ТРЕБОВАНИЯ К ЗЕРНОВОМУ СОСТАВУ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ЩЕБЕНОЧНОГО БАЛЛАСТА

АННОТАЦИЯ

Для увеличения ресурса работы балластного слоя требуется совершенствование существующих конструкций верхнего строения пути, чтобы обеспечить максимально возможную наработку тоннажа. Одним из важнейших свойств балласта, влияющих на его срок службы, является его гранулометрический состав. В статье приведен обзор требований разных стран мира к грансоставу щебня. Особое внимание уделено коэффициенту неоднородности и коэффициенту формы кривой гранулометрического состава.

ABSTRACT

To increase the service life of the ballast layer, it is necessary to improve the structures of the track superstructure in order to ensure the maximum possible tonnage. One of the most important properties of the ballast, affecting its service life, is its particle size distribution. The article provides the review of the requirements of different countries to the crushed stone grading. Particular attention is paid to the non-uniformity factor and the coefficient of the shape of the grading curve.

Ключевые слова: балласт, щебень, коэффициент неоднородности, коэффициент формы кривой гранулометрического состава, гранулометрический состав

Keywords: ballast, crushed stone, non-uniformity factor, coefficient of the shape of the grading curve, particle size distribution, grading

Настоящая статья (работа) опубликована (выполнена) при поддержке Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» инициативных научных работ, выполняемых студенческими научными коллективами.

Для увеличения ресурса работы балластного слоя требуется совершенствование существующих конструкций верхнего строения пути, чтобы обеспечить максимально возможную наработку тоннажа. Стабильность балластной призмы в период между работами капитального характера зависит от ее прочности и деформативности. Эти два важнейших параметра определяются множеством факторов, важнейшими из которых являются: минеральный состав щебеночного балласта, который определяет сопротивление щебню удару и истиранию, его зерновой состав, морозостойкость, загрязненность, засоренность и др.

О применимости щебня в качестве материала для использования в качестве балласта следует судить по его способности выполнять требуемые функции [4], [8]: содержание в зерновом составе щебня фракций размером менее 25 мм, менее 30 мм, менее 22,4 мм (при рассеве на квадратных ситах) 0,16 мм и т.д.; содержание зерен пластинчатой и игловатой форм, содержание дробленых зерен, содержание органических примесей для щебня из осадочных и метаморфических горных пород, содержание зерен слабых пород, сопротивляемость истиранию и удару, морозостойкость, средняя плотность зерен и т.д. и др. В дополнение к этому щебеночный балласт, уложенный в балластную призму железнодорожного пути, должен обладать достаточно высоким коэффициентом фильтрации для быстрого отвода поверхностных вод, достаточную пористость для накопления фракций, загрязняющих балласт, не препятствуя контакту частиц балласта. Для сравнительного анализа требований, предъявляемым к щебеночному балласту, применяемому на железных дорогах мира, рассмотрены национальные стандарты и стандарты организаций, применяемые как в Российской Федерации, так и зарубежных странах [1-12].

Гранулометрический (зерновой) состав является важнейшей характеристикой, как вновь применяемого, так и эксплуатируемого в пути щебеночного балласта, поскольку существует устойчивая корреляция зернового состава с его прочностными, деформационными и фильтрационными характеристиками. Обобщая результаты исследований по определению оптимального зернового состава щебеночного балласта в Российской Федерации, можно констатировать, что повышение содержания в щебне зерен с размерами свыше 70 мм и менее 40 мм (соответственно 31,5-56 мм – при квадратных ситах) ведет к нарушениям устойчивости пути в процессе его эксплуатации, что хорошо согласуется с результатами зарубежных ученых. Тем не менее возникает существенный вопрос градации зерен по фракциям внутри указанного диапазона. В этой связи в стандартах разных стран имеются различные категории, классы и номера зерновых составов щебня, применяемые для различных условий эксплуатации железнодорожных линий. Ключевым показателем для оценки зернового состава щебня является коэффициент неоднородности , определяемый по [2].

Yаибольшие прочностные и деформативные свойства у несвязных грунтов наблюдаются при их большей плотности (меньшей пористости), которая обеспечивается неоднородностью гранулометрического состава грунта, оцениваемой коэффициентом неоднородности. Следуя [2], балласт с коэффициентом неоднородности  более 3,0 позволяет обеспечить повышенную прочность балластной призмы и наименьшую ее деформативность под действием нагрузки от подвижного состава, благодаря более плотной упаковке частиц. Однако, такой балласт обладает меньшей пористостью, что может быстро приводить к исчерпанию его аккумулятивной способности, а это существенно снижает его фильтрационные свойства, соответственно приводит к переувлажнению и как следствие к ухудшению состояния пути.

Анализ зарубежных стандартов железнодорожных компаний, например Международного союза железных дорог, обращает внимание на важность дополнительного показателя, называемого коэффициентом формы кривой гранулометрического состава :

где ,  и  – диаметры частиц, меньше которых в щебне (грунте) содержится соответственно 60 %, 30 % и 10 % по массе частиц, мм.

Гранулометрический состав грунта считается с рационально подобранным если .

В таблице 1 приведена сравнительная характеристика рассмотренных фракционных составов щебня по основным показателям: показателю неоднородности гранулометрического состава , среднему размеру частиц , коэффициенту формы кривой гранулометрического состава, .

Таблица 1.

Сравнительный анализ однородности зерновых составов щебня

Показатели однородности и средних размеров фракций зерновых составов щебня, приведенные в таблице 1, показывают, что все гранулометрические составы характеризуют щебень как однородный несвязный грунт, при этом значение коэффициента неоднородности  на обеих границах колеблется от 1,27 до 2,05, и только у состава № 25 AREMA 2020 [3] его значение превышает 3,0. Это свидетельствует о более низкой пористости такого щебня в плотном теле, о более высокой степени его уплотняемости, а, следовательно, о меньшей его аккумулятивной способности и о более длительном сроке стабилизации балластного слоя.

Анализ [1] и стандартов зарубежных стран [3-12] в части зернового состава щебня для балластного слоя железнодорожного пути показывает наличие некоторых различий:

1. В отечественном ГОСТ 7392 – 2014 [1] зерновой состав щебня определяется как на круглых ситах (категории I и II), так и на квадратных ситах (категория «В»). Все рассмотренные зарубежные стандарты предусматривают определение фракционного состава щебня исключительно на квадратных ситах.

Таким образом, по однородности и среднему размеру зерен стандарты разных стран существенно друг от друга не отличаются, все зерновые составы щебня, применяемого на магистральных железных дорогах, являются однородными, а их средний размер зерна колеблется от 33,5 мм до 41,7 мм.

2. Наличие широкого спектра зерновых составов щебня в стандартах зарубежных стран для различных условий эксплуатации в отличие от [1]. В [1] установлено три категории щебня для балластного слоя железнодорожного пути, при этом в американском стандарте AREMA [3] и немецком [7]  выделяется как минимум шесть различающихся зерновых составов, в британском [5] – пять. Для высокоскоростного движения в немецком [7] и китайском [10] стандартах введены дополнительные категории соответственно категория «S» и «специальный сорт».

3. Действие национальных стандартов зарубежных стран распространяются и на повторно используемый (очищенный) щебень, в то время как [1] таких требований не содержит. В частности, немецкими нормами не допускается использование смеси из нового и повторно используемого щебня в качестве поставочного гранулометрического состава.

В соответствии с принципами выбора зерновых составов щебня в странах ЕС климат является основной причиной имеющихся различий в национальных стандартах. Поэтому стандарты ЕС рекомендуют разные фракционные составы в зависимости от климатических особенностей региона расположения железнодорожной линии. Также следует отметить, что на выбор зернового состава щебня влияют и условия эксплуатации железных дорог. В соответствии с нормами проектирования железных дорог в США щебень с зерновым составом № 25 AREMA  [3] применяется на малодеятельных путях, а на магистральных линиях в основном используется зерновой состав № 4А. Щебень специального зернового состава по [10] в Китае и категории «S» в Германии  используется преимущественно на высокоскоростных и скоростных линиях. На обычных железнодорожных путям в Германии преимущественно используют щебень категории D, а в Китае сорт № 1. Следует признать, что такой же дифференцированный подход применяется и в российских нормах проектирования.

Список литературы:

1. ГОСТ 7392-2014 Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2015. - 32 с.
2. ГОСТ 25100-2020 Грунты. Классификация. - М.: Стандартинформ, 2020. – 38 с.
3. AREMA 2020, Manual for Railway Engineering. Volume 1. Track. 2020. – 100 p.
4. AS 2758.7:2015 Aggregate and rock for engineering purposes Part 7: Railway ballast. Standard by Standards Australia, 2015. - 5 p.
5. BS EN 13450:2013 Aggregates for railway ballast. The British Standards Institution, 2013. - 38 p.
6. DBS 918 061 Technische Lieferbedingungen; Gleisschotter. Frankfurt-Main: DB-Standard, 2020. - 40 p .
7. DIN EN 13450-2013. Aggregates for railway ballast; German version EN 13450:2013, 2013. - 34 p.
8. NF EN 13450:2003 Aggregates for railway ballast, Paris: AFNOR, 2013. - 39 p.
9. PD 6682-8:2004. Aggregates. Aggregates for railway ballast. Guidance on the use of BS EN 13450, 2004. - 18 p.
10. TB/T 2140-2008 Railway Ballast. Chinese Standard, Ministry of Railways of the People's Republic of China, 2008. - 14 p.
11. UIC CODE 719 R Earthworks and track bed for railway lines, International Union of Railways, 2008. - 117 p.
12. UNE-EN 13450:2003 Áridos para balasto, Madrid: AENOR, 2003. - 38 p.