CZ2003790A3 - Způsob stabilizace částicových materiálů a struktura zahrnující štěrkové lože - Google Patents

Description

Způsob stabilizace částicových materiálů a struktura zahrnující štěrkové lože

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká způsobu stabilizace částicových materiálů a struktury zahrnující štěrkové lože.

Dosavadní stav techniky

Z množství návrhů dosavadního stavu techniky je známo modifikovat vlastnosti částicových technických struktur, jako je železniční štěrkové lože, pro například zlepšení stability prostřednictvím účinného držení kamenů pohromadě. Příklady jsou dokumenty EP-A-0,502,920 , EP-A-0641,407 a DE-A-394142, ve kterých jsou pro spojení částicových materiálů dohromady použity více-složkové systémy (MCS), jako jsou epoxidové a polyuretanové pryskyřice.

Technické chování částicových nosných struktur je modifikováno, když jsou použity MCS. Zejména se zvýší charakteristiky mechanické pevnosti a tuhosti. Navíc MCS rovněž modifikuje dynamické charakteristiky, přičemž mění vlastnosti, jako je poměrné tlumení a rychlost rázových vln (například tlakových, střihových a povrchových vln).

Při aplikaci více-složkového systému na částicové materiály je žádoucí zajistit, aby zpevněna a stabilizovaná struktura dosahovala přijatelné úrovně kvality vlastností během její životnosti. MCS je výhodně aplikován ve správné prostorové poloze a dolů do správné hloubky pro zajištění, že je dosaženo požadovaných zlepšení technického chování. MCS je rovněž výhodně chemicky sestaven tak, aby se zajistilo, že jeho požadované vlastnosti jsou správné pro určité použití s ···· ·· ···· · · · · · · ·· · · · * ·· · • · ····· * · · • ···· «·«· · ··· ·· · ···· ···· ·· ·· ··· ·· · · uvážením, například, tuhosti, pevnosti, viskozity, mezí únavy, akustického tlumení, teplotního rozsahu, biocidních a hygroskopických vlastností a doby vytvrzování. Každá určitá aplikace MCS bude pravděpodobně jiná, protože každé místo použití bude jiné s ohledem na geometrii, konstrukční podmínky povrchu a pod povrchem a další technické charakteristiky. Další příměsi mohou být požadovány pro MCS, aby se dosáhlo požadovaného chování a předvídatelnosti, jako jsou například plniva na bázi cementu nebo asfaltu.

Nesprávná aplikace MCS může vést na předčasné selhání modifikované struktury. Ve velmi závažných případech to může vést na neplánované odezvy a/nebo katastrofické selhání.

Cílem předkládaného vynálezu ke navrhnout způsob pro úpravu struktur na bázi částicových materiálů, který umožní dosažení výše zmiňovaných požadavků.

Podstata vynálezu

Podle vynálezu je tedy navržen způsob stabilizace částicových materiálů, který zahrnuje kroky:

a) prozkoumání povrchových a podpovrchových oblastí místa použití s užitím snímacího zařízení a kombinováním s jakýmikoliv dostupnými, existujícími údaji o místě;

	b)	analyzování takto získaných	výsledků	pro
stanovení
		i)	kde má být aplikován více	-složkový	systém
(MCS)	t	ii)	množství MCS, která mají být	použita;
		iii	) vlastnosti MCS; a
	c)	provedení selektivní aplikace MCS na strukturu
tak,	j ak	bylo	stanoveno analýzou.

Navíc způsob podle předkládaného vynálezu výhodně rovněž zahrnuje kroky:

analýzy požadovaných zátěžových vlastností, a analýzy struktury částicových materiálů na místě.

Předkládaný vynález rovněž navrhuje stabilizovanou strukturu štěrkového lože v železniční trati, vytvořenou uvedeným způsobem.

Způsob může zahrnovat další krok zvolení nebo vytvoření vhodného MCS potahového materiálu, například na bázi polyuretanu. Způsob podle vynálezu umožňuje úpravu předem a/nebo modulární vytvoření komponentů pro dosažení stabilizace částicových materiálů a okolních struktur.

MCS může být výhodně použit pro zvýšení vertikální a/nebo příčné konstrukční stability (například tuhosti a pevnosti) a musí být pečlivě řízen pro zajištění, že pnutí a síly dynamicky, přechodně nebo staticky jsou v daných mezích únavy nebo pevnosti struktury zpevněné s MCS při vzetí do úvahy daného faktoru bezpečnosti pro požadované cykly životnosti. Použití nevhodného MCS může vést na předčasné a/nebo nepředvídatelné selhání nebo nežádoucí zhoršení výkonu a chování zpevněné struktury.

Navíc MCS modifikuje statické a dynamické chování částicové struktury a tudíž úplnou nebo částečnou odezvu struktury.

Změna statického a dynamického chování je spojena s určitou variantou aplikovaného MCS a s prostorovým umístěním a vlastnostmi struktury (například u aplikace v železniční trati: koleje, pražce, výkop, násep nebo u silniční aplikace: dlažba, chodník, odvodnění, povrch silnice, podpovrchová oblast silnice, štěrkové lože, podklad lože, podklad vozovky, a tak dále) . Tato změna musí být předvídána a uvážena pro zajištění, že není škodlivá, pokud se týká statického a dynamického chování aplikovaných statických a přechodových zatížení.

Vytvoření MCS membrány nebo bariéry v důsledku nevhodného použití MCS může zabránit rozptylování nadměrných tlaků v pórech na povrchu a pod povrchem, což vede na selhání nebo nežádoucí výkon struktury. Před aplikováním MCS tudíž musí být brána v úvahu další konstrukční hlediska, zejména zda požadovaným cílem konstrukce je vytvoření nepropustné mezivrstvy pro zajištění dosažení požadovaných vlastností technického chování (například odvodňování, a podobně).

Při použití MCS pro stabilizaci a zpevnění rovněž musí být pečlivě řízeny oblasti mokrých míst (to jest oblasti náchylné k načerpávání kalů či bahna při zatížení). Navíc MCS vytváří změnu ve statickém a dynamickém interakčním chování a může vytvářet další problémy, což tedy musí být zhodnoceno.

Použití MCS na míru vede na dynamicky odlišně se chovající přirozené nebo vytvořené struktury, jako jsou geologické struktury nebo mostní konstrukce, což musí být zhodnoceno pro zajištění, že modifikované dynamické charakteristiky jsou vhodné. To má například zabránit vytváření přídavných vibrací vedoucích na zátěžové rázy nebo zpětné rázové vlny.

Částicové materiály, vyztužené a stabilizované způsobem podle předkládaného vynálezu, mohou být použity pro:

• · · ·

Dlouhodobou/krátkodobou namáhaných struktur (například oblasti v železniční trati);

stabilizaci nadměrně kaly čerpající a mokré

Vertikální, příčnou a podélnou stabilizaci (v železniční trati například u přechodnic, převýšení, přípojek, výhybek, křížení a hlavních drah, včetně vysokorychlostních drah), například pro omezení nutné údržby;

Stabilizaci částicových struktur v tunelech;

Stabilizaci zádržných stěn, svahů, pojezdových drah a přistávacích ploch;

Zpevnění mostních dílů, včetně zvýšení tuhosti částicových materiálů před a za mosty pro zabránění zátěžových rázů;

Zpevnění a stabilizaci pro zajištění, že jsou dodrženy přesné tolerance například v železničních systémech pro běžné, dvoupodlažní a vysokorychlostní vlaky a jiné typy vlaků;

Omezení pnutí v horních podložních vrstvách prostřednictvím vlastností zvýšené tuhosti a pevnosti MCS;

Omezení pnutí v horních podložních vrstvách zvýšením tuhosti částicového materiálu pro pomoc při zabránění vytváření místních kapes v horních podložních vrstvách;

Omezení trvalého poměrného prodloužení a opotřebení částicových materiálů, oddělování částicových materiálů (například vylamováním), omezením pohybu částicového materiálu a snížením výskytu narážejících částic.

• · · ·

Aplikaci MCS membrány materiálů s různou strukturou) (například v pro zabránění rozhraních infiltrace podloží štěrkového lože a horní podložní vrstvy;

Pomoc při zabránění hydraulické erozi povrchových a podpovrchových oblastí;

Umožnění zvýšení aplikovaných zatížení a rychlosti přechodových zatížení bez značného zvýšení údržby struktury, a umožnění snížení poškození struktury v důsledku aplikovaných zatížení;

Zabránění povrchových pohybů částicových materiálů v důsledku přechodných sil působení větru a v důsledku povrchových vln způsobených aplikovaným zatížením;

Omezení vytváření a přenosu okolního hluku;

Umožnění výkonného mytí zpevněných struktur pro udržení čistoty se sníženými náklady;

Zlepšení statického a dynamického chování struktury.

Některé příklady procedur pro stabilizaci štěrkového lože a příklady výsledných stabilizovaných struktur štěrkových loží v souladu s předkládaným vynálezem budou nyní pouze prostřednictvím příkladů popsány ve spojení s odkazy na připojené výkresy.

Přehled obrázků na výkresech

Obr.l znázorňuje schéma sestavy železniční trati, včetně štěrkového lože a horní podložní vrstvy, pro ilustraci obecných znaků trati, jsou označeny a použity v následujícím popisu;

Obr.2a a 2b znázorňují příčný respektive podélný (ve směru jízdy) pohled v řezu na první provedení struktury trati podle předkládaného vynálezu;

10b znázorňují

Obr. 3a a obr. 3b až obr. 10 a obr podobně j ako obr.

2a a obr. 2b příčné respektive podélné pohledy v řezu na další provedení struktury trati podle předkládaného vynálezu;

Obr.11 znázorňuje pohled ilustrující aplikaci štěrku s MCS na železniční lože;

Obr.12 znázorňuje podélný řez nainstalovanou mostní deskou; a

Obr.13 znázorňuje vývojový diagram pro způsob vyhodnocení, použitý v určitém případě.

Příklady provedení vynálezu

Schéma zjednodušené struktury trati je znázorněno na obr. 1. Taková struktura zahrnuje oddálené kolejnice 10, procházející rovnoběžně v průběžném směru trati, nesené na pražcích 11, které spočívají na štěrkové vrstvě 12 . Tato štěrková vrstva 12 je dále nesena vrstvou 13 podkladu, která spočívá na podloží 14. Podloží může zahrnovat jakýkoliv přirozený nebo technicky upravený terén, jako je násep, půdu výkopu, nebo mostní desku (mostovku). Na následujících výkresech jsou řezy vedeny příčně přes strukturu trati v rovině X-X na obr. _1 a podélně ve směrech jízdy v rovině Y-Y na obr. 1.

Obr. 2a a obr. 2b se týkají stabilizace výhybek, křížení a dalších podobných typů konstrukcí, které jsou často vystaveny příčným zatížením v důsledku setrvačných sil vlaků. Běžné metody stabilizace zahrnují přidání desek na konci pražce a/nebo vytvoření průběžného nosníku přiléhajícího k pražcům. Oba tyto postupy spoléhají na zvýšení pasivního odporu, ale často nefungují uspokojivě v důsledku progresivního plastického posouvání podkladového štěrku. Technikou, používanou pro překonání tohoto problému (například v této konstrukci) , je Crib Tie-back Method (CTbM). V této technice je kompozitní nosník 15 z polymerem napuštěného štěrku zkonstruován jako přiléhající k pražcům 11, aby pomohl zabránit pražcům 11 v příčném posouvání, jako předtím. Nosník 15 je ale nyní je nyní ale vázán pro vytvoření bednění nebo šalování s použitím kompozitních kotev 16 z polymerem napuštěného štěrku, které procházejí přes traú obecně mezi a pod pražci 11. Síla, požadovaná pro podržení kotev 16 bednění, je zajištěna hmotnostní vlaku. Tato technika tedy využívá vlastní hmotnost vlaku pro podržení nosníku 15 proti trvalému příčnému posunutí (vedle třecího odporu pod pražci 11). Šířka kotev může nebo nemusí vyplňovat celou šířku a/nebo hloubku plochy bednění v závislosti na velikosti požadované kotevní síly.

Směs polymeru je volena na základě požadovaných vlastností tuhosti a pevnosti kompozitního materiálu. Přesněji tedy mez pevnosti v tahu a mez pevnosti ve střihu polymeru jsou určovány jako součást konstrukčního procesu.

Obr. 3a a obr. 3b znázorňují strukturu pro stabilizování vertikálního posouvání pražců 11, kde pro vyřešení problémů, týkajících se slabých korun (plání) železničního či silničního spodku, nebo výhybkových oblastí vystaveným velkým vertikálním silám, je použita běžná • · · · « » · · · « ··«· ·· ·· konstrukce žebříkového typu. V této konstrukci je stabilizován pouze štěrk pod spodkem pražců, jak je znázorněno na obr. 3a a obr. 3b. Žebřík zahrnuje nosníky 17, 18 procházející podél stran štěrku, a množství příček 19, procházejících přes trať mezi nosníky 17, 18 a mezi pražci 11. Všechny nosníky 17, 18 a příčky 19 jsou pod úrovní pražců 11 a využívají celou hloubku štěrkové vrstvy 12 a jsou tvořeny prostřednictvím stabilizace polymerem. Žebříková konstrukce (stabilizace Typ 1) může být použita pouze tehdy, když je hloubka štěrkové vrstvy 12 postačující pro umožnění třecího zajištění nestabilizovaného štěrku pod pražci (to znamená, že vlastnosti tření nestabilizovaného štěrku jsou využity pro zajištění nestabilizovaného stěrku k přiléhajícímu bedněním stabilizovanému/zpevněnému štěrku). V oblastech se slabou korunou spodku jsou vlastnosti polymeru (například tuhost polymeru) konstruovány pro zajištění, že nad slabou oblastí je zkonstruován účinný základ stabilizovaného štěrku polštářového typu. Pokud je tuhost polymeru dostatečně velká, pak se dosáhne rovnoměrnějšího rozložení pnutí na přechodu s podkladem. Pro výhybky, vyžadující značnou údržbu, jsou vlastnosti polymeru voleny pro zajištění, že velké vertikální síly jsou účinněji rozloženy pod výhybkou, ale stále jsou zachovány dobré tlumící vlastnosti kompozitního materiálu.

Obr. 4a a obr. 4b znázorňují konstrukci stabilizace Typ 2 pro oblasti se slabou korunou a oblasti výhybek vyžadujících značnou údržbu, ve kterých hloubka štěrku není postačující pro zajištění, aby nestabilizovaný štěrk pod pražci byl zajištěn k bedněním stabilizovanému štěrku, (nebo když jsou vertikální síly příliš velké) . Je tudíž možné «

• ·· · ii tit 4« posouvání a pronikání štěrku pod pražci do koruny. Zvednutí pražce pro stabilizaci štěrku přímo pod pražcem je možné (to by ale vyžadovalo samostatnou konstrukci), ale často nežádoucí, protože to má nepříznivý vliv na vyrovnání trati. V této konstrukci jsou do pražců 11 v různých místech vyvrtány otvory 20 pro umožnění nalití/vstřikování polymeru do vespod ležícího štěrku a pro úplnou/částečnou stabilizaci tohoto štěrku, jak je znázorněno na obr. 4a a obr. 4b, vytvořením navíc k žebříkové konstrukci podle obr. 3a a obr. 3b, zahrnující rovnoběžné boční nosníky 17, 18 a příčky 19 pod a mezi pražci 11, množství kotevních pilířů 21 pod pražci.

V konstrukci podle obr. 5a a obr. 5b pro stabilizaci mokrých oblastí se předpokládá, že štěrková vrstva 13 podkladu je značně znečištěna v důsledku infiltrace podloží (čerpání kalů) a štěrk musí být vyměněn před úpravou polymerem. Vyměněný štěrk ve štěrkové vrstvě 12 je potom stabilizován s použitím polymeru za vytvoření stabilizované vrstvy 22 . Polymer je rovněž zkonstruován pro umožnění vytvoření jímky na rozhraní štěrkové vrstvy a vrstvy podkladu, vytvořením integrální polymerní membrány 23. Tato membrána zastavuje infiltraci podloží, ale měla by být použita pouze tehdy, když je možná velká důvěra ve spolehlivou funkci odvodňovací vrstvy. Hloubka stabilizovaného štěrku (od rozhraní štěrkové vrstvy a vrstvy podkladu) může být až ke spodku pražců, pokud to lze považovat za vhodné, ale je znázorněna vrstva 12 nestabilizovaného štěrku.

Obr. 6a a obr. 6b znázorňují konstrukci, ve které je polymer použit pro zajištění, aby příčné stranové tolerance

44·· *· ···4

94 4 * « « * * · · · ·*>»·» ·> · • 4 4 4« · · 4 * « > ·· «4 · 4 * · »

444· »· 44 444 44 44 trati byly ve specifikovaných limitech. Například, by tato konstrukce mohla být použita pro zajištění, že vůle trati v tunelech a na traťových nástupištích jsou v mezích správných limitů. Hloubka aplikace polymeru je obecně nastavena od povrchu horní úrovně pražce pod spodek pražce, jak je znázorněno na obr. 6a a obr. 6b. Obecně není nezbytné stabilizovat všechny z oblastí bednění, což je ale závislé na úrovních požadovaného zatížení a životnosti. Tuhost polymeru je obvykle nastavena dostatečně velká pro zajištění, že tuhost kompozitního materiálu zůstane vysoká (což zajišťuje malé posouvání kompozitního materiálu). Jak je znázorněno v této konstrukci jsou vytvořeny boční nosníky 24 ze stabilizovaného štěrku až k hornímu povrchu pražců a příčné nosníky 25 mezi střídavými dvojicemi pražců 11.

Jak je znázorněno na obr. 7a a obr. 7b, je polymer použit pro vytvoření kontinuálního, stabilizovaného koberce 26 na povrchu štěrku kolem pražců 11. Účelem tohoto koberce 26 je stabilizování pouze povrchu štěrku (ačkoliv hloubka koberce může zasahovat pod pražce, pokud je požadován vysoký stupeň stabilizace).

Koberec 26 je použit pro stabilizaci štěrku pro silám větru, vytvářeného vlakem, ztrátám kompaktnosti v důsledku vibrací štěrku a dalším problémům s poškozováním, jako je například vandalismus. Pro řešení problémů s vibracemi je tuhost polymeru obecně nastavena jako nízká pro zvýšení tlumících vlastností polymeru. Vibrace mohou pocházet z mnoha zdrojů, včetně vln v půdě, vytvářených vysokorychlostními vlaky (tyto vibrace mohou být velké na strukturách náspů nebo v železniční trati nad slabými základy nebo nadměrnými • ·

vibracemi jiných struktur trati, jako jsou mostní desky vibrující na svých charakteristických frekvencích.

Obr. 8a a obr. 8B znázorňují provedení pro stabilizování cyklického svršku. Problémy s cyklickým svrškem obecně pocházejí z problémů se špatným vyrovnáním trati nebo z dynamického pohybu lokomotivy a/nebo vagónů. Například oblast s mokrými místy může vytvářet oscilace v systému zavěšení vlaku, které způsobují pohyb sinusového typu, čímž vznikají změny v dynamických silách na kolej po délce trati. Tento sinusový pohyb způsobuje trvalé posunutí štěrku v daných vlnových délkách. Cyklický svršek může rovněž pocházet z problémů například s nerovnoměrným podkladem či podložím. Konstrukce pro tento typ problému je založena na vytvoření dvou průběžných nosníků 27, 28 z kompozitního materiálu polymeru a štěrku, které obklopují příslušnou oblast. Tyto nosníky mohou být kontinuální (jak je znázorněno na obr. 8) nebo mohou využívat mechanismu zajištění štěrku, zahrnující příčné nosníky 29 po pražci, jak je popsáno v Příkladech 2 & 3 dále. Na přímé trati nemusí být příčná posunutí významná a tudíž je v určitých místech bednění pouze potřebná stabilizace štěrku v bednění (například každé třetí nebo čtvrté bednění).

Účelem těchto stabilizací bednění je zajistit, aby nosníky 27 a 28 zůstaly příčně propojené. Protože tento typ stabilizace je obecně pro dlouhé délky trati, jsou vlastnosti polymeru voleny na základě měnících se vlastností koruny. Například může být při určování tuhostí polymeru jako konstrukční kritérium zvolena jednotná hodnota modulu trati.

Nakonec obr. 9a a obr. 9b znázorňují uspořádání stabilizovaného štěrku pro stabilizací zatáček a zakřivení na • · • · · ·

2a a obr. 2b pro trati, nemusí být železničního spodku na násoech). V těchto • · · ·

náspech. Konstrukce, navržená na obr zvýšení příčné stability železniční postačující (obecně je pasivní odpor menší než u trati, která není situována situacích může být pro zvýšení příčné stability požadován štěrkový klín 30 . Tento štěrkový klín 30 (nebo klíny) zasahuje za obvyklou hloubku stabilizace a je použit pro zvýšení pasivního odporu stabilizované trati, jak je znázorněna na obr. 9a a obr. 9b. Štěrkové klíny mohou být vytvořeny ze stabilizovaného štěrku, jak je znázorněno na obr. 9a a obr. 9b, nebo mohou být vytvořeny z jiného typu materiálu, který může být použit pro zajištění přídavné kotevní síly (jako jsou ocelové hřebíky do země). Vlastnosti polymeru jsou voleny na základě kritérií diskutovaných v Příkladu 1. Celá horní část 31 štěrku, definující sklon zatáčky, je stabilizována prostřednictvím přidání polymeru. Štěrkové klíny 30 procházejí podélně s tratí pod kolejemi.

Stabilizované nosníky 31 mohou být použity po obou stranách pražců 11 pro odolání vlakům, které jsou jak rychlejší tak i pomalejší, než konstrukční rychlost zakřivení trati. Úplné stabilizace náspu může být dosaženo (snad pro slabé náspy) prostřednictvím použití techniky přibíjení hřebíků do země pro zvýšení pevnosti a tuhosti v kombinaci s technikou stabilizace polymerem pro zvýšení příčné (a vertikální, pokud je to potřebné) stability trati.

Obr. 10a a obr. 10b znázorňují uspořádání pro omezení údržby štěrkového lože na hlavní trati. Je obecně akceptováno, že při konstruování nové železniční trati může být údržba trati omezena prostřednictvím zajištění, že povrch podloží (horní podložní vrstva - pláň) je tvarován tak, že je • · • · · · rovnoběžný s kolejemi. To pomáhá zabránit problémům, jako je s pamětí štěrku, při kterých povrch štěrku (to jest na úrovni pražců) zaujímá stejný tvar, jako má nerovný povrch podloží. Při konstruování nové dráhy v okamžiku pokládání štěrku na trať. může být aplikován polymer pro zajištění, že daná štěrková vrstva 32 zůstane rovnoběžná s kolejemi. Tato štěrková vrstva 32 je aplikována ve specifické úrovni a ve specifickém rozsahu uvnitř štěrku v závislosti na požadované konstrukci a životnosti, jak je znázorněno na obr. 10a a obr. 10b. Tento typ přístupu pomáhá při zabránění vytváření kapes ve štěrku a tudíž snižuje pravděpodobnost nepravidelností v trati.

Při vylepšování existující trati může být rovněž použita stejná technika pro zlepšení životnosti vylepšené trati pro rovná/nerovná podloží. Během procesu čištění/obnovování štěrku může být aplikován polymer způsobem podobným jako bylo popsáno pro novou trať. Polymer je opět použit pro vytvoření nižší vrstvy kompozitního štěrkového materiálu, která je rovnoběžná s kolejemi. Konstrukce bude založena (například) na stabilizování štěrku od jeho středového bodu dolů k rozhraní nerovného štěrkového podkladu/podloží. Nestabilizování horní vrstvy štěrku umožňuje obvyklé operace pěchování. Jako u konstruování nové trati, budou vlastnosti polymeru a zatížení přizpůsobeny podloží a úrovni požadovaného zatížení prostřednictvím konstrukčních kritérií, jako je hodnota modulu trati. Obr. 11 znázorňuje typickou aplikaci polymeru pro vytvoření kompozitní nižší povrchové štěrkové vrstvy 32 během operace čištění štěrku s nerovnou podkladovou štěrkovou vrstvou a/nebo vrstvou podloží. Protože tato technika bude využívána • · · · pro dlouhé délky trati, vlastnosti polymerů se budou muset měnit pro přizpůsobení se měnícím se vlastnostem trati. Je tudíž pravděpodobné, že budou požadovány techniky, jako je zem pronikající radarový průzkum, pro zkoumání profilu podloží. Dělený násypný pokladač 33 štěrku je použit pro položení první vrstvy štěrku před nanášecí tryskou 34 a potom další vrstvy 12 neošetřeného štěrku nad vrstvou 32 stabilizovaného štěrku 32.

Navržená technika stabilizace polymerem může být použita pro vytvoření přechodových zón pro umožnění jednotnější změny modulu trati při náhlých změnách tuhosti trati. Například může být kompozitní materiál polymeru a štěrku použit pro vytvoření přechodové zóny ze struktury relativně slabého náspu na tuhou betonovou mostní desku. Tato konstrukce bude zahrnovat prostorové umístění polymeru, například na míru vytvořenou stabilizaci v nižší úrovni, vedoucí až k mostu, v kombinaci s požadovanými změnami ve vlastnostech polymeru. Změnou celkových vlastností stabilizovaného štěrku může být dosaženo změn střihových vln štěrku a rychlostí trati pro modifikování dynamických charakteristik trati. Účelem přechodové zóny je pomoc při omezování problémů, jako jsou vlakové rázy, které vznikají z náhlých změn v tuhosti trati. Složité obrazce vzájemných interferencí, vytvářené, když se vlak blíží k pevné struktuře, v důsledku zemních vln v trati, mohou zvýšit potřebou údržbu štěrku. Navržená úprava pro stabilizování štěrku může v těchto oblastech omezit požadované nároky na údržbu. Příklad betonové mostní desky, stabilizované štěrkem před a za ní, je znázorněn na obr. 12. V tomto příkladu konstrukce se tuhost polymeru a prostorové umístění zvětšuje, jak se železniční trať blíží k mostní desce (a obráceně směrem od mostu), pro umožnění hladšího přechodu z náspu na most. Na mostní desce je tuhost polymeru snížena a jeho tlumící vlastnosti jsou zvýšeny pro omezení problémů s vibracemi (s opotřebením štěrku). V těchto konstrukcích může být žádoucí začlenit pryžové desky, nebo jiné typy systémů absorbujících energii, pod pražec, aby se umožnilo pružnější uložení pražce, pokud je to považováno za vhodné. Mostní deska 35 je pokryta plnou vrstvou 36 stabilizovaného štěrku, která je šikmá u každé strany desky, zatímco na každé straně mostu je vytvořena částečná vrstva 37 stabilizovaného štěrku, vedoucí k a od šikmých konců vrstev 36.

Přechodové zóny mohou být vytvořeny bud' zvětšováním sklonu stabilizovaného štěrku, jako na obr. 12, nebo prostřednictvím využití stupňového uspořádání.

Příkladem aplikace způsobu podle vynálezu, ilustrovaným vývojovým diagramem na obr. 12, je stabilizování řady výhybek, přes které pravidelně přejíždí vlak se zatížením náprav 25 T a s rychlostí 110 mph. Tento úsek trati je zatěžován 35 miliony hrubých tun (MGT) a výhybky jsou užívány pro odklánění nákladních vlaků na odbočku k seřazovacímu nádraží. Příčné (boční) posunutí kolejí ve výhybkách (situovaných na štěrkové trati), měřené prostřednictvím on-line zapojených nástrojů na vlaku, je řádově 15 až 25 mm v závislosti na aktuální hmotnosti nápravy a rychlosti při okamžitém zatížení. Údržba výhybek se obvykle provádí v 6 až 8 měsíčních intervalech (často jsou výhybky opětovně vyrovnávány). Průzkum na místě odhalil, že štěrk je typu doleritového čediče s hodnotou D_so 28 mm. Hloubka štěrku je mezi 300 až 400 mm s podkladovou štěrkovou vrstvou mezi • · « · · ·

120 až 150 mm, překrývající podloží z jílovité zeminy, v mírné prohlubni. Údaje CBR a údaje kuželového penetrometru při prozkoumávání podloží naznačily hodnoty tuhosti v rozmezí 100 až 120 MPa. Poissonova konstanta pro tento typ materiálu je 0,4 s koeficienty pevnosti ve střihu c' - 4 kPa a Φ' = 29°. Údaje hustoty, měřené na místě, naznačují jednotkovou sypnou hmotnost kolem 18 kN/m³. Povrchové vrstvení podloží je známé, takže nebylo považováno za potřebné užít radarová měření pronikající zemí.

Rychlost střihových vln v podloží je vypočítána na hodnotě přibližně 150 m/s. Při 110 mph je maximální rychlost vlaku 49 m/s. Vytvoření transeismického stavu se tudíž neočekává při současných rychlostech vlaku (rychlost vlaku je menší než 60 % rychlosti zemní střihové vlny) . Kritické rychlosti trati jsou rovněž mimo současné limity rychlostí vlaku. Tento příklad se tudíž primárně soustředí na statickou analýzu vlaku.

Hodnoty tuhosti pro štěrkovou a podkladovou štěrkovou vrstvu jsou kolem 200 MPa respektive 120 MPa s čistě třecími pevnostmi o hodnotě Φ +46° respektive Φ' +38°. Pórovitost štěrku je kolem 0,72 s jednotkovou hmotností 16 kN/m³. Kolejnice (E-210 GPa, p = 7850 kg/m³) a podložky kolejnic (E-200 MN/m) jsou standardní britské prvky s deskovými upevňovacími prostředky se šrouby na dřevěných pražcích s délkou 2,6 m, hloubkou 0,14 m a šířkou 0,2 6 m. Průměrná vzdálenost mezi pražci je 0,38 m. Nejsou zjevné žádné znaky načerpávání kalů, a vytváření mokrých míst na tomto daném místě není považováno za významné. To je potvrzeno prozkoumáním dobře udržovaného odvodnění trati. Znečištění štěrku, způsobené přetíženým štěrkem, je zjevné. To vyplynulo z vytváření velkých příčných sil, jak jsou nákladní vlaky odkláněny na odbočku. Výpočty očekávaných vertikálních a příčných sil vlaků (s použitím standardních procedur, například procedur doporučených v příručkách asociace britských a amerických železničních konstruktérů (AREA)) vedou na faktor dynamického zesílení 1,5 až 2x statických zatížení náprav vertikálně při rychlosti 100 až 110 mph a l,2x statických zatížení náprav horizontálně při odbočování při rychlosti 15 mph. Tyto hodnoty jsou použity v kombinaci s parametry materiálu, zjištěnými zkoumáním na místě, jako vstup do statického matematického modelu na bázi metody konečných prvků.

Statický matematický model, použitý v programu konečných prvků DIANA, který je obecně dosažitelný a reprezentuje aktuální stav techniky, pokud se týká komerčně dostupných programů pro výpočty metodou konečných prvků. Použitá 3-rozměrná síú konečných prvků zahrnuje 2100 prvků následujících typů: 3-uzlové nosníkové prvky třídy III a 20-uzlové izoparametrické cihlové prvky. Je použito schéma plné integrace a krajní podmínky jsou hladké ve vhodných vertikálních směrech a pevné u základny. Síú je rozdělena do několika vrstev pro simulaci různých hloubek štěrku, štěrkového podkladu a položí. Modifikování vlastností štěrkového materiálu, jak je to vhodné s jejich prostorovým rozložením, simuluje změny v hustotách štěrku. Předpokládá se, že kolejnice, upevňovací prvky a pražce se chovají elasticky. Předpokládá se, že štěrk, štěrkový podklad a podloží se chovají nelineárně a jsou modelovány s využitím elasto-plastického Mohr-Coulombova stavového půdního modelu s využitím neasociativního pravidla plastického toku.

• · *· ···· « · « • · ····· · · * ···# ···· · • ·· ·· · ···· ······ «·«·· · · ··

Předpokládají se dilatace materiálu pro štěrk a štěrkový podklad na základě třetích úhlů kritického stavu pro dva materiály.

Uspořádání lokomotiv pro stanovení případů zatížení vlaků zahrnují: Class 87 (například průměr kol = 1,150 m, vzdálenost středů kol 3,28 m, délka podvozku 9,97 m, hmotnost nápravy 202 T + 2 T neodpruženo) , Class 86/4 a Class 253/254 HST. Příklady zatížení nákladních vagónů zahrnují 100 tunový GLW cisternový (nádržkový) vagón Class B (například průměr kol = 0,95 m, vzdálenost středů kol = 2,0 m, délka podvozku = 13 m, hmotnost nápravy = 25 T). Přídavný násobící faktor 1,5 je použit pro simulování zvýšení faktoru dynamického zatížení pro dosedací plochy kol.

Matematický model je nejprve použit pro ověření hodnot současného příčného posunutí ( příčné vychýlení mezi 10 až 25 mm v závislosti na aplikované příčné síle) . Jakmile jsou simulovány naměřené hodnoty posunutí je model konečných prvků považován za zkalibrovaný a jsou zkoumány a analyzovány různé konstrukce pro určení optimální konstrukce pro přidávaný kompozitní materiál s polymerem. Pro určení vlastností požadovaného konstruovaného polymeru je použita iterační metoda v kombinaci s nově konstruovanou strukturou trati. Požadované chování je nastaveno na 5 mm příčné vychýlení pří příčném zatížení vlaku.

Vlastní konstrukce použitá pro stabilizaci tohoto místa je vázaná konstrukce (bylo zkoumáno několik konstrukcí a jejich výkon vyhodnocen s ohledem na chování cílového nastavení). V tomto určitém případě je kompozitní průběžný nosník vázán do bednění s použitím polymerního kompozitního materiálu (vázání je vytvořeno pod spodkem pražců). Tuhost použitého polymeru byla E = 500 MPa a zaplnění štěrku bylo 10% na hmotnost štěrku. Tato konstrukce ukazuje, že lze dosáhnout podstatného zvýšení příčné stability ve srovnání s běžnou stabilizací typu s průběžným nosníkem. Simulované modelování ukázalo zvýšení příčné stability pro tento určitý případ na hodnotu přibližně 6 krát větší, než u běžného nestabilizovaného štěrku, a 4 krát větší, než pro stabilizaci pouze s průběžným nosníkem, při uvedených podmínkách vlakového zatížení. Výsledky matematického modelu byly podrobně studovány, pokud se týká pnutí, deformaci, posunutí, a podobně, pro zajištění, že tyto veličiny jsou v přijatelných limitech únavy pro zvolený kompozit/polymer. Matematický model je rovněž použit pro zkoumání oblastí možných plastických deformací, vytvářejících trvalé plastické posunutí, a také pro umožnění modifikování konstrukce podle potřeby a vypočítaných faktorů bezpečnosti.

Pro získání optimálního plnění polymeru pro konstruovanou tuhost a cyklické vlastnosti kompozitu byly provedeny laboratorní testy. Výsledky těchto laboratorních testů byly použity pro odhad zkonstruované životnosti ošetřeného místa s využitím podobné odchylky namáhání, jako bylo vypočítáno matematickým modelem. Testy zahrnují uzavřené testování střihu, testování v tlaku ve třech osách (monotónní a cyklické) a cyklické testování krajních hodnot, to jest tří-rozměrné uzavřené testy. Výsledky testování střihu (rozměry 300 mm x 300 mm) naznačují, že ne zpevněný (nestabilizovaný) štěrk pro určitý případ plnění polymeru má součinitele meze pevnosti ve střihu c³ = 0 kPa a Φ' = 46°. Navíc polymer při 10% plnění (na hmotnost štěrku) do štěrku zvyšuje součinitele meze pevnosti ve střihu na c³ = 0 kPa a

Φ' = 46 °, což ukazuje značné zvýšení pevnosti. Tyto hodnoty byly potvrzeny testy v tlaku ve třech osách. Cyklické vlastnosti zpevněného štěrku byly rovněž testovány. V prvním z těchto testů byl prováděn cyklický test v tlaku ve třech osách na zpevněném štěrku při počítačově simulovaném špičkovém vychýleném stavu při pnutí. Výsledky ukázaly celkovou plastickou deformaci 0,4 % při špičkovém cyklickém stavu vychýlení při pnutí 384 kPa (jak bylo vypočítáno matematickým programem) po 20000 zatěžovacích cyklech. Druhý vzorek byl cyklován při špičkovém zatížení 768 kPa (faktor bezpečnosti 2x pro vnitřní stav pnutí). Opět byla zaznamenána celková plastická deformace kolem 0,4 %.

V simulovaném testu krajních (mezních) hodnot (tradiční trojrozměrný uzavřený test pro železniční štěrk) bylo aplikováno 2,66 milionů zátěžových cyklů při konstrukčních zátěžových podmínkách na povrchu stabilizovaného štěrku (prostřednictvím zatěžovací hlavy) pro dosažení požadované hodnoty MGT za 10 let zatěžování na WCML (West Coast Main Line). Stabilizovaný štěrk vykazoval plastickou deformaci kolem 1,0 mm. Typické výsledky pro cyklické testy nezpevněného štěrku při této úrovni zatížení jsou obecně dostupné v literatuře celkového posunutí mezi 3 0 až 4 0 mm zpevněného štěrku je tudíž mnohem dokonalejší, než chování nezpevněného štěrku, jak co se týče pevnosti tak i při cyklickém zatěžování. Nebyly opotřebení štěrku.

a zahrnuj i hodnoty Chování vytvořeného pozorovány žádné znaky

Na laboratorních testů základě výsledků matematického modelování byla provedena modifikace konstrukce pro omezení koncentrace pnutí na koncích pražců. Konstruování • · · je tudíž iterační proces, který bere do úvahy výsledky matematického modelování a laboratorních testů v kombinaci s očekávanými podmínkami zatěžování a požadovanými kritérii pro chování konstrukce pro dosažení optimální struktury pro danou sadu výhybek a pro zajištění, že všechna konstrukční kritéria (posunutí, deformace, pnutí, a tak dále) jsou v mezích vhodných tolerancí. Finální struktura kompozitu tudíž splňuje všechna kritéria konstrukčního chování a životnosti pro limit příčných posunutí 5 mm za 10 let na West Coast Main Line (WCML). Tento proces tudíž poskytuje kompletní konstrukční proceduru s předvídatelností chování pro modifikovaným polymerem stabilizovanou železniční trať. Až do této chvíle monitorování chování po úpravě, prováděné místním poskytovatelem údržby, prokázalo, že se upravené místo chová podle konstrukčních záměrů.

V tomto příkladu není potřebná úplná dynamická analýza, protože kritické rychlosti podloží a trati jsou podstatně větší než současné rychlosti vlaků. Pokud je ale tuhost podloží menší (nebo jsou pozorovány jakékoliv jiné speciální okolnosti či podmínky na trati, například značné nepravidelnosti na trati, vedoucí k velkým dynamickým silám na trati), je potřebné přidat další konstrukční krok k výše popisovanému příkladu. Pro umožnění plně dynamické konstrukce a analýzy železniční trati a následně polymerem upravené železniční trati je použit program pro metodu trojrozměrné dynamické analýzy konečných prvků. Tento program umožňuje uživateli zkoumat změny v chování trati při aplikaci polymeru a reprezentuje vyspělý konstrukční nástroj pro železniční konstruktéry. Příklady vhodných MCS směsí jsou uvedeny níže. Přesné podíly ingrediencí, a dokonce i použitých diisokyanátů a polyolů v polyuretanu, se mohu měnit podle fyzikální vlastností, jako je viskozita, jak je stanoveno výsledky výše popisovaného procesu analýzy.

Příklad 1 - (Aplikace na železniční trať.)

Štěrková vrstva zahrnuje štěrk z drceného vápence se středním průměrem 40 00, který je navrstven do hloubky 300 mm mezi pražci a kolejemi trati.

MCS zahrnuje například polyuretan mající následující složení smíchané s použitím zařízení na bázi Graco Harocat (Ochranná známka), a je nalit na štěrk, který je předtím položen v hloubce 3 00 mm. Podkladem pro tuto 3 00 mm vrstvu štěrku je pískový koberec. Konstrukce může požadovat, aby přebytek polymeru, prosakujícího skrz štěrk, vytvářel bariéru proti vzestupnému posouvání písku nebo podkladové vrstvy.

Polyuretan zahrnuje následující dva komponenty, které jsou drženy odděleně před litím, potom jsou smíchány a lity společně.

Komponent A (Polyol)

Ricinový olej

Polyeter na bázi sorbitolu Polyleterdiol

Metylnaftalen (VYCEL U (TM) Tris(2-chlorofyl)fosfát Hlinitokřemičitan sodný (prášek Zeolitu (TM))

49,25 % hmotnostních % hmotnostních % hmotnostní % hmotnostních % hmotnostních % hmotnostní ester mastné kyseliny fenylrtuúnaté (Thoreat 535 (TM))

0,5 % hmotnostního dialkyl-cín-merkaptid (Fomrez UL22 (TM))

Komponent B (Isokyanát)

Polymerický dimetylendifenyl diisokyanát (MDI)

0,3 % hmotnostního

100 % hmotnostních

Míchací poměr těchto dvou komponentů je:

Komponent A - 100 dílů

Komponent B - 56 dílů

Směs, včetně štěrku v 5% úrovni, poskytuje následující mechanické vlastnosti:

Sypná hmotnost: 1,55 y/cc

Modul pružnosti v tlaku: 100 až 800

Příklad 2 (Aplikace na železniční trať)

Železniční štěrk s 10% plněním je připraven s použitím směsi polyuretanu a bitumenu. Isokyanátem ukončený pre-polymer je přidán do kationtového bitumenu v následujícím složeni:

FR emulgovatelný pre-polymer na bázi polyeteru 20 dílů hmotnostních

60% emulze kationtového bitumenu 100 dílů hmot.

Pre-polymer je sestaven následovně:

PPG diol 2000 m.w.

100 dílů hmot.

• · to · ··.. ,. ,

EID 9086 35 dílů hmot.

Amgard TMCP (TM) 10 dílů hmot.

Vycel-U 5 dílů hmot.

Směs pre-polymeru a bitumenu je rozprašována na štěrk v množství pro zajištění 10% plnění.

Směs vytvrzuje za dvě hodiny a vytváří elastický tuhý materiál, jehož pevnost v tlaku při 10 % plnění je 50 MPa při 15°C.

Další systémy vytvrzování pro polyuretanový pre-polymer zahrnují použití alkalických činidel, jako je roztok křemičitanu sodného, hydroxid vápenatý a hydroxid hořečnatý a suspenze hydroxidu hořečnatého a rovněž emulze dalších organických polymerů. Tyto směsi mohou být použity podobně pro spojování částicového materiálu, jako je štěrk, pro vytvoření pevného nosného kompozitního materiálu. Tlak, složení, množství a místo pro rozprašování nebo jinou aplikaci na štěrkovou vrstvu jsou stanoveny matematickým modelováním účinků pnutí při různých rychlostech a zatížení vlaků tak, aby se dosáhlo, že kompozitní materiál polymeru a štěrku dosáhne předepsané životnosti při přijatelném chování. Je zřejmé, že provoz, zahrnující vysoký výskyt těžkých lokomotiv s naloženými vlaky převážejícími nerosty, bude vyvíjet odlišná pnutí než relativně lehké, ale rychlé HST jednotky či málo frekventované pomalejší a lehčí osobní j ednotky.

Polymerní směs umožňuje štěrku, aby byl odvlhčena a následně aby vytvořil tuhý kompozitní materiál na místě železničního lože, který vydrží dlouhodobá zatížení a vibrace na trati.

Claims (11)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob stabilizace částicových materiálů, vyznačující se tím, že zahrnuje kroky:

   a) prozkoumání podmínek místa, včetně povrchových a podpovrchových oblastí místa s užitím snímacího zařízení;

   b) analyzování takto získaných výsledků pro stanovení:

   i) kde má být aplikována směs více-složkového systému (MCS);

   ii) množství MCS, která mají být použita;

   iii) vlastnosti požadovaného MCS; a

   c) provedení selektivní aplikace MCS na částicové materiály na místě tak, jak bylo stanoveno v kroku b) .
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje další kroky:

   analýzy požadovaných zátěžových charakteristik; a analýzy struktury částic na místě.
3. 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že zahrnuje další krok výběru nebo vytvoření vhodného MCS potahového materiálu.
4. 4. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že MCS se selektivně aplikuje na štěrk v soustavě železniční trati pro vytvoření struktury stabilizovaného štěrku, přičemž části štěrku jsou stabilizovány a jiné části jsou ponechány bez ošetření s MCS.
5. 5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že MCS zahrnuje pryskyřicový systém na bázi polyuretanu, který se použije pro spojování a tím pro stabilizování kamenů štěrku tvořícího železniční štěrkové lože.
6. 6. Struktura zahrnující štěrkové lože v železniční trati, vyznačující se tím, že štěrk je selektivně ošetřen s MCS pro stabilizování částí štěrku a ošetření, přičemž stabilizované prvky pro štěrkové lože.

   ponechání jiných částí bez části štěrku tvoří zpevňovací se tím, že procházej ící procházej ící

   6 až 7, organický nalit na vlhkostí nebo vytvrzovacího jako donátor a
7. 7. Struktura podle nároku 7, vyznačující stabilizované části štěrku zahrnující prvky, podélně s tratí mimo pražce, a další prvky, příčně k trati pod a mezi pražci.
8. 8. Struktura podle kteréhokoliv z nároků vyznačující se tím, že MCS zahrnuje jedno-složkový polymer nebo polymerní prekursor, který může být štěrk a vytvrzen reakcí s atmosférickou kyslíkem, odpařováním, následnou aplikací činidla, ošetřením ozařováním, nebo aplikací tavením na štěrku.
9. 9. Struktura podle kteréhokoliv z nároků δ až 7, vyznačující se tím, že MCS zahrnuje dva nebo více komponentů, které jsou předem smíchány před nalitím na štěrk.
10. 10. Struktura podle kteréhokoliv z nároků 6 až 9, vyznačující se tím, že polymer je smíchán se štěrkem před uložením na štěrkové lože a vytvrzením polymeru.
11. 11. Struktura podle kteréhokoliv z nároků 6 až 10, vyznačující se tím, že je vytvořena způsobem podle kteréhokoliv z nároků 1 až 5.