2.2. Расчет и проектирование противопучинного покрытия

На одном из двух пучинных участков пути необходимо запроектировать противопучинное покрытие.

Чаще для этого применяют покрытия из теплоизолирующих материалов (пенопласт, шлак). Такое покрытие расчетной толщины должно защитить пучинистый грунт под покрытием от сезонного промерзания. В связи с этим нельзя применять теплоизолирующие покрытия там, где пучины на пути вызваны наличием водоносного слоя (свободной грунтовой водой) под основной площадкой земляного полотна. Вода в этом слое в зимнее время находится под гидростатическим давлением и легко может через талый грунт сверху прорваться на поверхность и образовать наледь.

В курсовом проекте противопучинное покрытие проектируется с учетом заданного материала (пенопласт или шлак).

2.2.1. Проектирование пенопластового противопучинного покрытия

Характеристики пенопластов, применяемых для противопучинных покрытий, приведены в пособии [9]. Расчетную толщину слоя тепловой изоляции из пенопласта, при которой пучинистый грунт под ним не будет промерзать, можно определить по формуле, рекомендованной Техническими указаниями [7],

, (2.27)

где h_т – нормативная толщина слоя пенопласта, см, определяемая по графикам (рис. 2.11) в зависимости от ₁₀ – максимальной в десятилетнем периоде суммы градусосуток отрицательных температур и толщины слоя балласта  под пенопластом; _т – коэффициент теплопроводности пенопласта (0,04 ккал/мчС); _н – коэффициент надежности, принимаемый равным 1,2; W_об – нормативное водопоглощение по объему, принимается равным 0,5 % (0,005).

Возможные схемы укладки пенопластового покрытия показаны на рис. 2.12.

Толщину слоя балласта под пенопластом  определяют исходя из толщины h_бс существующей балластной призмы над пучинистым грунтом основной площадки, допустимой подъемки пути и с учетом расположения пенопласта ниже подошвы шпал не менее 0,4 м. В этом расчете толщину слоя пенопласта h_п ориентировочно можно принять 0,13÷0,15 м. Тогда величина  определится как

(2.28)

здесь 0,55 – минимальная необходимая толщина слоя балласта над пенопластом.

Рис. 2.11. Графики для определения нормативной толщины пенопласта h_т

Если  получится меньше 0,1 м, тогда можно использовать допустимую подъемку пути на участке укладки пенопласта и довести  до 0,10,2 м. В случае невозможности подъемки пути  доводится до указанной величины за счет срезки верхнего слоя пучинистого грунта. Срезку полезно делать на участках, где основная площадка поражена балластными корытами. Поверхности грунта после срезки придается поперечный уклон в полевую сторону, равный 0,04 (рис. 2.12, в).

При укладке пенопласта в комплексе с капитальным и средним ремонтами верхнего строения пути при использовании машин для глубокой очистки щебня последний размещают непосредственно на плиты пенопласта. Расчетная толщина слоя пенопласта должна быть увеличена на 1 см при см и на 2 см при см из-за вдавливания в него отдельных щебенок.

При выполнении работ со снятием рельсошпальной решетки поверх пенопласта укладывают защитный слой из песка, асбестовых отходов или щебня с размерами частиц 10–25 мм толщиной 0,1 м (см. рис. 2.12, б, в).

а

б

в

г

Рис. 2.12. Поперечные профили балластной призмы с устройством тепловой изоляции из пенопласта без защитного слоя (а и г), с защитным слоем (б и в) и со срезкой земляного полотна (в): 1 – слой пенопласта; 2 – подстилающий слой старого балласта; 3 – защитный слой

Ширина пенопластового покрытия В_о зависит от климатического района, характеризуемого многолетней средней суммой градусосуток отрицательных температур воздуха :

для I  ≤ 2000 С∙сут, В_о = 4,5 м, в = 0,9 м;

для II 2000 <  ≤ 2500 С∙сут, В_о = 5,0 м, в = 1,1 м;

для III 2500 <  ≤ 3000 С∙сут, В_о = 5,5 м, в = 1,4 м;

для IV  > 3000 Ссут, В_о = 6,0 м, в = 1,6 м.

Буквой «в» обозначен выступ краев пенопластового покрытия за концы шпал.

Теплоизоляционное покрытие укладывают в пределах участка с неравномерным пучением и прилегающих с обеих сторон участков с равномерным пучением длиной не более 5 м.

Наименьшая протяженность теплоизоляционного покрытия должна быть на участках со скоростями поездов V ≤ 100 км/ч равной 20 м и V > 100 км/ч – 25 м.

Для плавного увеличения глубины промерзания грунтов по концам покрытия устраивают сопряжения за счет уменьшения ширины и толщины слоя тепловой изоляции (рис. 2.13).

а

б

Рис. 2.13. Схема устройства сопряжения тепловой изоляции из пенопласта с балластом: а – план; б – продольный и поперечные разрезы

Длина сопряжения l_с зависит от расчетной величины равномерного пучения по концам теплоизоляционного покрытия и допустимого уклона отвода рельсовых нитей i_доп. Определяется l_с по формуле

(2.29)

(2.30)

где h_р – наблюденная величина равномерного пучения за пределами пучины (см. исходные данные); k – коэффициент увеличения равномерного пучения.

Значения k в зависимости от h_р:

hр, мм	10–20	30	40	50	более 50
k	1,5	1,3	1,2	1,1	1,0

Допустимый уклон отводов рельсовых нитей дополнительно к существующему на элементе профиля зависит от скорости движения поездов: i_доп = 0,001 при V ≤ 100 км/ч и i_доп = 0,0005 при V > 100 км/ч [7].

Сопряжение разбивают на одинаковые по длине элементы, количество которых равно числу слоев плит пенопласта в покрытии. На рис. 2.13 показано устройство сопряжения при трех слоях плит пенопласта.

При вырезке грунта ниже уровня основной площадки (см. рис. 2.12, в) по концам участка вырезки вдоль пути выполняют планировку грунта с уклоном 0,02.

2.2.2. Проектирование противопучинного покрытия из шлака

Противопучинные покрытия из шлака могут быть накладными, врезными и комбинированными. Обычно эти покрытия называют подушками.

Накладные шлаковые подушки применяют на участках пути, где допускается значительная подъемка пути, т. е. линия неэлектрифицированная, на участке нет мостов, тоннеля, пассажирской платформы и др. Накладная подушка размещается над старой балластной призмой (рис. 2.14).

Врезная подушка на всю ее толщину врезается в грунт ниже основной площадки (рис. 2.15). Применяют их на электрифицированных линиях, когда подъемка пути не допускается или допускается на малую величину (до 10 см) и при этом толщина слоя старого балласта h_бс не превышает проектную высоту балластной призмы h_б.

Комбинированная подушка из шлака (рис. 2.16) устраивается частично за счет вырезки грунта ниже основной площадки (а) и частично за счет допустимой подъемки пути (см. исходные данные, приложение) и превышения h_бс над h_б. Комбинированные подушки могут назначаться как на неэлектрифицированных, так и на электрифицированных линиях.

Рис. 2.14. Схема устройства накладной шлаковой подушки: 1 – старая балластная призма; 2 – новая балластная призма; 3 – шлаковая подушка; 4 – засыпка дренирующим грунтом; 5 – дренажная труба; 6 и 6 – границы сезонного промерзания соответственно до устройства подушки и после устройства; 7 – пучинистый грунт

Рис. 2.15. Схема устройства врезной шлаковой подушки: П_в – толщина врезной подушки; h_б – высота новой балластной призмы из щебня (1); 2 – врезная шлаковая подушка; 3 – дренаж мелкого заложения; 4 и 4 – границы сезонного промерзания соответственно до устройства подушки и после устройства; 5 – пучинистый грунт

Рис. 2.16. Схема устройства комбинированной шлаковой подушки толщиной П_к в выемке: а – глубина замены пучинистого грунта шлаком; б – высота подушки над основной площадкой; Z₁₀ – расчетная глубина сезонного промерзания от верха существующей балластной призмы; Z₁=Z_max – глубина сезонного промерзания от верха новой балластной призмы после устройства подушки; 1 – геотекстиль; 2 – варианты дренажа мелкого заложения; 3 – пучинистый грунт

Высота новой балластной призмы h_б зависит от класса пути и его конструкции (звеньевой на деревянных шпалах или бесстыковой на железобетонных шпалах).

Для пути 1÷3 классов звеньевой конструкции h_б = 0,35 + 0,15 = 0,5 м, бесстыковой конструкции h_б = 0,4 + 0,15 = 0,55 м. Балластную подушку под щебнем заменяет шлак.

Толщина накладной подушки из шлака при новой балластной призме из щебня (см. рис. 2.14) определяется по формуле

, (2.31)

где S – коэффициент, принимаемый для шлака равным 0,85; n – коэффициент, учитывающий конструкцию земляного полотна: для нулевых мест n = 1, для выемок глубиной более 1 м n = 0,95 и для насыпей высотой более 1 м n = 1,05; Z_max – глубина промерзания слоя балластных материалов за зимний сезон; m – коэффициент, учитывающий возможное увеличение глубины промерзания по сравнению с многолетними средними данными.

Коэффициент m для районов с сезонным промерзанием, где величина многолетней средней суммы градусосуток отрицательных температур воздуха  ≤ 2500 Ссут, определяется по формуле

(2.32)

где ₁₀ – максимальная в десятилетнем периоде сумма градусосуток отрицательных температур воздуха;  – принимается равной 2500 Ссут.

Для районов глубокого сезонного промерзания и вечной мерзлоты при ₁₀ > 2500 Ссут коэффициент принимают равным 1,0.

Величину Z_max определяют по графику 1 (рис. 2.17) в зависимости от величины ₁₀.

Если сумма П_н и h_б окажется больше допустимой подъемки пути П, то накладную подушку применять нельзя и необходимо проектировать комбинированную подушку.

Толщину врезной или комбинированной подушки из шлака (см. рис. 2.15 и 2.16) можно определить по формуле

. (2.33)

Здесь Z_max определяется по графику 2 (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Графики для определения глубины промерзания Z_max: 1 – для песчано-гравийной отсыпки; 2 – при шлаковой подушке (врезной или комбинированной)

По высоте комбинированную подушку можно представить как сумму двух величин

, (2.34)

где а – глубина врезки подушки в пучинистый грунт ниже основной площадки; б – возвышение подушки над основной площадкой

(2.35)