Балласт: назначение, виды

На российских железных дорогах общего пользования с грунтовым земляным полотном (более 99 % протяжения пути) рельсошпальную решетку укладывают на специально создаваемое основание – балластную конструкцию (балласт).

Балласт – наполнитель, заполнитель, пригруз, примесь. Происходит от расширительного толкования морского термина – названия пригруза парусника для достижения надлежащей остойчивости под ветром при порожних рейсах; нид. ballast – грузовая масса, дословно «груз шаров». В начале ХХ столетия балластами называли заполнители бетона. Железнодорожный термин заимствован из фр. ballaster – покрывать путь балластом – отвечает первоначальному смыслу слова. Отсюда – «балластировка». Иное понимание назначения балласта – выполнение им функций подшпального слоя – отразилось в нем. Bettung (Bett – постель). Известны и примеры, когда определяющим признаком балласта послужил лишь его материал: чешск. sterk, польск. tluczen, сербо-хорв. туцаник – балласт и щебень. Болг. баластра – балласт, чакъл – щебень, балласт.

В начале железнодорожного строительства балласт рассматривали лишь как материал, заполняющий пространство между шпалой и основной площадкой земляного полотна (рис. 5.1).Впоследствии, с увеличением интенсивности движения поездов и ростом нагрузок на путь, постепенно менялось представление о его роли в обеспечении безопасного и бесперебойного движения поездов. Современные условия эксплуатации железнодорожного пути показывают, что технический уровень балластной конструкции определяет общее состояние железнодорожного пути, величины допускаемых скоростей движения поездов, сроки службы элементов верхнего строения (рельсов, скреплений, шпал), затраты на текущее содержание пути и всю систему ремонтов. В этой связи главной функцией балластной конструкции является обеспечение устойчивого положения рельсовой колеи при динамическом воздействии колес подвижного состава, воспринимающих большие нагрузки и проходящих по пути с высокими скоростями. Рис. 5.1. Работы по досыпке балластного слоя балластными материалами

Балластная конструкция – это тело призматического очертания в поперечном сечении и по длине (отсюда и название балластная призма), чье устойчивое положение под действием поездной нагрузки и природных факторов обеспечивается геометрическими размерами, а также качественными и количественными показателямиматериалов, используемых для ее отсыпки.

Часть балластной призмы, расположенная ниже уровня постели шпал, непосредственно выполняющая несущие и распределительные функции при передаче нагрузок на земляное полотно, носит название – балластный слой. Основные его функции заключаются в следующем:

· воспринимать давления от рельсовых опор и упруго передавать их на возможно большую поверхность основной площадки земляного полотна;

· участвовать в формировании оптимальной упругости подрельсового основания, особенно при железобетонных шпалах, и амортизировать в определенной мере удары подвижного состава из-за неровностей пути и неровностей на поверхности катания колес;

· оказывать достаточное сопротивление боковым и продольным смещениям шпал под воздействием поездной нагрузки, обеспечивая стабильное проектное положение рельсошпальной решетки в процессе ее эксплуатации;

· создавать возможность выправки положения рельсошпальной решетки в плане и профиле для компенсации неизбежных остаточных деформаций;

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

· иметь низкую электропроводность, обеспечивающую нормальную работу рельсовых цепей автоблокировки вне зависимости от погодных условий.

Балластная призма магистральных железных дорог преимущественно имеет двухслойное строение и помимо балластного (несущего) слоя включает также балластную подушку из песка, гравия и других материалов, которая отделяет этот слой в зоне передачи нагрузок от грунтовой поверхности основной площадки земляного полотна. Она (балластная подушка) предотвращает засорение балластного слоя грунтом земляного полотна и предохраняет грунт основной площадки от разжижения (весной), пересыхания и растрескивания (летом). Балластную подушку не устраивают на земляном полотне из скальных грунтов или отсыпанного из частиц крупных, среднезернистых песков. Если же подушка устраивается из гравия, толщину слоя щебня или асбеста уменьшают на 5 см без уменьшения общей толщины балластного слоя.

Конструкция двухслойной балластной призмы с песчаной подушкой является наиболее употребимой, но не единственной. На магистральных железных дорогах РФ имеют место однослойные и трехслойные конструкции балластной призмы.

Материал, из которого отсыпается балластная конструкция должен, прежде всего, иметь высокую несущую способность и при этом удовлетворять различные и порой достаточно противоречивые требования. Одновременно он должен быть:

· твердым и прочным, для того чтобы хорошо сопротивляться механическому износу и обеспечивать устойчивость пути, но в то же время достаточно упругим, обладающим необходимой амортизационной способностью, смягчающим удары колес подвижного состава о рельсы;

· достаточно крупным для обеспечения вертикальной устойчивости положения рельсошпальной решетки и одновременно мелким для образования ровной опорной поверхности под подошвами шпал и удобства работы с ним, чтобы наиболее качественно и наименее трудоемко выполнять выправочно-отделочные работы;

· иметь зерна формы, близкой к кубической, за счет чего улучшается износостойкость зерен и распределяющая способность призмы, однако это вызывает снижение ее общей несущей способности, и призма как бы «расползается» под нагрузкой;

· содержать зерна вытянутой формы (лещадные или игловатые), прошивающие и расклинивающие балластный слой (повышается устойчивость призмы), но зерна такой конфигурации имеют повышенную ломкость под нагрузкой, что приводит к увеличению количества и размеров осадок.

Для повышения коэффициентов внутреннего и внешнего трения частицы балласта должны иметь шероховатую поверхность, но при этом содержать минимальное количество загрязняющих пылевидных и глинистых частиц. Кроме того, материал не должен ухудшать своих качеств при многократном замораживании и оттаивании, не дробиться от воздействия механизмов и инструментов, не пылить и не раздуваться ветром при проходе поездов, прорастать травой, не размываться дождями и т. д. и быть дешевым.

По происхождению, размерам частиц, их форме и способам обработки балластные материалы, применяемые на магистральных железных дорогах общего пользования, разделяются на щебеночные, асбестовые, гравийные и песчано-гравийные. Последние применяются, если в основании земляного полотна просадочные и сжимаемые грунты. На линиях со скоростью движения более 140 км/ч регламентируется использование только щебеночного балласта. На малодеятельных дорогах можно еще встретить песчаный и ракушечный балласты.

На каждый из видов балласта утвержден государственный стандарт. Щебень изготовляют дроблением горных пород согласно ГОСТ 7392-2002 «Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути». В зависимости от вида исходной горной породы щебень изготовляют либо скальных пород, либо из валунов и гравия.

С 1982 г. введен ГОСТ 24580-81 «Балласт из отходов асбестового производства», утверждены технические указания по применению асбестового балласта для железнодорожного пути действующей сети железных дорог (ЦПТ-12). Вместе с этим в настоящее время по экологическим требованиям применение асбестового балласта не рекомендовано, и при ремонтах пути он должен заменяться на щебеночный.

С 1979 г. введен ГОСТ 7394-77 «Гравийный и гравийно-песчаный балласт для железнодорожного пути», который в зависимости от зернового состава предусматривает две разновидности балласта: гравийный и гравийно-песчаный. Эти балласты являются галечно-гравийно-песчаной смесью, образованной в результате естественного разрыхления горных пород.

В гравийном балласте зерна размером от 3 до 60 мм должны содержаться по массе от 40 до 80 %, зерна от 60 до 100 мм – не более 10 %, зерна менее 0,14 мм – не более 10 %. В гравийно-песчаном балласте зерна от 0,63 до 3 мм могут содержаться по массе до 100 %, зерна менее 0,14 мм – не более 16 %.

Лучшим из современных балластных материалов является щебеночный балласт. Щебень хорошо пропускает воду, не смерзается в зимнее время, оказывает в 1,5 раза большее сопротивление продольному сдвигу и допускает в 2 раза большее вертикальное давление по сравнению с песчаным балластом, превышает срок службы балласта из любого другого материала. Все основные направления сети железных дорог РФ имеют на главных путях щебеночный балласт. На рудовозных направлениях балластная конструкция из щебня вследствие повышенной в сравнении с другими балластными материалами межзерновой пустотностью достаточно быстро загрязняется различными сыпучими грузами (углем, торфом, рудой), просыпающимися на путь при перевозках. Это нарушает ее дренирующие свойства и, как следствие, ухудшается ее несущая способность.

Для снижения затрат труда на устранение расстройств балластного слоя и повышения его стабильности применяют обработку щебня вяжущими полимерными материалами. Для уменьшения засорения балласта и снижения потерь грузов в пути запрещена погрузка сыпучих грузов в вагоны с неисправным полом и дверями, погрузка угля с «шапкой», которая сдувается ветром и осыпается на путь. Применяется обработка сыпучих грузов в вагонах после погрузки специальными растворами, образующими прочную пленку, препятствующую выдуванию груза (рис. 5.2). При этом для восстановления равноупругих свойств балластной конструкции щебеночный балласт периодически очищают, а гравийный и песчаный – заменяют и пополняют. 5.2. Требования к щебеночным материалам
для балластного слоя железнодорожного пути

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), полученного из прочных магматических глубинных (граниты, габбро, диориты, сиениты) и излившихся (диабазы, базальты) пород (рис. 5.3). 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 железно­до­рожных 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, ведущих к образованию выплесков.

В соответствии со стандартом к щебню предъявляют требования по зерновому составу (включая ограничения по содер­жанию зерен пластинчатой и игловатой формы); содержанию частиц размером менее 0,16 мм; содержанию дробленых зерен (в щебне из валунов и гравия); прочности; содержанию зерен слабых пород; содержанию глины в комках; морозостойкости; электроизоляционным свойствам.

В зависимости от крупности зерен щебень подразделяют на две фракции с размерами зерен (25–60 мм; 5–25 мм). На действующих заводах при наличии мероприятий по переходу к выпуску стандартного щебня фракции 25–60 мм на период реконструкции допускается выпуск щебня фракции 25–70 мм. При этом количество зерен размером от 70 до 90 мм не должно превышать 5 % общей массы щебня. По всем остальным показателям зерновой состав фракции 25–70 мм должен соответствовать значениям, установленным для фракции от 25–60 мм.

На заводах, работающих на базе гравийно-валунныx месторож­дений с содержанием в горной массе крупных фракций, не обеспечивающих необходимое количество дробленных зерен в щебне, допускается с разрешения ЦП ОАО «РЖД» выпускать щебень с зернами размером 5–40 мм, при этом количество в таком щебне зерен размером 40–70 мм не должно превышать 5 % обшей массы щебня, а зерен размером менее 5 мм – не более 5 % обшей массы, в том числе частиц размером менее 0,16 мм – не более 2 % (рис. 5.4).

На железных дорогах общего пользования щебень фракции 25–60 мм и 25–70 мм предназначается для балластировки главных путей; щебень фракций 5–25 мм – для балластировки станционных и подъездных путей.

Щебень из валунов и гравия фракции от 25 до 60 мм должен со­держать дробленые зерна в количестве не менее 50 % по массе. Дроблеными считаются зерна, поверхность которых околота более чем наполовину. В щебне фракции от 5 до 40 мм дробленых зерен должно быть не менее 40 %, а фракции от 5 до 25 мм – не менее 35 %.

Прочность щебня характеризуется его истираемостью при ис­пытании в полочном барабане и сопротивлением удару при испытании на копре ПМ. В зависимости от показателей механической прочности щебень подразделяют на марки, указанные ниже. Для балластного слоя железнодорожного пути должен применяться щебень следующих марок по прочности: И1 (буква И – истираемость, 1 – квалификационная группа по истираемости, для И1 потеря массы при испытании не должна быть более 25 %) и
У 75 (буква У – удар, цифра – условная единица по копровым испытаниям сопротивления удару должна быть более 75).

Щебень не должен содержать зерен слабых пород в количестве более 5 % по массе (к слабым относятся породы с пределом проч­ности при сжатии в насыщенном водой состоянии до 20 МПа).

Щебень по морозостойкости выпускают марок F50, F100, F200. Показатели морозостойкости щебня данных марок должны соответствовать указанным в табл. 8 ГОСТ 8267.

В щебне не должно быть глины в комках, почвы растительного слоя, других органических и засоряющих примесей.

Результаты приемочного контроля и периодических испытаний приводят в документе о качестве, в котором указывают:

· наименование предприятия-изготовителя и его адрес;

· номер и дату выдачи документа;

· наименование получателя и его адрес;

· номера накладных и количество отгружаемого щебня;

· наименование горной породы;

· зерновой состав;

· содержание частиц размером менее 0,16 мм;

· содержание зерен слабых пород;

· содержание зерен пластинчатой и игловатой формы;

· прочностные характеристики щебня;

· марку по морозостойкости;

· наличие в щебне глины в комках и засоряющих примесей;

· удельную электрическую проводимость;

· суммарную удельную эффективную активность естественных радионуклидов;

· обозначение настоящего стандарта.

5.3. Конструкция балластной призмы

Конструкция балластной призмы, укладываемая на земляное полотно, одинакова на различных профилях пути (рис. 5.5) и определяется условиями эксплуатации железнодорожной линии или ее участка:

· объемом и характером пере­возимых грузов;

· количеством и назначением железнодорожных путей;

· наличием и характеристикой кривых участков пути;

· природными условиями, и должна соответствовать типовым поперечным профилям бал­ласт­ной призмы.

Основными ее конструктивны­ми элементами являются:

̶ ширина балластной призмы поверху;

̶ толщина балластного слоя;

̶ толщина подстилающего слоя;

̶ ширина плеча балластной призмы;

̶ крутизна откосов несущего и подстилающего слоев балластной призмы (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Основные размеры балластной призмы

Показатель	Типы верхнего строения пути
особо тяжелый	тяжелый	нормальный
Толщина балластного слоя под шпалой при двухслойной балластной призме и деревянных шпалах, см
Щебеночный или асбестовый слой
Подушка из песка
То же при железобетонных шпалах
Щебеночный или асбестовый слой
Подушка из песка
Ширина плеча балластной призмы, см
Крутизна откосов балластной призмы	1:1,5	1:1,5	1:1,5
Рекомендуемая ширина земляного полотна на прямых участках пути, м
на однопутных линиях	7,5	7,0	6,5
на двухпутных линиях	11,6	11,1	10,6

Примечания: При подушке из гравия толщину слоя щебня или асбеста можно умень­шать на 5 см за счет увеличения на этот размер толщины подушки.

Ширина плеча указана для случая применения шпал длиной 2,70 м; при шпалах другой длины (2,75 или 2,80 м) плечо уменьшается.

Размеры даны для плотного сложения балластных материалов. При укладке щебня вновь толщину его под шпалой следует увеличивать для компенсации осадки на 20 % проектной толщины при размерах частиц щебня 25–70 мм и на 15 % при размерах частиц 40–70 мм.

Ширину верхней части балластной призмы определяют из условия сохранения ее устойчивого положения и шпал в ней под действием поездных нагрузок. Ее размер устанавливается техническими условиями и на прямых однопутных участках при всех видах балласта должен быть не менее, м:

· на скоростных, особогрузонапряженных линиях
и линиях I и II категорий 3,85;

· на линиях III категории 3,65;

· на линиях IV категории 3,45.

На участках пути радиусом менее 600 м балластную призму уширяют с наружной стороны на 0,1м.

На двухпутных и многопутных участках ширину балластной призмы поверху увеличивают на ширину междупутья. Балластную призму третьего, а также третьего и четвертого путей устраивают отдельно от первого и второго путей. Все междупутья на станционных путях заполняют тем же щебнем, которым балластируют путь. Однако при расстоянии между осями смежных станционных путей более 6,5 м (а на подходах к станциям более 5 м) допускается устраивать балластный слой смежных путей раздельным.

Для того чтобы напряжения, возникающие в земляном полотне, от давления всей конструкции ВСП не превышали допустимые значения и во избежание пластических деформаций грунта основной площадки, приводящих к образованию углублений (балластных корыт или лож), необходима достаточная толщина балласта. Ее величина регламентируется строительными нормами и правилами и устанавливается для различных типов конструкций ВСП и вида материала, из которого изготовлено подрельсовое основание. Наименьшая толщина балластного слоя под шпалами на приемоотправочных путях станций принята 30 см, а на прочих станционных путях – 25 см. Во всех случаях при применении железобетонных шпал толщина слоя щебня устанавливается на 5 см больше, чем на деревянных. В том случае, если на железнодорожном пути устраивается двухслойная балластная призма, то общая толщина балласта под шпалой должна быть не менее суммы толщины балластной подушки (20 см) и соответствующей каждому классу пути толщине балласта под шпалой.

До 1964 г. в балластных призмах допускалась толщина щебеночного слоя до 25 см, а крутизна откосов – до 1:1,25.

На кривых участках пути толщину балластной призмы увеличивают с учетом возвышения наружного рельса при сохранении под внутренним рельсом балластного слоя толщиной, установленной для прямых участков.

На линиях скоростного движения пассажирских поездов путь должен укладываться на щебеночный балласт с размерами призмы не менее установленных для тяжелого типа верхнего строения пути, а при грузонапряженности свыше 50 млн. ткм/км в год ширина балластной призмы дополнительно увеличивается еще на 20 см, а толщина – на 5 см.

Для того чтобы обеспечить боковую устойчивость рельсошпальной решетки, принимают достаточно большие размеры плеч балластной призмы. Для всех видов балласта она одинакова и определяется только типом ВСП (от 45 до 25 см).

В кривых участках пути радиусом менее 600 м плечо балластной призмы с наружной стороны кривой принимается равным 35 см.

На участках бесстыкового пути ширина плеча должна быть не менее
40 см вне зависимости от класса пути.

Крутизна откосов балластной призмы при всех видах балласта должна быть 1:1,5, а песчаной подушки – 1:2 (рис. 5.6).

а

б

Рис. 5.6. Поперечный профиль двухслойной балластной призмы на щебёночном балласте и деревянных шпалах: a – однопутной; б –двухпутной линии; n – величина обочины земляного полотна; d – величина плеча балластной призмы; b – длина подрельсового основания; B – ширина основной площадки земляного полотна

Расстояние между заложением откоса призмы и балластной по­душки на уровне основной площадки земляного полотна составляет 15 см (табл. 5.2).Поверхность балластной призмы устраивается на 3 см ниже верхней постели деревянных шпал и находится в одном уровне с верхом средней части железобетонных шпал. Это делается для того, чтобы на линиях автоблокировки не допускать касания балласта о подошву рельсов и, таким образом, предотвращать утечку сигнального и тягового токов в балласт и землю. На линиях, не оборудованных автоблокировкой и неэлектрофицированных, щебень отсыпают в одном уровне с верхней постелью шпал.

Таблица 5.2

Размеры балластной призмы в зависимости от класса пути

Класс пути	Толщина балластного слоя под шпалой hш (в кривых под внутренней нитью), см	Толщина песчаной подушки a, см	Ширина плеча балластной призмы d, см	Крутизна откосов призмы m
1:2	35/40		40/45	1:1,5
	35/40		35/40	1:1,5
	25/30		25/35	1:1,5
			20/25	1:1,25/1:1,5

Примечание. В числителе – для деревянных шпал; в знаменателе – для железобетонных.

Для обеспечения стока поверхностных вод поверхность балластной призмы на прямых однопутных участках пути должна быть спланирована с уклоном i = 7¸8 ⁰/₀₀ от оси пути в стороны обочин. На двухпутных линиях такие же уклоны устраиваются от оси междупутья. Поверхность балластной призмы в кривых участках однопутных линий планируется с уклоном, соответствующим возвышению наружного рельса.

При новых профилях балластной призмы должна предусматриваться обочина земляного полотна шириной 50–60 см. Она должна располагаться не ниже 60 см от верха балластной призмы. Ее размеры на путях IV–VII категорий должны быть не менее 0,40 м, а на путях I–III категорий – не менее
0,50 м. Уменьшающаяся в процессе эксплуатации железнодорожного пути величина размеров обочины может нарушить условие безопасности пропуска поездов по участку железнодорожного пути. Это, а также изменения параметров конструкции балластной призмы, приведенные в табл. 5.2, являются критерием проведения ремонтных работ в объемах среднего ремонта пути.