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

Корректировка угла в точках с y < 0 и z = 0, например, для точки 21.1, производится по формуле . Для последующих приближений . Как и прежде величина разности не должна превышать 0,005 радиана.

В результате расчета должно произойти совпадение величин b0 и y30.10. Допустимое различие в этих величинах не должно превышать 0.01∙b0. Если это соотношение не выдерживается, тогда корректируется расстояние H между точками на условной поверхности откоса по формуле:

и расчет производится вновь.

Величины предельных напряжений в точках на поверхности основной площадки, определяющие несущую способность земляного полотна, определяются по первым двум формулам (4.7).

 (4.44)

 (4.45)

Напряжения, возникающие в теле земляного полотна не должны превышать предельно допустимые, определяемые по формулам (4.44) и (4.45) с определенным коэффициентом запаса.

По данным Лапидуса Л.С., Прокудина И.В. [6, 34, 42, 43, 52] условие прочности железнодорожного земляного полотна выражается следующими соотношениями:

где, - коэффициент учитывающей запаса прочности, для высокоскоростного движения по данным СТН Ц-01-95 [49]  = 1,25;

sz, sy - наибольшие вертикальные и горизонтальные напряжения, кПа.

 (4.47)

где,  - вертикальные напряжения на основной площадке от подвижной нагрузки, кПа;

 - вертикальные напряжения на основной площадке от балластного слоя, кПа;

 (4.48)

где,  - объемный вес балласта, кН/м3;

 - мощность балластной призмы, м;

 - вертикальные напряжения на основной площадке от рельсошпальной решетки, кПа.

 (4.49)

где,  - горизонтальные напряжения на основной площадке земляного полотна от подвижной нагрузки, кПа;

 - коэффициент бокового давления в балласте,  =0,4.

4.3 Исследование несущей способности земляного полотна, из лёссовидных грунтов при высокоскоростном движении поездов

Земляное полотно является важнейшей несущей конструкцией железнодорожного пути. На состояние земляного полотна влияет множество внешних и внутренних факторов. Определяющими являются прочностные и деформативные характеристики грунтов [6, 25, 41]. Однако конструктивные особенности и состояние верхнего строения пути также оказывают значительное воздействие на несущую способность земляного полотна.

В соответствии с действующей нормативной документацией в практических расчетах используются определенные величины удельного сцепления и угла внутреннего трения грунта. Практика проектирования и эксплуатации показала, что такой подход к определению и использованию в расчетах прочностных характеристик близок к оптимальному, так как наиболее рационально учитывает довольно большую неоднородность грунтовых массивов по влажности и плотности, которые обуславливают большие расхождения в величинах удельного сцепления и внутреннего трения грунтов земляного полотна.

Согласно исследованиям Прокудина И.В. [41, 47], на несущую способность земляного полотна оказывают влияние следующие факторы:

·  величины сцепления и угла внутреннего трения;

·        чувствительность грунта к вибродинамическим нагрузкам, определяемая коэффициентами

·        величина вибродинамического воздействия, измеряемая результирующей амплитудой колебаний грунта ;

·        способность грунта к рассеиванию и поглощению энергии
колебательного процесса, определяемая коэффициентами

·        условия на границе полуплоскости, особенно в отношении угла δ, являющегося функцией практически управляющей процессом определения несущей способности грунта.

4.3.1 Пример расчета несущей способности основной площадки земляного полотна, отсыпанного из лёссовидной супеси

Несущая способность земляного полотна определяется величиной предельной нагрузки, вызывающей смещение грунта по одной из поверхностей скольжения. Расчет проводился на ЭВМ по программе, разработанной специалистами кафедры «Управление и технология строительства».

Исходные данные:

Рассчитывалась насыпь, участок двухпутный, земляное полотно сложено лёссовидными супесями с показателем консистенции JL = 0,3 , на прочном основании.

Высота насыпи, Нн =3,0 м;

Толщина балластного слоя hб= 0,5 м;

Заложение откоса насыпи 1:1,5;

Ширина основной площадки, В = 13,0 м;

Расстояния между пути М = 4,5 м;

Длина шпалы lш = 2,7 м;

Тогда ширина площадки загружения составит:

 м;

Расчетная ширина обочины равна:

 м;

Лёссовидная супесь при показателе консистенции JL = 0,3 обладает следующими характеристиками:

Сцепление С = 1,7 т/м2;

Угол внутреннего трения j = 21 градус;

Объемный вес g = 2,15 т/м3.

Коэффициент относительного снижения удельного сцепления КС=0,35;

Коэффициент относительного снижения угла внутреннего трения

Кj = 0,20;

Коэффициент виброразрушения грунта К=0,024;

Коэффициенты затухания колебаний по глубине  1/м,

 1/м;

Коэффициенты затухания колебаний в поперечном оси пути направлении:  1/м,  1/м.

Амплитуда колебаний в соответствии п. 2.2.2, при скорости 250 км/ч A0 = 276 мкм;

Погрешность расчетов e = 0,005 рад.

В итоге расчетов получаем следующие величины напряжений на поверхности основной площадке земляного полотна (рис. 4.8).

На рис. 4.8 представлено результаты расчета несущей способности основной площадки земляного полотна, отсыпанного из лёссовидной супесью, при действии статической и вибродинамической нагрузки.

Как известно, максимальное действующее напряжение от подвижного состава регистрируется на основной площадке в подрельсовом сечении. Следовательно минимальная разница между действующей и предельной нагрузкой будет иметь место в сечении по оси рельса, которое в данном случае будет удалено от особой точки «0» на расстоянии 0,9 м. Анализируя результаты расчета в подрельсовой зоне при действии вибродинамических нагрузок, получим величину предельных напряжений в вертикальной плоскости равную 8,5 т/м2, а в горизонтальной плоскости - 2,9 т/м2. Соответственно, при действии статической нагрузки они составили 12,8 т/м2 и 3,7 т/м2, т. е. учет действия вибродинамической нагрузки привел к снижению прочности основной площадки земляного полотна в подрельсовом сечении в вертикальной плоскости в 1,5 раза, а в горизонтальной плоскости в 1,3 раза. Данное обстоятельство еще раз подчеркивает необходимость учета действия вибродинамической нагрузки в расчетах прочности насыпей, сооружаемых из лёссовидных супесей.

На основе расчета построены огибающие линии скольжения (рис. 4.9). На рис. 4.9 штриховой линией показана наибольшая линия скольжения, полученная при расчете с использованием прочностных характеристик определенных при действии статической нагрузки. Как видно из рисунка зона смешение грунта под влиянием вибродинамического воздействия уменьшалась с 7,1 м до 4,4 м, т. е. практически в 1,6 раза, а глубина зоны скольжения грунта уменьшилась с 3,1 м до 1,7 м, т. е. в 1,8 раза. Совершенно очевидно, что уменьшение зоны скольжения грунта под действием вибродинамической нагрузки, обуславливает снижение несущей способности земляного полотна. При динамике идёт выдавливание грунта на откос, при этом вовлечена меньшая масса грунта, а в статике идёт разрушение всего откоса.

4.4 Исследование влияния различных факторов на несущую способность основной площадки насыпей, сложенных лёссовидными супесями

На величину несущей способности основной площадки могут оказывать влияние различные факторы, такие как:

Состояния глин грунта характеризующееся показателем консистенции, JL;

Заложения откоса насыпи;

Ширина основной площадки насыпи.

Ниже приводятся основные результаты таких исследований.

4.4.1 Влияние состояния (показателя консистенции) лёссовидной супеси на несущую способность основной площадки

Исследование влияния показателя консистенции лёссовидной супеси на несущую способность основной площадки земляного полотна производилось для насыпи, воспринимающей вибродинамическое воздействие, возникающее при скорости 250 км/ч. Результаты расчета представлено на рис. 4.10.

Анализ рис. 4.10 указывает, что лёссовидные супеси в твёрдом состоянии (JL ≤ 0) обладают высокой несущей способностью превосходящую требуемую прочность в 2,8 раза. С увеличением показателя консистенции несущая способность снижается. Лёссовидные супеси при показателе консистенции до 0,21 обеспечивают требуемую прочность основной площадки для эксплуатации земляного полотна, при движении поездов со скоростями до 250 км/ч. При показателе консистенции от 0,21 до 0,29 земляной полотно работает в условиях отсутствия требуемого запаса прочности. При показателе консистенции лёссовидной супеси JL > 0,29 прочность земляного полотна не обеспечивается, так как несущая способность основной площадки меньше чем действующее напряжение. Таким образом, земляное полотна отсыпанное из лёссовидной супеси с показателем консистенции более JL ³ 0,21 требует усиления, для эксплуатации земляного полотна при движении поездов со скоростями до 250 км/ч.

.4.2 Влияние параметров конструкции насыпи на несущую способность основной площадки

Исследование влияние геометрических параметров конструкции насыпи на несущую способность основной площадки производилась при изменении заложение откоса насыпи и ширины основной площадки. Расчет производился при показателе консистенции лёссовидной супеси JL = 0,3. Земляное полотно воспринимает вибродинамическую нагрузку, при скорости 250 км/ч . Результаты расчета представлены на рис. 4.11.

Анализ рис.4.11 показывает, что при изменении заложения откоса от 1:1,5 до 1:2.5, а также при изменении ширины основной площадки от 13 до 15 м, идёт увеличение несущей способности основной площадки. Однако, это увеличение не достаточно для достижения требуемой прочности земляного полотна. Исходя из графика на рис. 4.11 можно сделать следующей вывод: насыпи из лёссовидных грунтов с показателем консистенции JL=0,3 не обладают требуемый прочностью при высокоскоростном движении поездов, даже в том случае если заложения откоса будет более 1:1.5, а ширина основной площадки более 13 м.

4.5 Обоснование конструктивных решений при обращении поездов со скоростями 200 - 250 км/ч

.5.1 Устройство защитного слоя на основной площадке земляного полотно

Основные проектные решения по обеспечению прочности основной площадки насыпи из лёссовидных грунтов железных дорог при высокоскоростном движении поездов должны предусматривать либо снижение нагрузки на основную площадку, либо повышение её несущей способности. На сегодняшний день для усиления земляного полотна при высокоскоростном движении в практике проектирования существует различные методы. Один из традиционных методов усиления земляного полотна - сооружение защитного слоя из дренирующего грунта. Для того, чтобы обеспечить требуемую прочность на основной площадке из лёссовидной супеси с показателем консистенции более 0.21, рекомендуется устройство защитного слоя из дренирующего грунта. Толщину защитного слоя определим из расчета. Для устройства защитного слоя используем грунт со следующими характеристиками:

Тип грунта защитного слоя - щебеночно-песчано-гравийной смесь (ЩПГС);

Удельное сцепление грунта - С = 1,7 т/м2;

Угол внутреннего трения - φ = 40є;

Объемный вес грунта - γ = 1,75 т/м2;

Коэффициент относительного снижения сцепления - Кс = 0,17;

Коэффициент относительного снижения угла внутреннего трения - Кφ = 0,12.

Расчет производим при показателе консистенции лёссовидной супеси JL = 0,3 , а значение амплитуд колебаний - 276 мкм, которые возникающие при скорости 250 км/ч. Результаты расчета представлены на рис. 4.11.

Анализ рис. 4.11 показывает, что с увеличением толщины защитного слоя, возрастает несущая способность основной площадки. Однако, требуемая прочность основной площадки достигается при толщине защитного слоя 0,85 м. По данным СТН Ц-01-95 [49] минимальная толщина защитного слоя для супесей 0,5 м, но при толщине защитного слоя 0,5 м не обеспечивается требуемая прочность. Исходя из этого, при проектировании конструкции земляного полотна из лёссовидной супеси с показателем консистенции 0,21 < JL ≤ 0,3, при высокоскоростном движении, толщина защитного слоя должна составлять не менее 0,85 м. Поперечный профиль насыпи из лёссовидной супеси с показателем консистенции 0,21 < JL ≤ 0,3, с устройством защитного слоя представлен в приложение 4. Поперечный профиль насыпы можно рекомендовать к применению.

.5.2 Устройство армированного защитного слоя

В последние годы одним из наиболее перспективных и широко используемых в транспортном строительстве способов усиления земляного полотна стало применение различных видов геосинтетических материалов (геотекстили, геосетки, георешетки, геоячейки, геокомпозиты, геоматы, геомембраны различных видов и другие материалы).