CC BY
40
Быкова Н.М., Исайкин А.С., Моргунов А.Н., Зайнагабдинов Д.А.
УДК 693.546.4
ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ В СТЕНАХ ОБДЕЛКИ И ПУТЕВОМ БЕТОНЕ СЕВЕРО-МУЙСКОГО ТОННЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОТОУПРУГИХ ДАТЧИКОВ
Обоснование целесообразности измерительных работ. Геодинамические процессы формирования Байкальской рифтовой зоны совместно с температурными воздействиями и поездными нагрузками вносят изменения в пространственную работу конструкций Севе-ро-Муйского тоннеля в процессе эксплуатации. Это проявляется в образовании трещин в обделках, деструктивных процессах бетона обратного свода, нарушении конструктивных связей между путевым бетоном и бетоном обратного свода, просадках пути. Факторами, характеризующими геодинамические процессы, являются сейсмические процессы, смещения геоблоков по разломам, агрессивность подземных вод.
Кроме сложного сочетания внешних воздействий, существуют особенности пространственной совместной работы конструкций обделки и верхнего строения пути. Обделка тоннеля по длине поделена деформационными швами ориентировочно через 35 м на отдельные блоки. Путевой бетон вместе с омоно-личенной в него рельсо — шпальной решеткой при изготовлении положен на бетон обратного свода. Такая конструкция, как одно целое, хорошо работает на статическую вертикальную нагрузку. Работа бесстыкового рельсового пути длиной 15 км нажелезобетон-ных шпалах, омоноличенных в путевой бетон, изучена недостаточно, особенно, в условиях неравномерного натяжения клеммных болтов скреплений рельсов со шпалами и температурных перепадов. После ввода тоннеля в эксплуатацию на отдельных участках стали наблюдаться явления отрыва шпал и путевых блоков. Мониторинг продольных деформаций
стен обделки и путевого бетона вдоль всего тоннеля позволит оценить дополнительные неучтенные силы, влияющие на работу конструкций, определить механизм их возникновения, оценить количественную составляющую и разработать проектно-технологичес-кие решения по их снижению.
Методика измерения остаточных деформаций методом «разгрузки» с использованием фотоупругих датчиков деформаций. Метод «разгрузки» основан на измерении деформаций при искусственном снятии напряжений на локальном участке исследуемой конструкции путем создания вокруг него разгрузочных щелей. При этом происходит упругое восстановление освобожденного участка до первоначального ненагруженного состояния и высвобождение деформаций, адекватных деформациям конструкции при действующих нагрузках. Несмотря на уникально простую методику, широкого практического распространения метод «разгрузки» для бетонных сооружений пока не нашел. Основу метода измерения деформаций, как бы специально предназначенного для натурных условий, составляют фотоупругие датчики деформаций [1,2].
Фотоупругий датчик деформаций (рис. 1) представляет собой пластинку 1 из специального оптически чувствительного материала — отвержденной эпоксидной смолы — с наклеенными по концам накладками 2 (концевика-ми), предназначенными для крепления датчика к конструкции. На верхнюю поверхность датчика нанесена линейная шкала 3 (1 деление = 1мм) для фиксации положения интерференционных полос. На противоположных
Рис. 1 Схема фотоупругого датчика деформаций 1- пластинка из оптически - чувствительного материала; 2- концевик ; 3- шкала ; 4- светоотражающий слой.
концах шкалы имеются знаки " + " и " — " для определения знака деформаций — растяжение или сжатие. Нижняя поверхность покрыта светоотражающим слоем 4. Технические характеристики фотоупругих датчиков приведены в табл.1.
Методика работы с фотоупругими датчиками методом «разгрузки» заключается в следующем. Датчик наклеивается в заданной точке исследуемого массива в направлении измеряемых деформаций, после чего фиксируется начальная картина расположения его интерференционных полос (рис. 2). Затем вблизи концов датчика перпендикулярно его оси в массиве делаются пропилы (рис. 3), исключающие из работы сооружения участок массива, на котором укреплен датчик. При этом видимые в лучах поляризованного света интерференционные полосы датчика перемещаются вдоль его оси в одну или в другую сторону, в зависимости от вида деформации (сжатие или растяжение).
Датчик тарирован таким образом, что, если «разгруженный» участок удлиняется, то полосы смещаются в сторону знака «плюс» шкалы датчика. Укорочение участка вызывает смещение полос в сторону знака «минус».
Рис. 2. Интерференционные полосы в датчике, видимые в поляризованном свете.
Рис. 3. Момент выполнения разгружающих пропилов.
Относительная деформация е участка конструкции при постоянной температуре определяется с помощью линейного фотоупругого датчика по формуле:
е= Мпо-п), (1)
Табл. 1
Технические характеристики фотоупругих датчиков.
1. Диапазон измерений (10 - 300)х10-5
2. Чувствительность по деформации 2х10-5
3. Чувствительность к температуре, град.-1 4х10-5
4. Расстояние между полосами, мм 40
5. Длина, мм 100
где: п0 — положение полосы (в делениях шкалы) датчика после наклеивания датчика; п — положение полосы (в делениях шкалы) датчика после выполнения разгружающих пропилов; е0- цена деления шкалы по деформациям, численно равная величине относительной деформации, которая вызывает перемещение полосы на одно деление шкалы датчика (1 мм).
Цена деления 80определяется по результатам тарировочных испытаний, проводимых на бетонных образцах-призмах путем одновременной фиксации деформаций бетона фотоупругим датчиком и деформометром (или тен-зодатчиком) в процессе нагружения призмы в прессе. Среднее значение 80для фотоупругих датчиков из эпоксидной смолы составляет 2х10-5 мм-1.
Для достоверного определения величины деформации необходимо:
- закрепить датчик таким образом, чтобы обеспечить совместность деформаций датчика и конструкции в месте крепления на протяжении всего процесса измерения;
- выполнить разгружающие пропилы с достаточной глубиной и длиной, чтобы практически полностью снять напряжения в зоне наклейки датчика;
- обеспечить неизменность условий состояния датчика (температура, влажность и др.) или компенсацию их изменений при взятии отсчетов.
Кроме того, в исследуемой зоне градиент деформаций должен быть невелик, чтобы осредненная на базе датчика деформация отличалась от деформации в любой точке зоны не более, чем на величину допустимой погрешности для выбранного типа датчиков деформации.
Поскольку коэффициенты линейного расширения бетона (стали) и эпоксидной смолы, из которой сделан датчик, отличаются, то при изменении температуры в датчике, закрепленном на конструкции, возникают собственные температурные деформации. Величина этих температурных деформаций пропорциональна перепаду температур в моменты снятия отсчетов. При этом показания датчика соответствуют суммарной деформации, складывающейся из деформации конструкции 8к и температурной деформации датчика
Деформация конструкции в этом случае определяется по формуле:
8к = 8 8 +8 т, (2) где 88 - суммарная деформация датчика, определяемая по формуле (1); 8т - температурная деформация датчика.
Температурная деформация ет равна:
8т = 8т0 х ДТ, (3)
т
где 8 0 - температурная чувствительность датчика, численно равная деформации датчика при изменении температуры в зоне измерений на 1°С при нулевых деформациях самой конструкции;
ДТ = Т2 —Т1 — разность температур в последующий и предыдущий моменты измерений.
Знак деформации 88 определяется в зависимости от направления смещения полос. Знак температурных деформаций датчика определяется по знаку ДТ. Таким образом, для учета температурных деформаций датчика необходимо измерять температуру вблизи места его установки.
Результаты измерения остаточных деформаций. Измерение деформаций бетонной обделки и путевого бетона проводились выборочно по длине тоннеля ориентировочно через километр. Устанавливались один - два датчика на стенах тоннеля слева и справа, и по два датчика — на путевом бетоне слева и справа от колеи рядом с рельсами между шпалами. Высота установки датчиков на всех стенах тоннеля составляла 1,1 м с учетом удобства работы в условиях прокладки электрических кабелей.
Датчики для измерения деформаций путевого бетона устанавливались на бетон вдоль оси тоннеля. Схема установки датчиков на стенах приведена на рис. 4. Общий график продольных деформаций показан на рис.5. Для выявления общих закономерностей некоторые показатели были искусственно приведены масштабно к одной шкале и показан геологический разрез. Так, количество повреждений в виде отрыва шпал и путевых блоков было пропорционально увеличено на порядок. Такой прием позволил увидеть синхронность графиков продольных деформаций тоннеля, развития повреждений пути в привязке к работе горного массива. Просадки определены при нивелировании головки рельса Тоннелеобследовательской станцией. Данные по повреждениям взяты из дефектных ведомостей.
ТИПОВОЕ ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕ ТОННЕЛЯ
1 - 1
Результаты определения прочности бетона
ПК 50+82 запад
Место замера К, МПа Вариация и, % Размах V/, %
Низ стенки Г д. 1 и 2) 29,6 7,7 22,2
31,2 14,1 32,6
27.8 11,4 27,3
30,2 8,7 18,5
Низ свода (Д.З и 4) 19.0 10,8 24,2
43.0 13.8 20.1
35,6 7,4 31.7
36,2 11,3 22,6
Верх свода (д. 5 и 6) 37,3 8,1 17,1
50,7 9,6 19,9
53,4 6,5 18,6
43,2 11.1 23,1
№№ 1,2 ► - номера и места установки фотоупругих датчиков
Показания и деформации фотоупругих датчиков*
ПК 50+82 Запад
№ датчика 1 2 3 4 5 6
ДПср 5,0 4,0 4,8 4,6 8.8 9,75
Е* х 103 10,0 8,0 10,6 10,2 17,6 19.5
Д1°С 0 0 +1 +1 0 0
Е, хЮ3 0 0 +4 +4 0 0
£Х105 10,0 8,0 14,6 14,2 17,6 19,5
^Деформации бетона имеют знак, обратный деформациям датчика (см «ячцел 2.1)
Рис. 4 Схема расположения фотоупругих датчиков на стенах обделки.
оо оо
МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ
Рис. 5 Деформированное состояние стен обделки и путевого бетона (е*10-5) просадок ГР в мм, числа первых «отрясенных» шпал в 2004 г. (*10), длин трещин оторванных путевых блоков (*10).
При наложении различных параметров на одну шкалу обращает на себя внимание синхронность деформирования тоннеля и проявления повреждений в пути.
Судя по деформациям, можно сделать вывод, что работа тоннеля близка к работе неразрезной балки, жестко опертой в районе 40 пикета западного участка и менее жестко — на 22 пикете восточного участка. При этом в середине пролетов между этими участками опи-рания — в районе ПК 0 и ПК 40вост формируются просадочные зоны. Жесткость опирания можно объяснитьУ - образным упором крепких скальных блоков, а проседание -смещением вниз блоков в зоне влияния IV и III тектонических зон. Проседание можно также объяснить деструктивными процессами в бетоне основания пути с образованием пустот и неоднородностей. Количественно деформации в тоннеле характеризуются следующим образом.
Горизонтальные деформации бетона в стенах обделки в разных точках тоннеля в основном являются деформациями сжатия и изменяются от -2,6х10-5до -13,8х10-5 при предельном сжатии для бетонов обделки -47,6 х10-5.
Исключение составили деформации в сечении ПК40+10 «запад», на правой стороне которого зафиксировано растяжение 2,4 х10-5 при предельном растяжении 3.38х10-5. Наибольшее значение сжимающих деформаций зафиксировано в сечении ПК40+17 «восток», наименьшее - в сечении ПК32 + 75 «восток».
Вертикальные деформации бетона в стенах обделки, измеренные в двух сечениях: ПК68 + 41 «восток» и ПК50 + 80 «запад» - сжимающие, изменяются от 5,6х10-5 до 10,8х10-5.
При анализе деформирования стен обделки правой и левой сторон выявлено: вертикальные деформации на противоположных стенах практически одинаковы, горизонтальные деформации на отдельных пикетах могут отличаться в два раза (ПК40+17 «восток») и даже менять знак (ПК40+10 «запад»). Можно предположить, что на отдельных участках имеет место изгиб тоннеля в плане с растяжением одной стены и сжатием другой, что может происходить при сжатии тоннеля в продольном направлении.
Продольные деформации путевого бетона в разных точках тоннеля в основном представляют деформации сжатия и изменяются
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
от -3,6х10-5до -14,0х10-5. Наибольшее значение деформаций сжатия зафиксировано в сечении ПК00+10«восток», наименьшее - в сечении ПК40 + 17«восток». Деформации растяжения 1,4 х10-5 выявлены в сечении ПК40+10 «запад», на южной стороне пути. Деформации бетона справа и слева от пути отличаются незначительно, в пределах точности измерений.
Переход от деформаций к напряжениям сочтен нецелесообразным, так как деформа-тивные характеристики (модуль упругости, коэффициент Пуассона) в условиях сложной пространственной работы и развитии повреждений в материале и конструкциях представляется определить весьма сложным.
Таким образом, анализ продольных деформаций в стенах и путевом бетоне показывает, что тоннель подвержен неравномерному пространственному деформированию. Можно предположить, что вдоль оси действуют продольные силы, создавая области большего сжатия в районе 0 и 40 пикетов восточного участка и области растяжения — в районе западного участка. Общая синхронность дефор-
мирования путевого бетон и стен обделки по длине тоннеля совпадает, но на отдельных участках имеет разный характер, что свидетельствует о возможном изгибе тоннеля в плане и разрыве их конструктивных связей.
Положение геометрии колеи систематически проверяется вагоном - путеизмерите-лем, геодезическими съемками ТОС. Тем не менее, мониторинг деформаций позволяет в прогностическом режиме отслеживать работу конструкций в диапазонах малых деформаций.
БИБЛИОГРАФИЯ
1.
Метод фотоупругости // Под ред. Хесина Г.Л. -Т 1.-М.:Стройиздат, 1975. - 460 с.
2. Сахаров В.И., Исайкин А.С., Моргунов А.Н., Старчевский А.В. Фотоупругие датчики деформаций при обследовании конструкций и сооружений //Экспериментальная механика (Хесинские чтения). — М.: Изд-во МГСУ, 2001. — С. 115 - 123.
ДамбаевЖ.Г., Новосельцев В.П., Новосельцев П.В. УДК 631.533.17
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТРОГАНИЯ С МЕСТА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО СОСТАВА
Целью работы является разработка способа экспериментального исследования движения железнодорожного состава и оценка на этой основе тягово-сцепных свойств локомотива.
В основу предлагаемого эксперимента положен метод непосредственного измерения перемещения состава относительно неподвижного объекта, в качестве которого может быть принята цифровая камера, закрепленная на неподвижной опоре. Камера фиксирует положение состава через равные промежутки времени (рис. 1).
Наиболее удобно пользоваться этим способом при изучении процесса трогания с мес-
та. В этом случае порядок выполнения эксперимента следующий:
1. укрепляем на локомотиве мерную линейку;
2. выбираем нужный интервал времени на цифровой камере;
3. устанавливаем цифровую камеру на неподвижное основание, так чтобы она находилась против начала шкалы;
4. включаем цифровую камеру с одновременным началом движения локомотива;
5. подключаем цифровую камеру к компьютеру и при его помощи считываем перемещение состава как функцию от времени;
6. заполняем таблицу 1.
