Материал: Обеспечение несущей способности земляного полотна из лёссовидных грунтов при высокоскоростном движении поездов

. При движении поездов со скоростями более 200 км/ч поведение лёссовидных грунтов как материала земляного полотна не известно. При увеличении скорости движения поездов более 200 км/ч отсутствуют требования по параметрам конструкции земляного полотна, отсыпанных из лёссовидных грунтов.

. Вибрационное и динамическое воздействие проходящих поездов на все элементы железнодорожного пути вызывает в грунтах земляного полотна колебательный процесс. При увеличении скорости движения поездов значения амплитуд колебаний увеличиваются. При высокоскоростном движении поездов на основной площадке земляного полотна из лёссовидных грунтов значение амплитуд колебаний не известно.

. Загасание амплитуд колебаний по глубине земляного полотна из лёссовидных грунтов происходит более интенсивно, по сравнению с затуханием амплитуд колебаний в земляном полотне из обычных глинистых грунтов.

. При воздействии вибродинамической нагрузки от проходящих поездов, двигающихся со скоростями до 100 км/ч, прочностные характеристики лёссовидных грунтов снижаются. Удельное сцепление лёссовидных грунтов при критических влажностях снижается - на 28%, а угол внутреннего трения - на 17%.

. Изменение прочностных характеристик лёссовидных грунтов при вибродинамическом воздействии, возникающей при движении поездов со скоростями 200 - 250 км/ч ранее не исследовалось, данные об изменении прочностных характеристик при таких условиях эксплуатации в литературе не выявлено.

1.5 Цель работы и задачи исследования

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.

2. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИБРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕСТВИЯ НА ГРУНТЫ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ДВИЖЕНИИ ПОЕЗДОВ

2.1 Определение напряжений

Одной из актуальных проблем путевого хозяйства является повышение скоростей движения поездов, в том числе организация движения высокоскоростных пассажирских поездов. Эта проблема решается на основе строительства новых высокоскоростных магистралей и реконструкции существующей линии, для которой осуществляется ремонт и усиление балластной призмы, основной площадки земляного полотна и откосов насыпей. Целью реконструкции является обеспечение устойчивой и безопасной работы пути, и прежде всего ограничение темпа накопления остаточных деформаций в балласте и грунтах земляного полотна. Основная причина накопления остаточных деформаций связана с динамическими нагрузками от подвижного состава при повышении скоростей движения. Поэтому важной является оценка работы земляного полотна при высокоскоростном движении поездов.

Определение напряженного состояния железнодорожного земляного полотна при движении подвижного состава исследовались в работах Г.Г. Коншина, Г.М. Шахунянца, И.В. Прокудина и др. [30, 31, 32, 41, 63].

Величина максимальных динамических напряжений на основной площадке может определяться [32]:

·        непосредственным измерением напряжений мессдозами, установленными на основной площадке эксплуатируемого пути. Такой способ позволяет получить наиболее точные данные для конкретных условий;

·        расчетом при известных параметрах обращающегося подвижного состава по Методике оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения надежности № ЦПТ-52/14 2000 г.[38];

·        как предельно допустимая вагонная нагрузка []доп по критерию прочности основной площадки из глинистых грунтов.

Экспериментальное определение напряжений в грунте осуществляется приборами, которые называются мессдозами. Помещение мессдозы внутри грунтового массива вызывает нарушение монолитности сооружения и вносит некоторое искажение в силовое поле, создаваемое действующей нагрузкой.

Многочисленные опыты с мессдозами показывают, что при измерении давлений погрешность находится в определенной зависимости от соотношения физико-механических свойств мессдозы и окружающего ее грунта, в первую очередь от деформативных свойств. Исследованиями установлено, что наиболее точные результаты можно получить при использовании мессдоз повышенной жесткости.

Примером таких мессдоз являются тензоризисторные полумостовые преобразователи давлений типа ПДП-70/11, обычно называемые мессдозами с гидравлическим преобразователем конструкции ЦНИИСКа [31]. В их конструкции модуль деформации не менее чем на порядок превышает модуль деформации грунта, отношение высоты мессдозы к его диаметру составляет не более 0,15. Амплитудно-частотная характеристика электромеханического преобразователя мессдозы обеспечивает регистрацию всего спектра частот изучаемых сжимающих напряжений, в том числе надежно регистрируются динамические процессы, происходящие в грунтах от ударных воздействий.

Принцип действия мессдозы конструкции ЦНИИСКа основан на регистрации изменения омического сопротивления тензоризисторов при деформации от приложенного к измерительной мембране давления. Мессдоза представляет собой круглый диск, состоящий из корпуса с измерительной мембраной, приемного элемента (рис. 2.1). Полость между корпусом и приемным элементом заполнено жидкостью, выполняющей роль гидравлического мультипликатора для передачи воспринимаемого приемным элементом давления на измерительную мембрану. Деформация мембраны через наклеенные тензорезисторы передается на регистрирующую аппаратуру. Для получения численных значений напряжений измерительная схема «мессдоза - прибор» градуируется на специальном эталоном нагрузочном стенде.

Для определения напряжений в земляном полотне эксплуатируемого пути мессдозы устанавливаются в зависимости от поставленных задач: только на основной площадке или одновременно на различных горизонтальных уровнях в теле земляного полотна. Как правило, мессдозы устанавливаются в следующих характерных вертикальных сечениях: под рельсовыми нитями, по оси колеи и под концами шпал (или блочных железобетонных конструкций), кроме того, в отдельных случаях мессдозы помещают в шпальных ящиках и за пределами рельсошпальной решетки для определения границ силового воздействия поездной нагрузки [31].

Нагрузка на основную площадку земляного полотна от подвижного состава передается через шпалы и балластной слой и поэтому зависит от способа ее передачи.

Если балласт наиболее уплотнен под концевыми частями шпал, то наибольшее давление будет в подрельсовом сечении. В специальном эксперименте [30, 32] на пути с рельсами Р50 и деревянными шпалами, под которыми слой щебеночного балласта толщиной 20 см был уплотнен указанным способом, получены на глубине 40 см от нижней постели шпал напряжения в сечениях по торцам шпал в среднем 67% и по оси колеи 37% от напряжений в подрельсовом сечении.

Если же балласт наиболее уплотнен не в подрельсовых зонах, а под средней (по длине) частью шпалы, то наибольшие давления на основную площадку могут оказаться по оси колеи [63].

Таким образом, в различные периоды работы пути давление на основную площадку может быть разнообразном, иметь максимум в подрельсовых сечениях, по оси колеи в других местах. Кроме того, надо иметь в виду, что подвижной состав оказывает динамическое воздействие на путь.

В поперечном сечении основной площадки максимальные напряжения, несмотря на различный характер опирания на балласт деревянной и железобетонной шпалы, возникают на основной площадке под рельсовыми нитями . Предложено оценивать характер распределения динамических напряжений на основной площадке в поперечном сечении земляного полотна в виде коэффициентов неравномерности , которые определяется по следующим формулам [31]:

по концам шпал (2.1)

по оси колеи

где,  - напряжения соответственно под концами шпалы и по оси колеи.

Расчеты по формулам (2.1) показали, что отсутствует четкая зависимость коэффициентов неравномерности  и  от типа подвижного состава, состояния пути, а также от величины осевых нагрузок вагонов, скорости движения. Для всех вариантов испытаний и при содержании пути в соответствии с существующими нормативами, были определены средние значения коэффициентов неравномерности, которые составили  = 0,61 и  = 0,33 - для пути с железобетонными шпалами [32].

Следовательно, напряжения на основной площадке земляного полотна составляют 1/3 часть по оси колеи и 2/3 части под концами шпалы от соответствующих напряжений в подрельсовых сечениях. Обобщенная эпюра экспериментальных напряжений на основной площадке, соответствующая реальным условиям работы эксплуатируемого пути приведена на рис. 2.2.

Экспериментальные работы, проведенные на путях Московской и Белорусской дорог МИИТом, показали, что чем выше скорости движения подвижного состава, т. е. чем быстрее перемещается нагрузка через данное сечение пути, тем на меньшую глубину проникает ее влияние. В эксперименте оказалось, что на глубине 1м от основной площадки при скорости 50 км/ч напряжения в подрельсовом сечении составляли в среднем около 43% от напряжений на основной площадке, при скорости 100 км/ч - 38%, а при скорости 150 км/ч - лишь 32%. С увеличением глубины вследствие больших сил внутреннего сопротивления напряжения в грунте также сильно гаснут, составляя для тех же условий на глубине 1 м при скорости 100 км/ч 38%, на глубине 2 м - около 14% и на глубине 5 м - меньше 1% от напряжения на основной площадке [63].

Особенности напряженного состояния грунтов земляного полотна при движении высокоскоростного пассажирского подвижного состава исследовались Д.С. Николайтисом [44]. Эксперимент осуществлялся на линии Санкт-Петербург - Москва, при движении высокоскоростного пассажирского поезда Сапсан с осевыми нагрузками 18 т. Участок имеет следующие характеристики: бесстыковой путь с рельсами Р65 на железобетонных шпалах с эпюрой 1840 шт/км, скрепления КБ, балласт щебеночный, мощность балласта под шпалой 0,6 м [44].

На рис. 2.3 представлено распределение вертикальных напряжений по глубине полотна при проходе высокоскоростного пассажирского поезда Сапсан со скоростями 195 км/ч.

Напряженное состояние железнодорожного земляного полотна при проходе высокоскоростного пассажирского подвижного состава со скоростями более 200 км/ч исследованы за рубежом.

Эксперименты осуществлялись на линии Гамбург - Берлин и на линии Ганновер - Вюрцбург, при движении высокоскоростного пассажирского поезда TSI и ICE с осевыми нагрузками 18 т. Конструкция верхнего строение пути - бесстыковой путь на железобетонных шпалах на балластном основании [65, 66].

На рис. 2.4 и на рис. 2.5 представлено распределение вертикальных напряжений по глубине полотна при проходе высокоскоростного пассажирского поезда TSI со скоростями 230 км/ч и поезда ICE со скоростями 280 км/ч.

Анализ выше представленных графиков указывает, что с увеличением скорости движения поездов значительно возрастают напряжения по подошве шпал, но одновременно повышается интенсивность затухания напряжений в балластной призмы.

На рис 2.6 представлена зависимость напряжений на основной площадке земляного полотна от скорости движения поездов. Уровнем основной площадки принята глубина 0,5 м от подошвы шпалы.

Как видно из графика (рис. 2.6), увеличение напряжений от скорости движения поездов имеет криволинейной зависимость. С увеличением скорости более 200 км/ч наблюдаются снижение интенсивности роста напряжений.

На рис. 2.7 представлено распределение вертикальных напряжений на основной площадке земляного полотна, при скорости 250 км/ч.

2.2 Определение амплитуд колебаний

Величина вибродинамического воздействия на основной площадке земляного полотна, отсыпанных из лёссовидных грунтов, возникающие при движении поездов со скоростями 200 - 250 км/ч ранее не исследовались. В соответствии с основной задачей исследования необходимо определить значения максимальных результирующих амплитуд колебаний на основной площадке железнодорожного земляного полотна, отсыпанных из лёссовидных грунтов, при движении поездов со скоростями 200 - 250 км/ч.

При движении поездов, в результате силового взаимодействия пути и подвижного состава, в грунтах земляного полотна возникают пульсации напряжений, и как следствие ее, колебания частиц грунта. Как силы, возникающие в местах контакта колеса и рельса, так и колебания грунтов земляного полотна железнодорожного пути имеют стохастический характер, вследствие чего характеристики колебательного процесса грунта должны выявляться на основе теории вероятностей и математической статистики.

В работах Прокудина И.В. [41] доказано наличие линейной зависимость между пульсацией напряжений и амплитудами колебаний. Исходя из этого значения максимальных результирующих амплитуд колебаний на основной площадке железнодорожного земляного полотна, отсыпанных из лёссовидных грунтов, при движении поездов со скоростями 200 - 250 км/ч можно определить (спрогнозировать) расчетным путём.

2.2.1 Теоретические основы расчета амплитуд колебаний грунтов основной площадки железнодорожного земляного полотна

Результаты исследований [41] зависимости амплитуд колебаний от пульсации напряжений, свидетельствует о том, что грунты земляного полотна, находящегося в течение длительного времени в постоянной эксплуатации, характеризуются упругой работой в смысле развития и восстановления перемещений, возникающих как ответная реакция грунта на пульсацию напряжений. При этом возможно развитие во времени незначительных остаточных деформаций под действием подвижной нагрузки и собственного веса сооружений пути, что не меняет прямолинейной связи . В условиях нормального содержания железнодорожного пути, как показывают исследования Попова С.Н. [39] и Марготьева А.Н. [37], аналогичный вывод справедлив и в отношении колебаний балластного слоя. Следовательно, вертикальные смешения балласта под шпалой при действии пульсации напряжений можно рассчитывать на основе решения задачи теории упругости с осевой симметрией. Для этой цели следует воспользоваться зависимостью, определяющей перемещения поверхности упругого полупространства от действия распределенной нагрузки, приложенной к какой - либо части поверхности. Рассматривая шпалу, как балку на упругом основании и принимая за известный закон распределения реактивных давлений, равных давлению шпалы на балласт, можно воспользоваться зависимостью Вигхарда К. [67], полученной исходя из известной формулы Буссинеска.