Исследование NTNU: до 70% локальных дефектов железнодорожного пути связаны с морозным пучением

Исследование Норвежского университета естественных и технических наук (NTNU) показало, что почти 70% локальных дефектов на участке железной дороги Тронхейм — Стёрен связаны с морозным пучением, а не с осадками основания. Основным фактором исследователь Руи Тао называет водопропускные трубы, через которые холодный воздух проникает внутрь насыпи и увеличивает глубину промерзания грунтов, передает NGI.

В рамках докторской работы были проанализированы данные диагностического поезда Roger 1000 за 2016–2020 годы на участке протяженностью 50 км. Всего выявлен 131 локальный дефект пути, 69,5% из них относились к пучению. Около 70% таких дефектов возникали повторно после проведения ремонтных работ.

Типичная скорость развития деформаций составляла от 0 до 3 мм в год, в отдельных случаях — 6–7 мм. По оценке автора исследования, выправка пути подбивочными машинами устраняет геометрические отклонения на поверхности, но не воздействует на причину деформаций в земляном полотне.

Полевые обследования показали связь участков пучения с водопропускными трубами, дренажными каналами и другими сооружениями для отвода воды. Открытая труба зимой создает дополнительный канал проникновения холодного воздуха в насыпь. При сочетании отрицательной температуры, пучинистого грунта и наличия воды формируются условия для роста ледяных линз.

Механизм был дополнительно проверен на физической модели водопропускной трубы в морозильной камере NTNU. Эксперимент подтвердил образование ледяных прослоек вследствие миграции воды к фронту промерзания. Именно рост ледяных линз в исследовании назван основным механизмом морозного пучения.

Теплоизоляция снизила неравномерное пучение до 90%

Для защиты земляного полотна исследователь смоделировал три решения: теплоизоляцию, предварительно напряженные георешетки и водонепроницаемый экран.

Наиболее эффективной оказалась теплоизоляция. В расчетах она снижала дифференциальное пучение на 48–90%. Гидроизоляционный экран и георешетки показали значительно меньший эффект.

В работе отмечается, что при проектировании новых водопропускных сооружений на железных дорогах защиту от промерзания целесообразно учитывать непосредственно в конструкции трубы и насыпи.

Для уже эксплуатируемых участков, где устройство теплоизоляции требует вскрытия земляного полотна, исследование предлагает использовать более точный мониторинг деформаций для планирования ремонтов.

Для мониторинга испытали данные Sentinel-1

Отдельная часть работы посвящена применению спутниковой радиолокационной интерферометрии PS-InSAR для контроля перемещений железнодорожного пути.

Метод был протестирован на участке длиной 52 км с использованием данных спутников Sentinel-1. После обработки спутниковых измерений четыре из семи выявленных аномалий совпали с происшествиями, зафиксированными локомотивными бригадами. Еще две были подтверждены данными диагностического поезда.

Докторская работа Rui Tao «Enhancing Identification, Quantification, and Mitigation of Ground Displacement-Induced Railway Abnormalities in Norway Using Multi-Source Data» выполнена на кафедре гражданского и экологического строительства NTNU. Исследование основано на данных диагностики пути, лабораторных испытаниях, термогидромеханическом моделировании и спутниковом мониторинге.