4. Расчет дренажа

Для понижения уровня грунтовых вод под основной площадкой земляного полотна наибольшее распространение получили трубчатые подкюветные дренажи. Если поток грунтовой воды направлен поперек пути‚ с нагорной стороны закладывают совершенный дренаж. В связанных грунтах с обеих сторон пути устраивают несовершенный дренаж.

Глубина дренажной траншеи определяется типом дренажа (совершенный‚ несовершенный) и величиной снижения уровня вод. Глубина траншеи H несовершенного дренажа определяется расчетом:

Н = А +I₀ · l + a_кп + е + h_c – у‚ где А – глубина промерзания балластного слоя и грунтов земляного полотна‚ измеряемая в сечении‚ проходящем через концы шпал‚ м;

I₀ – средний уклон кривой депрессии осушаемых грунтов; (средние уклоны кривой депрессии в суглинках – 0‚05 .. 0‚1);

l – расстояние от стенки дренажной траншеи до сечения‚ а котором определяют необходимое понижение уровня грунтовых вод‚ м;

а_кп – высота капилярного поднятия воды над кривой депрессии (может быть принята для песчаных для суглинков 0‚4…0‚5 м);

е – величина возможного в различные годы колебания уровня капиллярных вод и глубины промерзания (обычно принимаем 0‚2 … 0‚25 м);

h_с – расстояние от верха дренажной трубы до дна дренажа(обычно принимается 0‚3…0‚5 м);

у – расстояние от верха конструкции пути до верха дренажа‚ м (0,75).

Для отвода воды‚ просочившейся в дренажную трубу‚ вдоль нее по дну укладывают дренажную трубу. Наиболее распространены трубы керамические или асбестоцементные без раструбные‚ керамические раструбные‚ трубофильтры из крупнопористого бетона.

Составим расчетную схему (рис.3)

Рис.3-Поперечный профиль дренажа

Глубина траншеи Н несовершенного дренажа определяется по формуле:

Н = А + I₀ · l + а_КП + е + h_с – у, (1.14)

где A = 1,65 м, I₀ = 0,03 м, а_КП = 0,3 м, е = 0,2, h_с = 0,3м,

l1 высчитывается по формуле: 1₁ = + С; (1.15)

l₁ = + 0,6 = 5,95 м.

Расстояние у от верха конструкции пути до верха дренажа устанавливается в зависимости от заданного типа верхнего строения пути, как сумма следующих размеров: глубины кювета, толщины основной площадки земляного полотна, толщины балласта и песчаной подушки под шпалой и толщины шпалы за вычетом 3 см для деревянных шпал – от верхней постели шпалы до балластного слоя.

Н = 1,65 + 0,03 · 5,95 + 0,3 + 0,2 + 0,3 – 1,3 = 1,32 м.

2. Расчет размеров элементов верхнего строения пути.

Исходные данные:

- ширина основной площадки земляного полотна – 7,3 м ;

- шпалы железобетонные;

- балласт щебеночный толщиной 30/35 см;

- ширина плеча балластной призмы 40/35 см;

- радиус кривой 800 м;

- возвышение наружного рельса 120 мм

- уширение основной площадки в кривой 0,40 м.

2.1 Общие положения

Верхнее строение пути — часть железнодорожного пути, предназна­ченная для восприятия нагрузок от подвижного состава и передачи их на нижнее строение пути, а также служащая для направления движения колес в рельсовой колее. Верхнее строение пути является единой комп­лексной конструкцией, состоящей из рельсов со скреплениями и про­тивоугонными устройствами, под рельсового основания (шпалы, мос­товые или переводные брусья), балластного слоя, мостового полотна, стрелочных переводов и ряда специальных устройств.

Под рельсовое основание — опоры для рельсов железнодорожного пути, воспринимающие вертикальные, боковые и продольные усилия от рель­сов и передающие их на балластный слой или элементы инженерных сооружений обеспечивающие стабильность рельсовой колеи и изоля­цию рельсовых нитей на участках с автоблокировкой. К под рельсовым основаниям относят: шпалы, мостовые и переводные (на стрелочных переводах) брусья, блочные, рамные и сплошные монолитные основа­ния. Наиболее распространенным типом опор являются шпалы — эле­менты верхнего строения пути, являющиеся опорой для рельсов, в виде деревянного или железобетонного поперечного лежня, укладываемого под оба рельса на балластный слой. Под рельсовые основания бывают деревянные, железобетонные и ме­таллические. Выбор типа под рельсового основания производят в зави­симости от эксплуатационных параметров линии (грузонапряженность, нагрузки на ось подвижного состава, скорости движения) и природно-климатических условий на основе действующих нормативов и технико-экономического сравнения вариантов и в соответствии с таблице в приложении 5 МУ.

Назначение рельсов — создать поверхности с наименьшими сопро­тивлениями для качения колес подвижного состава, непосредственно воспринимать и упруго передавать воздействия колес на опоры (шпалы, брусья и т.п.) и направлять колеса подвижного состава. На участках с ав­тоблокировкой рельсовые нити служат также проводниками сигнально­го тока, а на участках с электрической тягой — обратного тягового тока. Рельсы должны быть достаточно прочными, долговечными, надеж­ными в эксплуатации, твердыми и одновременно вязкими (нехрупки­ми), так как они воспринимают ударно-динамические нагрузки. Масса рельсов, поперечные профили, химический состав рельсовой стали и технология изготовления взаимосвязаны и в совокупности оп­ределяют эксплуатационные качества рельса как элемента верхнего стро­ения пути.

Промежуточные рельсовые скрепления — элемент верхнего строения пути, служащий для прочного соединения рельсов с опорами, для обеспечения стабильности положения рельсовых нитей. К промежуточным рельсовым скреплениям предъявляют следующие основные требования: обеспечение стабильности ширины колеи и подуклонки рельсов; предотвращение про­дольного перемещения рельсовых нитей по опорам; обеспечение прочно­сти и достаточной упругости для смягчения динамических воздействий, вибрации и колебаний рельсов. Промежуточные скрепления к железобетонным шпалам должны включать элементы, исключающие прохождение электрического тока через шпалы от одной рельсовой нити к другой. По конструкции промежуточные скрепления бывают трех основных видов: нераздельные, позволяющие рельс вместе с подкладкой прикреп­лять к шпале одними и теми же при крепителями; раздельные, при скрепляющих рельс к подкладке одними при крепителями, а подкладку к шпале - другими; смешанные, в конструкции которых имеются элемен­ты нераздельного и раздельного скреплений. Конструкция промежуточных скреплений зависит от вида шпал, на которые укладывают рельсы. Промежуточное рельсовое скрепление должно обеспечить сопротив­ление продольному перемещению плетей 25-30 кН/м. Для этого нор­мативное прижатие рельса к основанию должно быть не менее 20 кН средний крутящий момент при затяжке клемных болтов - не менее 100 Нм, закладных болтов — не менее 70 Нм. Места соединения примыкающих друг к другу концов соседних рель­сов и образования непрерывной рельсовой нити называют рельсовыми стыками.

Рельсовый стык — место соединения концов рельсов в рельсовую нить сваркой, склеиванием или с помощью стыковых накладок и болтов. Сворными рельсовыми стыками условно называются места сварки рель­сов в бесстыковые рельсовые плети. В клееболтовых стыках накладки приклеиваются к рельсам и стягиваются болтами. В болтовых стыках между концами рельсов, перекрытых накладками, оставляют зазоры.

• Конструкция рельсового стыка должна удовлетворять трем основ­ным требованиям: воспринимать изгибающий момент и поперечную силу в пределах стыка, что обеспечивает плотность скрепления, чтобы элементы стыка были прочными, не смещались и не скользили один относительно дру­гого при работе стыка;

• допускать продольные перемещения концов рельсов в стыке при изменении длины рельса вследствие колебаний его температуры. Это требование вызывает необходимость определенной свободы перемеще­ний концов рельсов относительно стыковых скреплений;

обеспечить возможность изготовления деталей стыка одним из спо­собов массового изготовления — прокаткой, штамповкой или литьем.

При этом необходимо обеспечить плотность прилегания рабочих гра­ней накладки к низу головки и к верху подошвы рельсов в стыке при допускаемых стандартами отклонениях в размерах элементов — по высо­те шейки рельса (+0,3;—4) мм, по ширине подошвы рельса (+1; —1,5) мм, высоте накладки (±0,5) мм и по толщине накладки (±0,75) мм.

Эти требования оказались столь сложными и противоречивыми, что за всю почти 200-летнюю историю железнодорожного транспорта не уда­лось создать конструкцию стыка, которая удовлетворяла бы одновре­менно всем этим требованиям. Под катящимся колесом рельсовая нить упруго прогибается. При ис­правном пути, одинаковых по размерам, типу и состоянию шпалах, рав­номерном расположении и одинаковой их подбивке, одинаковом по ка­честву и толщине балласте и здоровом земляном полотне упругий прогиб рельса должен быть одинаков по всей длине рельса, если колесо действу­ет на путь с постоянной силой. В этих условиях траектория точки каса­ния колеса с рельсом представляет собой примерно прямую линию.

Стыковые скрепления должны обеспечить прямолинейную траек­торию и в зоне стыка. Однако обеспечить это не удается, так как из-за разрыва непрерывности рельсовой нити нагрузка от колеса в стыке вос­принимается накладками, момент инерции которых меньше момента инер­ции рельса вне стыка. В стыке траектория точки контакта колеса с рельсом имеет перелом, вследствие чего создаются ударно-динамические силы и повышенное воздействие на путь в этой зоне.

Концы рельсов в стыке работают в основном как консоли, свешиваю­щиеся в стыковой пролет за стыковые шпалы. Это вызывает взаимное скольжение и истирание рабочих граней накладок и поверхностей го­ловки и подошвы рельсов, к которым они прилегают.

Концы рельсов в стыках, прогибаясь под нагрузкой, образуют угол, поэтому колеса ударяются о поверхность принимающего конца рельса под небольшим углом к вертикали. Горизонтальная составляющая этих сил создает угоняющую силу в направлении движения, тем большую, чем больше нагрузка от колеса. Одно это не могло бы вызвать заметного угона рельсов (т.е. продольного перемещения рельсов под колесами про­ходящего поезда), так как принимающие концы рельса прижимаются набежавшими колесами.

Угон от ударов в стыках происходит, в основном, потому, что рельсо­вая нить при ударе встряхивается и имеющиеся в принимающем рельсе температурные напряжения получают частичную разрядку, в результате чего рельс изменяет длину и противоположный не зажатый его конец немного проскальзывает вперед.

Ударное взаимодействие колеса и рельса в зоне стыка, повышенный износ элементов стыка, смятие концов рельсов и вызываемые всем этим повышенные расходы на текущее содержание пути; необходимость иметь многодетальную (накладки, болты, шайбы и пр.) периодически повторяющуюся (и чем меньше длина рельса, тем чаще повторяющую­ся) конструкцию стыка — все это и привело к стремлению не только сократить число стыков, увеличив длину рельсов, но и совсем ликвиди­ровать рельсовый стык.

^{и 2б° ,!}

Конструкция рельсового стыка: а — на весу; б — на сдвоенных шпалах

По расположению рельсовых опор (шпал, брусьев) в болтовых сты­ках относительно концов рельсов различают (рис. 2.20) стыки на весу, когда стык расположен в пролете между шпалами и расстояние между

ними достаточно для подбивки каждой из них с обеих сторон, и на сдво­енных шпалах, когда обе стыковые шпалы сближены до соприкоснове­ния и стянуты болтами.

В стыке на весу под нагрузкой колеса каждая накладка работает как балка, опирающаяся по концам на подошву рельса и нагруженная в сред­ней части нажатием на головки рельсов. Основное преимущество сты­ка на весу — его большая упругость и меньшее кантование стыковых шпал; недостаток -- более высокие напряжения в элементах стыка.

При стыке на сдвоенных шпалах работа накладок и рельсовых концов облегчена в сравнении с работой их при стыке на весу. Основное пре­имущество стыка на сдвоенных шпалах — меньший прогиб рельсовой нити и меньшие напряжения в элементах стыка, в первую очередь — в наклад­ках. Это преимущество используют при устройстве изолирующих сты­ков с металлическими накладками уменьшенного поперечного сечения; недостаток — сравнительно большая жесткость стыка и трудность вып­равки сдвоенных шпал. Стандартным стыком принят стык на весу с рас­стоянием между осями шпал 420 мм при рельсах Р75 и Р65 и 440 мм при рельсах Р50.

По относительному расположению стыков на одной и другой рель­совых нитях различают стыки по наугольнику, т.е. в одном створе по обе­им нитям, и вразбежку, когда стык на одной нити не находится против стыка на другой.

На сети отечественных дорог принято расположение стыков по на­угольнику, при котором обеспечивается достаточная плавность хода поездов, создаются лучшие условия для изоляции участков автоблоки­ровки, а также для укладки и снятия путевой решетки целыми звеньями механизированным способом при постройке и ремонтах железнодорож­ного пути.

Для компенсации изменений длин рельсов при колебаниях их тем­ператур между концами смежных рельсов устраивают стыковой рельсо­вый зазор. Конструктивный стыковой зазор составляет 21 мм.

Путевой балласт представляет собой слой минерального сыпучего материала (щебень, гравий, песок и др.), заполняющего пространство между нижней поверхностью рельсовых опор (шпал, брусьев и т.п.) и ос­новной площадкой земляного полотна железных дорог, за торцами рель­совых опор и между ними. Балластный слой, являющийся основанием для рельсовых опор, имеет следующее назначение:

• воспринимать давление от рельсовых опор и упруго передавать их на возможно большую поверхность основной площадки земляного по­лотна; оказывать достаточное сопротивление боковым и продольным смещениям шпал под воздействием поездной нагрузки;

• отводить поверхностные воды от путевой решетки и не допускать капиллярного подъема влаги из грунтов земляного полотна к рельсо­вым опорам;

• смягчать ударное воздействие подвижного состава на путь;

• создавать возможность выправки положения путевой решетки в пла­не и профиле

Срок службы балласта можно разделить на три периода. В началь­ный период относительной стабилизации балластного слоя происходит более интенсивное накопление остаточных деформаций пути. Суще­ственно снижает интенсивность накопления деформаций качественное уплотнение балласта в период производства работ по его ремонту (при ук­ладке пути). В результате такого уплотнения может быть достигнута пре­дельная плотность щебня 0,33—0,34. Обычно плотность щебня не превы­шает величин 0,36—0,40. Лучшими балластными материалами считают щебень из твердых ка­менных пород, щебень из валунов и гальки. Существенно уступают ему карьерный гравий и песок. На каждый из видов балласта утвержден Го­сударственный стандарт.

2.2 Устройство рельсовой колеи в прямых и криволинейных участках пути

Очертания рельсовых нитей в прямых участках пути определяются основными нормативами на устройство и содержание рельсовой колеи по направлению в плане, по ширине рельсовой колеи, положению рель­совых нитей по уровню, под уклонке рельсов.

Путь в плане должен соответствовать проектному положению, кото­рое нормируют и оценивают в зависимости от установленных на участ­ке скоростей движения поездов по разности смежных стрел изгиба рель­совых плетей, измеряемых от середины хорды длиной 20 м. Расстояние между внутренними рабочими гранями головок рельсов, измеренное в расчетной плоскости наиболее вероятных контактов головок рельсов с рабочими гранями гребней колес (на уровне 13 мм ниже поверхности катания головок рельсов), называют шириной рельсовой колеи. При ширине рель­совой колеи 1511 мм возможно заклинивание колесной пары. Поэтому ширина рельсовой колеи в прямых менее 1512 мм не допускается. В прямых участках пути колесные пары при вилянии периодически набегают то на одну, то на другую рельсовую нить. Процесс виляния колес подвижного состава сопровождается возникновением сил трения скольжения и сил воздействия гребней колес на рельсы при набегании. Силы трения относительно невелики. Силы бокового воздействия греб­ней на рельсы могут достигать величин 30—40 кН и более. Эти силы зависят от скорости набегания колес на рельсы при вилянии, которая будет тем больше, чем больше амплитуда виляния (чем больше зазор между гребнем колеса и рельсом). На участках сопряжения прямого участка пути с кривой, имеющих разные значения номинала ширины колеи, переход от одной ширины колеи к другой производят в пределах переходной кривой, а при отсут­ствии переходной кривой — на прямом участке пути. Верх головок обеих рельсовых нитей на прямых участках должен быть в одном уровне. Разрешается содержать путь по уровню с возвышением на 6 мм одной рельсовой нити над другой. Длина такого прямого участка не должна быть менее 200 м за исклю­чением прямых участков, расположенных между смежными кривыми одного направления, на которых возвышение одной нити над другой может быть и при длине прямой менее 200 м. При возвышении одной рельсовой нити на 6 мм экипаж немного наклонится и от этого наклона появится боковая сила, которая будет слегка прижимать колеса к пониженной рельсовой нити и затруднять их виляние. Поскольку пониженная рельсовая нить является рихтовочной, то прижимающееся к ней колесо будет двигаться плавнее. На двух путных линиях выше ставят бровочную рельсовую нить, что­бы рихтовочной стала более устойчивая между путная рельсовая нить. На однопутных линиях при проведении, как правило, очередного среднего ремонта меняют рихтовочную нить. Возвышение одной рельсовой нити над другой на прямом участке должно заканчиваться не ближе 25 м от начала возвышения в кривой, если повышенная нить на прямой совпадаете пониженной нитью в кри­вой. Если на прямом участке пути с возвышением одной нити над дру­гой нитью расположено мостовое полотно с ездой на балласте, то в пре­делах мостового полотна сохраняют это возвышение.

На мостах с ездой поверху с мостовыми брусьями возвышение до­пускается при длине моста не более 25 м. На мостах большей длины с мос­товыми брусьями, в тоннелях и на подходах к ним протяжением 25 м, а также на стрелочных переводах в прямых участках пути содержать по­вышение одной рельсовой нити над другой на 6 мм не разрешается. Номинальный уклон отвода по уровню от нормы 6 мм к нулевому по­ложению не должен превышать 1 %_o. Допускаемые отклонения от норм расположения рельсовых плетей по уровню составляют ±6 мм. Если, например, сначала левая рельсовая плеть выше правой на 6 мм, а затем правая рельсовая плеть выше левой на 6 мм, то минимальное расстояние между такими превышениями должно быть не менее 20 м. При меньшем расстоянии образуется перекос пути. К перекосам путы относят резкие изменения положения рельсовых плетей по уровню в разные стороны при расстоянии между вершинами пик 20 м и менее. При наличии перекоса возможно обезгруживание од­ного из колес вагона, что в сочетании с большими боковыми силами может привести к сходу подвижного состава. Перекосы особенно опасны в кривых участках пути, где передние колеса тележек идут с сильным боковым прижатием к упорной рельсо­вой нити, Перекосы тем опаснее, чем выше скорость движения. Для лучшего опирания колеса, основная поверхность катания кото­рого имеет уклон 1/20, рельсы также ставят с подуклонкой 1/20 по отно­шению к верхней постели шпал. Подуклонка рельсов создает лучшие ус­ловия опирания колес на рельсы, уменьшает прило­жения нагрузок и снижает пластические деформации головок рельсов. При деревянных шпалах подуклонка достигается укладкой рельсов на металлические клиновые подкладки, при железобетонных шпалах — наклоном опорной подрельсовой площадки шпалы. Подуклонка рельсов в прямых и в наружной нити кривых участков пути должна быть не менее 1/60 и не более 1/12, а внутренней рельсовой нити в кривых при возвы­шении наружного рельса более 85 мм — не менее 1/30 и не более 1/12.

Железнодорожный путь в кривых участках пути имеет следующие особенности: уширение колеи в кривых радиусом менее 350 м; возвы­шение наружного рельса над внутренним; переходные кривые; укоро­ченные рельсы на внутренних рельсовых нитях звеньевого пути; увели­ченные между путные расстояния при наличии двух и более путей. Эти особенности вызваны тем, что при движении экипажа в кривой появляются три вида горизонтальных поперечных сил:

• направляющая сила, возникающая при набегания гребня коле­са направляющей оси на рельсовую нить и вызывающая износ ре­борд и боковой износ рельсов;

• боковая сила, вызывающая горизонтальный изгиб и кручение рель­совых нитей, от воздействия которой в основном происходит измене­ние ширины колеи и динамическая разуклонка рельсов;

• рамная сила, которая передается от колесной пары на раму тележ­ки и определяет поперечную устойчивость путевой решетки. В кривых участках пути, начиная с определенного радиуса, прихо­дится уширять рельсовую колею, чтобы экипажи с длинной базой мог­ли в ней разместиться (вписаться). При постепенном увеличении скорости движения тележки под вли­янием центробежной силы ее «хвост» будет заносить наружу кривой. При этом внутреннее колесо задней оси будет отходить от внутренней нити до тех пор, пока наружное колесо не прижмется к наружной нити. Центр поворота тележки будет находиться посредине ее жесткой базы. При уменьшении ширины колеи по отношению к ширине колеи, необходимой для свободного вписывания внутреннее колесо задней оси будет давить на внутреннюю нить. Центр поворота при этом будет пере­мещаться от «хвоста» тележки к середине жесткой базы. Такое положе­ние называют стесненным (принудительным) вписыванием.

Таким образом, при движении в кривом участке мути тележки эки­пажа могут располагаться по трем основным схемам:

• свободная установка, когда тележки направляются первой осью по наружной рельсовой нити;

• хордовая установка, когда тележки направляются двумя осями по на­ружной рельсовой нити,

• перекосная установка, когда первая ось направляется по наруж­ной рельсовой нити, а вторая ось - по внутренней. Наиболее неблагоприятной считают перекосную установку тележ­ки, при которой возможно ее заклинивание. При дальнейшем уменьшении ширины колеи тележка займет поло­жение, которое называют заклинен­ным вписыванием. Заклиненное вписывание, недопустимое в условиях нормальной эксплуатации, увеличивает сопротивление движению по­езда и создает огромные усилия на рельсы.

На железной дороге РБ для колеи 1520 мм ус­тановлены номинальные размеры ширины рельсовой колеи, мм:

• прямые и кривые участки радиусом 350 м и более — 1520;

• кривые радиусом от 349 до 300 м — путь на деревянных шпалах — 1530; путь на железобетонных шпалах — 1520;

• кривые радиусом от 299 м и менее — 1535.

На участках железнодорожных линий и путях, где комплексная замена путевой решетки не проводилась, допускают на прямых и кривых участках пути радиусом более 650 м номинальный размер ширины колеи 1524 мм.

При этом на более крутых кривых ширину колеи при радиусах (в м) принимают (в мм):

• 650-450 м -1530;

• 449-350 м-1535;

• 349 м и менее — 1540.

Для ширины колеи 1520 мм предусматривается два вида допусков по ширине колеи в зависимости от скоростей движения поездов: +8, -4 мм при скоростях движения более 50 км/ч и +10, —4 мм при скоростях дви­жения 50 км/ч и менее. На участках сопряжения прямой с кривой, при сопряжении кривых, имеющих разные номинальные значения ширины колеи, переход от од­ной номинальной ширины колеи к другой осуществляют в пределах пе­реходной кривой с отводом 1 мм/м. По направлению в плане на кривых участках пути рельсовые нити не должны иметь резких изменений стрел изгиба.