Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ НА БАЛЛАСТНОМ ОСНОВАНИИ

Изобретение относится к дорожному строительству, а именно к способу повышения поперечной устойчивости рельсошпальной решетки железнодорожного пути с ездой на балласте, заключающемся в омоноличивании балластного материала полиуретановой системой.

Известен способ укрепления балластной призмы железнодорожного пути, включающий формирование и пропитку верхнего щебеночного слоя балластной призмы жидким полимерным связующим на основе полиуретана (см. патент РФ №100777, опублик. 27.12.2010).

Особенностью известного способа является то, что балластная призма железнодорожного пути содержит верхний щебеночный слой, зерна которого в поверхностной части соединены полимером на основе полиуретана путем их заливки полимерным связующим в жидком виде с его последующим отверждением и образованием пористой структуры за счет склеивания зерен щебня в точках их соприкосновения. Глубина пропитки связующим составляет 5-7 см, а верхний слой состоит из щебня фракции 25-80 мм.

Недостатком известного способа является то, что укрепленная указанным образом балластная призма железнодорожного пути не обеспечивает поддержание требуемых эксплуатационных характеристик и амортизационных свойств эксплуатируемого участка.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ укрепления балластной призмы железнодорожного пути, включающий формирование и пропитку верхнего щебеночного слоя жидким полимерным связующим на основе полиуретана (см. патент RU 2469145 С1, опублик. 10.12.2012). Этот способ выбран в качестве прототипа.

Особенностью представленного способа является то, что с балластной призмы осуществляется отсыпка части щебеночного слоя, со стороны действующей части пути формируется технологический откос высотой Н, в верхние слои откоса и примыкающие к нему участки балластной призмы шириной Н/2 вводят жидкое полимерное связующее и формируют каркасную структуру щебеночного слоя на глубину 7-14 см за счет склеивания зерен щебня в точках их соприкосновения, а затем обработанный щебеночный слой выдерживают в условиях отсутствия капельной жидкости и вибрации в течении 1-4 ч для отверждения связующего.

Представленный способ, также не позволяет обеспечить требуемые технологические и эксплуатационные характеристики для организации высокоскоростного и тяжеловесного движения, поскольку поверхностный слой обладает низкой удерживающей способностью щебня, в результате чего появляются разрушения омоноличенного балластного слоя.

Балластный слой играет важную роль в формировании оптимальной упругости подрельсового основания, обеспечивает вертикальную и горизонтальную устойчивость конструкции пути при воздействии поездных нагрузок в условиях изменяющихся температур. От конструкции балластного слоя и качества балластного материала зависит общее состояние рельсовой колеи и железнодорожного пути в целом, уровень допустимых скоростей движения поездов, сроки службы всех элементов верхнего строения (рельсов, скреплений, шпал и т.д.).

Требования к балластному материалу существенно возрастают при организации высокоскоростного и тяжеловесного движения по бесстыковому пути на железобетонных шпалах. Для его усиления применяются полимерные материалы.

Применение полимерных материалов позволяет противодействовать износу балластного слоя и повышать прочностные свойства железнодорожного пути [1]. Одним из основных преимуществ данной технологии является возможность усиления балластного слоя на любом требуемом уровне и в любом месте без ухудшения дренирующих свойств [2]. При распылении полимер проникает до определенных глубин и образует с балластом матрицу (геокомпозит), имеющую высокую степень прочности и упругости [2-4]. Плечо балластной призмы, закрепленное полимерным связующим, при смещениях более чем на 4 мм вносит основной вклад в обеспечение статического сопротивления поперечному сдвигу шпалы [5].

Техническим результатом предложенного способа является повышение поперечной устойчивости рельсошпальной решетки железнодорожного пути с ездой на балласте путем создания оптимальной формы поперечного сечения геокомпозита, формируемого в плече балластной призмы.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе повышения поперечной устойчивости железнодорожного пути на балластном основании, заключающемся в омоноличивании балластного материала двухкомпонентной полиуретановой системой, согласно изобретению, в первую очередь осуществляют проверку балластного материала на выбранном участке методом отсева проб, изложенным в нормативном документе [6].

Работы по укреплению плеча балластного слоя железнодорожного пути выполняются в сухой период времени, при температуре компонентов связующего материала и окружающего воздуха не ниже +10°С и относительной влажности воздуха, не превышающей 50%.

Нанесение вяжущего материала на поверхность балластной призмы осуществляется машинным способом, либо вручную с использованием пневматического оборудования, особенностью которого является возможность задавать и контролировать соотношение компонентов в рабочей смеси, а также расход связующего материала в поперечном направлении от оси железнодорожного пути. Возможность контролировать расход связующего материала используется для формирования профиля нижней поверхности геокомпозита (см. фиг. 1). Наиболее эффективная схема, обеспечивающая наибольшее значение отношения максимальной силы к расходу связующего материала, представлена на фиг. 1 [7].

Омоноличенный участок железнодорожного пути выводится из эксплуатации на 8 ч. За это время геокомпозит набирает 70% прочности.

В соответствии с ГОСТ 7392-2014 для верхнего щебеночного слоя балластной призмы применяется щебень II категории из плотных горных пород с размером зерен 25-60 мм. В качестве жидкого полимерного связующего материала используется полиуретан плотностью от 1,1 до 1,3 г/см³.

Способ повышения поперечной устойчивости железнодорожного пути на балластном основании осуществляется следующим образом.

Глубина проникновения связующего материала в балластный слой железнодорожного пути зависит от ряда факторов, таких как: расход материала, фракционный состав и загрязнение балласта, а также вязкости связующего во время проведения работ, поэтому работы по закреплению балластного слоя выполняются в сухой период времени, при температуре окружающего воздуха не ниже +10°С и относительной влажности воздуха, не превышающей 50%, что обеспечивает постоянство свойств связующего материала. В этом случае глубина проникновения связующего материала зависит в основном от его расхода.

В соответствии с [6] методом отсева проб осуществляется проверка зернового состава, засоренности и загрязненности балласта на выбранном участке. Полученный результат сравнивается с допустимыми требованиями к балластному материалу по заполнению пор продуктами износа, изложенными в распоряжении [8]. Затем на верхние слои откоса балластной призмы и примыкающие к нему участки машинным способом, либо вручную с использованием пневматического оборудования наносят связующее в виде полиуретанового материала плотностью от 1,1 до 1,3 г/см³, формируя при этом каркасную структуру за счет склеивания зерен щебня между собой в точках их соприкосновения. После этого омоноличенный участок пути выводится из эксплуатации на 8 часов. За это время геокомпозит набирает 70% прочности.

Проведенные авторами исследования с использованием двухкомпонентной полиуретановой системы РТ-КС-001 показали, что поперечной устойчивости рельсошпальной решетки железнодорожного пути с ездой на балласте можно повысить в 11,5 раз закреплением плеча балластной призмы полимерными связующими материалами на основе полиуретана. Такой метод позволяет при небольших (до 0,5 мм) поперечных перемещениях повысить силу сопротивления со стороны плеча балластной призмы до 2,5-3,0 кН, а при смещениях до 10 мм - до 30 кН (при сопротивлении незакрепленного плеча балластной призмы в тех же условиях - 2,5-3,5 кН). Размеры и форма создаваемого геокомпозита позволяют в широком диапазоне варьировать параметры продольной и поперечной устойчивости пути.

На основе полученных данных можно сделать следующие выводы:

- сила сопротивления поперечному сдвигу со стороны сформированного в плече балластной призмы геокомпозита может различаться в разы при изменении его площади поперечного сечения и формы;

- изменение формы геокомпозита может обеспечить увеличение силы сопротивления поперечному сдвигу на величину 10 мм со стороны плеча балластной призмы на 20-30% при сокращении расхода связующего материала до 50%;

- с ростом поперечного перемещения до 10 мм наблюдается активизация силы сопротивления за счет изменения формы нижней поверхности геокомпозита, возрастающая до 40%;

- для увеличения силы сопротивления поперечному сдвигу необходимо включать откосную часть балластной призмы в формируемый геокомпозит.

Сущность изобретения поясняется чертежом, представленным на фиг. 1. Данное изображение иллюстрирует распределение связующего материала по глубине проникновения.

При формировании геокомпозита рекомендуется использовать значение удельного расхода связующего материала, равное 33,3 кг/м³. В таб. 1 приведен рекомендуемый приведенный расход связующего материала, приходящийся на погонный метр пути.

Таблица 1 - Погонный расход связующего материала для схемы формирования геокомпозита, представленной на фиг. 1.

Список использованных источников

1. Keene A., Tinjum J.M., Edil Т.В. Mechanical properties of polyurethane-stabilized ballast // Geotechnical Engineering Journal. 2014. Vol. 45, №1. P. 66-73.

2. Kennedy J., Woodward P.K., Medero G., Banimahd M. Reducing railway track settlement using three-dimensional polyurethane polymer reinforcement of the ballast // Construction and Building Materials. 2013. Vol. 44. P. 615-625. doi: https://doi.org/l0.1016/j.conbuildmat.2013.03.002

3. Woodward P.K., Kennedy J., Medero G.M., Banimahd M. Application of in situ polyurethane geocomposite beams to improve the passive shoulder resistance of railway track // Proc. IMechE, Part F: Journal of rail rapid transit. 2012. Vol. 226, Issue 3. P. 294-304. doi:https://doi.org/10.1177/0954409711423460

4. Woodward P.K., Kennedy J., Medero G.M., Banimahd M. Maintaining absolute clearances in ballasted railway tracks using in-situ three-dimensional polyurethane GeoComposites // Proc. IMechE, Part F: Journal of rail rapid transit. 2012. Vol. 226, Issue 3. P. 257-271. doi: https://doi.org/10.1177/0954409711420521

5. Kruglikov A.A., Yavna V.A., Ermolov Y.M., Kochur A.G., Khakiev Z.B. Strengthening of the railway ballast section shoulder with two-component polymeric binders // Transportation Geotechnics. 2017. Vol. 11. P. 133-143. doi: https://doi.org/10.1016/i.trgeo.2017.05.004

6. Методические указания по обследованию балластного слоя. №ЦПТ-16-77 // ЦП МПС, 1977.

7. Крутиков А.А., Васильченко А.А., Морозов А.В., Явна В.А., Холодный З.В. Оптимизация формы геокомпозита для повышения поперечной устойчивости пути на балластном основании // Путь и путевое хозяйство. 2018. №7. С. 20-24.

8. Технические условия на работы по реконструкции (модернизации) и ремонту железнодорожного пути: распоряжение ОАО «РЖД» от 18 января 2013 г. №75р // ОАО «РЖД», 2013.