Способ стабилизации сыпучих материалов

1 Настоящее изобретение относится к способу стабилизации сыпучих материалов. Известны попытки изменить свойства строительных структур из сыпучих материалов,таких, например, как балласт железных дорог для повышения стабильности посредством эффективного удержания вместе камней. Примерами являются описанные в ЕР-А-0502920,ЕР-А-0641407 и DE-A-394142 многокомпонентные системы (МКС), такие как эпоксидные или полиуретановые смолы, которые используются для связывания сыпучих материалов. Техническое свойство опорных структур из сыпучих материалов изменяется, если применяются МКС. В частности, улучшаются технические характеристики прочности и жесткости. Добавление МКС также изменяет динамические характеристики, изменяя такие свойства,как коэффициент затухания и скорость волн ударного напряжения (например, сжимающих,сдвигающих и поверхностных волн). При нанесении многокомпонентной системы на сыпучие материалы желательно обеспечить, чтобы армированная и стабилизированная структура сохраняла приемлемый уровень на протяжении ее срока службы. МКС предпочтительно выполнена в правильном пространственном положении и до правильной глубины для обеспечения получения заданных улучшенных технических свойств. Предпочтительно МКС также является химической разработкой для обеспечения того, чтобы еe заданные свойства были правильными для конкретного рассматриваемого применения, например для пределов жесткости, силы, вязкости, выносливости,акустического демпфирования, температурного диапазона, гидроскопических свойств и периода отверждения. Вероятно, каждое конкретное применение МКС будет отличаться, поскольку каждое нанесение на площадку будет отличаться геометрией, параметрами поверхностной/подповерхностной структуры и техническими характеристиками. Могут потребоваться дополнительные добавки к МКС для достижения заданных свойств и характеристик, например наполнители на основе цемента или битума. Неправильное нанесение МКС может привести к преждевременному разрушению модифицированной структуры. В очень серьезных случаях это может привести к незапланированным реакциям и/или к катастрофической поломке. Задачей изобретения является создание способа обработки структур на базе сыпучих материалов, который обеспечивает достижение заданных характеристик. Таким образом, согласно изобретению создан способ стабилизации сыпучих материалов, при котором а) обследуют с использованием измерительного устройства состояние площадки,включая поверхностную и подповерхностную 2 структуры площадки, и объединяют с любыми имеющимися в наличии данными о площадке; в) анализируют полученные таким образом результаты для определенияi) местоположения, где должна наноситься совокупность многокомпонентных систем(МКС),ii) количество МКС, которое следует использовать,iii) свойства МКС, и с) осуществляют выборочное нанесение МКС на структуру, как это было определено посредством анализа. Кроме того, в способе предпочтительно также анализируют требуемые характеристики загрузки и анализируют структуру сыпучих материалов по месту. Изобретение также обеспечивает структуру стабилизированного балласта на железнодорожном пути, полученную этим способом. Способ может включать дополнительно выбор или формирование подходящего материала для покрытия МКС, например на основе полиуретана. Способ делает возможным адаптацию формирования из компонентов, полученных вне площадки, и/или модулированного, для достижения стабилизации сыпучих материалов и окружающих структур. Предпочтительно МКС может быть использована для увеличения вертикальной и/или поперечной стабильности структуры (например,жесткости и прочности) и требует тщательного контроля для нахождения напряжения и усилий динамических, импульсных или статических, в усталостных или силовых пределах структуры,армированной МКС, с данным запасом прочности для заданных рассматриваемых циклов срока службы. Применение неподходящей МКС может привести к преждевременному и/или непредсказуемому повреждению или нежелательному ухудшению действия армированной структуры. Добавление МКС изменяет статические и динамические характеристики структуры сыпучего материала и, следовательно, полную или частичную реакцию структуры. Изменение статических и динамических характеристик связано с конкретным вариантом применяемой МКС и с пространственным расположением и свойствами структуры (например, при нанесении на железнодорожные пути, рельсы, шпалы, выемки грунта, насыпи или на шоссе, обочины, тротуары, дренажи, на поверхности и под поверхностью дорог, балласт, основание балласта, грунтовое основание и т.д.). Это изменение должно быть оценено, чтобы гарантировать, что это не наносит ущерба статическим и динамическим характеристикам прикладываемых статических и импульсных нагрузок. 3 Создание мембраны или барьера для МКС при использовании несоответствующей МКС может предотвратить рассеяние поверхностных и подповерхностных избыточных давлений в порах, приводящего к повреждению или нежелательному функционированию структуры. Таким образом, дополнительные расчетные факторы должны быть учтены до нанесения МКС, в частности, если заданный расчетный объект является формированием непроницаемого промежуточного слоя, то для обеспечения этого достигаются заданные свойства функционирования (например, дренажа и т.д.). Использование МКС для стабилизации и армирования областей в виде мокрых пятен(то есть областей, производящих грязевую накачку под нагрузкой) также нуждается в тщательном контроле. Добавление МКС изменяет характеристики статического и динамического взаимодействия и может создавать дополнительные проблемы, а, следовательно, нуждается в оценке. Использование МКС в качестве специальных натуральных или искусственных структур ввода с различной динамикой, таких как геологические слои или мостовое полотно, нуждается в оценке для обеспечения соответствующих модифицированных динамических характеристик. Это должно предотвращать, например, создаваемые дополнительные вибрации,приводящие к подскакиванию груза или возвратным ударным волнам. Сыпучие материалы, армированные и стабилизированные в соответствии со способом обработки согласно изобретению, могут использоваться для кратковременной/долговременной стабилизации структур под высоким напряжением(например, грязевой накачки и мокрого пятна на железнодорожном пути); вертикальной, поперечной и продольной стабилизации (на железнодорожном пути, например для переходных кривых, возвышений,стрелок и основных линий, включая высокоскоростные линии), например, для уменьшения объема технического обслуживания; стабилизации сыпучих структур в туннелях; стабилизации несущих стенок, склонов,рулежных дорожек и посадочных зон; армирования мостового полотна, включая увеличение жесткости сыпучего материала до и после мостов для предотвращения подпрыгивания грузов; армирования и стабилизации для обеспечения допусков с натягом, поддерживаемых,например, в железнодорожных системах для обычных, двухэтажных и высокоскоростных составов и поездов других типов; уменьшения напряжений грунтовых оснований из-за увеличенных показателей жесткости и прочности МКС; 4 уменьшения напряжения грунтовых оснований путем увеличения жесткости сыпучего материала для содействия предотвращению образования углублений в грунтовых основаниях; уменьшения создаваемых пластических деформаций и истирания сыпучего материала,расслоения сыпучих материалов (например, при измельчении), посредством уменьшения перемещения сыпучего материала, уменьшения области загрязненных сыпучих материалов. Применение мембраны МКС (например, на границе различных структурных материалов) для предотвращения инфильтрации основания балласта/грунтового основания; способствования предотвращению гидравлической эрозии поверхностной и подповерхностной структур; обеспечения увеличений прилагаемых нагрузок и скорости кратковременных нагрузок без значительного увеличения объема технического обслуживания структур и для уменьшения создаваемого структурой повреждения из-за прилагаемых нагрузок; предотвращения поверхностного смещения сыпучих материалов из-за кратковременных порывов ветра и из-за поверхностных волн от прилагаемой нагрузки; уменьшения создания и переноса шумов в окружающей среде; обеспечения моющей способности армированных структур для поддержания чистоты при низкой стоимости; улучшения статических и динамических характеристик структуры. Ниже описаны некоторые примеры процедур для стабилизации балласта и полученных стабилизированных структур балласта в соответствии с изобретением путем примера со ссылками на прилагаемые чертежи, где фиг. 1 - диаграмма путевой сборки, включающей балласт и грунтовое основание, для иллюстрации понятий и основных признаков пути, использованных в дальнейшем описании; фиг. 2 и 2b - соответственно поперечный и продольный (по ходу пути) виды в разрезе первого варианта выполнения конструкции путей согласно изобретению; фиг. 3 а и 3b - 10 а и 10b - аналогичные соответствующие поперечные и продольные виды в разрезе дополнительных вариантов конструкций путей согласно изобретению; фиг. 11 - вид, иллюстрирующий нанесения балласта с МКС на основание для рельса; фиг. 12 - продольное сечение установки мостового полотна; и фиг. 13 - блок-схема осуществления способа, используемого в случае сыпучего материала. Диаграмма упрощенной конструкции пути показана на фиг. 1. Она включает отстоящие друг от друга рельсы 10, расположенные параллельно направлению прохождения пути, опи 5 рающегося на шпалы 11, которые находятся на слое балласта 12. Ее, в свою очередь, несет слой основания балласта 13, который размещен на грунтовом основании 14. Грунтовое основание 14 может содержать любую природную или искусственную почву, такую как насыпь, дно выемки или полотна виадука или моста. На следующих фигурах разрезы взяты поперек конструкции пути по линии Х-Х на фиг. 1 и вдоль направления прохождения пути по линии Y-Y на фиг. 1. Фиг. 2 а и 2b относятся к стабилизации точечных, сплошных и других типов структур,которые часто подвергаются поперечной нагрузке из-за силы инерции поезда. Обычные способы стабилизации включают добавление пластин на конце шпалы и/или формирование продольного бруса, примыкающего к шпалам. Оба этих способа основаны на увеличении пассивного сопротивления, но зачастую работают неудовлетворительно из-за постепенного смещения пластика балласта обочины. Метод, используемый для устранения этого недостатка (в этом примере конструкции), является способом стяжки шпального ящика (ССШЯ). При этом способе брусок 15 полимер-балластного композита устанавливается в непосредственной близости от шпал для предотвращения перемещения шпал 11 в поперечном направлении, как прежде. Однако брусок 15 теперь стянут, образуя шпальный ящик, с использованием анкеров 16 полимер-балластного композита, который проходит через путь, в основном, между и ниже шпал 11. Сила, необходимая для удержания анкеров 16 шпального ящика, обеспечивается весом поезда. Таким образом, метод использует собственный вес поезда для удержания бруска 15 от постоянного поперечного перемещения (в дополнение к сопротивлению трения под шпалами). Ширина анкеров может покрывать или не покрывать полную ширину и/или глубину области шпального ящика в зависимости от уровня силы, необходимой для закрепления. Состав полимера выбран на основании требуемой жесткости и прочностных свойств,требуемых от композита. В частности, предел прочности и свойства сопротивления срезу полимера определяются как часть процесса расчета. На фиг. 3 а и 3b показана структура, предназначенная для стабилизации вертикального перемещения шпал, возникающего в области слабых грунтов или в маневровых зонах, подверженных высоким вертикальным усилиям на рельсы, в качестве которой используется обычная конструкция в виде лестницы. При этой конструкции стабилизируется только балласт ниже основания шпал, как показано на фиг. 3 а и 3b. Лестница содержит брусья 17, 18, проходящие по боковым сторонам балласта, и поперечные брусья 19, проходящие поперек пути между брусьями 17, 18 и между шпалами 11. Все брусья 17, 18 и поперечные 6 брусья 19 находятся ниже уровня шпал и по всей глубине слоя балласта и сформированы из стабилизированного полимера; конструкция лестницы (стабилизация типа 1) может быть использована только, если глубина балласта 12 достаточна для фрикционной фиксации нестабилизированного балласта под шпалой (т.е. фрикционные свойства нестабилизированного балласта использованы для фиксации нестабилизированного балласта в примыкающем стабилизированном/армированном балласте шпального ящика). В областях слабых грунтов свойства полимеров (например, жесткость полимера) выбираются для выполнения в ослабленной зоне основы стабилизированного балласта с эффективным демпфированием. Если жесткость полимера достаточно высока, то создается более ровное распределение напряжения на границе грунтового основания. Для маневровых зон, требующих высокого объема работ по обслуживанию, свойства полимера выбираются так, чтобы обеспечить более эффективное распределение больших вертикальных усилий при переключении, но при этом сохранить хорошие демпфирующие свойства композита. На фиг. 4 а и 4b показана конструкция типа 2 для плохих грунтов и стрелок с большим объемом технического обслуживания, где глубина балласта недостаточна для фиксации нестабилизированного балласта под шпалой в стабилизированный балласт шпального ящика (или вертикальные усилия на пути слишком велики). Таким образом, возможно перемещение и проникновение балласта под шпалой в грунт. Возможен подъем шпалы для стабилизации балласта прямо под шпалой (это потребовало бы отдельного устройства), но зачастую такой подъем нежелателен, поскольку он может привести к появлению неровности пути. В такой конструкции в различных местах шпал 11 просверлены отверстия 20 для обеспечения протекания/введения полимера в подстилающий балласт и его полной/частичной стабилизации, как показано на фиг. 4 а и 4b, образуя в дополнение к лестничной конструкции фиг. 3 а, 3b, включающей параллельные боковые брусья 17, 18 и поперечные брусья 19 ниже и между шпалами 11, множество анкерных штырей 21 ниже шпал. В конструкции для стабилизации мокрого пятна на фиг. 5 а и 5b предполагается, что балласт 13 сильно загрязнен из-за просачивания изпод грунтового основания (грязевой накачки) и должен быть заменен до обработки полимером. Затем замененный балласт 12 стабилизирован с использованием полимера, создающего стабилизированный слой 22. Полимер также разработан для объединения на поверхности раздела балласт/основание балласта для образования интегральной полимерной мембраны 23. Мембрана останавливает просачивание из-под грунтового основания, но должна быть применена только при большой уверенности в производи 7 тельности слоя дренажа. Правильно считать, что глубина стабилизированного балласта (от поверхности раздела балласт/основание балласта) может проходить до основания шпалы, но показана она со слоем нестабилизированного балласта 12. На фиг. 6 а и 6b показана конструкция с использованием полимера для обеспечения того, чтобы поперечные допуски пути находились в точно установленных пределах. Например, эта конструкция могла бы быть использована для обеспечения размещения приближенных габаритных строений в туннелях и на железнодорожных платформах и в заданных пределах. Глубина нанесения полимера, в основном, устанавливается от поверхности верхнего уровня шпалы до поверхности ниже основания шпалы,как показано на фиг. 6 а и 6b. В основном, это не является необходимым для стабилизации всех областей шпального ящика, однако, это зависит от уровня нагрузки и заданного срока службы. Жесткость полимера обычно устанавливается высокой для обеспечения того, чтобы жесткость композита оставалась высокой (обеспечивая низкие смещения композита). Как показано,создаются боковые брусья 24 из балласта, стабилизированного до верхних поверхностей шпал, и поперечные брусья 25 между чередующимися парами шпал 11. Как показано на фиг. 7 а и 7b, полимер используется для создания непрерывного стабилизированного покрытия 26 на поверхности балласта вокруг шпал 11, показанных на фиг. 7. Назначением этого покрытия 26 является лишь стабилизация поверхности балласта (хотя глубина покрытия может проходить ниже шпалы,если требуется высокая степень стабилизации). Покрытие 26 используется для создания стабильности балласта от ветровых сил, создаваемых поездом, потери плотности из-за вибрации балласта и других проблем, таких как вандализм. Для проблем, связанных с вибрацией,жесткость полимера, в основном, устанавливается низкой для усиления демпфирующих свойств полимера. Вибрация может создаваться многими источниками, включая грунтовые волны, производимые высокоскоростными поездами (они могут быть высокими на насыпных структурах или на железнодорожном пути на слабых грунтах) или чрезмерной вибрацией других путевых конструкций, таких как мостовые полотна, вибрирующие на своих характеристических частотах. На фиг. 8 а и 8b показан вариант конструкции для стабилизации циклического верха. Проблемы, связанные с циклическим верхом,в основном, происходят из-за проблем с неровностями путей или из-за динамического движения локомотива и/или вагонов. Например, площадка с мокрым пятном может создавать колебания в системе подвески поезда, вызывая синусоидальное движение, порождающее измене 004335 8 ния динамических усилий на рельсы по длине пути. Такое синусоидальное движение порождает постоянное перемещение балласта при данной длине волны. Циклический верх может также происходить от проблем вроде неровностей грунтового основания. Конструкция для такого вида проблемы основывается на образовании из двух продольных брусьев 27, 28 из композита полимер/балласт, которые проходят по неблагополучным областям. Брусья могут быть непрерывными (как показано на фиг. 8) или могут использовать механизм фиксации балласта, содержащий поперечные брусья 29 под шпалами, как описано далее в примерах 2 и 3. На прямых участках пути поперечное перемещение может быть незначительным и, следовательно, стабилизация балласта шпального ящика необходима лишь в определенных местах шпального ящика (например, каждого третьего из четырех шпальных ящиков). Задачей такой стабилизации шпальных ящиков является обеспечение того, что брусья 21, 28 остаются поперечно связанными. Так как этот тип стабилизации предназначен, в основном, для больших длин путей, свойства полимеров выбираются на основе меняющихся свойств грунтов. Например, в качестве критерия конструкции при определении жесткости полимера может быть выбрана величина модуля по всему пути. Наконец, на фиг. 9 а и 9b показано устройство стабилизированного балласта для стабилизации изгибов на насыпях. Конструкция, предложенная на фиг. 2 а и 2b, для увеличения поперечной стабильности железнодорожного пути может быть недостаточной (в основном, пассивное сопротивление обочин ниже, чем для путей, расположенных не на насыпях). В этих случаях может понадобиться клин балласта 30 для увеличения поперечной устойчивости. Этот клин (или клинья) балласта 30 превышает обычную глубину стабилизации и используется для увеличения пассивного сопротивления стабилизированного пути, как показано на фиг. 9 а и 9b. Клинья балласта могут быть образованы из стабилизированного балласта, как показано на фиг. 9 а и 9b, или они могут быть выполнены из другого типа материала, который может использоваться для создания дополнительной силы закрепления (такого как стальные гвозди для грунта). Свойства полимера выбираются, исходя из критериев, показанных в примере 1. Вся верхняя часть балласта 31, определяющая изгиб кривой, стабилизируется посредством добавления полимера. Клинья балласта 30 расположены в продольном направлении пути ниже рельсов. Стабилизированные брусья 31 могут быть размещены с обеих сторон шпал 11 для противостояния поездам, которые имеют большую или меньшую скорость, чем расчетная скорость для изгиба пути. Полная стабилизация насыпи может быть получена (возможно для слабых 9 насыпей) посредством использования технологии забивки гвоздей в грунт для увеличения прочности и жесткости насыпи в комбинации с технологией стабилизации полимером для увеличения поперечной (и вертикальной, если необходимо) стабильности пути. На фиг. 10 а и 10b показано устройство для снижения объема технического обслуживания балласта магистрали. Общепризнанно, что при строительстве нового железнодорожного пути объем технического обслуживания пути можно снизить, обеспечивая такую форму поверхности грунтового основания, что она является параллельной рельсу. Это помогает предотвратить такие проблемы, как память балласта, при которых поверхность балласта (например, на уровне шпал) принимает ту же форму, что и неровная поверхность грунтового основания. При строительстве новой линии в точке размещения балласта на пути может быть нанесен полимер для размещения данного слоя балласта 32 параллельным рельсу. Этот слой балласта 32 укладывается на точно установленном уровне и проходит внутри балласта в зависимости от конструкции и заданной долговечности, как показано на фиг. 10 а и 10b. Такой подход помогает предотвращать образование углублений в балласте и, следовательно, снижает вероятность путевых неисправностей. При модернизации существующего пути может быть использована та же самая технология для увеличения срока службы обновленного пути для неровных/ровных грунтовых оснований. При очистке/восстановлении балласта полимер может быть нанесен способом, аналогичным способу для нового пути. Полимер снова использован для формирования нижнего композитного слоя балласта, который является параллельным рельсу. Конструкция могла бы основываться (например) на стабилизации балласта от его середины вниз до неровной границы основания балласта/грунтовое основание. То, что верхний слой балласта не стабилизирован, позволяет осуществлять обычные операции тромбования. Как и при строительстве новых путей,свойства полимера и нагрузка должны быть согласованы с заданными грунтовым основанием и уровнем нагрузки, посредством такого критерия конструкции, как величина путевого модуля. На фиг. 11 показано обычное нанесение полимера для образования композитного слоя 32 нижней поверхности балласта при операции по очистке балласта с неровными основанием балласта и/или слоем грунтового основания. Так как эта технология применяется на большой протяженности пути, свойства полимеров нуждаются в изменениях, чтобы соответствовать изменению свойств пути. Поэтому, вероятно,что такая технология, как использование радиолокатора, просвечивающего грунт, была бы нужна для исследования профиля грунтового основания вдоль пути. Разделенный укладчик 10 33 наклонного балласта использован для размещения первого слоя балласта перед насадкой 34 нанесения, а потом дополнительного слоя необработанного балласта 12 над стабилизированным слоем балласта 32. Разработанная технология стабилизации полимера может быть использована для получения переходных зон для обеспечения более гладкого изменения модуля пути при внезапных изменениях жесткости пути. Например, композит полимер/балласт может быть использован для формирования переходной зоны от относительно слабой структуры насыпи к жесткому бетонному мостовому полотну. Конструкция включала бы пространственное расположение полимера, например полученную стабилизацию низкого уровня, идущую до моста, в комбинации с заданными изменениями свойств полимера. За счет изменения свойств по всему стабилизированному балласту могут быть получены изменения в волне сдвига в балласте и путевых скоростях для модификации путевой динамики. Назначением переходной зоны является способствование уменьшению таких проблем, как подскакивание поезда, которые возникают при неожиданных изменениях жесткости пути. Сложный рисунок перехода, получаемый, когда поезд соприкасается с твердыми структурами,из-за волн в грунте пути, может увеличить объем работ по обслуживанию балласта. Разработанная обработка стабилизации балласта может уменьшить объем технического обслуживания в этих областях. Пример полученного стабилизированного бетонного мостового полотна с балластом въезда и съезда показан на фиг. 12. В этом примере конструкции жесткость и пространственное расположение полимера увеличиваются по мере того, как железнодорожный путь приближается к мостовому полотну (и наоборот, когда он отдаляется от моста), для обеспечения плавного перехода с насыпи на мост. На мостовом полотне жесткость полимера снижена и его демпфирующие свойства улучшены для снижения проблем, связанных с вибрацией(и истиранием балласта). В этих конструкциях может быть желательно введение резиновых подкладок или других типов систем, поглощающих энергию, ниже шпалы для обеспечения более гибкого основания шпалы, если это нужно. Мостовое полотно 35 покрыто полным слоем из стабилизированного балласта 36, которая скошена на каждой стороне полотна, тогда как частичный слой из стабилизированного балласта 37 образован на каждой стороне моста, ведущей к скошенному концу слоев 36 и от него. Переходные зоны могут быть сформированы или путем увеличения скоса стабилизированного балласта, как на фиг. 12, или путем использования ступенчатой конструкции. Пример применения способа, проиллюстрированный блок-схемой на фиг. 13, является стабилизацией ряда точек, по которому регу 11 лярно проходят осевые нагрузки 25 т при 110 миль/ч. Этот участок линии оценен при 35 Миллионов Тонн Брутто (МТБ) и использованы точки для отвода товарных поездов на стрелочный перевод к сортировочной станции. Поперечное перемещение рельса в точках (расположенных на пути с балластом), измеренное оперативной аппаратурой поезда, составляет порядка 15-25 мм в зависимости от фактической нагрузки на ось и скорости в момент нагрузки. Техническое обслуживание точек обычно выполняется с 6-8-месячными перерывами (часто точки снова выровнены). Обследования площадки показывают, что балласт является типом кристаллического базальта с D50, составляющим 28 мм. Глубина балласта составляет 300-400 мм,со слоем основанием балласта, составляющим 120-150 мм и покрывающим грунтовое основание с илистой глиной, внутри небольших углублений. Показания CBR и показания конического пенетрометра грунтового основания показывают величины жесткости 100-120 МПа. Коэффициент поперечного сжатия для этого типа материала составляет 0,4 с коэффициентами сопротивления срезу с'=4 кПа и '=29. Измерения плотности по месту показали удельный вес насыпки около 18 кН/м 3. Укладка грунтового основания на поверхности известна, и, таким образом, такой локатор, пронизывающий почву,не нужен. Скорость волны сдвига в грунтовом основании вычислена и составляет около 150 м/с. При 110 миль/ч максимальная скорость поезда составляет 49 м/с. Следовательно, при текущих скоростях поезда (скорость поезда составляет менее 60% скорости волны сдвига в грунте) не следует ожидать наступления транссейсмического состояния. Критические путевые скорости также находятся за пределами текущих скоростей поезда. Поэтому этот пример, прежде всего, концентрируется на статическом анализе пути. Величины жесткости балласта и основания балласта составляют около 200 и 120 МПа, с полностью фрикционными силами ' +46 и ' 38 соответственно. Коэффициент пустот в балласте составляет около 0,72 с удельным весом 16 кН/м 3). Рельс (Е=210 ГПа, =7850 кг/м 3) и рельсовые балласты (Е=200 МН/м) являются стандартными на магистралях Великобритании,прикрепляемыми болтами к деревянным шпалам длиной 2,6 м, высотой 0,14 м и шириной 0,26 м. Среднее расстояние между шпалами составляет 0,38 м. Никаких признаков грязевой накачки не наблюдается, образование мокрых пятен на этой конкретной площадке нельзя считать существенным. Это подтверждается наблюдаемым должным образом осуществляемым дренажем пути. Загрязнение балласта из-за его перенапряжения является очевидным. Это происходит из-за больших поперечных усилий, ко 004335 12 гда грузовые поезда направляются на стрелочный перевод. Расчеты предполагаемых вертикальных и поперечных усилий от поезда (с использованием стандартных процедур, например процедур, опубликованных в руководствах Ассоциации Строительства Железных дорог в Великобритании и Америке (ААСЖД предлагают динамические коэффициенты усиления, составляющие 1,5-2 статических нагрузок на ось по вертикали при 100-110 миль/ч и 1,2 статических нагрузок на ось по горизонтали при стрелочном переводе 15 миль/ч. Эти величины используются в совокупности с параметрами материала исследуемой площадки как входные значения для статической математической модели, основанной на способе конечного элемента. Используемой статической математической моделью является программа конечного элемента ДИАНА, которая, в основном, доступна и представляет текущее состояние в отрасли в терминах программ конечного элемента, доступных на рынке. Трехразмерная сетка конечных элементов содержит 2100 элементов следующих типов: трехузловые брусчатые элементы класса III и двадцатиузловые изопараметрические кирпичные элементы. Используется полная интегральная схема, и граничные условия являются сглаженными в соответствующих вертикальных направлениях и фиксированными в основании. Сетка проходит в несколько слоев для моделирования различных глубин балласта,оснований балласта и грунтовых оснований. Изменение свойств материалов балласта в соответствии с их пространственным положением моделирует изменение плотности балласта. Предполагается, что рельсы, крепеж и шпалы являются упругими. Предполагается, что балласт, основание балласта и грунтовое основание являются нелинейными и моделируются с использованием составной модели грунта из эластичных пластиков Мора-Колумба, использующей неассоциативное правило пластической деформации. Предполагается расширение материала для балласта и основания балласта, основанное на критических углах трения для двух материалов. Конфигурации локомотивов для определения нагрузки от поезда включают КЛАСС 87HST. Случаи с товарной загрузкой включали 100-тонный GLW товарный вагон класса В (например, с диаметром колес=0,95 м, межцентровым расстоянием=2,0 м, длиной ходовой части=13 м, нагрузкой на ось=25 т). Дополнительный коэффициент умножения 1,5 используется для моделирования увеличении коэффициента динамической нагрузки для колесных вагонов-платформ. 13 Математическая модель сначала используется для проверки величин текущих поперечных смещений (между 10-25 мм поперечное отклонение в зависимости от прикладываемого поперечного усилия). Как только смоделированы измеренные величины смещения, модель конечного элемента считается откалиброванной, и различные конструкции обследуются и анализируются для определения оптимальной конструкции для добавления композита полимера. Для определения свойств нужного расчетного полимера используется итеративный процесс в комбинации с новой проектируемой путевой конструкцией. Заданная характеристика установлена с 5 мм поперечным отклонением при поперечной нагрузке от поезда. Фактически конструкция, используемая для стабилизации площадки, является оттягиваемой конструкцией (обследованы несколько конструкций, и их эксплуатационная характеристика соответствовала расчетной характеристикe). В данном конкретном случае краевой брус из композита стянут с образованием шпального ящика с использованием полимерного композита (стяжки находятся ниже основания шпалы). Жесткость полимера обычно составляла Е=500 МПа, и нагрузка на балласт составляла 10% от массы балласта. Эта конструкция показывает,что достигается значительное увеличение в поперечной стабильности по сравнению с обычной стабилизацией краевого бруса. Осуществленное моделирование показывает увеличения поперечной стабильности в данном конкретном случае приблизительно в 6 раз большие, чем при обычном нестабилизированном балласте, и в 4 раза большие, чем при стабилизации только крайнего бруса, при приложении нагрузки от поезда. Результаты математической модели тщательно изучаются в отношении напряжений,деформаций, смещений и т.д. для сохранения этих количеств внутри приемлемых пределов выносливости для выбранных композита/полимера. Математическая модель также использована для исследования областей возможных пластических деформаций, вызывающих постоянные перемещения пластика, и для обеспечения, при необходимости, возможности модификации конструкции и расчета запасов прочности. Для получения оптимальной загрузки полимера для расчетных свойств жесткости и цикличности композита были проведены лабораторные испытания. Результаты этих лабораторных испытаний используются для оценки разработанной долговечности площадки, обработанной посредством применения аналогичных уровней девиаторных напряжений, как и вычисленные с помощью математической модели. Испытания включают испытания образца при прямом сдвиге, испытание при трехмерном сжатии (постоянном и циклическом) и циклические испытания на граничных значениях, т.е. трех 004335 14 мерные испытания образца. Результаты испытания при прямом сдвиге (размеры 300 х 300 мм) показали, что неармированный (нестабилизированный) балласт для конкретного случая полимерной загрузки имеет коэффициенты сопротивления срезу с 3=окПа и '=46. Добавление полимера при 10 % загрузке (от массы балласта) к балласту увеличивает коэффициенты сопротивления срезу с 3=окПа и '=46, показывающие значительное увеличение усилия. Эти величины были получены неподтвержденными трехмерными испытаниями на сжатие. Так же были испытаны циклические свойства армированного балласта. В первом из этих испытаний было проведено неподтвержденное циклическое испытание трехмерным сжатием с армированием в моделирующем пики компьютере, моделировавшем уровень девиаторного напряжения. Результаты показали накопленную пластическую деформацию 0,4% при пиковом циклическом уровне девиаторного напряжения в 384 кПа (как вычислено в соответствии с математической программой) после 20000 циклов нагрузки. Второй образец был циклически нагружен пиковой нагрузкой 768 кПа (запас прочности составлял удвоенный уровень внутреннего напряжения). Снова было зарегистрировано около 0,4% накопленных пластических деформаций. При моделируемом испытании на граничных значениях (обычно испытании трехмерного образца для железнодорожного балласта) к поверхности стабилизированного балласта (через нагружающую верхнюю породу) были приложены 2,66 миллионов циклов нагрузки при нагруженном состоянии конструкции для получения заданной величины МТБ для 10-летнего нагружения WCML (Главной Линии Западного Побережья). Стабилизированный балласт проявил пластическую деформацию около 1,0 мм. Обычные результаты для испытаний неармированного циклического балласта при таком уровне загрузки имеются, в основном, в литературе и указывают величины накопленного смещения между 30-40 мм. Свойства разработанного армированного балласта, таким образом, гораздо лучше по сравнению с неармированным балластом и по усилию, и по свойствам цикличности. Никакие признаки истирания балласта не наблюдались. На основании результатов лабораторных испытаний и математического моделирования было сделано изменение конструкции для уменьшения концентраций напряжений на концах шпал. Таким образом, конструирование является итеративным процессом, принимая во внимание результаты математического моделирования и лабораторных испытаний в комбинации с предполагаемыми параметрами нагрузки и заданными критериями свойств, для получения оптимальной конструкции для этого набора точек, чтобы обеспечить нахождение всех кри 15 териев конструкции (смещения, деформации и напряжения и т.д.) в допускаемых пределах. Конструкция конечного композита, следовательно, удовлетворяет расчетным критериям характеристик долговечности для предела поперечных смещений 5 мм за 10 лет на Главной Линии Западного Побережья. Таким образом,этот процесс дает полную методику проектирования и возможность прогнозирования для модифицированного железнодорожного пути, стабилизированного полимером. До настоящего времени осмотр местным подрядчиком после обработки показывал, что обработанная площадка выполнена согласно проекту. В этом примере не нужен полный динамический анализ, поскольку грунтовое основание и путевые критические скорости значительно выше, чем текущие скорости поезда. Однако,если жесткость грунтового основания низка(или соблюдаются любые другие специальные показатели/условия пути, например значительные неисправности пути, приводящие к большим динамическим путевым усилиям), то необходим дополнительный к вышеупомянутому примеру этап проектирования. Для обеспечения полной динамической конструкции и анализа железнодорожного пути, и затем железнодорожного пути, обработанного полимером, используется трехмерная динамическая программа конечных элементов. Программа позволяет пользователю обследовать изменения характеристики пути после нанесения полимера и представляет сложный инструмент расчета путевых инженеров. Примеры соответствующих МКС композиций изложены ниже. Точные пропорции ингредиентов, и даже используемые диизоцианаты и полиолы в полиуретане могут быть изменены вместе с физическими свойствами, такими как вязкость, как определено результатами процесса анализа, изложенного выше. Пример 1 (Нанесение на железнодорожный путь). Слой балласта содержит совокупность измельченного известняка среднего размера 40 мм, и он связан до глубины 300 мм между шпалами и рельсами пути. МКС содержит, например, полиуретан,имеющий следующий состав, смешанный с использованием установки на базе Graco Hyrocat(товарный знак), и разлита на глубину 300 мм на заранее уложенный балласт. Основанием для этого 300 мм слоя балласта служит песчаное покрытие. Конструкция может потребовать излишков полимера, протекающего сквозь балласт, для создания барьера от перемещения наверх песка или слоя грунтового основания. Полиуретан содержит следующие два компонента, которые хранятся отдельно до разливания, затем смешиваются и разливаются вместе. 16 Компонент А (полиол): Касторовое масло Сорбит на основе простого полиэфира Простой полиэфир диола Метил-нафталин (VYCEL U(товарный знак Тройной (2-хлоропропил) фосфат Силикат натрий алюминия(Zeolith (товарный знак) порошок) Фенил эфир жирных кислот,содержащий двухвалентную ртуть(Thorcat 535 (товарный знак Диалкил оловянный меркаптид Компонент В (изоцианат): Полимерный диметилен дифенил диизоцианат (MDI) 100% вес.частей Соотношение двух компонентов смеси: Компонент А 100 частей Компонент В 56 частей Композиция, включая балласт на уровне 5%, дает следующие механические свойства: Объемная плотность 1,55 у/сс Модуль сжатия 100-800 Пример 2 (Нанесение на железнодорожный путь). 10% загруженный железнодорожный балласт приготовлен с использованием композиции полиуретана/битума. Форполимер с концевыми изоцианатными группами добавлен к катионному битуму в следующих пропорциях: Огнестойкий эмульгируемый форполимер на основе простого полиэфира 20 вес.частей 60% эмульсия катионного битума 100 вес.частей Форполимер основан на следующем:Vycel-U 5 вес.частей Композиция форполимер/битум распыляется на балласт со скоростью, обеспечивающей 10% загрузку. Композиция отверждается через 2 ч и обеспечивает упругое твердое тело, чья прочность на сжатие при 10% выходе составляет 50 МПа при 15 С. Другие системы отверждения для полиуретанового форполимера включают использование щелочных веществ, таких как раствор кремнекислого натрия, гидроокись кальция и гидроокись магния и эмульсия гидроокиси магния, а также других эмульсий органических полимеров. Аналогично эти смеси могут быть использованы для связывания сыпучих материалов, таких как балласт, для создания сильного 17 опорного композита. Давление, состав, количество и расположение, подлежащие распылению или какому-либо другому нанесению на слой балласта, определяются математическим моделированием воздействия напряжений от различных скоростей поездов и нагрузкой для определения композита полимер/балласт, необходимого для получения расчетного срока сохранения приемлемых характеристик. Очевидно, что транспортное движение, включающее высокий подъем тяжелых локомотивов с загруженными минералами поездами будет вызывать различные напряжения по сравнению с легкими, но высокоскоростными поездами или нечастыми,более медленными и более легкими пассажирскими элементами. Полимерное образование обеспечивает,чтобы балласт был смочен, и впоследствии позволяет установить прочный композит по месту на основании пути, которое обеспечивает долгосрочное управление нагрузкой и вибрацией пути. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ стабилизации сыпучих материалов, при котором а) обследуют с использованием измерительного устройства состояние площадки,включая поверхность и подповерхностную структуру площадки,в) анализируют полученные таким образом результаты для определенияi) местоположения, где должна наноситься совокупность многокомпонентных систем(МКС),ii) количество МКС, которое следует использовать,iii) необходимые свойства МКС, и с) осуществляют выборочное нанесение МКС на сыпучие материалы на площадке, как это было определено на этапе в). 2. Способ по п.1, при котором дополнительно анализируют требуемые характеристики введения ингредиентов и анализируют структуру сыпучих материалов на площадке. 18 3. Способ по п.2, при котором дополнительно выбирают или формируют подходящий материал для покрытия МКС. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, при котором МКС выборочно наносят на балласт при укладке железной дороги для создания структуры стабилизированного балласта, причем части балласта являются стабилизированными, а другие части оставлены необработанными с помощью МКС. 5. Способ по п.4, при котором используют МКС, содержащую систему из полимера на основе полиуретана, предназначенную для связывания и тем самым стабилизации камней, образующих основание балласта железной дороги. 6. Структура, содержащая основание балласта на железнодорожном пути, в которой балласт выборочно обработан с помощью МКС для стабилизирования части балласта и сохранения других частей необработанными, так что стабилизированные части балласта образуют армирующие элементы для основания балласта. 7. Структура по п.6, в которой стабилизированные части балласта содержат элементы,расположенные вдоль пути снаружи шпал, и дополнительные элементы, расположенные поперек пути, ниже и между шпалами. 8. Структура по п.6 или 7, в которой МКС содержит одноэлементный предшественник из органического полимера или полимера, который может быть залит на балласт и отвержден посредством реакции с атмосферной влагой или кислородом, посредством испарения, последующего применения обработки отверждающим реактивом с облучением или нанесения в качестве провайдера и расплава на балласт. 9. Структура по пп.6 или 7, в которой МКС содержит два или более компонентов, которые были предварительно смешаны до разлива на балласт. 10. Структура по любому из пп.6-9, в которой полимер смешан с балластом до размещения на основании балласта и отверждения полимера. 11. Структура по любому из пп.6-10, которая получена способом по любому из пп.1-5.