Показатели качества уплотнения

МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ БАЛЛАСНОЙ ПРИЗМЫ, ВЫПРАВКИ И ОТДЕЛКИ ПУТИ

В процессе эксплуатации железнодорожного пути на путевую решетку воздействуют поездные нагрузки, которые передаются на балластный слой и вызывают его обратимые (упругие) и необратимые (остаточные) деформации. С течением времени деформации накапливаются, как правило, неравномерно по протяжению пути (рис 10.1). Положение рельсошпальной решетки (РШР) изменяется сначала в пределах отступления I степени допусков, а затем и за пределами допусков (натурное положение), т.е. наблюдаются расстройства пути, вызывающие эксплуатационные ограничения (скорости движения поездов и др.). Для обеспечения плавного и безопасного движения поездов периодически требуется устанавливать путевую решетку в проектное положение (производить выправку) и одновременно фиксировать её уплотнением балластного слоя (производить подбивку). В путевом хозяйстве эти технологические операции выполняются машинами и механизмами для уплотнения и стабилизации балластной призмы, выправки и отделки пути.

Физические основы уплотнения балласта,

показатели качества уплотнения

10.1.1. Принципы работы выправочно-подбивочных

машин, классификация машин

Путевые машины и механизмы для уплотнения балластного слоя, выправки пути и отделки балластной призмы классифицируют по периодичности действия, выполняемой рабочей функции, числу одновременно подбиваемых шпал, и др. (рис. 10.2). Для механизации выправочно-подбивочных и отделочных работ применяются выправочно-подбивочно-рихтовочные машины циклического действия: магистральные типа ВПР (ВПР-02М и др.) и универсальные (для стрелочных переводов и пути) типа ВПРС (ВПРС-02, ВПРС-03, ВПРС-05, ВПР-04, Unimat и др.); непрерывно-циклического действия (ПМА-1, ПМА-С, «Duomatic 09-32 CSM», «Dynamic Stophexpress 09-3X» и др); непрерывного действия типа ВПО (ВПО-3-3000, ВПО-3-3000С). Работы по уплотнению балласта в шпальных ящиках и на откосах производятся машинами типа БУМ (БУМ-1М). Окончательное стабилизирующее уплотнение балластного слоя производится динамическими стабилизаторами пути (ДСП-С, МДС). Применяются также специализированные машины для рихтовки пути типа ПРБ непрерывного действия системы В.Х.Балашенко, машины Р-2000 и Р-02, работающие в непрерывном и циклическом режимах. В транспортном строительстве нашли применение выправочно-подбивочно-рихтовочноые машины (ВПРМ) на базе трактора.

Машинами производится уплотнение балласта, находящегося в обрабатываемой зоне призмы, способами его силового обжатия с подачей или без подачи дополнительных порций материала из других зон. Большинство механизмов рабочих органов выправочно-подбивочных и уплотнительных машин используют способ, сочетающий вибрирование в горизонтальном, вертикальном или ином направлении с принудительной силовой подачей – виброобжатие. Уплотнение слоя в подшпальной зоне (рис. 10.3) осуществляется выправочно-подбивочными машинами за счет его горизонтального виброобжатия со стороны продольных кромок шпал лопатками подбоек для машин циклического и непрерывно-циклического действия (рис. 10.3, а) и со стороны торцов шпал виброплитами с наклонными в плане уплотнительными клиньями для машин непрерывного действия (рис. 10.3, б). В первом случае последовательно выполняются операции заглубления подбоек, обжатия балласта при сведении к шпале их лопаток, раскрытия подбоек, подъема над УВГР и перемещения для обработки следующей шпалы или группы шпал. Во втором случае при непрерывном движении машины в направлении V_м балласт в подшпальную зону принудительно подается клином, уплотнительная поверхность которого расположена под углом атаки b к направлению движения. Уплотнение балласта в откосно-плечевой или междупутной зонах производится виброплитами, прижимаемыми с нагрузкой P. Виброплита в этом случае устанавливается на откос (рис. 10.3, в) или на плечо (рис. 10.3, г). Уплотнение балласта в шпальных ящиках при виброобжимном воздействии реализуется через штампы (рис. 10.3, д). Динамический стабилизатор пути уплотняющее воздействие на подшпальную зону балластного слоя производит через путевую решетку. Она прижимается вертикальной нагрузкой P, с одновременным вибрированием в горизонтальном и вертикальном направлениях (рис. 10.3, е).

Выправка машинами рельсошпальной решетки в продольном профиле, плане и по уровню (см. рис.10.1) производится рабочими органами – подъемно-рихтующими устройствами (ПРУ), различными по конструктивному исполнению и принципу действия (рис. 10.4). Для устранения местных неровностей РШР используются гидравлические путевые домкраты и рихтовочные приборы (рис. 10.4, а) или моторные гидравлические рихтовщики (рис. 10.4, б). Подъем путевой решетки путеподъемниками циклического действия производится с опорой на балласт, а сдвиг ее – с использованием анкерных устройств (рис. 10.4, в) или перемещением в горизонтальной плоскости (рис. 10.4, г). Машины циклического действия – магистральные типа ВПР (рис. 10.4, д) и универсальные типа ВПРС (рис. 10.4, е) имеют ПРУ с роликовыми захватными устройствами, а машины ВПРС – дополнительно оборудуются крюковыми захватами (рис. 10.4, ж). Подъемно-рихтовочные устройства машин непрерывного действия оснащаются гусеничными клещевыми захватами (рис. 10.4, з) для машин типа ВПРМ, либо электромагнитно-роликовыми захватными устройствами (рис. 10.4, и) для машин типа ВПО. Универсальные выправочно-подбивочно-рихтовочные и отделочные машины, как правило, оборудуются трехкоординатными выправочными устройствами и уплотнительными рабочими органами, так как процессы выправки и подбивки пути сопряжены по зоне и времени их выполнения.

Дополнительными рабочими органами для уплотнения балласта и выправочными системами оснащаются и другие путевые машины (электробалластеры, щебнеочистительные машины, комплекты сменного оборудования на базе тракторов и др.).

10.1.2. Поведение рельсошпальной решетки и

балластного слоя при действии нагрузки

Элементы верхнего строения железнодорожного пути (рельсы, рельсовые скрепления, шпалы и балластный слой), имеют назначение упруго воспринимать и перераспределять на основную площадку земляного полотна статические и динамические нагрузки от подвижного состава. При действии нагрузки от колесной пары P_кп = 100−250 кН напряжение на основной площадке земляного полотна, передаваемое через балластный слой, не должно превышать всего s_сл = 0,05−0,08 МПа (рис. 10.5).

В результате такого силового воздействия в балластном слое происходят износ, разрушение и изменения взаимных положений слагающих его частиц, реализуются его упругие и остаточные деформации и, как следствие, изменяется положение рельсов в продольном профиле (просадки), плане (сдвижки) и по уровню (перекосы). Упругие деформации проявляют себя только под нагрузкой. Остаточные деформации в период эксплуатации накапливаются неравномерно по длине пути, поэтому периодически требуется исправлять его положение, выполняя работы по выправке пути в продольном профиле, в плане и по уровню с одновременным уплотнением балласта в подшпальной зоне, откосно-плечевых зонах и в шпальных ящиках.

Остаточные осадки рельсовых нитей неравномерно накапливаются также и от пропущенного тоннажа. Это дает основание выделить из общего «времени жизни» слоя периоды (рис. 10.6): Т₁ − стабилизации с интенсивным и постепенно затухающим накоплением осадок; Т₂ − нормальной эксплуатации, когда осадки накапливаются медленно; Т₃ − эксплуатации с постепенным увеличением остаточных осадок и Т₄ − аварийный период, который может закончиться закрытием участка для движения поездов.

Стабилизация – приведение балластного слоя в постоянное устойчивое к статическому и динамическому силовому воздействию состояние. Наиболее распространенный способ стабилизации – уплотнение. Уплотнение – процесс повышения плотности балластного материала (щебень, гравий, песок) за счет увеличения концентрации частиц в единице объема, соответствующей более упорядоченному по расположению и форме их пространственному построению (текстуре) при силовом воздействии.

С точки зрения реологии, как раздела механики грунтов, уплотнение является затухающей стадией (фазой) ползучести грунта, фазой «упаковки» [13]. Объем балластного материала в слое рассматривается как сыпучая среда с внутренним трением, которая при уплотнении теряет способность поглощать энергию, так как приобретает повышенные упругие свойства. Этой стадии поведения балласта под нагрузкой от поездов, соответствует период стабилизации T₁. К концу периода достигается стабилизированное состояние балласта, а балластная призма получает способность длительное время воспринимать эксплуатационную нагрузку. Ее уплотненное состояние характеризуется некоторой предельной для данных условий относительной осадкой уплотнения E_п. Текущее состояние балласта в этой фазе характеризуется относительной осадкой E_у < E_п.

После достижения предельного состояния (E_у ≈ E_п) балласт полностью теряет способность дальше уплотняться, при этом достигает максимума несущей способности. Если нагрузки на объем балласта не превышают предельных значений, то он длительно сохраняет свое стабильное состояние, наступает стадия установившегося течения [13]. Связи между частицами щебня в слое становятся устойчивыми, полученная текстура уплотнения длительно сохраняется. Балластный слой очень медленно накапливает осадки. Они обусловлены в основном отколами на поверхностях частиц и накоплением загрязнений в призме, приводящими к постепенному ослаблению контактов между частицами и снижению ее несущей способности. На рис. 10.7 это период нормальной эксплуатации T₂.

Третья стадия течения грунта – стадия разрушения [13]. Сначала происходит увеличение скорости накопления пластических деформаций без существенного разрушения тела призмы (предремонтный период T₃), а затем наблюдается вязкое разрушение тела призмы с быстрой потерей несущей способности (период аварийной эксплуатации T₄). Стадия разрушения может наступить и после превышения предельных нагрузок. В случае замкнутого объема происходит разрушение самих частиц (получается своеобразная «ступа»), а если границы объема сопротивляются недостаточно, то происходит перемещение масс балластного материала в прилежащие объемы с разрушением сформированного ядра уплотнения. Текстура становится менее упорядоченной.

10.1.3. Показатели качества уплотнения

При проектировании современные путевые машины в основном рассчитываются на работу с тяжелыми типами РШР, опирающимися на слой щебня. Щебень представляет собой сыпучую среду, состоящую из частиц (зерен) и промежутков между ними, которые заполнены в основном воздухом. Сыпучее тело обладает некоторыми свойствами, отличающими его от классических твердых тел и жидкостей. С одной стороны оно может сохранять форму (обладает упругостью формы), которую ему придали машиной, а с другой стороны оно может терять форму, например под воздействием вибраций. Большое значение в сохранении упругости формы имеет внутренняя текстура (взаимное построение частиц). Более рыхлое и менее упорядоченное построение соответствует снижению возможности воспринимать нагрузку, а менее рыхлое и более упорядоченное построение частиц способствует повышению несущей способности. При рыхлом состоянии в большей степени проявляются распорные свойства балластного материала. Распорные свойства характеризуются появлением бокового давления, перпендикулярного основному давлению. Если боковому давлению ничего не противодействует, происходит выпирание балласта в стороны с разрушением основного тела.

В настоящее время основные свойства щебня содержатся в ГОСТ 7392-2002 «Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути». Щебень получается путем дробления материала из изверженных горных пород с плотностью не менее 2,4 г/см³ и состоит из частиц фракций в пределах 25−60 мм [45, 71].

Состояние балластной призмы (слоя) характеризуется качеством уплотнения. То, как быстро накапливаются остаточные осадки под поездами в произвольно взятом поперечном сечении пути, зависит от степени уплотнения слоя, а то, как эти осадки распределены пространственно вдоль и поперек пути зависит от пространственного распределения степени уплотнения, т.е. от неравномерности уплотнения вдоль и поперек пути.

Для анализа показателей уплотнения представим себе слой балласта, который в начальный момент времени имеет толщину H_н (рис. 10.7) [58]. После силового воздействия на него в вертикальном направлении происходит обжим, в результате чего новая толщина слоя становится равной H_у. Состояние слоя до и после уплотнения можно характеризовать величинами осадок DH_н, DH_у из гипотетического предельно рыхлого состояния, которое характеризуется толщиной H₀. Более наглядно уплотнения балластного слоя выражается в показателях относительной степени осадки из предельно рыхлого состояния, соответственно, для начального и уплотненного состояний:

(10.1)

где DV_н, DV_у – уменьшения объемов балластного слоя до и после его уплотнении из гипотетического предельно рыхлого состояния; V₀ – объем слоя в указанном рыхлом состоянии, которое принимается как базовое.

Машина приводит балластный слой из некоторого состояния предварительного уплотнения в состояние после уплотнения, поэтому можно считать, что машина «добавляет» относительную осадку слоя в указанном смысле на величину:

(10.2)

В этом смысле относительные осадки пути аддитивны, так как накапливаются и определяются относительно одного и того же базового состояния.

Как видно из формул, относительную осадку можно определять и через соотношения объемов балластного слоя в разных его состояниях. В целом, это оценка на макроуровне внешних проявлений эффекта уплотнения.

На микроуровне (на уровне взаимодействующих друг с другом частиц) используются два показателя, характеризующие соотношение объемов, занятых частицами V_с(объем скелета), и объемов, занятых воздухом V_п (объем пор). Это пористость n и коэффициент пористости e, соответственно:

(10.3)

Уплотненное состояние щебеночного балластного материала характеризует также объемная плотность ρ_у, как отношение массы щебня к занимаемому им объему. Однако объемная плотность зависит от плотности материала частиц, поэтому реже используется в расчетных моделях процесса уплотнения.

Описанные выше показатели уплотненного состояния щебня связаны между собой соотношениями [13, 57, 58]:

(10.4)

где ε₀, ε_у − коэффициенты пористости, n₀, n_у − пористости предельно рыхлого и уплотненного состояний щебня; ρ_с, ρ_у − плотность материала частиц и объемная плотность уплотненного щебня.

Излагаемая здесь методика расчета уплотнительных рабочих органов путевых машин использует в качестве основных показателей коэффициент пористости e и относительную осадку слоя E.

Пористость щебня по ГОСТ 7392-2002 в предельно рыхлом состоянии колеблется в пределах n₀ = 0,42−0,45 (в среднем n₀ = 0,435), а в предельно уплотненном состоянии n_п = 0,36 − 0,37 (в среднем n_п = 0,365) [45]. Расчет по формулам (1.4) показывает, что в предельно рыхлом состоянии коэффициент пористости ε₀ = 0,724 − 0,818 (в среднем ε₀ = 0,770), а в предельно уплотненном состоянии ε_п = 0,563 − 0,587 (в среднем ε_п = 0,575). Относительная осадка уплотнения предельного состояния составляет E_п = 0,18− 0,25, В расчетах уплотнительных рабочих органов путевых машин можно принимать: ε₀ = 0,80, ε_п = 0,57 и E_п = 0,20. Эти значения удовлетворительно согласуются с полученными ранее данными для щебеночного балластного слоя, изготовляемого по предшествующим стандартам. Показатели оценки качества (степени и равномерности) уплотнения и стабилизации балласта пути приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1. Показатели оценки качества (степени и равномерности) уплотнения и стабилизации балласта железнодорожного пути

Показатель	Значения показателя или формула определения
практически достигнутые	предельные
Степень уплотнения: плотность, кг/м3 пористость коэффициент пористости относительная осадка уплотнения	rд = (1,5–1,8)103 nд = 0.36–0.38 eд=0,56–0,61	(1,9–2,1)103 0.33–0.34 0,49–0,51   0,22–0,25
Качество уплотнения	r ± sr; n ± sn;   e ± se; DH ± sDH	max   min
Скорость осадки слоя, мм/млн т брутто		Vh = const
Ускорение (равномерность) осадки слоя, мм/(млн т брутто)2	sур(Wh) £ ± 1,33 мм; sур(Wh) £ ± (0,25–0,33) о/оо	Wh = 0

Технологический процесс уплотнения массива балластного слоя связан с перераспределением под действием силовых факторов (рабочих органов или поездной нагрузки) объемов балласта внутри слоя с образованием локальных зон повышенной вследствие уплотнения (под рельсовыми нитями) и пониженной вследствие разуплотнения (в шпальных ящиках, под концами шпал) концентрации частиц. Балласт, как сыпучая среда, проявляет свои реологические свойства. Картина такого распределения обусловлена конструктивными особенностями рабочего органа и выбранными режимами взаимодействия. При каждом новом силовом воздействии на балластный слой рабочим органом, как это имеет место при работе машинных комплексов, происходит изменение картины распределения концентрации материала в слое. Относительная осадка уплотнения E_у после силового воздействия определяется по формуле [58]:

, (10.5)

где V_н, V_у – объемы, занимаемые балластом до и после уплотнения.

Модель применима для расчета эффекта уплотнения балластного слоя при однократном воздействии. Такой подход используется в большинстве методик расчета результата уплотняющего силового воздействия на балластный слой рабочими органами путевых машин.

Вместе с тем, в более сложных технологических процессах реализуется многократное силовое воздействие на балластный слой. Например, для достижения желаемой степени уплотнения балластного слоя под шпалами выправочно-подбивочная машина циклического действия выполняет в одном рабочем цикле несколько обжимов балласта (особенно при износе подбоек или при больших подъемках), после в технологической цепочке производится дополнительная стабилизация пути динамическим стабилизатором. По необходимости производится дополнительная частичная подбивка балластного слоя электрошпалоподбойками.

Расчетные модели таких процессов уплотнения, протекающих на последующих этапах силового воздействия, должны учитывать взаимодействие нескольких объемов балласта, каждый из которых характеризуется своим значением относительной осадки уплотнения E_i. Например, если уплотненное состояние ядра достигается за счет вовлечения в процесс двух исходных объемов балласта, то можно показать, что относительная осадка массива балластного слоя (ядра уплотнения) выражается формулой [58]:

(10.6)

В этой формуле индексы н1, н2 при переменных обозначают, что показатель относится к первому и второму объемам до уплотнения.

В приведенных зависимостях принято, что в ядре уплотнения происходит полная диффузия степени уплотнения, т.е. плотность ядра выравнивается. Используя предложенный подход, можно создавать и более комплексные модели, в том числе и те, которые учитывают диффузионное распределение плотности в ядре. Эти модели требуют проведения экспериментальных исследований для определения нужных характеристик рассматриваемого процесса.

Модель (1), при определении дополнительных условий, применима, например, для оценки уплотняющего эффекта при однократном обжиме балластного слоя лопатками подбоек машин типа ВПР. Но для расчета уплотняющего эффекта основных виброплит машин типа ВПО, имеющих основной и дополнительный уплотнительные клинья, возникает необходимость использовать дополнительно модель (2). Для оценки работы комплекса машин с уплотнительными рабочими органами, последовательно обрабатывающими балластную призму, необходимо производить многошаговые вычисления.

Самый распространенный способ уплотнения балластного слоя – вибрационный обжим. Начальное состояние балласта характеризуется относительной осадкой уплотнения E_н, а состояние после силового воздействия – относительной осадкой уплотнения E_у. В расчетах уплотнительных рабочих органов используется понятия гипотетического предельно рыхлого состояния и предельно уплотненного состояния. Они характеризуются соответствующими относительными осадками уплотнения E₀ и E_п. Выше приведены зависимости, характеризующие изменение относительной осадки уплотнения при обжиме одного объема (10.5) или при соединении двух объемов в один объем балласта (10.6).

Поскольку есть предельно уплотненное состояние балласта, то стабилизация путем уплотнения моделируется процессом насыщения принятого к рассмотрению показателя уплотнения – относительной осадки E. Такой моделью описывается, например, процесс повышения температуры корпуса электродвигателя при включении его в постоянный режим работы и др. Процесс накопления относительной осадки E балластного слоя, например, при стабилизации в период T₁ (рис. 10.8) можно описать выражением:

(10.7)

где E_н – начальная относительная осадка уплотнения, получаемая при статическом обжиме балласта сразу после приложения нагрузки (в этом случае она получается в результате воздействия колесных пар машин при работе); E_п – предельно возможная для конкретного характера силового воздействия относительная осадка уплотнения; K_E – коэффициент крутизны нарастания относительной осадки уплотнения от начала силового воздействия, 1/млн т брутто (для случая E_н=0, получен коэффициент крутизны K_E~ 0,4, совпадающий с результатами исследований [8]); T – пропущенный тоннаж с учетом динамических факторов, млн т брутто.

При возрастании пропущенного тоннажа относительная осадка асимптотически стремится к предельному значению E_п, поэтому тоннаж T₁, соответствующий периоду обкатки (рис. 10.8), назначается в значительной степени директивно, с учетом накопленного опыта эксплуатации. Пунктирная линия отражает крутизну нарастания относительной осадки в начальный момент приложения поездной нагрузки. Если бы не было насыщения, то относительная осадка возрастала бы бесконечно. В результате работы путевой машины относительная осадка уплотнения становится равной E_м, что означает, что машина позволила уменьшить стабилизационный тоннаж T₁ на величину T_м. Для достижения стабильного состояния балластного слоя остается пропустить тоннаж T_ост.

Зависимость (10.7), в общем случае, применима и к некоторому элементарному объему балласта, подвергаемому силовому вибрационному воздействию вибрирующей поверхностью с нарастающим в каждом цикле давлением p, кПа. В этом случае величина T приобретает смысл интегрально накопленной балластом нагрузки в течение времени цикличного воздействия вибрирующей поверхности, кПа:

(10.8)

где ω – угловая частота колебаний вибрирующей поверхности, рад/с; t_в – время воздействия вибрирующей поверхности, с; i – счетчик циклов колебаний (i = 1, 2,…, N).

В каждом цикле вибрационного обжима балласт деформируется упруго, и накапливает неупругие деформации. При неупругом деформировании становится более упорядоченной и концентрированной текстура, возрастает модуль упругости. В последующем цикле необходимо уже приложить большее давление, чтобы происходило неупругое деформирование. Грунты не имеют явно выраженной площадки текучести, как, например стальные образцы при испытаниях на разрыв, так как их деформирование при уплотнении сопровождается изменениями текстуры.

Предел давления, при котором балластный материал начинает течь рекомендуется вычислять по формуле [57], кПа:

(10.9)

где q – опытный коэффициент q = (0,3 – 0,5)∙10³ кПа для рыхлого балласта; q = (0,6 – 0,8)∙10³ кПа для уплотненного балласта; ε – коэффициент пористости балласта, который связан с другими показателями уплотнения, что следует их формул (10.4).

Промежуточные значения коэффициента q можно определить методом линейной интерполяции, например, приняв q₀ = 0,3∙10³ кПа для предельно рыхлого щебня и q_п = 0,8∙10³ кПа для предельно уплотненного щебня. Формулу можно использовать для ε > 0,5.

Нарастание несущей способности балласта ограничено максимальным давлением p_max, кПа, которое может развить вибрирующая поверхность, а также случаем, когда достигнуто предельное по свойствам балласта относительное уплотнение E_п. Если p_max < p_п (p_п – давление, при превышении которого произойдет разрушение сформированной текстуры, кПа), то будет достигнута относительная осадка уплотнения E_у < E_п, и дальнейший обжим прекратится. Это означает, что балластный слой может нести данную нагрузку, упруго деформируясь.

При ориентировочной оценке осадок балластного слоя при силовом воздействии на него во многих расчетных моделях принимается во внимание только слой балласта, находящийся непосредственно под подошвами шпал. В этом случае, т.к. длина такого массива балласта вдоль пути не изменяется, не изменяется и ширина массива (по длине шпалы), то в приведенных выше формулах объемы могут быть заменены на соответствующие расстояния вдоль вертикальной оси (толщины слоя, выправочные подъемки, осадки и т.д.). Это дает основание анализировать в первом приближении схему состояний массива балластного слоя при комплексном силовом воздействии на него (рис.10.9). Состояния привязаны как к фактическим положениям путевой решетки, так и к фиктивным.

На схеме показаны условно положения путевой решетки в процессе силового воздействия на балластный слой комплексом машин: E_И – исходная относительная осадка слоя, например, после работы щебнеочистительной машины для глубокой очистки; E_В1 – относительная осадка уплотнения после работы первой выправочно-подбивочной машины (например ВПО); E_В2– относительная осадка уплотнения после работы второй выпарвочно-подбивочной машины (например ВПР); E_Д3– относительная осадка уплотнения после прохода динамического стабилизатора пути; E_Э – относительная осадка уплотнения в результате эксплуатации балластного слоя при воздействии нагрузки от поездов. После полной стабилизации она соответствует предельно уплотненному балластному слою; H_И, H_В1, H_В2, H_Д3, H_Э – толщина балластного слоя после рассматриваемых воздействий (индексы соответствуют индексам при относительных осадках); h_ВПО, h_ВПР – выправочные подъемки пути машинами ВПО и ВПР; h_ДСП, h_Э– осадки путевой решетки после работы ДСП и при эксплуатации; E₀ – относительная осадка уплотнения балластного слоя в гипотетическом, предельно рыхлом состоянии.

Этому состоянию соответствуют разные гипотетические толщины слоя, т.к. при работе выправочно-подбивочной машины в зону под шпалами подаются дополнительные объемы балластного материала, либо со стороны торцов (ВПО), либо из шпальных ящиков и объема под ними (ВПР).

После производства всех выправочно-подбивочных работ гипотетическая толщина слоя достигает максимального значения H₀. При осадке путевой решетки в рассматриваемой задаче она не изменяется.

Относительные и абсолютные осадки такого балластного слоя могут вычисляться с учетом изложенного подхода.

Формоизменение нескольких массивов балласта с образованием общего результирующего массива применительно к конкретному рабочему органу или комплексу рабочих органов является нетривиальной задачей. Она требует учета многих факторов: параметров балластного слоя, путевой решетки, рабочих органов машин, поступающих и вытесняемых из рабочей зоны объемов материала, дополнительную дозировку балласта с подведением под шпалы и др.

При накоплении динамических осадок (работа динамического стабилизатора или поездная нагрузка) задача накопления относительных осадок аддитивна, т.к. исходная гипотетическая толщина слоя H₀ постоянна. Происходит формоизменение одного и того же массива балласта под шпалами, поэтому, при принятых допущениях, достаточно использовать формулу (10.1).

Процессы, происходящие в балластном слое при силовом воздействии на него, относятся к многофакторным процессам, которые трудно поддаются описанию математическими моделями. Например, изменение концентрации частиц в единице объема невозможно без изменения степени упорядоченности текстуры. Большая концентрация частиц соответствует более упорядоченной текстуре, меньшая концентрация – менее упорядоченной. Изменение концентрации частиц означает их перемещение между разными зонами, т.е. течение материала. Течение балластного материала, как скелетного грунта, изучается реологией. Этот вопрос к настоящему времени для балластной призмы железнодорожного пути мало изучен, хотя его решение дает возможность более глубоко понять сущность процессов и использовать результаты в практике создания рабочих органов машин, взаимодействующих с балластной призмой.

Выше было описано распределение степени уплотнения, в предположении, что в балластном слое при силовом воздействии нет случайных отклонений. В эксплуатации проявляются неровности в пути, которые имеют случайный характер, которые проявляются в неравномерности степени уплотнения балластного слоя, прежде всего под шпалами. Равномерность распределения степени уплотнения балластного слоя между шпалами на участке пути можно оценивать через дисперсию или среднеквадратическое отклонение рассматриваемых показателей уплотнения.