CC BY
24СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
Б01 10.52170/1815-9262_2021_56_79 УДК 625.122
Д. А. Усов
Моделирование участков переменной жесткости перед искусственными сооружениями
Поступила 12.10.2020
Рецензирование 14.12.2020 Принята к печати 13.01.2021
Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года предполагает ввод тяжеловесного движения с повышенными осевыми нагрузками, что окажет прямое влияние на состояние верхнего строения пути, земляного полотна и искусственных сооружений, а в отдельных случаях потребует усиления конструкций инфраструктуры железнодорожного пути. Дальнейшее развитие железнодорожной отрасли невозможно без повышения надежности железнодорожного пути, основой которого является земляное полотно. С целью обеспечения готовности железнодорожной инфраструктуры необходимо устройство участков переменной жесткости перед искусственными сооружениями. Причем конструкция переменной жесткости на соответствующих участках должна обеспечивать плавное увеличение жесткости железнодорожного пути к устою мостового перехода.
Необходимость устройства участков переменной жесткости обусловлена резким изменением жесткости пути, уложенного на земляное полотно и на искусственное сооружение, что приводит к возникновению вибродинамических ударов и характерным деформациям. В таком случае интенсивность возрастания вертикальных перемещений поверхности насыпи перед искусственными сооружениями не очевидна и требует дополнительных исследований для определения параметров конструкции переменной жесткости.
Решение поставленной проблемы осуществляется путем разработки моделей подходной насыпи к мосту и сравнения деформированного вида по результатам моделирования. Интерпретирование деформированного вида по результатам моделирования отображает интенсивность нарастания вертикальных перемещений.
Ключевые слова: участок переменной жесткости, земляное полотно, модель, инъектиро-вание твердеющего раствора, искусственное сооружение.
Одним из стратегических направлений развития железнодорожного транспорта на сети общего пользования, согласно Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года [1], является организация тяжеловесного движения с повышенными осевыми нагрузками. В соответствии со стандартом ОАО «РЖД» [2] при обращении поездов повышенного веса и длины должны быть созданы участки переменной жесткости перед искусственными сооружениями.
Необходимость их устройства обусловлена возникновением вибродинамического удара при заезде и съезде подвижного состава с искусственного сооружения на путь, уложенный на земляное полотно, жесткость которого резко отличается от жесткости пути на искусственном сооружении [3].
На подходе земляного полотна к искусственному сооружению в результате воздействия вибродинамических нагрузок имеет место нарушение геометрии пути, или возникновение так называемых предмостовых ям.
Следствием указанных выше деформаций являются «висячие» шпалы, под которыми образуются люфты (зазоры) до 5-10 мм, вызывающие «потайные толчки» при проходе поездов, особенно при высоких скоростях движения [4, 5].
В связи с этим требуется устройство участков переменной жесткости перед искусственными сооружениями, причем конструкция переменной жесткости (КПЖ) должна обеспечивать плавность сопряжения и сводить к минимуму зоны пластических деформаций. Организация таких участков регламентирована СП 238.1326000.2015 [6].
Вопрос устройства и проектирования КПЖ пытаются решить во многих странах, так как он оказался достаточно сложным с точки зрения соблюдения геометрии пути [7]. Проблема заключается в разнообразии условий эксплуатации сооружений, а также трудности и дороговизне их устройства.
Технология реализации способов, указанных в нормативной документации [7], имеет
ряд существенных недостатков, основной из которых заключается в частичном либо полном переустройстве земляного полотна подходного участка, что приводит и к значительным трудозатратам, и к экономическим издержкам, поскольку требуется вводить полное или частичное ограничение движения поездов [8].
В настоящее время существует проблема оценки интенсивности нарастания вертикальных перемещений поверхности насыпи перед искусственными сооружениями, это усложняет выбор КПЖ. Решение данной проблемы заключается в разработке моделей эксплуатируемой подходной насыпи к мосту, в сравнении деформированного вида земляного полотна без применения КПЖ и с применением такой конструкции по результатам моделирования, а также в оценке эффективности ее применения.
Для моделирования выбрана эксплуатируемая насыпь, при визуальном обследовании которой были выявлены предмостовые ямы на подходе к путепроводу с ездой на балласте по железобетонным пролетным строениям (рис. 1). На рисунке о накоплении отступлений геометрии пути свидетельствует возвышение головок рельсовых плетей на искусственном сооруже-
нии по отношению к их положению на земляном полотне.
При текущем содержании пути для уменьшения величин отступлений применяются различные методы. При обследовании путепровода для уменьшения отступлений были обнаружены прокладки, ранее уложенные в несколько ярусов под подошвой рельса на мостовом полотне с целью уменьшения жесткости пути (рис. 2). Такого рода манипуляции приводят к повышению упругости под подошвой рельса, что приводит к нежелательным вибрациям рельсовых плетей и излому элементов скрепления (см. рис. 2).
Согласно выполненным инженерно-геологическим изысканиям при обследовании вышеприведенного искусственного сооружения были выделены инженерно-геологические элементы, приведенные в табл. 1.
Классификация грунтов производилась в соответствии с требованиями ГОСТ 251002011.
В инженерно-геофизическом отношении насыпь в зоне сопряжения земляного полотна и мостового перехода имеет балластные углубления протяженностью 24 м и глубиной до 65 см.
Рис. 1. Общий вид деформированного земляного полотна на подходе к искусственному сооружению
Таблица 1
Описание инженерно-геологических элементов
№ Описание грунта
1 Щебень чистый (балластный слой)
2 Песчано-гравийная смесь (защитный слой)
3 Супесь песчанистая пластичной консистенции (тело земляного полотна)
4 Суглинок пылеватый мягкопластичный (естественное основание)
Излом элемента скрепления
Рис. 2. Верхнее строение пути на мостовом полотне
Рис. 3. Схема эксплуатируемой подходной насыпи к мосту [9]
Для моделирования эксплуатируемого земляного полотна на подходах к искусственному сооружению рассмотрим схему, представленную на рис. 3. К определяющим геометрическим параметрам схемы эксплуатируемой подходной насыпи к мосту относятся: мощность рабочей зоны г, высота насыпи И, протяженность расчетного участка насыпи а.
Величина рабочей зоны земляного полотна может быть определена по формуле [9]:
М р " Ы Ч-Р
г = 2,302-
(1)
где 00_р - напряжения на основной площадке в подрельсовом сечении на глубине На от по-
дошвы шпалы; Хр - коэффициент затухания, зависящий от скорости подвижного состава.
Для грунтов приняты физико-механические характеристики, полученные по результатам инженерно-геологических изысканий.
Для эксплуатируемого земляного полотна на подходах к искусственному сооружению был предложен способ усиления армогрунто-вым каркасом, выполненного путем нагнетания инъектируемого материала под существующий железнодорожный путь с предварительным созданием контура по границе габарита приближения строения, причем достижение переменной жесткости обеспечивается постепенным уменьшением высоты армогрун-
тового каркаса [10]. Схема такого усиленного земляного полотна представлена на рис. 4.
КПЖ на участке подходной насыпи при использовании армогрунтового каркаса [11] с предварительно созданным контуром по границе габарита приближения строения является трехэлементной:
1) грунт тела земляного полотна, физико-механические характеристики которого получены по результатам инженерно-геологических изысканий;
2) непосредственно элементы, образующие армогрунтовый каркас, представленные массивами затвердевшего инъектируемого материала. Данный тип элементов подразделяется на два вида - вертикальные и наклонные. Разные углы погружения инъекторов вызваны необхо-
а)
димостью создания контура будущего каркаса по границе габарита приближения строения (вертикальные инъекторы) и необходимостью выполнения работ вне габарита приближения строения при создании непосредственно армо-грунтового каркаса под эксплуатируемым путем (наклонные инъекторы);
3) уплотненный грунт вокруг элементов армогрунтового каркаса от инъектирования твердеющего раствора.
Конструкции искусственного сооружения (устой) принимаются по данным обследования и (или) проектных данных, но с упрощением, без детальной прорисовки конструкций.
В насыпи назначаются элементы армогрунтового каркаса на расстоянии от устоя ¡1, ¡2, 1з ... и, в зависимости от требований к
б)
Рис. 4. Схема подходной насыпи к мосту с применением КПЖ в виде армогрунтового каркаса: а - в продольном профиле; б - в поперечном профиле
«плавности въезда» поверхности подходной насыпи, мощностью М, к2, к3 ... кг, определенные по формуле
кг = г (1 - 1, / а), (2)
где г - мощность рабочей зоны земляного полотна; 1г - расстояние до искусственного сооружения; а - длина переходного участка.
Таким образом, переменная жесткость в модели достигается за счет постепенного уменьшения высоты армогрунтового каркаса.
Полученные схемы моделировались с применением метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе Plaxis 2D. Для отображения работы грунтов была выбрана упругопластическая модель с условием прочности Кулона - Мора. Высота исследуемой насыпи составила 12,5 м.
Сравнение рассматриваемых моделей производилось путем сопоставления вертикальных перемещений поверхности грунта подходной насыпи. Вертикальные перемещения поверхности насыпи при загружении ее поездной нагрузкой (деформированный вид) наглядно представлены на рис. 5.
Анализ результатов, представленных на рис. 5, показал, что без КПЖ интенсивность нарастания вертикальных перемещений значительно выше (табл. 2), чем в случае реализации усиления в зоне сопряжения земляного полотна и искусственного сооружения, что свидетельствует об эффективности использования приведенной выше КПЖ из армогрун-тового каркаса с применением инъектируе-мых материалов.
Рис. 5. Вертикальные перемещения поверхности насыпи при загружении ее поездной нагрузкой: а - без применения КПЖ; б - с применением КПЖ в виде армогрунтового каркаса
Таблица 2
Интенсивность нарастания вертикальных перемещений поверхности насыпи
Вертикальные перемещения, мм Расстояние от устоя, м
0,5 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 10,0 13,0 16,0 18,0 20,0
Без применения КПЖ 13 15 16 18 20 23 25 26 27 30 29 28 26 23
С применением КПЖ 5 6 8 9 10 12 14 15 16 19 19 20 19 18
Интенсивность нарастания вертикальных перемещений насыпи указывает на перепад жесткости, причем чем более резкое нарастание, тем перепад жесткости значительнее, что и приводит к возникновению зон пластических деформаций и дефектам предмостовых ям.
По результатам анализа расчетов, выполненных методом конечных элементов, можно сделать следующие выводы:
1. При расчете эксплуатируемой подходной насыпи к мосту [12] (без усиления) максимальная величина вертикального перемещения поверхности насыпи составила 30 мм на расстоянии 10,0 м от устоя, а с использованием КПЖ в виде армогрунтового каркаса - 20 мм на расстоянии 16,0 м от устоя.
2. Модель эксплуатируемой подходной насыпи с применением КПЖ в виде армогрун-тового каркаса позволяет обеспечить снижение интенсивности нарастания вертикальных перемещений до 50 %, а также снизить непосредственно величину вертикальных перемещений (см. табл. 2), что позволяет избежать возникновения вибродинамического удара при заезде и съезде с моста.
3. Следует отметить технико-экономическое преимущество такой модели, поскольку инъектирование твердеющих материалов является простым в техническом отношении и менее затратным в экономическом по сравнению с аналогичными способами усиления.
Библиографический список
1. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года : утв. распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008 г. № 877-р. URL: http://doc.rzd.ru/doc/public/ru?STRUCTURE_ID=704&layer_id=5104&id=3 997 (дата обращения: 03.11.2020).
2. СТО 1.07.002-2010. Инфраструктура железнодорожного транспорта на участках обращения грузовых поездов повышенного веса и длины. Технические требования : утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 25 нояб. 2010 г. № 2412-р.
3. Замуховский А. В., Меренченко К. В. Экспериментальное обследование участков переменной жесткости // Мир транспорта. 2013. № 3. С. 74-82.
4. Razuvaev D., Chakhlov M., Pechenkin R. Dynamic effects of vehicles on the elements of bridge structures due to deformation of the approach slabs // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 135. 02007.
5. Ланис А. Л., Разуваев Д. А., Ломов П. О. Сопряжение подходных насыпей с мостами и путепроводами // Вестник СибАДИ. 2016. № 2 (48). С. 110-120.
6. СП 238.1326000.2015. Железнодорожный путь. М., 2015. 71 с.
7. Новые конструкции переходных участков с насыпи на мост // Организация содружества железных дорог. 2016. 35 с.
8. Ланис А. Л., Разуваев Д. А. Усиление грунтов земляного полотна на подходах к мостам и путепроводам // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2016. № 3. С. 97-104.
9. Коншин Г. Г. Рабочая зона в насыпи // Путь и путевое хозяйство. 2001. № 2. С. 32-36.
10. Ланис А. Л. Армирование основной площадки высокой насыпи с инъектированием твердеющих растворов // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2019. № 3 (50). С. 38-46.
11. Ланис, А. Л., Овчинников С. А. Усиление грунтов земляного полотна армирующими конструкциями // Тр. IX Междунар. конф. «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». М. : МГУПС, 2012. С. 111-113.
12. Ланис А. Л. Армирование эксплуатируемых высоких насыпей с инъектированием твердеющих растворов : дис. ... д-ра техн. наук : 05.22.06. М., 2019. 395 с.
D. A. Usov
Modeling of Variable Hardness Sections in front of Engineering Structures
Abstract. The strategy for the development of railway transport in the Russian Federation until 2030 [1] involves the introduction of heavy traffic with increased axial loads, which will have a direct impact on the state of the superstructure of the track, subgrade and artificial structures, and in some cases will require strengthening the infrastructure of the railway track. Further development of the railway industry is impossible without increasing the reliability of the railway track, the basis of which is the roadbed. In order to ensure the readiness of the railway infrastructure, it is necessary to arrange sections of variable stiffness in front of artificial structures. Moreover, the design of variable stiffness in the corresponding sections should provide a smooth increase in the stiffness of the railway track to the abutment of the bridge crossing.
The need for the device of sections of variable hardness is due to a sharp change in the hardness of the path laid on the roadbed and on an engineering structure, which leads to the occurrence of vibro-dynamic shocks and characteristic deformations. In this case, the intensity of increasing vertical movements of the embankment surface in front of engineering structures is not obvious and requires additional research to determine the parameters of the structure of variable hardness.
The solution to this problem is carried out by developing models of the approach embankment to the bridge and comparing the deformed form based on the simulation results. Interpreting the deformed view from the simulation results in the rate of increase in vertical displacements.
Key words: variable stiffness section; roadbed; model; solidifying solution injection; engineering structures.
Усов Дмитрий Андреевич - аспирант кафедры «Геотехника, тоннели и метрополитены» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: usovda96@ya.ru
