Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современный этап развития железнодорожного транспорта характеризуется постоянным увеличением скоростей подвижных составов и грузонапряженности пути. В таких условиях наличие неисправностей верхнего строения пути и дефектов земляного полотна в виде балластных лож и углублений приводит к повышенному динамическому воздействию движения поездов на земляное полотно. При этом известно, что одной из возможных причин потери устойчивости земляного полотна является динамическое воздействие подвижного состава, приводящее к возникновению в насыпи сдвигающих инерционных сил и с течением времени вызывающее снижение прочностных характеристик фунтов.
В настоящее время для повышения устойчивости откосов используются различные методы, в том числе физико-химические, которые приводят к увеличению прочностных характеристик фунтов. С недавнего времени для повышения устойчивости длительно эксплуатируемых насыпей начал применяться метод, заключающийся в упрочнении фунтов земляного полотна инъекциями фунтоцементного раствора, в котором в качестве составляющих компонентов используется цемент, глинистый фунт, песок и вода. Однако широкому практическому применению такого способа упрочнения фунтов препятствует отсутствие решения по ряду сопутствующих задач. Так, в нормативной литературе отсутствует методика оценки устойчивости насыпей, упрочненных указанным способом, в том числе, с учетом динамического воздействия подвижных составов. Не изучен характер изменения прочности упрочненного фунта в зависимости от количества внедряемого фунтоцементного раствора и интенсивности динамического воздействия. Практически отсутствуют данные о значениях и характере распространения амплитуд ускорений колебаний по поперечному сечению упрочненного земляного полотна.
Решение перечисленных вопросов позволит повысить качество проектных решений, направленных на увеличение устойчивости откосов насыпей в процессе их реконструкции и капитального ремонта. Эта задача становиться особенно актуальна в связи с планируемым развитием железнодорожного транспорта в рамках стратегии, принятой правительством РФ.
Степень разработанности темы исследований. Отсутствие всестороннего научного обоснования работ по упрочнению фунтов инъекциями фунтоцементного раствора на длительно эксплуатируемых насыпях Западно-Сибирской и Красноярской железных дорогах не позволяет производить объективные расчеты устойчивости и назначать объемы инъектируемого раствора. Для повышения качества проектных решений по увеличению устойчивости
земляного полотна железных дорог необходимо изучить параметры колебательного процесса упрочненных насыпей, определить характеристики прочности упрочненных грунтов при динамическом воздействии и развить существующую методику расчета устойчивости откосов насыпей, упрочненных инъекциями ґрунтоцементного раствора.
Объектом исследования является земляное полотно железных дорог, упрочненное инъекциями цементно-песчано-глинистого (ґрунтоцементного) раствора.
Предметом исследования является устойчивость упрочненного земляного полотна железных дорог с учетом динамического воздействия от подвижных составов.
Цель работы. Повышение устойчивости земляного полотна железных дорог путем упрочнения его грунтов инъекциями цементно-песчано-глинистого (ґрунтоцементного) раствора при выполнении расчетов с учетом динамического воздействия поездной нагрузки.
Задачи исследования, обеспечивающие достижение поставленной цели:
-
Установить значения и зависимость изменения амплитуд максимумов ускорений колебаний в теле земляного полотна от количества упрочняющего раствора, скорости и нагрузки на ось подвижного состава.
-
Установить зависимости изменения прочностных характеристик упрочненных грунтов от количества упрочняющего раствора и амплитуды ускорений колебаний.
-
Разработать методику оценки устойчивости упрочненного земляного полотна с учетом динамического воздействия поездной нагрузки.
-
Определить расход упрочняющего раствора, достаточный для обеспечения требуемого динамического коэффициента устойчивости насыпей, сложенных глинистыми грунтами, на железнодорожных линиях I и II категории.
Научная новизна работы.
-
Экспериментально установлены значения и получена зависимость изменения амплитуд максимумов ускорений колебаний в теле упрочненного железнодорожного земляного полотна от количества внедренного упрочняющего раствора, скорости и нагрузки на ось подвижного состава.
-
Получены значения и зависимости изменения параметров динамической прочности упрочненного фунта от количества упрочняющего раствора и амплитуды ускорений колебаний.
-
Предложена схема расчета устойчивости земляного полотна, упрочняемого инъекциями ґрунтоцементного раствора, учитывающая динамическое воздействие поездной нагрузки.
-
Определен расход упрочняющего раствора, достаточный для обеспече-
ния в рассматриваемых фунтовых условиях требуемого динамического коэффициента устойчивости насыпей на железнодорожных линиях I и II категории.
Теоретическая и практическая значимость работы. Выполненные исследования позволили разработать методику расчета устойчивости упрочненных насыпей, которая может использоваться специализированными организациями для разработки проектов упрочнения грунтов земляного полотна при повышении его устойчивости в процессе реконструкции и капитального ремонта.
Методология и методы исследования. Методологической основой исследования явился системный подход в определении объекта и предмета исследования, выборе методики, процедур и технических средств, обеспечивающих получение и обработку эмпирического материала. В исследовании использованы методы эмпирического и теоретического уровня. В составе методов эмпирического уровня при помощи специально разработанных автором технических средств выполнены полевые измерения, необходимые для получения значений параметров ускорений колебаний на ранее упрочненных участках земляного полотна. В лабораторных условиях выполнено экспериментальное изучение параметров прочности фунта при динамическом воздействии. В состав методов теоретического уровня вошли анализ и сопоставление имеющейся по теме диссертации информации (нормативные документы, положения и достижения российских и зарубежных ученых), математические методы теории вероятности, теории ошибок и статистической обработки, численное моделирование.
Положения, выносимые на защиту:
результаты полевых исследований распространения амплитуд ускорений колебаний в теле упрочненного железнодорожного земляного полотна: зависимость изменения максимальных амплитуд ускорений колебаний от количества упрочняющего фунтоцементного раствора, скорости и нафузки на ось подвижного состава;
результаты лабораторных исследований: зависимости изменения характеристик прочности упрочненного фунта (с и ср) от количества внедренного упрочняющего фунтоцементного раствора (Q(pd)) и амплитуды ускорений колебаний (в замеренном диапазоне);
методика оценки устойчивости упрочняемых насыпей с учетом динамического воздействия поездной нафузки;
результаты расчетов по определению количества упрочняющего ґрунтоцементного раствора, обеспечивающего требуемое значение коэффициента устойчивости земляного полотна на железнодорожных линиях I и II категории.
Достоверность результатов подтверждается применением современной аппаратуры, прошедшей метрологические поверки, апробированного про-фаммного обеспечения для обработки опытных данных, сравнением экспери-
ментальных данных с результатами математического моделирования и результатами мониторинга упрочненной эксплуатируемой железнодорожной насыпи. Апробация результатов работы. Основные результаты исследований докладывались на конференциях «Наука и молодёжь XXI века» (Новосибирск,
-
г.); региональной научно-практической конференции «Проблемы земляного полотна железных и автомобильных дорог в условиях Сибири» (Новосибирск, 2010 г.); научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения д-ра геол.-мин. наук, проф. Ф.А. Никитенко (Новосибирск,
-
г.); X научно-технической конференции с международным участием в рамках чтений, посвященных памяти проф. Г.М. Шахунянца (Москва, 2011 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе» (г. Новосибирск, 2012 г.); на научно-техническом семинаре в СГУПС (г. Новосибирск, 2013 г.) и научно-техническом семинаре в ТТАСУ (г. Томск, 2014 г.).
Внедрение результатов. Основные положения диссертации были использованы при проектировании упрочнения грунтов земляного полотна железных дорог на ряде участков Красноярской железной дороги.
Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ общим объемом 3,27 п.л. (в т.ч. авт. 1,66 п.л.), из них 2 статьи (0,82 п.л., в т.ч. авт. 0,41 п.л.) в ведущих научных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, списка иллюстраций и таблиц, приложений. Общий объем диссертации составляет 169 страниц машинописного текста, 57-и рисунков и 5-й таблиц. Список использованных источников включает 152 наименования, из которых 26 на иностранном языке.
