Содержание к диссертации
Введение
Раздел I. Существо проблемы, формулировка цели и задач исследования 16
1.1. Земляное полотно как основание железнодорожного пути, воспринимающего вибродинамическую нагрузку 16
1.2. Основные направления и результаты в исследовании влияния вибродинамического воздействия на железнодорожное земляное полотно 18
1.2.1. Особенности и параметры вибродинамического воздействия на земляное полотно 19
1.2.2. Изменение прочностных характеристик грунтов при действии вибродинамических нагрузок 20
1.2.3. Зависимость деформативных свойств грунтов от характера действующих нагрузок 40
1.2.4. Природа прочности, виды контактов и связей в глинистых грунтах 48
1.3. Деформации железнодорожных насыпей, вызванные изменением свойств глинистых грунтов от действия поездных нагрузок 57
1.4. Цель и задачи исследований 69
Раздел II. Натурные исследования колебательного процесса и напряженного состояния глинистых грунтов железнодорожного земляного полотна 72
2.1. Характеристика экспериментальных участков 73
2.2. Методика проведения исследований 76
2.2.1. Аппаратура и приборы для полевых исследований 76
2.2.2. Выбор характеристик для исследований. Регистрация и обработка результатов 85
2.3. Влияние различных факторов на колебательный процесс грунтов земляного полотна 89
2.3.1. Исследование характера колебательного процесса 90
2.3.2. Зависимость колебаний глинистых грунтов земляного полотна от скорости движения поездов, их типа и нагрузок на ось подвижного состава 100
2.3.3. Влияние конструкций верхнего строения пути и его состояния на характеристики колебательного процесса 111
2.4. Исследование распространения колебаний в телеполотна и за его пределами 124
2.5. Особенности напряженного состояния грунтов земляного полотна при высокоскоростном движении поездов 135
2.6. Теоретические основы расчета амплитуд колебаний грунтов основной площадки земляного полотна 146
Выводы 160
Раздел III. Изменение прочностных и деформативных характеристик глинистых грунтов от вибродинамической нагрузки 163
3.1. Моделирование работы грунта 169
3.1.1. Новая лабораторная установка для исследования грунтов при вибродинамических нагрузках 166
3.1.2. Методика подготовки и испытания грунтов 172
3.2. Методические эксперименты 182
3.2.1. Исследование влияния изменения напряженного стояния при вибродинамическом воздействии на характеристики глинистых грунтов 185
3.2.2. Исследование влияния норового давления на прочность и деформативность глинистых грунтов, воспринимающих вибродинамические нагрузки 190
3.3. Исследование влияния вибродинамического воздействия на прочностные характеристики глинистых грунтов 197
3.3.1. Зависимость изменения прочностных характеристик от влажности глинистых грунтов и продолжительности вибродинамического воздействия 198
3.3.2. Исследование изменения сцепления и внутреннего трения в зависимости от величины вибродинамического воздействия, статической пригрузки и плотности грунта 216
3.4. Исследование изменения деформативности глинистых грунтов при вибродинамическом воздействии 250
3.4.1. Влияние продолжительности и величины вибродинамического воздействия на изменение модуля деформации 252
3.4.2. Зависимость изменения модуля деформации от влажности и плотности глинистых грунтов, воспринимающих вибродинамическую нагрузку 259
3.5. Теоретические основы изменения свойств глинистых грунтов при вибродинамическом воздействии 299
Выводы 255
Раздел ІV. Исследование несущей способности земляного полотна при вибродинамическом воздействии 258
4.1. Вывод основной системы уравнений теории предельного равновесия грунта, воспринимающего вибродинамическую нагрузку 261
4.2. Предельное равновесие грунтов земляного полотна, представленного полуплоскостью 279
4.2.1. Плоская задача теории предельного равновесия для связного грунта 279
4.2.2. Исследование влияния вибродинамического воздействия на несущую способность земляного полотна, сложенного глинистыми грунтами 286
4.2.3. Несущая способность земляного полотна из идеально связного грунта 302
4.3. Несущая способность насыпей, сложенных глинистыми грунтами 307
4.3.1. Основная система уравнений 307
4.3.2. Зависимость несущей способности железнодорожных насыпей от их размеров 320
4.4. Сопоставление теоретических расчетов несущей способности земляного полотна с опытными данными 329
Выводы 334
Раздел V. Научно-методические основы прогнозирования несущей способности и деформативности земляного полотна при вибродинамической нагрузке 339
5.1. Научно-методические основы прогнозирования несущей способности железнодорожного земляного полотна, сложенного глинистыми грунтами, воспринимающими вибродинамическую нагрузку 339
5.1.1. Последовательность определения характеристик и граничных условий для плоской задачи теории предельного равновесия 340
5.1.2. Решение нелинейной системы дифференциальных уравнений первого порядка методом конечных разностей 348
5.1.3. Алгоритм решения задачи о несущей способности земляного полотна при действии вибродинамической нагрузки 355
5.1.4. Области применения полученных решений 356
5.1.5. Обоснование расчетных величин нагрузок 361
5.2. Прогнозирование деформаций основной площадки земляного полотна при действии вибродинамической нагрузки 365
5.2.1. Теоретические основы расчета деформаций 366
5.2.2. Определение деформаций методом послойного суммирования 369
5.3. Оценка экономического эффекта при проектировании земляного полотна с учетом вибродинамических нагрузок 576
Общие выводы 380
Литература 384
Приложения 418
- Изменение прочностных характеристик грунтов при действии вибродинамических нагрузок
- Зависимость изменения прочностных характеристик от влажности глинистых грунтов и продолжительности вибродинамического воздействия
- Исследование влияния вибродинамического воздействия на несущую способность земляного полотна, сложенного глинистыми грунтами
- Последовательность определения характеристик и граничных условий для плоской задачи теории предельного равновесия
Изменение прочностных характеристик грунтов при действии вибродинамических нагрузок
Прочностные характеристики грунтов при действии статических нагрузок обычно определяются в лабораторных или полевых условиях по величине их сопротивления сдвигу, вращательному срезу и вдавливанию наконечников различной формы [80,101,168 и др.] . Принципиально возможно точно также определять прочностные характеристики грунтов и при действии вибродинамических нагрузок, однако в силу ряда технических трудностей и методологических требований наибольшее распространение получили лабораторные методы, основанные на исследовании сопротивляемости грунтов сдвигу.
Первой работой, положившей начало исследованиям по изучению влияния динамических нагрузок на прочностные характеристики грунтов,была работа Покровского Г.И. [б8,69] . В ней даны важнейшие методологические положения в смысле правильного понимания происходящих процессов, обусловливающих изменение прочностных свойств грунтов.
Запросы практики, особенно гидротехнического строительства, обусловили проведение в 40-50-х годах интенсивных исследований явления разжижения мелкозернистых пылеватых водонасыщенных песков под действием вибрационных и динамических нагрузок. Сложнейшая проблема обеспечения устойчивости оснований сложенных таким грунтом, была успешно решена в работах Баркана Д.Д. [б,7,8,124] , Флорина В.А. [278,279,28о] и его учеников, в числе которых особенно много сделано Ивановым П.Л. [44,45,198, 199] . Исследования Маслова Н.Н. [б9,225,22б] позволили ему разработать фильтрационную теорию динамической устойчивости водонасыщенных песков. Значительный вклад в решение этой проблемы внесли Гольдштейн М.Н. [148,149] , Савинов О.А. [75,7б] , Ершов В.A. [l80,181,184] , Красников Н.Д. [49] , Синицын А.П. [81,269] , Филиппов Р.Д. [281] и другие исследователи.
Несколько позже по времени и главным образом с позиций изучения тиксотропных свойств грунтов стали исследоваться прочностные характеристики глинистых грунтов, воспринимающих вибрационные и динамические нагрузки. Первые работы Преображенской Н.А. и Савченко И.А. [24з] , Белли Ю.Я. [135] показали, что и сцепление и угол внутреннего трения увлажненных глинистых грунтов существенно снижаются при воздействии чисто вибрационных, динамических и вибродинамических нагрузок. 3 настоящее время мы располагаем значительным количеством исследований, выполненных с различными глинистыми грунтами, по различным методикам и с применением разнообразного оборудования. Анализ этих работ позволяет установить некоторые достаточно утвердившиеся положения динамики грунтов, а также противоречивые и неисследованные вопросы.
Известно [28,152] что вибрационные, динамические и вибродинамические нагрузки по своей величине подразделяются на слабые , сильные и сверхсильные. Воздействия, передающиеся грунтам земляного полотна от проходящих поездов, относятся к числу слабых и характеризуются отсутствием в течение одного цикла воздействия разрушения связей между минеральными частицами грунта. Очевидно, что понятие слабое воздействие не может определяться некоторой величиной, например, пульсации напряжений в отрыве от состояния и свойств грунта, которому оно передается. В противном случае по отношению к сухим и плотным глинистым грунтам воздействие может оказаться слабым, а по отношению к влажным и пористым - сильным. Это обстоятельство послужило основанием для проведения исследований при широком диапазоне изменения величины воздействия. Последнее в экспериментах на вибросдвиговых установках [58,180,181,24 3,292 и др.] обычно оценивалось значением ускорения, которое в соответствии с 1.2 зависит от частоты и амплитуды колебаний, влияние которых на снижение прочностных характеристик оказалось существенно различным. Так по данным Преображенской Н.А. и Савченко И.А. [24з] , приведенным на рис.1.1, сопротивление глин сдвигу практически не изменялось при увеличении частот до 83 гц. В этих экспериментах при постоянных амплитудах с увеличением частоты значительно возростало ускорение, что нарушало условие испытаний различных образцов. Этого недостатка удалось избежать в исследованиях Хархуты Н.Я., Иевлева В.М., Капустина М.П. [284] , которые выполнялись при постоянном ускорении, но с различными частотами колебаний. В результате выявлено, что интенсивное снижение характеристик глинистых грунтов полутвердой консистенции происходит при частотах свыше 175 гц, а для суглинков тугопластичной консистенции - при частотах свыше 100 гц.
Аналогичные опыты проводились и на установках,моделирующих динамическое воздействие на грунт в виде прямоугольных импульсов различной формы [54,156,216,273 и др.] . Полученные результаты свидетельствуют о независимости прочностных характеристик от частоты воздействия. Однако следует признать, что диапазон изменения частоты в этих экспериментах был незначителен и находился в пределах от I до 6 гц. Последующие исследования Іинкина Г.Н. и Зарубиной Л.П. [l90,I92] подтвердили этот вывод и при частотах от 7 до 50 гц.
Преобладающее влияние амплитуды колебаний на снижение прочностных характеристик глинистых грунтов убедительно показано в работах [5,8,173,177,205 и др.[[ . Почти во всех исследованиях характер зависимости (Я) близок к приведенной на рис. 1.2 по данным Преображенской Н.А. и Савченко И.А. [243] . Ее отличительной чертой является наличие минимального значения прочностных характеристик, которые остаются постоянными при дальнейшем увеличении воздействия.
Оценка величины вибродинамического воздействия при проведении экспериментов на вибростоликах и вибросдвиговых установках [8,114,172,176,177,181,182,191,197,228,243,259,265,348 и др.], создающих гармонические колебания, производилась по величине ускорения, которое считалось в этих случаях обобщающей и достаточно объективной характеристикой. Однако тщательно поставленные опыты Хархуты Н.Я. [285] и Саакова А.Г. [357] свидетельствуют о том, что при одинаковом ускорении, но при различных величинах частот и амплитуд снижение прочностных характеристик и уплотнение грунта оказываются существенно различными. Следовательно, величина ускорения при гармонических вибрационных воздействиях неоднозначно определяет изменение прочностных характеристик глинистого грунта, а при стохастических колебаниях эта неоднозначность ,очевидно., будет усугубляться.
Вопросы влияния влажности, плотности и гранулометрического состава на снижение и восстановление прочностных характеристик глинистых грунтов железнодорожного земляного полотна исследовались в работах Іинкина Г.Н. [190,191,195] , Лагойского А.И. [355] , Кистанова А.И. [34б] , Зарубиной Л.П. [353] и Кей- зик Л.М. [205] . Систематизация результатов этих работ позволяет получить следующие выводы:
а) влажность глинистого грунта предопределяет величину снижения прочностных характеристик при действии вибродинамических нагрузок. При естественной влажности предела раскатывания и ШШе предела текучести, характер действующей нагрузки на прочностные характеристики глинистых грунтов оказывает незначительное влияние. Наибольшее влияние вибродинамической нагрузки на снижение прочностных характеристик регистрируется в грунтах тугопластичной консистенции;
б) плотность глинистого грунта оказывает определенное влияние на величину снижения прочностных характеристик. По результатам, приведенным в [353],при увеличении плотности грунта до 0,93&тлх. наблюдается незначительное уменьшение влияния вибро- динамического воздействия, а при возрастании объемной массы скелета грунта свыше 0,94регистрируется резкое уменьшение показателя Kt . Не подвергая сомнению полученный в [35з] результат Е целом (рис.1.3), следует отметить значительное, почти скачкообразное, увеличение сцепления в интервале изменения плотности от 0,93&ПО.Х. до 0,94&иыс. , что находится в некотором противоречии с данными других исследователей [58,103,104,194,202,229] и с положениями физико-химических основ прочности глинистых грун тов [77,254,257 и др.] .
Полевые исследования снижения прочности глинистых грунтов при проходе различных поездов [192,346,352,353,355] , основанные на корреляционной связи между модулем сдвига грунта и его прочностными характеристиками, позволили получить качественные зависимости подтверждающие результаты лабораторных исследований. Кроме того было установлено наибольшее снижение прочности грунта при проходе грузовых тяжеловесных поездов и последующее ее восстановление за 60-70 мин.
Явление снижения прочностных характеристик глинистых грунтов, воспринимающих вибрационные, динамические и вибродинамические нагрузки, в настоящее время многократно подтверждено различными исследователями, получившими существенно отличающиеся результаты при сопоставимых условиях испытаний грунтов. Так по данным Тубольцева В.Н. и Шаниной А.Н. [275] максимальное снижение сцепления и угла внутреннего трения пылеватого суглинка составило соответственно 25% и 17%, в то время как у Ермолаева Н.Н. и Сенина Н.В, [пз] оно достигало 70%.
Зависимость изменения прочностных характеристик от влажности глинистых грунтов и продолжительности вибродинамического воздействия
Относительное снижение прочностных характеристик глинистых грунтов под влиянием вибродинамического воздействия, существенно зависит от влажности [190,191 и др. . Ццнако в исследованиях, проведенных еще в 1962 г. Жинкиным Г.Н. [l9l[] , не удалось выявить зону наибольшего снижения прочности, главным образом потому, что не было лабораторной установки, обеспечивающей получение достоверных количественных результатов. Б лабораторных экспериментах, выполненных на грунтах № 1,2,4,5 и 9, исследовалось, в основном, изменение сцепления, так как угол внутреннего трения для суглинков и глин, особенно при достаточно высокой влажности, незначителен, и предельное сопротивление таких грунтов практически определялось величиной сцепления.
В целях сопоставления результатов, выполненных с различными глинистыми грунтами, их состояние оценивалось показателем консистенции Ik, .
Результаты исследования зависимости показателя относительного снижения сцепления от консистенции грунта представлены на рис.3.9 и получены для грунтов № 1,2 и 9 (номера грунтов в таблице 3.1 соответствуют номерам кривых на рис.3.9) при вибродина- мическом воздействии 2 6 = 0,06 МПа.
Данные для грунта № 4 получены Зарубиной Л.П. [35з] в экспериментах на аналогичной установке. При этом пульсация напряжений в экспериментах,аппроксимированных кривой 4,составляла 0,046 МПа, а кривой 4-а - 0,039 МПа. Эксперименты с грунтом № 5 выполнены Кейзик Л.М. при 2 6- 0,06 МПа. Объемная масса всех исследованных грунтов соответствовала максимальному значению при стандартном уплотнении для принятой влажности.
Полученные зависимости убедительно свидетельствуют о незначительном снижении прочности глинистых грунтов при влажности, близкой к пределу раскатывания ( 072 = 0 ). Исключение составляет пылеватая глина, отобранная с экспериментальных участков № I, 2 и 3, которая при современном уровне вибродинамического воздействия, передающегося земляному полотну, снижает сцепление почти на 30% при Уь = 0. С увеличением влажности во всех грунтах прочностные характеристики под влиянием вибродинамического воздействия снижаются, вследствие чего показатель относительного снижения сцепления (Кс ) возрастает, достигая максимального значения при некоторой влажности. Назовем эту влажность и соответствующий ей показатель консистенции критическими и обозначим через W P. и ЗСР .
Дальнейшее увеличение влажности грунта ( w Wкр.) обуславливает уменьшение показателя относительного снижения сцепления и при влажности близкой к W Р+о,бУр. его значение обычно не превышает 10-15%. Значение W для различных глинистых грунтов оказалось различным, хотя интервал ее изменения относительно невелик. Важным показателем для характеристики глинистых грунтов является диапазон изменения влажности в пределах которого регистрируется снижение прочности близкое к максимальному. Так для грунта № 5 при действии вибродинамической нагрузки этот диапазон изменяется от Wр+0,27УР. до Wp. + 0,Ъ8УР. , а для грунта № 2 от Wр. + о,15Ур. до Wp +o, 8 Ур. . Естественно, что с позиций обеспечения надежности и устойчивости железнодорожного земляного полотна применение грунта № 2 нежелательно.
Исследования большого числа разнообразных глинистых грунтов позволяют сделать вывод о том, что при современном уровне вибродинамического воздействия, передающегося грунтам полотна от обращающегося подвижного состава, наибольшее снижение прочности регистрируется в интервале изменения естественной влажности от Wp. + о,2 Ур до Wp+0,45 Ур- . Отдельные грунтовые разности, как например грунт № 2, могут иметь и более широкий диапазон. Существенно отметить, что наибольшее снижение прочности может иметь место в грунтах полутвердой консистенции, которые по действующим нормам [372] практически не имеют ограничений к укладке в земляное полотно. Следовательно, на эксплуатируемых и вновь сооружаемом земляном полотне, отсыпанном глинистыми грунтами с показателями влажности удовлетворяющими СН 449-72, могут развиваться дополнительные деформации, а в отдельных случаях потеря устойчивости из-за снижения прочности грунта под влиянием вибродинамической нагрузки.
Сравнение максимальных величин кс , полученных в экспериментах с различными грунтами при критических влажностях и неизменной пульсации напряжений в 0,06 МПа свидетельствует о различной степени чувствительности грунтов к вибродинамическому воздействию. Так грунт № 5 при показателе консистенции 0,33 снижает сцепление на 32%, а грунт № 2 при = 0,25 на 61,3%, то есть его чувствительность к вибродинамической нагрузке почти в 2 раза выше, чем грунта № 5, что характеризует его эксплуатационную непригодность, как материала такого инженерного сооружения, каким является железнодорожное земляное полотно грузонапряженной, высокоскоростной линии.
Следует отметить, что максимальные значения Кс при критической влажности глинистых грунтов не свидетельствуют о наибольшем абсолютном снижении прочностных характеристик. Они указывают на то, что по отношению к сцеплению, определенному при действии статических нагрузок, достигается наибольшее снижение прочности. Это, на наш взгляд, одно из достоинств принятого показателя, определяющего своим максимальным значением такое состояние грунта, при котором снижение прочности под влиянием вибродинамической нагрузки наиболее опасно для грунтового сооружения или основания.
Зависимость изменения показателя относительного снижения угла внутреннего трения от консистенции грунта при действии вибродинамической нагрузки представлена на рис.ЗЛО. Как видно из приведенных данных характер этой зависимости соответствует приведенным на рис.3.9, что свидетельствует о единстве для различных грунтов природы явлений, обуславливающих снижение прочностных характеристик глинистых грунтов при вибродинамических нагрузках. Представленные на рис. ЗЛО значения угла внутреннего трения пылеватого суглинка и зависимость подтверждают ранее полученные результаты о меньшей чувствительности к виб родинамическим воздействиям по сравнению со сцеплением. Дополнительные эксперименты с грунтами № 4,5,6 и 9 подтверждают этот вывод, так как максимальные значения для этих грунтов оказались на 5-9% меньше наибольших величин Кс . Однако отдельные разновидности глинистых грунтов при действии вибродинамических нагрузок резко снижают не только сцепление, но и угол внутреннего трения. Например, пылеватая глина (грунт № 2, кривая 2 на рис.ЗЛО) как отмечалось выше снижает сцепление на 61,2$, а угол внутреннего трения на 63%. Эти показатели следует характеризовать как очень высокие, особенно в отношении Kif , но его нельзя считать исключением не имеющим прецендента в инженерно-геологической и исследовательской практике. Так в работе Ермолаева Н.Н. и Сенина Н.В. [Г73] приводятся данные о снижении угла внутреннего трения пылеватого суглинка на 70%, а у Гольдштейна М.Н., Лапидуса Л.С., Резникова О.М., Стороженко В.И. и Синаевского [53,151,156,216,217,273] оно достигало 100%.
Зависимость прочностных характеристик глинистых грунтов от изменения их консистенции приведенная на рис.З.Э и ЗЛО справедлива только при условии обеспечения неизменной плотности грунта во время проведения экспериментов. Ранее отмечалось, что во время испытаний плотность грунта может увеличиваться. Зкспериментально установлено, что состояние грунта может меняться не только в процессе разрушения образцов по методике консолидированно- дренированных испытаний, но и под действием пульсации напряжений, действующих на грунт до начала его разрушения. Следовательно, необходимо выявить продолжительность вибродинамического воздействия на образец, при котором будет достигаться максимальное снижение прочности грунта в лабораторных условиях. Для этого была проведена серия экспериментов с различными грунтами. Виброди- намическая нагрузка создавалась с частотой в 37 гц, а пульсация напряжений составляла: для грунтов № 1,2 и 3 в 0,06 МПа, а для грунта № 4 - в 0,039 МПа. Влажность исследованных грунтов соответствовала тугопластичной консистенции. Статическая пригрузка, моделирующая давление от балластной призмы и рельсо-шпальной решетки, во всех экспериментах была постоянной и равной 0,025 МПа. Продолжительность вибродинамического воздействия перед приложением вертикальной избыточной нагрузки изменялась в пределах от 10 до 80 сек. Объемная масса скелета в образцах грунта № I составляла 1,44 г/см3 или 0,84 дЪп. ; № 2 - 1,58 г/см;3 или 0,97еУьп. № 3 - 1,51 г/см3 или 0,84don. ; № 4 - 1,30 г/см3 или 0,768ъп. (при X = 0,30-0,34) и 1,28 г/см3 или 0,74А/», (при X = 0,42- -0,44). Результаты экспериментов представлены на рис.3.II и отображают изменение показателя относительного снижения сцепления в зависимости от продолжительности вибродинамического воздействия перед началом разрушения грунтов. Анализ полученных результатов свидетельствует о связи между объемной массой скелета грунта и продолжительностью вибродинамического воздействия, обеспечивающей достижение максимального снижения сцепления глинистых грунтов.
Исследование влияния вибродинамического воздействия на несущую способность земляного полотна, сложенного глинистыми грунтами
Анализ слагаемых основной системы уравнений 4.29 и 4.30 убедительно свидетельствует о том, что несущая способность глинистых грунтов земляного полотна, воспринимающего вибродинамическую нагрузку, зависит от следующих факторов:
- величины сцепления и угла внутреннего трения;
- чувствительности грунта к вибродинамическим нагрузкам, определяемой коэффициентами Кс ; Ку ; к с и ;
- величины вибродинамического воздействия, измеряемой результирующей амплитудой колебаний грунта До ;
- способности грунта к рассеиванию и поглощению энергии колебательного процесса, определяемой коэффициентами & ; $1 ;S и ;
- условий на границе полуплоскости, особенно в отношении угла & , являющегося функцией практически управляющей процессом определения несущей способности грунта.
Выявление количественной зависимости несущей способности земляного полотна от величины названных факторов выполнялось на основе расчетов, реализуемых методом конечных разностей в отношении уравнений характеристик 4.63 и дифференциальных соотношений вдоль них 4.68 и 4.70.
Эти расчеты позволили решить актуальные, но нерешенные до настоящего времени задачи, полностью относящиеся к достаточно точному расчету несущей способности земляного полотна с учетом снижения прочностных характеристик и затухания вибродинамическо- го воздействия в теле земляного полотна.
Многочисленные реализации задачи с учетом различных исходных данных под действием вертикальной нагрузки Р0 , qnp.=0 , &D = Ъ,Ом в условиях расчетной схемы рис.4.4 позволили получить данные, для которых типичным случаем являются результаты, приведенные на рис.4.6. Сетки линий скольжения построены на основе расчета с использованием прочностных характеристик, полученных в испытаниях при вибродинамических нагрузках. На рис.4.6 пунктирной линией показана наибольшая линия скольжения,полученная при расчете с использованием прочностных характеристик определенных при действии статической нагрузки. Как видно из рисунка зона выпирания грунта уменьшалась под влиянием вибродинамического воздействия с 298 ом до 150 см, т.е. практически в два раза, а глубина зоны скольжения грунта уменьшилась с 184 см до 112 см, т.е. в 1,64 раза. Совершенно очевидно, что уменьшение зоны скольжения грунта под действием вибродинамической нагрузки, обуславливает снижение несущей способности земляного полотна,наряду со снижением сцепления и угла внутреннего трения.
Характерно, что во всех случаях расчета размер зоны выпирания зависит как от свойств грунта, так и от величины вибродинамического воздействия. Следовательно, расчет несущей способности грунта, по некоторым фиксированным поверхностям смещения, будет характеризоваться неточностью, так как положение поверхностей зависит от большого числа существенно изменяющихся факторов и не поддается в настоящее время простому определению, кроме нахождения по выражениям 4.63; 4.68 и 4.70.
На рис.4.6 приведены данные о величине предельно допустимых напряжений рассчитанных по характеристикам полученным в испытаниях со статическими (6г и бу) и вибродинамическими (бГ и б1 ) нагрузками. Кроме того, пунктирными линиями показаны эпюры фактически замеренных напряжений в вертикальной бГ и горизонтальной бу плоскостях. Сопоставление б2 с б Г и бу с 6у свидетельствует о том, что фактически замеренные вертикальные напряжения в 4.3 раза меньше предельно допустимых, а горизонтальные - в 2 раза. На основании этих данных складывается впечатление о надежности земляного полотна, работающего с большим запасом прочности, хотя на самом деле, как показано в 1.4, в полотне развиваются большие деформации, обусловленные очевидно сдвиговыми напряжениями. Такое несоответствие между расчетом с использованием /Гетити фактической работой грунта, определяется несоответствием расчетной схемы действительным условиям эксплуатации земляного полотна. Это несоответствие прежде всего выражается в том, что не учитывается снижение прочностных характеристик грунта под действием вибродинамической нагрузки, возникающей от проходящих поездов.
Расчет предельной вертикальной нагрузки с учетом виброди о . 9 нашческого воздействия (о2 ) свидетельствует о снижении ее величины, в сравнении с бг , на значительную величину, в данном конкретном случае на 64%. Сопоставление рассчитанных горизонтальных напряжений бу и бво всех случаях расчета подтверждает повышенное, по сравнению с вертикальными напряжениями, снижение несущей способности грунта, в частности на 70%.
Сравнение вертикальных напряжений б2 соответствующих предельному состоянию глинистого грунта, с фактическими замеренными в земляном полотне (бі ) показывает, что последние по всей ширине загруженной части основной площадки меньше предельно допустимых, но различие в зоне примыкающей к точке "О" составляет всего 18-20%.Сопоставление предельных напряжений, рассчитанных в горизонтальном направлении по прочностным характеристикам, оп- ределенным при действии вибродинамической нагрузки, бу с фактически замеренными бу показывает, что горизонтальные напряжения в земляном полотне из глинистых грунтов, воспринимающих повышенные вибродинамические нагрузки, превосходят в зоне наружного рельса предельно допустимые. Такое соотношение напряжений является основной причиной развития деформаций земляного полотна. Этот важнейший вывод многократно подтверждался и требует обязательного расчета, при действии вибродинамической нагрузки, несущей способности земляного полотна в горизонтальной плоскости.
Данные рис.4.6 свидетельствуют о наибольшем снижении предельно допустимых напряжений у края загруженной части основной площадки (в зоне точки "О”), что соответствует физическому смыслу происходящих в глинистом грунте изменений. В этой части основной площадки линии скольжения грунта располагаются на незначительной глубине. Следовательно, они располагаются в зоне проявления максимальных амплитуд колебаний, определяющих максимальное снижение прочности грунта по всей длине этих линий скольжения.
Результаты, приведенные в 1.4- указывают на преимущественное развитие деформаций земляного полотна под наружным рельсом, то есть там где регистрируются наибольшие напряжения от внешней нагрузки. Характерно, что рельсошпальная решетка, обладая низкой жесткостью, при развитии деформаций плохо перераспределяет нагрузку по ширине основной площадки. Более того, осадка одного рельса вызывает перегрузку и повышение напряжений на основной площадке земляного полотна, что усугубляет условия его работы и вызывает дополнительное смещение грунта по одной из линий скольжения, начало которой находится под наружным рельсом. Следовательно, оценка несущей, способности полотна должна осуществляться в зоне подрельсового сечения и с незначительной условностью она может оцениваться в точке расположенной на основном площадке от оси пути на расстоянии 800 мм.
Таким образом, расчет несущей способности земляного полотна сложенного глинистыми грунтами, воспринимающими повышенные вибродинамические нагрузки, должен выполняться с учетом снижения прочностных характеристик и с введением в расчет сил инерции, затухающих в теле земляного полотна. 3 этом случае расчетная схема в наибольшей степени соответствует работе грунтов в реальных условиях.
Влияние прочностных характеристик на несущую способность условий виОродинамического воздействия. Функциональная связь &=f(CcT ,fT;CgH. и получена при кс=0,5 ; К =0,4 $=0,28 ; & = 0,064 ; ГЬ = -0,553 ; К =0,011 ; 6O=3,OJV ;
До 200м . Прямые 1,2,3 и 4 характеризуют зависимость несущей способности земляного полотна при действии статической нагрузки от величины сцепления при постоянном угле внутреннего трения соответственно равного 26, 22, 14 и 8а. Характерно, что удельный вес сцепления в формировании несущей способности грунта снижается с возрастанием ст. . Аналогичный вывод полностью относится и к функциональной зависимости 6 (Оди, и),отображенной прямыми 5,6,7 и 8. Сопоставление прямых I и 5 равно как 2 и 6, показывает снижение несущей способности земляного полотна в подрельсовом сечении из-за уменьшения прочностных характеристик под влиянием виОродинамического воздействия.
Зависимости б=$( ) и 6=f(Kfcт) представлены кривыми 9 и 10, построенными с учетом С = 0,04 МПа. Криволинейный характер графика и интенсивность возрастания несущей способности земляного полотна свидетельствует о том, что в формировании ее величины роль угла внутреннего трения значительно выше, чем сцепления. Следовательно, при оценке чувствительности грунта к виб- родинамическому воздействию необходимо ориентироваться преимущественно на снижение угла внутреннего трения. Для подтверждения этого вывода расчетным путем получены зависимости 6-$(Кс) и б=$(к ) представленные на рис.4.8. Прямые 1,2,3 и 4 характеризуют изменение несущей способности грунта в зависимости от относительного снижения угла внутреннего трения соответственно при Кс равным 0; 0,2; 0,4; 0,6.
Последовательность определения характеристик и граничных условий для плоской задачи теории предельного равновесия
Рассмотрим три случая расчета земляного полотна представленного соответственно: насыпью, нулевым местом и выемкой. При этом, к базовым характеристикам и условиям на границе, составляющим основу расчета, а следовательно и прогноза несущей способности земляного полотна относятся:
а) амплитуда колебаний грунтов основной площадки - Ла ;
б) сцепление и угол внутреннего трения глинистого грунта;
в) угол заложения откоса насыпи или выемки - oL, ;
г) величина угла & ;
д) наличие и величина пригрузки ( рпр. );
е) величина напряжений - 6 ;
ж) размер зоны основной площадки, воспринимающей нагрузку от подвижного состава и верхнего строения пути - Во .
I. Определение характеристик и граничных условий при расчетах насыпей.
а) В любой из точек, лежащих на поверхности откоса или в теле земляного полотна, определяется результирующая амплитуда колебаний по следующей формуле
Формула 5.1 аналогична 4.П7, но она описывает изменение амплитуд в координатах ёУ , смещенных на величину 0,5 Во по отношению к прежним осям, проходившим через вертикальную ось насыпи. Вызвано это необходимостью осуществления прочностного расчета в координатных осях, проходящих через точку "О", лежащую на границе зоны загрузки основной площадки. В силу отмеченного
Остальные обозначения те же что и в формуле 4.II7. Ло определяется векторной суммой по формуле 2.2, а ее составляющие - вертикальные и горизонтальные амплитуды колебаний, вычисляются по формулам 2.29 и 2.3 или 2.4. Для эксплуатируемых линий эти со ставляющие целесообразно определять замерами в натурных условиях. Величины коэффициентов затухания колебаний принимаются по таблицам 2.3 и 2.4.
б) Удельное сцепление и угол внутреннего трения должны определяться при действии статической и максимальной вибродинамической нагрузок в условиях трехосного сжатия по методике, изложенной в 3.1.2. По результатам испытаний определяются значения Кс\Кс и к . Значения прочностных характеристик в любой точке земляного полотна рассчитываются по формулам 4.118 и 4.119. Принципиально возможно использование с и f определенных при действии статической нагрузки на сдвиговых приборах или пенетрацией с использованием значений коэффициентов чувствительности грунта к вибродинамической нагрузке в соответствии с таблицей 3.2.
в) Величина угла d, определяется заложением откоса в соответствии с нормативными источниками [372J при проектировании вновь сооружаемого земляного полотна или по данным натурного обследования при переустройстве линий. Для случая прогнозирования несущей способности насыпи, ограниченной нестандартным откосом, угол oli принимается проектировщиком.
г) Угол & определяющий положение наибольшего главного напряжения, рассчитывается по формуле 4.148 при условии действия нагрузки в соответствии со схемами рис.5.1.
д) Пригрузка условной поверхности откоса при сс 0 в соответствии с данными 4.3d определяется выражением
Значение с пр. подсчитывается исходя из условия гидростатического давления грунта по данным о его объемном весе и высоте слоя. Из рис.5.2 очевидно следует, что при ol-D определение о С$н- и Яо полностью совпадает с описанным выше применительно к насыпи.
Для определения результирующей амплитуды колебаний грунта - Яву в любой точке земляного полотна следует воспользоваться выражением 5.1, которое из-за d=0 примет такой вид Ягу =Яаесср[п-Ъ (5.9)
Изложенное определение граничных условий и амплитуд колебания грунта справедливо в том случае, если водоотвод от земляного полотна осуществляется с помощью дренажа или за счет создания определенного уклона поверхности от земляного полотна. Если водоотвод по каким-либо причинам производится с помощью кюветов, то это приводит к изменению граничных условий, определение которых должно производиться по формулам,приведенным ниже,для случая расчета несущей способности выемок.
3. Определение характеристик грунта и граничных условий при расчете несущей способности земляного полотна в выемках.
При устройстве выемок в глинистых грунтах параметры кюветов и закюветных полок достаточно строго нормируются [372J, в силу чего на расчетной схеме рис.5.3 они показаны как константы. Условная поверхность расчетного откоса показана на рис.5.3 пунктирной линией, соединяющей точку "О" и днище кювета. Такая расчетная схема позволяет избежать разрывных решений и получить довольно простые аналитические выражения для определения параметров 8\ 6 И Cjnp. .
Выполненные расчеты показали, что предельное состояние всегда наступает из-за смещения массива грунта по линии скольжения второго семейства, начало которой находится на откосе кювета, а окончание на основной площадке выемки в зоне подрельсового сечения. В силу отмеченного расчет несущей способности железнодорожного земляного полотна в выемках следует производить в пределах откосной части кювета в соответствии со схемой рис.5.3. В отдельных случаях, при достаточно высоких прочностных характеристиках, возникает необходимость в увеличении длины поверхности условного откоса. Для этого ее можно продолжить до пересечения с вертикалью, проходящей через точку пересечения второго откоса и днища кювета. Такой прием не снижает точности Принятая расчетная схема позволяет определить для этой задачи величину сцепления, угла внутреннего трения, результирующей амплитуды колебаний грунтов, угла заложения условного откоса и зоны основной площадки, воспринимающей напряжения от подвижного состава в той же последовательности, что и при расчете насыпей. Угол заложения откоса кювета oL, постоянен и равен 334о!
Пригрузка условного расчетного откоса определяется по выражению 5.5.
Угол определяющий положение наибольшего главного напряжения, при О У -CL+ hLK.cttydi будет рассчитываться по выражению 4.148, а при y -CL+fb/r.ct ch он будет равен ol , который определяется из выражения
