авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Эффективность применения теплоизоляции земляного полотна на пучинистых участках железнодорожного пути

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЦИГИПОВ АЛЕКСАНДР ДМИТРИЕВИЧ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ПУЧИНИСТЫХ УЧАСТКАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Специальность 05.22.06 – Железнодорожный путь, изыскания и проектирование железных дорог

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 2004 г.

Диссертация выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщения

Научный руководитель: Доктор технических наук,

профессор

Карпущенко Николай Иванович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

профессор

Исаков Александр Леонидович

Кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Потапов Анатолий Симонович

Ведущее предприятие: «Сибгипротранс» ОАО «РЖД»

Защита состоится « » января 2004 года в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д 218.012.03 при Сибирском государственном университете путей сообщения по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного университете путей сообщения (СГУПС).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю по указанному адресу.

Автореферат диссертации разослан « » декабря 2003 года.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

кандидат технических наук, доцент С.А. Бессоненко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В последнее десятилетие значительно повысились требования к надежности земляного полотна. Это связано с увеличением массы и скорости движения поездов и, особенно с учетом нового статуса железных дорог, который приобретает значение транспортных коридоров Север – Юг, Восток – Запад.

На дорогах, построенных в Сибири и на Востоке страны, значительный объем деформаций связан с промерзанием и пучением глинистых грунтов в теле насыпей и основании выемок. Это существенно ограничивает возможность укладки бесстыкового пути на этих участках, одним из условий, применения, которого является полное исключение болезней земляного полотна.

Ежегодно затрачиваются огромные средства на устранение пучинных деформаций, но не всегда получается ожидаемый эффект. Применение теплоизолирующих покрытий без расчетного обоснования ведет к перерасходу средств или использованию пенопластов недостаточной толщины. Это, несомненно, наносит ощутимый ущерб отрасли и говорит о малой изученности факторов, влияющих на величину пучения и предотвращающих его.

Методика определения толщины пенополистирола, приведенная в ЦПИ–24 «Технические указания по устранению пучин и просадок железнодорожного пути», не учитывает характерного для Западно-Сибирской железной дороги балластного напластования, состоящего из загрязненных балластных материалов толщиной до 1,5 м. и остающейся асбестовой подушки, имеющей высокие теплоизоляционные свойства. Толщина пенополистирола получается завышенной.

Существует необходимость в дальнейшем исследовании и теоретическом обобщении этой проблемы, базирующихся на современных представлениях о морозном пучении грунтов, при всем многообразии факторов, влияющих на формирование и динамику сил морозного пучения, а также в разработке надежных методов расчета толщин теплоизолирующих покрытий. Поэтому тема настоящей работы имеет важное практическое значение и является актуальной в научно – теоретическом плане.

Предметом исследования является процесс промерзания земляного полотна на пучинстых участках железнодорожного пути.

Объектом исследования является противопучинная конструкция пути с применением теплоизоляции земляного полотна.

Целью работы является оптимизация проектирования теплоизолирующих противопучинных устройств с обеспечением их эффективности при одновременном снижении затрат.

Основные задачи исследований:

  • обобщение опыта борьбы с пучинными деформациями на отечественных и зарубежных железных дорогах с выполнением патентного поиска научных решений;
  • исследование динамики промерзания пучинистого грунта и деформаций пучения на экспериментальном участке;
  • математическое моделирование процессов промерзания подрельсового основания на персональном компьютере в различных климатических и геологических условиях;
  • разработка обоснованных методов определения конструкции и толщины теплоизолирующего покрытия с учетом местных факторов.

Методика исследований. В работе использованы результаты теоретических и экспериментальных исследований в полевых и лабораторных условиях. Полевые экспериментальные исследования, выполненные на перегоне Кабинетное – Коченево по главному ходу Западно – Сибирской железной дороги, включали инструментальные наблюдения за участком железной дороги на пучинистых грунтах при их сезонном промерзании с использованием электрических датчиков температуры и неравновесного моста для съема значений. В лабораторных условиях были определены геологические показатели грунтов и проведены вычислительные эксперименты, моделирующие промерзание подрельсового основания.

Научная новизна работы заключается в комплексном подходе к назначению противопучинных мероприятий, включая пенополистирол, геотекстиль и асбестовые отходы с учетом возможностью промерзания пассивной зоны пучения.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложены технические решения по борьбе с пучинами на Западно-Сибирской железной дороге, обеспечивающие требуемую их эффективность при одновременном снижении затрат. Обоснованы наиболее эффективные конструкции противопучинных устройств.

Реализация работы. Основные результаты работы были использованы на Западно-Сибирской железной дороге при проектировании усиленного капитального ремонта пути в 2001 – 2003 г.г. на перегонах Барабинск- Труновское, Кормиловка – Калачинская.

Апробация работы. Результаты работы и практические рекомендации докладывались и были одобрены: на заседании кафедры "Путь и путевое хозяйство" СГУПС в 2001, 2002, 2003 г.г. и на научно-практических конференциях: «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе», «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока Транссибу».

Основные научные результаты, защищаемые автором:

  • методика прогнозирования процессов промерзания подрельсового основания для наиболее неблагоприятных сочетаний природных и грунтовых условий;
  • методика назначения размеров теплоизоляционного покрытия и его сопряжений с соседними участками, с учетом величины пучения, суммы морозоградусосуток и толщины балластных отложений;
  • рекомендации по техническим условиям реализации противопучинных устройств при усиленном капитальном ремонте пути.

Публикации основные положения диссертации опубликованы в трех статях общим объемом 1,5 печатных листа.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и предложений, списка литературы и приложений.

Работа содержит 80 страниц основного текста, 24 рисунка, 27 таблиц. Список использованной литературы включает 56 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

На территории Западной Сибири и Востока страны пучинистые грунты имеют широкое распространение. К ним относятся глины, суглинки, супеси, мелкие и пылеватые пески. При определенной влажности эти грунты, замерзая, увеличиваются в объеме, что приводит к подъему слоев грунта в пределах глубины его промерзания.

На железнодорожном пути пучение может быть равномерным и неравномерным. Неравномерное пучение проявляется в виде пучинных горбов, впадин или перепадов.

Появление неравномерных пучин при промерзании грунта под основной площадкой может быть вызвано следующими причинами:

  • образование балластных углублений в виде корыт, лож, мешков и гнезд;
  • неоднородность сложения грунтов в поперечном и продольном профиле;
  • неравномерность увлажнения грунтов в поперечном профиле.

Согласно современным представлениям основное условие пучения любого грунта состоит в превышении объема замерзшей Wл и незамерзшей Wн воды, содержащейся в промерзающем грунте, над объемом свободных от воды пор. Теплообмен, происходящий в грунте при отрицательной температуре на его поверхности, влияет не только на местные фазовые превращения влаги, но и способствуют ее пространственному перераспределению (миграции) в жидком и парообразном состоянии, что ведет к приращению толщины ледяных прослоек в промерзающем грунте.

Замерзание свободной воды начинается с образования мелких частиц твердой фазы, вызываемого процессом зарождения центров кристаллизации. Возникновение этих центров проистекает в условиях переохлаждения жидкости, то есть при температуре более низкой, чем температура последующего роста кристаллов.

При этом формирование прослойки или линзы льда на данном горизонте за счет свободной воды будет продолжаться до тех пор, пока количество отводимого тепла не превысит количество тепла, выделяющегося при кристаллизации и поступающего из нижележащих слоев грунта, или пока не прекратится питание кристаллов водой вследствие сопротивления, оказываемого капиллярным силам скелетом грунта в процессе развития сжимающих напряжений при объемном расширении замерзающей воды.

Таким образом, пучинные деформации могут возникать при одновременном проявлении трёх условий: наличия пучинистых грунтов, высокой их влажности и промерзания. Исключение любого из этих условий устраняет возможность образования пучин. Так, замена пучинистых грунтов непучинистыми материалами осуществляется устройством врезных подушек, снижение влажности достигается качественной планировкой основной площадки, её гидроизоляцией или осушением грунта, а выведение глубины промерзания из зоны пучащегося грунта может быть реализовано увеличением толщины балластного слоя, размещением в нем накладной подушки из материала с низкими теплопроводными свойствами или теплоизоляционным покрытием. По каждому из этих трех направлений борьбы с пучинами был проанализирован опыт эксплуатации отечественных и зарубежных железных дорог и выполнен патентный поиск предложенных технических решений.

В качестве материала врезных подушек чаще всего использовался шлак, дренирующий песок или крупнообломочный грунт (гравий, галечник, щебень). Но при исследовании работы шлаковых подушек и изучении температурного режима земляного полотна на участках пучения были установлены не только факты полного промерзания шлаковых подушек, но также и почти полная идентичность процесса промерзания и распределения изотерм в шлаковых подушках и на соседних незашлакованных участках земляного полотна. Почти одинаковый характер промерзания основной площадки земляного полотна со шлаковыми подушками и на соседних участках пути без них объясняется, с одной стороны, увеличением влажности шлака, и, следовательно, повышением коэффициента его теплопроводности по сравнению с сухим шлаком и различной интенсивностью выделения скрытой теплоты льдообразования (в шлаке меньше, нежели в связанных грунтах), а с другой - наличием теплового потока из нижних слоев грунта в верхние, влияние, которого больше сказывается на уменьшении скорости и глубины промерзания грунта, обладающего большей теплопроводностью, чем шлак. Сказанное позволяет утверждать, что шлак в основной площадке земляного полотна, особенно в выемках, прикрытый слоем балласта толщиной в 0,5 м при его увлажнении, как термоизолирующий и дренирующий материал, не имеет значительного отличия от крупно- и среднезернистого песка. Эти выводы подтверждаются выполненными расчетами выделения скрытой теплоты льдообразования и глубины промерзания по опытным участкам с исходными данными, взятыми из натурных наблюдений. Таким образом, эффективность шлаковых подушек связана не теплофизическими свойствами шлака, а планировкой поверхности основной площадки и ликвидацией имеющихся в ней углублений при устройстве шлаковой подушки.

Замена пучащегося грунта песком или крупнообломочным материалом довольно широко применялась при сооружении земляного полотна новых железнодорожных линий. Замена грунта производилась на полную глубину промерзания и, как правило, при устроенных сопряжениях полностью ликвидировала пучины. Исходя из причин образования пучин, толщина слоя заменяемого грунта может быть уменьшена и должна определяться так же, как и для шлаковых подушек - из условия создания однородной поверхности основной площадки земляного полотна.

На дорогах Урала и Сибири для устройства противопучинных подушек широко применялись асбестовые отходы. Они зарекомендовали себя с самой лучшей стороны. В НИИЖТе при исследовании асбоотходов отмечалось уменьшение водопроницаемости после просыхания асбоотходов и образования в поверхностном слое усадочной «корочки». Было установлено, что для уменьшения инфильтрации воды в грунты и предохранения их от водонасыщения обочины земляного полотна целесообразно покрывать слоем мелких асбоотходов толщиной до 10 см.

Наряду с положительными качествами асбоотходов следует учитывать и негативные факты их применения в противодеформационных конструкциях. Так, нередко завышались теплоизолирующие свойства асбоотходов, вследствие чего применялись подушки недостаточной толщины. Неправильный учет фильтрационных свойств крупных асбоотходов приводил к устройству подушек без выпусков воды и увеличению влажности грунтов под подушкой.

Уменьшению или исключению инфильтрации атмосферных осадков в пучинистый грунт способствует планировка и гидроизоляция основной площадки с помощью полимерных рулонных или ячеистых материалов. В соответствии с международной классификацией можно выделить четыре их основных типа:

а) геотекстиль типа «спандбонд» – нетканый волокнистый материал из расплавов полимеров;

б) рулонные геосетки, образованные переплетением под прямым углом нитей или волокон из высокопрочных синтетических материалов, покрытых защитным слоем;

в) рулонные двухосные плоскостные георешетки, выпускаемые в виде сплошного перфорированного листа из полиолефинов или полиэфиров;

г) объемные георешетки - модульная, сотовидная конструкция, которая состоит из пористых синтетических лент, соединенных между собой линейными швами, расположенными в шахматном порядке.

В последнее время положительно себя зарекомендовали объемные георешетки, перераспределяющие нагрузки и рекомендованные как основное средство для увеличения прочности земляного полотна.

Устройство дренажей для ликвидации пучин получило широкое распространение главным образом потому, что при их осуществлении не нужно снимать верхнее строение пути. Однако, по данным ряда дорог осушение грунтов, как самостоятельная мера предупреждения или устранения пучения, эффективно лишь в том случае, если коэффициент фильтрации этих грунтов превышает 0,2 м/сут. Преимущество открытых дренажей заключается в том, что для их сооружения и эксплуатации применимы механизмы, имеющие широкое распространение и не требующие закрытия перегона.

Как показали исследования, подкюветные дренажи не ликвидируют полностью пучины, а только снижают их величину. Образование пучин, несмотря на устройство подкюветных дренажей, происходит потому, что основные причины неравномерного пучения – неоднородность строения основной площадки земляного полотна или наличие в ней разных углублений - с устройством дренажей не устраняются.

Поперечные дренажные прорези, как показал опыт их применения, также не ведут к существенному снижению величины пучения. Более того, на участках пути с большим равномерным пучением после устройства прорезей пучины могут проявляться еще интенсивнее в виде пучинных впадин над каждой прорезью. Образование пучинных впадин над прорезями происходит в связи с тем, что после промерзания балластного слоя и опускания фронта промерзания в связанные грунты на участках пути между прорезями начинается процесс пучения. На прорезях же, заполненных песком или шлаком, пучение в это время не происходит и может начаться только после проникания отрицательных температур ниже дна прорези. При этом интенсивность пучения над прорезями будет меньше, нежели на соседних с ним участках.

Теплоизоляция земляного полотна железных дорог, как противопучинное мероприятие, снижающее или исключающее промерзание подрельсового основания, применяется с середины 60-х годов прошлого столетия.

В настоящее время они получили наиболее широкое распространение. Этому способствовали, главным образом, экономические показатели теплоизоляции: по оценкам специалистов института «Гипротранспуть» стоимость и трудоемкость работ по предупреждению пучин укладкой пенопласта примерно в 1,5 раза меньше, чем устройство накладных и врезных противопучинных подушек, а в особо сложных условиях это различие еще существеннее – стоимость меньше в 2 раза, а трудоемкость в 6 раз. При этом стоимость пенопласта составляет от 50% до 75% от общей стоимости работ.

С появлением в Европе машин для глубокой очистки балласта (RM 80, SH 600, SHU 800) укладку плит пенопласта стали производить без снятия рельсошпальной решетки одновременно с обновлением балластного слоя

Вопросы борьбы с пучинами привлекали внимание ученых со времени постройки первых железных дорог. Как показали исследования Титова В.П., Моченова Г.М. и Грицыка В.И., эффективность таких противопучинных мероприятий как дренаж, накладные и врезные подушки из шлака и асбоотходов, в среднем составляет около 50%.

Укладка легких теплоизолирующих плит под балластный слой – работа несравненно менее трудоемкая, чем вырезка пучинистого грунта и устройство дренажей и легко вписывается в технологический процесс капитального ремонта пути.

При реконструкции линий Санкт-Петербург – Москва и Санкт-Петербург – Выборг– Государственная граница для скоростного движения пассажирских поездов широко использовались перспективные технологии с применением синтетических геоматериалов, которые позволяют повысить эксплуатационную надежность основной площадки.

Первые упоминания о применении противопучинных устройств в Европе относятся к 1890 г., когда в скандинавских странах под балластный слой в качестве теплоизоляции были уложены старогодные деревянные шпалы или прессованная кора и опилки. В последующем там же стали применять подъемку пути на балласт и врезные подушки из гравия и песка или торфа, прессованного в виде брикетов. После обобщения известных методов борьбы с пучинами в развитых странах основным противопучинным мероприятием стало покрытие из экструдированного жестко-вспененного полистирола. Этому способствовали такие его качества, как незначительное влагопоглощение, высокая устойчивость к давлению при определенной эластичности и неспособность к гниению.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.