CC BY
58
УДК 625.12.044
В. Д. ПЕТРЕНКО, В. Т. ГУЗЧЕНКО, О. Л. ТЮТЬКШ, А. М. М. АЛХДУР (ДПТ)
ПОР1ВНЯЛЬНИЙ АНАЛ1З НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ДВОХ ВАР1АНТ1В П1ДСИЛЕННЯ КОНСТРУКЦП ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
В робот представлено результати порiвняльного аналiзу двох BapiaHTiB пiдсилення земляного полотна. Математичне моделювання, проведене на основi методу сшнченних елементiв, дало змогу сввдчити, що обидва вapiaнти пвдсилення позитивно впливають на напружено-деформований стан земляного полотна.
В работе представлены результаты сравнительного анализа двух вариантов усиления земляного полотна. Математическое моделирование, проведенное на основе метода конечных элементов, дало возможность свидетельствовать, что оба варианта усиления положительно влияют на напряженно-деформированное состояние земляного полотна.
In the article the results of comparative analysis of two variants of the ground bed strengthening are presented. The mathematical simulation conducted on the basis of finite-element method has given a possibility to testify that both variants of strengthening influence positively on the stressed-and-strained state of the ground bed.
Щцвищення швидкостей залiзницi потребуе розробки нових конструкцш земляного полотна. Стан земляного полотна значною мiрою ви-значае довговiчнiсть залiзничноI коли та об'еми робгг з поточного утримання. Оскшьки земляне полотно е спорудою, яка експлуатуеться трива-лий час, то вс роботи з його тдсилення необ-хщно проводити шд максимальш очiкуванi на-вантаження i швидкостi руху поIздiв.
Однiею з юнуючих тенденцiй створення нових конструкцш земляного полотна е тдсилення вже юнуючих конструкцш iз отриманням бшьш довговiчного земляного полотна, що мало деформуеться [1, 2]. Для тдсилення земляного полотна затзниць використовуеться спо-шб перемшування слабкого грунту з в'яжучим, якi подаються пiд тиском всередину грунту [2]. За рахунок перемшування грунту з ними вщ-буваеться його змщнення за рахунок створення стабшзацшних колон. В даний час важливе значення для змщнення затзничних насишв надаеться влаштуванню захищаючих конструк-цiй у виглядi рядiв паль iз ростверками, а також типу «стша в грунтЬ>, яка е спорудою iз сверд-ловин великого дiаметру, якi заповнюються каменем або бетоном, дотичних одна до одно1. Стши можуть бути також одержат розкриттям траншей, якi заповнюються каменем. При цьо-му вщсутнш армокаркас, який застосовуеться при реатзацп способу «стiна в грунтЬ>. Також одним iз способiв збiльшення жорсткосп земляного полотна е спошб утворення в ньому грунтоцементних паль, що приводить до штатного зниження пластичних осiдань всiеI конс-трукцiI. При цьому грунтоцементна паля скла-даеться iз центрально1 пшотно! свердловини дiаметром 160... 200 мм, цементу, що нагшта-
еться з водою, i грунту насипу. Таким чином, суть методу полягае у тому, що в земляному полотш виготовляються стабiлiзацiйнi палi з грунту i в'яжучого. В результат виходять несу-чi грунтовi елементи, яю сприймають тиск вiд верхньо! будови шляху i навантаження потягу. Але бшьше розповсюдження отримали варiан-ти пiдсилення земляного полотна шляхом ар-мування [2, 3].
Розроблеш варiанти пiдсилення конструкцiI земляного полотна вiдрiзняються один вiд одного наявшстю особливих конструктивних еле-ментв (роздiлюючий та морозостiйкий шари, геомати, пiдсилюючi шари iз бутового каменю, мшерально! сумiшi тощо), якi дозволяють зме-ншити перемiщення залiзничного насипу i по-довжити його нормальну експлуатацiю на бiльш довгий перюд. Але з позицiI змiни на-пружено-деформованого стану (НДС) земляного полотна вплив цих елементiв дослщжено мало, оскiльки розрахунок неоднорiдного насипу зi змiною деформацiйних характеристик представляе деякi труднощi математичного та методолопчного характеру.
Проте дослiдження впливу рiзного типу шд-силюючих елементв на НДС земляного полотна повинно виконуватися для того, щоб з' ясу-вати, який варiант пiдсилення е найбшьш оп-тимальним. Ця задача е актуальною з ще1" пози-ци ще й тому, що вплив пiдсилюючих елемен-тiв не е однозначним i вiдомим.
Для того, щоб науково обгрунтувати варiан-ти тдсилення конструкци земляного полотна, проведено серда 1'х числових розрахункiв з метою з'ясувати варiант iз найбiльш оптимальни-ми характеристиками та найбшьшою стiйкiстю, мiцнiстю та стабшьшстю. Розрахунок НДС
© Петренко В. Д., Гузченко В. Т., Тютькш О. Л., Алхдур А. М. М., 2009
107
конструкцш земляного полотна проводиться 13 застосуванням методу сюнченних елеменпв (МСЕ) за допомогою розрахункового комплексу Structure CAD for Windows, version 7.31 R. 4 (SCAD).
Модель для розрахунку для бшьшого враху-вання реальних характеристик об'екту, що до-слiджуeться, прийнята просторовою на основi об'емних скiнченних елементiв (СЕ). Вс гео-метричнi та деформацiйнi характеристики земляного полотна взят iз нормативних докумен-
та. Таким чином, розроблена просторова модель базуеться на реальних характеристиках земляного полотна висотою 6 м для одноколш-но! дiльницi, якi отриманi при спорудженш iс-нуючого насипу.
Розрахункова схема земляного полотна, яка змодельована у комплекс SCAD, виконана таким чином (рис. 1), що СЕ у схемi прийнят су-мiсними, тобто вс вузли сусiднiх елементiв сшвпадають, що позитивно впливае на точшсть рiшення.
Рис. 1. Розрахункова схема земляного полотна насипу висотою 6 м
Загальна кшьюсть вузлiв схеми - 34 986 (бь ля 105 тис. степешв вiльностi, задача вважаеть-ся великорозмiрною), кiлькiсть сюнченних елементiв - 31 500. Розмiри моделi: довжина (основа) - 40,6 м, ширина - 5,0 м, висота -10,5 м (з яких висота земполотна - 6 м).
Основш розмiри СЕ коливаються у межах 0,15...0,5 м, тобто СЕ-сггка е адекватною роз-мiрам представлено! моделi, оскiльки вважаеть-ся, що основний розмiр СЕ не повинен переви-щувати 1/20 вщ характерного розмiру моделi. У схемi застосованi як призматичнi СЕ iз трикут-ною основою (у моделюванш вiдкосу), так i паралелепiпеди (у моделюванш земполотна та
основи). Призматичш СЕ iз трикутною основою перевiренi на умови вироджених та «гол-частих» елементiв, кути трикутника не менше 45° [4].
На схему накладеш граничнi умови: понизу моделi - заборона перемiщення по вшх трьох осях X, У та 2, по боках основи - заборона по осях X та У, по поперечних сторонах моделi -заборона по осi У (умова плоско! деформацп).
Для подальшого дослщження обрано два варiанти тдсилення земляного полотна (рис. 2): 1-й варiант - шар мшерально! сумiшi; 2-й варiант - пакет iз георешiтки та пiску.
ра в
нт
ей
ра в
Рис. 2. Вар1анти п1дсилення земляного полотна:
1) верхня будова коли (ВБК); 2) тдсилюючий шар; 3) ущшьнений суглинок; 4) слабка основа
Деформацшт характеристики, обрат вщ-повiдно до дослщжених rрунтiв земляного полотна: жорстюсть 1: слабка основа - суглинок; питома вага у = 1,9 т/м3; модуль пружност Е = = 25 000 кПа; коефщент Пуассона V = 0,3; жорстюсть 2: грунт затзничного насипу - суглинок щшьний; питома вага у = 1,9 т/м3; модуль пру-жносп Е = 50 000 кПа; коефiцieнт Пуассона V = = 0,3; жорстюсть 3: баластна призма - щебшь; питома вага у = 2,2 т/м3; модуль пружност Е = = 150 000 кПа; коефщент Пуассона V = 0,2; жорстюсть 4: шпала - затзобетон; питома вага у = = 2,5 т/м3; модуль пружност Е = 4-107 кПа; ко-ефщент Пуассона V = 0,2; жор стюсть 5: рейка -сталь; питома вага у = 7,7 т/м ; модуль пружно-ст Е = 21-107, коефщент Пуассона V = 0,2; жорстюсть 6: матерiал шдсиленого шару.
Для першого варiанту пiдсиленим шар ом е мiнеральна сумiш; питома вага у = 2,3 т/м ; модуль пружност Е = 200 000 кПа; коефщент Пуассона V = 0,2; для другого варiанту - пакет з шску, який знаходиться мiж двома георешггка-ми; питома вага у = 1,7 т/м3, модуль пружносп Е = 160 000 кПа; коефщент Пуассона V = 0,2.
У ролi навантаження моделi було прийнято локомотивне, тиск на вiсь прийнято рiвним нормативному тиску вщ локомотиву (Р = 30 т) (рис. 3).
Навантаження на вюь локомотива розпод> лене по ширит рейки (рис. 4), на яку воно приходиться, причому воно розподшене по двох вузлах СЕ, яю входять до геометричного мюця розмiщення рейки.
Рис. 3. Схема по!здного навантаження
Рис. 4. Розташування навантажень на ВБК
yci геометричт розмiри та загальнi навантаження на модель збертаються та контролю-ються у ходi виконання розрахунку, що можли-ве у застосованому розрахунковому комплекci. При розрахунку МСЕ застосовувався мульти-фронтальний метод розкладення матрицi жорс-ткоcтi з автоматичною ошташзащею ширини cтрiчки, як найбшьш прогресивний метод робо-ти iз матрицями, який застосовано у комплекс SCAD.
Результатами розрахунку е загальш перем> щення по оci Z (перемщення по оci X склада-ють менше 0,1 мм i тому не виводяться на вiзу-алiзацiю) та нормальнi напруження моделi по осях X та Z, причому нижченаведеш результати показують характерну картину !х розподiлення у земляному полотт.
На рис. 5 - 7 наведет результати розрахунку МСЕ земляного полотна iз по!здним наван-таженням.
т ар
РЭ
(N
нт
сЗ ар
РЭ
Рис. 5. !золшп та 1зополя перемщень по оа Z (вертикальна) у фрагменп моделей (земляне полотно i ВБК)
в ар
м
2
т ар
М
Рис. 6. !золши та 1зополя нормальних напружень по оа X (горизонтальна) у фрагмент! моделей
В ар
М
2 нт
св ар
м
Рис. 7. 1золши та 1зополя нормальних напружень по ос 2 (вертикальна) у фрагмент! моделей
1з аналiзу рис. 4 - 6 можна зробити наступнi висновки:
1. Кшьюсно перемiщення в обох варiантах знаходяться у нормативних межах (максималь-нi значення - 1.2 мм). Але слщ вiдмiтити зна-чш вiдмiни у якiсному розподiлi вертикальних перемiщень у Варiантi 1 та 2, яю позначенi б> льшою глибиною розподiлу та площиною дп. Це свiдчить про те, що вплив пiдсилюючих ша-рiв обох варiантiв на зменшення деформацiй
ВБК та основно! площадки майже однаковий, хоча у Варiантi 1 розповсюдження перемщень по висотi насипу закшчуеться на глибинi 3,75 м, а у Варiантi 2 сягае 6,0 м. Однак, окрiм iзополя зi значенням -1 мм, яке з'явилося у Ва-рiантi 2 (рис. 5), кшьюсний та якiсний характер розподшу iзополiв пiд рейко-шпальною реш№ кою в обох варiантах майже щентичний. 1з цьо-го можна зробити висновок, що обидва варiан-ти значно покращують деформований стан зем-
ляного полотна, зменшуючи вертикальш перемщення, причому !х значення свiдчать про !х однозначний зворотнiй характер (щ перем> щення вiдповiднi пружнiй зош роботи матерiа-лу земляного полотна).
2. Розподiл нормальних горизонтальних на-пружень для двох варiантiв також вiдрiзняеться як яюсно, так i кiлькiсно (рис. 6), причому у Варiантi 2 спостер^аеться збiльшення iзополя в тiлi насипу в декiлька разiв на вiдмiну вiд Вар> анту 1. Однак, загальний напружений стан земляного полотна, наприклад, пiд рейко-шпаль-ною решiткою мае невеликi вiдмiнностi. Причому, значення максимальних напружень вщ-повiдають Варiанту 1 (-0,017 МПа) на вiдмiну вiд Варiанту 2 (-0,016 МПа), але надто малi значення свiдчать, що обидва варiанти не вщ-чувають значно! напруженост в горизонталь-нiй площинi та зсувiв, спричинених високим рiвнем напружень, не вщбуваеться.
3. Горизонтальнi напруження у ВБК (рис. 6) для двох варiантiв е майже щентичними, а мак-симальнi значення (-6,5 МПа - Варiант 1 та -6,6 МПа - Варiант 2), як знаходяться на пове-рхш рейок i шпал, не викликають жодного пе-ренапруження.
4. Розподiл вертикальних напружень (рис. 7) свiдчить про те, що у Варiантi 1 напруження вщ ди локомотиву сягають глибини 2,0 м, а у Вар> антi 2 - 3,2 м. Однак, максимальш напруження у Варiантi 1 сягають -0,072 МПа, а у Варiантi 2 -0,061 МПа. Ця ситуацiя пояснюеться впливом деформацшних властивостей та товщини тд-силюючих шарiв, якi зменшуючи вертикальш перемщення у Варiантi 1, викликають деяке перенапруження у тш насипу. Таким чином, менша товщина шдсилюючого шару Варiанту 2 (0,5 м на вiдмiну вiд 0,8 м у Варiантi 1), хоча i дозволяе зменшити вертикальнi напруження приблизно на 18... 20 %, дещо збшьшуе пере-мiщення. Однак, значення вертикальних напружень в обох варiантах свщчить про його роботу в пружнш стади i значнi коефщенти запасу.
5. Картини розподiлу нормальних вертикальних напружень (рис. 7) та дотичних напружень у площиш XZ (за браком мюця не показа-ш) не викликають шяко! перестороги, оcкiльки як максимальш значення вщповщають рейкам i шпалам, а напруження у баластнш призмi сягають -4,0 МПа i -4,2 МПа вiдповiдно до Вар> антiв 1 та 2, що значно менше значення мщнос-т матерiалу баласту.
Основним висновком шсля порiвняльного аналiзу НДС обох варiантiв е те, що обидва ва-рiанти пiдcилення земляного полотна на слаб-кiй оcновi добре впливають на деформований стан, зменшуючи вертикальш перемщення ВБК i основно! площадки, та покращують напружений стан, значення якого дае змогу свщ-чити про нормальну експлуатащю земляного полотна.
Вибiр варiанту пiдcилення, окрiм проведе-ного наукового обгрунтування, повинен бути вcебiчно проаналiзований з позици техшко-економiчного порiвняння та обсягу виконання робiт iз його створення.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Правила i технолопя виконання робгг при поточному утриманш зал1знично! коли. ЦП/0084 [Текст]. - К., 2002. - 156 с.
2. ЦП-0204 Правила улаштування основно! площадки земляного полотна при виконанш кат-тального ремонту та модершзаци колл (ЦЮ 25.12.2008 р., реестр. номер ЦП-0204) [Текст] / В. Д. Петренко та ш. - К.: Укрзал1зниця. Головне управлшня колшного господарства, 2009. -44 с.
3. Технические указания по применению нетканых материалов для усиления земляного полотна: ЦП-4591 [Текст] / МПС СССР. Главное управление пути. - М.: Транспорт, 1989. - 47 с.
4. SCAD для пользователя [Текст] / В. С. Карпи-ловский и др. - К.: ВВП «Компас», 2000. -332 с.
Надшшла до редколегп 09.09.2009.
Прийнята до друку 15.09.2009.
