АРМИРОВАНИЕ БАЛЛАСТА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ

АННОТАЦИЯ

В статье Рассмотрены причины формирования остаточных деформаций подшпального основания в виде балластной призмы железнодорожного пути при циклической поездной нагрузке и показана определяющая роль балласта в развитии осадок подшпального основания. Выполнена оценка эффективности армирования балластной призмы. Приведён анализ армирования балласта плоскими георештками с различными размерами ячеек. Рассмотрены примеры армирования балласта георешетками в российской и зарубежной практике.

Ключевые слова: железнодорожный путь, балластная призма, остаточные деформации, армирование балласта, георешётка.

Введение

Стабильность геометрии пути определяется деформационной работой подшпального основания при циклическом воздействии поездных нагрузок. Увеличение осевых нагрузок и грузонапряженности приводит к росту интенсивности накопления остаточных деформаций балластного слоя, что как следствие, приводит к ускоренному расстройству пути и увеличению объёма работ, связанных с его техническим обслуживанием.

Одним из направлений повышения стабильности балластной конструкции верхнего строения пути является применение плоской георешетки. В статье рассмотрены:

- теоретические предпосылки формирования остаточных деформаций подшпального основания;

- оценка эффективности армирования балласта, включая сравнительный анализ георешеток с различными размерами ячеек;

- практика применения в РФ и зарубежных странах.

1. Формирование остаточной деформации подшпального основания

Поездная нагрузка воспринимается рельсошпальной решёткой и далее передаётся на балластную призму, разделительный слой далее на земляное полотно и основание. При многократном приложении нагрузки (циклическом воздействии) формируются как упругие (восстанавливаемые), так и остаточные (необратимые) деформации, определяющие общую осадку пути.

Балластный слой представляет собой сыпучую (дисперсную) среду, чья деформация обусловлена взаимным перемещением, уплотнением и дроблением частиц под действием контактных напряжений.

Общая вертикальная осадка пути складывается из деформаций балластной призмы и грунтов земляного полотна и основания. Соотношение этих осадок определяется конкретными эксплуатационными условиями участка пути и жесткостью нижележащих слоев. Расстройства пути чаще всего связаны с остаточными деформациями подшпального основания, величина которых сильно зависит от состояния земляного полотна и балластной призмы. При стабильном (жестком) основании основная часть вертикальных деформаций сосредоточена в балластном слое (рисунок 1).

Увеличение интенсивности развития остаточных деформаций, в свою очередь, ведёт к учащению работ по выправке железнодорожного пути в профиле.

Уменьшение остаточных деформаций балластного слоя можно обеспечить за счет его армирования плоскими георешетками. Оценкой влияния армирования балластной призмы на ее деформационные характеристики занимаются как в России, так и за рубежом [1-4].

Рисунок 1. Зависимость остаточной деформации подшпального основания от пропущенного тоннажа

В диссертационной работе [5] показано, что георешётки могут быть включены в технологию ремонтов (включая подбивку и последующую эксплуатацию), а ожидаемым эффектом является увеличение межремонтных циклов и снижение затрат на техническое обслуживание пути.

2. Механизм работы плоских георешеток

Ключевым механизмом работы плоских георешеток является фиксация частиц балласта в замкнутых ячейках, что создаёт условия для ограничения перемещения частиц балласта и повышения угла внутреннего трения материала балласта. Георешетка препятствует развитию пластических деформаций (расползанию) балластной призмы и снижает интенсивность накопления остаточной осадки.

В документе USACE ETL 1110‑1‑189 [6] отражены преимущества армирования сыпучего материала георешетками при строительстве дорожных покрытий.

Схема фиксации частиц балласта (сыпучего материала) георешеткой изображена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема фиксации частиц балласта георешеткой

Эффективность армирования балластной призмы георешетками оценивают по снижению интенсивности накопления остаточной деформации, перераспределению напряжений в уровне основной площадки земляного полотна и увеличению межремонтного цикла.

В исследовании [5] представлены лабораторные испытания CET и полномасштабные испытания RTF, подтверждающие, что корректно подобранная георешётка снижает остаточные деформации при циклическом нагружении.

В испытаниях CET [5] оценивали накопление остаточных деформаций балласта армированного георешеткой уложенной на основной площадке земляного полотна. При испытаниях армирование балласта проводили с использованием следующих георешеток:

- с ячейками размером 30‑65 мм;

- с ячейками размером 30‑65 мм и геотекстилем;

-  с ячейками размером 40‑65 мм;

- с ячейками размером 40‑32 мм.

Полученные зависимости остаточных деформаций балласта от циклов нагружения приведены на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Остаточные деформаций балласта, армированного георешеткой с ячейками 30-65 мм при циклическом нагружении

Рисунок 5. Остаточные деформаций балласта, армированного георешеткой с ячейками 45-65 и 40-32 мм при циклическом нагружении

Испытания балласта, армированного георешеткой с ячейками 30-65 мм (рисунок 4), показали, что армирование балласта позволило снизить остаточные деформации в 1,2-1,3 раза после 50 000 циклов приложения нагрузки. При этом армирование балласта георешеткой с геотекстилем не привело к существенному снижению остаточных деформаций, поскольку геотекстиль препятствует проникновению частиц балласта в ячейки георешетки [5].

Применение георешетки с ячейками размером 40-32 мм привело к незначительному снижению накопления остаточных деформаций балласта в пределах 1000 циклов нагружения. При дальнейшем циклическом нагружении эффект от армирования балластной призмы отсутствует (рисунок 5).

Получено, что георешетка с размером ячеек 45-65 мм является наиболее эффективной для армирования балласта, поскольку она позволяет снизить остаточные деформации до 2,5 раз после 50 000 циклов приложения нагрузки [5].

2. Практика применения: Российская Федерация и зарубежный опыт

В мае 2001 года на 53 км линии Санкт-Петербург — Москва был выполнен капитальный ремонт, в комплексе работ которого на глубине 40 см под подошвой шпалы в уровне основной площадки земляного полотна (далее ОПЗП) были уложены различные типы геосинтетических материалов. Для исследования влияния армирования грунтов основной площадки земляного полотна геосинтетическими материалами были созданы следующие конструкции подбалластного слоя: укладка в подбалластный слой плоской георешетки FORTRAC в один слой; укладка в подбалластный слой георешетки FORTRAC в два слоя. Укладка в один слой плоской георешетки TENАХ [7].

Все уложенные типы геосинтетических материалов приводят к уменьшению уровня вертикальных напряжений в подрельсовом сечении по сравнению с контрольным участком. Георешетка FORTRAC, уложенная в 1 слой, снижает вертикальные напряжения в 1,1 раза, георешетка TENAX, уложенная в 1 слой, — в 1,17 раза, 2 слоя FORTRAC — 1,39 раза [7].

Происходит перераспределение вертикальных напряжений от торца шпалы к оси пути, что снижает пиковые нагрузки на основную площадку земляного полотна.

Геоматериалы перераспределяют и горизонтальные напряжения за счет уменьшения напряжений по оси рельса и торцу шпалы и роста по оси пути. В среднем, в подрельсовом сечении, горизонтальные напряжения уменьшились по сравнению с контрольным участком в 1,1 раза при укладке TENAX в 1 слой, в 1,3 раза при использовании георешетки FORTRAC в 2 слоя [7].

Подводя итог оценке вариантов конструкции пути, следует отметить целесообразность применения геоматериалов для снижения нагрузок на земляное полотно.

Показательным примером зарубежного опыта служит Великобритания, где на участке жд вблизи города Уиган были проведены полевые испытания по армированию балластной призмы георешёткой с ячейками

30-65 мм. Работы выполнялись по заказу Network Rail в 2004 году на проблемном земляном полотне. В работе [5] также показано, что георешетки способствует увеличению межремонтных циклов и снижению затрат на техническое обслуживание пути.

Заключение

Остаточные деформации подшпального основания формируются при циклической поездной нагрузки как результат совместной работы балласта и земляного полотна. Армирование балласта георешеткой позволяет снизить интенсивность накопления остаточных деформаций до 2,5 раз при обеспечении корректной технологии укладки георешетки.

Список литературы:

1. S.Fischer, Investigation of the geogrid-granular soil combination layer with laboratory multi-level shear box test, Special sessions on „Geosynthetics in Road Construction“ EuroGeo 6,  Ljubljana, Slovenija, 2016;
2. Сомов Д. Н., Петряев А. В., Парахненко И. Л., Тенирядко Н. И. Влияние технологий стабилизации на деформационные характеристики балластной призмы железнодорожного пути // Бюллетень результатов научных исследований. — 2025. — Вып. 3. — С. 135–148. DOI: 10.20295/2223- 9987-2025-3-135-148;
3. A Abrashitov and A Kuznetsova The Technology of Multilayer Mechanical Stabilization of the Railway Ballast by Flat Polymer Geogrids2021 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 1079 052069 DOI 10.1088/1757-899X/1079/5/052069;
4. B. Indraratnaa, N. T. Ngoa, Hai Huang, Yin Gao, Improved Performance of Ballasted Rail Tracks using Plastics and Rubber Inclu-sions Transportation Geotechnics and Geoecology, TGG 2017, 17-19 May 2017, Saint Petersburg, Russia106–112;
5. Kwan C.C.J. Geogrid Reinforcement of Railway Ballast: PhD Thesis. University of Nottingham. September 2006. 212 p;
6. Department of the Army, U.S. Army Corps of Engineers. Engineering and Design: Use of Geogrids in Pavement Construction. Technical Letter ETL 1110‑1‑189. Washington, D.C., 14 February 2003. 38 p;
7. Свинцов Е.С., Дудкин Е.П., Шкурников С.В. Железнодорожный комплекс наземной инфраструктуры космодрома «Байконур» // Транспорт Российской Федерации. 2009. №3–4 (22–23). С. 62–64.