Динамическое воздействие поездов на земляное полотно Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

5. Шабанов, А. П. О механизме роста усталостной трещины в поле внешних сжимающих напряжений [Текст] / А. П. Шабанов // ПМТФ. - Т. 46. - № 6. - С. 108 - 115.

6. Попелюх, А. И. Влияние структуры сталей на процесс их разрушения при воздействии циклической сжимающей нагрузки [Текст] / А. И. Попелюх, А. М. Теплых, А. Д. Головин // Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций: Тез. докл. II всерос. конф. /Новосибирский гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 2011. - С. 84.

7. Александров, А. Я. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела [Текст] / А. Я. Александров, М. Х. Ахметзянов. - М.: Наука, 1973. - 576 с.

УДК 625.12:624.131.53

Ю. П. Смолин

ДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОЕЗДОВ НА ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО

Исследованы уровни вибрации в земляном полотне при движении поездов. Произведен анализ записанных акселерограмм и установлены ускорения колебаний по поперечному сечению насыпи. Произведены расчеты устойчивости насыпей с учетом воздействия поездной нагрузки.

Строительство железных дорог в районах Западной и Восточной Сибири сопряжено с суровым климатом, сложными геологическими и гидрогеологическими условиями. Трассы этих дорог большей частью пролегают по болотам, затапливаемым поймам рек, вечномерз-лым грунтам. Покровные грунты, находясь в переувлажненном состоянии, обладают повышенной сжимаемостью и низкой прочностью. Учитывая недостаток традиционного для строительства материала, отсыпку насыпей в основном осуществляли и будут в дальнейшем осуществлять распространенными в этих районах мелкими и пылеватыми песками.

На снижение прочности и устойчивости мелких и пылеватых песков некоторое влияние оказывает вибродинамическое воздействие от поездной нагрузки. До настоящего времени учеными было проведено большое количество натурных и теоретических исследований влияния динамических нагрузок на устойчивость земляного полотна, которые показали, что при проектировании земляного полотна необходимо учитывать динамическую составляющую поездной нагрузки.

В действующем СП 32-104-98 «Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм» для ориентировочных расчетов устойчивости насыпей с учетом динамики регламентируются две методики: методика, по которой статическая поездная нагрузка увеличивается на величину интегрального коэффициента, и методика, согласно которой в расчет устойчивости насыпей вводятся динамические параметры прочности грунта насыпи. Эти методы оценки динамической устойчивости железнодорожных насыпей не в полной мере отражают реально действующее вибродинамическое воздействие поездной нагрузки на песчаную насыпь. Так, в нормах не учитывается:

- как изменяются вертикальные и горизонтальные параметры колебаний грунта в поперечном и продольном направлениях и по глубине насыпи;

- как на параметры колебаний грунта влияет встреча поездов на двухпутных насыпях;

- какие частоты преобладают в нестационарном колебательном процессе;

- как распределяются величины параметров колебания в подтопленных насыпях и насыпях на слабых основаниях;

- какова связь параметров колебаний с поездной нагрузкой и скоростью подвижного состава.

Без учета указанных выше закономерностей при проектировании земляного полотна

проектировщики не имеют возможности в полной мере оценить устойчивость насыпей применительно к их реальному вибрационному состоянию. В этой связи по рекомендациям дей-

ствующих норм при проведении расчетов можно либо слишком завысить коэффициент устойчивости откоса насыпи, что приведет к необоснованному перерасходу строительных материалов и увеличению трудозатрат, либо недооценить устойчивость насыпи.

В связи со строительством железнодорожной линии Сургут - Уренгой и отсутствием традиционного материала для отсыпки насыпи было запланировано отсыпать земляное полотно из мелкого и пылеватого песка. Линия проходит по слабым водонасыщенным грунтам и болотам. Проектирование дороги по заданию ЦУКС МПС осуществляла проектная организация «Сибгипротранс», в план проектирования которой были включены вопросы исследования прочности и устойчивости мелких и пылеватых песков в насыпях от воздействия поездов. Исследование перечисленных выше вопросов позволило запроектировать более надежное земляное железнодорожное полотно.

Натурные исследования динамики при движении поездов проводились лабораторией «Геология, основания и фундаменты» НИИЖТа - СГУПСа совместно с проектным отделом «Земляное полотно» Сибгипротранса.

Целью полевых исследований явилось изучение режима колебаний в песчаном земляном полотне от подвижного состава на однопутных и двухпутных участках железных дорог, в том числе на слабых и заторфованных основаниях.

Для натурных опытов были выбраны песчаные насыпи на двухпутных участках дороги по линии Камень - Алтайская и на однопутных участках по линиям Тюмень - Тобольск, Сургут - Ноябрьская. На рисунке 1 представлен однопутной поперечный профиль железнодорожной насыпи (опытного участка) неподалеку от станции Ульт-Ягун, сооруженный на болоте из мелких и пылеватых песков. На этом поперечнике показано расположение шурфов и скважин, в которых устанавливались датчики виброперемещений. До начала проведения исследований опытная насыпь эксплуатировалась уже более 35 лет.

Для выполнения экспериментальных исследований использовалась широко известная отечественная сейсмоаппаратура ВИ6-6ТН, в комплект которой входят индуктивные датчики ускорения, виброперемещения и давления. Сейсмодатчики виброперемещений и ускорений устанавливались в герметичные кассеты, что позволило помещать их в грунт на любую глубину, в том числе ниже уровня грунтовых вод. Кассеты с датчиками ускорений и виброперемещений устанавливались в шурфах и скважинах. Шурфы отрывали только до уровня грунтовых вод, а ниже этой отметки кассету с датчиками погружали специальным задавливаю-щим устройством, снабженным вибратором.

щ.ц. 013 Ш.2. Ш. 1

При записи осциллограмм учитывались поездные нагрузки по известному весу единиц подвижного состава: локомотива, наливных и пассажирских вагонов, цементовозов, порожних

платформ. Также для выполнения экспериментов отделением путевой части специально выделялся локомотив ТЭМ-2 с вагонами, который двигался по насыпи с различной скоростью. Скорость движения остальных поездов определялась с помощью записанных осциллограмм. Зная расстояние между колесными парами локомотивов и вагонов и скорость движения ленты, вычисляли скорость движения поезда. На всех опытных участках в различных точках земляного полотна было записано несколько сот осциллограмм виброперемещений и ускорений. Запись производилась при различных скоростях движения поездов и нагрузках на оси вагонов.

При обработке осциллограмм виброперемещений использовалась методика гармонического анализа, по которой строились амплитудно-частотные спектры в зависимости от поездной нагрузки, скорости поезда как на двухпутных, так и на однопутных участках железнодорожного земляного полотна (рисунок 2).

ос, м/с2

1,0-

0,5-

0,5-

А(мк)

10

20

50

ЧО

Частота

а

Частота б

Гц

60

Рисунок 2 - Амплитудно-частотный спектр вертикальных колебаний в междупутье двухпутной насыпи на глубине 0,5 м от уровня основной площадки: а - при встрече поездов; б - при движении поезда по одному пути; 1 - максимальная амплитуда; 2 - средняя амплитуда;

3 - максимальное ускорение; 4 - среднее ускорение

Расчетные параметры колебаний были определены методом регрессивного анализа. Для выявления функции регрессии, наилучшим образом описывающей зависимость амплитуды от частоты, было опробовано несколько подходящих функций. Наилучшей по тесноте связи оказалась экспоненциальная функция вида:

2„ Г

(1)

А,г = 16 АО, 2е

где Ах, А2 - амплитуда вертикальных и горизонтальных колебаний соответственно, мк; А°х, А°2 - начальная амплитуда вертикальных и горизонтальных колебаний, мк; 3 - параметр затухания амплитуды по частоте колебаний; / - частота колебаний, Гц.

Ускорения колебаний вычислялись как вторая производная от амплитуды смещения колебаний. Вычисленные вертикальные и горизонтальные составляющие ускорения наносились на поперечные сечения насыпей (рисунки 3, 4).

Аппроксимация экспериментальных данных об амплитуде колебаний позволила получить следующие выражения для модулей ускорения колебаний выше (2) и ниже (3) уровня грунтовых вод:

а = а • е

-М1 • 2

А(г);

(2)

а = ка0 • е"М2 (0'18А+)2 • Ь2(г),

(3)

где а0 - модуль ускорения колебаний в начале координат, м/с ; Ьх(1), Ь2(1:) - полиномы Лагранжа;

М\, М2 - параметры экспоненты для точек, расположенных выше (М1 = 0,48) и ниже (М2 = = 0,34) уровня грунтовых вод;

к = 2 - переходной коэффициент, определяющий скачок модуля ускорения в точке пересечения оси пути с уровнем грунтовой воды;

к - расстояние от уровня основной площадки до уровня грунтовых вод, м; г - глубина расположения рассматриваемой точки, м.

а, мм/с*

а

Тег ,мм/о2

б

Рисунок 3 - Распределение максимальной вертикальной и горизонтальной амплитуды и ускорения колебаний при прохождении поездов: а - по одному пути; б - при встрече поездов; 1, 2 - горизонтально и вертикально направленные колебания

Величина а0 аппроксимирована функцией и вычисляется в зависимости от скорости поезда, поездной нагрузки и частоты колебаний (принято / = 30 Гц),

а0 = В0 / 2УР<\ (28е ~28-/ + 7,3-24/ )10-8,

(4)

где В0 - коэффициент, равный единице в уровне основной площадки, м.- ч/кН- км;

V, Р - скорость поезда и нагрузка на ось подвижного состава.

Далее подсчитывались средние значения относительных ускорений аср в каждом вертикальном створе отдельно выше и ниже уровня грунтовых вод. Полученные аср справедливы как для однопутной, так и для двухпутной насыпи при прохождении одного состава или при встрече поездов. С достаточной для практических целей точностью они аппроксимированы полиномом Лагранжа:

при прохождении поезда по одному пути -

Ц(Г) = 0,01 • [-0,833 • (г -1) • (г - 2) • (г -3) • (Г - 4) • (Г - 5) + 5,08 • г ■ (г - 2) • (Г -3) • (Г - 4) • (Г - 5) -

-14,7 • г • (г -1) • (г - 3) • (г - 4) • (г - 5) +19,6 • г • (г -1) • (г - 4) • (г - 5) - (5)

-6,71 • г • (г -1) • (г - 2) • (г - 3) • (г - 5) +1,01 • г • (г -1) • (г - 2) • (г - 3) • (г - 4)] ^'

при встрече поездов -

Ь2(г) = 0,01 • [-0,833 • (г -1) • (г - 2) • (г -3) • (г - 4) • (г - 5) + 3,71 • г • (г - 2) • (г -3) • (г - 4) • (г - 5) --9,0 • г • (г -1) • (г - 3) • (г - 4) • (г - 5) +10,3 • г • (г -1) • (г - 4) • (г - 5) --4,25 • г • (г -1) • (г - 2) • (г - 3) • (г - 5) + 0,617 • г • (г -1) • (г - 2) • (г - 3) • (г - 4)]

где г выражается через расстояние от оси железнодорожного пути х:

2,84

(7)

где х - расстояние от оси пути до рассматриваемом точки, м.

р50---\880---

1р20 1рЗО 0,80 0,60 0,44 ОМ 0,25

■ 737О 0*980

0,740 0,550

0,650

---О.ЧОО —

---0,29 —'

— —0,20

Г

— 0,31 _

— 0,23 —

1,100 0,360

0530 0,480 0,380 0,290

б

Рисунок 4 - Изолинии результирующих ускорений, замеренных в теле насыпи при встрече поездов при Г = 40 Гц: а - максимальные ускорения, м/с2; б - средние ускорения; (- - экспериментальные изолинии;------- расчетные изолинии)

Удельная сила инерции колебания грунта, от которой зависит устойчивость земляного полотна, определяется формулой:

уа

г = ра = , (8)

£

3

где р, у - плотность и удельный вес грунта соответственно, кН/м ;

а - модуль ускорения колебаний в рассматриваемой точке земляного полотна, м/с2; £ - ускорение силы тяжести, м/с2.

Расчетные значения модуля ускорений колебаний определяются выражением:

а = к 1ан, (9)

где к1 - коэффициент запаса, зависящий от среднеквадратического отклонения амплитуды ускорения колебаний (при доверительной вероятности 0,98 —> к1 = 2,32).

При встрече поездов на двухпутной насыпи опытами зафиксировано, что амплитуда колебаний увеличивается в среднем примерно в 1,2 раза. При этом происходит некоторое смещение максимальной плотности амплитуды колебаний в диапазон частот 35 Гц.

Установленные на основании опытных данных функции использовались в разработанных методиках расчета устойчивости земляного полотна по методу теории предельного равновесия грунтов.

х

г

а

98 ИЗВЕСТИЯ Транссй§а |№2 ЦЦ

Одним из основных вопросов проектирования земляного сооружения является вопрос о расчете общей устойчивости его откосов, при этом необходимо знать предполагаемую линию скольжения, по которой будет происходить потеря устойчивости насыпи. По приближенным методам проверки устойчивости откосов на сдвиг принимают фиксированные криволинейные, прямолинейные и другие поверхности скольжения.

Для уточнения линий скольжения песчаной насыпи были проведены лабораторные опыты на моделях в лотке длиной 3,0 м, шириной 1,5 м и высотой 1,8 м. В результате проведенных опытов области призм обрушения можно представить в виде трех основных зон, как это имеет место в теории предельного равновесия. Опыты показали, что в песках не наблюдается традиционно принятая в расчетах круглоцилиндрическая поверхность скольжения.

При динамическом воздействии поездов на пески дополнительно уменьшаются его прочностные характеристики, что также оказывает влияние на прочность и устойчивость земляного полотна.

Для выяснения, в какой мере динамика оказывает влияние на прочностные характеристики песчаных грунтов, были проведены опыты по определению прочностных характеристик грунтов на специально сконструированном для этой цели безынерционном стабилометре (рисунок 5).

Рисунок 5 - Схема безынерционного стабилометра на базе вибростенда ВЭДС-200А для исследования прочности песков при воздействии на них динамических нагрузок: 1 - вибростенд; 2 - стабилометр; 3 - плунжерная пара; 4 - поршень; 5 - индикатор; 6 - датчик давления; 7 - образец грунта; 8 - медицинская игла;

9 - цилиндр с водой; 10 - запорный кран

Опыты проводились при статических и динамических нагрузках аналогично исследованиям критических ускорений, однако в отличие от исследований критических ускорений образец опытного грунта вначале обжимался гидростатическим давлением 20 кПа, а затем разрушался возрастающим осевым давлением при постоянном динамическом воздействии. Опыты показали, что угол внутреннего трения при динамике в сравнении со статическим его значением уменьшается примерно на 2 - 4 %. При оценке устойчивости откосов насыпей в расчет необходимо принимать расчетные динамические характеристики прочностных свойств песчаного грунта, что также будет приводить, в дополнение к динамическим силам, к уменьшению устойчивости откоса насыпи.

Экспериментально установленные максимальные значения горизонтальных и вертикальных ускорений колебаний позволили вычислить максимальные векторы результирующих ускорений. Что касается направления этих ускорений, то оно, в силу диссипативности направлений, остается неопределенным. В таком случае при оценке устойчивости земляного полотна железной дороги предполагается принимать наиболее неблагоприятные направления инерционных сил, а следовательно, и ускорения колебаний. Рекомендуется принимать направление этих сил по касательной к линиям скольжения. При этом, конечно, оценка устойчивости будет содержать некоторый запас расчета.

Для решения задач устойчивости насыпи на ЭВМ составлены программы с использова-

Самописвц нзза-вп

нием инженерных методов расчета по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения, по поверхности скольжения в виде логарифмической спирали и с учетом сложных поверхностей скольжения по теории предельного равновесия (рисунок 6). Во всех расчетных схемах было учтено вибродинамическое воздействие от поездной нагрузки.

в г

Рисунок 6 - Расчетные схемы при решении задач устойчивости откоса насыпи

Принимая несущую способность насыпи при нулевой скорости поездной нагрузки за 100 %, имеем средний процент снижения предельного давления на 10 - 20 % в зависимости от скорости поезда и осевой нагрузки. Указанные цифры снижения предельной нагрузки могут колебаться в ту или иную сторону в зависимости от рассматриваемого объема обрушаю-щегося откоса. Так, при рассмотрении потери устойчивости откоса в верхней части насыпи в силу наибольших инерционных сил процент снижения предельной нагрузки будет большим, чем при рассмотрении плоскости скольжении с захватом значительных масс грунта насыпи и тем более основания.

Список литературы

1. Соловьев, Ю. И. Современные методы расчета устойчивости земляного полотна железных дорог [Текст] / Ю. И. Соловьев, А. М. Караулов, Ю. П. Смолин / Сибирская гос. акад. путей сообщения. - Новосибирск, 1996. - 86 с.

2. Смолин, Ю. П. Динамический расчет земляного полотна железной дороги [Текст] / Ю. П. Смолин, Ю. И. Соловьев, К. В. Червецов // Вестник СГУПСа / Сибирский гос. ун-т путей сообщения. - Новосибирск, 2002. - Вып. 4. - С. 131 - 138.

3. Смолин, Ю. П. Исследование прочностных характеристик песчаных грунтов при вибрационных воздействиях [Текст] / Ю. П. Смолин, Ю. И. Соловьев // Известия вузов. - Новосибирск, 2001. - № 6. - С.121 - 123.

100 ИЗВЕСТИЯ Транссйра |№201133)