Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов усиления подбалластного основания 8
Выводы к главе 1 39
Глава 2. Методика исследований 41
2.1. Характеристики стендового пути на хорде Экспериментального кольца ВНИИЖТ, полученные в ходе 45 исследований
2.2. Характеристика грунтов стендовой насыпи 53
2.3. Уточнение параметров условного приведенного модуля деформации подбалластного основания участков стендовой насыпи в процессе эксплуатации 56
Выводы к главе 2 61
Глава 3. Изменение упруго-деформационных характеристик и показателей силовой нагруженности пути в зависимости от характеристик подбалластного основания 62
3.1. Зависимость изменения уровня головки рельса (УГР) в зависимости от характеристик подбалластного основания. 62
3.2. Зависимости остаточных деформаций подбалластного основания от его характеристи 87
3.3. Зависимость изменения упругих осадок рельса в зависимости от характеристик подбалластного основания 91
3.4. Зависимость показателей напряженно-деформированного состояния пути от характеристик подбалластного основания 94
3.5. Анализ расстройств пути в зоне стыков 107
3.5.1. Анализ проходов путеизмерителя 107
3.5.2. Влияние зон рельсовых стыков на осадку уровня головки рельса 108
3.5.3. Упругие осадки пути в зоне рельсовых стыков 109
3.6. Анализ релаксационных свойств пути 111
3.7. Теоретический расчет влияния состояния пути на показатели динамики подвижного состава 113
Выводы к главе 3 119
Глава 4. Влияние защитных слоев на эксплуатационные показатели работы пути и накопление расстройств в вертикальной плоскости 122
4.1. Анализ исследований по развитию в пути неровностей и планированию выправочных работ 128
4.2. Зависимость остаточных осадок пути от упругих 142
4.3. Оценка влияния характеристик подбалластного 144
основания на деформативность пути
Выводы к главе 4 149
Основные результаты и выводы по работе 152
Библиографический список
- Характеристика грунтов стендовой насыпи
- Зависимости остаточных деформаций подбалластного основания от его характеристи
- Влияние зон рельсовых стыков на осадку уровня головки рельса
- Зависимость остаточных осадок пути от упругих
Введение к работе
Основной тенденцией развития рынка перевозок железнодорожным транспортом, является рост объемов перевозок при обеспечении сокращения срока доставки грузов.
По прогнозам ВНИИЖТа, сделанным в 2000 году, объем перевозок достигнет уровня 1988 года в период 2008 - 2019 годов [1]. В августе 2004 года была принята стратегия развития ОАО «РЖД» до 2010 года, которая предусматривала рост:
• объема грузовых перевозок на 43 % в 2010 г. по сравнению с 2003 годом;
• среднеосевых нагрузок при преимущественном наращивании объема перевозок за счет нефти, руды, угля, леса при максимальном использовании грузоподъемности вагонов;
• нормируемых осевых нагрузок грузовых вагонов до 25- -30 тс;
• скорости движения поездов;
• весов поездов.
В качестве мер компенсации увеличения интенсивности расстройств пути при изменении эксплуатационного режима, могут рассматриваться:
• пропорциональное увеличение объемов работ по обслуживанию пути с сохранением существующих технологий их выполнения и конструкции пути;
• изменение технологии производства работ при внедрении высокопроизводительных дорогостоящих комплексов со снижением показателей использования их по времени;
• усиление верхнего строения пути;
• усиление контактной зоны в основании балласта при глубокой очистке;
• усиление подбалластного основания укладкой защитных слоев из щебеночно-гравийно-песчанных смесей требуемой толщины с заданным упрочнением, в том числе с армированием синтетическими материалами.
Поскольку возможности усиления пути за счет повышения мощности верхнего строения весьма ограничены, отечественная и зарубежная практика указывают на предпочтительность последнего направления.
Однако, объемы необходимого усиления пути за счет улучшения подбалластного основания существенно больше протяженности только активно деформирующихся участков земляного полотна, определенной по действующим формам учета. Необходимо принимать в учет и участки с медленно развивающимися процессами деформациями пути, вызванными состоянием подбалластного основания.
Усиление подбалластного основания требует дополнительных инвестиций в инфраструктуру пути и, при высокой неоднородности подбалластного основания на длительно эксплуатируемых линиях, вынуждает с особой тщательностью устанавливать критериальные требования к показателям деформативности, позволяющим дать сравнительную оценку различных способов усиления пути.
Наиболее оправданы комплексные решения, когда для стандартных типов верхнего строения по показателю деформативности рабочей зоны земляного полотна устанавливается необходимость и достаточность укладки геоматериалов при глубокой очистке балласта, а при недостаточности этих мер определяются требуемые толщина и плотность защитного слоя в том числе из щебне-гравийно-песчаной смеси. При этом возможны решения, когда для заданного режима эксплуатации возможно установление уровня затрат на обслуживание пути.
В данной диссертационной работе исследовано влияние защитных слоев на деформационные характеристики пути по результатам наблюдений на опытной насыпи Экспериментального кольца (ЭК) ВНИИЖТ (ст. Щербинка).
Актуальность темы
В ближайшие годы и на более отдаленную перспективу рост грузонапряженности будет сопровождаться увеличением грузоподъемности вагонов, весов грузовых поездов и скоростей движения, т.е. величин нагрузок на путь и длительности их воздействия.
Усложнение режима эксплуатации пути при сохранении существующей конструкции верхнего строения и технологии его обслуживания неизбежно приведет к росту потребных объемов выправочных работ, что при существующей численности персонала и высоком заполнении графика движения практически нереально.
Внедрение высокопроизводительных и дорогостоящих ремонтных комплексов не решает в этом случае проблему текущего содержания, а в условиях недостатка пропускной способности показатели эффективности использования этих комплексов будут снижаться.
Резервы повышения мощности типового верхнего строения пути традиционных конструкций также практически исчерпаны, а новые конструкции требуют улучшенных деформационных показателей основания.
Поэтому основным направлением для снижения интенсивности накопления расстройств пути и объема выполняемых работ является усиление подбалластного основания в том числе за счет укладки защитных слоев из минеральных смесей, результатом чего становится улучшение механических свойств и однородности рабочей зоны земляного полотна до нормативной величины.
Целью работы является научное обоснование возможности снижения интенсивности расстройств пути в вертикальной плоскости за счет изменения деформационных характеристик подбалластного основания.
Научная новизна
Получены зависимости интенсивности накопления расстройств и остаточных осадок пути от условного приведенного модуля деформации основания на основных конструкциях верхнего строения при сверхвысокой грузонапряженности до 350 млн.ткм брутто/км в год в одинаковых климатических и эксплуатационных условиях.
Установлены связи упругих и остаточных деформаций пути современной конструкции при различном условном приведенном модуле деформации основания.
Экспериментально определены зависимости нагрузок на шпалы и упругих осадок пути от осевых нагрузок при различном условном приведенном модуле деформации основания.
Использование в расчетах пути на прочность профиля пути, полученного нивелировкой под нагрузкой и модуля упругости пути, определенного с учетом характеристик основания, позволяет уточнить величины нагрузок на шпалу на 8 - 14%.
Практическая ценность
Подтверждена возможность увеличения периодов между выправками пути и снижения затрат на техническое обслуживание пути за счет увеличения условного приведенного модуля деформации основания.
Показано, что стабильная работа пути во все климатические периоды может быть обеспечена при условном приведенном модуле деформации подбалластного основания не ниже 35 МПа.
Полученные результаты использованы при разработке временных Технических требований к деформационным показателям рабочей зоны земляного полотна, утвержденных зам. Начальника Департамента пути и сооружений ОАО «РЖД» И.В. Серебрянниковым от 18 декабря 2007 года №ЦПИ 3/400.
С использованием специально разработанной методики установлено отсутствие релаксационных деформаций грунтов основания на 3-ем пути ЭК ВНИИЖТа, что позволяет использовать этот путь как эталон в исследованиях по повышению весов поездов и осевых нагрузок.
Характеристика грунтов стендовой насыпи
После строительства было произведены натурные испытания оценки свойств грунтов. Испытания были произведены лабораториями ЦНИИСа и Мосжелдорпроекта. Для оценки свойств грунтов приняты обобщенные данные: влажность предела текучести Wx = 0,29; влажность предела раскатывания Wp = 0,20; удельный вес минеральных частиц ps = 2,72 г/ 3; расчетная плотность грунта pd = 1,55 г/ 3 ; коэффициент пористости е = 0,75; модуль деформации грунтов Е3 =1бМПа (по табл. 3 приложения 1 СНиП 2.02.01-83) [18]. На участке 1 (Зкм ПК 1 - 4+50) защитный слой представлен мелкозернистым песком, гранулометрический состав которого приведен в таблице 2.2. см
В дальнейшем для расчетов принимается плотность ps -1,71г/ / С J измеренная натурным способом.
Максимальная упругая осадка под расчетной осевой нагрузкой (30 тс) для указанной ситуации будет равна: На участках 2 и 3 (2км ГГК8 - Зкм ПК1) в качестве материала защитного слоя применен гравелистыи песок из карьера «Подгорный» со средним содержанием фракций размером более 2 мм 29 % от общего веса. Определяемая упругая осадка рельса под расчетной нагрузкой 30 тс/ось будет равна: 190 (2.2) УР30 = = 2,52лш 1,4-39,8 + 12 На участке 3 для повышения виброустойчивости пути проведена цементация слоя толщиной 0,2 м при дозировки вяжущего 5 - 8 %. У рЗО 23мм (2.3)
Участок 4 (2 км ПК7 - 8) усилен защитным слоем толщиной 1,4 м из щебеночно-гравийно-песчаной смеси. Она создана искусственно добавлением к гравелистому песку (см. таблицу 2.3) щебня до 40 % по весу. ожидаемый уровень упругой осадки рельса под расчетной осевой нагрузкой 30 тс: УРЗО = — = 2 2лш (2.4) р30 1,4-53,8 + 12 к }
На участке 5 (2 км ПК 6 — 7) толщина защитного слоя из песка средней крупности уменьшена до 0,70 м. ожидаемая упругая осадка рельса под расчетной осевой нагрузкой ЗОтс: 190 v„ = = 3,5лш, (2 5") р3 1,4-30,0 + 12 ; Аналогично для участка 6 (2 км ПК5 - 6) при толщине защитного слоя h3C = 0,40м. ожидаемая упругая осадка рельса под расчетной осевой нагрузкой ЗОтс: 190 Уп%п — = 4,1лш, (2 6} Ут 1,4-24,3 + 12 KJ"K3)
Для участков стендовой насыпи характерны: существенная разность условного приведенного модуля деформации подбалластного основания в пределах 1 - 4 участков за счет различия в гранулометрическом составе песков и смесей защитного слоя;
относительная стабильность условного приведенного модуля деформации подбалластного основания на 1 - 4 участках в годовом цикле и при внутрисезонном изменении погодных условий за счет применения песков и смесей с низким содержанием пылеватых фракций при толщине защитного слоя существенно большего расчетной глубины сезонного промерзания;
повышенная деформативность подбалластного основания в пределах 5-6 участков как за счет уменьшения толщины защитного слоя до 0,7 и 0,4 м, так и за счет включения глинистых грунтов в зону сезонного промерзания с проявлением их пучения и снижения прочности при оттаивании;
повышение нестабильности условного приведенного модуля деформации подбалластного основания на 5 - 6 участках в годовом цикле при внутрисезонном изменении погодных условий, преимущественно за счет изменения влажности, состояния и свойств глинистых грунтов в рабочей зоне земляного полотна.
Зависимости остаточных деформаций подбалластного основания от его характеристи
Оценка остаточной деформации подбалластного основания велась по данным нивелировки головок сваек длинной 1,8 м с обсадными трубками (рис. 3.27), забитыми на каждом участке стендовой насыпи. подбалластного основания
Анализ полученных за отчетный период данных показал, что осадка подбалластного основания в отчетный период колебалась от 0,05 до 0,22 мм. По мере наработки тоннажа осадка подбалластного основания снижалась и к моменту наработки 412,2 млн. т составила 0,06 - 0,11 мм. На участках, где условный приведенный модуль деформации подбалластного основания был выше, осадка подбалластного основания была меньше (табл. 3.24).
В период пропуска 355,7 - 412,2 млн. т зависимость осадки подбалластного основания от условного приведенного модуля деформации подбалластного основания носила линейный характер и описывалась уравнением: у = -0,0013-Е + 0,1328 (рис. 3.28). приведенного модуля деформации подбалластного основания (Е)
Доля осадки подбалластного основания от общей осадки пути (осадки УТР) составляла в отчетный период от 9 до 20 % . На участках с более мягким подбалластньгм основанием доля осадки подбалластного основания в общей осадки УТР была выше. Зависимость значения осадки подбалластного основания от условного приведенного модуля деформации подбалластного основания носит линейный характер (см рис. 3.29).
На наиболее мягких участках (5-6 участки с условным приведенным модулем деформации подбалластного основания 23 и 30 МПа) доля осадки подбалластного основания снижалась по мере наработки тоннажа, а на участках с условным приведенным модулем деформации подбалластного основания от 36 до 53 МПа данный показатель не зависел от наработки тоннажа (см табл. 3.25).
На участках с более мягким подбалластным основанием в период, когда грунты находились в отмерзшем состоянии, осадка пути шла больше за счет подбалластного основания. В период зимнего промерзания грунтов насыпи (январь-март 2007) доли осадки подбалластного основания была равновеликой на всех участках насыпи.
Таким образом, увеличение условного приведенного модуля деформации подбалластного основания путем создания подбалластных защитных слоев, способствовало снижению интенсивности осадки подбалластного основания. Повышение условного приведенного модуля деформации подбалластного основания выше 35 МПа (в рассматриваемом диапазоне (23 53 МПа) приводит к независимости деформационных свойствЗначения упругих осадок на участках после пропуска 380 млн.т представлены на рис. 3.34. Остаточных деформаций в цикле нагружение-разгрузка при статических также не наблюдалось. Продолжительность циісла нагружения также составляла 5-10 мин.
Как видно из этих графиков, упругая осадка практически не изменилась в процессе наката тоннажа и в большей степени зависела от условного приведенного модуля деформации подбалластного основания. Сравнение данных упругих осадок пути, полученных в период наката 130 млн. т и после прохождения периода оттаивания (май 2007 г), показывает, что данная закономерность сохранена - значения упругих осадок пути по участкам стендовой насыпи практически не изменились в процессе наката тоннажа от 130 млн.т до 380 млн. т. Анализ значений упругой осадки пути за отчетный период показал, что, как и в период наката 130 млн. т, на участках с деревянными шпалами упругие осадки пути, измеренные при статических нагрузочных испытаниях, были выше, чем на участках с ж/б шпалами.
Также были посчитаны доли сжатия прокладок при статических загружениях и построены зависимости деформации прокладок от условного приведенного модуля деформации подбалластного основания отдельно на деревянных и железобетонных шпалах рис. 3.35. пути от сезонно-климатических изменений состояния пути.
Влияние зон рельсовых стыков на осадку уровня головки рельса
За период декабря 2006 по май 2007 года на участках стендовой насыпи зафиксировано 49 отступлений 2 степени по перекосам, просадкам и уровню, из них 12 располагались в зоне влияния рельсовых стыков.
Осадка в зоне стыков была выше в на 49 - 161 %, чем в среднем по участку на железобетонных шпалах и на - 9 - 72 % на деревянных шпалах (табл. 3.32).
На участках с более низким условным приведенным модулем деформации подбалластного основания (в пределах исследуемых значений Епр 23 - 53 МПа) разница между значениями осадки в среднем по участку и в зоне рельсовых стыков больше, чем на участках с более жестким подбалластным основанием.
Кроме того, в отчетный период выявлена зависимость значений осадки в зоне рельсовых стыков от условного приведенного модуля деформации подбалластного основания - на участках с более высоким условным приведенным модулем деформации подбалластного основания осадка в зоне рельсовых стыков выше как на деревянных, так и на железобетонных шпалах (рис. 3.58). Причиной этого является вибрационное воздействие «ударной» нагрузки в области стыка, возрастающее с увеличением условного приведенного модуля деформации подбалластного основания.
Учитывая выявленные закономерности увеличения осадки в зоне рельсовых стыков и по участку в целом еще раз следует подчеркнуть необходимость дифференцированного подхода к выбору параметров упругих элементов в зоне стыков. Влияние зон рельсовых стыков на осадку уровня головки рельса Вследствие увеличения вибровоздействия в зоне стыков на всех участках в период пропуска от 236 до 412,2 млн. т наблюдается сравнительное (со средним значением по участку) увеличение осадки УГР в зоне рельсовых стыков (рис. 3.59) в среднем на 12 %. С 50 Д 40 ка эо м г г- У 20- р 10 Рисунок. 3.59. Осадка УТР на участках стендовой насыпи На участках с более высоким условным приведенным модулем деформации подбалластного основания вибровоздействие выше и, следовательно, процент увеличения осадки в зоне стыков больше (рис. 3.60).
Анализ распределения упругой осадки пути, измеренной при статических нагружениях, по сечениям показал увеличение данного показателя в зоне рельсовых стыков, как на деревянных, так и на железобетонных шпалах на всех этапах испытаний в отчетный период (рис. 3.61). Причем в зимний период, когда путь был в замерзшем состоянии, процент увеличения упругой осадки в стыках был одинаков как на железобетонных, так и на деревянных шпалах - 49 %. В период весеннего оттаивания грунтов, когда произошло общее увеличение упругой осадки пути за счет оттаивания грунтов насыпи, процент увеличения упругой осадки пути в зоне рельсовых стыков снизился до 12 - 32 % (на деревянных и железобетонных шпалах соответственно). В мае 2007 года, после выхода из состояния оттаивания грунтов, данный показатель увеличился до 52 - 55% соответственно.
Анализ значений процента сжимаемости прокладок при статическом нагружении показал, что в зоне рельсовых стыков данный показатель в период оттаивания грунтов (март 2007) ниже, чем в среднем по участку как на деревянных, так и на железобетонных шпалах, а в период климатической стабилизации - после выхода из состояния оттаивания грунтов -соответственно выше, чем в среднем по участку (см рис. 3.62).
С целью установления возможности и целесообразности проведения на экспериментальном кольце исследований по оценке деформативности основания пути при пропуске тяжеловесных поездов было произведено загружение нескольких участков статической поездной загрузкой для оценки релаксационных свойств грунтов.
Эти свойства основания пути определялись путем нивелировки фиксированных точек пути до нагрузки, во время воздействия статической нагрузки (2-3 раза), сразу после снятия нагрузки, через 10 мин и через 2 часа после снятия нагрузки. Нагружение пути осуществлялось в течение 8-9 часов тяжеловесным составом весом около 8 тыс. тонн, состоящим из 79 вагонов с осевой нагрузкой 26- -30 тс. Нивелировку проводили по шейке рельса и торцу шпалы. Измерения охватывали зону стыка и прилегающие к ней участки. Отмечались точки положения колес вагонов. Схема расположения точек, с которых снимались показания, представлена на рис. 3.63.
Зависимость остаточных осадок пути от упругих
Оценка интенсивности развития неровностей и их связи с потребностью в проведении выправочных работ рассматривалась в трудах многих отечественных и зарубежных исследователей. При этом изучались проблемы взаимозависимости упругих и остаточных деформаций пути с условиями его эксплуатации (скорости движения поездов, нагрузки на ось, прошедший по пути тоннаж, грузонапряженность участка, характеристики конструкции верхнего строения пути, в особенности состояние балластного слоя) и напряжениями, возникающими в элементах верхнего строения.
П.П. Цуканов [24] рассматривал закономерности упругих и остаточных осадок шпал, существующие взаимосвязи между этими деформациями и факторы, приводящие к неравномерности осадок как по длине пути, так и во времени.
Им получены экспериментальные зависимости упругих осадок шпал от напряжений в балласте (рельсы IА, шпалы IА, эпюра 1600 шт/км) вида: у = 0,49 -аГ, (4.1) или = 0,49-0-,5+0,64, (4.2) хотя получаемые по этим формулам результаты не являются идентичными. Среднюю величину остаточных осадок П.П.Цукановым рекомендовано считать пропорциональной прошедшему тоннажу Улш=Г-т ЛІЛн.т. (4.3) Для песчаного балласта у = 3,65 мм/млн. т с колебаниями от 0 до 16,6 при замерах через 100 тыс. т.
Связь между упругими х и остаточными у осадками шпал в первом приближении П.П Цуканов предложил описать параболой у = 1,268 + 0,047 + 0,118 %2 (г = 0,65) . (4.4) Указано, что осадки шпал зависят от степени загрязненности, толщины балластного слоя, наличия негодных шпал.
Отмечено, что при обращении большегрузных вагонов интенсивность нарастания осадок в 26 раз больше, чем под электропоездами. Под пассажирскими вагонами величина отрыва шпал от балласта составляет 0,5 -2,7 мм.
В работах [25, 26] М.Ф. Вериго на основе расчетов и экспериментальных исследований показал, что накопление остаточных деформаций приближено следует закону геометрической прогрессии.
Вопрос о периодичности проведения ремонтных работ был поставлен еще в 1936 г. Центральным управлением пути НКПС. В разработанных в 1939 г. ЦУП рекомендациях применено понятие выправочного ремонта, а его периодичность в годах дана в зависимости от категории (I-IV) главных путей.
Вопрос о сроках и объемах необходимых путевых работ неоднократно рассматривался отечественными специалистами [27, 28, 29, 30 31, 32].
Варызгиным [33, 34] для оценки интенсивности остаточных осадок пути предложено использовать величину среднеквадратического отклонения положения пути по уровню с лент вагонов-путеизмерителей а , а также получена в общем виде зависимость, связывающая протяженность пути, подвергнутого выправке, 1Х и величины сгу для опытных участков 130 /,=122-0-,.-181, (4.5) а на опытной дистанции пути эта связь имела вид lx =40,0- av- 68,5 (4.6) Для случая, когда отклонения по уровню берутся со своим знаком и /;= 37,0-о-;-26,3, (4.7) если эти отклонения берутся по модулю. При этом величина также бралась по лентам вагонов-путеизмерителей за 1,5 года наблюдений.
Е.С. Варызгиным также отмечалось [35 ,36, 37], что величина остаточных деформаций балластного слоя, их неравномерность и интенсивность являются следствием совместного действия большого количества факторов. К ним относятся: - постоянное уплотнение балласта за счет переупаковки частиц под воздействием поездной вибрационной нагрузки; - скол острых граней частиц щебня; - различные сочетания нагрузок от подвижного состава; - различное опирание на балласт смежных шпал и каждой шпалы в различных сечениях.
Аналитический метод определения объемов выправочных работ и межремонтного тоннажа с применением методов математической статистики был предложен В.Ф. Федуловым [38]. Зависимости между средней глубиной просадки в стыках h, плавным отклонением по уровню % и средним квадратическим разбросом неравномерных отклонений по уровню а от прошедшего тоннажа носят нелинейный характер, но в интервале « 50 млн.т. их можно принять линейными вида: h=CT + h0, (4.8) %=АТ + Хо, (4.9) a = BT + aQ (4.10) где А,В,С - постоянные для данных условий и данного интервала времени коэффициенты, определяемые экспериментальным путем.
В результате расчетов по этой методике для различных условий эксплуатации рекомендовано при фузонапряженности Г = 25 млн. ткм/км в год делать выправку после пропуска 30-50 млн. т и при Г = 50 млн. ткм/км в год - после 50-100 млн. т.
B.C. Лысюк [39] указывал, что зависимость относительной интенсивности увеличения остаточных деформаций в пути от напряжений в балласте носит квадратичный характер.
Б.А. Евдокимов [40] отмечал, что следует учитывать не столько вообще остаточные деформации, сколько их неравномерность по длине пути. В проведенных им исследованиях установлено, что на равножестком пути с деревянными шпалами неравномерность накопления деформаций на длине звена составляет «0,05 - 0,07 мм/млн. т, что в 3,7 - 5,2 раза меньше, чем на равножестком пути с пониженной жесткостью скреплений в зоне стыков.
Н.И. Коваленко [41] показал, что на участках с грузонапряженностью более 100 млн. ткм брутто/км с незначительным количеством кривых радиусом более 1000 м периодичность ремонтов определяется накоплением остаточных деформаций в балластном слое, которые вызывают необходимость выдачи все возрастающего количества длительных Офаничений скорости. На этих участках целесообразно назначать капитальный ремонт после пропуска 700 млн. т брутто.
В.Ф. Барабошин установил [42], что интенсивность накопления остаточных деформаций во многом определяется вибрационными ускорениями в балласте. Им предложен ряд мер по виброзащите балластного слоя, позволяющий существенно снизить эти ускорения.
