CC BY
43
УДК 625.12.044
В. Д. ПЕТРЕНКО, В. Т. ГУЗЧЕНКО, А. М. М. АЛХДУР (ДПТ)
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ ДЕФОРМАЦ1ЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШАРУ П1ДСИЛЕННЯ НА НДС ЗАЛ1ЗНИЧНОГО НАСИПУ ПРИ П1Д'1ЗД1 ДО МОСТОВОГО ПЕРЕХОДУ
В робот представлено результата впливу деформацшних характеристик шару тдсилення на напружено-деформований стан залiзничного насипу. Порiвняльний МСЕ-аналiз дозволив з'ясувати, що такий тип тдсилення не мае позитивного впливу.
В работе представлены результаты влияния деформационных характеристик слоя усиления на напряженно-деформированное состояние железнодорожной насыпи. Сравнительный МКЭ-анализ позволил выяснить, что такой тип усиления не имеет положительного влияния.
In the article the results of influence of deformation descriptions of strengthening layer on the tensed-and-deformed state of railway embankment are presented. The comparative FEM-analysis has allowed finding out that such type of strengthening has no positive effect.
Багаточисленш типи шдсилюючих елемен-пв земляного насипу, полотна та основи, яю базуються на змш фiзико-механiчних власти-востей грунту, хоча i мають розроблеш конс-трукцii, але не мають детальних дослiджень !х впливу на напружено-деформований стан (НДС) земляного полотна [1, 2]. Ц дослщжен-ня повиннi виконуватися для того, щоб з'ясувати, який варiант пiдсилення е найбiльш оп-тимальним. Ця задача е актуальною з цiеi пози-цii ще й тому, що вплив шдсилюючих елемен-пв не е однозначним i вiдомим.
Розробленi варiанти пiдсилення конструкци насипу та земляного полотна вiдрiзняються на-явнiстю в його тш шарiв iз меншими деформа-цшними характеристиками. Це дозволяе змен-шити вертикальнi та горизонтальнi перемщен-ня верхньоi будови колii (ВБК) ^ таким чином, збiльшити мiжремонтнi термши i подовжити його нормальну експлуатащю.
Але з позицii НДС земляного полотна та насипу вплив цих елеменпв дослщжено недоста-тньо, оскшьки розрахунок неоднорiдного насипу iз змiною деформацiйних характеристик
представляе деяк1 труднощ1 математичного характеру.
Для того, щоб науково обгрунтувати вар1ан-ти тдсилення конструкци земляного полотна, проведено серда ïx числових розрахунюв з метою з'ясувати вар1ант i3 найбшьш оптимальни-ми характеристиками та найбшьшою стiйкiстю, мщшстю та стабiльнiстю, якi пов'язанi i3 зага-льним напружено-деформованим станом (НДС) затзничного насипу.
Розрахунок НДС конструкцш насипу проводиться iз застосуванням методу сюнченних елементiв (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-слщжуетъся, прийнята просторовою на основi об'емних скiнченниx елементiв (СЕ). Всi гео-метричнi та деформацiйнi характеристики земляного полотна узят iз нормативних документа. На рис. 1 показана розрахункова схема земляного полотна, яка змодельована у комплекс SCAD.
Рис. 1. Розрахункова схема земляного полотна високого насипу
© Петренко В. Д., Гузченко В. Т., Алхдур А. М. М., 2010
101
Загальна кшьюсть вузлiв схеми - 19940 шт. (бшя 60 тисяч ступешв вiльностi), кiлькiсть скiнчених елементiв - 17073 шт. СЕ у схемi прийнят сумiсними, тобто всi вузли сусщшх елементiв спiвпадають, що позитивно впливае на точнiсть рiшення. Розмiри моделi: довжина (основа) - 55,7 м, ширина - 2,28 м, висота -12,5 м (з яких висота земполотна - 10 м).
Розмiри СЕ коливаються у межах 0,30x0,5x0,25, 0,35x0,5x0,25 до 0,5x0,5x0,3 м, тобто СЕ-сггка адекватна розмiрам представлено! модел^ оскшьки вважаеться, що основний розмiр СЕ не повинен перевищувати 1/20 вiд характерного розмiру моделi. У схемi застосо-ванi як призматичнi СЕ iз трикутною основою (у моделюваннi вщкосу), так i паралелепiпеди (у моделюванш земполотна та основи). При-зматичш СЕ iз трикутною основою перевiренi на умови вироджених та «голчастих» елемен-тiв, кути трикутника не менше 45° [3].
На схему накладеш граничнi умови: понизу моделi - заборона перемiщення по вшм трьом осям X, У та 2, по боках основи - заборона по осях X та У, по поперечних сторонах мо-делi - заборона по ос У (умова плоско! дефо-рмаци). Верх та вщкоси моделi вiльнi вiд гра-ничних умов. Деформацшш характеристики обранi у вщповщносп iз дослiдженими грунтами земляного полотна:
Жорстюсть 1 - суглинок щiльний, питома вага у = 20,0 кН/м3, модуль пружносп Е = 30000 кПа, коефiцiент Пуассона V = 0,3;
Жорстюсть 2 - щебшь, питома вага у = 23,0 кН/м3, модуль пружностi
Е = 100000 кПа, коефiцiент Пуассона v = 0,3;
Жорстюсть 3 - залiзобетоннi шпали, питома вага у = 25,0 кН/м3, приведений модуль пруж-
носп Е = 3,51 • 107 кПа, коефщент Пуассона V = 0,3.
У ролi навантаження моделi було прийнято локомотивне, тиск на вiсь прийнято рiвним нормативному тиску вщ локомотиву (Р = 25 т) iз урахуванням коефiцiенту динамiчностi ц = 1,25 (рис. 2).
Локомотив 25 т
Рис. 2. Схема по!'зного навантаження
На рис. 3 показано розташування наванта-жень 1-01 схеми на головнш площадцi насипу. Навантаження на ось локомотиву розподшене по ширинi шпали, на яку воно приходиться, причому воно розподшене по 12-ти вузлах СЕ, як входять до геометричного мюця розмiщення шпали i складае 20,83 кН.
А
Рис. 3. Розташування навантажень на верхню будову коли (ВБК)
Було прийнято двi схеми завантаження СЕ-моделi:
1 схема - локомотив без додатку власно! ваги земляного полотна;
2 схема - навантаження схеми лише влас-ною вагою.
2-а схема навантаження надаеться для контролю перемщень та напружень в модел^ яю викликанi власною вагою земполотна, та тих же факторiв вщ по!здного навантаження. Схема завантаження моделi на двох колiях не застосо-вувалася, оскiльки на дiлянцi, що дослщжуегь-ся, випадкiв одночасного перемщення двох потягiв не вiдбуваеться.
Ус геометричнi розмiри та загальнi навантаження на модель збертаються та контролю-ються у ходi виконання розрахунку, що можли-ве у застосованому розрахунковому комплексi. Надана розроблена модель приймаеться як ба-зовий контрольний варiант (Варiант 0), з яким в подальшому порiвнюються iншi варiанти роз-рахункiв iз змiненою конструкщею земляного полотна.
При розрахунку МСЕ застосовувався муль-тифронтальний метод розкладення матриц жо-рсткостi iз автоматичною оптимiзацiею ширини стрiчки, як найбiльш прогресивний метод робо-ти iз матрицями, який застосовано у комплекс SCAD.
Результатами розрахунку е загальш перем> щення та напруження моделi по осях X та Z, причому нижченаведеш результати показують характерну картину !х розподiлення у земляному полотш.
На рис. 4 наведет результати розрахунку МСЕ земляного полотна iз по!зним наванта-женням (Варiант 0).
1-а схема завантаження
2-а схема завантаження
а)
б)
в)
г)
д)
Рис. 4. 1золши та iзополя перемщень та напружень у випадку Варiанту 0:
а) - перемщення по осi X (горизонтальна); б) - перемщення по осi 1 (вертикальна); в) - нормальш напруження по осi X (горизонтальна); г) - нормальш напруження по оа 1 (вертикальна); д) - дотичш напруження в площиш XI
В якост першого вар1анту для дослщження узято вар1ант змши конструкцп земляного полотна ¡з розмщенням в ньому шару з бшьшими на вщм1ну вщ матер1алу масиву деформацш-
а)
ними характеристиками, наприклад, щебеню ¡з б1тумним просочуванням, конструкщя земляного полотна показана на рис. 5, а.
б)
Рис. 5. Схема земляного полотна iз шаром iз зб№шеними деформацшними характеристиками:
а) - щебшь, просочений бiтумом; б) - шар iз збшьшеними деформацшними характеристиками
Для дослщження Вар1анту 1 базова модель (Вар1ант 0) була змшена у вщповщносп до де-формацшних властивостей земляного полотна ¡з збшьшеними деформацшними властивостя-ми. Вщповщно до жорсткостей Вар1анту 0 до-далася жорстюсть 4 - щебшь, просочений б1ту-
мом (товщина шару - 0,5 м): питома вага у = 20,0 кН/м3, модуль пружност
Е = 80000 кПа, коефщент Пуассона v = 0,3;. Вс шш1 характеристики модел1 (граничш умо-ви, навантаження та !х сполучення) залишилися вщповщно до модел1 Вар1анту 0 незмшними.
В якост другого варiанту для дослщження узято варiант змiни конструкцн земляного полотна iз розмiщенням в ньому шару iз ущшьне-ного та бшьш мiцного грунту з бшьшими дефо-рмацiйними характеристиками, конструкщя земляного полотна показана на рис. 5, б.
Для дослщження Варiанту 2 базова модель (Варiант 0) була змшена у вiдповiдностi до де-формацiйних властивостей земляного полотна iз збiльшеними деформацiйними властивостя-
Вар1ант 1
а)
ми. Вiдповiдно до жорсткостей Bapiarny 0 до-далася жоpсткiсть 4 - yщiльнений грунт (тов-щина шару - 1 м): питома вага y = 20,0 кН/м3, модуль пpyжностi E = 40000 кПа, коефiцieнт Пуассона v = 0,3 ; Bei iншi характеристики мо-делi (гpaничнi умови, навантаження та ix спо-лучення) залишилися вiдповiдно до моделi Ва-piaнтy 0 незмiнними. На рис. 6 наведеш резуль-тати розрахунку моделi Bapiaнтy 2.
Вар1ант 2
б)
в)
г)
д)
Рис. 6. 1золшп та 1зополя перем1щень та напружень 1-а схема завантаження:
а) - перемщення по оа X (горизонтальна); б) - перемщення по оа 1 (вертикальна); в) - нормальш напруження по оа X (горизонтальна); г) - нормальш напруження по ос 1 (вертикальна); д) - дотичш напруження в площиш XI
Таким чином, пiсля проведених розрахункiв трьох варiантiв конструкцii насипу, проведено порiвняльний аналiз напружено-деформованого стану Варiантiв 1 i 2 з Варiантом 0, метою яко-го е з'ясування впливу конструктивних ршень пiдсилення конструкцii земляного полотна на загальну поведiнку насипу.
1з проведеного аналiзу можна зробити наступи висновки:
1. Аналiз НДС насипу з однорщного матер> алу у випадку 2-о1 схеми завантаження (власна вага насипу) свщчить про те, що розподш iзо-полiв та iзолiнiй перемiщень (рис. 4, а i б, 2-а
схема завантаження) i напружень (рис. 4, в-д, 2-а схема завантаження) близький до аналггич-ного, i це шдтверджуе вiрнiсть розроблено! СЕ-моделi та 11 адекватшсть аналiтичним рь шенням. Вщповщно до уявлень про деформу-вання шаруватих середовищ iз рiзними за величиною деформацшними характеристиками (зо-крема, модулем пружностi Е), на границ ша-рiв щебеню баластно! призми та суглинку тша насипу вiдмiчаються зони невелико! концент-рацii напружень та якiсноi змши 1х iзополiв (рис. 4, в, 2-а схема завантаження) - iзополе iз значенням напруження - 8,6 кН/м2 (0,0086
МПа) та рис. 4, г, 2-а схема завантаження - ви-кривлення iзополя iз значенням напруження -15,29 кН/м2 (0,0153 МПа) на меж роздiлу шарiв щебеню та суглинку). Загальний напружений стан насипу при ди власно! ваги позначений невеликим рiвнем напружень (максимальнi напруження - 0,12...0,2 МПа (рис. 4, в, г), а мак-симальне перемщення верху моделi складае 39,9 мм (рис. 4, а). Таким чином, анатз НДС насипу при ди власно! ваги свiдчить про те, що розроблена модель вщповщае вимогам до скш-ченно-елементних моделей i надае можливiсть отримання результатiв розрахунку достатньо! точностi.
2. Порiвняльний аналiз НДС Варiантiв 0 та 1 свщчить про те, що введення в тшо насипу шару з бшьшими на вiдмiну вiд матерiалу земляного полотна деформацшними характеристиками змшюе картину вертикальних перемь щень, дещо !х зменшуючи. Це виходить iз ана-лiзу вертикальних перемiщень, максимальне значення яких у Варiантi 0 складало 5,12 мм (рис. 4, б), а у Варiантi 1 - 4,84 мм (рис. 6, б), тобто зменшення перемщень незначне (в 1,05 разу), причому горизонтальш перемiщення в двох варiантах не змшилися. Аналiзуючи вер-тикальнi перемщення у Варiантi 1, слiд вщм> тити характерне викривлення iзолiнiй на меж шарiв (рис. 6, б) - iзополя пiд шпалою. Напружений стан Варiанту 1 на вщмшу вiд Варiанту 0 дещо покращився: так, горизонтальнi напруження дещо зменшилися (з 673,09 кН/м2 (0,673 МПа) у Варiантi 0 до 625,88 кН/м2 (0,625 МПа) у Варiантi 1) та в Варiантi 1 змен-шилася площина !х розповсюдження (лише в обласп баластно!' призми, рис. 6, в). Також вщ-мiчаеться незначне зменшення вертикальних та дотичних напружень (рис. 6, г, д). Картина роз-подiлу вертикальних напружень якiсно майже однакова у двох варiантах (рис. 4 та 6, б), а зменшення напружень незначне (1,02.1,05 разу).
3. Порiвняльний аналiз НДС Варiантiв 0 та 2 свщчить про те, що введення в тшо насипу шару ущшьненого грунту змшюе картину вертикальних перемщень, також дещо !х зменшуючи, як i у Варiантi 1. Максимальне значення вертикальних перемщень у Варiантi 0 складало 5,12 мм (рис. 4, б), а у Варiантi 1 - 4,93 мм (рис. 6, б), тобто зменшення перемщень незначне, горизонтальш перемщення в двох варiан-тах не змшилися, як i у Варiантi 1. Аналiзуючи вертикальш перемщення у Варiантi 2, також слщ вщм^ити характерне викривлення iзолiнiй на меж1 шарiв (рис. 6, б). Напружений стан Ва-
piarny 2 на вщм^ вщ BapiaHTy 0 дещо покращився: так горизонтальш напруження дещо зменшилися (з 673,09 кН/м2 (0,673 МПа) у Bapiaнтi 0 до 643,38 кН/м2 (0,643 МПа) у Вар> ант 2) та в Bapiaнтi 2, як i у Bapiaнтi 1, змен-шилася площина !х розповсюдження (лише в обласп баластно! призми, рис. 6, в). Також вщ-мiчaeться незначне зменшення вертикальних та дотичних напружень (рис. 6, г, д) в 1,02 разу в середньому). Картина розподшу вертикальних напружень яюсно майже однакова у двох варь антах (рис. 4 та 6, б), а зменшення напружень незначне (1,01.1,03 разу).
Пюля проведеного поpiвняльного aнaлiзy можна зробити наступш висновки:
1. Розроблена просторова СЕ-модель насипу дозволила провести ряд числових розрахунюв, результати яких шсля поpiвняльного aнaлiзy дали змогу свщчити про вплив на загальний НДС земляного полотна при змш конструкци для його шдсилення.
2. Поpiвняльний aнaлiз вapiaнтiв шдсилення шляхом розмщення в тiлi насипу шapiв з бшь-шими на вщмшу вiд мaтеpiaлy земляного полотна деформацшними характеристиками (Bapi-ант 1) або шару ущшьненого грунту ^apiam 2) свщчить про те, що така змша незначно покра-щуе загальний НДС насипу, дещо зменшуючи вертикальш перемщення та компоненти на-пружень, але це зменшення незначне (1,02.1,05 разу).
3. Анaлiз Bapiaнтy 1 свщчить, що його впро-вадження бшьш ефективне на вщмшу вщ Bapi-анту 2, оскшьки зменшення пеpемiщень та напружень для цього вapiaнтy бшьше, хоча в аб-солютних величинах все ж незначне (максима-льне 1,05 разу).
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Правила улаштування основно! площадки земляного полотна при виконанш капитального ремонту та модершзаци коли [Текст] : ЦЮ 25.12.2008 р., реестр. номер ЦП-0204 / В. Д. Петренко та ш. - К.: Укрзал1зниця. Гол. упр. колшного госп., 2009. - 44 с.
2. Правила i технолопя виконання робгг при поточному утриманш зал1знично! коли [Текст] : ЦП/0084. - К., 2002. - 156 с.
3. SCAD для пользователя [Текст] / В. С. Карпи-ловский и др. - К.: ВВП «Компас», 2000. -332 с.
Надшшла до редколеги 26.02.2010.
Прийнята до друку 03.03.2010.
