CC BY
77
УДК 625.1.5
А. Ф. Колос, Е. И. Шехтман, В. В. Говоров, Г. М. Стоянович, Л. А. Андреева
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ДЕФОРМАТИВНОСТИ ПОДШПАЛЬНОГО ОСНОВАНИЯ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ
Дата поступления: 05.10.2017 Решение о публикации: 20.01.2018
Аннотация
Цель: Рассмотрение основных проблем, с которыми могут столкнуться предприятия путевого хозяйства при организации движения поездов с нагрузками на ось свыше 23 т; определение основных факторов, влияющих на стабильность балластного слоя железных дорог в условиях повышенного вибродинамического воздействия, вызванного повышением осевых нагрузок. Методы: Анализ существующих исследований прочностных и деформационных свойств щебеночного балласта, в том числе при действии вибродинамической нагрузки. Результаты: Показано, что важнейшим показателем, определяющим надежность конструкции балластного слоя, является его несущая способность, которая должна находиться с учетом действия вибродинамических нагрузок и снижения под ее влиянием прочностных свойств щебня. Практическая значимость: Проведенные исследования позволили прийти к выводу о необходимости разработки методических подходов оценки остаточного ресурса работы балласта, исходя из его несущей способности.
Ключевые слова: Щебеночный балласт, балластный слой, повышенные осевые нагрузки, несущая способность балластного слоя, прочностные и деформационные свойства щебня.
*Aleksey F. Kolos, Cand. Eng. Sci., head of a chair, kolos2004@inbox.ru; Yevgeniy I. Shekhtman, D. Military Sci., professor; Vadim V. Govorov, D. Eng. Sci., professor (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University); Gennadiy M. Stoyanovich, D. Eng. Sci., professor (Far Eastern State Transport University); Lyudmila A. Andreyeva, deputy director of research (Design and Scientific Research Institute of Industrial Transport (PromtransNIIproekt) PREDICTION OF LOAD-BEARING CAPACITY AND DEFORMATION PROPERTY OF SLEEPER BEARING UNDER INCREASED VIBRODYNAMIC LOAD
Summary
Objective: To consider the main problems which enterprises of track facilities may face in the process of train operation with load per axle more than 23 t; to determine the basic factors which affect the stability of roadbed in the conditions of the increased vibrodynamic impact, caused by the increase of axle load. Methods: The analysis of the existing studies on strength and deformation properties of ballast stone, including the influence of vibrodynamic load,
was carried out. Results: It was demonstrated that the key indicator, determining construction reliability of ballast bed, is the load-bearing capacity, which is to be be identified with allowance for vibrodynamic load and reduction of strength properties of crushed stone under its influence. Practical importance: The conducted research made it possible to draw a conclusion on the necessity to develop methodological approaches on assessment of the remaining operational life time of ballast, taking into account its load-bearing capacity.
Keywords: Ballast stone, ballast bed, increased axle load, ballast bed load-bearing capacity, crushed stone strength and deformation properties.
Стабильность рельсовой колеи за весь срок службы конструкции верхнего строения пути обусловливается не только надежностью земляного полотна, применяемых типов шпал, скреплений, рельсов, но и качеством всех элементов подшпального основания, в том числе щебеночного балласта. Несмотря на то, что исследовательские работы по прогнозированию стабильности балластного слоя для разных нагрузок на ось и скоростей движения в различных условиях эксплуатации ведутся с 1970-х годов, балластный слой все равно остается проблемным местом [1-7]. В настоящее время ГОСТ 7392-2014 [8] -единственный документ, определяющий нормативно-технические требования к материалам балластного слоя. Данный ГОСТ ужесточает требования к щебеночному балласту, однако полностью не решает проблему обеспечения стабильной работы железнодорожного пути за весь срок службы.
Основные показатели, характеризующие возможность применения щебня в конструкции верхнего строения пути в соответствии с ГОСТ 7392-2014, никак не определяют такие важнейшие количественные параметры как несущая способность балластной призмы и ее деформативность. В то же время именно эти критерии обусловливают стабильную работу пути под поездной динамической нагрузкой. Базируясь на фактической несущей способности и деформативности балластного слоя, необходимо обосновывать выполнение работ по замене или очистке балласта и на этой же основе вести планирование ремонтов пути, целями которых прежде всего являются повышение прочности и снижение деформативности подшпального основания.
Основным фактором, определяющим надежность работы балластного слоя, является его несущая способность, которая связана с уровнем динамического воздействия, передаваемого материалу балластного слоя, и характеристиками основания, на котором такой слой сформирован. Несущую способность балластного слоя и его деформативность определяют следующие характеристики: удельное сцепление (зацепление) щебня, его угол внутреннего трения, модуль деформации, а также модуль упругости. Эти параметры существенно зависят от уровня вибродинамической нагрузки, передаваемой шпалой на балласт, гранулометрического состава щебня, его плотности, ока-
танности, загрязненности, наличия демпфера между шпалой и балластом, его жесткости и т. д.
Такие характеристики и их изменение в процессе наработки тоннажа при действии вибродинамических нагрузок до настоящего времени не исследовались. Попытки, которые предпринимаются и предпринимались какими-то косвенными методами выявить значения прочностных и деформативных характеристик щебня, являются необоснованными, а порой недостоверными, приводящими к искаженным результатам. В ряде зарубежных источников имеются сведения, содержащие результаты испытаний щебеночного балласта по определению прочностных и деформационных свойств щебня [9-13], однако также приводится оценка влияния действия повышенной вибродинамической нагрузки, возникающей при движении вагонов с нагрузками на ось свыше 23 т, и их изменения с течением времени в разных условиях эксплуатации.
Для оценки ресурса работы балластного слоя с позиции обеспечения его несущей способности следует помимо величины самой несущей способности (предельно допустимой нагрузки на балластный слой) знать реальную картину распределения фактических (действующих) напряжений в конструкции балластной призмы для конкретных условий эксплуатации, а также динамику ее изменения во времени в зависимости от наработки тоннажа. ПГУПС сегодня располагает такими результатами, полученными в ходе исследований напряженно-деформированного состояния балластного слоя на экспериментальном кольце ВНИИЖТа под осевыми нагрузками от 23 до 30 т/ось [14, 15]. Кроме того, аналогичные эксперименты были выполнены (до 23 т/ось) и на эксплуатируемых участках железных дорог, включая изучение параметров вибродинамического воздействия на материал балластного слоя от движущихся поездов [15].
Так, было доказано, что рост осевой нагрузки от 23 до 30 т/ось приводит к ускорению процесса консолидации балластного материала и в то же время к росту действующих усилий в балласте в 1,3-1,5 раза, что, несомненно, интенсифицирует процессы накопления остаточных деформаций верхнего строения пути. Таким образом, имеются все необходимые данные по напряженному состоянию балластного слоя при движении поездов с нагрузками на ось до 30 т, однако полностью не изучены аналогичные вопросы для скоростного и высокоскоростного движения, а также процесс динамики изменения напряженного состояния балластного слоя в зависимости от наработки тоннажа.
Проблемой остается нахождение и самой несущей способности, хотя сама методика расчета разработана более 10 лет назад в ПГУПС. Предлагаемые различными авторами подходы к решению этой проблемы не учитывают главного обстоятельства: балластный слой работает в условиях повышенных вибродинамических нагрузок. В связи с этим прочностные и деформативные
параметры, характеризующие важнейшие показатели - несущую способность и деформативность балластного слоя, в обязательном порядке должны определяться при действии вибродинамического воздействия, максимально приближенного к реальному [16-19]. Сейчас такие исследования не выполняются, прежде всего из-за отсутствия в России приборов трехосного на-гружения в условиях пульсирующего воздействия, моделирующего влияние подвижной нагрузки на балластный слой. Только на их основе можно выявить зависимости прочности и деформативности балластного слоя от эксплуатационных параметров, таких как пропущенный тоннаж, скорость движения, осевая нагрузка, деформативность подбалластного основания в зависимости от его структуры, характеристик материалов, температурных условий эксплуатации, наличия или отсутствия демпфирующих элементов и др.
Выполнение указанных экспериментов даст возможность разработать методику прогнозирования несущей способности и деформативности под-шпального основания при действии вибродинамической нагрузки с инструментальной оценкой критериев остаточного ресурса.
Совместные комплексные исследования, включающие как стендовые, так и полевые, теоретические, позволят решить крупную научную и практическую задачу, что будет иметь существенное значение для оптимизации затрат, ежегодно выделяемых на обеспечение надежности работы железнодорожного пути.
Библиографический список
1. Барабошин В. Ф. Повышение стабильности пути в зоне рельсового стыка / В. Ф. Барабошин, Н. И. Ананьев. - М. : Транспорт, 1978. - 46 с.
2. Белых К. Д. Исследование напряжений в балласте и на основной площадке земляного полотна от воздействия сталевозов и чугуновозов / К. Д. Белых, М. И. Уманов, И. К. Белых и др. // Вопросы работы промышленных железных дорог : межвуз. сб. трудов. - Л. : ЛИИЖТ, 1980. - С. 81-87.
3. Блажко Л. С. Геоматериалы при высоких осевых нагрузках / Л. С. Блажко // Путь и путевое хозяйство. - 2002. - № 10. - С. 36-37.
4. Вериго М. Ф. Расчет напряжений в балластном слое и на основной площадке земляного полотна / М. Ф. Вериго // Взаимодействие пути и подвижного состава и вопросы расчетов пути : сб. трудов. - Вып. 97. - М. : Гос. транспорт. ж.-д. изд-во, 1955. - С. 326-352.
5. Голованчиков А. М. Вертикальные нормальные напряжения в балластной призме железнодорожного пути / А. М. Голованчиков // Расчет и конструирование балластной призмы железнодорожного пути : труды ЦНИИ МПС. - 1970. - Вып. 387. - С. 81-112.
6. Желнин Г. Г. Влияние осевых нагрузок на путь / Г. Г. Желнин, В. В. Кузнецов // Путь и путевое хозяйство. - 2001. - № 5. - С. 26-27.
7. Колос А. Ф. Оценка чувствительности путевого щебня к действию вибродинамической нагрузки / А. Ф. Колос, Д. С. Николайтист, А. А. Морозова // Современные
проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути : материалы Х науч.-технич. конференции с международным участием (чтения, посвященные 190-летию проф. Г. М. Шахунянца). - М. : МИИТ, 2013. - С. 164-166.
8. ГОСТ 7392-2014. Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути. Технические условия. - М. : Стандартинформ, 2015. - 32 с.
9. Araya A. Investigation of the resilient behavior of granular base / A. Araya, M. Huur-man, A. Molenaar, L. Houb // Materials and Structures. - 2012. - Vol. 45. - P. 695-705.
10. Indraratna B. Implications of ballast breakage on ballasted railway track based on numerical modelling / B. Indraratna, S. Nimbalkar // 13 th Intern. Conference of the International Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics. - Sydney, Australia, 2011. - P. 1085-1092.
11. Indraratna B. State-of-the-art design aspects of ballasted rail tracks incorporating particle breakage, role of confining pressure and geosynthetic reinforcement / B. Indraratna, S. Nimbalkar, C. Rujikiatkamjorn, D. Christie // 9th World Congress Railway Reseach. - Lille, France, 2011. - May 22-26. - P. 1-13.
12. Ionescu D. Evaluation of the engineering behavior of railway ballast : A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the award of the degree Doctor of Philosophy / D. Ionescu. - Wollongong : University of Wollongong, 2004. - 440 p.
13. Kaya M. A study on the stress-strain behavior of railroad ballast materials by use of parallel gradation technique : A thesis submitted to the graduate school of natural and applied sciences / M. Kaya. - Ankara, Turkey : Middle East Technical University, 2004. - 328 p.
14. Колос А. Ф. Подшпальное основание пути при повышенных осевых нагрузках / А. Ф. Колос, А. А. Морозова // Путь и путевое хозяйство. - 2014. - № 7. - С. 13-14.
15. Колос А. Ф. Исследование распространения виброускорений частиц балластного слоя в условиях движения поездов с повышенными осевыми нагрузок / А. Ф. Колос, А. А. Морозова // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2014. -Вып. 2 (39). - С. 29-35.
16. Леманский А. П. Упругие свойства щебеночного балласта при статическом на-гружении / А. П. Леманский // Вестн. ВНИИЖТ. - 2003. - № 4. - С. 30-32.
17. Леманский А. П. Экспериментальные исследования деформативных свойств щебня фракции 25...60 мм в лабораторных условиях / А. П. Леманский // Вестн. ВНИИЖТ. -2003. - № 5. - С. 20-23.
18. Марготьев А. Н. Оценка прочности балластного слоя и земляного полотна по предельному состоянию / А. Н. Марготьев. - М. : Транспорт, 1970. - 149 с.
19. Марготьев А. Н. Расчет предельного давления шпалы на балласт из условий прочности основной площадки земляного полотна / А. Н. Марготьев // Расчет и конструирование балластной призмы железнодорожного пути : труды ЦНИИ МПС. - 1970. -Вып. 387. - С. 113-120.
References
1. Baraboshyn V. F. & Ananyev N. I. Povysheniye stabilnosty puty v zone relsovogo styka [Track stability improvement in the rail joint zone]. Moscow, Transport Publ., 1978, 46 p. (In Russian)
2. Belykh K. D., Umanov M. I., Belykh I. K. et al. Issledovaniye napryazheniy v ballaste i na osnovnoy ploshchadke zemlyanogo polotna ot vozdeistviya stalevozov i chugunovozov [The study of stress in ballast and on top of subgrade caused by the influence of steel teeming ladle cars and hot-metal ladle cars]. Voprosy raboty promyshlennykh zheleznykh dorog: mezhvuz. sb. trudov [The issues of industrial railroad operation: interuniversity coll. papers]. Leningrad, LII-ZHT Publ., 1980, pp. 81-87. (In Russian)
3. Blazhko L. S. Geomaterialy pry vysokykh osevykh nagruzkakh [Geomaterials for increased axle loads]. Put i putevoye khozyaistvo [Track and track facilities]. Moscow, 2002, no. 10, pp. 36-37. (In Russian)
4. Verigo M. F. Raschet napryazheniy v ballastnom sloye i na osnovnoy ploshchadke zemlyanogo polotna [Stress calculation in ballast bed and on top of subgrade]. Vzaimodeist-viye puty i podvizhnogo sostava i voprosy raschetov puty: sb. trudov [The track and rolling stock interaction and track analysis: coll. papers]. Moscow, State Railroad Transport Publ., 1955, vol. 97, pp. 326-352. (In Russian)
5. Golovanchikov A. M. Vertikalniye normalniye napryazheniya v ballastnoy prizme zheleznodorozhnogo puty [Vertical normal stress in ballast section of the track]. Calculation and engineering of ballast section of the track: Proceedings of the Central Research Institute of the Ministry of Railway Transport, 1970, vol. 387, pp. 81-112. (In Russian)
6. Zhelnin G. G. & Kuznetsov V. V. Vliyaniye osevykh nagruzok na put [The influence of axle loads on the track]. Put iputevoye khozyaistvo [Track and track facilities], 2001, no. 5, pp. 26-27. (In Russian)
7. Kolos A. F., Nikolaitist D. S. & Morozova A. A. Otsenka chuvstitelnosty putevogo shchebnya k deistviyu vibrodinamicheskoy nagruzky [The assessment of track crushed stone response to vibrodynamic load action]. Current problems of engineering, construction and operation of the railway track: proceedings of the 10th scientific and technical conference with international participation (readings dedicated to 190th anniversary of prof. G. M. Shakhunyants). Moscow, MIIT Publ., 2013, pp. 164-166. (In Russian)
8. SSS [State Standard Specification] 7392-2014. Shcheben iz plotnykh gornykh porod dlya ballastnogo sloya zheleznodorozhnogo puty. Tekhnicheskiye usloviya [Consolidated crushed rock for track ballast. Specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 2015, 32 p. (In Russian)
9. Araya A., Huurman M., Molenaar A. & Houb L. Investigation of the resilient behavior of granular base. Materials and Structures, 2012, vol. 45, pp. 695-705.
10. Indraratna B. & Nimbalkar S. Implications of ballast breakage on ballasted railway track based on numerical modeling. 13 th Intern. Conference of the International Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics. Sydney, Australia, 2011, pp. 1085-1092.
10. Indraratna B., Nimbalkar S., Rujikiatkamjorn C. & Christie D. State-of-the-art design aspects of ballasted rail tracks incorporating particle breakage, role of confining pressure and geosynthetic reinforcement. 9th World Congress Railway Research. Lille, France, 2011, May 22-26, pp. 1-13.
12. Ionescu D. Evaluation of the engineering behavior of railway ballast: A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the award of the degree Doctor of Philosophy. Wol-longong, University of Wollongong Press, 2004, 440 p.
13. Kaya M. A study on the stress-strain behavior of railroad ballast materials by use of parallel gradation technique: A thesis submitted to the graduate school of natural and applied sciences. Ankara, Middle East Technical University Press, 2004, 328 p.
14. Kolos A. F. & Morozova A. A. Podshpalnoye osnovaniye puty pry povyshennykh osevykh nagruzkakh [Sleeper bearing under increased axle loads]. Put iputevoye khozyaistvo [Track and track facilities], 2014, no. 7, pp. 13-14. (In Russian)
15. Kolos A. F. & Morozova A. A. Issledovaniye rasprostraneniya vybrouskoreniy chastyts ballastnogo sloya v usloviyakh dvyzheniya poyezdov s povyshennymy osevymy nagru-zok [The study of propagation of vibration accelerations of ballast granules in conditions of railway operation with high axle loading]. Proceedings of Petersburg State Transport University. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2014, issue 2 (39), pp. 29-35. (In Russian)
16. Lemanskiy A. P. Uprugiye svoistva shchebenochnogo ballasta pry staticheskom nagruzhenii [Elastic properties of ballast stone under static loading]. Proceedings of VNIIZhT, 2003, no. 4, pp. 30-32. (In Russian)
17. Lemanskiy A. P. Eksperimentalniye issledovaniya deformativnykh svoistv shchebnya fraktsii 25.60 mm v laboratornykh usloviyakh [Experimental studies of stress-strain behavior 25.60 mm grain size crushed stone in laboratory conditions]. Proceedings of VNIIZhT, 2003, no. 5, pp. 20-23. (In Russian)
18. Margotiyev A. N. Otsenka prochnosty ballastnogo sloya i zemlyanogo polotna po predelnomu sostoyaniyu [The assessment of limit-state durability of the ballast bed and subgrade]. Moscow, Transport Publ., 1970, 149 p. (In Russian)
19. Margotiyev A. N. Raschet predelnogo davleniya shpaly na ballast iz usloviy prochnosty osnovnoy ploshchadky zemlyanogo polotna [Calculation of extreme pressure of a sleeper on ballast based on top of subgrade strength conditions]. Raschet i konstruirovaniye ballast-noy pryzmy zheleznodorozhnogo puty [Calculation and construction of ballast section of the track]. Proceedings of the Central Research Institute of the Ministry of Railway Transport, 1970, vol. 387, pp. 113-120. (In Russian)
*КОЛОС Алексей Федорович - канд. техн. наук, заведующий кафедрой, kolos2004@inbox.ru; ШЕХТМАН Евгений Иосифович - д-р воен. наук, профессор; ГОВОРОВ Вадим Владимирович - д-р техн. наук, профессор (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I); СТОЯНОВИЧ Геннадий Михайлович - д-р техн. наук, профессор (Дальневосточный государственный университет путей сообщения); АНДРЕЕВА Людмила Александровна - заместитель директора по науке (Проектный и научно-исследовательский институт промышленного транспорта (ПромтрансНИИпроект).
