CC BY
51
УДК 625.12:624.131.55 Смолин Юрий Петрович,
д. т. н., профессор кафедры «Геология, основания и фундаменты», Сибирский государственный университет путей сообщения (СГУПС), тел. +7 (383) 328-04-69, +7-913-900-0210, e-mail: [email protected]
Востриков Константин Владимирович, аспирант кафедры «Геология, основания и фундаменты», ведущий инженер НИЛ «Геология, основания, фундаменты и земляное полотно» СГУПС, тел. +7 (383) 328-03-98, +7-923-104-4704, e-mail: [email protected]
УЧЕТ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ УСИЛЕНИЯ ДЕФОРМИРУЮЩЕГОСЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА МЕТОДОМ НАПОРНОЙ ИНЪЕКЦИИ
U.P. Smolin, K. V. Vostrikov
ACCOUNT OF DYNAMIC LOADS WHEN DESIGNING REINFORCEMENT OF DEFORMABLE RAILWAY EMBANKMENTS WITH PRESSURE GROUTING
Аннотация. В статье описываются результаты исследования динамического воздействия поездной нагрузки на железнодорожную насыпь, закрепленную напорной инъекцией. Описана методика расчета устойчивости насыпи при проектировании усиления ее методом напорной инъекции.
Ключевые слова: земляное полотно, динамическое воздействие железнодорожного транспорта, напорная инъекция, датчик виброускорения, динамическая прочность грунта, устойчивость железнодорожной насыпи.
Abstract. The paper presents the results of a research of dynamic influence of a rolling stock on a subgrade reinforced by pressure injection. The calculation method of stability of embankment at designing of his reinforcement by pressure injections is described.
Keywords: railroad, dynamic influence, pressure injection, accelerometer, dynamic strength of the soil, stability of railway embankment.
За время эксплуатации железнодорожное земляное полотно подвергается влиянию различных негативных факторов (переувлажнения атмосферными и талыми водами, попеременное промерзание и оттаивание и т. п.), одним из которых является вибродинамическое воздействие поездов. Такое воздействие является одной из основных причин развития деформаций верхнего строения и основной площадки пути за счет снижения физических свойств грунтов земляного полотна на величину до 20-30 % [1-3] и непосредственно за счет действия инерционных сил.
Наиболее опасным видом существующих деформаций земляного полотна можно считать потерю устойчивости откосов, так как зачастую
она происходит мгновенно и на больших по протяженности участках, при этом в оползающий откос вовлекается большой объем грунта.
Для предотвращения разрушений и стабилизации деформаций на потенциально опасных участках земляного полотна применяются специальные инженерные мероприятия. Наиболее распространенными в настоящее время являются такие способы повышения устойчивости откосов земляного полотна, как механическое укрепление откосов (устройство контрбанкетов, контрфорсов, удерживающих стен, анкерных удерживающих конструкций) и инъецирование в грунт вяжущих растворов или смол. Сущность инъекционных способов, в отличие от механического укрепления, заключается в повышении физическо-механических свойств грунтов. Одним из таких способов является метод напорной инъекции це-ментно-песчано-глинистого раствора, при реализации которого происходит уплотнению грунта за счет нарушения сплошности в виде щелевидных разрывов, заполняемых инъектируемым раствором. Образующиеся после набора раствором прочности жесткие включения и линзы дополнительно армируют грунтовый массив [4].
Анализ научных источников и нормативной литературы показал, что закономерности колебательного процесса, а также оценка прочности и устойчивости закрепленных напорной инъекцией насыпей при вибродинамических воздействиях на них подвижной нагрузки до настоящего времени изучены недостаточно.
Так как указанный способ усиления земляного полотна уже реализован на ряде участков Западно-Сибирской и Забайкальской железных дорог, то авторы поставили задачу исследования устойчивости закрепленных железнодорожных
насыпей путем проведения комплекса экспериментальных полевых, лабораторных и теоретических исследований динамических параметров в грунтах откосных частей указанных насыпей. Задача исследования становится особенно актуальной в связи с дальнейшим развитием железнодорожного транспорта, связанным с ростом скоростей движения и массы поездов, которое приведет к увеличению вибродинамического воздействия на земляное полотно, и не учет вибродинамического воздействия при назначении параметров усиления земляного полотна может существенно снизить эффект закрепления, что, в свою очередь, повлечет дополнительное снижение эксплуатационных характеристиках пути.
Для достижения поставленной цели был решен комплекс задач, включающий проведение полевых и лабораторных экспериментов, камеральную обработку полученных материалов, а также численное моделирование и сопоставление его результатов с данными натурных замеров.
Комплекс полевых работ был выполнен с целью замера и установления параметров колебаний грунтов на ранее усиленных методом напорной инъекции и эксплуатируемых в настоящее время железнодорожных насыпях: перегоны Большая Речка - Загайново (Алтайский край) и Дедюево - Буреничево (Кемеровская область) Западно-Сибирской железной дороги (рис. 1). При этом для сопоставления результатов замеры дополнительно проводились на расположенном на некотором удалении незакрепленном участке насыпи.
Установка датчиков виброускорения производилась на поверхность откоса и в тело земляного полотна на глубину до 5,0 м, то есть в область наиболее вероятной потери устойчивости откосов в результате динамического воздействия поездной нагрузки.
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Рис. 2. Общий вид платы датчика для замера ускорений колебаний
Время записи сигнала с датчиков соответствовало времени прохождения поезда по опытному участку. Регистрируемый датчиками сигнал оцифровывался 12-разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), откуда поступал на ПК для дальнейшей записи и обработки. Комплект аппаратуры, примененной для измерения ускорений колебаний, представлен на рис. 3.
Рис. 1. Общий вид опытной железнодорожной насыпи В связи со специфическими условиями проведения измерений ускорений колебаний в земляном полотне авторами были изготовлены высокочувствительные двухкомпонентные (измерение в вертикальном Z и горизонтальном X направлениях) пьезоэлектрические низкочастотные датчики виброускорения (рис. 2), выполненные на основе интегральных акселерометров ЛБХЬ 203. Датчики обеспечили регистрацию ускорений малой амплитуды (0,02 м/с2) при регистрируемых частотах от 1 Гц до 200 Гц.
Рис. 3. Комплект аппаратуры, примененной для измерения ускорений колебаний железнодорожных насыпей: 1 - блок питания и усиления сигнала акселерометров; 2 - АЦП Е14-140; 3 - ноутбук с программным обеспечением; 4 - источник питания (аккумуляторная батарея)
Следует отметить, что обработке подвергался не весь записанный сигнал, а только участки с максимальными значениями амплитуд ускорений колебаний. Фрагмент записанного сигнала вертикально направленных ускорений колебаний от грузового поезда представлен на рис. 4, а, спектр его частот - на рис. 4, б.
Системный анализ. Математика. Механика и машиностроение
ш
Выявлено, что для участков максимумов сугналов характерно наличие трех основных гармоник в амплитудно-частотном спектре: первая расположена в диапазоне частот около 7,5 Гц, вторая (максимальная) в диапазоне около 54 Гц, третья - 100 Гц.
а)
б)
/I
Рис. 4. Фрагмент записанного сигнала вертикально направленных ускорений колебаний (а), спектр частот записанного сигнала вертикально направленных ускорений колебаний (б)
С целью оценки величины ускорений колебаний в зависимости от скоростей движения и сбора данных о нагрузках на ось подвижных составов использовались магнитные датчики деформаций, крепление которых осуществлялось к шейке рельса. По результатам экспериментов установлена прямолинейная зависимость между скоростью (в замеренном диапазоне) и величинами ускорений колебаний в горизонтальном и вертикальном направлениях. В результате статистической обработки записанных данных получены следующие выводы:
- средний диапазон частот максимумов вертикально и горизонтально направленных ускорений колебаний поперек оси пути на закрепленном участке насыпи составил 41±5,63 Гц;
- средний диапазон частот максимумов вертикально и горизонтально направленных ускорений колебаний поперек оси пути на незакрепленном участке насыпи составил 38±5,27 Гц;
- замеренные величины результирующих ускорений колебаний в уровне основной площадки пути на закрепленном и незакрепленном участках практически совпадают и составляют в среднем 1,74 м/с2.
На основании экспериментальных данных получена функция распределения амплитуд ускорения колебаний грунта в теле земляного полотна в зависимости от величины ускорения в уровне основной площадки пути
ау. = а • е- • Ц • ^ • (V -15) • ^ • (Р - 55)• 10-
где а0 - результирующее ускорение колебаний в уровне основной площадки пути, м/с2; 3 - результирующий коэффициент загасания ускорений колебаний по глубине; г - глубина расположения точки, для которой вычисляется ускорение (измеряется от точки замера а0), м; V - скорость подвижного состава, км/ч; Р - нагрузка на ось подвижного состава, кН; к1 - коэффициент, учитывающий скорость движения подвижного состава; к2 - коэффициент, учитывающий величину осевой нагрузки; Ь - полином Лагранжа.
Закономерность распределения ускорений колебаний по поперечному сечению насыпи при прохождении поезда по одному пути аппроксимируется полиномом Лагранжа:
Ц(г) = 0,01 [а • (г -1) • (г - 2) • (г - 3) • (г - 4) • (г - 5) + +Ь • г • (г - 2) • (г - 3) • (г - 4) • (г - 5) --с • г • (г -1) • (г - 3) • (г - 4) • (г - 5) +
+ё • г • (г -1) • (г - 4) • (г - 5) --е • г • (г -1) • (г - 2) • (г - 3) • (г - 5) + +/ • г • (г -1) • (г - 2) • (г - 3) • (г - 4)], где t - параметр, выражающийся через расстояние от оси железнодорожного пути х, м:
X
= А'
где х - расстояние от оси пути до рассматриваемой точки, м; А - параметр, определяемый в ходе подбора функции Лагранжа.
Таким образом было установлено, что закрепление насыпи методом напорной инъекции цементно-песчано-глинистого раствора практически не оказывает влияния на изменение величины ускорений колебаний в уровне основной площадки пути, однако приводит к более интенсивному загасанию амплитуд ускорений колебаний в сравнении с незакрепленной насыпью, как по глубине земляного полотна, так и в горизонтальном направлении в сторону откосной части. Установлено, что ускорения колебаний на глубине более 6,0 м от уровня подошвы шпал практически полностью загасают и не оказывают существенного влияния на снижение устойчивости откосов насыпей.
Для подтверждения полученных закономерностей в программном комплексе Plaxis методом конечных элементов был выполнен сравнительный анализ полученных в ходе проведения полевого эксперимента результатов. В качестве исходных данных задавались величина поездной нагрузки и соответствующая ей реальная записанная при прохождении поезда акселерограмма. При создании расчетной схемы также задавались полученные при инженерно-геологическом обследовании насыпи характеристики грунта: р, Е, с, V, ф. Скорость распространения волны сжатия Vp, волны сдвига Vs и волн Рэлея в упругой среде в ограниченном одномерном теле вычислялась по формулам [5]
V = Е • V = £ • V = о 54V
^ V ' V ' * V С1 + -)(! - 2у)Р ' Р'
где О - модуль сдвига грунта.
Для определения степени достоверности полученной в Plaxis картины распределения ускорений колебаний производилось сопоставление расчетной и замеренной в уровне основной площадки акселерограмм, при этом основным показателем является среднеквадратичное значение (аш$) результирующих ускорений колебаний в уровне основной площадки (рис. 5).
Из рис. 5 видно, что вычисленная и реальная акселерограммы достаточно хорошо совпадают,
при этом значения аРМ5 расходятся не более чем на 8 %. Это говорит о корректности использования результатов расчета МКЭ для проведения дополнительного анализа динамического воздействия подвижного состава на земляное полотно. Распределение ускорений в поперечном сечении упрочненного и неупрочненного земляного полотна представлено на рис. 6.
Рис. 5. Сопоставление расчетной (пунктир) и замеренной в процессе полевых экспериментов в уровне основной площадки акселерограмм
а) ........
б)
ТО?
Рис. 6. Распределение ускорений в поперечном сечении незакрепленного (а) и закрепленного (б) земляного полотна
При проектировании усиления деформирующегося железнодорожного земляного полотна методом напорной инъекции с учетом вибродинамического воздействия подвижного состава расчеты прочности и устойчивости целесообразно производить инженерными методами (например, модифицированным методом круглоцилиндрических
поверхностей скольжения). Методика проектирования заключается в учете инерционной силы I, возникающей в насыпи при движении поезда, и временного снижения прочностных характеристик грунта. В общем случае величина инерционной силы определяется по формуле
у- а
I = р-а = :
ё
где р, у - плотность и удельный вес грунта соответственно, кН/м3; а - модуль ускорения колебаний в рассматриваемой точке земляного полотна, м/с2; g - ускорение силы тяжести, м/с2.
В случае расчета устойчивости насыпи место приложения вектора инерционной силы расположено в центре тяжести элементарного отсека, направление ее принимается параллельно поверхности смещения призмы обрушения, а величина соответствует среднему значению по результатам вычисления ускорений в п гранях отсека (рис. 7).
Рис. 7. Предлагаемая схема действия сил при оценке устойчивости откосов с учетом динамической поездной нагрузки
Для определения степени снижения прочности закрепленного грунта, в зависимости от величины ускорений колебаний, в лабораторных условиях был проведен обширный комплекс экспериментов, для чего была разработана конструкция прибора трехосного сжатия с возможностью приложения дополнительной динамической составляющей. Принципиальная схема конструкции и основные составные элементы прибора представлена на рис. 8.
Принцип работы указанного устройства заключается в следующем: динамическое воздействие на образец создается вращаемой электродвигателем 1 эксцентриковой муфтой 2, которая через вертикально установленный подпружиненный стержень 3 передает осевое давление на нижнюю поверхность испытуемого образца грунта 4. С противоположной стороны давление на образец грунта 4 передается через поршень 6 при помощи съемной металлической рамки 5, нагрузка на которую прикладывается с помощью специального нагрузочного устройства. Для того чтобы вертикальная статическая нагрузка сама не воспринимала инерцию от вибрации, она передается через металлическую пружину 11.
Р (угтройстбо погружения/ Рис. 8. Принципиальная схема динамического стабилометра (а) и общий вид установки для динамического испытания образцов грунта (б): 1 - электродвигатель, 2 - эксцентриковая муфта, 3 - подпружиненный стержень, 4 - испытуемый образец грунта, 5 - съемная металлическая рамка, 6 - поршень, 7 - динамометр, 8, 9 - тензометрические датчики перемещений, 10 - датчик бокового давления, 11 - металлическая пружина, 12 - индикатор перемещений, 13 - механизм «винт - гайка»
Измерение осевого статического давления (о1), передаваемого на образец грунта, производилось с помощью динамометра 7, установленного между нагрузочной рамкой 5 и поршнем 6. Контроль бокового статического и динамического давлений (о3) в рабочей камере стабилометра осуществлялся при помощи месдозы 10, воспринимающей давление от воды, находящейся в камере. Постоянство бокового давления в камере поддерживалось при помощи конусного регулировочного болта. Регистрация пульсации усилий, возникающих при динамическом нагружении образца 4, осуществлялась тензометрическим датчиком виброперемещений 8, установленным на упругий элемент динамометра 7. Величины вертикальных деформаций испытуемого образца фиксировались с помощью индикаторов перемещений 12.
Испытания проводились на пылеватых во-донасыщенных суглинках (Же = 0,25; = 0,31; Жр = 0,19; е = 0,718), наиболее часто встречающихся при обследовании насыпей Западной Сибири в качестве слабого прослоя. Интервал ускорений колебаний при испытаниях незначительно превышал замеренные в полевых экспериментах величины и принимался с учетом перспективы развития ж.-д. транспорта). Частота колебаний в опытах принималась неизменной и равной 47 Гц,
так как ранее уже доказано, что изменение частоты приложения вибродинамической нагрузки в рассматриваемом для пылевато-глинистых грунтов диапазоне прпктически не влияет на величину относительного снижения угла внутреннего трения и удельного сцепления [6]. Лабораторные испытания производились по неконсолидированно-недренированной схеме. Такая схема испытаний связана с реальными условиями воздействия на образец поездной динамической нагрузки - вследствие кратковременного ее воздействия вода не успевает отжиматься из пор, и процесс консили-дации в течение короткого промежутка времени также не может быть закончен.
Первым этапом испытаний явилось предварительное изготовление из пасты образцов цилиндрической формы из незакрепленного и закрепленного грунта с требуемыми физическими свойствами (плотность скелета, влажность, консистенция) путем введения в грунт нарушенной структуры заранее рассчитанного количества цементно-песчаного раствора. Размеры испытуемого образца составляли: диаметр В = 40 мм, высота к = 80 мм. Для изготовления образцов использовался грунт, отобранный из земляного полотна железнодорожной насыпи перегона Дедюево - Буреничево в процессе проходки шурфа при установке датчиков ускорений. Далее в лабораторных условиях производилось повышение влажности отобранного грунта до консистенции, соответствующей консистенции до реализации мероприятий по усилению. Затем производился расчет и внедрение в часть грунтовой пасты требуемого количества цементно-песчаной смеси. Исходными данными для подготовки состава цементно-песчаной смеси явились установленные ранее [4] оптимальные состав и рецептура смеси из расчета на 1 м3 закрепляемого грунта: песок - 1000 кг, цемент -200 кг, пластификатор - 1,5 кг. Испытания проводились для шести типов закрепления. Тщательно перемешанную массу незакрепленного грунта помещали в эксикатор на трое суток для распределения влажности и далее в приборе стандартного уплотнения «СоюздорНИИ» доводили ее до требуемой плотности. Грунт, тщательно смешанный с цементно-песчаной смесью, наоборот, вначале уплотнялся в приборе стандартного уплотнения, а затем на 28 суток помещался в эксикатор до полного набора образцом прочности. Далее производилось повторное определение физических характеристик и испытание образцов.
В результате выполнения серии экспериментов установлены закономерности изменения прочности грунта в зависимости от интенсивности вибродинамического воздействия и количества цементно-песчаной суспензии, введенной в грунт:
- для удельного сцепления
Сдин __1_ .
С Г-1 , А А11 -10,29Р 1,8 "I2 '
Сст I 1 + 0,033 - е - а
- для угла внутреннего трения
1
tgq>T 1 + 0,55 (0,25a )! - для модуля деформации
Е
'дин _ g-0,228e-5,70Ра
К,
где а - ускорение колебаний, м/с2; Р - количество закрепляющей суспензии, д. е.
Выявлено, что после закрепления грунта его удельное сцепление в статических условиях увеличивается на значительную величину (25-30 %), при этом угол внутреннего трения увеличивается незначительно. Также установлено, что с ростом динамического воздействия происходит значительное снижение прочностных характеристик грунта, при этом для угла внутреннего трения интенсивность снижения практически не зависит от объема внедряемой смеси. Выявлено, что зависимость снижения модуля деформации грунтов носит экспоненциальный характер.
Рост массы, длины и скорости движения поездов вызовет увеличение упругих деформаций пути, что также повлияет на снижение эксплуатационных характеристик пути и потребует инженерных мероприятий. Для изучения степени эффективности применения способа напорной инъекции в увеличении жесткости грунта ниже конструкции пути при проведении лабораторных экспериментов попутно производилось определение модуля упругости закрепленного грунта. Сущность испытания здесь заключалась в моделировании реального напряженно-деформированного состояния грунта, которое он испытывает при прохождении поезда через расчетное сечение насыпи (рис. 9), то есть траектория нагружения образца соответствовала реальным циклам обращения поездов.
f(a„„) fía,) fia„..) f(a,.,„)
Рис. 9. Схема испытания грунта при определении его модуля упругости по результатам стабилометрических испытаний: I - гидростатическое давление и давление от собственного веса вышележащих грунтов; II - давление от статической и динамической поездной нагрузки;
III - разрушающая нагрузка
Сначала в рабочей камере стабилометра создавалось гидростатическое давление. Далее про-
изводилось увеличение осевого давления до величины соответствующего ему бокового давления. Затем моделировались наезд поезда и приложение дополнительного динамического давления. Далее следовал отдых образца в течение 10 мин. и повторение цикла наездов поезда. По результатам такого типа испытаний были получены значения модулей упругости, соответствующие реальным условиям работы грунта в земляном полотне.
Таким образом, полученные в ходе исследований результаты позволяют в каждой точке слабой зоны поперечного сечения насыпи назначить необходимый объем закрепляющего раствора. С целью повышения производительности рабочей бригады и технологичности работ по усилению предусматривается укрупнение зон и окончательное принятие решение о требуемом количестве инъецируемого раствора.
Расчеты, выполненные по описанной методике, позволили более эффективно назначить и распределить объемы инъецируемого раствора при усилении деформирующегося земляного полотна на ряде участков пути Красноярской железной дороги.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Прокудин И. В. Колебания глинистых грунтов земляного полотна при высокоскоростном движении поездов // Вопросы земляного полотна и геотехники на железнодорожном транспорте : сб. научн. тр. ДИИТ-Днепропетровск, 1979. Вып. 203/28. С. 43-50.
2. Стоянович Г. М., Прокудин И. В., Черников А. К. Расчет устойчивости и прочности железнодорожного земляного полотна при вибрационном воздействии подвижного состава : метод. пособие. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 1999. 83 с.
3. Смолин Ю. П. Прочность железнодорожных насыпей, сложенных мелкозернистыми и пыле-ватыми песками, воспринимающими динамическое воздействие от подвижного состава : дис. ... докт. техн. наук. СПб.: ПГУПС, 2005. 272 с.
4. Ланис А. Л. Использование метода напорной инъекции при усилении земляного полотна железных дорог : дис. . канд. техн. наук. М. : МГУПС, 2009. 152 с.
5. Инструкция по учету сейсмических воздействии при проектировании горных транспортных тоннелей. ВСН 193-81: Утв. Главн. техн. управлением 01.10.1981. М. : Минтрансстрой СССР, 2009.
6. Жинкин Г. Н., Прокудин И. В. Результаты лабораторных исследований прочностных характеристик глинистых грунтов при динамических нагрузках // Вопросы проектирования и сооружения железнодорожного земляного полотна : сб. тр. Л. : ЛИИЖТ, 1975. Вып. 387. С. 3-51.
