• Понятие о кривых участках пути

В кривых участках устройство пути имеет ряд особенностей, основными из которых являются:

     возвышение наружного рельса над внутренним;

     наличие переходных кривых;

     уширение колеи при малых радиусах;

     применение укороченных рельсов на внутренней рельсовой нити;

     усиление пути;

     увеличение расстояния между осями путей двух- и многопутных линий в соответствии с требованиями габарита.

Возвышение наружного рельса предусматривается для того, чтобы нагрузка на рельсовые нити была примерно одинаковой с учетом действия центробежной силы I (рис. 4.13). Величина возвышения h зависит от массы поезда, скорости движения и радиуса кривой и максимально составляет 150 мм.

Наличие переходных кривых связано с необходимостью плавного сопряжения кривой с примыкающей прямой как в плане, так и в профиле пути. Переходная кривая (рис. 4.14) имеет переменный радиус, уменьшающийся от бесконечно большого до радиуса R круговой кривой.

 

 

Рис. 4.13. Нахождение экипажа в кривой: а – при нахождении головок рельсов в одном уровне; б – при наличии возвышения наружного рельса над внутренним; I – центробежная сила; Q – вес экипажа; Р – сила реакции

 

 

Рис. 4.14. План переходной кривой: НПК – начало переходной кривой; КПК – конец переходной кривой;  – переменный радиус переходной кривой; R – радиус круговой кривой

 

Уширение колеи обеспечивает вписывание подвижного состава в кривые. Так как колесные пары жестко закреплены в раме тележки всегда параллельно друг другу, в кривой только одна колесная пара может расположиться по радиусу, а остальные находятся под углом к нему. Это требует увеличения зазора между гребнями колес и рельсами во избежание заклинивания колесных пар (рис. 4.15, б).

Укладка укороченных рельсов во внутреннюю рельсовую нить необходима для исключения разбежки стыков. Так как внутренняя нить в кривой короче наружной, применение рельсов одинаковой длины вызвало бы забегание стыков вперед на внутренней нити. Для предотвращения разбежки стыков каждому радиусу кривой соответствует своя величина укорочения рельса. В целях унификации установлены стандартные укорочения рельсов длиной 25 м – 80 и 160 мм. Укладку укороченных рельсов во внутреннюю нить чередуют с укладкой рельсов нормальной длины так, чтобы забегание стыков не превышало половины укорочения, т. е. 40 и 80 мм.

 

 

Рис. 4.15. Схема вписывания в кривую двухосной тележки:

а – заклиненное вписывание; б – свободное вписывание

 

Усиление пути в кривых осуществляют при радиусе кривой, не превышающем 1200 м, для обеспечения равнопрочности с примыкающими прямыми участками. Для этого увеличивают число шпал, укладываемых на 1 км пути, устанавливают несимметричные подкладки с большим плечом на наружной стороне, уширяют балластную призму с наружной стороны кривой.

Круговые кривые. Железнодорожные линии (также и автомобильные дороги) в плане состоят из прямолинейных участков, сопряжённых между собой кривыми. Наиболее простой и распространённой формой кривой является дуга окружности. Такие кривые носят название круговых кривых. На железных дорогах применяют круговые кривые со следующими радиусами: 4000, 3000, 2000, 1800, 1500, 1200, 1000, 800, 700, 600, 500, 400 и 300 м. Радиус кривой выбирают при проектировании дороги, руководствуясь конкретными техническими условиями.

Главными точками кривой, определяющими её положение на местности, являются вершина угла ВУ, начало кривой НК, середина кривой СК и конец кривой КК (рис. 15.3).

 

 

 

Рис. 15.3 Схема круговой кривой

 

Основные элементы кривой – её радиус R и угол поворота a. К основным элементам относятся также:

– тангенс кривой Т (или касательная) - отрезок прямой между вершиной угла и началом или концом кривой;

– кривая К - длина кривой от начала кривой до её конца;

– биссектриса кривой Б - отрезок от вершины угла до середины кривой;

– домер Д - разность между длиной двух тангенсов и кривой.

 а -насыпь;б – нулевое место;в – выемка;г – полувыемка;д – полунасыпь-полувыемка; е – полунасыпь

ДЕФОРМАЦИИ ОСНОВНОЙ ПЛОЩАДКИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

К этим деформациям относятся балластные корыта, ложа, мешки, гнезда и карманы. Они образуются из-за вдавливания балласта в глинистый грунт земляного полотна под основной площадкой. При этом образуются углубления в основной площадке, заполненные балластом и водой. Вода, попав в замкнутые углубления, постепенно из пор балласта инфильтрует в окружающие глинистые грунты и разжижает их. Разжиженный грунт может вместе с водой выплескиваться из-под шпал на поверхность балластной призмы при проходе поездов, выдавливаться из-под балластной призмы на обочины, способствовать сплывам грунта откосов насыпей.

Балластные корыта  образуются при недостаточной толщине балластного слоя под шпалами и недостаточной несущей способности грунта основной площадки. Они представляют собой замкнутые углубления, расположенные под каждой шпалой, глубиной 0,1–0,2 м (рис. 1.1).

а)

б)

Рис. 1.1. Балластные корыта: а) поперечный разрез пути; б) продольный разрез пути; 1 – балластное корыто; 2 – балластный слой; 3 – глинистые грунты; 4 – граница переувлажненного грунта

Развитие балластных корыт в глубину и вдоль пути усиливается при застое в них воды, а также при увеличении осевых нагрузок и частоты динамического воздействия на грунт. В процессе эксплуатации балластные корыта могут появиться из-за неудовлетворительного водоотвода из выемки или нулевого места и, следовательно, снижения несущей способности грунта основной площадки.

Балластные ложа могут образовываться из балластных корыт при их развитии, а также самостоятельно – при недостаточной и различной плотности грунтов основной площадки и на участках с весенними пучинными просадками.

Длина балластных лож вдоль пути может составлять от нескольких метров до 100 м и более, глубина их изменчива и может достигать 0,5– 1,0 м и более, в зависимости от возраста насыпи и состояния ее грунтов (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Балластное ложе: а) поперечный разрез пути; б) продольный разрез пути; 1 – балластное ложе; 2 – балластный слой; 3 – глинистые грунты; 4 – балластный карман

В длительно эксплуатируемых насыпях, особенно с неоднородным геологическим сложением, балластные ложа могут иметь вытянутые углубления, называемые  карманами, или отдельными  балластными гнездами.

 Карманы обычно развиваются в глубину и в сторону откосов. Последнее объясняется тем, что грунты в зоне откосов подвергаются зимнему промерзанию и поэтому они более влажные и имеют меньшую плотность, чем грунты ядра насыпи.

Балластные мешки  образуются на участках насыпей, имеющих развившиеся балластные ложа. В отдельных местах из-за недостаточной плотности грунта или попадания в насыпь при строительстве слабого грунта (почвенно-растительный, заторфованный и др.) балластное ложе становится глубже, чем на примыкающих участках, при этом образуется балластный мешок (см. рис. 1.3).

Балластные мешки имеют значительное развитие как в глубину (до 3 м и более ), так и в поперечном направлении, образуя карманы и гнезда.

Образовавшись, балластные мешки нередко интенсивно развиваются над водопропускными трубами, в связи с засыпкой прогалов над трубами, уже после окончания отсыпки насыпи на подходе без достаточного уплотнения грунта. Внешние признаки  повреждения земляного полотна балластными ложами и мешками: просадки пути и перекосы, требующие частого исправления; пучины в зимнее время; трещины на поверхности балластной призмы, обочинах и откосах, хорошо наблюдаемые весной после схода снега; выплески на поверхности балласта; выпирание грунта, разжиженного на междупутье и обочинах; выпучивание откосов; образование на откосах потеков песка, смешанного с глинистым грунтом; наличие на откосах в летнее время ярко-зеленой влаголюбивой растительности.

Рис. 1.3. Балластный мешок: а) поперечный разрез пути; б) продольный разрез пути; 1 – балластный мешок; 2 – построечный поперечный профиль; 3 – выпирание грунта из-за образования балластного мешка; 4 – глинистые грунты; 5 – балластный карман

Профилактические меры, препятствующие развитию углублений в основной площадке: качественное текущее содержание верхнего строения пути, особенно в зоне стыков; обеспечение нормального водоотвода с балластной призмы и обочин, а также из балластного слоя; недопущение застоев воды в кюветах и лотках и инфильтрации поверхностной воды; укладка геотекстиля в основание балластного слоя при капитальном ремонте; подъемка пути на балласт с целью уменьшения напряжений от поездной нагрузки в глинистом грунте.

Пучины  – неравномерные поднятия поверхности земли (железнодорожного пути) в продольном и поперечном направлении, вызванные морозным пучением грунтов. Морозное пучение грунта – это увеличение его объема вследствие образования избыточного количества льда в порах грунта по сравнению с тем количеством воды, которое было в его порах до замерзания (см. рис. 1.9).

Рис. 1.9. Пучина на железнодорожном пути:

h – высота пучины; z – глубина промерзания; 1 – верх шпалы до промерзания грунта; 2 – то же после промерзания на глубину z; 3 – основная площадка до промерзания; 4 – то же после промерзания; 5 – граница промерзания; 6 – линзы льда; 7 – пучинистый грунт

Избыточное льдовыделение  в порах грунта происходит в результате миграции (перемещения) пленочной или капиллярной воды в область промерзающего грунта из ниже расположенных талых грунтов. Пучинистыми грунтами являются глинистые грунты (глина, суглинок, супесь), а так же к ним относятся мелкие пылеватые пески. Крупнозернистые грунты в водонасыщенном состоянии подвержены пучению за счет увеличения в объеме на 9% замерзающей в их порах воды, но величина этого пучения невелика. Пучины при промерзании влажных глинистых грунтов могут достигать 100–150 мм и более.

Пучение железнодорожного пути может быть равномерным до 30–50 мм, не вызывающим практически недопустимых искажений пути, и неравномерным  – в виде  горбов, впадин, перепадов (рис. 1.10). Если продольный профиль обеих рельсовых нитей искажается одинаково, то пучины называются  прямыми. Если искажения пути происходят и в поперечном направлении, то пучины называются  косыми или перекосными – вызывают перекос пути.

Рис. 1.10. Виды пучин: 1 – летний уровень пути;2 – горб; 3 – впадина; 4 – перепад; h_р – высота равномерного пучения

По своей природе пучины могут быть поверхностными (балластными) или  грунтовыми. Поверхностные пучины образуются в начале зимы из-за насыщения поверхностной водой: загрязненных песчано-гравийного балласта или песчаной подушки, грунтов основной площадки при наличии балластных корыт, а так же вследствие необеспеченного отвода воды кюветами в выемках и на нулевых местах. Грунтовые пучины образуются при промерзании грунтов земляного полотна, увлажняемых, как правило, грунтовыми водами.

Причины появления пучин на пути:

– неравномерное загрязнение и увлажнение балластного слоя, наличие в основании балластного слоя замкнутых грязевых углублений – корыт, наглядное проявление этого – грязевые выплески из-под шпал;

– наличие грунтов неоднородных или с разной влажностью в зоне сезонного промерзания, обладающих различной интенсивностью пучинообразования;

– увлажнение пучинистых грунтов в зоне основной площадки из-за наличия замкнутых неровностей, появившихся вследствие местных недоборов или переборов грунта в выемках при строительстве, а также образования балластных корыт, лож, мешков и др.;

– неравномерное увлажнение грунтов в зоне сезонного промерзания поверхностными водами (застои воды в кюветах, лотках) и грунтовыми – при высоком залегании водоносного слоя;

– разная толщина снежного покрова как вдоль пути, так и в поперечном направлении.

Профилактические меры  – соблюдение технических и технологических требований при строительстве, надежный отвод поверхностной воды от земляного полотна, укладка в подбалластное основание при капитальном ремонте пути геотекстиля и пленочных материалов.

Меры по устранению пучин:

– глубокая очистка щебня или замена загрязненного балласта с укладкой в основание вырезки геотекстиля; срезка грязного балласта на обочинах;

– осушение грунтов в зоне сезонного промерзания дренажными устройствами; перехват и отвод потока грунтовых вод, воздействующих на грунты ниже основной площадки;

– ликвидация балластных корыт и лож с заменой вырезанного грунта балластом, выпуск воды из глубоких балластных лож и мешков с помощью поперечных дренажных прорезей или кротового дренажа;

– выведение зоны промерзания из слоя грунта, вызывающего пучины, подъемкой пути на балласт, устройством накладных теплоизолирующих подушек или пенопластовых покрытий, замена пучинистых грунтов ниже основной площадки врезными и комбинированными теплоизолирующими подушками;

– укрепление (мелиорация) грунтов пучинообразующего слоя химическим, электрохимическим и термическим методами.

Весенние пучинные просадки пути  связаны с деформацией верхнего слоя основной площадки земляного полотна в период оттаивания под воздействием поездных нагрузок.

Причины просадок – пучение глинистых грунтов (пучины более 40–50 мм) и резкое снижение их несущей способности при весеннем оттаивании. Часто участки пути с этой деформацией совпадают с развивающимися балластными корытами и ложами.

Внешние признаки весенних просадок: резкие искажения положения рельсовой колеи по уровню и в профиле (толчки, перекосы); “выжимание” воды, а затем – разжиженного грунта у концов шпал, иногда – выпирание разжиженного грунта в виде бугров на обочинах и в междупутье; смещение пути в плане.

Профилактические меры при текущем содержании заключаются в планировке обочин и срезке с них слоя грязного балласта; ликвидации застоев воды в кюветах и лотках, прочистке их; выправке пути в зоне стыков.

Оползни – это перемещения, как правило, значительных масс грунта без общего падения и опрокидывания их. Различают следующие виды оползней: скольжения, вязко-пластические и вызванные деформациями в основании склона или в отдельных слоях грунта склона.

Оползень

Оползни скольжения – это такие смещения грунтовых массивов, которые происходят по определенной поверхности либо как одно целое, либо отдельными блоками.

Опознавательные признаки оползневого массива: трещины разрыва грунта, уходящие в глубину и ориентированные поперек направления смещения; образование стенки отрыва в “голове” оползня, уступов и замкнутых понижений с застоем воды на смещающемся массиве; в случае размещения дороги на оползне могут наблюдаться: смещение пути, изменение очертаний земляного полотна и водоотводных устройств.

Причины появления и активизации оползней. Как правило, имеет место комплекс причин, вызывающих изменение физико-механических свойств грунтов: проникновение поверхностных и грунтовых вод в оползневой массив; речная или морская абразия; неправильное использование земель в охранных зонах, связанное с вырубкой леса и кустарника, нарушением травяного покрова, распашкой земель, выпасом скота; причины, вызванные неблагоприятным изменением сил гравитации: подрезка основания неустойчивого косогора при производстве земляных работ и их неорганизованное ведение на самом косогоре; расположение земляного полотна и других сооружений на оползневом массиве, особенно в верхней части

Сплывы отличаются от оплывин тем, что в оползание вовлекаются низко расположенные грунты на глубину до 2,0 м и более, при этом сохраняется общая устойчивость откоса.

сплыв

подмыв

Сплывам и оплывинам больше всего подвержены откосы молодых выемок возрастом до 5 лет. Чаще эти деформации происходят в глубоких выемках, сооруженных в глинистых грунтах. В выемках, начиная с глубины 3–4 м, заметно возрастают повреждения откосов сплывами и оплывинами.

Насыпи подвержены сплывам грунта откосов в первые 5 лет после постройки, а также после длительного срока эксплуатации вследствие развития в них балластных лож и мешков с карманами и гнездами.

Опознавательные признаки возможности сплыва грунта:

–  на откосах выемок: появление трещин, потеков разжиженного грунта; ярко-зеленой влаголюбивой растительности; наличие неровностей на откосе от ранее происходивших сплывов;

–  на откосах насыпей  кроме признаков, указанных выше для откосов выемок, могут наблюдаться: продольные трещины на обочинах, на откосах балластной призмы, вдоль торцов шпал, хорошо просматриваемые весной после схода снега; оседание обочин; просадки рельсовых нитей; пучины на пути – до 50 мм; выпирание грунта на откосах; переувлажнение откосов, иногда с выходом воды.

 Оседания и провалы насыпей

Оседание насыпей может происходить вследствие уплотнения грунта самой насыпи без значительных боковых смещений грунта или из-за податливости слабых грунтов в основании, в том числе – и оттаявших вечномерзлых.

Опознавательные признаки: просадка пути, понижение обочин, продольные трещины на откосах и обочинах; появление выпираний грунта после интенсивных дождей и при весеннем оттаивании; при оседаниях из-за податливости грунтов основания появляются понижения у подошвы откосов с застоем воды в них либо бугры при выпирании слабых грунтов основания.

Причины оседаний: вследствие недостаточного уплотнения грунта при возведении насыпи; интенсивное развитие балластных корыт, лож и мешков; природная обводненность грунтов оснований или длительное стояние поверхностной воды при плохом стоке; медленное уплотнение торфяных или других слабых грунтов основания при эксплуатации; недостаточная глубина выторфовывания на болотах I-го типа при строительстве; проседание грунтов над шахтными подработками и карстовыми полостями; оттаивание льдистых вечномерзлых грунтов в основании.

Профилактические меры: заделка трещин с целью недопущения глубокого проникновения дождевых вод; обеспечение быстрого стока поверхностных вод и недопущение застоев воды.

Рис. 3.1. Укрепление насыпи пригрузочными бермами:

1 – пригрузочные бермы высотой h_б = (0,3–0,5)H; 2 – бугры выпирания

Провалы – резкие проседания поверхности земли вместе с земляным полотном, отличающиеся быстротой протекания и приводящие к полному или частичному разрушению земляного полотна (см. рис. 3.6).

Признаки  возможного провала: вертикальные смещения отдельных участков земляного полотна вместе с основанием; появление и развитие воронок и ям; наличие застоев воды на поверхности земли и в водоотводных устройствах; появление продольных трещин разрыва – предвестников начала быстрой просадки или провала; заметное ухудшение состояния пути на локальном участке.

Причины провалов: обвал кровли горных пород над шахтными выработками, карстовыми полостями; провал оттаявших вечномерзлых грунтов основания насыпи при вытаивании линзы подземного льда (гидролокалита); прорыв под насыпью торфяного слоя болота.

Рис. 3.6. Провал насыпи:

1 – выработанный пласт; 2 – обрушившаяся кровля; 3 – мульда сдвижения; 4 – поперечный профиль насыпи до провала

Расползание насыпей

Эта деформация характеризуется оседанием основной площадки с изменением проектного очертания поперечного профиля насыпи (см. рис. 4.1).Процесс расползания насыпи может протекать медленно и длительно, а в некоторых случаях достаточно быстро.

Причины расползания насыпей  связаны или с недостаточным учетом важных местных особенностей участка строящейся дороги, или – с нарушением правил производства строительных работ. Наиболее существенными причинами расползания насыпей являются: сооружение насыпи из переувлажненных глинистых грунтов; попадание в тело насыпи при зимнем производстве работ грунтов с повышенным содержанием мерзлых комьев, снега и льда; подтопление паводковыми водами насыпей, сооруженных из мелких пылеватых песков и из пересушенных неуплотненных глинистых грунтов (при воздействии поездной нагрузки может произойти разжижение грунта и достаточно быстрое расползание насыпи); образование термокарста в непосредственной близости от насыпи, сооруженной на вечномерзлых грунтах основания (рис. 4.2); скопление воды в глубоких балластных ложах и мешках.

   Рис. 4.1. Расползание насыпи:

1 – поперечный профиль насыпи до деформации; 2 – расползшаяся насыпь 

Рис. 4.2. Расползание насыпи в зоне термокарста и стабилизация ее:

1 – термокарстовое озеро, засыпанное недренирующим грунтом; 2 – “язык” расползания насыпи; 3 – льдистые вечномерзлые грунты; 4 – оттаявшие слабые торфяные грунты; 5 – охлаждающая отсыпка из камня; 6 – поверхность вечномерзлого грунта до устройства каменной отсыпки; 7 – то же после устройства каменной отсыпки

 Сдвиги насыпей

Сдвиг насыпи – смещение насыпи или ее части по наклонному основанию на косогоре. При этом наблюдаются: смещение рельсовой колеи в направлении падения косогора; просадки пути; появление продольных трещин в насыпи; бугры выпирания грунта с низовой стороны (рис. 5.1).

 Причины сдвига:  неправильная подготовка основания насыпи на косогоре, сложенном глинистыми грунтами, во время ее строительства (снятие дерна, рыхление поверхности основания, нарезка уступов); неудовлетворительное состояние водоотводных устройств с нагорной стороны и замачивание грунтов основания насыпи; наличие наклонно расположенных и переувлажненных верхних слоев грунта в основании, наличие близко к поверхности косогора водоносного слоя; поперечный наклон минерального дна болота; насыпь возведена на косогоре с льдистыми вечномерзлыми грунтами.

Рис. 5.1. Сдвиг насыпи:

1 – ось и поперечный профиль насыпи до сдвига; 2 – то же в результате сдвига; 3 – бугор выпирания грунта