ФЕДЕРАЛЬНИЕ АГЕНСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Петербургский государственный университет путей сообщения»
Факультет: «Строительный»
Кафедра:
«Управление и технология строительства»
ЭРГАШЕВ
УЛУГБЕК ЭРКИНЖОН УГЛИ
Обеспечение несущей способности земляного полотна из лёссовидных грунтов при высокоскоростном движении поездов
Магистерская диссертация
по
направлению 270800 Строительство
Научный руководитель: А.Ф. Колос, к.т.н., доцент
Рецензент: А. М. Абдукаримов, к. т н.
Допущено к защите:
Заведующий
кафедрой: А.Ф. Колос, к.т.н., доцент
Санкт-Петербург
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
. СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ
.1 Понятие о лёссовых и лёссовидных грунтах и их основные физико-механические свойства
.1.1 Физико-механические свойства лёссовых грунтов
.1.2 Физико-механические свойства лёссовидных грунтов
.2 Опыт строительства и эксплуатации земляного полотна в районах распространения лёссовых и лёссовидных грунтов
.3 Вибродинамическое воздействие на грунты земляного полотна железных дорог
.3.1 Характеристика колебательного процесса грунтов
.3.2 Изменение прочностных свойств грунтов под влиянием вибродинамических нагрузок
.4 Выводы по главе I
.5 Цель работы и задачи исследования
. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИБРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГРУНТЫ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ДВИЖЕНИИ ПОЕЗДОВ
.1 Определение напряжений
.2 Определение амплитуд колебаний
.2.1 Теоретические основы расчета амплитуд колебаний грунтов основной площадки железнодорожного земляного полотна
.2.2 Исходные данные и результаты расчета
.3 Выводы по главе II
. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЁССОВИДНЫХ ГРУНТОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ ПОВЫШЕННЫХ ВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
.1 Физические свойства исследуемого грунта
.2 Лабораторная установка для исследования грунтов при вибродинамических нагрузках
.2.1 Моделирование работы грунта
.2.2 Конструкция прибора
.3 Методика подготовки и испытания грунтов
.4 Влияние вибродинамического воздействия на прочностные характеристики лёссовидной супеси
.5 Выводы по главе III
. ТЕОРИЯ РАСЧЕТА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ, ОТСЫПАННОГО ИЗ ЛЁССОВИДНЫХ ГРУНТОВ С УЧЕТОМ ВИБРОДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
.1 Общие сведения
.2 Теоретические основы определение прочности основной площадки земляного полотна, отсыпанного из лёссовидных грунтов при высокоскоростном движении поездов
.2.1 Вывод системы уравнений
.2.2 Алгоритм определения несущей способности земляного полотна
.3 Исследование несущей способности земляного полотна, из лёссовидных грунтов при высокоскоростном движении поездов
.3.1 Пример расчета несущей способности основной площадки земляного полотна, отсыпанного из лёссовидной супеси
.4 Исследование влияния различных факторов на несущую способность основной площадки насыпей, сложенного лёссовидными супесями
.4.1 Влияние состояние (показателя консистенции) лёссовидной супеси на несущую способность основной площадки
.4.2 Влияние параметры конструкции насыпи на несущую способность основной площадки
.5 Обоснование конструктивных решений при обращении поездов со скоростями 200 - 250 км/ч
.5.1 Устройство защитного слоя на основной площадке земляного полотно
.5.2 Устройство армированного защитного слоя
.6 Выводы по главе IV
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в тенденциях и направлениях дальнейшего развития железнодорожного транспорта в Республике Узбекистан предусматривается расширение сети скоростного и введение высокоскоростного движения поездов. Увеличение скорости ведет к уменьшению времени «в пути», что значительно притягивает пассажиров. Скоростные и высокоскоростные магистрали необходимы для экономического роста не только железнодорожной отрасли, но и всей страны в целом.
Введение высокоскоростного движения поездов на сети железных дорог Узбекистана тесно связано с обеспечением необходимого уровня надежности железнодорожного пути, в том числе земляного полотна, как его несущей конструкции.
Земляное полотно высокоскоростных железных дорог, как и все другие сооружения и обустройства, должно обеспечивать непрерывную работу большой динамической системы - железнодорожного пути. Для этого необходимо строга соблюдение ряда требований, основными из которых является: прочность, устойчивость, стабильность, минимальная деформируемость, долговечность, ремонтопригодность, минимизация затрат на сооружение и содержание.
Реализация этих требований при проектировании земляного полотна обеспечивается за счет достижения заданных параметров по первой и второй группам предельных состояний - по прочности и деформируемости. При этом неизбежным становится учет влияния вибродинамического воздействия от проходящих поездов на изменение свойств грунтов, из которых слагается земляное полотно, особенно если оно возведено из лёссовидных грунтов. Кроме того, должна учитываться влияние на земляное полотно природно-климатических факторов.
В настоящее время прочность земляного полотна определяют по результатам анализа его напряженно-деформированного состояния. При этом обычно считают, что прочность обеспечена, если на основной площадке теле полотна отсутствуют зоны пластических деформаций грунтов. Такой подход к расчету прочности земляного полотна высокоскоростных железных дорог иногда представляется как оценка несущей способности полотна или его основания. Очевидно, что это дает некоторое, довольно грубое приближение к истинному определению несущей способности земляного полотна высокоскоростных железных дорог. Тем не менее, подобные методологические приемы широко применяется как в России, так и в других странах мира, что объясняется сложностью решения задачи теории предельного равновесия о несущей способности земляного полотна особенности в динамической постановке. Теоретически доказано и практически подтверждено, что земляное полотно высокоскоростных магистралей при кажущейся конструктивной простоте, является сложным инженерным сооружением, работающим в тяжелых климатических, геологических и гидрогеологических условиях, а также испытывающим динамическое и вибродинамическое воздействия от проходящих поездов.
Цель работы: Разработка методики расчета несущей способности насыпей, отсыпанных из лёссовидных грунтов, с учетом характера распространение амплитуд колебаний в теле полотна и снижения прочностных свойств лёссовидных грунтов под влиянием вибродинамической нагрузки, возникающей при движении поездов со скоростями 200 - 250 км/ч в условиях Республики Узбекистан.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
. Спрогнозировать параметры вибродинамического воздействия на грунты земляного полотна при высокоскоростном движении поездов.
. Определить прочностные характеристики лёссовидных грунтов при действии повышенной вибродинамической нагрузки, возникающей при движении поездов со скоростями 200 - 250 км/ч.
. Скорректировать методику расчета несущей способности земляного полотна, отсыпанных из лёссовидных грунтов, с учетом вибродинамического воздействия, возникающего при движении поездов со скоростями 200 - 250 км/ч.
. Разработать рекомендации по конструкциям земляного полотна из лёссовидных грунтов при движении поездов со скоростями 200 - 250 км/ч.
Методика исследований. Для решения поставленных задач выполнялись лабораторные и теоретические исследования. При разработке основных принципов предлагаемой методики использовались результаты в основном российских ученых в области механики грунтов земляного полотна железных и автомобильных дорог, опыт их эксплуатации.
Значительная часть результатов получена на основе многовариантных расчетов, на ЭВМ по оценке влияния свойств лёссовидных супесей на несущую способность основной площадки земляного полотна, воспринимающего вибродинамическую нагрузку.
Научная новизна.
. Определен уровень вибродинамического воздействия на основной площадке земляного полотна, отсыпанного из лёссовидной супеси, при высокоскоростном движении поездов.
. Выявлен характер изменения прочностных свойств лёссовидных супесей под влиянием вибродинамической нагрузки, возникающей при скорости 200 - 250 км/ч.
. Разработаны и обоснованы конструктивные решения земляного полотна из лёссовидной супеси при обращении поездов со скоростями 200 - 250 км/ч.
Практическая ценность работы Практическую ценность представляют результаты исследований по обоснованию конструкции насыпи из лёссовидных грунтов. Представленные варианты конструкции земляного полотна можно рекомендовать к применению.
Структура и объем диссертации. Диссертация
состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и
приложений. Общий объем составляет 112 страниц машинописного текста, в том
числе 98 страниц основного текста, 40 рисунков, 4 таблиц, 5 приложения. Список
литературы включает 67 наименований работ из них 3 на иностранном языке.
1. СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Понятие о лёссовых
и лёссовидных грунтах и их основные физико-механические свойства
Лёссовыми грунтами называют неслоистую породу четвертичного возраста, близкую по механическую составу к пылеватым суглинкам и супесям. В ее составе преобладающей является фракция пыли, частицы крупнее 0,25 мм обычно отсутствуют. Характерными особенностями лёссовых пород является высокая пористость, наличие крупных, видимых простым глазом пор и значительное содержание карбонатов кальция, магния и других солей [17].
Большое распространение имеют грунты, похожие на лёссовые породы, но отличающиеся от него теми или иными признаками. Так, одни, аналогичные по внешнему виду породы могут содержать крупнозернистый песок или гальку, другие - лишь весьма незначительное количество карбонатов или могут иметь пониженную пористость. Подобные породы обычно называются лёссовидными. Нельзя не отметить, что отсутствие определенных критериев отделения лёссовых от лёссовидных грунтов часто приводит к тому, что одинаковые по составу и свойствам породы получают различные названия и, наоборот, различные породы могут быть названы одинаково [17].
Лёссовые грунты - это желтого, серовато-желтого цвета, характеризующийся высокой пористостью 45 - 60%, с видимыми невооруженным глазом вертикальными, слабо изгибающимися и прерывистыми канальцами диаметром от долей до 5 мм. Вещественный состав и структурно-текстурные особенности лёсса отличаются хорошо выраженной однородностью и имеет типичные для лёсса литолого-минералогические показатели. Он на 10 - 20 % состоит из растворимой части и на 80 - 90% из нерастворимого остатка. Гранулометрическое распределение обломочной составляющей породы 30 - 55% алевритовых частиц, песчаных до 5% и глинистых до 35%. Легкая фракция представлена кварцем 52,2%, полевыми шпатами 17,2%, обломками различных пород 23,6%, долями или единицами процентов биотита, иногда до 10 - 12%. В тяжелой фракции, составляющей около 3%, выделяются роговая обманка, эпидот, цоизит, анатаз, лейкоксен, циркон, магнетит и др. Глинистая фракция представлена преимущественно терригенной диоктаэдрической гидрослюдой в верхней части разреза, а в нижней - появляется смешаннослойная гидрослюда-монтмориллонит [2, 4, 14, 35].
Лёссовидные грунты окрашены в желтовато-серый и желтовато-светло-коричневый цвет, иногда с белыми крапом и выцветами солей на поверхности - гипса и тенардита. Основная масса пород на 15,3 - 24,6% состоит из растворимого вещества, представленного в основном карбонатами и в меньшей степени сульфатами. Количество нерастворимого вещества колеблется от 75,4 до 84,7 %. По гранулометрическому составу кластический материал состоит из алевритовой 38,3 - 50,3% и глинистой фракции 34,4 - 37,1%. Легкая фракция: кварца 54,1 - 75,0%, полевых шпатов 5,9 - 27,8%, слюды 0,6 - 7,0%. Акцессорные минералы: ильменита-магнетита 21 - 32%, эпидота-цоизита 35 - 40%, роговой обманки 11 - 18% и в незначительных количествах присутствуют анатаз, лейкоксен, циркон, турмалин, апатит. Глинистая составляющая лёссовидных пород пролювия более полиминеральная - на возвышенных участках преобладает терригенная гидрослюда, вблизи выходов палеозойских отложений с развитыми на них корами выветривания появляется каолинит, а в пониженных участках рельефа увеличивается роль аутогенного монтмориллонита со смешанно-слойными переходными модификациями от гидрослюды к монтмориллониту [2, 14, 17, 18].
Сравнение состава лессовых и лессовидных пород показывает, что переотложение обломочного материала, в том числе эолового, приводит к потере существенной части неустойчивых минералов - особенно темно- цветных, таких как роговая обманка, биотит. По изменению количества кварца в породах разных генетических типов от меньшего к большему складывается такой последовательный ряд: эоловые - делювиальные - пролювиальные - аллювиальные - озерные [17].
Для лёссовых и лёссовидных грунтов считается
характерным наличие крупных, хорошо различимых простым глазом пор, так
называемых макропор, частично представляющих цилиндрические трубочки,
возникновения которых связано с влиянием растительности. Однако, в
действительности макропористость нельзя считать особенностью всех лёссовидных
пород. Следует отметить, что крупные поры отсутствуют у многих разновидностей
лёссовидных грунтов. Подобные поры иногда не встречаются и в лёссовых грунтах.
Весьма существенно то, что эти породы обладают высокой пористостью и при
отсутствии макропор [17].
1.1.1 Физико-механические свойства лёссовых грунтов
Внешними признаками лессовых грунтов являются: видимая на глаз пористость (макропористость), обусловленная наличием тонких, более или менее вертикальных канальцев, способность держать откосы выемок вертикальными при их значительной высоте, быстрая размокаемость в воде и просадочность [15].
Особенности механических свойств лёссовых пород зависят от их литологического и минералогического состава, агрегированности глинистых частиц, степени и характера засоления, емкости поглощения, состава обменных катионов, а также от химического состава и концентрации увлажняющей жидкости.
По химическому составу главными составными частями лессовых грунтов являются: силикаты - от 27 до 90%, глинозем - от 4 до 20% и углекислый кальций - от 6 до 67%. Водные вытяжки лессовых грунтов содержат в различных соотношениях следующие водорастворимые соли: карбонаты и хлориды натрия, карбонаты кальция и магния, сульфаты кальция [14].
Просадочные свойства лессовых грунтов при замачивании тесно связаны с их химико-минералогическим составом и строением, определяющими структурные особенности пород, сформировавшиеся в процессе их образования просадки при увлажнении толщи лессовых грунтов объясняют растворением цементирующей воды [15].
Плотность лёссовых грунтов в природном состоянии изменяется от 1,28 до 2,11 г/см3 и зависит от влажности. Лёссовые грунты с плотностью скелета менее 1,55 г/см3 и залегающие выше подземных вод обычно являются просадочными [15].
Для лёссовых грунтов характерно наличие макропор, которые достигают несколько миллиметров в диаметре. Они составляет 6 - 8% от общего объема пор. Суммарная пористость лессовых грунтов варьируется в пределах 0,30 - 0,66 [15].
Влажность на границе раскатывания лёссовых грунтов является границей, при достижении которой наблюдается резкое снижение сопротивления сдвигу грунтов и понижение модуля деформации. Как правило, значение границы раскатывания находится в пределах 0,12 - 0,18. Величина влажности на границе текучести для лессовых грунтов изменяется в основном от 0,22 до 0,34 [15].
При исследовании прочностных свойств лёссовых грунтов определяют прочностные характеристики угол внутреннего трения и удельное сцепление для трех состояний грунта: для грунта природной влажности, если влажность грунта больше или равна влажности на границе раскатывания; для грунта в процессе проявления просадки при замачивании и для грунта водонасыщенного. Выбор состояния лёссового грунта при исследовании его прочностных свойств определяется конкретными условиями решения инженерных задач.