CC BY
158
УДК 625.1/.5
А. Ф. Колос, П. А. Чистяков, А. С. Леус, Е. И. Шехтман, В. И. Штыков
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ЗЕРЕН ЩЕБЕНОЧНОГО БАЛЛАСТА НА ЕГО ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА
Дата поступления: 05.10.2017 Решение о публикации: 28.1 1.2017
Аннотация
Цель: Оценить влияние формы зерна щебня в балластном слое железнодорожного пути, воспринимающем динамическое воздействие от движущихся поездов, на его прочностные свойства - удельное зацепление и угол внутреннего трения. Методы: Проведены лабораторные трехосные испытания щебеночного балласта фракции 25-60 мм с различными формами зерна в приборе трехосного нагружения по методике консолидированно-недре-нированных испытаний. Результаты: Получены значения удельного зацепления и угла внутреннего трения щебеночного балласта при различных степенях окатанности зерен щебня. Данные испытаний показывают наибольшее влияние формы зерна щебня на его удельное зацепление, которое в отдельных сериях испытаний снижалось на 60-70 % в зависимости от степени окатанности зерен. Практическая значимость: Получены новые результаты, которые позволяют нормировать количество очищенного щебня, возвращаемого в путь при глубокой очистке, в зависимости от степени окатанности его зерен.
Ключевые слова: Балластный слой, щебень, щебеночный балласт, балластная призма, удельное зацепление щебня, угол внутреннего трения щебня, смесь нового и очищенного щебня.
*Alexey F. Kolos, Cand. Sci. Eng., associate professor, head of a chair, kolos2004@inbox. ru; Pavel A. Chistyakov, postgraduate student; Alexey S. Leus, postgraduate student; Yev-geniy I. Shekhtman, D. Sci. Eng., professor; Valeriy I. Shtykov, D. Sci. Eng., professor (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) INFLUENCE OF BALLAST GRAIN SHAPE ON ITS STRENGTH PROPERTIES
Summary
Objective: To assess the influence of grain shape in railroad ballast, taking dynamic impact of moving trains, on its strength properties - unit bite and the angle of internal friction. Methods: Laboratory compression tests of 25-60 mm fracture ballast stone were carried out with different shapes of grains in a triaxial compression tool by the method of consolidated R-tests. Results: The values of ballast stone unit bite and the angle of internal friction with a different degree of grain rounding were obtained. Test findings demonstrate major effect of ballast stone grain shape on its unit bite, which reduced up to 60-70 % in certain trials depending on the degree of grain rounding. Practical importance: New results were obtained which make it possible to specify
the amount of reclaimed ballast, returned to track after fine cleaning, depending on the degree of grain rounding.
Keywords: Ballast bed, crushed ballast, ballast stone, ballast section, ballast unit bite, angle of internal friction of crushed ballast, a mixture of new and reclaimed ballast.
Надежность работы балластного слоя железнодорожного пути определяется его несущей способностью. Несущая способность балласта зависит от уровня динамического воздействия, характеристики балласта и его основания. Основными свойствами щебеночного балласта, влияющими на его несущую способность, являются его прочностные характеристики - удельное сцепление с и угол внутреннего трения ф. Прочностные характеристики балласта зависят от его гранулометрического состава, плотности, окатанно-сти, загрязненности и других факторов. Изменение этих свойств в процессе работы щебёночного балласта в пути будет определять величину несущей способности.
Известно множество экспериментальных работ, посвященных изучению прочностных свойств щебня для балластного слоя железнодорожного пути. В основном эти исследования выполнены с помощью приборов трехосного нагружения [1-3]. Множество исследований посвящено изучению влияния различных факторов на снижение прочностных свойств щебеночного балласта [4]. Такими факторами являются:
• накопление в балластном слое мелких фракций, образующихся за счет образования продуктов собственного дробления [5];
• инфильтрация в балластный слой мелких частиц с поверхности на участках перевозки сыпучих грузов или загрязнение балластной призмы за счет инфильтрации продуктов износа железобетонных шпал;
• инфильтрация пылевато-глинистых частиц из нижележащих слоев под балластной призмой в толщу балластного слоя;
• скалывание острых угловатых граней зерен щебня под действием периодически действующей динамической нагрузки от движущихся поездов, что придает им более округлую (окатанную) форму;
• действие вибродинамической нагрузки, передающейся балластному слою железнодорожного пути, сопровождающееся снижением количества контактов между частицами за счет их колебаний, которое снижает силы трения и зацепления, способствующие уменьшению несущей способности балластной призмы [6-9].
Цель нашего исследования - выяснить влияние окатанности зёрен щебня на его прочностные свойства. Окатанность зёрен щебня моделировали путем его обработки в полочном барабане.
Прочностные свойства балласта исследовали с помощью трёхосного сжатия в камере стабилометра по методике консолидированно-недрениро-
ванных испытаний при максимально возможной скорости разрушения образца. Испытания проводили в стабилометре STX-600 (рис. 1) и вакуумном стабилометре конструкции ЛИИЖТа (рис. 2) в соответствии с действующими национальными стандартами, в частности, ГОСТ 12248-2010 [10]. Боковое давление на образец о3 задавали 40, 60 и 80 кПа.
Рис. 1. Принципиальная схема трехосевой системы циклических испытаний БТХ-600: 1 - силовая рама; 2 - камера стабилометра; 3 - блок контроля всестороннего давления в камере стабилометра; 4 - блок сбора данных; 5 - персональный компьютер
с программным обеспечением
Рис. 2. Конструкция вакуумного стабилометра для испытаний щебня: 1 - пульт управления; 2 - электродвигатель; 3 - редуктор; 4 - динамометр; 5 - цифровой блок; 6 - образец щебня в резиновой оболочке; 7 - насос; 8 - ресивер; 9 - вакуумметр
Образцы для испытаний изготавливали из щебня II категории по ГОСТ 7392-2014 [11]. Плотность образцов изменялась в диапазоне 1,54-1,62 г/см 3. В образцах использовали новый щебень и щебень, прошедший обработку в полочном барабане.
Для определения разрушающего давления на образец строили зависимости относительной деформации образца X от девиатора напряжений д = о1 - о3, где о1 - наибольшее главное напряжение (нагрузка, передаваемая на образец по вертикали), о3 - наименьшее главное напряжение (боковое давление на образец).
Частные значения удельного сцепления и угла внутреннего трения щебня определяли по формулам
N.. - 1
18ф' = Щ'
с = м
Значения коэффициентов N и М вычисляли по формулам
» к к к И , к • Ь /-1СТ1,< • - Ь,,1СТ1,< • Ь,.1СТ3,/ .
к •Ьк^ )2 - (£ )2 '
1 С к к \
= } к
VI =1 I =1
где к - число определений, принятое в ходе экспериментов не менее трех (при разных величинах бокового давления).
При этом определяли их по методу наименьших квадратов по результатам не менее трех определений разрушающих давлений о1 в камере стаби-лометра при разных значениях бокового всестороннего давления о3.
По найденным частным значениям С и ф вычисляли их среднюю величину по формуле
- 1 п X = X=-ЬХ,
п1=1
где п - число определений характеристики, принималось равным не менее 3; X. - частные значения характеристики, получаемые по результатам отдельных опытов.
Далее находили среднеквадратичное отклонение этих величин от среднего, 5Г и 5 по формуле
X - X > V • 5,
(1)
где V - статистический критерий, принимаемый в зависимости от числа определений п по таблицам, приведенным в приложении Е ГОСТ 20522 [12]; 5 - среднеквадратическое отклонение характеристики, вычисляемое по формуле
По формуле (1) производили статистическую проверку, чтобы исключить возможные ошибки в величине удельного сцепления и угла внутреннего трения. На следующем этапе определяли коэффициент вариации по формуле
Если значение коэффициента вариации для С и ф по отдельности не превышало 0,30, результаты экспериментов признавали достоверными.
На рис. 3 приведен пример обработки результатов экспериментов по определению удельного сцепления и угла внутреннего трения для нового гранитного щебня II категории с построением кругов Мора и огибающей, характеризующей предельное напряженное состояние испытываемых образцов.
В табл. 1 приведены сводные данные по определению прочностных свойств нового щебеночного балласта.
Для оценки степени влияния окатанности зёрен щебня на прочностные характеристики новый щебень обрабатывали в полочном барабане при 100, 200, 500 и 800 оборотах. Из окатанного щебня изготавливали образцы для испытаний, при этом фракционный состав образцов нового и окатанного щебня был идентичен. Характеристики образцов приведены в табл. 2.
На рис. 4 сопоставлены изменения девиатора напряжений в образце грунта при разной степени обработки образца щебеночного балласта в полочном барабане при одинаковой величине всестороннего бокового давления, о3.
Анализ рис. 4 позволяет сделать вывод, что появление в щебеночном балласте окатанных зерен уменьшает разрушающее давление на образец щебня. При этом щебень с более окатанными ребрами показывает более низкие значения разрушающей величины девиатора напряжений при прочих равных условиях. Образец из нового щебня при боковом давлении 40 кПа разрушается в камере стабилометра при величине девиатора напряжений 662 кПа. Об-
Рис. 3. Обработка результатов экспериментов по определению прочностных характеристик щебеночного балласта. Круги Мора и огибающая предельного напряженного состояния образцов построены по результатам обработки
экспериментальных данных
ТАБЛИЦА 1. Сводные результаты определения удельного сцепления и угла внутреннего трения нового щебеночного балласта в сериях испытаний
Шифры серий испытания Плотность образцов, г/см3 Прочностные свойства щебня
Удельное сцепление С, кПа Угол внутреннего трения ф, град.
TS1 1,60-1,62 55 52,4
TS2 1,59-1,61 58 49,8
TS3 1,58-1,62 65 52,6
TS4 1,59-1,61 55 52,4
TS5 1,59-1,62 59 52,3
TS6 1,57-1,60 61 52,8
TS7 1,59-1,61 50 50,8
TS8 1,58-1,60 55 52,4
Среднее значение, X 57 51,9
Среднеквадратическое отклонение, 5* 4,56 1,06
Коэффициент вариации, V 0,08 0,02
ТАБЛИЦА 2. Характеристика окатанного (очищенного) щебня II категории по ГОСТ 7392-2014 [11] для проведения трехосных испытаний
Порода, шифры серий испытания Фракционный состав, мм, масс. % Количество оборотов в полочном барабане Плотность образцов, г/см 3
Гранит 0^9) 60-70 мм - 4,2 % 40-60 мм - 61,1 % 25-40 мм - 34,7 % 100 1,59-1,61
Гранит (Ш0) 60-70 мм - 3,2 % 40-60 мм - 58,6 % 25-40 мм - 38,2 % 200 1,56-1,62
Гранит СШ1) 60-70 мм - 4,8 % 40-60 мм - 64,6 % 25-40 мм - 30,6 % 500 1,57-1,59
Гранит (Ш2) 60-70 мм - 3,0 % 40-60 мм - 55,7 % 25-40 мм - 41,3 % 800 1,55-1,60
разец щебня, прошедший обработку в полочном барабане при 200 оборотах, характеризуется разрушающим девиатором в 435 кПа, а при 800 оборотах -340 кПа. Таким образом, в первом случае разрушающая нагрузка оказалась в 1,5 раза меньше, а во втором - в 1,9 раза ниже по сравнению с новым щебнем. Это свидетельствует, что прочностные свойства окатанного щебня будут значительно ниже, чем у нового.
В табл. 3 приведены результаты определения прочностных свойств окатанного щебня при действии статической нагрузки. По данным табл. 3 построены графики зависимостей, отражающие изменение прочностных свойств щебеночного балласта в зависимости от степени его окатанности (рис. 5).
Из полученных данных видно выраженную функциональную зависимость между степенью окатанности зёрен щебня и его удельным сцеплением. Функциональная зависимость и коэффициент детерминации приведены на рис. 5. Также из графика следует, что по мере приближения зёрен щебня к полуокруглой и округлой форме сцепление щебня снижается практически до нуля. Если новый щебень по графику характеризуется удельным сцеплением С, равным 55 кПа, то очищенный щебень после обработки в полочном барабане при 800 оборотах имеет сцепление 9 кПа, т. е. в 6 раз меньше.
В отношении угла внутреннего трения можно сделать вывод, что с увеличением степени окатанности ф практически не изменяется. Коэффициент вариации полученных значений составляет 0,03.
Укладка в путь при ремонте смеси из нового и очищенного щебня позволяет обеспечить соответствие материала требованиям ГОСТ 7392-2014 [11]. В настоящем исследовании изучены прочностные характеристики сме-
6.0 8.0 10.0 Относительная деформация, Я %
а
б
Гранитный щебень II категории по ГОСТ 7392 Месторождение "Жипхегенское" Плотность образца 1,55-1,62 г/см3 Боковое давление в камере стабилометра - 60 кПа. Режим испытания - статический Скорость на гружен ия -1 мм/сек Степень обработки образца: 1 - новый щебень 2 - истирание в барабане 200 оборотов 4 - истирание в барабане 800 оборотов
8.0 10.0 12.0 Относительная деформация, Я %
Рис. 4. Кривые разрушения образцов щебня в камере трехосного нагружения при разной степени обработки образцов балласта в полочном барабане при боковом давлении в камере стабилометра 40 (а) и 60 (б) кПа
I 40.00
ю ш
^ 35.00
HJ
S
Ш 30.00 ^
с ш
=Г 25.00
и
01
° 20.00 Л
с:
О)
С[ 15.00
55
46
С = 1,5К2 - 22, R2 = 0,91 21 iv
9К + 79,2 554
[9]
100 200 300 400 500 600 700 Количество оборотов в полочном барабане, ед.
800
60.00
55.00
50.00
га
1
® 45.00
к т 40.00
tu
Э 35.00
tr
S
т
(1) 30.00
Г)
1-
о 25.00
01
1
т
<1! 20.00
п
_L 15.00
с;
о
* 10.00
5.00
0.00
52.4 á
<
_____ ► 51.2 4 »50.7 55.4
100
200
300
400
500
600
700
800
Количество оборотов в полочном барабане, ед.
Рис. 5. Прочностные свойства щебня при разной степени обработки щебня в полочном барабане: а) удельное сцепление щебня; б) угол внутреннего трения щебня
а
б
сей нового и очищенного щебня, определяющие несущую способность балластной призмы, сложенной смесями щебня. Смеси для испытаний формировались из щебня II категории по ГОСТ 7392-2014 [11] в соотношении по мас-
ТАБЛИЦА 3. Сводные результаты определения удельного сцепления и угла внутреннего трения щебеночного балласта в сериях испытаний с разной степенью окатанности
Порода, шифры серий испытания Количество оборотов в полочном барабане Прочностные свойства щебня
Удельное сцепление С, кПа Угол внутреннего трения ф, град.
Гранит, TS8 -новый щебень - 55 52,4
Гранит, TS9 100 51 50,6
Гранит, TS10 200 46 51,2
Гранит, TS11 500 21 50,7
Гранит, TS12 800 9 55,4
се нового и очищенного щебня, соответственно, 70 и 30 %, 50 и 50, 30 и 70 %. В качестве очищенного балласта применяли гранитный щебень II категории, прошедший истирание в полочном барабане при 200, 500 и 800 оборотах.
В табл. 4 приведены результаты определения прочностных характеристик смесей нового и очищенного щебня.
ТАБЛИЦА 4. Удельное сцепление и угол внутреннего трения смесей из нового и очищенного гранитного щебня II категории по ГОСТ 7392-2014 [11]
Прочностные характеристики Класс очищенного щебня по окатанности
200 оборотов 500 оборотов 800 оборотов
Процентное соотношение в смеси нового (числитель) и очищенного (знаменатель) щебня, %
70/30 50/50 30/70 70/30 50/50 30/70 70/30 50/50 30/70
С, кПа 56 57 51 40 31 19 27 20 6
ф, град. 50,5 48,6 51,6 49,3 48,0 48,5 51,6 52,1 53,2
Результаты, приведенные в табл. 4, свидетельствуют, что угол внутреннего трения практически не зависит от степени окатанности зерен щебеночного балласта и в среднем колеблется от 48° до 53°. В отношении удельного сцепления также сделан вывод, отражающий выявленную ранее закономерность: чем больше степень окатанности щебеночного балласта, тем ниже его удельное сцепление. Можно убедиться, что после обработки нового щебня в барабане при 800 оборотах удельное сцепление щебеночного балласта, сформированного из 30 % нового и 70 % очищенного щебня, стремится к нулю.
По результатам исследований можно сделать следующие выводы.
Повышение степени окатанности зерен щебеночного балласта приводит к снижению прочностных свойств щебеночного балласта. Если новый щебень характеризуется величиной сцепления 57 кПа, то щебень после обработки в полочном барабане при 800 оборотах имеет удельное сцепление, практически равное нулю, что, несомненно, скажется на несущей способности балластного слоя.
Степень окатанности зерен практически не влияет на угол внутреннего трения щебня. Среднее значение угла внутреннего трения любого щебня, соответствующего по фракционному составу щебню II категории и имеющему плотность 1,55-1,60 г/см 3, в среднем составляет 51°.
Прочностные характеристики щебеночного балласта, сформированного из нового и очищенного щебня, существенно зависят от начальной степени окатанности очищенного балласта. При использовании в смеси 70 % очищенного щебня и 30 % нового удается обеспечить прочностные свойства щебеночного балласта, близкие к нормативным значениям, установленным для нового щебня. В то же время при любом процентном соотношении нового щебня в смеси с обработанным при 800 оборотах барабана значения удельного сцепления оказываются в 2 и более раз ниже, чем у нового балласта, а при соотношении нового и очищенного щебня 30/70 % величина удельного сцепления при действии статических нагрузок не превышает 6 кПа.
Библиографический список
1. Qian Y. Simulating Ballast Shear Strength from Large-Scale Triaxial Tests. Discrete Element Method / Y. Qian, S. J. Lee, E. Tutumluer, Y. M. A. Hashash // Transp. Res. Rec. -№ 2374. - Р. 126-135.
2. Kumara J. Physical and Mechanical Properties of Sand-Gravel Mixtures Evaluated from DEM Simulation and Laboratory Triaxial Test / J. Kumara, K. Hayano, Y. Shigekuni, K. Sasaki // Int. J. Geomat. - 2013. - Vol. 4, № 2 (Sl. № 8). - Р. 546-551.
3. Ionescu D. Evaluation of the engineering behaviour of railway ballast / D. Ionescu. -Wollongong, 2004. - 440 p.
4. Nalsund R. Railway Ballast Characteristics, Selection Criteria and Performance / R. Nalsund. - Trondheim : Norwegian Univ. Sci. Technol., 2014. - 177 р.
5. Indraratna В. Implications of ballast breakage on ballasted railway track based on numerical modelling / В. Indraratna, S. Nimbalkar // 13th Int. Conf. Int. Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics. - Sydney (Australia), 2011. - Р. 1085-1092.
6. Колос А. Оценка несущей способности железнодорожного балласта и подбал-ластного основания под поездной нагрузкой 300 кН / А. Колос, А. Конон // Труды международной конференции «Проблемы инноваций в геотехнике», Астана, 5-7 августа 2016. -Роттердам : Балкема, 2016. - С. 291-294.
7. Морозова А. Несущая способность подшпального основания железнодорожного пути на участках обращения поездов с осевыми нагрузками до 300 кН : дисс. ... канд. техн. наук / А. Морозова. - СПб. : ПГУПС, 2014. - 184 с.
8. Колос А. Напряженное состояние земляного полотна и железнодорожного балластного слоя при повышенных нагрузках / А. Колос, А. Морозова // Путь и путевое хозяйство. - 2014. - № 7. - С. 13-14.
9. Колос А. Исследование распространения виброускорений частиц балластного слоя в условиях движения поездов с повышенными осевыми нагрузок / А. Колос, А. Морозова // Изв. ПГУПС. - 2014. - Вып. 2 (39). - С. 29-35.
10. ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.
11. ГОСТ 7392-2014. Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути.
12. ГОСТ 20522. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний.
References
1. Qian Y., Lee S. J., Tutumluer E. & Hashash Y. M.A. Simulating Ballast Shear Strength from Large-Scale Triaxial Tests. Discrete Element Method. Transp. Res. Rec., no. 2374, pp.126-135.
2. Kumara J., Hayano K., Shigekuni Y. & Sasaki K. Physical and Mechanical Properties of Sand-Gravel Mixtures Evaluated from DEM Simulation and Laboratory Triaxial Test. Int. J. Geomat., 2013, vol. 4, no. 2 (Sl. no. 8), pp. 546-551.
3. Ionescu D. Evaluation of the engineering behaviour of railway ballast. Wollongong, Univ. Wollogong, 2004, 440 p.
4. Nalsund R. Railway Ballast Characteristics, Selection Criteria and Performance. Trondheim, Norwegian Univ. Sci. Technol. Publ., 2014, 177 р.
5. Indraratna В. & Nimbalkar S. Implications of ballast breakage on ballasted railway track based on numerical modeling. 13th Int. Conf. Int. Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics. Sydney, Australia, 2011, pp. 1085-1092.
6. Kolos A. & Konon A. The assessment of railroad ballast and sub-ballast foundation bearing capacity under train loading of 300 kN [Otsenka nesushey sposobnosty zheleznodorozh-nogo ballasta i podballastnogo osnovaniya pod poyezdnoy nagruzkoy 300 kN]. Proc. int. conf. "The problems of innovations in geotechnical engineering", [Trudy mezhdunarodnoy konfer-entsii "Problemy innovatsiy v geotekhnike"], Astana, August 5-7th, 2016. Rotterdam, Balkema, 2016, pp. 291-294. (In Russian)
7. Morozova A. Bearing capacity of sub-tie foundation of the track at train interchange sections with up to 300 kN axial loading [Nesushaya sposobnost podshpalnogo osnovaniya zheleznodorozhnogo puty na uchastkakh obrasheniya poyezdov s osevymy nagruzkamy do 300 kN]. Diss. ... Cand. Eng. St. Petersburg, PGUPS, 2014, 184 p. (In Russian)
8. Kolos A. & Morozova A. Roadbed and ballast covering stress state under increased loading [Napryazhennoye sostoyaniye zemlyanogo polotna i zheleznodorozhnogo ballastnogo sloya pry povyshennykh nagruzkakh]. Track and track facilities [Put' i putevoye khozyaystvo], 2014, no. 7, pp. 13-14. (In Russian)
9. Kolos A. & Morozova A. The study of propagation of ballast bed particles vibration accelaration under the conditions of train operation with increased axle loading [Issledovaniye rasprostraneniya vibrouskoreniy chastyts ballastnogo sloya v usloviyakh dvyzheniya poyezdov
s povyshennymy osevymy nagruzok]. Proc. Petersburg Transp. Univ. [Izvestiya PGUPS], 2014, is. 2 (39), pp. 29-35. (In Russian)
10. GOST 12248-2010. Grunty. Metody laboratornogo opredeleniya kharakteristik prochnosty i deformiruyemosty [State Standard 12248-2010. Soil. Laboratory methods for determining the strength and deformation characteristics]. (In Russian)
11. State Standard 7392-2014. Consolidated crushed rock for track ballast [GOST 73922014. Sheben iz plotnykh gornykh porod dlya ballastnogo sloya zheleznodorozhnogo puty]. (In Russian)
12. GOST 20522. State Standard 20522. Soil. Statistical treatment of test results [Grunty. Metody statystycheskoy obrabotky rezultatov ispytaniy]. (In Russian)
*КОЛОС Алексей Федорович - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, kolos2004@ inbox.ru; ЧИСТЯКОВ Павел Александрович - аспирант; ЛЕУС Алексей Сергеевич - аспирант; ШЕХТМАН Евгений Иосифович - доктор техн. наук, профессор; ШТЫКОВ Валерий Иванович - доктор техн. наук, профессор (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
