Средства диагностики земляного полотна

Земляное полотно воспринимает и распределяет нагрузки от подвижного состава на поверхность основания пути. После отсыпки и послойного уплотнения оно характеризуется определенной внутренней структурой, которая изменяется при эксплуатации и ремонтах. Структурные изменения вызывают изменение картины распределения передаваемых нагрузок, возникновение зон нестабильного состояния с концентрацией внутренних напряжений, которые могут спровоцировать остаточные деформации и даже разрушение элементов земляного полотна. Деформации земляного полотна приводят к появлению расстройств рельсовой колеи, прежде всего, возникают просадки. Для предупреждения отмеченных отрицательных последствий в путевом хозяйстве железных дорог проводится мониторинг состояния земляного полотна с использованием различных методов и технических средств диагностики.

Прежде всего, осуществляется прямой метод отбора проб грунта (кернов) путем бурения скважин на глубину до 25 м. Такими буровыми устройствами оснащаются комплексы для инженерно-геологического обследования земляного полотна на базе специально оборудованного вагона (ВИГО). Отбор проб позволяет точно определить геологическое строение полотна в локализованном месте, однако, это трудоемкий метод, связанный с нарушением литологической структуры.

Для глобального обследования массива земляного полотна широко используются методы и технические средства, позволяющие по косвенным признакам оценивать его литологическую структуру и даже при использовании ЭВМ составлять его визуальные модели в трехмерном виртуальном пространстве.

Плотность массива грунта исследуется сейсмическим методом по измерению скорости прохождения упругой волны от источника до сейсмодатчика. При таком методе возможны измерения только поверхностных слоев грунта в локализованных зонах. Массовые и оперативные исследования затруднены.

В практике мониторинга земляного полотна на всем протяжении пути активно используются георадары, реализующие радиолокационный метод оперативного исследования внутренней структуры балластной призмы и земляного полотна. Радиолокационный метод основан на изучении параметров коротких высокочастотных электромагнитных импульсов, образующихся в грунте с помощью высокочастотного генератора и принимаемых на его поверхности. По параметрам импульсов (скорость распространения V и коэффициент поглощения) определяют геологические характеристики среды: форму и глубину залегания отражающих частиц, вид и состояние грунтов.

Радиолокационный метод реализован в многоканальном георадарном комплексе ОКО-2 разработанном НПЦ «Геотех» (Москва), который может устанавливаться на компьютеризированных вагонах-лабораториях, дрезинах и тележках. Комплекс состоит из блока управления, который может работать с персональным компьютером типа Notebook, антенного блока и блока питания. Для исключения влияния внешних радиопомех антенный блок делается экранированным сверху и с боковых сторон («рупор»). Антенны позволяют излучать импульсные радиосигналы 400 МГц, 1000 МГц и 1700 МГц и принимать отраженные от объектов структуры земляного полотна (слоев грунта различной плотности и влажности) или от других объектов (трубопроводы, шпалы, куски рельсов и т.д.) внутри полотна. Антенные блоки меньшей частоты позволяют проводить обследования на большую глубину до 3 м, а при большей частоте обеспечивается более детальное исследование. Разрешающая способность до 3 см. Скорость движения транспортного средства до 120 км/ч при скорости сканирования до 300 трасс/с. Результаты измерений отражаются в виде радарограмм, позволяющих определять литологическую структуру вдоль пути под каждым антенным блоком.

Группой компаний СВЕМА разработана аналогичная автоматизированная система георадиолокации земляного полотна «ГЕОСКАНЕР», позволяющая при установке на транспортное средство производить георадиолокацию на глубину до 4 м со скоростью движения до 60 км/ч. Представление результатов исследований аналогично. Такой системой, например, оснащается диагностический комплекс «Интеграл».

На сети ОАО «РЖД» действует система регулярного контроля геометрического положения рельсовой колеи с помощью вагонов-путеизмерителй. Просадки пути под нагрузкой появляются вследствие деформаций балластной призмы и земляного полотна. Существует устойчивая корреляционная связь между этими деформациями. В МГУПС (ранее МИИТ) разработана методика оценки состояния земляного полотна по данным измерений вагона-путеизмерителя на основе анализа спектральной плотности просадок вдоль пути. В последние годы для диагностики деформативности земляного полотна разрабатывается метод оценки качества основания пути с помощью передвижных нагрузочных комплексов (ПНК). Метод основан на непрерывном вдоль пути измерении упругих осадок рельсов под заданной нагрузкой. В качестве показателя упругой осадки подрельсового основания пути принята линейная доля упругой осадки рельса Y_p, соответствующего осевой нагрузке 30 тс и полученная по разности осадок под двумя различными нагрузками:

, (11.21)

где Y ₁ и Y ₂ – осадки рельса при нагрузках на ось соответственно P ₁= 10 тс и Р ₂=30 тс.

Критериями для выделения участков служит показатель расчетной осадки под нагрузкой 30 тс/ось, определяемый по пикетно по формуле:

(11.22)

где Y _ср. – среднее значение; – значение СКО (среднее квадратичное отклонение) осадки в мм на длине пикета (100 м). Пороговые значения расчетной осадки для допустимых скоростей движения пассажирских поездов приведены в табл. 11.5.

Допустимые параметры осадки пути для различных скоростей движения пассажирских поездов. Таблица 11.5

В настоящее время на железных дорогах России в опытном порядке используются различные конструкции передвижных нагрузочных комплексов (НПК): – конструкции научно-производственной фирмы (НПФ) «Спецмаш» (Санкт-Петербург) под названием лаборатория инженерно-геологического обследования ЛИТО СМ-460, СПМ-18, СПМ-24; – конструкция отделения комплексных испытаний ВНИИЖТа. Принципиальное различие между двумя конструкциями НПК состоит в характере нагружения рельсовых нитей. В передвижном нагрузочном комплексе «Спецмаш» нагружение производится от специальной оси, а НПК ВНИИЖТа состоит из трех вагонов, имитирующих нагрузку от подвижного состава. Для исследования состояния земляного полотна используются специальные нагрузочные комплексы, в состав которых входит оборудование для создания вертикальной статической нагрузки на путь, измерения возникающих при этом упругих просадок и оборудование для записи и обработки результатов измерений на базе специализированного аппаратно-программного комплекса.

Например, нагрузочный комплекс НДК-10/30 (СМП-24) состоит из двух сцепленных восьмиосных вагонов (рис. 11.35). В средних частях вагонов расположены нагрузочные устройства, одно из которых рассчитано на усилие 10 тс, а другое – 30 тс. Нагрузочное устройство включает два колеса, контактирующих с правой и левой рельсовыми нитями. Колеса нагружаются независимо друг от друга. В зоне расположения колес опускается измерительная каретка с датчиками просадок рельсов, имеющая базу 6,4 м. Измерения усилий и просадок производятся при скорости движения комплекса 4-7 км/ч.

В соответствии с исследованиями ВНИИЖТ эти методы позволяют оценить состояние только верхней части подрельсового основания в рабочей зоне на глубине 3-4 м от уровня основной площадки. Для откосов насыпей и участков земляного полотна в сложных инженерно-геологических условиях следует использовать радиолокационный (до глубины 2-3 м) и сейсмический методы. Рациональные комплексы методов диагностики земляного полотна приведены в табл. 11.6.

В настоящее время формируется единая компьютеризированная система использования диагностических средств, позволяющая объективно оценивать состояние пути в совокупности всех факторов, влияющих на стабильность его параметров, прогнозировать их изменение, своевременно планировать проведение путевых работ.