Содержание к диссертации
Введение
1. Напряженно-деформированное состояние пути на участках обращения подвижного состава с осевыми нагрузками до 300 кН 15
1.1. Сущность проблемы. ретроспективный анализ опыта эксплуатации подвижного состава с повышенными осевыми нагрузками 16
1.2. Напряженно-деформированное состояние пути на участках обращения подвижного состава с осевыми нагрузками до 30 тс 24
1.2.1. Характеристика полигона 26
1.2.2. Силы взаимодействия и напряженно-деформированное состояние пути с рельсами типа Р65 и Р50 при воздействии полувагонов с осевыми нагрузками до 300 кН на ось 29
1.2.3. Остаточные деформации ширины колеи на участках обращения шестиосных вагонов с высокими осевыми нагрузками 30
1.2.4. Изменение размеров балластной призмы на участках обращения подвижного состава с высокими осевыми нагрузками 41
1.2.5. Работа шпал на участках полигона с рельсами типа Р50 и Р65 56
1.6. ВЫВОДЫ 69
2. Влияния геосинтетических материалов на напряженно-деформированное состояние пути 74
2.1. Экспериментальная оценка влияния геоматериалов на напряженно-деформированное состояние рельсов и основной площадки земляного полотна 15
2Л. 1. Условия проведения эксперимента 77
2.1.2. Напряженно-деформированное состояние рельсов в зоне укладки геоматериалов 84
2.1.3. Напряженно-деформированное состояние грунтов основной
площадки земляного полотна в зоне укладки геоматериалов 93
2.2. Описание двухфакторных зависимостей напряжений в балластном слое с помощью полиномов второй и третьей степени 117
2.3. Техническая оценка вариантов конструкций балластного (подбалластного) слоя армированного геоматериалами 124
2.3.1. Технические критерии оценки вариантов усиления балластного
Слоя геоматериалами 129
2.4. Перспектива применения геоматериалов в конструкции балластной призмы на участках обращения подвижного состава с осевыми нагрузками до 300 кн 135
2.5. Выводы 146
3. Устойчивости откосов земляного полотна железных дорог при воздействии вибродинамической нагрузки 151
3.1. Анализ моделей расчета устойчивости откосов земляного полотна железных дорог 152
3.1.1. Анализ условий устойчивости для криволинейной поверхности скольжения 155
3.1.2. Учет влияния вибро динамического воздействия поездных нагрузок на устойчивость откосов насыпей 168
3.2. Расчет утоичивости земляного полотна при воздействии вибродинамической нагрузки 176
4. Методика прогнозирования контактной выносливости рельса при воздействии повышенных осевых нагрузок 189
4.1. Деформации рельса в зоне контакта с колесом 189
4.1.1. Методика расчета контактной зоны на упругую деформацию и границы ее применения 192
4.2. Прогнозирование срока службы рельсов на участках обращения подвижного состава с повышенными осевыми нагрузками 220
4.2.1. Кинетика образования внутренних продольных трещин 225
4.2.2. Прогнозирование сроков службы рельсов 234
4.3. Одиночный выход рельсов на участках обращения подвижного состава с осевыми нагрузками до 3 00 кн 237
4.3.1. Одиночный выход рельсов типа р65 и р50 237
4.4. Выводы 240
5. Разработка вариантов систем технического обслуживания текущего содержания пути машинизированными комплексами 242
5 1. Преобразование информации о состоянии конструкции пути в схему ремонтов 242
5.1.1. Основные элементы системы управления 242
5.1.2. Обобщенный алгоритм преобразования данных о состоянии пути в схему ремонтов 245
5.2. Разработка вариантов систем технического обслуживания текущего содержания пути машинизированными комплексами 252
5.2.1. Производственный потенциал пчм-тосно октябрьской железной дороги 253
5.3. Критерии назначения вариантов систем технического обслуживания текущего содержания пути механизированными комплексами 260
5.3л. Алгоритм выбора системы технического облуживания текущего содержания пути механизированными комплексами 261
5.4. Варианты систем технического обслуживания текущего содержания пути машинизированными комплексами 267
5.4л, опыт октябрьской железной дороги по совершенствованию системы технического обслуживания пути 274
5.4.2. Эффективность проведения планово-предупредительной выправки пути на основе статических данных полученных в дистанции пути 277
5.5. Выводы 283
Заключение 286
Библиографический список
- Напряженно-деформированное состояние пути на участках обращения подвижного состава с осевыми нагрузками до 30 тс
- Напряженно-деформированное состояние рельсов в зоне укладки геоматериалов
- Анализ условий устойчивости для криволинейной поверхности скольжения
- Методика расчета контактной зоны на упругую деформацию и границы ее применения
Введение к работе
Реформа федерального железнодорожного транспорта, рассчитанная на период до 2010 г., имеет основную цель — снижение совокупных народнохозяйственных затрат на перевозки железнодорожным транспортом. В рамках этой реформы в соответствии с "Концепцией реформирования организационной; структуры путевого комплекса" осуществляется и реорганизация путевого комплекса для обеспечения:
снижения себестоимости и доли эксплуатационных затрат в путевом хозяйстве при росте объемов перевозок;
возможности обращения на сети железных дорог подвижного состава нового поколения: большегрузных вагонов с грузоподъемностью до 94 т и. конструктивной скоростью до 140 км/ч, стандартных с увеличенной грузоподъемностью до 71 -75, т с конструктивной скоростью до 120 км/ч;
движения грузовых поездов с повышенными скоростями, скоростного и высокоскоростного движения пассажирских поездов.
Учитывая, что доля основных фондов путевого хозяйства оценивается в 50-52 % от основных фондов всего железнодорожного транспорта (в 1998 -48 %), темпы снижения их остаточного ресурса высокие и составляют 2,6 % в год, реализация вышеназванных мероприятий становится возможной только при гарантии надежной работы конструкции пути под подвижным составом с перспективными эксплуатационными характеристиками.
На российских железных дорогах происходит более интенсивное накопление остаточных деформаций пути, что приводит к увеличению объемов капитальных ремонтов пути, увеличению затрат труда на текущее содержание пути, увеличению потерь, связанных с перерывами в движении поездов и с ограничением скорости движения. К основным причинам в сложившейся ситуации следует отнести: значительную протяженность пути, имеющую сверхнормативную наработку тоннажа из-за невозможности проведения в сроки очередных (плановых) ремонтов; недостаточную
укомплектованность путевых комплексов машинами; недостаточную надежность существующих конструкций пути, требующих значительных затрат труда и материалов для поддержания своей работоспособности, а также повышенных расходов на диагностику своего состояния.
Выделение средств на проведение усиленного капитального и усиленного среднего ремонтов, а также капитальных работ другого характера существенно меньше, чем на железных дорогах других стран. Это вызвано рядом причин, в том числе и весьма медленными темпами перехода от существующих на российских железных дорогах конструкций пути — морально устаревших для новых перспективных условий эксплуатации, к конструкциям, позволяющим значительно повысить надежность пути для различных условий эксплуатации при обеспечении высокого качества перевозок.
Техническая политика по увеличению осевых нагрузок связана с комплексом технико-экономических задач, требующих своего решения. Это, прежде всего, вопросы эксплуатационной надежности железнодорожного пути, обеспечения безопасности движения поездов, вытекающие из возросших сил взаимодействия пути и подвижного состава. В этих условиях исключительное значение приобретает недопущение или минимизация дополнительного: снижения сроков службы рельсов,
увеличения объемов работ по текущему содержанию и ремонтам пути, нарастания интенсивности накопления остаточных деформаций.
Массовому внедрению грузовых вагонов с повышенными; осевыми нагрузками и их интенсивной эксплуатации на сети железных дорог должна предшествовать надежная оценка сил воздействия на путь.
Основные мероприятия по реализации задач развития путевого комплекса связаны между собой и для своего выполнения требуют комплексного подхода. К ним следует отнести:
внедрение малообслуживаемых конструкций пути, ранжированных по условиям эксплуатации и значительное расширение полигона бесстыкового пути;
разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий при текущем содержании пути и при выполнении работ капитального характера;
совершенствование средств диагностики состояния пути и методов прогнозирования работы конструкции в целом и отдельных ее элементов;
совершенствование структуры и форм управления путевым хозяйством.
Диссертация посвящена решению актуальной проблемы совершенствования конструкции пути и системы его технического обслуживания для обеспечения эксплуатационной надежности и безопасности движения поездов в условиях массового обращения перспективного подвижного состава с повышенными осевыми нагрузками.
Цель исследования. Целью исследования является решение проблемы создания надежных конструкции пути и ресурсосберегающих технологий его текущего содержания в сложных условиях эксплуатации, связанных с повышенным силовым воздействием подвижного состава, обусловленным высокими, осевыми нагрузками вагонов. Достижение поставленной цели позволит усовершенствовать конструкцию пути с целью уменьшения интенсивности накопления остаточных деформаций в ее основных элементах при экономии материальных и трудовых ресурсов, необходимых для технического обслуживания в межремонтном цикле.
В диссертационной работе предложены решения ряда задач, позволяющие реализовать цели исследования:
изучена комплексная проблема протекания процессов накопления остаточных деформаций в элементах конструкции железнодорожного пути на участках массового обращения подвижного состава с осевыми нагрузками до 300 кН (промышленный эксплуатационный полигон) для установления
уровня его надежности в условиях обращения на сети дорог МПС РФ подвижного состава нового поколения;
разработан комплекс мер по снижению интенсивности накопления остаточных деформаций пути и продлению его срока службы на участках массового обращения вагонов с осевыми нагрузками до 300 кН;
разработаны принципиальные схемы конструктивных решений балластной призмы и рабочей зоны основной площадки земляного полотна, обеспечивающие повышение несущей способности грунтов земляного полотна и устойчивости откосов;
предложены варианты систем технического обслуживания текущего содержания пути машинизированными комплексами, позволяющие уменьшить интенсивность накопления расстройств рельсовой колеи и существенно снизить затраты труда.
Методика исследований. Диссертационная работа базируется на обширном экспериментальном натурном и лабораторном материале, данных многолетних эксплуатационных наблюдений за процессами накопления остаточных деформаций в элементах конструкции пути, на расчетно-теоретических разработках.
Исследование функциональных связей между отдельными факторами, влияющими на напряженно-деформированное состояние основных элементов конструкции пути и на процессы накопления остаточных деформаций в них, потребовали реализации следующей системы методик:
функционального анализа влияния повышенных динамических нагрузок на работу основных элементов конструкции пути;
ретроспективного анализа мероприятий по компенсации процессов накопления остаточных деформаций;
системного анализа предлагаемых технических решений по усиленно несущей способности грунтов основной площадки земляного полотна с применением геоматериалов;
экспериментального (лабораторного и натурного на магистральных путях) комплексного исследования напряженно-деформированного состояния основных элементов конструкции пути;
расчетно-теоретического решения задачи по оценке влияния армирования рабочей зоны основной площадки земляного полотна на устойчивость откосов земляного полотна при воздействии вибродинамической нагрузки с созданием расчетной схемы.
Научная новизна.
Сформулирована и решена проблема обеспечения устойчивости откосов земляного полотна, армированного в рабочей зоне основной площадки геоматериалами, при условии снижения прочностных характеристик грунтов под влиянием вибродинамического воздействия от проходящих поездов с учетом его затухания в теле земляного полотна.
Разработаны технические критерии оценки вариантов усиления балластного слоя геоматериалами.
Выявлены основные закономерности протекания процессов накопления остаточных деформаций рельсов, шпал, балласта и земляного полотна на участках обращения вагонов с Рср. исл. = 256-264 кН.
Сформулированы основные критерии назначения вариантов систем технического обслуживания текущего содержания пути машинизированными комплексами..
Предложена ресурсосберегающая трехуровневая система технического обслуживания текущего содержания пути.
Создана методология прогноза контактной выносливости рельсов, работающих на участках обращения подвижного состава с повышенными осевыми нагрузками, на основе положений об упруго-пластической деформации металла головки рельса..
Практическая ценность работы заключается в разработке комплекса мер и конструктивных решений верхнего строения пути, в том числе балластной призмы на участках обращения подвижного составах Ро = 300
кН; в определении перечня критериев технической оценки вариантов укладки геоматериалов в балластный слой; в оценке степени реализации рабочих функций ряда геоматериалов в условиях эксплуатации; в создании метода расчета устойчивости откосов земляного полотна при воздействии вибродинамической поездной нагрузки; в разработке основных систем технического обслуживания текущего содержания пути машинизированными комплексами и критериев их выбора.
Практическую ценность представляют результаты: натурных экспериментов по оценке параметров напряженно-деформированного состояния пути при различных типах верхнего строения и конструкции подрельсового основания в условиях массового обращения вагонов с нагрузками до 300 кН; многолетних эксплуатационных наблюдений за процессами накопления остаточных деформаций рельсо-шпальной решетки и основных элементов конструкции пути.
На защиту выносятся:
решение проблемы устойчивости откосов земляного полотна, армированного в рабочей зоне основной площадки георешетками при учете влияния вибродинамического воздействия от проходящих поездов;
результаты комплексных натурных тензометрических экспериментов и эксплуатационных наблюдений за работой рельсов, шпал, балласта и основной площадки земляного полотна на действующем полигоне при массовом обращении вагонов с осевыми нагрузками до 300 кН;
основные закономерности протекания процессов накопления остаточных деформаций рельсов, шпал, балласта и земляного полотна на участках обращения вагонов с Рср, ИСл.~ 256-264 кН;
результаты экспериментов по оценке напряженно-деформированного состояния конструкции пути при армировании балластной призмы различными типами геоматериалов;
комплексная методика технической оценки вариантов усиления балластного слоя геоматериалами;
зависимости изменения по длине шпалы напряжений на основной площадке земляного полотна при различных конструкциях балластной призмы, армированной геоматериалами;
основные положения методологии прогнозирования контактной выносливости рельсов при воздействии повышенных осевых нагрузок;
комплекс технических и технологических мероприятий по снижению интенсивности накопления остаточных деформаций в основных элементах конструкции пути при воздействии вагонов с осевыми нагрузками до 300 кН;
принципы назначения вариантов систем технического обслуживания текущего содержания пути машинизированными комплексами.
Реализация и апробация работы. Разработка основных проблем диссертационного исследования велась по заданиям ЦП МПС, Октябрьской и Эстонской железных дорог в рамках отраслевых научно-технических программ: «Изучение закономерностей влияния повышенных осевых нагрузок на работоспособность железнодорожного пути (Указание МПС №1324у от 19.11.85), «Разработка и внедрение комплекса методов и способов по обеспечению эксплуатационной надежности земляного полотна железных дорог» (Указание МПС №251у от 22.01.88), «Разработка технологий и технических средств текущего содержания пути для различных условий эксплуатации».
Выполненные исследования и разработанные рекомендации позволили внедрить новые технические решения и технологии технического обслуживания пути, обеспечивающие его надежную работу на. участках массового обращения подвижного состава с осевыми нагрузками до 300 кН. В результате этих мероприятий был увеличен ресурс работы рельсов, шпал, балласта.
Рекомендации по выбору и технической оценке конструкций балластного слоя, армированного различными видами геоматериалов использованы Октябрьской железной дорогой, АО «Ленгипротранс» при разработке технологий выполнения усиленного капитального и усиленного
среднего ремонтов пути, при проектировании новых линий и реконструкции действующих под обращение подвижного состава с повышенными осевыми нагрузками.
Рекомендации по выбору конструкции пути и технологий усиления земляного полотна в рабочей зоне были учтены при разработке технологий реконструкции участка Таллинн - Нарва Эстонской железной дороги под обращение грузовых поездов с осевой нагрузкой 30 т и скоростью движения 100 км/ч.
Основные результаты и положения работы докладывались и были одобрены:
на 4-ой и 5-ой межвузовских научно-методических конференциях «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (в 1999 и 2000 г.г., г. Москва, РГТОТУПС);
на Всероссийской научно-технической конференции
«Фундаментальные и прикладные исследования — Транспорту —2000» (2000 г., г, Екатеринбург, УрГУПС);
на 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» 2000 г., г. Москва, МГУПС-МИИТ);
на 43-й научно-технической конференции по вопросам путевого хозяйства «Современные проблемы и прогрессивные технологии в путевом хозяйстве Октябрьской железной дороги» (12-13 апреля 2001 г., г. Санкт-Петербург, ПГУПС);
на международной научно-технической конференции «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных объектов» (21 — 22 ноября 2002г., г. Санкт-Петербург, ПГУПС);
на научно-техническом совете МПС (секция путевого хозяйства) (ноябрь 2002 г., г. Москва);
на международной научно-практической конференции «Проблемы взаимодействия пути и подвижного состава»(8 - 10 октября 2003 г., Украина, Днепропетровск, Днепр., нац. ун-т ж.д. тр-та им. В. Лазаряна);
на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (16-17 октября 2003 г., г. Екатеринбург, УрГУПС);
на международной научно-практической конференции «Акватерра -2003» (11 - 14 ноября 2003 г., г. Санкт-Петербург, ГРОЦ Минатома России).
Основные положения диссертации опубликованы в 39 печатных работах.
1. НАПРЯЖЕННО -ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПУТИ
НА УЧАСТКАХ ОБРАЩЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА С
ОСЕВЫМИ НАГРУЗКАМИ ДО 300 кН
Реформа федерального железнодорожного транспорта, рассчитанная на период до 2010 г., имеет основную цель - снижение совокупных народнохозяйственных затрат на перевозки железнодорожным транспортом. В рамках этой реформы в соответствии с «Концепцией реформирования организационной структуры путевого комплекса» [1,2] осуществляется реорганизация путевого комплекса для обеспечения:
снижения себестоимости и доли эксплуатационных затрат в путевом хозяйстве при росте объемов перевозок;
возможности обращения на сети железных дорог подвижного состава нового поколения: большегрузных вагонов с грузоподъемностью до 94 т и конструктивной скоростью до 140 км/ч, стандартных с увеличенной грузоподъемностью до 71-75 т с конструктивной скоростью до 120 км/ч;
движения грузовых поездов с повышенными скоростями, скоростного и высокоскоростного движения пассажирских поездов.
Реализация вышеназванных мероприятий становится возможной только при гарантии надежной работы конструкции пути под подвижным составом с перспективными эксплуатационными характеристиками.
Техническая политика по увеличению осевых нагрузок связана с решением комплекса технико-экономических задач. Это, прежде всего, вопросы эксплуатационной надежности железнодорожного пути и обеспечения безопасности движения поездов, вытекающие из возросших сил взаимодействия пути и подвижного состава, более интенсивного накопления остаточных деформаций, снижения сроков службы основных
элементов верхнего строения пути, увеличения объемов работ по текущему содержанию и ремонтам пути.
Основные мероприятия по реализации задач развития путевого комплекса связаны между собой и для своего выполнения требуют комплексного подхода.
Массовому внедрению грузовых вагонов с повышенными осевыми нагрузками и их интенсивной эксплуатации на сети железных дорог должна предшествовать надежная оценка сил их воздействия на путь.
Напряженно-деформированное состояние пути на участках обращения подвижного состава с осевыми нагрузками до 30 тс
Для экспериментального определения сил взаимодействия и параметров напряженно-деформированного состояния пути под средне-исполненной осевой нагрузкой 256-264 кН были выбраны условия эксплуатации с максимальным приближением к условиям работы наиболее напряженных участков железных дорог МПС (по конструкции пути, типу рельсов, массе и режиму ведения поездов, плану и профилю, природно-климатическим условиям, по расстоянию от мест погрузки массовых сыпучих грузов и т.д.).
Экспериментальные работы на эксплуатационном полигоне проводились: на открытых участках с рельсами типов Р65 и Р50, деревянными шпалами, щебеночным балластом фракции 20-60 при звеньевом пути; в тоннелях с рельсами типа Р65, деревянными шпалами, щебеночным балластом фракции 20-60 и на деревянных полушпалах, втопленных в монолитное железобетонное основание.
Промышленный эксплуатационный полигон характеризуется следующими параметрами: протяженность главных путей более 140 км, в том числе с рельсами Р50 — 40 км; кривые радиусом 250 — 3000 м; профиль с уклонами до 30 %oi типовая конструкция пути — рельсы Р65 и Р50 длиной 25 м объемно закаленные и «сырые», шпалы деревянные типов ІА и ПА, балласт щебеночный на песчаной подушке; подвижной состав — локомотивы ВЛ22 и ВЛ15А, шестиосные полувагоны типа 2ВС-105; скорость движения поездов до 13,9 м/с; грузонапряженность участков в пределах 50-70 млн. ткм / брутто в год для грузового направления и 15 — 22 млн. ткм / брутто в год для смешанного движения; перевозимый груз -руда.
Ежегодно для получения достоверной картины о загрузке думпкаров рудой и подтверждения полученных ранее результатов, относимых к определенному уровню среднеисполненных осевых нагрузок, делались выборки весов полувагонов несколько месяцев по каждому из направлений. При рассмотренных весовых характеристиках думпкаров следует обратить внимание на следующие моменты (рис. 1.1): среднеисполненные осевые нагрузки думпкаров находятся в пределах 245 - 264 кН. доля вагонов, реализующих осевые нагрузки, большие или равные 250 кН (номинальная осевая нагрузка), значительна — от 0,67 до 0,97. доля вагонов с осевыми нагрузками, большими или равными 270 кН также существенна. Наибольшая доля этих нагрузок имеет место на участке, где используется экскаваторная погрузка руды в состав — от 0,08 до 0,32, наименьшая - на участках погрузки руды через рудоспуски — от 0,03 до 0,13. доля вагонов с осевыми нагрузками более 290 кН находится в пределах 0,004 - 0,037.
Рассмотрение этих данных еще раз подтверждает необходимость при проведении расчетов пути на прочность, устойчивость, режим эксплуатации, долговечность для участков массового обращения подвижного состава с повышенными осевыми нагрузками, принимать за основу не номинальные нагрузки, а нагрузки фактические. Так, например, по данным промышленного полигона перегруз вагонов весьма устойчив и составляет 17% за последние два десятилетия, что и должно учитываться в расчетах.
Динамические испытания пути с рельсами типа Р65 и Р50 проводились на участках, позволяющих осуществить их сравнительную оценку сил взаимодействия и напряженно-деформированного состояния (сохранены план и профиль, подвижной состав, скорости движения и др.). Сечения пути, в которых устанавливались датчики, фиксирующие силы взаимодействия и напряженно-деформированное состояние, располагались в прямом участке пути и в круговой кривой радиуса 400м и 350м, в зоне плавного изменения стрел прогиба при содержании их в соответствии с требованиями ПТЭ МПС РФ. Балластный слой имел загрязненность в пределах 10-15%, земляное полотно не имело дефектов и деформаций. Выплески и отрясенные шпалы на участке испытаний отсутствовали.
Суммарная наработка тоннажа к моменту проведения динамических испытаний составила: при рельсах Р65 - 180 млн. т брутто пропущенного груза; при рельсах Р50 - 40 млн. т брутто пропущенного груза.
При динамических испытаниях пути с рельсами Р65 груженые полувагоны имели среднюю статическую нагрузку 256 кН, при испытаниях с рельсами Р50 эта величина составила 264 кН. Расхождение в средних статических нагрузках в 8,0 кН существенно не сказалось на величинах вертикальных (Р, кН) и горизонтальных поперечных (Н, кН) сил, зафиксированных в прямом участке пути (табл. 1.1).
Напряженно-деформированное состояние рельсов в зоне укладки геоматериалов
Экспериментальные исследования проводились с целью определения влияния гео матер налов, уложенных в балластный слой на напряженно-деформированное состояние рельсов.
Рельс, в данном случае, явилсяся датчиком, по напряженно-деформированному состоянию которого оценивалась упругая характеристика (модуль упругости) подрельсового основания. В этом случае рельс дает интегральную оценку указанной характеристики на длине упругой волны его изгиба (на 3-4 м), а измерение напряжений в балласте с помощью мессдоз дает точечную оценку в данном сечении. Кромочные напряжения в рельсах измерялись от воздействия колес электровозов ВЛ-10, ЧС-2,ЧС-6, грузовых и пассажирских вагонов.
Анализ представленных материалов показывает, что, как правило, наблюдаются асимметричные распределения величин напряжений, что, вероятно, объясняется случайным характером действующих горизонталь ных сил. По абсолютным значениям напряжения в основном находятся в диапазоне 100-600 кг/см% в отдельных случаях достигают 1100 кг/см, т.е. значительно меньше допускаемых. Поэтому вопросы обеспечения прочности рассматривать не целесообразно, а как указывалось выше, следует их рассматривать в виде показаний датчиков, характеризующих параметры подрельсового основания. Результаты измерений приведены в табл. 2.3 и на рис.2.2. (для локомотива ВЛ-10).
Существенной разницы в величинах кромочных напряжений для сечений 1-4 не наблюдается, вероятно, разброс значений находится в пределах обычно наблюдаемой разницы величин модуля упругости на типовой конструкции. Исключение составляет 5 сечение, в котором уложены геоячейки «Геокаркас» и напряжения в котором более всего соответствуют рассчитанным с помощью поправочных коэффициентов, но снижение напряжений на уровне основной площадки объясняется невозможностью уплотнения балласта в объемных ячейках геокаркаса. Геокаркас, понижая модуль упругости подрельсового основания, увеличивает кромочные напряжения в рельсах.
Наиболее достоверную оценку исследуемому фактору можно дать по средним значениям кромочным напряжениям.
В этом плане наибольшее воздействие наблюдается при движении локомотивов ВЛ-10 и ЧС-2. Они вызывают в два раза более высокие напряжения, по сравнению с вагонами.
Второй вывод, который следует из полученных экспериментальных данных - существенной разницы в величинах напряжений (средних из средних от всей совокупности прошедших колес), для сеч. 1-4 практически не усматривается. Она, видимо, находится в пределах обычно наблюдаемой разницы величин модуля упругости пути на конструкции пути с балластной призмой не армированной георешетками.
Исключение составляет сеч. 5, в котором уложены геоячейки «Геокаркас», где практически по всем отдельным экипажам и по всей их совокупности явно выражено увеличение напряжений. Объяснятся это, на наш взгляд, не только недостаточным уплотнением балласта в зоне укладки геоячеек, но и принципиальной невозможностью уплотнить балласт фракции 20-60 в ячейках с размерами 10x10 и высотой ребра 10 см.
Укладки геоячеек при не снятой рельсошпальной решетке достаточно трудоемка, а правильная их геометрия - сохранение ребер вертикальными и полное раскрытие ячеек, будет определять эффективность их дальнейшей работы.
Наиболее чувствительным фактором к изменению модуля упругости (если не производить его измерения с помощью специального загрузочного устройства) по имеющимся у нас экспериментальным данным, являются упругие прогибы рельсовых нитей. При всех вариантах укладки геоматериалов измерялись упругие просадки откосной рельсовой нити.
Анализ их показывает, что наблюдается их различие по исследуемым сечениям и имеется влияние отдельных подвижных единиц. Наибольшие просадки, по сравнению с вагонами, вызывают локомотивы. Так, в сеч. I, где уложен один слой решеток, под вагонами они составляли 0,96-1,36 мм, а под локомотивами 1,42-1,54 мм. Соответственно, в сеч. 2 — 1,10-1,17 мм и под локомотивами 1,50-1,58 мм; еще большее различие наблюдается в сеч. 5 — укладка геоячеек, а именно: под вагонами 1,55-1,89 мм и 2,38-2,62 мм под локомотивами, т.е. просадки в сеч. 5 под грузовыми вагонами в 1,4-1,7 раз больше, чем в сеч. 1 и 2, а под локомотивами соответственно в 1,65-1,70 раза.
Если упругие просадки рельса проанализировать по средним значениям от всей совокупности прошедших колес, то в сеч. 5 они больше в 1,50-1,62 раза, чем в сечениях 1 -3. А это значит, что и по этому показателю (также как и по кромочным напряжениям изгиба) сечение с укладкой геоячеек имеет меньшие значения модуля упругости подрельсового основания, который является одной.из основных характеристик, определяющих напряженно-упругое состояние всего пути.
Конструкция верхнего строения пути представляет многослойное основание и результирующий модуль упругости формируется ее отдельными составляющими. При этом составляющими (слоями, обладающими деформацией сжатия) являются упругие прокладки, шпалы, балласт, земляное полотно.
В этом плане георешетки не являются деформируемым слоем и могут играть лишь роль арматуры, воспринимающей растягивающие напряжения при заанкеровании концов, за счет сил трения или внутреннего давления в габионах. Известно, что при типовых грунтах земляного полотна, упругая просадка на 70% формируется за счет верхнего строения пути. Укладка геоматериала под балласт на основную площадку земляного полотна не изменит деформации вышележащих слоев.
В табл.2 А приведены средние значения просадок рельсов при измерении их до укладки и после укладки геоматериалов. Эти материалы подтверждаются и на графике просадок (рис. 2.3, рис 2.4).
Таким образом, как и следовало ожидать, укладка георешеток под балластный слой на модуль упругости подрельсового основания не влияет. Аналогичные выводы можно сделать и по данным измерений кромочных напряжений в рельсах.
На основе вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
В рассмотренных вариантах укладки геоматериалов их рабочие функции сводятся к функциям разделительного слоя. А в этой функции могут быть использованы геотекстиль или геокомпозит. Так как на основной площадке земляного полотна «расползание» щебеночной балластной призмы не наблюдается (горизонтальные силы смещения частиц отсутствуют) целесообразно использовать наиболее дешевую геоткань, обеспечивающую разделение частиц грунта основной площадки и щебеночной призмы.
Анализ условий устойчивости для криволинейной поверхности скольжения
В реальных условиях это может быть в случае водонасыщенных глин, рассматриваемых в замкнутом пространстве, т.е. в лабораторных условиях, когда образец разрушают в приборах трехосного сжатия, а иногда на строительных площадках при внезапных просадках грунта на увлажненных откосах без изменения влажности и объема водонасыщенного грунта. Проницаемость глин и песчаников очень низкая, поэтому сразу после нагружения (чаще всего тяжелыми материалами, вызывающими несинхронные колебания при вибрации) первые деформации возникают без изменения объема. Только после этого пропорционально уплотнению, т.е. по мере упрочнения материала, система становится замкнутой, возникают изменения в объеме и сопротивление сдвигу вновь зависит от перпендикулярных напряжений.
Кроме того, условие (р=0 будет иметь место во всех уплотнениях глинистых фунтов в местах бывших просадок или в зонах контакта глины с водонасыщенными слоями пылеватых или в земляном полотне поверхность сдвига становится критической, когда сопротивление сдвигу достигает максимальной величины перед осадкой. Форма этой поверхности — цилиндрическая для материала, удовлетворяющего законам устойчивости. Такая поверхность в кинематическом отношении ближе всего к встречающейся в действительности для плотных однородных грунтов.
Для условия ф=0 устойчивость откоса ограничивает силу трения с. для определения наименее благоприятной поверхности скольжения необходимо проанализировать несколько поверхностей и в качестве критической величины принять максимальную сш = — согласно рис.3.4., а затем на основе геометрических соотношений определить величины G, а 1ь и г, преобразовав эту формулу как где h — высота откоса; f (а, р, 5) — величина зависящая только от допустимых величин соответствующих углов. 157 Положение критической поверхности сдвига определяется /Г л граничными условиями для откоса - = 0 и - - = 0. Ее явная форма имеет вид: c0bt = hroNc, (3.6.) где Nc = f (acr, р, 6cr) - коэффициент устойчивости.
Для сравнения при высоте откоса h и трении с0ы, вычисленном с учетом лабораторно определенного действительного трения грунта, можно установить степень надежности равновесия откоса, а затем вычислить предельную высоту откосов при допустимой их крутизне р. Для этого необходимо построить кривую зависимость коэффициента устойчивости N = от угла наклона откоса р. Здесь возможны два случая: цилиндрическая поверхность проходит через подошву откоса (см. точку А на рис.3.4., а) или выходит на поверхность за пределами земляного полотна (рис.3.4., б).
Условие 9=0, с=0 характерно для грунтов, сопротивление которых линейно зависит от главных напряжений в соответствии с законом Кулона т = ст tg ф, где а - перпендикулярные напряжения на поверхности сдвига.
Анализ устойчивости в заданных условиях позволяет найти такую форму поверхности откоса, которая в данных климатических условиях будет неизменной длительное время. Эта форма должна быть определена в зависимости от типа и свойств заданного грунта, а также от условий увлажнения. Следует учесть происхождение окружающих грунтов и длительность производства земляных работ, потому что нельзя забывать об изменениях сопротивления грунта сдвигу во времени и возможности выхода воды на поверхность, мощности слоя, а также влияния тектонических и гляциотектонических деформаций.
Часть этих параметров можно определить на основе известных методов механики грунтов. Но для того чтобы откос, рассчитанный обычными методами, не смещался и чтобы исключить возможность деформаций из-за изменений физического состояния или реологических свойств грунтов под действием неучтенных при традиционных расчетах сил, необходимо разработать методы комплексного анализа и проверки устойчивости расчетным путем. Точное в теоретическом смысле решение невозможно, потому что постоянно неизвестны ни распределение перпендикулярных напряжений на поверхности сдвига, ни реологические факторы. Поэтому до разработки схемы откоса необходимо иметь детальные сведения о геологических и строительных свойствах грунтов, включая их анализ; результаты лабораторных испытаний грунтов, по своим свойствам близких к грунтам сооружаемого откоса; эти испытания сопротивления сдвигу должны быть выполнены для выемок при снижении поперечного напряжения в камере прибора для трехосного сжатия и для насыпей с повышенными вертикальными напряжениями; результаты исследований длительного и кратковременного сопротивления сдвигу.
При проектировании насыпи следует проверить возможность деформаций грунта.
Существует несколько методов определения формы откоса и установления величины коэффициента устойчивости, характеризующегося отношением наименьших сил, удерживающих откос, к наибольшим силам, нарушающим его форму, в наиболее неблагоприятных условиях.
Для насыпей с h 6 м с максимальным наклоном откосов 1:2 — 1:5 у основания при значительном поровом давлении и глубоком проникновении поверхности смещения в откос наиболее приемлем метод Бишопа, который развивает метод Тейлора и учитывает связь моментов массы «полосы».
Методика расчета контактной зоны на упругую деформацию и границы ее применения
Поскольку Сі сз, в однородных грунтах независимо распространяются два типа волн и в зависимости от характеристик источника колебаний могут возникнуть один или два типа волнообразных движений.
При расчетах устойчивости откосов и склонов внешняя поездная нагрузка учитывается в статической расчетной схеме в виде фиктивного столба грунта при интенсивности нагрузки рп [134]. Данная схема учета правомерна при расчетах устойчивости нестабильных склонов и откосов выемок. При оценке устойчивости откосов насыпей указанный метод учета внешней поездной нагрузки не отражает специфических условий работы насыпи при воздействии динамической нагрузки по следующим соображениям. Интенсивность приложения поездной нагрузки рп учитывает действие динамических сил, возникающих при прохождении подвижного состава, имеющего неровности на колесах по пути с динамическими неровностями. Таким образом, динамический характер поездных нагрузок учитывается только как бы «до уровня основной площадки». Однако при проходе по насыпи поезда в ней возникает сложный колебательный процесс, неравномерный в пространстве и времени [64,138,139].
Устойчивость земляного полотна в общем случае будет определяться следующими группами факторов: составом, состоянием и свойствами грунтов, слагающих земляное полотно и лежащих в его основании; характером и величиной действующих сил и эксплуатационных условий; конструкцией верхнего строения пути и подвижного состава; состоянием пути и подвижного состава.
Взаимозависимое влияние этих факторов определяет напряженно-деформированное состояние и характеристики колебательного процесса грунтов земляного полотна, важнейшими из которых являются максимальныее динамические напряжения, амплитуды колебаний и распределение их по глубине.
В работах И.В. Проку дина [59,64,65,139,140] получены зависимости распределения колебаний в теле земляного полотна и за его пределами, установлены закономерности снижения прочностных и деформативных характеристик глинистых грунтов в зависимости от величины вибродинамического воздействия.
Т.Г. Яковлева в работе [134] эти проявления динамического процесса работы земляного полотна под подвижной нагрузкой называет динамическим состоянием насыпи в отличие от статического состояния, которое имеет место, когда поезда нет или он стоит. Это динамическое состояние, существенно снижающее устойчивость откосов, никак не учитывается величиной рп В настоящее время уже накоплен достаточно обширный экспериментальный материал о количественных характеристиках параметров колебаний (амплитуд А, мк, ускорений а, м/с2 и др.), а также динамических характеристиках сопротивления сдвигу (сдин, Па, и ср , град), в том числе и их распределении по поперечному сечению железнодорожной насыпи и затухании с глубиной (И.В. Прокудин, В.В. Виноградов, Ю.П. Смолин, Г.Г. Коншин, С.А. Вознесенский, ГЛМ. Стоянович и др.).
В.В. Виноградов разработал расчетную модель оценки устойчивости откосов железнодорожной насыпи с учетом её динамического состояния , сущность которой можно уяснить из рис. 3.И.
На основную площадку насыпи действует динамическая составляющая поездной нагрузки Р0, кН. В расчетных точках на поверхности CD возможного смещения, являющихся проекциями центров тяжести отсеков, приложена равнодействующая Qis кН/м сил веса, инерционной и диссипативной сил. По основанию отсека действуют реактивные силы сцепления и трения, переменные силы сцепления и трения, переменные и увеличивающиеся по мере удаления г, м, от точки приложения силы Р0. Уменьшение сдин и фдин по мере приближения к силе Р0 пропорционально амплитуде колебаний А, также зависящей от г и уменьшающейся от С к D. Для расчета динамических сил используются зависимости а = а (г). В остальном расчет к производится также, как и в статической схеме.
Для приближенного учета динамического состояния насыпи в МИИТе под руководством Т.Г. Яковлевой [135] создан метод центробежного моделирования насыпей в различных условиях их работы, в котором все проявления динамического процесса «ниже уровня основной площадки» можно учесть введением в статическую модель некоторой приведенной внешней нагрузки:
