CC BY
10
УДК 624. 131
М. Д. КОСТЮК (Укрзашзниця),
О. М. ПШШЬКО, В. Д. ПЕТРЕНКО, С. В. ЦЕПАК (ДПТ)
ОБГРУНТУВАННЯ НАУКОВИХ НАПРЯМК1В МЕХАН1КИ ГРУНТ1В ПРИ П1ДВИЩЕНН1 ШВИДКОСТ1 РУХОМОГО СКЛАДУ ЗАЛ1ЗНИЦЬ
Проведет пор1вняльн1 розрахунки земляного зал1зничного полотна та виявлеш законом1рност1 впливу навантаження на зм1ну напружень.
Проведены сравнительные расчеты земляного железнодорожного полотна и определены закономерности влияния нагрузки на изменение напряжений.
Comparative calculations of earthen railway bed have ing onto change of strains have been determined.
В основу проектних ршень на рiзних дшь-ницях дороги при перевлаштуванш траси Кшв-Дншропетровськ при переходi на пiдвищену швидкiсть руху roi^iB до 140 км/год, покла-деннi дiючi нормативнi документи та будiвель-нi норми, якi е дуже загальними i не завжди пiдтверджуються необхiдними розрахунками; особливо це стосуеться урахування динамiчно-го впливу.
Огляд науково-теxнiчноi лiтератури шдтвер-див складнiсть врахування ушх факторiв, що обумовлюе спрощеш пiдходи до нормативноi документаци для проектування. Однак розиляд цього напрямку в науково-практичнш роботi е необхщним, оскiльки швидкicть рухомого складу залiзниць може зрости одночасно з роз-витком пропускно! спроможностi. При цьому також слiд врахувати, що деяю науковi досл> дження земляного полотна-споруди проводились без урахування розвитку та формування напрямюв на основi нерозробленоi на даний час теори управляння земляним полотном.
Вiдсутнiсть методики визначення мiжре-монтних термiнiв обумовлюе необхщшсть ви-користання досвiду спещатспв по земляному полотну, який набуваеться в процесi експлуа-таци окремих дiльниць i вiдповiдае виникаю-чим змшам. При цьому створились умови, за яких на ПЧ та геотехшчних станцiях вiдпала необхiднiсть вивчення та аналiзу rрунтiв, що привело до скорочення шформаци про земляне полотно, яка накопичуеться i аналiзуеться у проектантiв. Можливiсть i необхщшсть ство-рення iнформацiйноi бази еталонних зразюв (по кожному пiкету або кшометру) вiдпадае, а стан земляного полотна визначаеться за критичними «поверхневими змшами», а також за показни-кам колiйних дослiджень.
been performed and regularities of the influence of load-
На протязi останнiх рокiв в ДIIТi формува-лись науковi напрямки та методи аналiзу грун-тiв [1] на основi теорп консолщацп, фшьтрацп та вивчення ix пластичного стану. Однак пара-лельно у науковцiв прничодобувно! промисло-востi [2; 3] було розвинуто напрямок - теорiя управлшня гiрським масивом Це привело до формування нових поглядiв, на аналiз грунтiв та iдентифiкацiю поняття «земляне полотно» та вщкриттю невiдомиx закономiрностей, якi пiд-тверджують, наприклад, вiрнiсть ступiнчатого завантаження при експериментальних досл> дженнях на консолiдовано-дренований зсув.
В шструкци ЦП/0072 запропоновано визна-чати стан земполотна «по поверхневим зм> нам». У свою чергу, поверxневi змiни складаю-ться з наступного:
- ерозшних змiн накопиченого характеру;
- ентропп поверхневих змiн;
- геотехногенних змiн основи земляного полотна.
Слщ вiдзначити, що ерозiйнi змiни визна-чаються в залежностi вiд сезонних клiматичниx умов. Геотеxногеннi змiни, у тому чи^ гiрничi пiдробки, з'являються незалежно вiд руху по!з-дiв i е аварiйними. Ентропiя поверхневих змш -енергiя змiн, яю проходять у земляному полот-ш, залежить вiд сумарно! дii уах факторiв, а найбiльш вiд по!зного навантаження та змiни вологостi.
На основi систематизацii розглянутих нау-кових поглядiв сформулюемо поняття:
- земляне полотно - це великопротяжна са-моорганiзуюча система, несуча земляна спо-руда, потенцшна енергiя термодинамiчниx пе-ретворень у якш вiдповiдае ii об'ему та фiзич-ним властивостям грунтiв, а змша внутрiшньо-го стану його вщповщае ентропii поверхневих
змш. Експлуатащя земляного полотна мае най-вищу надiйнiсть за пружного стану. При цьому ентропiя системи вщображуе хаос термодина-мiчних перетворень енерги руйнування, трщи-ноутворення i пластичних деформацш внут-ршньо! структури земполотна, постшно зро-стае до переходу споруди або 11 окремих дшь-ниць у пластичний стан (зсув). Пружний стан грунта складае першу третину реолопчно! криво! при трьохвюному випробуваннi i допус-кае визначення фiзичних параметрiв випробу-ванням на консолщовано-дренований зсув;
- пiдшпальна баластна призма - це верхня будова земляно! споруди-полотна iз крупнокускового мщного скельного матерiалу (щебеню), яка зовшм позбавлена властивостей кон-тактних пластичних деформацiй. Енергiя вщ по!зного навантаження у призмi витрачаеться тшьки на термодинамiчне перетворення за ра-хунок тертя, при цьому призма мае тшьки пружш властивосп (у незабрудненому станi) i здатшсть до самовiдновлення стану та форми.
Якщо не враховувати початок впровадження на залiзницi нових методiв зменшення конвер-генцп баластного шару, що проводиться за до-помогою використання геотекстильних мате-рiалiв, то щ поняття носять характер постулата. Але слiд вiдзначити, що з точки зору теори управлiння, визначення термшу мiжремонтних строкiв треба враховувати обгрунтоваш i ек-спериментально шдтверджеш науковi переду-мови для створення нормативно! документацi!. У зв'язку з цим потрiбно розробити необхiднi розрахунки стану земляного залiзничного полотна.
Враховуючи, що за нормальних ктма-тичних вологообмiнних умов напрацювання земполотна на вщказ складае декiлька роюв, змiни його стану можливо вважати вiр-туальними. Це дозволяе використовувати ва-рiацiйнi принципи теорi! пружносп i пластич-ностi [4] до виршення поставлено! задачi. Тому приймаемо умову, що система «земляне полот-но-по!зне навантаження», на яку накладено задаш геометричнi зв'язки, знаходиться у рiв-новазi пiд дiею прикладених сил. Тодi сума усiх вiртуальних робiт д'Ж зовнiшнiх i внутршшх сил, якi дiють на цю систему на будь - яких нескiнченно малих вiртуальних перемiщеннях, задовольняе заданi геометричнi зв'язки, i рiвна нулю:
5'Ж = 0. (1)
Якщо далi припустити, що yci зовнiшнi та внyтрiшнi сили мають потенцiал U, який е фун-кцieю координат i термiнy, то принцип вiртy-ально! роботи зводиться до принципу стащо-нарностi потенцшно! роботи, за якого множина ycix допустимих конфiгyрацiй стану рiвноваги характеризуеться властивостями стащонарносп потенцiйно! енергi! U:
5U = 0. (2)
У подальшому, використовуючи принцип Даламбера без урахування iнерцi! системи, от-римаемо:
12
F = J 5 ' Wdt. (3)
t1
У резyльтатi маемо узгодження про те, що вiртyальнi змiни у початковий i кшцевий тер-мiн рiвнi нулю.
У свою чергу, таке мiркyвання дае можли-вiсть обгрунтовано зробити два основш висновки:
- якщо термiн випробувань грyнтiв, наприк-лад методами пенетраци, достатньо малий у порiвняннi iз термiном експлyатацi! земляного залiзничного полотна, то випробування не вплинуть на отримаш значення напружень, а результати замiрiв через тривалi промiжки да-дуть картину змiни стану у часц
- короткий термiн випробувань може харак-теризувати статичний стан споруди, що робить можливим використати метод скшчених еле-ментiв (МСЕ) i пiдтвердити розрахунки методами пенетраци.
Якщо припустити, що система адитивна, то-дi фyнкцiонал F прийме вигляд
t=t 2
F = 2 Q, (4)
t=t 1
де Q - по!зне навантаження, тис. т / рш.
Лабораторiею механiки грyнтiв ДИТу було проведено розрахунки 113,5 км перегону швид-кiсно! траси Дншропетровськ-П'ятихатки (рис. 1), за яких отримано поля напружень та перемiщень у земляному полотнi. Результати пенетрометричних випробувань пiдтвердили результати розрахунюв у варiантах змiни при-кладення по!зного навантаження по ширинi земполотна. Це в загальному випадку дае мож-ливiсть визначити присyтнiсть невщомих раш-ше закономiрностей, якi при попередньому роз-глядi мають вщзначений (рис. 2) вигляд.
Рис. 1. Схема розташування 1зопол1в напружень в залежносп ввд прикладення навантаження
по шириш земляного полотна
Рис. 2. Основш законом1рност1 пол1в напружень:
1 - земляне полотно; 2 - по1зне навантаження; 3 - ор1ентовна нижня межа поля напружень; 4 - пжовий
виплеск напружень стиску; 5 - локальна зона поля напружень розтягу; 6 - поверхнева зона поля розтягнень
Впровадження висунутих наукових поло-жень та отриманих знань про розташування основних елемештв формування порушень земляного полотна робить можливим визначи-ти стан окремих його дшьниць, створити об-грунтовану методику визначення м1жремонт-них термшв до розробки вггчизняного вагона-геотехшчно! станци, а також впровадити по-точний контроль поверхш земполотна обхщни-
ками коли, наприклад, з використання перенос-
них експрес-пенетрометр1в.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Гольдштейн М. Н., Царьков А. А., Черкасов И. И. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. -М.: Транспорт, 1981. - 320 с.
2. Колесников В. Г. Способ управляемого разрушения выбросоопасных пород при проведении выработок механическим способом // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. Вып. 1, 1976.
3. Открытие: диплом № 1. Закономерность разрушения предельно напряженных горных пород при слабых воздействиях. В. Н. Потураев, А. Н. Зорин, В. В. Виноградов, А. Ф. Булат, 1985.
4. Васидзу К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности. - М.: Мир, 1987. - 542 с.
Надшшла до редколегп 30.10.03.
