Исследования распространения колебаний в теле земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 625.12.033.38

А. М. Абдукаримов

ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ В ТЕЛЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА, ОТСЫПАННОГО ИЗ ЛЕССОВИДНОЙ

СУПЕСИ

Работа посвящена экспериментальному исследованию земляного полотна из отсыпанного из лессовидной супеси, а именно особенностям вибродинамического воздействия, возникающего при прохождении подвижного состава, установлению характера затухания колебаний, полученных аналитического выражения, которая может быть использована для оценки несущей способности земляного полотна к вибродинамической нагрузке.

Эксперименты по исследованию колебательного процесса на земляном полотне, отсыпанном лессовидными грунтами, проходили в Кашкадарьинской области. Скорость следования грузовых составов на этом участке составляла до 60 км/ч при ширине колеи 1520 мм.

Основной целью натурных экспериментов было определение закономерности распространения колебаний по телу земляного полотна и за его пределами.

Результаты натурных экспериментов по исследованию колебательного процесса на теле земляного полотна по глубине и поперек пути, отсыпанного лессовидном грунтом, в зависимости от скорости движения грузовых поездов представлены на рисунках 2 - 6, на рисунке 1 представлен поперечный разрез пути на перегоне Ташгузар - Байсун.

Колебательный процесс лессовидных грунтов железнодорожного земляного полотна зависит от таких факторов, как скорость движения поездов, нагрузки на ось и тип поездов. Кроме того, на колебание грунтов будут оказывать влияние такие факторы:

- конструктивные особенности и состояние ходовых частей;

- вид, свойство и состояние самих грунтов;

- конструкция и состояние верхнего строения пути;

- толщина балластного слоя и вид составляющего его материала;

- погонные нагрузки на путь и др.

Измерение амплитуды колебания на теле земляного полотна выполнялось в двух направлениях поперечного сечения приведенные результаты по всем составляющим амплитуды колебания во всем диапазоне изменения скоростей по прямолинейным зависимостям.

Исследование производилось на экспериментальном участке с скреплениями типа КБ. Анализ натурных экспериментов свидетельствует о различной интенсивности затухания амплитуд колебания.

Рисунок 1 - Поперечный разрез пути на перегоне Ташгузар - Байсун

Анализируя величину амплитуды смещения на различных глубинах в сечении у торца шпалы, можно сделать вывод о том, что на глубине 0,7 м происходит значительное умень-

шение результирующих амплитуд колебаний по сравнению с глубиной 0,2 м (рисунок 2). Так, на глубине 0,2 м при скорости 60 км/ч значение результирующей амплитуды колебания составили 411 мкм, а на глубине 0,7 м под подошвой шпал - 185 мкм, что в 2,2 раза меньше. На глубине 1,2 м эта амплитуда составила уже 161 мкм при той же скорости движения поездов, что в 1,2 раза меньше, чем результирующие амплитуда смещения на глубине 0,7 м. На глубине 1,7 м результирующая амплитуда колебания составила 133 мкм, что меньше в 1,2 раза, чем на глубине 1,2 м. Таким образом, можно сделать вывод о том, что затухание результирующей амплитуды колебаний по глубине имеет непрямолинейный характер. Аналогичный вывод можно сделать по вертикальной составляющей.

Амплнтуда колебаний, мкм

О 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400

0

Ф — результирующая амплитуда колебаний: —Д— — вертикальная амплитуда колебаний; —+— — амплитуда вдоль оси пути: — амплитуда поперек оси пути

Рисунок 2 - Затухание амплитуды колебаний по глубине земляного полотна под подошвой шпал при движении грузового поезда со скоростью 60 км/ч

Анализ экспериментальных данных свидетельствует о различной интенсивности затухания вертикальной и горизонтальной амплитуды колебаний в теле земляного полотна в вертикальном направлении. Наибольшая интенсивность у вертикальной составляющей, а наименьшая у горизонтальной вдоль оси пути. При изменении глубины от 0,2 до 0,7 м амплитуда вертикальных колебаний уменьшается с 374 до 152 мкм, т. е. в 2,5 раза. Горизонтальная амплитуда поперек оси пути уменьшается с 158 до 117 мкм, т. е. в 1,4 раза. Соответственно горизонтальные смещения вдоль оси пути уменьшаются с 156 до 96 мкм или в 1,6 раза. На глубине от 0,7 до 1,7 м в сечении у торца шпалы интенсивность затухания по всем составляющим приблизительно одинакова. Вертикальные колебания у торца шпалы по глубине от 0,7 до 1,7 м уменьшились в 1,3 раза, горизонтальные вдоль и поперек оси пути уменьшились в 1,4 раза. Следует признать, что интенсивности затухания по всем составляющим в данном диапазоне глубины идентичны. Следовательно, вертикальная амплитуда колебаний распространяется на большую глубину, чем горизонтальная.

Для оценки интенсивность затухания колебаний по глубине выражается показателем К1, который определяется отношением амплитуд смещений, зарегистрированных на некоторой глубине (Т) от уровня основной площадки насыпи (Л2), к амплитудам, зарегистрированным на ее поверхности (А0).

В интенсивности затухания колебаний (рисунок 3) наблюдается неравномерность. От глубины 0,2 до 0,7 м эти колебания затухают крайне интенсивно. Так, показатель К] изменяется с 1 до 0,44, т. е. уменьшается в 2,2 раза.

Рисунок 3 - Изменение коэффициента К = — по глубине полотна

При увеличении глубины от 0,7 до 1,2 м значение этого показателя снизилось еще в 1,2 раза, а от 1,2 до 1,7 м показатель К1 уменьшился в 1,1 раза. Следовательно, зависимость изменения коэффициента К] явно нелинейная.

Таким образом, в зависимости от загасания результирующих амплитуд колебаний при толщине балластного слоя 0,2 м под подошвой шпал четко прослеживается две зоны в пределах рассматриваемых глубин от 0,2 до 1,7 м: 1 - зона до глубины 0,5 м от уровня основной площадки земляного полотна, 2 - зона от глубины 0,5 до 1,5 м.

Для расчета прочности основной площадки земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, в дальнейшем требуется знать закон распространения колебаний, поэтому одной из важнейших задач исследований является установление аналитической зависимости для расчета амплитуды результирующих колебаний в любой точке земляного полотна. Для выявления этой зависимости перестроим график, приведенной на рисунке 3, в полулогарифмических координатах. В итоге получаем практически прямолинейные зависимости 1п(К]) в диапазоне глубины от 0,2 до 0,7 м и от 0,7 до 1,7 м, что представлено на рисунке 4.

По графику на рисунке 4 легко определяются угловые коэффициенты, которые будем называть коэффициентами затухания колебаний. Таким образом, получим: для первой зоны -

1п(К±) = (2 - 0,2) • (1)

для второй -

1п(Кх) = (г- 0,2) • 52, (2)

где 8]1 - коэффициент затухания колебаний в диапазоне глубины от 0,2 до 0,7 м под подошвой шпал, 1/м;

2 „ ё] - коэффициент затухания колебаний в диапазоне глубины от 0,7 м и более под подошвой шпал, 1/м.

к. -

— ■о ° о

я — =

о О - ГЧ

& " X щ

Е =

з Я е. с

5 н •—1

а

О 0.2

Глубина под подошвой шпал: м 0.4 0.6 0.8 1 1.2

1.4 1.6 1.8

-0.4

-0.8

-1.2

1п{к1)

—лессовидный грунт (среднее значение 1п(К1) в диапазоне скоростей от 20 до 60 км/ч)

Рисунок 4 - Изменение коэффициента 1ппо глубине полотна Тогда, учитывая, что

К = ^ ^ ВД) = е1^,

и выражения (1) и (2), можно показать:

^ = ^ • е-ф(гУ81-ф'(г)-81.

(3)

(4)

ф(г)=

Ф' (г) = •

- 0,2 при г < 0,7 м,

[ 0,5 при г > 0,7 м;

0 при г < 0,7 м,

г - 0,7 при г > 0,7 м,

где 2 - глубина рассматриваемой точки по вертикали от подошвы шпалы, м.

Значения коэффициентов загасания результирующих амплитуд колебаний по глубине земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, при следовании грузовых составов со скоростями от 20 до 60 км/ч составляют в первой зоне от 0,2 до 0,7 м под подошвой шпал д\ = 1,64 1/м, а во второй зоне - от 0,7 до 1,7 м при Ь\ = 0,350 1/м.

Оценка затухания результирующих колебаний в горизонтальном направлении, перпендикулярном оси пути, осуществлялась по показателю К2, который определим соотношением результирующих амплитуд смещений, зарегистрированных на некотором расстоянии от торца шпалы (Ау), к амплитудам, зарегистрированным на основной площадке у торца шпалы А0. Изменение показателя коэффициента К2 приведено на рисунке 3.

*2 = ^ ,

А

(5)

где Ау - результирующая амплитуда колебаний на расстоянии у от торца шпалы, мкм; А0 - то же у торца шпалы на глубине 0,2 м под подошвой шпал, мкм. Анализ зависимости, приведенной на рисунке 5, показывает, что выявляется две зоны затухания колебания. Первая зона находится в диапазоне от 0 до 3,8 м, где происходит крайне интенсивное загасание уровня вибродинамического воздействия. Так, при удалении на 2 м от

торца шпалы коэффициент К2 уменьшается с 1,0 до 0,35, т. е. результирующие амплитуды смещений снизились в 2,9 раза, при удалении на 4 м от торца шпалы такие амплитуды снизились в 4,3 раза с 1,0 до 0,23.

Рисунок 5 - Загасание амплитуд колебаний в горизонтальном направлений поперек оси пути в диапазоне скоростей от 20 до 60 км/ч

Вторая зона находится в диапазоне расстояний от 3,8 м до расстояний, при которых амплитуды смещений стремятся к нулю. В этой зоне наблюдается крайне слабое затухание колебаний по зависимости, близкой к прямолинейной.

Для выявления характера затухания значения коэффициентов прологарифмированы, которая меняется на расстояний 5,18 м. В пределах двух зон зависимость прямолинейная. Исходя из этого можно графически определить значений этих коэффициентов, которые составили 0,43 1/м для первой зоны и 0,03 1/м для второй зоны.

Тогда

А = А

(6)

((у-1,35) при у < 5,18м,

Ф(У) = 1 -э о

[ 3,8 при у > 5,18 м,

где - результирующая амплитуда колебаний на основной площадке земляного полотна

под подошвой шпалы, мкм;

321 - коэффициент затухания колебаний в первой зоне, = 0,43 [1/м]; 2 «-» «-» 1 62 - коэффициент затухания колебаний во второй зоне, б2 = 0,03 [1/м];

у - расстояние от оси пути, м;

1,35 - размер полушпалы, м.

В многочисленных исследованиях И. В. Прокудина, Г. Н. Стояновича, А. Ф. Колоса и других авторов установлено увеличение значений амплитуды колебаний на откосной части насыпей [1, 2, 3].

С учетом этого зависимость (6) представляется в виде:

А = А ^

-4-ф(у)-3!-(у-1,35)-^ -Ь .

116 ИЗВЕСТИЯ Транссиба

к =

о,

пРи у < 0,5 • Впл;

К у - 0,5ВпЛ) ■ tga1, при у > 0,5 • Вп„,

(8)

где а - угол заложения откоса насыпи, град.;

Впл - ширина основной площадки земляного полотна, м;

к - высота откоса над рассматриваемой точкой, м;

3з - коэффициент загасания колебаний в откосной части насыпи, который по данным экспериментальных исследований составил 0,152 1/м;

Распространение колебаний в теле полотна и за его пределами одновременно в вертикальном и горизонтальном направлениях выражение для расчета амплитуд колебаний принимает вид:

Ау = А

-ф' ^>8? -8? ■ф(у)-( у—1,35 >82 +83 ■И,

(9)

где Агу - результирующая амплитуда в точке с координатами г и у, мкм;

Ао - максимальная вероятная результирующая амплитуда колебаний грунтов основной площадки земляного полотна, мкм;

г, у - координаты рассматриваемой точки (г - глубина от подошвы шпалы; у - расстояние от торца шпалы в направлении поперек оси пути), м.

Достоверность зависимости (9) проведена сопоставлением величин амплитуд результирующих колебаний с экспериментальными данными.

Величины экспериментальных и расчетных амплитуд колебаний при скорости 60 км/ч

Координаты установки датчиков по телу земляного полотна и за его пределами, м Измеренная амплитуда колебания Аэкс, мкм Расчетная амплитуда колебания Арасч, мкм Погрешность, %

г = 0; у = 0 411 411 0

г = 0; у = 1 218 221 10

г = 1,00; у = 5,6 145 159 9

г = 2,0; у = 7,5 110 107 2

V = 2; у = 12,5 79 73 8

г = 2; у = 15,75 72 79 10

г = 1,75; у = 5,6 127 141 11

г = 2,25; у = 5,6 85 101 16

г = 0,5; у = 0 185 185 0

г = 1; у = 0 161 157 2

г = 1,5; у = 0 134 134 0

Сопоставительный анализ показал хорошую сходимость экспериментальных и теоретических данных. Максимальная погрешность при расчете составила 16 % и наблюдается на расстоянии от оси пути 5,6 м, на глубине 2,2 м под подошвой шпал во всем скоростном диапазоне. Такую погрешность следует признать допустимой при исследовании динамических процессов.

Экспериментальные исследования затухания колебаний в теле земляного полотна в трех направлениях и обработкой данных для выявления его характера позволили получить аналитическое выражение, дающее достаточно высокую сходимость, что является основой для оценки уровня вибродинамических воздействия и несущей способности земляного полотна.

Список литературы

1. Прокудин, И. В. Прочность и деформативность железнодорожного земляного полотна из глинистых грунтов, воспринимающих вибродинамическую нагрузку [Текст]: Дис... докт. техн. наук: 05.22.06 / Прокудин Иван Васильевич. - Л., 1982. - 458 с.

2. Андреев, Г. Е. Экспериментальное исследование боковых давлений при высоких скоростях движения [Текст] / Г. Е. Андреев // Новое в технике и технологии. Транспорт. - М. -1969. - С. 24 - 58.

3. Вялов, С. С. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния слабого грунта, подстилаемого малосжимаемой толщей [Текст] / С. С. Вялов, А. Л. Миндич // Основания, фундаменты и механика грунтов. - М. - 1977. - № 1. - С. 26.

4. Колос, А. Ф. Исследование влияния вибродинамической нагрузки на прочностные характеристики лессовидной супеси [Текст] / А. Ф. Колос, А. М. Абдукаримов // Известия ТашИИТа / Ташкентский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Ташкент. - 2011. - № 4. - С. 7.

References

1. Prokudin I. V. Prochnost' i deformativnost' zheleznodorozhnogo zemljanogo polotna iz glin-istyh gruntov, vosprinimajushhih vibrodinamicheskih nagruzku (Strength and deformability of the railway roadbed of clayey soils that receive vibrodynamic load). Doctor's thesis, Leningrad, 1982, 458 p.

2. Andreev G. E. Experimental study of lateral pressure at high speeds [Jeksperimental'noe is-sledovanie bokovyh davlenij pri vysokih skorostjah dvizhenija]. Novoe v tehnike i tehnologii. Transport - New in equipment and technology. Transport, 1969, pp. 24 - 58.

3. Vjalov S. S., Mindich A. L. Experimental study of stress-strain state of the soft soil, low compressibility of underlying strata [Jeksperimental'noe issledovanie naprjazhenno-deformirovannogo sostojanija slabogo grunta, podstilaemogo maloszhimaemoj tolshhej]. Osnovanija, fundamenty i me-hanika gruntov - Foundations, foundations and soil mechanics, 1977, no. 1, pp. 26.

4. Kolos A. F., Abdukarimov A. M. The study of the influence of dynamic vibration load on the strength characteristics of loess sandy loam [Issledovanie vliyaniya vibrodinamicheskoy nagruzki na prochnostnie harakteristiki leossovidnoy supesi]. Izvtstiya TashIIT - TashIIT Bulletin, 2011, no. 4, pp. 7.

УДК 625.172

Н. И. Карпущенко, А. В. Быстров, П. С. Труханов

ПЛАНИРОВАНИЕ РАБОТ ПО ТЕКУЩЕМУ СОДЕРЖАНИЮ ПУТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ ВАГОНОВ - ПУТЕИЗМЕРИТЕЛЕЙ

Представлены методика и результаты исследований информации, получаемой вагонами-путеизмери-телями о состоянии рельсовой колеи, для планирования путевых работ по устранению неисправностей пути. Проанализированы виды, степени неисправностей по существующей методике их оценки, а также длина отступлений от норм содержания рельсовой колеи, что стало возможным при использовании последних версий программного обеспечения путеизмерителей системы КВЛ-П. Определены объем и очередность производства ремонтно-путевых работ: неотложных, первоочередных и плановых в зависимости от конструкции пути и времени года. Сделан вывод о работоспособности и действенности представленной методики.

Текущее содержание пути заключается в систематическом проведении плановых и неотложных работ, обеспечивающих ликвидацию неисправностей и причин, порождающих их. Предупреждение появления неисправностей и их своевременное устранение являются основными принципами текущего содержания пути и сооружений [1].

При участковой системе ведения путевого хозяйства работа укрупненной бригады производится в соответствии с требованиями инструкции [2] на основе годового плана дистанции по текущему содержанию пути.

Оперативное планирование ремонтно-путевых работ осуществляются по результатам проходов вагонов-путеизмерителей, последние версии программного обеспечения которых позволяют определять длину неисправностей.