размеров на двухпутных железнодорожных линиях. При этом отпадет необходимость в огромных капитальных затратах как в увеличение протяженности подъездных путей грузовых станций, так и в последующие усиление их

158

технического оснащения. При этом отпадет необходимость в крупных капитальных затратах как в развитие участковых и сортировочных станций, так и в удлинение станционных путей.

Имеющаяся тенденция в организации строительства сплошных вторых путей на отдельных перегонах, и в первую очередь на ограничивающих перегонах, позволяет повысить пропускную способность как данного перегона, так и в целом всего участка однопутной железнодорожной линии. Однако лимитирующие перегоны обычно имеют большую протяженность, следовательно и большую стоимость. Кроме того, на протяженных перегонах чаще всего имеют место участки со сложным профилем, значительно увеличивающих стоимость строительства на них вторых путей.

Кроме того, следует учитывать, что на однопутных железнодорожных линиях с большими размерами движения имеют место значительные затраты, связанные со скрещением грузовых поездов на участках, при этом возрастает простой вагонов и поездов, что вызывает повышение затраты, связанные со скрещением грузовых поездов по однопутным железнодорожным линиям.

В условиях первоочередного строительства сплошных вторых путей, на отдельных перегонах (с легким профилем) строительство сплошных вторых путей можно будет организовать с малымиза тратами. Это приведет к тому, что на этих перегонах с двухпутными вставками возможность осуществлять безостановочное скрещение пакетов грузовых поездов на вставках вторых главных путей для однопутных железнодорожных линий и сократить задержки поездов при безостановочном скрещением на участках однопутных железнодорожных линий. Кроме того, в дальнейшем создается возможность для повышения размеров движения поездов.

Укладка сплошных вторых путей на ныне однопутных перегонах позволяет передавать на них значительную часть грузооборота с существующего главного пути, что позволит существенно сократить затраты при выполнении капитального ремонта пути.

Исходя из такой особенности, на БАМе необходимо немедленно осуществлять строительство сплошных вторых путей. Это позволит исключать затраты в удлинение станционных путей, с целью обеспечения дальнейшего повышения среднего веса грузовых поездов. Это также позволит осваивать повышенные среднего веса грузовых поездов и осваивать повышенные объемы перевозок.

159