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

2.3 Выводы по главе II

Анализ напряженного состояния железнодорожного земляного полотна при движении поездов со скоростями 200 - 250 км/ч позволяют сделать следующие выводы:

1. С увеличением скорости движения поездов значительно возрастают напряжения по подошве шпал, но одновременно повышается интенсивность затухания напряжений в балластной призме.

. С увеличением скорости более 200 км/ч наблюдаются снижение интенсивности роста напряжений на основной площадке земляного полотна.

. В работах Прокудина И.В. [41] доказано наличие линейной зависимости между пульсацией напряжений и амплитудами колебаний. Исходя из этого определено максимальная результирующая амплитуда колебаний на основной площадке железнодорожного земляного полотна, отсыпанных из лёссовидных грунтов, при скорости поезда от 165 до 280 км/ч. Этот величина при скорости 250 км/ч составляет 276 мкм. Рассчитанная величина даёт возможность определить несущую способности железнодорожного земляного полотна отсыпанного из лёссовидных грунтов, при движении поездов со скоростями 200 - 250 км/ч.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЁССОВИДНЫХ ГРУНТОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ ПОВЫШЕННЫХ ВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКОК.

3.1 Физические свойства исследуемого грунта

Для проведения исследования прочностных характеристик лёссовидных грунтов были отобраны образцы грунтов на скоростном железнодорожном участке Боявут-Янгиер в Республике Узбекистан. Земляное полотно представлено насыпью высотой 2,2 метра, отсыпанной из лёссовидных грунтов. Образцы грунтов отбирались монолитами ненарушенного сложения в соответствии с [11]. Отбор осуществлялся с помощью специального изготовленного грунтоноса для ручного бурового комплекта. Отобранные монолиты сразу же погружались в металлическую гильзу. Для обеспечения естественной влажности и природной структуры, гильзы плотно закрывались металлической крышкой, после чего производилось парафинирование швов. В таком виде образцы грунта транспортировались в лабораторию.

В процессе лабораторных исследований были определены следующие показатели физических свойств лессовидной супеси: плотность грунта, ρ; плотность частиц грунта, ρs; естественная влажность грунта, We; плотность сухого грунта, ρd; влажность на границе раскатывания Wp; влажность на границе текучести WL. Все лабораторные опыты выполнялись в соответствии с действующими ГОСТами [13]. Результаты исследований приведены в таблице 3.1. Фактический коэффициент уплотнения определен по методу стандартного уплотнения в соответствии с [10]. Из таблицы видно, что грунт является лёссовидной супесью, в полутвердом состоянии, и обладает высокой плотностью сложения.

Изучение прочностных свойств глинистых грунтов при действии вибродинамической нагрузки показывает, что существенные влияние на характеристики прочности оказывает естественная влажность, поэтому учитывая необходимость выявления зависимости прочностных свойств при вибродинамических нагрузках от влажности грунта, большинство серий испытаний по определению удельного сцепления и угла внутреннего трения выполнено на образцах нарушенной структуры.

ТАБЛИЦА 3.1. Основные физические свойства лёссовидной супеси

* - усредненное значение по результатам серий экспериментов.

Образцы нарушенной структуры с задаваемой величиной влажности изготавливались в соответствии с ГОСТ 12248-96 [12]. При этом при изготовлении образцов обеспечивалась плотность сухого грунта (скелета) равная фактической плотности в земляном полотне. Таким образом, образцы грунта имели коэффициент уплотнения близкий к фактическому в теле насыпи.

3.2 Лабораторная установка для исследования грунтов при вибродинамических нагрузках

.2.1 Моделирование работы грунта

Для определения прочностных характеристик грунта в лабораторных условиях при статической и вибродинамической нагрузках, в настоящее время имеется много приборов, в которых с различной степенью приближения моделируется натурные условия работы грунта. Грунты земляного полотна характеризуются восприятием вибродинамической нагрузки, достаточно точно моделируемой в стабилометрах [41].

Движущийся поезд является источником вибродинамического воздействия, вызывающий пульсацию напряжений в грунтах земляного полотна и его основания. В точности смоделировать такой процесс в настоящее время сложно, да, по - видимому, и нецелесообразно. Для целей инженерной практики вполне достаточно создать такую аналогию в состоянии грунта, которая будет учитывать основные условия работы грунтов земляного полотна. В исследованиях автора основное внимание уделялось моделированию напряженного состояния образцов грунта с обеспечением действия статических и пульсирующих напряжений в натуральную величину. Естественно, что статическая составляющая напряжений учитывала действие собственного веса грунта земляного полотна и веса верхнего строения пути, а пульсации напряжений - воздействие в целом от тележки подвижного состава и от прохода каждой оси. При таком подходе в изменении напряжений регистрировалась несущая и наложенная частота силового воздействия и соответствующие им смещения частиц грунта. В этом случае не учитывается высокочастотная составляющая колебаний, но ее влияние практически не скажется на результатах экспериментов, так как, она обладает низкой энергией (всего 4 - 5% от общей энергии) [41]. Таким образом, без больших погрешностей в моделировании работы грунта можно воспроизводить в вибростабилометре две составляющие: низкочастотную и среднечастотную.

Для исследования прочностных характеристик лёссовидных грунтов в условиях моделирования напряженного состояния грунтов земляного полотна, воспринимающего вибродинамическую нагрузку, прибор должен удовлетворять следующим требованиям:

)        испытания грунтов должно выполнятся методом трехосного сжатия.

)        обеспечение возможности независимого регулирования двух главных напряжений.

)        одновременно с вибрационным воздействием должна быть создана постоянная нагрузка на грунт.

)        обеспечение возможности осевой деформации образца на величину не менее 25% от его первоначальной высоты.

)        максимальное снижение влияния макро- и микронеровностей торцов образца на результаты экспериментов.

)        максимально снизить влияние сил трения грунта о жесткие поверхности частей прибора.

)        точность замеров деформаций образцов не менее ±0,01 мм.

) обеспечение тарирования прибора без применения сложных обустройств.

3.2.2 Конструкция прибора

В основу работы установки положен принцип моделирования вибродинамического воздействия с периодическим изменением гидростатического давления в рабочей камере стабилометра.

Принципиальная схема лабораторной установки приведена на рис 3.1. и состоит из трех взаимосвязанных блоков: стабилометра, гидродинамического генератора пульсации напряжений, аппаратуры и приборов для измерения и регистрации всестороннего давления, пульсации напряжений, деформаций и колебаний грунта.

Сборка и подготовка установки к работе осуществляется в следующей последовательности. Съемная камера 1 с помощью соединительных тяг 3 и прижимной крышки 4 устанавливается на неподвижную чашу 2, создавая герметическую рабочею камеру стабилометра, внутри которой образец грунта 5 вместе со съемным поршнем 6 установлен на нагрузочный поршень 7. Последнему через рычаг 8 передается усилие от грузов, укладываемых в процессе испытаний на подвеску 9. Образец грунта с поршнем 6 предварительно помещается с помощью специального приспособления в резиновую оболочку 10 и уплотняется кольцами 11. Камера стабилометра заполняется водой через входной кран 12, воздух вытесняется из камеры по специально выполненной в упорном штоке 13 канавке 15, которая перекрывается заглушкой 16. Одновременно вода поступает в волюметр 14 и ее уровень устанавливается с помощью крана 12 в верхнем крайнем положении.

Всестороннее давление создается сжатым воздухом, находящимся в ресивере 17 и поступающим через кран 18 по трубопроводу 19 в волюметр 14, где давление воздуха воздействуя на жидкость передается в рабочую камеру.

Перемещение минеральных частиц образца грунта вызывается периодическим изменением гидростатического давления посредством генератора пульсации напряжений, который представляет собой приставку, работающую следующим образом. При созданном в камере гидростатическом давлении включается электродвигатель 29, соединенный через муфту 28 с редуктором 27, от которого посредством гибкого вала 26 приводится во вращение планетарная шайба 25, установленная под углом 2-3° к горизонту. Возвратная пружина 24 обеспечивает постоянный контакт между штоком поршня 22, оснащенным шариком, и рабочей поверхностью планшайбы 25. Поэтому за один оборот вращения поршень 22 совершает один большой рабочий ход вверх-вниз. Так как рабочая поверхность планетарной шайбы имеет волнообразную обработку, то кроме рабочего хода поршень осуществляет локальные перемещения вверх-вниз при проходе штока через каждую волну. Величина локального хода значительно меньше рабочего и определяется высотой волнообразной обработки поверхности планшайбы. Таким образом, на мембрану, прижатую к поршню гидростатическим давлением, передается сложное воздействие, создающее изменение бокового давления по закону полигармонической функции и обусловливающее перемещение частиц грунта в виде сложных пространственных колебаний. Планшайба 25 легко снимается и устанавливается в приборе, что позволяет, используя запасные шайбы, создавать колебания с различным соотношением наложенных и несущей частот.

Величина пульсации гидростатического давления определяется следующим выражением:

 (3.1)

Полная величина всестороннего давления:

 (3.2)

где, P0 - статическое всестороннее давление, МПа;

 - дополнительные давления от несущей и наложенной гармоник пульсации, МПа;

ω - угловая частота, 1/сек;- время, сек;- отношение угловых частот гармоник, изменявшееся в экспериментах от 0 до 6.

Осциллограмма пульсации напряжений в рабочей камере лабораторной установки для исследования влияния вибродинамического воздействия на лёссовидные грунты.

Регулирование основной частоты пульсации напряжений производилось с помощью редуктора 27, который позволял ступенчато с коэффициентом редуцирования 1,5 получать на выходном валу скорость вращения от 240 до 7000 об/мин., что соответствовало частоте воздействий от 4 до 117 Гц.

3.3 Методика подготовки и испытания грунтов

Исследование влияния вибродинамического воздействия на прочностные свойства лёссовидных супесей осуществлялось на образцах ненарушенный структуры с обеспечением плотности, отвечающий реальным условиям работы грунта в теле насыпи.

Рабочие размеры образцов составляли 60 мм по высоте и 40 мм в диаметре. Перед испытанием все образцы взвешивались, их размеры определялись с точностью до 0,1 мм и в последующем служили основанием для определения пористости, плотность сухого грунта, площади поперечного сечения и других параметров.

Определение прочностных характеристик грунтов при воздействии вибродинамических нагрузок возможно при нескольких режимах испытаний, широко распространенных в механике грунтов [41]. Учитывая характер работы лёссовидных грунтов земляного полотна, воспринимающего постоянную нагрузку от собственного веса балласта, рельсошпальной решетки, а так же непродолжительной период действия временной нагрузки при затрудненном или невозможном дренировании воды, в качестве основной методики принято, консолидировано - недренированное испытание при максимально возможной скорости разрушения грунта. Такой метод испытания сводится к выдерживанию грунта под всесторонним давлением до полного затухания деформаций, что легко устанавливается по показанию волюметра. После этого на грунт передавалась вибродинамическая нагрузка, которая воздействовала в течение некоторого времени, а затем производилось условно - мгновенное разрушения грунта [41]. Метод условно - мгновенно разрушения при рычажной передаче нагрузки на образец обычно заключается в том, что в процессе эксперимента грунт разрушается под действием нагрузки, укладываемой на подвеску прибора в максимально возможном темпе. Процесс разрушения грунта осциллографировался датчиком вертикальной деформации. Конструкция датчика позволяет на ленте осциллографа регистрировать график нарастания деформаций во времени практически с любой скоростью в зависимости от действующей нагрузки. Так как нагрузка создается постепенно уменьшающимся ступени и на осциллограмме фиксируется своеобразный перелом графика соответствующей моменту приложения нагрузки. Таким образом по данным осциллограмм с использованием тарировочных графиков можно получить в любой период времени разрушения грунта следующие данные: действующую нагрузку на любой ступени разрушения; соответствующую ей величину истиной деформации; время действия нагрузки, а, следовательно, и время развития деформации.

На основании этих величин, используя рекомендации, приведенные в [41], рассчитывается относительная деформация грунта λ, действующие вертикальные напряжения и величина избыточных вертикальных напряжений (девиатор). По полученным значениям традиционным способом строилось графическая зависимость развития относительной деформации λ от действующих избыточных напряжений, q=σ1-σ3, по которой определялось предельное состояние образцов лессовидной супеси. Предельное состояние грунта по графику λ=f(σ) определяется значительно точнее и объективнее, чем общепринятым способом. Кривые изменения относительной деформации λ от величины избыточных напряжений q для лёссовидной супеси, отобранных на участке Боявут - Янгиер при статическом и вибродинамическом нагружении приведены на рис. 3.4.

Для определения прочностных характеристик лёссовидной супеси в камере стабилометра создавалось гидростатическое давление равное 0,4; 0,6 и 0,8 кгс/см2. В главе 2 определено уровень вибродинамической нагрузки, возникающей в условиях высокоскоростного движения поездов (при скорости 200 - 250 км/ч). Для лёссовидных супесей при скорости 250 км/ч на уровне основной площадки земляного полотна, значение максимальной результирующей амплитуд колебаний составляет 276 мкм в зависимости от состояния верхнего строения пути, земляного полотна и его основания. В связи с этим, максимальная вибродинамическая нагрузка в камере на уровне 300 мкм.

Полученные при этих значениях бокового давления разрушающие избыточные напряжения при действии как статической, так и вибродинамической нагрузки позволили построить круги Мора, огибающие к которым определяют значения сцепления и угла внутреннего трения (рис. 3.5).

Исследование прочностных свойств лёссовидных супесей при действии видродинамической нагрузки осуществлялось при разных величинах влажности. Результаты таких экспериментов приведены в таблице 3.2, рис. 3.6 и рис. 3.7.

ТАБЛИЦА 3.2. Прочностные характеристики лёссовидной супеси при действии статической и вибродинамической нагрузок