Балластная призма
Балластная призма – элемент верхнего строения пути из балласта (минерального сыпучего материала), укладываемого на основную площадку земляного полотна; обеспечивает вертикальную и горизонтальную устойчивость пути при воздействии динамических нагрузок от подвижного состава и изменяющихся температур.
Общие сведения
От конструкции и качества балластного слоя зависят общее состояние ж.-д. пути, уровень допускаемых скоростей движения поездов, сроки службы всех элементов верхнего строения (рельсов, скреплений, шпал), затраты на текущее содержание пути и вся система его ремонтов. Балластный слой воспринимает давление от шпал (брусьев на стрелочных Переводах) и распределяет его практически равномерно на возможно большую площадь земляного полотна; обеспечивает стабильное проектное положение рельсошпальной решетки в процессе эксплуатации и возможность выправки пути в профиле и плане (путем подбивки, рихтовки балластного слоя) для компенсации неизбежных остаточных деформаций; отводит воду от балластной призмы и с основной площадки земляного полотна, препятствует переувлажнению и пересыханию верхнего слоя грунта полотна, потере им несущей способности (весной) и пучению (зимой); участвует в формировании оптимальной упругости подрельсового основания, особенно при железобетонных шпалах. Балласт должен быть твердым и прочным (износостойкость) и одновременно упругим (амортизационная способность), достаточно крупным (стабильность положения рельсошпальной решетки) и одновременно мелким (ровная опорная поверхность под шпалами); иметь зерна формы, близкой к кубической (увеличивается износостойкость зерен и распределяющая способность призмы, но одновременно снижается ее общая несущая способность – призма «расползается» под нагрузкой); содержать зерна вытянутой формы (лещадные или игловатые), прошивающие и расклинивающие балластный слой (повышается устойчивость призмы), но одновременно имеющие повышенную ломкость под нагрузкой (увеличиваются осадки); обладать низкой электропроводностью, обеспечивающей нормальную работу рельсовых цепей автоблокировки вне зависимости от погодных условий.
По происхождению, размерам частиц, их форме и способам обработки балластные материалы разделяются на щебеночные, асбестовые, гравийные и песчано-гравийные. Ранее применялись также песчаный и ракушечный балласты. Щебеночный балласт из природного камня получают дроблением горных пород до фракций 25-60 мм. Он может изготовляться из скальных пород (100% дробленых частиц), а также из валунов и гравия (не менее 50% дробленых зерен по массе). Лучшим из современных балластных материалов является щебеночный балласт, полученный из прочных магматических пород (граниты, габбро, диориты, сиениты – глубинные породы; диабазы, базальты – излившиеся породы). Щебеночная призма из такого балласта обладает долговечностью, высокой сопротивляемостью осадкам шпал и их смещениям в горизонтальной плоскости, хорошими дренирующими, упругими и электроизоляционными свойствами. В то же время применение на участках эксплуатируемых ж.-д. линий призмы из щебня низкого качества из слабых осадочных пород (известняки, доломиты, песчаники), особенно при железобетонных шпалах, неэффективно из-за быстрого износа и измельчения такого балласта, потери им дренирующих свойств, образования выплесков.
Классификация
Конструкция балластной призмы может быть:
- однослойная — сооружается из песка, галечно-гравийно-песчаной смеси или из асбестового балласта;
- двухслойная — состоит из песчаной или песчано-гравийной подушки, на которую укладывается щебёночный балласт;
- трёхслойная — асбестовый балласт поверх щебёночной призмы на песчаной подушке.
По конструкции различают балластные призмы: однослойные (из любых балластных материалов, кроме щебеночного), двухслойные (щебеночный и асбестовый балласты поверх песчаной или гравийно-песчаной подушки) и трехслойные (асбестовый балласт поверх щебеночной призмы на песчаной подушке). Балластная (обычно песчаная) подушка (рис. 3.48) предназначена для предотвращения засорения щебня грунтом основной площадки земляного полотна, а также для предохранения грунта от разжижения (весной), пересыхания и растрескивания (летом). Уклон (крутизна) откосов призмы не должен превышать 1:1,5, песчаной подушки – 1:2. При любой конструкции балластной призмы (независимо от числа слоев) суммарная толщина балласта под шпалой должна быть такой, чтобы напряжения, возникающие в земляном полотне, не превышали допустимые значения (во избежание пластических деформаций грунта основной площадки земляного полотна). Размеры балластной призмы установлены Строительными Нормами и Правилами. При двухслойной призме общая толщина балласта под шпалой должна быть не менее суммы толщины балластной подушки (20 см) и соответствующей каждому классу пути толщине балласта под шпалой; при трехслойной призме – толщина слоя асбестового балласта под шпалой во всех случаях не менее 20 см.
Использование
Однослойная балластная призма используется на станционных путях и путях с малой грузонапряжённостью, двухслойная — на линиях любой грузонапряжённости, трёхслойная — на линиях с большой грузонапряжённостью и на сильно засоряемых участках. Песчаная подушка позволяет экономить более дорогие балластные материалы, предотвращает засорение щебня грунтом земляного полотна, предохраняет грунт от разжижения и от пересыхания и растрескивания. При сооружении земляного полотна из скальных, крупноблочных и песчаных грунтов песчаная подушка не требуется.
Уклон откосов призмы должен быть не круче 1:1,5, а песчаной подушки 1:2. При укладке щебёночного балласта предусматривается запас на его осадку при уплотнении на 15—20 %, а асбестового балласта на 25—35 %. Поверхность балластной призмы на прямых участках планируют горизонтальной, а в кривых — в соответствии с возвышением наружного рельса.
Требования
Между поверхностью балластного слоя и подошвой рельсов оставляется зазор 30 мм, который необходим:
- для обеспечения нормальной работы рельсовых цепей;
- для предотвращения выхода рельсов из реборд подкладок в результате напрессовки льда и снега под подошвой, а также пучения в шпальных ящиках;
- для удобства выправки положения рельсов по высоте с помощью регулировочных прокладок в узлах скреплений.
В процессе эксплуатации балластная призма загрязняется по следующим причинам:
- в результате истирания материала балласта в процессе работы под поездной нагрузкой и при уплотнении пути подбивкой;
- в результате засорения и загрязнения частицами перевозимых грузов и пылью, приносимой ветром и водой.
Для щебёночного балласта засорителями считаются фракции 0,1—25 мм, а загрязнителями — фракции менее 0,1 мм. Засорители и загрязнители постепенно заполняют поровое пространство, в результате чего снижается несущая способность и сопротивляемость сдвигу балластной призмы, вызывая расстройство пути. Легкоподвижные, мелкосыпучие материалы (угольная и рудная пыль, металлические опилки тормозных колодок) загрязняют балластную призму до нижних слоёв, более крупные и менее сыпучие частицы заполняют поры верхних слоёв (до 100 мм ниже подошвы шпал).
Сроки и глубина очистки балласта планируется исходя из фактической загрязнённости, определяемой взятием проб. В качестве второго основного критерия назначения ремонта пути принимают количество шпал с выплесками на 1 км, которые не устранены при текущем содержании пути.
Асбестовый балласт
Асбестовый балласт представляет собой песчано-щебеночную смесь с небольшим содержанием волокон асбеста из отсевов дробления серпентинитов (необогащенные отходы асбестового производства концерна «Асбест»; Баженовское месторождение асбеста). В таком балласте благодаря волокнам асбеста после увлажнения и уплотнения между зернами горной породы образуются прочные структурные связи, а по поверхности балластной призмы -непроницаемая корка (для атмосферной воды и засорителей). Асбестовый балласт нельзя считать перспективным материалом для балластировки главных путей по следующим причинам:
- очистка и его повторное использование в пути (в отличие от щебня) невозможны, необходимы трудоемкие вырезка и вывозка загрязненной смеси;
- при большом количестве пылеватых частиц, а также при недостаточном содержании волокон асбеста и толщине под шпалой менее 20 см асбестовый балласт работает неудовлетворительно ;
- необходимость захоронения огромных объемов загрязненного асбестового балласта, отслужившего свой срок и вырезаемого из пути при капитальном ремонте с заменой щебнем, представляет серьезную экологическую проблему;
- санитарные нормы требуют, чтобы все виды работ с асбестовым балластом (погрузка-выгрузка, укладка в путь, подбивка) производились с обязательными мероприятиями, направленными на снижение его пыления, которые трудно и редко осуществимы на практике (между тем вдыхание мелких волокон асбеста опасно для здоровья людей).
Применение асбестового балласта на отечественных ж. д. ограничивается участками пути с интенсивным засорением сыпучими грузами, также в районе месторождения (Урал).
Гравийный и гравийно-песчаный балласт получают из природной песчано-гравийной смеси, образовавшейся в результате естественного разрушения горных пород; применяют на станционных, подъездных и соединительных путях, а также в качестве подушки под другие виды балласта (щебеночный, асбестовый). Содержание кварцевых зерен и зерен прочных горных пород в песчаной части балласта (фракции размером от 0,16 до 5 мм) должно составлять не менее 50% от массы этих фракций.