Конструкции заделки опор контактной сети в грунт: типы, эволюция и факторы надежности

Устройства для закрепления опор в грунте являются критически важными элементами контактной сети железных дорог. Их надежность напрямую определяет безопасность и бесперебойность движения поездов. Нарушение устойчивости данных конструкций способно привести к длительным перерывам в движении и серьезным аварийным ситуациям. Разработка надежной заделки осложнена разнообразием факторов, воздействующих на опоры и фундаменты в тяжелых грунтовых условиях, а также трудностью контроля их состояния в процессе эксплуатации.

На фундаменты и подземные части опор воздействуют переменные механические нагрузки, зависящие от метеорологических условий и режима движения. Бетонные конструкции подвергаются циклическому замораживанию и оттаиванию в увлажненном состоянии. Кроме того, они находятся под воздействием грунтовых вод, часто агрессивных по отношению к бетону, а металлическая арматура подвержена процессам коррозии, что снижает долговечность всего сооружения.

Исторически в начале электрификации железных дорог существовало большое разнообразие конструкций заделки опор. Первоначально для металлических опор применялись монолитные бетонные фундаменты ступенчатой формы, изготавливаемые непосредственно в котлованах. Такая технология была крайне трудоемкой и не соответствовала требуемым темпам работ. Позже произошел переход к сборным железобетонным блокам, которые заранее производились на специализированных заводах и доставлялись к месту монтажа, что существенно повысило эффективность строительства.

В настоящее время, в соответствии с типами опор, сформировались современные способы их закрепления в грунте. На рис. 69 представлены схемы различных способов закрепления опор. Для консольных железобетонных опор с относительно небольшой нагрузкой применяют простые методы: непосредственную установку в грунт или на одиночный фундамент (2). Такая конструкция работает преимущественно на опрокидывание (рис. 69, а). Для повышения устойчивости опоры могут снабжаться лежнями (1), увеличивающими площадь опирания на грунт.

Рис. 69. Схемы различных способов закрепления опор: а — непосредственное к на одиночных фундаментах, б — при помощи анкера, в — на раздельных фундаментах, г — на сваях; I — лежни, 2 — одиночный фундамент, 3 — анкер, 4 — опорная плита, 5 — раздельный фундамент, 6 — свая; Р — опрокидывающая сила

Для опор, несущих значительные нагрузки, таких как анкерные консольные опоры или опоры гибких поперечин, применяют конструкции, передающие усилия на несколько фундаментов. В таких системах фундаменты работают как на выдергивание, так и на вдавливание (рис. 69, б, в и г). Например, анкер (3), один из фундаментов (5) и свая (6) работают на выдергивание. Для предотвращения погружения опоры в грунт используется опорная плита (4), что особенно важно для опор с жесткими поперечинами.

На рис. 70 показаны фундаменты для конических опор и опор гибких поперечин. Фундамент для конических опор (рис. 70, а) представляет собой железобетонную конструкцию двутаврового сечения свайного типа. Он может погружаться в грунт вибрационным способом без предварительной разработки котлована. Соединение с опорой осуществляется через цилиндрическое отверстие в верхней части. Такие фундаменты маркируются буквами ДС и цифрами, обозначающими нормативный изгибающий момент (в тс·м) и длину (в метрах), например, ДС 6/3.5.

Рис. 70. Фундаменты: а — двутавровый для конической опоры, б — раздельный для опор гибких поперечин, в — свайный с ростверком зля опор гибких поперечин; 1 — анкерные болты, 2— ростверк, 3— отверстия для свай, 4 — свая

Для опор гибких поперечин применяют два основных типа фундаментов: раздельные и свайные. Раздельный фундамент (рис. 70, б) – это железобетонный блок с развитой подошвой, устанавливаемый в готовый котлован. Соединение с металлической опорой осуществляется анкерными болтами (1). Они маркируются буквой Р (например, Р4-2). Свайный фундамент (рис. 70, в) состоит из железобетонной плиты – ростверка (2) – и нескольких свай (4) прямоугольного сечения. Сваи погружаются в грунт, проходят через отверстия (3) в ростверке и соединяются с ним сваркой.

Анкеры оттяжек анкерных консольных опор представляют собой модифицированные двутавровые фундаменты (ДС). В их верхней части вместо гнезда для опоры устанавливаются металлические проушины для крепления оттяжек. Они маркируются как ДА-4 и ДА-4,5 (цифра указывает длину в метрах). Лежни и опорные плиты изготавливаются из железобетона и применяются для увеличения площади опирания и устойчивости.

Глубина заложения, необходимость применения дополнительных элементов и размеры фундаментов определяются расчетными усилиями, качеством грунта, профилем местности (насыпь, выемка, площадка) и технологией производства работ. Качество грунта характеризуется его несущей способностью – способностью создавать противодействующие усилия, показанные стрелками на рис. 69. Установка на откосах ухудшает условия по сравнению с площадками, а уплотнение грунта при монтаже напрямую влияет на надежность закрепления.

Одной из ключевых проблем эксплуатации является коррозия железобетонных конструкций. Она вызывается физико-химическим воздействием окружающей среды. Агрессивность грунтов определяется содержанием солей (сульфатов, хлоридов), которые, взаимодействуя с компонентами бетона, разрушают его. Грунтовые воды вымывают продукты распада, ускоряя процесс.

Даже в неагрессивной для бетона среде может происходить коррозия стальной арматуры и анкерных болтов. Агрессивные агенты проникают через поры бетона к металлу. Продукты коррозии железа имеют больший объем, чем исходный металл, что приводит к возникновению внутренних напряжений, растрескиванию бетона и дальнейшему ускорению разрушения. Этому также способствуют циклы замораживания-оттаивания влаги в бетоне.

Трещины в бетоне провоцируют электрохимическую коррозию, ведущую к образованию гальванических пар и коррозионных токов. Этот процесс самоподдерживается и усиливается под действием токов утечки из контактной сети. Токи попадают в арматуру через заземляющие устройства, предназначенные для обеспечения электробезопасности, что интенсифицирует разрушение.

Рис. 71. Изоляция анкерных болтов фундаментов от металлических опор: 1 — изолирующая втулка, 2 — изолирующая прокладка, 3 — крепящая плита опоры, 4 — металлическая шайба, 5 — гайки анкерного болта, 6 — анкерный болт

Рис. 72. Изоляция деталей крепления консолей от арматуры железобетонных опор: 1 — изолирующие втулки, 2 — детали крепления консоли

Для защиты применяются специальные меры. На рис. 71 показана изоляция анкерного болта (6) от металлической опоры с помощью изолирующей втулки (1) и прокладки (2), которые отделяют крепеж от крепящей плиты (3) опоры, металлической шайбы (4) и гаек (5). На рис. 72 изображена изоляция арматуры железобетонной опоры от металлических деталей (2) крепления консоли посредством изолирующих втулок (1). Эти решения позволяют минимизировать электрохимическую коррозию и продлить срок службы конструкций.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: А. Н. Шемякин А. С. Прудыус.

Источник: Устройство, монтаж и эксплуатация контактной сети и высоковольтных линий электропередачи.

Данные публикации будут полезны инженерам-проектировщикам и строителям контактной сети железных дорог, специалистам служб эксплуатации и ремонта инфраструктуры, а также студентам транспортных и строительных вузов, изучающим конструкции и основы надежности железнодорожных сооружений.