Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Лессовые грунты залегают на значительной части территории Республики Узбекистан, на 31% континентальной поверхности, причем эти районы являются объектами расширенного промышленно – гражданского, дорожного и ирригационного строительства. На сети АО «Узбе-кистон темир йуллари» 35 % длины земляного полотна сооружено из лессовидных супесей. При этом на участках со скоростями движения до 200 км/ч эта доля составляет примерно 32% от общей длины линий со скоростным движением поездов. Опыт эксплуатации скоростных линий в Республике Узбекистан показывает, что повышение скорости движения до 200 км/ч способствовало росту количества мест с повышенным расстройством пути, что привело к увеличению затрат на текущие содержание. По сравнению с обычными железнодорожными линиями, построенными в схожих инженерно-геологических условиях, на скоростных участках пути за период с 2011-2015 г. рост затрат, связанных с текущим содержанием составил 20-25 %. Ежегодно Узбекские железные дороги расходуют значительные средства на ремонт и усиление земляного полотна, однако его протяженность, подверженная различным деформациям, практически не сократились. При проработке перспективных планов развития компании было тщательно изучено состояние отрасли, на предмет выявления «узких мест», ключевых моментов, нуждающихся в корректировке для дальнейшего социально-экономического развития страны и компании. На перспективу развитие скоростных и высокоскоростных линий АО «Узбекистан темир йуллари» представляет собой следующее:
до 2016 года планируется окончание строительства магистральных линий Мароканд-Карши, Самарканд-Бухара;
до 2020 года планируется строительство скоростных и высокоскоростных магистральных линий Бухара – Ургенч, Навои – Канимех – Мискен – Ургенч;
до 2025 года планируется строительство скоростных и высокоскоростных магистральных линий Коканд - Маргелан – Андижан, Мискен – Нукус, Кашка-дарья – Бухара.
Каждый этап развития и эксплуатации линий скоростного движения на железных дорогах связан с осуществлением достаточно крупных и капиталоемких мероприятий по подготовке магистральных участков сети в регионах для организации скоростного и высокоскоростного движения. Анализ появления участков пути с повышенной деформативностью рельсовой колеи при скорости до 200 км/ч показал, что в 60% случаев они приходятся на земляное полотно, отсыпанное лессовидными супесями. 30% случаев, как правило, приходится на земляное полотно, отсыпанное из других глинистых грунтов. Известно, что рост скорости поездов приводит к значительному увеличению вибродинамической нагрузки,
передающегося грунтам земляного полотна. В свою очередь установлена высокая чувствительность глинистых грунтов к вибродинамическим воздействиям, проявляющегося в виде снижения как прочностных, так и деформативных характеристик грунтов земляного полотна. Это влечет появление дополнительных деформаций основной площадки, что в конечном счете, вызывает увеличение количества участков с расстройствами пути. Таким образом, рост количества больных мест при прочих равных условиях при реализации скоростей до 200 км/ч связан со снижением как прочностных, так и деформативных характеристик лессовидных супесей под действием повышенной вибродинамической нагрузки. В Республике Узбекистан вопросам прочности земляного полотна железных дорог, сооружаемого из лессовидных грунтов, посвящен ряд исследований. В отношении деформативности при движении скоростных поездов такие работы отсутствуют. Таким образом, до настоящего времени остаются нерешенными проблемы не только влияния различных факторов на деформативные свойства лессовидных супесей, но и недостаточно достоверно при проектировании прогнозируются деформации железнодорожного пути на таких участках при вибродинамических нагрузках от скоростных поездов. Очевидно, что для прогнозирования величин деформаций рабочей зоны земляного полотна необходимо иметь надежные показатели, характеризующие деформативные свойства лессовидных супесей при воздействии вибродинамических нагрузок. Существующие нормативные документы в области проектирования насыпей и выемок, применяемые в Республике Узбекистан не содержат четких норм, регламентирующих допустимый уровень деформативности подшпального основания, в том числе для участков скоростного движения. Данное обстоятельство определяет необходимость проведения исследований, результаты которых позволят обосновать конструктивные решения рабочей зоны земляного полотна, сооружаемого из лессовидных супесей, с позиции обеспечения требуемой деформативности, гарантирующие безопасность движения.
Степень разработанности темы. На сегодняшний день методы расчета при проектировании рабочей зоны земляного полотна не учитывают изменение механических свойств лессовидных супесей под действием возникающих колебаний в грунтах от проходящих скоростных поездов. Как известно, вибродинамическое воздействие оказывает существенное влияние на снижение прочностных и деформативных свойств глинистых грунтов, достигающее порой 50-60% при действии повышенных вибродинамических нагрузок, что однозначно требует учитывать это явление при проектировании конструкции подшпального основания, включая рабочую зону земляного полотна. В настоящий момент времени известны отдельные работы, посвященные исследованию только прочностных характеристик отдельных разновидностей лессовидных грунтов для участков обращения поездов со скоростями до 100 км/ч. Для решения заявленной проблемы
в части обеспечения требуемого уровня деформативности земляного полотна из лессовидных супесей и в целом подшпального основания, необходимо иметь данные, отражающие влияние вибродинамического воздействия от скоростных поездов на деформативные характеристики рассматриваемых грунтов. Однако, такие исследования до настоящего времени не проводились, что и определило актуальность работы, ее цели и задачи.
Цель работы. Целью работы является разработка обоснованных практических методов расчета земляного полотна из лессовидных супесей, воспринимающих вибродинамическую нагрузку от скоростных поездов, по второй группе предельных состояний, обеспечивающих выполнение требований безопасности движения. Для достижения поставленной цели в диссертации решается ряд задач, важнейшими из которых являются:
-
Определение параметров колебательного процесса в грунтах земляного полотна железнодорожного пути, сложенного лессовидными супесями, на участках обращения скоростных пассажирских поездов в условиях Республики Узбекистан.
-
Исследование изменения деформативных характеристик лессовидных супесей при вибродинамическом воздействии, возникающем при скоростном движении поездов.
-
Разработка на основе проведенных полевых и лабораторных исследований теоретических решений, позволяющих прогнозировать деформативность рабочей зоны земляного полотна, сложенного лессовидными супесями, воспринимающих вибродинамическую нагрузку от скоростных поездов.
-
Разработка методики расчета деформативности рабочей зоны железнодорожного земляного полотна с учетом изменения деформативных свойств лессовидных супесей под действием вибродинамической нагрузки, вызываемой движением скоростных пассажирских поездов.
Методология и методы исследований. Для решения поставленных задач выполнялись теоретические, лабораторные и полевые исследования. Полевые исследования проводились с целью определения параметров и закономерностей распространения колебаний в теле и за пределами земляного полотна, возведенного из лессовидных супесей, при скоростном движении поездов. Исследования выполнены на скоростной магистрали Ташкент – Самарканд на сети АО «Узбе-кистон темир йуллари». Лабораторные исследования деформативных характеристик лессовидных супесей выполнялись в вибростабилометре конструкции ЛИ-ИЖТа (ПГУПС), с моделированием вибродинамической нагрузки на образец грунта в условиях трехосного напряженного состояния, соответствующему фактическому воздействию на грунты при движении поездов. В работе выполнены теоретические и экспериментальные исследования, на основе которых разрабо-
таны практические подходы расчета остаточных и упругих деформаций основной площадки земляного полотна, возведенного из лессовидных супесей. При действии вибродинамических нагрузок по результатам многовариантных расчетов обоснован требуемый модуль упругости рабочей зоны земляного полотна из лессовидных супесей, обеспечивающий стабильную работу пути под скоростными поездами. На основе выполненных исследований предложены варианты усиления рабочей зоны земляного полотна из лессовидных супесей для участков обращения скоростных пассажирских поездов.
Идея работы заключается в учете снижения деформативных свойств лессовидных супесей под действием повышенной вибродинамической нагрузки от скоростных пассажирских поездов при проектировании рабочей зоны земляного полотна по условию деформативности.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
на основе натурных экспериментов впервые получены параметры вибродинамического воздействия, передающегося лессовидным супесям, слагающим земляное полотно, при движении пассажирских поездов со скоростями до 200 км/ч;
впервые получена функциональная зависимость, описывающая распространение амплитуд вибросмещений в земляном полотне, возведенного из лессовидных супесей на участках обращения скоростного подвижного состава в условиях узбекских железных дорог;
на основе лабораторных экспериментов выявлены закономерности изменения деформативных свойств лессовидных супесей при действии вибродинамических нагрузок, вызываемых движением скоростного подвижного состава.
на основе теории упругости разработана методика расчета деформативно-сти рабочей зоны земляного полотна, сложенного из лессовидных супесей, с учетом снижения деформативных характеристик грунтов при воздействии вибродинамических нагрузок от проходящих скоростных пассажирских поездов.
Теоретическую и практическую ценность работы составляют:
аналитическая зависимость, описывающие распространения амплитуд вибросмещений по телу земляного полотна и за его пределами, возведенного из лессовидной супеси, полученная на основе натурных экспериментов в условиях скоростного движения поездов на железных дорогах Республики Узбекистан;
показатели деформативности лессовидных супесей при действии вибродинамических нагрузок от скоростных пассажирских поездов;
требуемые показатели деформативности рабочей зоны земляного полотна, сложенного лессовидными супесями для участков скоростного движения поездов.
- методика расчета рабочей зоны земляного полотна из лессовидных супесей
железнодорожного пути при повышенном вибродинамическом воздействии от
проходящих скоростных поездов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Аналитическая зависимость, описывающая распространение амплитуд
вибросмещений в земляном полотне и за его пределами, возведенного из лессо
видных супесей при скоростном движении поездов.
2. Результаты исследования изменения деформативных свойств лессовидных
супесей под действием вибродинамической нагрузки, вызываемой движением
скоростных поездов в зависимости от влажности, величины пульсации напряже
ний, коэффициента уплотнения грунтов.
3. Методика расчета деформативности рабочей зоны земляного полотна из
лессовидных супесей при вибродинамическом воздействии от проходящих ско
ростных поездов.
Личный вклад автора состоит:
в условиях узбекских железных дорог автором лично получена аналитическая зависимость распространения амплитуд колебаний в земляном полотне, сложенном лессовидными супесями, при скоростном движении поездов;
автором лично исследованы и получены количественные показатели, характеризующие деформативность лессовидных супесей при воздействии повышенной вибродинамической нагрузки от проходящих скоростных поездов;
непосредственно автором разработана и предложена методика расчета рабочей зоны земляного полотна по условию деформативности с учетом снижения показателей деформативности лессовидных супесей под действием вибродинамической нагрузки от проходящих скоростных пассажирских поездов.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов в работе подтверждается корректностью математических выводов, хорошей сходимостью результатов исследований с фактическими данными, полученными в ходе наблюдений за работой скоростных участков пути узбекских железных дорог, где земляное полотно, отсыпано лессовидными супесями.
Реализация исследований. Полученные в диссертационной работе результаты исследований нашли практическое применение в проектном институте «Ташжелдорпроект» в рамках проекта «Электрификация железнодорожного участка Мароканд-Карши с организацией скоростного движения пассажирских поездов» при проектировании усиления рабочей зоны земляного полотна, возведенного из лессовидной супеси.
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на международных и республиканских научно-технических конференциях:
1. Научно-техническая конференция «Ресурсосберегающие технологии на
железнодорожном транспорте», посвященная 80-летию ТашИИТ (Ташкент, Та-
шИИТ, декабря 2011 год) - 234 с.
2. VI International Scientific Conference «Transport Problems 2014» (Poland, Si-
lesian Universitiy of Technology Faculty of Transport, 2014 y.).
3. Научно-техническая конференция «Ресурсосберегающие технологии на
железнодорожном транспорте» (Ташкент, ТашИИТ, 2013, 2014, 2015 годы).
Публикации: по теме диссертационного исследования опубликовано 5 печатных работ, в том числе три статьи представлены в источниках, рекомендованных ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, приложений. Общий объем работы составляет 175 страниц машинописного текста: в том числе 134 страницы основного текста, 48 рисунков, 9 таблиц. Список литературы включает 119 работ российских и зарубежных авторов.