г. Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
сотрудник
Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
УДК 625.041.2 Влияние состава строительных материалов
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
Исследованию эффективности асфальтобетонного материала в конструкции железнодорожного пути посвящена серия публикаций. В данной статье рассмотрено влияние подбалластного слоя из асфальтобетона на накопление остаточных деформаций земляного полотна железнодорожного пути. Целью работы являлось определение деформаций земляного полотна на опытном участке Московской железной дороги, включающим в себя экспериментальный участок протяженностью 500 м, с уложенным асфальтобетонным слоем, и контрольный участок протяженностью 500 м, без устройства асфальтобетонного слоя. Проведен анализ первичных данных, полученных по результатам нивелировки грунтовых марок на опытном участке, определены абсолютные значения остаточных деформаций земляного полотна на участке устройства подбалластного асфальтобетонного слоя и на контрольном участке; проведена оценка темпа накопления и неравномерность остаточных деформаций земляного полотна на каждом из участков за рассматриваемый период.
железная дорога, подбалластный слой, асфальтобетонный слой, земляное полотно, остаточные деформации, осадка земляного полотна, грунтовые марки
Введение
В зарубежных странах в течение последних нескольких десятилетий протяженность участков пути с конструкцией защитного слоя из асфальтобетона постоянно увеличивается. Эта технология применена при строительстве множества новых высокоскоростных пассажирских линий в Европе и Азии [1-4].
Теоретические аспекты эффективности применения подбалластного слоя из асфальтобетона в конструкциях пути, основанные на зарубежном опыте, подробно рассмотрены в работе авторов «Эффективность применения подбалластного слоя из асфальтобетона в конструкциях пути» [5].
В Российской Федерации в 2022 году начались исследования эффективности применения асфальтобетона в конструкции железнодорожного пути. Первый участок протяженностью 500 м был сооружен в 2024 году на Московской железной дороге. ФГБОУ ВО ПГУПС совместно с Ассоциацией «Р.О.С.Асфальт» осуществляет мониторинг за состоянием опытного участка железнодорожного пути. Исследованию эффективности асфальтобетонного материала в конструкции железнодорожного пути посвящена серия публикаций. В данной статье рассмотрено влияние подбалластного слоя из асфальтобетона на накопление остаточных деформаций земляного полотна железнодорожного пути.
Характеристика опытного участка
Объектом выполнения работ в рамках мониторинга является опытный участок, протяженностью 1000 м, включающий в себя участок железнодорожного пути с подбалластным слоем из асфальтобетона (экспериментальный участок) протяженностью 500 м и участок железнодорожного пути без подбалластного слоя из асфальтобетона (контрольный участок) протяженностью 500 м. Оба участка являются смежными (Рис. 1), располагаются в Рязанской области, Рыбновском районе и обладают одинаковыми эксплуатационными характеристиками:
- грузонапряженность участков 26,29 млн. тонн брутто / км;
- пропущенный тоннаж за период проведения исследований составил 18,31 млн. тонн брутто;
- земляное полотно представлено насыпью вне косогора максимальной высотой до 2 м.
Рис. 1. Схема устройства подбалластного слоя
на экспериментальном и контрольном участках
Конструкция железнодорожного пути в пределах экспериментального и контрольного участков приведена на Рис. 2, 3.
На основании выполненного комплекса лабораторных испытаний для проведения полевого эксперимента в качестве основного материала выбрана асфальтобетонная смесь А32Нт по ГОСТ Р 58406.2, уложенная в один слой толщиной 12 см с последующим уплотнением.
Рис. 2. Поперечное сечение экспериментального участка
с асфальтобетонным подбалластным слоем
Рис. 3. Поперечное сечение контрольного участка
Инженерно-геологические условия
Основанием для подбалластного слоя асфальтобетона являются легкие, полутвердые глины с прослоями глины твердой, обладающие тиксотропными свойствами, суглинки тугопластичной консистенции с прослоями водонасыщенного песка с природной влажностью 20 %.
На период изысканий (август 2024 г), до глубины бурения 10,0 м, было установлено наличие вод спорадического распространения.
С целью оценки степени пучинистости глинистых грунтов, попадающих в зону сезонного промерзания, проведены расчеты соответствующего параметра. Согласно полученным результатам выявлены грунты, которые относятся к сильнопучинистым (суглинок мягкопластичный) и являются основанием подбалластного слоя из асфальтобетона на экспериментальном участке и балластного слоя на контрольном участке.
Согласно СП 22.13330.2016 по сложности инженерно-геологических условий участок исследования относится к II (средней) категории.
Методика проведения исследования
Для определения деформаций земляного полотна на опытном участке Московской железной дороги была создана высотная опорная геодезическая основа, состоящая из трех грунтовых реперов, заложенных в центре экспериментального участка в пределах полосы отвода железной дороги, определение высот производилось методом геометрического нивелирования в условной системе высот. Данный метод успешно применяется специалистами ПГУПС при решении различных задач по оценке деформируемости конструкции железнодорожного пути [6].
Грунтовым реперам была присвоена нумерация: Rp1, Rp2, Rp3.
Нивелирование выполнялось по замкнутому ходу цифровыми нивелирами с использованием инварных реек по программе III класса точности.
С целью контроля устойчивости грунтовых реперов перед каждым циклом контроля осадок производится проложение контрольного хода по этим реперам. По результатам анализа выбирается стабильный репер для данного цикла измерений абсолютных осадок.
Система высот опорных реперов – условная, при этом в качестве исходного принят репер Rp1 с высотой 10,000 м.
Опытный участок оборудован деформационными марками, установленными на подбалластный асфальтобетонный слой или основную площадку земляного полотна. Общий вид деформационной марки приведен на Рис. 4. Глубина установки марок составила 45 см под подошвой шпалы. Для установки деформационных марок были вырыты шурфы.
Рис. 4. Общий вид деформационной марки,
устанавливаемой на основную площадку земляного полотна
Марки установлены как в продольном, так и в поперечном оси пути направлении. Общая схема установки деформационных марок на основную площадку земляного полотна представлена на Рис. 5, 6.
Рис. 5. Схема установки грунтовых марок на контрольном участке (левая сторона)
Рис. 6. Схема установки грунтовых марок на экспериментальном участке (правая сторона)
Целью нивелирования грунтовых марок является измерение остаточных деформации в уровне верха подбалластного асфальтобетонного слоя / основной площадки земляного полотна (контрольный участок).
Данная схема установки марок позволяет решить следующие задачи:
-
- определить абсолютные значения остаточных деформаций земляного полотна на участке устройства подбалластного асфальтобетонного слоя и на контрольном участке;
- оценить темп накопления остаточных деформаций на каждом из участков за рассматриваемый период;
- оценить неравномерность остаточных деформаций земляного полотна в продольном и поперечном оси пути направлении;
- оценить влияние слоя асфальтобетона на изменение темпа накопления остаточных деформаций земляного полотна.
Результаты измерений
В период с января по май 2025 года проведено 9 циклов геодезического контроля деформаций основной площадки земляного полотна, первый из которых является нулевым (Таблица 1).
Остаточную деформацию основной площадки земляного полотна в месте установки грунтовой марки в момент времени t определяют по формуле:
где
Полученные данные являются основанием для определения темпа накопления остаточных деформаций земляного полотна. Для этих целей в каждой точке створа строят зависимость развития остаточной деформации от пропущенного тоннажа.
На основе результатов исследований сопоставлены остаточные деформации земляного полотна и темпы их накопления (Рис. 7–10).
В качестве показателя, отражающего равномерность остаточной деформации, принимают следующие показатели: среднеквадратическое отклонение остаточной деформации основной площадки земляного полотна от средней величины в пределах рассматриваемого экспериментального участка, коэффициент вариации. Данные параметры вычисляются на основе статистической обработки результатов измерений по известным в математической статистике формулам (Таблица 2).
Таблица 1
График геодезической съемки грунтовых марок
|
Цикл |
Дата |
Пропущенный тоннаж, |
|---|---|---|
|
Цикл 0 |
16.01.2025 |
9,695 |
|
Цикл 1 |
31.01.2025 |
10,79 |
|
Цикл 2 |
20.02.2025 |
12,25 |
|
Цикл 3 |
27.02.2025 |
12,98 |
|
Цикл 4 |
11.03.2025 |
13,783 |
|
Цикл 5 |
25.03.2025 |
14,805 |
|
Цикл 6 |
15.04.2025 |
16,265 |
|
Цикл 7 |
22.04.2025 |
16,776 |
|
Цикл 8 |
13.05.2025 |
18,309 |
Рис. 7. Накопление остаточной деформации на контрольном участке
Рис. 8. Накопление остаточной деформации на экспериментальном участке
Рис. 9. Интенсивность накопление остаточной деформации на контрольном участке
Рис. 10. Интенсивность накопление остаточной деформации на экспериментальном участке
Таблица 2
Оценка равномерности остаточной деформации
(по внешней рельсовой нити)
|
Участок / цикл |
Средняя величина |
Среднеквадратическое отклонение |
Коэффициент |
|---|---|---|---|
|
Контрольный участок |
|||
|
Цикл 1 |
0.32 |
0,53 |
1,66 |
|
Цикл 2 |
0.18 |
1,58 |
5,26 |
|
Цикл 3 |
0.83 |
2,00 |
1,98 |
|
Цикл 4 |
0.24 |
1,33 |
4,6 |
|
Цикл 5 |
-1.94 |
1,13 |
0,58 |
|
Цикл 6 |
-2.58 |
1,17 |
0,46 |
|
Цикл 7 |
-2.19 |
1,06 |
0,47 |
|
Цикл 8 |
-0.94 |
0,81 |
0,87 |
|
Экспериментальный участок |
|||
|
Цикл 1 |
-0.6 |
0,45 |
0,75 |
|
Цикл 2 |
-0.55 |
0,45 |
0,80 |
|
Цикл 3 |
-0.33 |
0,36 |
1,11 |
|
Цикл 4 |
-0.66 |
0,29 |
0,44 |
|
Цикл 5 |
-1.43 |
1,03 |
0,72 |
|
Цикл 6 |
-1.38 |
0,95 |
0,69 |
|
Цикл 7 |
-1.56 |
0,50 |
0,32 |
|
Цикл 8 |
-2.34 |
0,96 |
0,41 |
Анализ результатов по оценки остаточных деформаций грунтовых марок также показывает формирование явления морозного пучения грунтов:
- на контрольном участке в период с января по март наблюдается пучение грунта (накопленная деформация достигает значений +5,2 мм); после 25 марта 2025 года наблюдаются попеременные процессы: осадки (до -4,11 мм и вспучивания грунта до 0,9 мм);
- на экспериментальном участке в период с января по февраль наблюдается незначительное пучение грунта (накопленная деформация достигает значений +0,9 мм); после 27 февраля 2025 года процессы пучения не зафиксированы.
В поперечном направлении:
- на контрольном участке зафиксировано поднятие отметки грунта до +4,3 мм;
- на экспериментальном участке процессы пучения не зафиксированы.
На Рис. 11 приведены значения остаточных деформаций деформационных марок между четвертым и пятым циклами измерений, что соответствует периоду 11.03.2025 – 25.03.2025. В процессе анализа результатов накопления остаточной деформации учитывались погодные условия на участке в период испытаний. График изменения температуры воздуха, количества осадков на период наблюдений приведены на Рис. 12. Согласно полученным данным в период между четвертым и пятым циклами измерений происходит сезонные процессы оттаивания – промерзания грунтов. Проведенный анализ показывает меньшее влияние природно-климатических факторов на накопление остаточных деформаций, в частности пучения грунтов земляного полотна, при наличии в конструкции асфальтобетонного слоя.
Заключение
Абсолютные значения остаточных деформаций земляного полотна составили:
- на участке устройства подбалластного асфальтобетонного слоя – (-4,9 мм);
- на контрольном участке – (-3,6 мм).
Темп накопления остаточных деформаций составил:
- на участке устройства подбалластного асфальтобетонного слоя – 0,427 мм / млн. тонн брутто пропущенного тоннажа;
- на контрольном участке – 1,197 мм / млн. тонн брутто пропущенного тоннажа.
Неравномерность остаточных деформаций земляного полотна:
- на участке устройства подбалластного асфальтобетонного слоя коэффициент вариации находится в диапазоне 0,32…1,11;
- на контрольном участке коэффициент вариации находится в диапазоне 0,47…5,26.
На участке с асфальтобетоном процессы пучения грунтов земляного полотна практически отсутствуют, в продольном направлении наблюдается стабильное положение рельсовых нитей.
Обеспечивается стабильность земляного полотна и балластного слоя за счет снижения величины накопленной остаточной деформации основной площадки земляного полотна.
Из всего выше сказанного следует, что устройство подбалластного слоя из асфальтобетона обеспечивает гидроизоляцию подстилающих грунтов земляного полотна, соответственно, практически сводит к минимуму риски появления деформаций морозного пучения, улучшает влажностный режим подстилающих грунтов, минимизирует снижение их прочностных и деформационных свойств в годовом цикле, обеспечивая тем самым повышение несущей способности, устойчивости земляного полотна и обеспечение стабильности рельсовой колеи с наработкой тоннажа.
Рис. 11. Процесс сезонного пучения грунтов на контрольном участке
Рис. 12. График изменения температуры воздуха, количества осадков на период наблюдений
1. Cao Taiping. Study on Frost Heave Deformation Characteristics of Railway Subgrade in Seasonal Frozen Soil Region // Railway Investigation and Surveying. 2019. 45(01). P. 59-62. (in Chinese).
2. CAI De-gou. Test on Frost Heaving Spatial-Temporal Distribution of High Speed Railway Subgrade in Seasonal Frozen Soil Region // China Railway Science. 2016. 37(03). P. 16-21. (in Chinese).
3. Luo Qinglin. Frost Heave Prevention Technology of Lanzhou-Xinjiang Passenger Dedicated Line // High Speed Railway Technology. 2017. 8(S1). P. 132-139. (in Chinese).
4. Li, D., Rose J. G., LoPresti J. Test of hot-mix asphalt trackbed over soft subgrade under heavy axle loads // Technology Digest – Timely Technology Transfer. 2001. Vol. 01. Р. 9.
5. Колос, А.Ф. Эффективность применения подбалластного слоя из асфальтобетона в конструкциях пути / А.Ф. Колос, Е.Н. Симчук, Н.В. Быстров, Е.И. Шехтман, В.А. Черняева, Я.В. Мельник, С. Ван // Путь и путевое хозяйство. 2023. № 12. С. 23-26. EDN: https://elibrary.ru/WMXOSL
6. Афонин Д.А., Богомолова Н.Н., Брынь М.Я., Никитчин А.А. Опыт геодезического контроля деформаций железнодорожных насыпей при испытаниях тяжеловесных вагонов // Инженерные изыскания. 2019. Т. 13. № 4. С. 60-68. DOI: https://doi.org/10.25296/1997-8650-2019-13-4-60-68; EDN: https://elibrary.ru/ZHVUFZ
