CC BY
19
УДК 691.32:620.19 В.Н. Тюпин,
д.т.н., профессор, ЗабИЖТ, ИрГУПС (г. Чита), e-mail: [email protected]
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТОННЕЛЬНОЙ ОБДЕЛКИ ПРИ ВИБРОДИНАМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА_
V.N. Tyupin,
DETERMINATION OF STRESS AND STRAIN DEFORMATION STATE OF TUNNEL LINING UNDER VIBRATION DYNAMIC IMPACT OF THE ROLLING STOCK
Аннотация. Приведены формулы для расчета величин напряжений, деформаций, скорости распространения волн деформаций при вибродинамическом воздействии подвижного состава на обделку железнодорожного тоннеля. Даны численные значения величин приведенных параметров. Установлено, что вибродинамическое воздействие существенно влияет на устойчивость и целостность бетонной обделки.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, тоннель, деформации.
Abstract. Formulae for calculation of stress rates, deformations, velocity of propagation of deformation waves under vibration dynamic impact on the railway tunnel lining are shown. Numerical values of the presented ratings are given. It is stated that the vibration dynamic impact influence greatly on the stability and intact of the concrete lining.
Keywords: intense-deformed condition, tunnel, deformations.
Многочисленные экспериментальные исследования и опыт эксплуатации тоннелей с безбалластной конструкцией верхнего строения пути показали, что весьма часто происходит разрушение путевого бетона, разрушение граничных рам с отрывом их от путевого бетона, по контуру железобетонных шпал образуются трещины и шпалы отрываются от путевого бетона [1]. Между путевым бетоном и бетоном обратного свода, как правило, образуется глинообразная бетонная масса мощностью 0,8-0,9 м [2]. В подковообразной тоннельной обделке образуются сквозные кольцевые трещины по всему периметру обделки и горизонтальные продольные трещины [1].
Причинами возникновения нарушения бетонов считаются вибродинамические нагрузки подвижного состава, горное давление окружающего массива горных пород. Одной из причин автор настоящей работы считает действие взрывных остаточных напряжений, возникающих в скальном трещиноватом массиве горных пород при буровзрывной проходке тоннелей, что доказано рядом промышленных экспериментов в горных выработках [3].
В данной статье рассмотрен процесс вибродинамического воздействия подвижного состава. В настоящее время степень влияния вибродинамики оценивается путем замеров виброускорений, виброскоростей и виброперемещений. Однако, окружающие железнодорожный путь железобетонные конструкции имеют определенные прочностные и упругие свойства. Поэтому наиболее верной можно считать теорию с определением напряжений, деформаций и скоростей распространения волн деформаций от динамического воздействия подвижного состава.
В работе [4] на основе закона сохранения энергии получены теоретические зависимости по определению напряжений и скорости распространения волн деформаций в элементах железнодорожного пути.
Многочисленные экспериментальные исследования [2] с бурением керновых скважин позволили установить наиболее реальную четырехслой-ную модель Северо-Муйского тоннеля, включая путевой бетон, бетон обратного слоя, обделку и скальный массив. Первый слой - путевой бетон мощностью 0,4-0,5 м, в котором омоноличены железобетонные шпалы. Средняя скорость продоль-
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
ной волны в путевом бетоне С = 3,6 • 103 м/с, средняя объемная масса р = 2,4 • 103 кг/м3. Второй слой - неоднородный бетон (бетонная масса) мощностью 0,8-0,9 м, С = 1,5• 103м/с, р = 2,2-103 кг/м3. Третий- бетон обратного свода мощностью 0,4-0,5 м, С = 4,2 • 103 м/с, р = 2,6 • 103 кг/м3. Четвертый -трещиноватые граниты с С = (2 5) -103 м/с, р = 2,5 •Ю3 кг/м3.
Механизм вибродинамического воздействия подвижного состава на элементы железнодорожного пути в тоннеле и обделку представляется на первом этапе - в виде волны деформации от одного движущегося нагруженного колеса. На втором этапе рассмотрен процесс взаимодействия волн деформаций от группы близкорасположенных колесных пар.
Рассмотрим процесс распространения волны деформаций от одного колеса по двум разным направлениям (рис. 1). В первом направлении нагрузка колеса на рельс вызывает его прогиб, что формирует в прокладке, подкладке, шпале, путевом бетоне затухающую волну деформаций.
нии волна деформаций, распространяясь по путевому бетону в сторону обделки тоннеля, проникает в нее, приводя в динамическое напряженно-деформированное состояние. Наиболее актуальным является второе направление.
Численно анализируя общую формулу в [4] и пренебрегая потерями энергии в рельсе, шпале, меньшими на один - два порядка, получим упрощенную зависимость сжимающего напряжения в обделке (второе направление) при действии одного колеса в виде
(г ) =
ти2 лК
+ 4
mg
(к 2 + ^ )0,5
- К
КК + ^бЪпб , Фоб г3
Е„
Е„
ЕобЪш
(1)
1 -V ,
Рис. 1. Схема железнодорожного тоннеля с указанием направления распространения вибродинамических волн деформаций: 1 - обделка; 2 - путевой бетон; 3 - бетон обратного свода; 4 - бетонная масса (0,8-0,9 м);
5 - скальный массив
Далее волна частично отражается от бетонной массы, имеющей более низкую акустическую жесткость. Частично волна деформаций преодолевает слой бетонной массы, теряя основную часть энергии. Затем проникает в бетон обратного свода и далее в скальный массив. Во втором направле-
^ пр ^ пб
где т - масса части железнодорожного вагона, действующего на данное колесо; и - скорость поступательного движения колеса; К - радиус колеса; g - ускорение свободного падения; Ъш - ширина шпалы; А ,Ъ ,,Ъл - геометрические параметры прокладки и путевого бетона; Ер, Еб, Еоб - упругие параметры элементов железнодорожного тоннеля; Фоб - показатель деформируемости участка между путевым бетоном и обделкой; V - упругий параметр бетона; г - расстояние.
Дальнейшие численные расчеты показали, что скорость волны деформаций в элементах пути составляет 1,5-2,0 м/с, а поезд движется со скоростью 10-20 м/с. То есть, волны деформаций от двух пар колес задней части первого вагона и двух пар колес передней части второго вагона будут взаимодействовать друг с другом, так как с расстоянием скорость распространения волн деформаций снижается. Тогда суммарная величина сжимающего напряжения будет равна
а(г) = (г) . (2)
Скорость распространения волны деформаций в бетонных конструкциях тоннеля определена по аналогии с [4] и равна
а( г)
РС
(3)
где рс - акустическая жесткость бетонной конструкции.
Величина относительных деформаций равна
[4]
а( г )
£ = —^ Ф,, (4)
К 1
0,5
2
Ъ
V
ш
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
где Е;,Ф; - соответственно, упругий параметр и
показатель деформируемости бетона.
Величина абсолютных деформаций в бетонных конструкциях равна
Аг = £кг, (5)
где А - высота (длина) рассматриваемого участка,
(принимаем равной 0,5 м).
Проведем расчеты параметров по формулам (2-5), используя численные значения физико-технических и геометрических параметров из [15]:
и=10м/с, Я =0,5м, Ь =0,25м, А
m =10 кг, =0,02м,
ЬПр =0,26м,
h
=0,5м,
f
Фо6 =
С
об
С
V Сбм У
= 5 , Епр = 0,7 • 108 Па,
Е^ = 3 • 1010 Па,
Еоб = 3,2• 1010Па,
Ьпб =1,35м,
v =0,2,
= р^= 2,5 •Ю3 кг/м3,
спб = соб = 3,6 -103 м/с, Ф1
=5. Расстояние от рельса до обделки выбираем равным 1, 2, 3 и 5 м. Результаты расчетов приведены в таблице 1.
Таблица1
Расчетные параметры вибродинамического воздействия подвижного состава на путевой бетон и бетонную обделку железнодорожного тоннеля
Расстояние от оси пути до рассматриваемой точки, г, м а( r ) ,106, Па Чцеф , м/с s, 10-3 Ar, 10-3, м
1 16,0 1,77 2,65 1,33
2 6,0 0,67 1,00 0,5
3 3,2 0,36 0,50 0,25
5 1,5 0,17 0,25 0,13
Анализ таблицы 1 показывает, что величина напряжения сжатия при воздействии четырех пар колес на путевой бетон и бетон обделки составляет от 16 МПа до 1,5 МПа и уменьшается с расстоянием от оси пути. Величина ст(г) меньше
предела прочности на сжатие бетона обделки Се-веро-Муйского тоннеля (от 32 до 40,5 МПа). Однако геотектоническое, вибродинамическое воздействие и работа взрывных остаточных напряжений приводят к постепенному разрушению бетона обделки и уменьшению его прочности в местах разрушения до 9,2 МПа. Скорость распространения затухающих волн деформаций уменьшается с расстоянием и составляет 0,2-2,0 м/с. Абсолютные деформации бетонов составляют от 0,13 мм до
1,33 мм, что соответствует порядку величин, полученных экспериментально в [6] по прогибу рельсов в Северо-Муйском тоннеле.
Таким образом, полученные формулы определяют степень влияния подвижного состава на напряженно-деформированное состояние железобетонных элементов железнодорожных тоннелей. Формулы могут быть использованы для изменения конструктивных параметров элементов и снижения отрицательного вибродинамического воздействия поезда на устойчивость и целостность обделки железнодорожных тоннелей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Стоянович Г.М., Пупатенко В.В., Бабич Е.Г. Вибродинамическое воздействие подвижной нагрузки на тоннели с безбалластной конструкцией верхнего строения пути и мероприятия по его снижению. - Труды научно-технической конференции в связи с 75-летием ПТКБ ЦП ОАО «РЖД» - М. : Путь и путевое хозяйство. -2007. - С. 122-124.
2. Тирский О.Н., Карпиков А.В., Хрюкин Ю.А., Быкова Н.М. Результаты контрольного бурения. Петрофизические исследования образцов бетона обратного свода Северо-Муйского тоннеля. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - ИрГУПС, 2005, №4(8). - С. 164-169.
3. Тюпин В.Н. Повышение эффективности геотехнологии с использованием энергии взрыва при деформировании трещиноватых напряженных массивов горных пород : Дисс... д-ра техн. наук. - М. : ВНИПИПТ. - 2002. - 267 с.
4. Тюпин В.Н. Определение напряженно-деформированного состояния элементов железнодорожного пути при движении нагруженного колеса с использованием закона сохранения энергии. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - ИрГУПС, 2005, №4(8). - С.53-57.
5. Быкова Н.М. Протяженные транспортные сооружения в активных геоструктурах. - Новосибирск : Наука, 2008. - 212 с.
6. Стоянович Г.М., Пупатенко В.В., Бабич Е.Г., Паженцев Я.В. Воздействие поездов на путь в Северо-Муйском тоннеле. - М. : Путь и путевое хозяйство. - №6. - 2007. - С. 35-36.
2
