CC BY
12
УДК 625.122:624.136
КОВАЛЬОВ ВВ., к.т.н., доцент (ДНУЗТ)
Дослiдження стiйкостi укосiв залiзничного земляного полотна методом скшченних елементiв
Вступ
Найбшьш вiдповiдальною шженер-ною спорудою залiзничного транспорту е земляне полотно, яке виконуе роль фундаменту верхньо'1' будови залiзничноi коли. Вiд надшно'1' роботи земляного полотна залежить ряд показниюв: безпечний та безперебшний рух по'1адв, допустимi на-вантаження на рейки, швидкють руху i як наслщок провiзна та пропускна спромож-нють залiзницi.
Також при проектуваннi та експлуатаци до земляного полотно ставляться наступи вимоги:
- надшнють;
- довговiчнiсть (мати достатньо дов-гий термiн служби);
- мщнють (витримувати напруження що виникають вiд верхньо'1' будови коли та вщ рухомого складу);
- стшюсть укосiв;
- ремонтопридатнiсть.
Крiм того, конструкщя земляного полотна повинна забезпечувати мЫмаль-нi витрати на 1'хне улаштування, ремонт та утримання.
Одним з способiв вирiшення цих вимог - це застосовування нових констру-кцiй нижньо'1' будови коли, а саме арму-вання земляного полотна геосинтетични-ми матерiалами [1, 2, 3], яке нажаль на дорогах Украши поки що не отримало широкого поширення.
З введенням геосинтетичного мате-рiалу в грунт насипу вщбуваеться наступ-не: грунт працюе на стиск i не працюе на розтяг, геосинтетичний матерiал працюе на розтяг i не працюе на стиск. В цiлому конструкцiя «грунт - геосинтетичний ма-
терiал» здатна виконувати обидва види робiт.
При проектуванш армованого земляного полотна необхщно для даних кон-кретних умов експлуатаци пiдiбрати: вид гео синтетичного матерiалу (геоматерiал з потрiбними для заданих умов експлуатаци характеристиками), його кшьюсть, розта-шування в земляному полотш, вiдстань мiж прошарками геоматерiалу та потрiбну ширину геоматерiалу. Для виршення цих задач необхiдно визначити напружено-деформований стан армованого земляного полотна.
Для достовiрного проектування конструкцiй земляного полотна з введен-ням армуючих елементiв необхiдно засто-совувати сучасш методи розрахункiв, одним з яких - е метод скшченних елемен-тсв.
Анал1з останн1х дослщжень 1 публ1кац1й
Сьогодш за кордоном та в Украил для покращення властивостей грунтових споруд, все бшьш широко застосовуються армуючi матерiали.
На ринку Украини представлений достатньо широкий вибiр геоматерiалiв для армування грунту [4]. Це дае можли-вють вирiшувати будь-якi задачi по стабь лiзацii та укрiпленню транспортних спо-руд (що знаходяться в складних умовах) з достатньо невеликими грошовими витра-тами.
Не зважаючи на це, в Укра'1'ш ще не достатньо широко застосовуеться арму-вання для пщвищення надiйностi грунто-вих споруд.
Недостатньо розроблена нормативна техшчна документацiя по застосуванню армування при проектуваннi транспортних споруд, особливо при введенш швид-кiсного руху по'1адв.
Як правило, в сучасному залiзнич-ному будiвництвi армування застосову-еться для тдсилення основно'1' площадки та лшвщацп дефектних мюць залiзнично-го земляного полотна.
Постановка задач1
Метою статп е дослiдження можли-востей застосування сучасних програм при проектуванш нових конструкцiй земляного полотна та 1'х експлуатаци.
Виклад матер1алу
Для виршення питань достовiрного проектування необхщно застосовувати сучаснi програми та методи.
На даний час юнуе достатня кшь-кiсть сучасних програм, що базуються на методi скiнченних елементсв: ANSIS, ABAQUS, COSMOS, NASTRAN, Л1РА та iншi [5].
Однiею з достатньо широко вщомих за кордоном програм - е програмний комплекс PLAXIS.
Програма основана на методi скш-ченних елементiв, i дае можливiсть викону-вати розрахунки напружено-деформованого стану споруд в плоскш та просторовш пос-тановцi.
PLAXIS дозволяе моделювати поведь нку рiзних грунтiв iз застосуванням наступ-них добре опрацьованих моделей основнi з яких:
1) Mohr-Coulomb model - пружно-пластична модель Кулона-Мора;
2) Hardening Soil model - модель грунту, що змщнюеться (пружно-пластична модель гiперболiчного типу), застосовуеться для моделювання поведшки пiску, гравiю;
3) Soft Soil model - модель слабкого грунту (модель типу Cam-Clay);
4) Soft Soil Creep model - модель слабкого грунту з урахуванням ефекту повзу-чосп (включае моделювання друго! стадп повзучосп), може використовуватися для моделювання залежно! вiд часу поведiнки слабких грунпв;
5) Jointed Rock model - модель ашзот-ропного трщинуватого скельного масиву, може використовуватися для моделювання шаруватих гiрських порщ.
Також в PLAXIS е модуль що дозволяе вставляти в програму власноруч розро-бленi пвд заданi складнi умови моделi.
Для моделювання геотехшчних об'ек-тiв при умовi двомiрноi задачi використову-еться модель Plane strain (Плоска деформа-Ця).
Також програма дае можливють пое-тапного моделювання транспортних спо-руд.
Одшею з переваг PLAXIS в порiвнян-нi з iншими програмами основаними на ме-тодi скшченних елементiв це можливiсть виконувати розрахунки коефщента стшко-стi укосiв залiзничного земляного полотна.
Розрахунок стiйкостi укоав програ-мою PLAXIS здiйснюеться шляхом зни-ження характеристик мiцностi грунту. Цей процес називаеться Phi-c reduction. При да-ному способi коефщент стiйкостi визнача-еться як вщношення реально! мiцностi на зсув до обчислено! мшмально! мiцностi, необхщно! для рiвноваги.
У такому пiдходi знижуються зчеп-лення i тангенс кута внутрiшнього тертя грунту.
„ - _ c tan j
Z Msf = — =-^
cr tan jr
(1)
де
Z M
f -
коефiцieнт стiйкостi укосiв земляного полотна.
При досшдженнях стiйкостi укосiв за-лiзничного земляного полотна розглядалися варiанти, що вiдрiзнялися мiж собою по ви-сотi насипу; фiзико-мiцнiсним характеристикам грунпв; умов роботи транспортних споруд; швидкосп руху поiздiв i як наслi-док навантаження на земляне полотно; ар-
муванням укоав (кiлькiсть геоматерiалiв, вiдстань мiж прошарками, тощо).
В якостi прикладу розрахунюв розг-лянемо насип висотою 6 м.
Сили, що передавались на зашзничне земляне полотно вщ рухомого складу та вага верхньои будови коли моделювалися рiвномiрно розподiленим навантаженням.
В прикладi розглядаються п'ять про-шаркiв армування геоматерiалами, що роз-ташовувалися на всю ширину насипу.
Вщстань мiж першим прошарком ге-оматерiалу та основною площадкою насипу дорiвнювала 1 м.
Вiдстань мiж армуючи ми прошарками також дорiвнювала 1 м.
Моделювання армування в PLAXIS здiйснювалось завдяки елементу geogrids, який може працювати як пружний елемент, а також як пружно-пластичний. В остан-ньому випадку можливо задавати зусилля
Np.
Так само як i армуючий геоматерiал елемент geogrids працюе тiльки на розтяг i не працюе на стиск.
При дослщженнях пщвищення стш-костi укосiв армуванням розглядалися на-ступнi варiанти (див. рис. 1-4):
Рис. 1. Неармоване геоматерiалом земляне полотно Н=6 м
-6.00 -4.00 -2.00 -0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 71
Рис. 2. Насип Н=6 м, армований одним шаром геоматерiалу, на вщстат 1 м вщ основной площадки земляного полотна
Рис. 3. Насип Н=6 м, армований трьома шарами геоматерiалу, на вiдстанi 1 м вщ основно-! площадки земляного полотна (шаг 1м)
Рис. 4. Насип Н=6 м, армований двома шарами геоматерiалу, на вщсташ 4 м вщ основно! площадки земляного полотна (шаг 1 м)
1)насип без армування;
2)насип з 1 прошарком армування, що розташований на вщсташ 1 м вщ основно! площадки;
3)насип з 2 прошарками, вщстань мiж якими 1 м;
4)насип з 3 прошарками, вщстань мiж якими 1 м;
5)насип з 4 прошарками, вщстань мiж якими 1 м;
6)насип з 5 прошарками, вщстань мiж якими 1 м;
7)насип з 4 прошарками, вiдстань мiж першим прошарком та основною площадкою 2 м;
8)насип з 3 прошарками, вщстань мiж першим прошарком та основною площад-
кою 3 м;
9)насип з 2 прошарками, вщстань мiж першим прошарком та основною площадкою 1 м;
10) насип з 1 прошарком, вщстань вщ якого до та основно! площадки 5 м.
В результат дослщжень були отри-манi якiснi карти втрати стшкосп армова-ними укосами земляного полотна. Розра-хованi напруження та деформаци, що ви-никають в насипу.
Програмою РЬЛХЛБ розрахованi зу-силля, що виникають в армуючих прошар-ках.
Також були отримаш чисельш зна-чення стiйкостi укосiв для кожного з варiа-нтiв розрахунку (див. табл. 1).
Таблиця 1
Варiанти роз-рахунюв Характеристики варiантiв Значення коефщента стшкосп укоав
Варiант 1 насип без армування 1,075
Варiант 2 насип з 1 прошарком армування, що розташо-ваний на вщсташ 1 м вщ основно'1 площадки 1,241
Варiант 3 насип з 2 армуючими прошарками, вiдстань мiж якими 1 м 1,473
Варiант 4 насип з 3 армуючими прошарками, вщстань мiж якими 1 м 1,743
Варiант 5 насип з 4 армуючими прошарками, вщстань мiж якими 1 м 2,013
Варiант 6 насип з 5 армуючими прошарками, вщстань мiж якими 1 м 2,015
Варiант 7 насип з 4 прошарками, вщстань мiж першим прошарком та основною площадкою 2 м 1,399
Варiант 8 насип з 3 прошарками, вщстань мiж першим прошарком та основною площадкою 3 м 1,211
Варiант 9 насип з 2 прошарками, вщстань мiж першим прошарком та основною площадкою 1 м 1,128
Варiант 10 насип з 1 прошарком, вщстань вщ якого до та основно'1 площадки 5 м 1,088
Висновки
За результатами проведеного досль дження встановлено наступне:
1. Введення армуючих прошаркiв в насип приводить до пщвищення стшкосп укоав. В наведеному прикладi практично в два рази.
2. Завдяки застосуванню методiв скш-ченних елеменпв можливо достатньо швид-ко пдабрати кiлькiсть армуючих прошарюв, оптимальну вщстань мiж ними, мiж першим прошарком та основною площадкою, розта-шування ïx в тiлi насипу та необхщш характеристики геоматерiалiв.
3. Застосування армування грунту приводить до можливосп проектування нових конструкцш насипiв з бiльш крутими ухи-лами, що приводить до скорочення об'емiв земляних робiт при будiвництвi ново! та друго! коли i економи грошових витрат.
Список лггератури
Джоунс К.Д. Сооружение из армированного грунта [Текст] / К.Д. Джоунс. -М.: Стройиздат, 1989. - 280 с.
Тимофеева Л.М. Армирование грунтов [Текст] / Л.М. Тимофеева. - Пермь: Изд-во Пермского политехн. ин-та, 1991. -478 с.
Друкований М. Ф. Армоваш основи будiвель та споруд. Монографiя. [Текст] / М. Ф. Друкований, С. В. Матвеев, Б. Б. Корчевський та ш. - Вшниця: «УНЮЕРСУМ-Вшниця», 2006. - 235 с.
Федорашко И.Я. Геосинтетические материалы в дорожном и гидротехническом строительстве [Текст] / Федорашко И.Я. - Евроизол ООО, 2002.- 42с.
Строкова Л.А. Применение метода конечных элементов в механике грунтов: учебное пособие [Текст] / Л.А. Строкова -Томск: Изд-во Томского политехн. университета, 2010. - 143 с.
Анотацн
Наведено результаты дослщжень застосу-вання метода сшнченних елеменпв при визначенш спйкосп укоав армованого земляного полотна.
Приведены результаты исследований приме-
нения метода конечных элементов при определении устойчивости откосов армированного земляного полотна.
The results of studies of the finite element method to determine the stability of slopes reinforced roadbed.
