CC BY
17
УДК 625.12.044
В. Д. ПЕТРЕНКО, В. Т. ГУЗЧЕНКО, О. Л. ТЮТЬКИН, А. М. М. АЛХДУР (ДПТ), В. В. КОВАЛЕВИЧ (СЕП плюс, Дшпропетровськ)
ПОР1ВНЯЛЬНИЙ АНАЛ1З НДС ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ПРИ МОДЕРШЗАЦП
В статп наведеш результати пор1вняльного анал1зу напружено-деформованого стану земляного полотна при модершзацп (виконання протидеформацшних заход1в).
Ключовi слова: земляне полотно, модершзащя, протидеформацшш заходи, напружено-деформований стан
В статье приведены результаты сравнительного анализа напряженно-деформированного состояния земляного полотна при модернизации (выполнение противодеформационных мероприятий).
Ключевые слова: земляное полотно, модернизация, противодеформационные мероприятия, напряженно-деформированное состояние
In the article the results of comparative analysis of the tensed and deformed state of earthen linen during modernization are resulted (measures against deformation).
Keywords: earthen linen, modernization, measures against deformation, tensed and deformed state
Зростаючi обсяги бущвництва залiзниць в Укра!т вщкривають новi задачi в област буд> вництва та експлуатаци коли i земляного полотна. Вщомо, що окрiм об'eмiв бущвництва та-кож збiльшуються об'еми ремонту та реконст-рукци земляного полотна, у тому чи^ i при модершзаци пiд швидкiсний рух. Таке збшь-шення об'eмiв потребуе запровадження нових технiчних рiшень щодо зменшення деформацiй основного майданчика земляного полота ^ вщ-повiдно, збiльшення термшв його нормально! експлуатаци.
Запровадженi новi рiшення, якi полягають як у шдсилент земляного полотна геосинтети-чними матерiалами, так i у змш його поперечного профiлю iз утворенням берм, банкетiв та контрбанкепв, потребують наукового обгрун-тування. Причому, порiвняння рiшень iз пода-льшою !х оптимiзацiею потребуе комплексного анатзу рiзних параметрiв, таких як мщшсть земляного полотна, яка забезпечуе термш експлуатаци, i грошових витрат на перевлашту-вання та реконструкщю земляного полотна.
Комплекснiсть аналiзу та подальшо! оптим> заци параметрiв земляного полотна забезпечуе залучення при розглядi конкретно! ситуацi! б> льшого об'ему вхщно! iнформацi!, що дозволяе отримати бшьш обгрунтованi рiшення для виконання реконструкцп.
Метою надано! роботи е комплексна опти-мiзацiя параметрiв земляного полотна при реконструкцп на Донецькiй залiзницi, яка полягае у пошуку та обгрунтуваннi технiко-економiч-них та мiцнiсних параметрiв насипу при рекон-
струкцп iз вибором на основi цих результатiв оптимального варiанту, що е актуальною задачею.
Земляне полотно - один з найважливших елеменпв колi!, який виконаний з грунту й оснований на грунт [1-3]. Воно бувае у вш\щщ насишв, ви!мок i нульових мiсць. На косогорах зустрiчаються також напiвнасипи, напiвви!мки й нашвнасипи - напiвви!мки, у яких основна площадка утворена частково шдсипанням, час-тково урiзанням в грунт земно! поверхш.
Поперечним профiлем земляного полотна називаеться перерiз, перпендикулярний його поздовжнш осi i показуеться на ширину вше! смуги вщводу [1, 4].
Земляне полотно повинне бути мщним, стшким i довговiчним, що вимагае мшмуму витрат на його обладнання, утримування i ремонт й забезпечуе можливють широко! мехаш-зацi! робiт. Однiею iз причин безумовносп ви-конання зазначених вимог е те, що земляне полотно в системi колiйного господарства складае найбiльш фондоемну частину: в основних фондах колшного господарства вартiсть земляного полотна досягае 29 % [4].
Поверхня земляного полотна й смуги вщво-ду повинна бути спланована так, щоб вода шде не застоювалася, а мала б вшьний i швидкий вiдтiк вiд земляного полотна в боки або в спе-щальш водовiдвiднi пристро!. Якщо ця умова де-небудь порушиться, то земляне полотно в цьому мiсцi неминуче пiддасться деформацi!, яка може створити загрозу безпещ руху по!здiв.
© Петренко В. Д., Гузченко В. Т., Тютькин О. Л., Алхдур А. М. М., Ковалевич В. В., 2012
Земляне полотно будусться за типовими по-перечними проф^ми або iндивiдуальними проектами (ДБН В.2. - 2008 «Споруди транспорту. Залiзничнi коли 1520 мм»).
Земляне полотно та його споруди повинш забезпечувати безпеку руху поlздiв iз заданими навантаженнями й швидкостями при встанов-ленiй вантажонапруженосп. Земляне полотно, його елементи та споруди повинш вщповщати нормативам мщност та стiйкостi протягом всього перюду служби.
У земляному полотнi та його спорудах мо-жуть виникати й накопичуватися дефекти, деформаци та пошкодження [5]. Дефекти е нас-лiдком недоробок пiд час проектування земляного полотна, його захисних i укрiплювальних споруд, порушення технологи будiвельного процесу й тимчасово! експлуатаци залiзничних лiнiй, незадовiльного поточного утримання й неякiсних ремонтiв коли.
Деформаци земляного полотна та його споруд виникають: при недостатнш несучiй здат-ностi rрунтiв, з яких воно зведене; невщповщ-ност потужностi верхньо! будови коли наван-таженням вiд рухомого складу, що обертаеться; недостатньому захистi rрунтiв земляного полотна вщ несприятливих впливiв клiматичних та iнженерно-геологiчних факторiв. Низька яюсть поточного утримання земляного полотна та його споруд, коли не забезпечуеться вщведення поверхневих i грунтових вод, несвоечасно усу-ваються дрiбнi дефекти земляного полотна та його споруд, не лшвщовуються причини зни-ження несучо1 здатностi груипв, призводять до переростання дрiбних дефекпв i пошкоджень у небезпечнi деформаци, що загрожують безпецi руху по1здв.
Пiд пошкодженням розумiють несправнiсть земляного полотна та його споруд, що сталася шд час експлуатаци пiд впливом несприятливих природних умов, внаслiдок ненормальних, непередбачених характером роботи дш, взае-моди зi стороннiми конструкцiями.
Дефекти, деформаци та пошкодження земляного полотна та його споруд шдлягають усу-ненню в процесi поточного утримання коли, при планово-запобiжних ремонтах верхньо1 будови коли, а також при ремонтах i шдсиленш земляного полотна за iндивiдуальними проектами. Одшею з пропозицiй протидеформацш-них заходiв е суцiльна вирiзка. Роботи по су-цiльнiй вирiзцi виконуються пiд час вiкна при закритих колiях. До початку основних робгг по непарнiй коли демонтуються ланки рейко-шпально1 решiтки. По^м пiд час вiкна ведеться
демонтаж швентарних рейок i виконання су-цшьно1 вирiзки. Глибина вирiзки по непарнш коли прийнята виходячи з глибини баластних заглиблень. По парнш коли глибина суцшьно1 вирiзки прийнята конструктивно на таку саму вщм^ку як i по непарнiй.
Зворотна засипка виконуеться з пошаровим ущшьненням i влаштовуеться iз щебеню або щебенево1 сумiшi. Розмiр фракцiй щебеню у сумiшi 0,0625...50 мм. Кшьюсть пилуватих ча-стинок розмiром <0,0625 мм не повинна пере-вищувати 5 % вiд об'ему, розмiром 2...20 мм до 40 %, решта 55 % приходиться на фракщю 20.50 мм.
При виконанш ремонту верхньо1 будови коли геотекстиль вкладаеться на основнiй площа-дцi з ухилом 0,04 в польову сторону з перек-риттям одного шару iншим не менше нiж 100 мм. Геотекстиль - це нетканий матерiал iз поверхневою щiльнiстю > 280 г/м2, мщшстю на розтягування не менше 20 кН/м; мiцнiстю при вiдносному подовженш на 390 - не менше шж 10 кН/м; вiдносне подовження при руйнуваннi не бiльше 20 %. Пюля вкладання рейко-шпально1 решiтки проводиться баластування коли. Укршлення укосiв земляного полотна виконуеться шляхом вщсипання однополочно1 вщжимно1 берми з виположенням укошв земляного полотна 1:2. Пригрузочна вiджимна берма влаштовуеться з використанням щебеню крупшстю 40.70 мм та мiцнiстю на стиск 800...1200 МПа. Вiдсипка вщжимно1 берми здiйснюеться пошарово з ущшьненням шару товщиною 0,2.0,3 м. Середня висота полиць вщжимно1 берми складае 5,0 м з ухилом верху полищ 2,0 %о в бiк проектно1 водовщвщно1 ка-нави. В якост матерiалу берми використову-еться мюцевий грунт. Для виведення води з хворо1 дiлянки через залiзобетонну трубу по непарнш сторош коли необхщно створити берму та канаву шириною 1,5 м та висотою 0,6 м з виположенням укошв 1:2.
Другим варiантом е виконання бортово1 ви-рiзки. Двостороння бокова зрiзка баластових заглиблень здiйснюеться вщ лши по торцях шпал в бш укосу насипу, з подальшою замiною зрiзаного матерiалу чистим щебенем крупнiстю 40.70 мм та мщшстю на стиск 800.1200 МПа. Товщина шару 0,2.0,3 м. ВЫ роботи необхвдно проводити в довготривалi вшна.
Для забезпечення стiйкостi укосiв насипу запроектовано виположення укосiв насипу до 1:2 та вщсипку привантажно1 вщжимно1 берми, яка влаштовуеться з використанням щебеню
крупшстю 40...70 мм. Ii вГдсипка здшснюеться пошарово з ущшьненням шару товщиною 0,2...0,3 м. Середня висота полиць вГджимно! берми складае 5,0 м з ухилом верху полищ 2,0 %о в низову сторону.
3i сторони непарно! коли по тдошв1 прива-нтажно! вiджимноi берми влаштовуеться берма шириною 6,0 м з ухилом 2,0 % в бш проектно! водовiдвiдноi канави. В якост матерiалу берми використовуеться мiсцевий грунт, отриманий пiсля нарiзки уступiв та робГт по бортовiй вирь зщ.
Технiко-економiчне порiвняння двох варГан-тГв протидеформацшних заходiв проводилося на основi комплексу АВК-3. На основi цих ма-терiалiв зроблено наступнi висновки.
Зведений кошторисний розрахунок вартостi будiвництва основних обсягiв робiт та матерГа-лiв при виконаннi робiт по суцшьнш вирiзцi становить - 3868,0 тис. грн. Договiрна цiна складаеться з будiвельних робiт, що в свою чергу становлять 2219, 7 тис. грн., монтажних робГт - 15,3 тис. грн., та шших витрат - 1633,3 тис. грн. Кошторисна вартють будiвництва -1746,9 тис. грн., кошторисна трудомютшсть -62,9 тис. люд-год., кошторисна заробГтна плата
- 915,6 тис. грн., середнш розряд робгг - 3, 4, разом по кошторису - 3223,6 тис. грн., податок на додану вартють (ПДВ) (20 %) - 644,7 тис. грн.
Зведений кошторисний розрахунок вартостi будiвництва основних обсяпв робiт та матерГа-лiв при виконаннi робiт по бортовш вирiзцi становить - 1235,9 тис. грн. Договiрна цiна складаеться з будiвельних робiт, що в свою чергу становлять 670,5 тис. грн., монтажних робГт - 15,3 тис. грн., та шших витрат - 550,1 тис. грн. Кошторисна вартють будiвництва -515,9 тис. грн., кошторисна трудомютшсть -21,9 тис. люд-год., кошторисна заробГтна плата
- 291,4 тис. грн., середнш розряд робгг - 2, 5, разом по кошторису - 1029,9 тис. грн., податок на додану вартгсть (ПДВ) (20 %) - 205,9 тис. грн.
Розрахунок напружено-деформованого стану (НДС) двоколшного насипу ¿з застосуван-ням декшькох варiантiв реконструкцп (суцiльна та бортова вирiзка) проводиться ¿з застосуван-ням методу скГнчених елементiв за допомогою розрахункового комплексу Structure CAD for Windows, version 7.29 R.3 (SCAD) [6, 7]. Вс геометричш та деформацшш характеристики земляного полотна узят ¿з нормативно! документации Модель для розрахунку прийнята просторовою на основГ об'емних ск1нчених
елементГв (СЕ) для бшьшого врахування реаль-них характеристик об'екту, що дослiджуеться. На рис. 1. показана розрахункова схема земляного полотна до реконструкций реалiзована у комплексi SCAD [7].
Земляне полотно до реконструкцп
Z
Суцшъна вир!зка
Бортова виргзка
Рис. 1. СЕ-схеми земляного полотна
Загальна к1льк1сть вузлГв схеми - 8 632 шт. (бшя 26 тисяч ступешв волГ), к1льк1сть ск1нче-них елеменпв - 7 016 шт. (до реконструкцп); 8 280 (бГля 24 тисяч ступешв волГ) та 6 722 (су-цшьна вирГзка); 8 126 (бшя 25 тисяч ступешв волГ) та 6 582 (бортова вирГзка). СЕ у схемГ прийнят сумюними, тобто вс вузли сусГдшх елеменпв сшвпадають, що позитивно впливае на точшсть ршення. РозмГри модели довжина (основа) - 38,46 м, ширина - 1,8 м (для всГх моделей), висота - 8,0 м (з яких висота земляного полотна, як i в ¿нших варГантах - 4,5 м).
РозмГри СЕ коливаються у межах 0,30x0,5x0,5, 0,35x0,5x0,5 до 0,5x0,5x0,5 м, тобто СЕ-сГтка адекватна розмГрам представле-
но! модел^ так як вважаеться, що основний ро-змiр СЕ не повинен перевищувати 1/20 вiд характерного розмiру моделi. У схемi застосованi як призматичнi СЕ iз трикутною основою (у моделюваннi вщкосу), так i паралелепiпеди (у моделюванш земполотна та основи). Призма-тичш СЕ iз трикутною основою перевiренi на умови вироджених та «голчастих» елементiв, кути трикутника не менше 60°.
На схему накладет граничш умови:
1) понизу моделi заборона перемщення по всiм трьом осям X, У та Z;
2) по боках основи - заборона по осях X та
У;
3) по поперечних сторонах моделi - заборона по ос У (умови пласко1 деформацп). Верх та вщкоси моделi вiд граничних умов вшьш.
Деформацiйнi характеристики обранi iз таб-лиць у вiдповiдностi iз дослiдженими грунтами земляного полотна [8]:
Шар 1 - суглинок насипу, густина р = 2,0 т/м3, модуль пружност Е = 25 МПа, коефiцiент Пуассона V = 0,3;
Шар 2 - щебшь, густина р = 2,4 т/м3, модуль пружносп Е = 100 МПа, коефщент Пуассону п = 0,25;
Шар 3 - залiзобетон шпали, густина р = 2,5
т/м3, модуль пружносп Е = 1106 МПа, коеф> цiент Пуассону V = 0,2 .
Представлений шаруватий масив повторюе з незначними вщхиленнями реальне земляне полотно, але товщина шарiв прийнята постiйною, хоча в дiйсностi вона незначно змшюеться.
У ролi навантаження моделi було прийнято локомотив, який знаходиться одшею парою колiс над шпалою, тобто Р = 25 т. Тиск на вюь прийнято рiвним нормативному тиску вiд локомотиву (Р = 20 т) iз урахуванням коефщен-ту динамiчностi т = 1,25 . Була прийнята одна схема завантаження СЕ-моделi - локомотив знаходиться на двох колiях. На рис. 2. показано розташування навантажень на головнiй площа-дцi насипу. Навантаження на ось розподшене по ширинi шпали, на яку воно приходиться, причому воно розподшене по 12-ти вузлах СЕ, яю входять до геометричного мюця розмiщення шпали i складае 20,83 кН (250/12=20,83 кН).
Усi геометричш розмiри та загальнi навантаження на модель зберпаються та контролю-ються у ходi виконання розрахунку, що можли-ве у застосованому розрахунковому комплекса
Рис. 2. Розташування навантажень на верхню будову коли (ВБК)
При розрахунку МСЕ застосовувався муль-тифронтальний метод розкладення матриц жо-рсткостi iз автоматичною оптимiзащею ширини стрiчки, як найбiльш прогресивний метод робо-ти iз матрицями, який застосовано у комплексi SCAD.
Результатами розрахунку являються загаль-ш перемiщення та напруження моделi по осям X та Z, причому нижченаведеш результати по-казують характерну картину !х розподiлення у земляному полотш.
Перед тим, як перейти до аналiзу отриманих результатiв та вибору оптимального ршення реконструкцil, слщ вiдмiтити, що у скiнчено-елементнш моделi суцiльноl вирiзки не був врахований елемент геосинтетичного матерiа-лу. Це вщбулося за двох причин. По-перше, полотно геосинтетичного матерiалу при прос-торовiй постановцi, при якш модель створю-еться iз об'емних скiнчених елементiв, iз-за рi-зно! метрики (полотно - 2D, а земляне полотно - 3D) некоректно взаeмодie iз земляним полотном. По-друге, перше порiвняння отриманих результапв свiдчить про те, що i без пiдсилення геосинтетичним матерiалом, рiзниця мiж варiа-нтами незначна i вплив геосинтетика йде до запасу мщносп.
На рис. 3. i 4 наведенi результати деформа-цш в рiзних варiантах земляного полотна iз по!-здним навантаженням (надасться лише половина моделi, що обгрунтовуеться симетрieю схе-ми та навантаження).
Аналiз перемiщень по ош X (див. рис. 3) на-дае змогу зробити висновок, що кшьюсно всi три випадки (до реконструкцн та два варiанти земляного полотна, що реконструйоване) не мають значних змiн: максимальнi горизонталь-ш перемiщення складають 1,1 мм. Слщ вiдмi-тити, що при кшьюснш тотожностi результатiв, якiсно вони вiдрiзняються, що видно при порi-внянш розподiлення iзополiв та iзолiнiй.
Рис. 3. 1золшп та 1зополя перемщень по ос X (горизонтальна): а - до реконструкций б - суцшьна вир1зка; в - бортова вир1зка
Рис. 4. 1золшп та 1зополя перемщень по ос Ъ (вертикальна): а - до реконструкций б - суцшьна вир1зка; в - бортова вир1зка
Слщ вiдмiтити, що при кiлькiснiй тотожнос-тi результатiв, якiсно вони вiдрiзняються, що видно при порiвняннi розподшення iзополiв та iзолiнiй. У випадку сущльно1 вирiзки (див. рис.
3, б) iзополя горизонтальних напружень на лши симетрп моделi не зливаються у суцшьне поле. Тобто при ди двох локомотивiв, якi знаходяться на сусiднiх колiях, у випадку сущльно1 вирiзки !х вплив дiе лише на вiдповiдну колiю. У випадку ж 6ортово1 вирiзки нижче правого кiнця шпали утворюеться замкнута зона iз значенням 0,3 мм, яка вщсутня як у випадку насипу до реконструкций так i у випадку суцшьно1 вирiзки. Це пояснюеться тим, що поперечний профшь земляного полотна тсля реконструкцп значно змiнився. Але значення горизонтальних перемщень у випадку 6ортово1 вирiзки малi i не дають змоги свщчити про яюсь негативнi нас-лiдки.
Перемiщення по осi 2 (див. рис. 4) майже щентичш якiсно та кшьюсно: максимальнi вер-тикальнi перемiщення складають 6,3 мм (у випадку 6ортово1 вирiзки - 6,5 мм). Таю значення перемщень е нормативними i дають змогу свь дчити, що вс три моделi майже щентичш.
На рис. 5. i 6 наведенi результати деформа-цiй в рiзних варiантах земляного полотна.
Рис. 5. 1золшп та 1зополя нормальних напружень по ос1 X (горизонтальна): а - до реконструкций б - суцшьна вир1зка; в - бортова вир1зка
При аналiзi напружень по осi X (див. рис. 5) з'ясовано, що вони е майже щентичними, що пояснюеться незначною зоною !х поширення (близько 0,5 м тд шпалою) i мiнiмальним впливом технiчних рiшень. Можна вщмггити, що в зонi розтягу тд рейкою у випадку борто-во! вирiзки напруження дещо збшьшеш
(+0,13 МПа на вгдмГну вгд +0,1 МПа у випадку суцшьно!' вирГзки), але незначно.
а)
б)
Рис. 6. 1золшп та 1зополя нормальних напружень по ос Ъ (вертикальна): а - до реконструкцп; б - суцшьна вирiзка; в - бортова вирiзка
Анал1з напружень по ош Z (див. рис. 6) свщ-чить, що вони також е майже щентичними, але зона !х поширення збшьшуеться (близько 0,9...1,0 м тд шпалою), тому слщ пам'ятати, що у випадку бортово! вир1зки поширення напружень досягне суглинку земляного полотна тому, що товщина щебеню зменшена з 1,0 до 0,4.0,5 м. Але значення напружень незначт (сот дол1 мегапаскаля), тому можна вщм1тити, що експлуатащйний стан буде забезпечено.
Висновки
1) Проведене техтко-економ1чне пор1в-няння обох вар1анпв реконструкцп земляного полотна на основ! спещал1зованого комплексу АВК-3 { з'ясовано, що кошторисна вартастъ бу-д1вниптва основних обсяпв робгг та матер1ал1в при виконант робгг по бортовш вир1зщ становить - 1235,9 тис. грн. Кошторисна вартють буд1вництва основних обсяпв робгг та матер1а-л1в при виконант робгг по суцшьнш вир1зщ
становить - 3868,3 тис. грн., що втричГ дорожче в порГвнянт з бортовою вирГзкою.
2) Розроблено скгнчено-елементт моделГ земляного полотна до реконструкцп' по двох варГантах реконструкцп', проведено !'х розраху-нки, тсля чого отримано результати напруже-но-деформованого стану, якг дозволили ощнити з позици мщносп вплив обох техтчних ршень.
3) АналГз НДС свщчить про те, що при реконструкцп можливо застосовувати обидва те-хтчт ршення, як е майже щентичними, i ва-рГант як суцшьно!, так i бортово!' вирГзки е до-цгльним з позицп НДС та подальшо!' експлуа-тацп. Також аналГз НДС довГв, що у випадку суцшьно!' вирГзки в даному конкретному випадку тдсилення геосинтетичним матерГалом е недоцгльним.
4) Основним висновком тсля комплексного аналГзу е те, що варГант бортово!' вирГзки е оптимальним як ¿з умов техтко-економГчного порГвняння з позицп мГцност та спйкостг
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Рувинский, В. И. Оптимальные конструкции земляного полотна [Текст] / В. И. Рувинский. -М.: Транспорт, 1982. - 166 с.
2. 1нструкщя з утримання земляного полотна заль зниць Украши [Текст] / Л. I. Дяченко, П. П. Ки-слий, В. О. Кулач. Затверджено наказом Укрза-л1знищ вГд 08.05.2001. - Ки'в, 2001.
3. 1нструкщя з утримання земляного полотна заль зниць Укра'ни [Текст], ЦП/ 0072. - Ки'в, 2001.
4. Фришман, М. А. Земляное полотно железных дорог [Текст] / М. А. Фришман, И. Н. Хохлов, В. П. Титов. - М.: Транспорт, 1972. - 287 с.
5. Содержание балластной призмы железнодорожного пути [Текст] / под. ред. Е. С. Варызгина. - М.: Транспорт, 1978. - С. 31-35.
6. Карпиловский, В. С., SCAD для пользователя [Текст] / В. С. Карпиловский, Э. З. Криксунов, А. В. Перельмутер, М. А. Перельмутер - К.: ВВП «Компас», 2000. - 332 с.
7. Перельмутер, А. В. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа [Текст] / А. В. Перельмутер, В. И. Сливкер. - К.: Сталь, 2002. - 600 с.
8. 1нженерна геолопя. Мехашка грунпв, основи та фундаменти [Текст] / Зоценко М. Л. i ш.- Полтава: ПНТУ, 2004. - 568 с.
Надшшла до редколегл 20.12.2011. Прийнята до друку 16.01.2012.
