автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Динамические воздействия подвижного состава на основную площадку земляного полотна в зоне рельсовых стыков и меры по их снижению

На правах рукописи

_ д ДОП ^

ЯКОВЛЕВА ЕЛЕНА ВИКТОРОВНА

ДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ОСНОВНУЮ ПЛОЩАДКУ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В ЗОНЕ РЕЛЬСОВЫХ СТЫКОВ И МЕРЫ ПО ИХ СНИЖЕНИЮ"

05.22.06 - Железнодорожный путь

Автореферат диссертации на соискание .ученой степени кандидата технических наук

Москва- 1997 г.

• - 2-

Ргбота выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта.

Научный руководитель - доктор технических нзук, профессор Альбрехт Ьладимир Георгиевич.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Коншин Генрих Георгиевич.

Официальные оппоненты: ;

доктор технических наук, профессор йсгснко Эдуард Петрович;

кандидат технических наук Пешков Петр Григорьевич.

Ведущее предприятие - Московская железная дорога.

Защита состоится в "¿¿¿О^ 1997 г., в 10 чзс. 00 мин. на заседания диссертационного совета Д 114.01.03 Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта, адрес: г.Москва, проезд Русанова, д.2.

Автореферат разослан " т М&Я 1997 г.

С диссертацией можно ознакомиться в филиале Нз2 ЦНТ5 МПС, адрес: 129329, г. Моснбэ, Игарский проезд, д.2, строение 1.

Отзывы на автореферат в дву:: экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 129851, г. Москва, 3-я Мытищинская ул., д. 10, ученому секретарю ВНИИЖГ.

Ученый секретарь диссертационного Совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Решение задач, стоящих перед железнодорожным транспортом в настоящее время и на перспективу требует сокращения протяженности деформирующихся участков земляного полотна. Во многих случаях постоянные и длительно действующие предупреждения об ограничении скоростей движения поездов вызваны неравномерными просадками пути, выплесками. При этом наибольшие деформации железнодорожного пути происходят на участках повышенного динамического воздействия поездной нагрузки, особенно, в зоне рельсовых стыков. Образование этих деформаций связано с деформациями грунтов основной площадки земляного полотна и балластного слоя, которые наиболее восприимчивы к воздействию природных и эксплуатационных факторов, а также вибрационных и динамических силовых воздействий, вызванных наличием в эксплуатируемом пути неровностей различного вида.

Продолжающееся увеличение скорости движения поездов, обращение восьмиосных вагонов, имеющийся в практике перегруз четырехосных вагонов наряду с наличием в эксплуатируемом пути деформаций, накапливающихся со временем, неудовлетворительное водоотведение способствуют ухудшению несущей способности грунтов в зоне основной площадки земляного полотна.

Стратегия научно-технической политики Министерства путей сообщения направлена на улучшение работы всех элементов железнодорожного пути, в том числе основной площадки. В "Основных направлениях развития и социально- экономической политики железнодорожного транспорта до 2005 года" отмечено, что для коренного улучшения состояния основной площадки земляного полотна и балластного слоя необходимы разработка и внедрение технических средств и комплексных технологий, а также

4 ч

высокопроизводительных машин и механизмов по глубокой очистке балластной призмы с усилением зоны основной площадки земляного

полотна. Изменение норм по ширине основной площадки земляного полотна, внедрение различных способов усиления основной площадки позволяют снизить остроту проблемы. Многократно производимые подъемки пути в связи с просадками привели к образованию балластных шапок на земляном полотне, что также способствует уменьшению деформируемости грунтов собственно земляного полотна. Наиболее широкое распространение получает применение нетканого синтетического материала, пенополистироль-ных покрытий, гидроизоляционных пленок, что в целом улучшает состояние земляного полотна. Однако, одной из серьезных проблем остается неравномерность загружения основной площадки на различных участках пути, в том числе в зоне рельсовых стыков, где в результате повышенных динамических воздействий на стыковые шпалы происходит интенсивное накопление остаточных деформаций пути, что, в свою очередь, усиливает нагрузку на примыкающие к стыку участки. Важнейшей задачей для снижения деформаций грунтов в зоне основной площадки является выбор технических решений, обеспечивающих снижение неравномерных как силовых, так и вибрационных, воздействий на основную площадку земляного полотна,.

В соответствии с научно-техническими программами "Разработка и внедрение комплекса методов и способов по обеспечению эксплуатационной надежности земляного полотна железных дорог" (на 1987-1995 гг.) и "Разработка и внедрение комплекса методов, способов, технологий диагностики состояния и усиления земляного полотна и балластного слоя железных дорог Российской Федерации" (на 1994-2000 гг.), утвержденной ЦП МПС 13.12.1994 г., планами научно-исследовательских работ ВНИИЖТа выполняется значительный объем работ.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является разработка технических решений по усилению основной площадки земляного полотна в зоне рельсовых стыков на основе исследований

динамического воздействия подвижного состава и армирующих свойств геотекстильных материалов.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Экспериментальное установление показателей напряженного состояния и вибраций грунтов в зоне основной площадки земляного полотна при диапазоне скоростей движения от 10 до 70 км/ч и осевых нагрузок 4-х осных грузовых вагонов 56, 160, 210, 230, 250, 270, 300 кН/ось, а также при воздействии восьмиосных вагонов.

2. Исследование характера изменения параметров напряженного состояния и вибраций грунтов на уровне основной площадки вдоль пути от стыковых шпал к средней части звена по мере увеличения пропущенного тоннажа во всем диапазоне указанных скоростей движения и нагрузок.

3. Оценка влияния на показатели напряженного состояния и вибрации грунтов основной площадки земляного полотна сочетания неблагоприятных эксплуатационных факторов в стыковой зоне (силовых и геометрических неровностей на рельсовой колее) с последующими стендовыми испытаниями прочностных свойств грунтов при условиях, близких к реально имеющим место в пути.

4. Исследование эффективности усиления основной площадки геотекстильными материалами при указанном диапазоне нагрузок, скоростей движения с ростом пропущенного тоннажа до 50 млн.т.брутго, установление влияния прочностных и деформативных характеристик различных геотекстильных материалов, в том числе стеклопластиков, на их армирующую способность и снижение вибраций.

Научная новизна. 1) Установлена необходимость учета при оценке динамических воздействий подвижного состава на основную площадку земляного полотна как силовых (в том числе, короткоимпульсных), так и вибрационных показателей ее состояния;

-62) Получены зависимости показателей напряженного состояния и вибраций грунтов основной площадки земляного полотна в зоне рельсовых стыков при различном состоянии пути от значений осевых нагрузок 4-х осных и 8-ми осных грузовых вагонов; 3) Обосновано применение геотекстильных материалов с высокой прочностью на разрыв и небольшим относительным удлинением с целью снижения напряжений и вибраций фунтов в зоне основной площадки земляного полотна и выравнивания силовых воздействий как вдоль пути, так и в поперечном сечении.

Практическая ценность работы. Доведен до практического применения способ усиления основной площадки земляного полотна армирующими материалами в местах наиболее интенсивного динамического воздействия от поездной нагрузки - в зоне рельсовых стыков, уравнительных пролетов бесстыкового пути, на участках обращения вагонов с повышенными осевыми нагрузками, восьмиосных вагонов и целесообразная глубина их укладки. Результаты исследований используются проектными организациями при разработке мероприятий по усилению основной площадки земляного полотна, в том числе с целью подготовки его под скоростное движение и при введении вагонов с повышенными осевыми нагрузками, дистанциями пути при осуществлении мероприятий по устранению деформаций грунтов основной площадки земляного полотна в период проведения ремонтов пути.

Реализация и апробация работы. Результаты исследований нашли применение в составе "Указаний по техническим решениям по усилению и стабилизации основной площадки земляного полотна на участках обращения вагонов с повышенными осевыми и погонными нагрузками, тяжеловесных и длинносоставных поездов", утвержденных Главным управлением пути (ЦП) МПС 18.12.1992 г., используются проектными организациями при разработке методов усиления земляного полотна.

Основные положения и результаты работы были доложены на Всесоюзных научно-технических конференциях "Обеспечение

эксплуатационной надежности земляного полотна железных дорог" (Москва 1989, Ленинград, 1991), на VII Всесоюзной конференции по динамике оснований, фундаментов и подземных сооружений (Днепропетровск 1989), на XXXVI научно-технической конференции кафедр ХабИИЖТа с участием представителей железных дорог и предприятий транспортного строительства (Хабаровск 1989), на научно-практической конференции "Проблемы изысканий, проектирования, строительства железных дорог и содержания железнодорожного пути" (Москва 1990).

В 1995 году на участке Московско-Рижской дистанции пути Московской железной дороги внедрены результаты исследований по усилению основной площадки земляного полотна армирующей конструкцией из стеклопластика, в том числе в сочетании с нетканым синтетическим материалом "Дорнит" в период проведения капитального ремонта пути с целью снижения просадок, активизирующихся в периоды весеннего оттаивания грунтов, а также в местах неравномерных упругих и остаточных осадок рельсовых нитей на подходном участке к мосту.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов по каждой главе, общих выводов и предложений, списка литературы и приложения, содержит 90 страниц основного текста, 52 . рисунка, 32 таблицы. Список литературы включает 167 . наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и первой главе диссертационной работы обоснована актуальность проведения исследований и рассмотрено современное состояние вопроса в области изучения динамических воздействий на грунты основной площадки земляного полотна, в том числе в зоне рельсовых стыков, методы их учета в расчетах

л

напряженного состояния основной площадки. Рассмотрены применяемые мероприятия по усилению основной площадки.

Обоснована необходимость углубленной оценки напряженного состояния и вибраций грунтов основной площадки земляного полотна при укладке геотекстильных материалов. Определены цель и задачи настоящего исследования.

Изучением работы основной площадки под нагрузкой занимались и продолжают заниматься многие ученые как нашей страны, так и за рубежом. Исследования, проводимые во ВНИИЖТе еще с 1944 г. М.Ф. Вериго позволили сформулировать основные принципиальные положения расчета основной площадки земляного полотна с учетом ряда факторов. В том числе было отмечено влияние на напряжения в грунтах основной площадки средней величины давления на одиночную шпалу, типа шпалы, рода балласта, расстояния между шпалами, расстояния от подошвы шпалы до точки определения напряжений, плотности подбивки шпал, жесткости подстилающего балластный слой основания, скорости движения нагрузки по пути. В существующих Правилах расчета железнодорожного пути на прочность многие из перечисленных факторов учитываются путем введения поправочных коэффициентов при расчете динамических добавок. Напряжения в грунтах на уровне основной площадки рассчитываются в подрельсовом сечении от предварительно определяемых нагрузок на 3 шпалы. При этом получаемые расчетные напряжения сравниваются с допускаемыми, которые установлены на основании многочисленных исследований во ВНИИЖТе, проведенных М.Ф. Вериго, Б.Д. Хействером и продолженных B.C. Лысюком, Б.И. Поздняковым, В. П. Титовым и др. Однако, неблагоприятное сочетание различных эксплуатационных факторов в зоне рельсовых стыков, приводящее к интенсивному накоплению остаточных деформаций пути в этой зоне вследствие как повышенных вибраций, так и неравномерной передачи нагрузок, требует более углубленной оценки работа основной площадки земляного полотна.

Зависимости напряжений на основной площадке земляного полотна от скорости движения, полученные Т. Г. Яковлевой по

напряжений на основной площадке вдоль пути.

Кроме того, установлено, что применение армирующей конструкции из стеклопластика в сочетании с нетканым синтетическим материалом снижает уровень вибродинамического воздействия на 9%.

Исследования влияния вида армирующей конструкции и глубины ее укладки на динамическое состояние основной площадки проводилось в лабораторных условиях на одношпальном вибростенде конструкции ВНИИЖТа, представляющем собой лоток, заполняемый грунтом и щебнем. Толщина щебня составляла 0,35 м, толщина песчаной подушки 0,20 м. Сверху на шпалу прикладывалась вибродинамическая нагрузка, цикличность которой соответствовала скорости движения 70 км/ч.

В качестве армирующего слоя использовались материалы, основные характеристики которых приведены в табл.7.

Таблица 7

Наименование материала Прочность на разрыв, кН/1 п.м. Толщина, мм Удлинение при разрыве,% Ширина рулона, м

Дорнит (синтетический нетканый материал) 5-12 4-5 70-140 1,5-2,5

С ПАЛ-КАМА стеклопластик на основе стеклосетки ТУ-6-11-217-67) 63-73 1 4-5 1,0

Стеклоткань ровинговая (жгутовая) марки ТР-07 80 1 3-4 1,0

Под песчаный слой в уровне основной площадки укладывались мессдозы для измерения напряжений в подрельсовых сечениях,, под концами шпал и по оси пути. Армирующий материал укладывался на глубину 0,25; 0,35; 0,45; 0,55 м от подошвы шпалы.

В табл. 8 приведены средние значения напряжений на основной площадке земляного полотна при различных вариантах укладки армирующих материалов.

Укладка армирующего, слоя уменьшает напряжения на основной площадке земляного полотна в подрельсовом сечении и увеличивает их под концами и серединой шпалы по сравнению с

Таблица 8

№ п/ п Вариант укладки армирующей конструкции Средние значения напряжений на основной площадке, о кПа

В подрельсовом сечении Под осью пути Под концом шпалы

Ро= 210 кН/ ось Ро= 230 кН/ ось Ро= 250 кН/ ось Ро= 210 кН/ ось Ро= 230 кН/ ось Ро= 250 кН/ ось Ро= 210 кН/ ось Р„= 230 кН/ ось Ро= 250 кН/ ось

[ Без армирования 68,0 76,5 107,5 20,0 31,0 34,0 18,5 28,0 30,5

2 Стеклосетка СПАП-КАМА на глубине 0,25 м 46,5 57,5 69,5 42,0 52,0 63,0 36,0. 49,0 55,0

3 0,35 м 45,5 54,5 66,0 35,0 44,0 53,0 32,0 42,0 33,5

4 0,45 м 39,0 47,0 58,5 25,0 29,0 41,0 19,5 25,0 32,0

5 0,55 м 37,0 44,0 51,0 23,0 27,0 37,0 21,0 23,0 29,5

6 Два слоя стеклоткани ровинговой на глубине 0,35 м 40,5 58,5 53,5 34,0 50,0 55,0 26,0 23,0 53,0

7 Стеклосетка С ПАП- KAM А+ нем "ДОРНИТ" на глубине 0,35 м 41,5 55,5 69,0 37,0 53,0 57,0 30,0 21,5 46,5

8 -"- на глубине 0,55 м 36,5 39,5 42,0 25,0 29,0 33,0 18,5 21,5 23,5

напряжениями, измеренными в отсутствии армирующего слоя, т.е.

укладка армирующей конструкции приводит к перераспределению напряжений на основной площадке в поперечном сечении пути (вдоль шпалы).

Напряжения при укладке конструкции из стеклосетки в сочетании с нетканым синтетическим материалом - "Дорнит" незначительно отличаются от напряжений, образующихся в уровне основной площадки при укладке стеклосетки без нетканого синтетического материна, т.е. основную армирующую функцию несет на себе стеклосетка, а нетканый синтетический материал менее эффективен. Стеклоткань ровинговая, уложенная в два слоя, оказывает примерно такоч же влияние, как один слой стеклосетки С ПАП-КАМА. Результаты исследования влияния глубины укладки армирующей прослойки на напряжения на основной площадке

изучения напряженного состояния основной площадки земляного полотна в различных сечениях пути при изменении состояния верхнего строения пути с ростом пропущенного тоннажа при различных эксплуатационных условиях.

Как показали измерения вибраций грунтов земляного полотна, проводимые Г.Г. Коншиным, И.В. Прокудиным, Г.Н. Жинкиным, по мере удаления от подошвы балластной призмы по откосу земляного полотна вибрационные характеристики уменьшаются по экспоненциальным зависимостям и на их значения оказывают влияние скорость движения и осевая нагрузка подвижного состава. Испытания несущей способности грунтов при вибрационных воздействиях, проводимые во ВНИИЖТе М.В. Аверочкиной при вертикальном давлении 0,5 кГ/см2 и частотой колебаний до 40 Гц, убедительно свидетельствуют о снижении сопротивления грунтов сдвигу с увеличением частот и амплитуд колебаний. Благодаря этим исследованиям выявлен характер влияния вибрационных воздействий на прочностные характеристики грунтов, однако, диапазон возможных изменений нагрузок и параметров вибраций, реально возникающих в пути, особенно в зоне рельсовых стыков, не мог быть получен на установках, имевшихся в 70-х годах. В связи с тем, что в зоне рельсовых стыков частоты колебаний, вызывающих кратковременное импульсное воздействие на грунты на уровне основной площадки, могут иметь более широкие пределы, была поставлена задача установления как величин показателей вибрационного процесса, так и характера влияния на них действующих нагрузок и состояния пути.

Анализ имеющихся методов, позволяющих снизить интенсивность динамических воздействий на грунты основной площадки земляного полотна, показывает, что решение этой задачи возможно как за счет конструктивных изменений в верхнем строении пути с целью уменьшения динамических сил на контакте колеса и рельса, так и с помощью защитных слоев в балластном или подбалластном слое. Улучшению работы пути в стыковой зоне

посвящены исследования В.Ф. Барабошина, Н.И. Ананьева, В.Г. Альбрехта, О. О. Клоковой и др. Для устранения передачи импульсных воздействий на грунты земляного полотна могло бы быть применение разрабатываемого во ВНИИЖТе виброзащитного пути. Однако, полностью избежать неравномерности нагружения основной площадки земляного полотна только за счет конструкции верхнего строения пути затруднительно в связи с неравножесткостью самого подбалластного основания как в поперечном сечении пути, так и вдоль него. По исследованиям А.Я. Когана удельный вес (в %) основных элементов пути (верхнее строение пути - балласт - земляное полотно) в формировании общей жесткости пути может быть представлен соотношением: для пути с модулем упругости 23 МПа -9,11,80; 28 МПа - 11,17,72; 47 МПа - 23,25,52. С уменьшением модуля упругости пути увеличивается доля участия земляного полотна в создании жесткости пути в целом, а значит и в прогибе рельсовых нитей и значениях динамических сил. По исследованиям В.Н. Данилова жесткость пути в зоне рельсовых стыков в 1,5 - 2 раза меньше, чем в середине звена. Неплотное опирание шпал на балласт, наличие люфтов под стыковыми шпалами приводит к неравномерной передаче нагрузок на основную площадку земляного полотна. Хотя применение различных геотекстильных материалов с целью стабилизации основной площадки земляного полотна находит применение в практике (в основном для обеспечения водоотведения), тем не менее ранее не исследовалась их эффективность с точки зрения снижения динамического воздействия в зонах неравномерных остаточных и упругих осадок пути, не было оценено влияние прочностных и деформативных свойств различных геотекстильных материалов на их армирующий эффект, не изучалось влияние глубины укладки прослоек в балластном слое на напряженное состояние основной площадки. л

Вторая глава диссертационной работы посвящена исследованиям на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа и участках Сегерной и Московской железных дорог по оценке влияния 4-х и 8-

ми осных вагонов с различными осевыми на напряженное состояние и вибрации грунтов основной площадки земляного полотна в зоне рельсовых стыков в сравнении с внестыковой зоной.

С этой целью с помощью мессдоз конструкции ЦНИИСКа регистрировались напряжения на уровне основной площадки земляного полотна на глубине 0,55 см под подошвами шпал. Мессдозы устанавливались в подрельсовом сечении под несколькими i шпалами вдоль пути и под стыковой шпалой принимающего конца рельса.

Для определения уровня вибраций грунтов основной площадки использовались сейсмоприемники СВ-1-10, которые были установлены: на уровне основной площадки под концами стыковой шпалы, в подрельсовом сечении и на бровке насыпи в стыковом сечении пути и в середине звена.

На Экспериментальном кольце ВНИИЖТа измерения напряжений на основной площадке земляного полотна и виброскоростей грунтов производились вплоть до прохода по опытным участкам тоннажа 50 млн.т. брутто с последующей подбивкой пути. Регистрация проводилась под длинносоставным поездом с нагрузкой 270 кН/ось и под специально сформированным поездом, включающим 4-х осные грузовые вагоны с осевой нагрузкой 56, 160, 210, 230, 250, 270, 300 кН, а также 8-ми осную цистерну с нагрузкой 210 кН/ось при скорости движения до 70 км/ч.

На основании экспериментальных исследований установлены зависимости напряжений на основной площадке земляного полотна и виброскоростей грунтов от осевых нагрузок грузовых вагонов при разных скоростях движения, в том числе при ухудшении состояния верхнего строения пути в стыковой зоне с нарастанием пропущенного тоннажа.

При этом кроме величины суммарных напряжений на основной площадке az по осциллографным записям отдельно оценивались их составляющие - импульсно-динамические напряжения а„д и напряжения основного фона ооф. Основная частота

импульсно-динамических напряжений, регистрируемых на уровне основной площадки земляного полотна составляла 40-60 Гц. Максимальные значения импульсно-динамических напряжений соответствовали моменту прохода колес по стыковому сечению. В этот же момент регистрировались всплески напряжений во внестыковой зоне, однако их величины не превышали 10% от суммарных напряжений.

В табл.1 приведены экспериментальные значения напряжений на уровне основной площадки земляного полотна в зоне рельсовых стыков.

Таблица I.

Нагрузка на ось, Ро. кН/ось Средние экспериментальные напряжения на основной площадке, кПа, при скорости движения, км/ч

10 30 50 63

Соф Ошт °mti °ил аг, о„„ стоф °1И

56 21 13 8 24 13 11 23 11 12 29 15 14

160 47 38 9 56 40 16 63 38 25 65 41 24

210 62 53 9 70 52 18 78 51 27 81 53 28

230 76 59 17 85 58 27 90 62 28 95 62 33

250 84 66 18 90 66 24 95 67 28 101 65 36

270 90 74 16 95 74 21 102 75 27 113 75 . 38

300 95 77 18 110 81 29 120 78 42 123 78 45

Импульсно-динамические напряжения в стыковой зоне при хорошем состоянии пути (сразу после подбивки) составили 15-53%, причем наибольшая доля импульсно-динамической составляющей суммарных напряжений зафиксирована под порожними вагонами при скорости движения 50-70 км/ч. Импульсно-динамическая составляющая напряжений на основной площадке возрастает с ростом скорости движения.

Анализ результатов измерений виброскоростей грунтов основной площадки показал, что величина виброскорости колебаний грунтов основной площадки Vz линейно возрастает с ростом осевых нагрузок вагонов во всех сечениях пути? Корреляционные зависимости значений виброскорости грунтов от величины осевых нагрузок 4-х осных вагонов после подбивки пути при скорости

движения 70 км/ч приведены в табл.2.

Таблица 2

Место измерения Уравнение регрессии Уг(Р„) (в пределах 55-300 кН/ось) Коэффициент корреляции

Середина звена Уг=0,754-2,50 • 10-3 • Р0 0,79

Стык рельсов У=0,75+2,50 • 10"3 ' Р0 0,85

Повышение осевых нагрузок 4-х осных вагонов приводит к увеличению виброскоростей колебаний грунта основной площадки, причем интенсивность роста виброскоростей на каждые 10 кН/ось в 1,7 раза выше в стыковой зоне по сравнению со средней частью звена.

Рост суммарных напряжений на основной площадке земляного полотна а^ при хорошем состоянии пути по мере увеличения осевых нагрузок 4-х осных вагонов происходит, в основном, за счет напряжений основного фона ст0ф, максимальные значения которых соответствуют проходу колеса по сечению, в котором определяются напряжения.

Исследованиями установлено, что напряжения основного фона в средней части звена незначительно зависят от скорости движения, однако линейно увеличиваются с ростом осевых нагрузок вагонов. На величины и характер распределения напряжений основного фона вдоль пути от стыкового сечения существенное влияние оказывает состояние балластной призмы. Так, с увеличением пропущенного тоннажа напряжения основного фона под стыковыми шпалами снижаются и под порожними вагонами почти отсутствуют. Однако, за пределами стыковой зоны (3-5 м от стыка) ст0ф значительно возрастают. На рис. 1 в качестве примера приведены графики распределения суммарных напряжений сг£ и напряжений основного фона ст0ф до подбивки пути (т.е. после прохода 50 млн.т.

1 брутто груза) и после проведенной подбивки пути для нагрузки 250 кН/ось и скорости движения 70 км/ч. Аналогичные графики имеют место и при меньшей скорости движения, но с меньшими

а) После подбивки пути (Т= 0)

Расстояние от оси стыка рельсов, м

б) До подбивки пути (Т = 50 млн.т. брутто груза)

0 0,22 0,77 1,32 1,87 3,52 5,17

Расстояние от оси стыка рельсов, м

Рис.1. Распределение напряжений на основной площадке земляного полотна вдоль пути от зоны стыка рельсов к середине звена

величинами суммарных напряжений в стыковой зоне в связи с уменьшением импульсно-динамической составляющей напряжений при небольших скоростях движения. Исследования показывают, что образование силовой неровности в зоне рельсового способствует увеличению динамических воздействий на грунты основной площадки.

Наиболее интенсивные изменения в упряженном состоянии грунтов на уровне основной площадки земляного полотна отмечаются в период с момента подбивки пути до прохода 20 млн.т. брутто груза. С ростом пропущенного тоннажа импульсно-динамические напряжения увеличиваются и под стыковыми шпалами достигают 70% суммарных напряжений на основной площадке земляного полотна.

С ухудшением состояния стыковой зоны степень влияния осевых нагрузок увеличивается (рост а0ф за пределами стыковой зоны и авд - в стыковой).

После пропуска 50 млн.т. брутто груза значения виброскорости грунта увеличились в стыковой зоне на 23-28%. Кроме того, до выправки пути величина виброскоростей грунта на уровне основной площадки в зоне стыка была выше на 60-70% по сравнению со значениями в средней части звена, а после подбивки - на 28-45%. Таким образом, состояние пути в зоне рельсового стыка существенно вЛияет на значения характеристик вибраций грунтов основной площадки земляного полотна. Своевременная подбивка пути способствует снижению динамических воздействий на земляное полотно. . -

Исследования особенностей влияния 8-ми осных экипажей на напряженное состояние и вибрации грунтов основной площадки показали, что воздействие 8-ми осных вагонов с нагрузкой 210 кН/ось сопоставимо с воздействием 4-х осных вагонов с нагрузкой 250-270 кН/ось при скорости движения до 70 км/ч. Это относится как к напряжениям основного фона стоф, так и к импульсно-динамической составляющей напряжений ат. Приращение суммарных напряжений

при увеличении скорости движения на 10 км/ч от прохода 8-ми осных вагонов в 1,9-3 раза больше, чем от 4-х осных вагонов с той же осевой нагрузкой. В табл.3 приведены средние экспериментальные значения суммарных напряжений на основной площадке земляного полотна при скорости движения 70 км/ч.

Таблица 3

Место измерения Средние экспериментальные суммарные напряжения 01 на основной площадке, кПа, при воздействии вагонов с Рп=210 кН/ось Эквивалентная осевая нагрузка 4-х осных вагонов р зкв 1 о

4-х осного вагона 8-ми осного вагона

Середина звена 61 77 262,5

Зона стыка 85 107 267,5

Таким образом, от воздействия 8-ми осного вагона с осевой

нагрузкой 210 кН/ось на основной площадке земляного полотна возникают напряжения, соответствующие воздействию 4-х осных вагонов с нагрузкой Р0=262-2б7 кН/ось.

Вибрации грунтов основной площадки земляного полотна при проходе по стыку 8-ми осного вагона также аналогичны вибрациям при проходе 4-х осных вагонов с осевой нагрузкой 250-300 кН/ось.

В табл.4 приведены значения виброскоростей фунта на основной площадке земляного полотна в зоне стыка рельсов для 4-х осных вагонов с разными осевыми нагрузками, а также восьмиосной цистерны при различных скоростях движения.

Таблица 4

Скорость движения, км/ч Значения виброскоростей грунтов основной площадки, Уг, мм/с, при осевой нагрузке Р0, кН/ось

56 160 230 250 270 300 8-ми осная цистерна с Рп= 210 кН/ось

12 1,08 1,24 - - 1,56 1,78 1,84

34 1,25 1,36 1,56 1,73 1,80 1,81 1,72

65 1,45 1,54 1,68 1,89 1,98 2,14 1,96

Еще более отрицательно сказывается воздействие

восьмиосных вагонов с увеличением пропущенного тоннажа в связи с

1 ЧЩ

передачей еще больших ц статических давлений со стыковых неподбитых шпал на соседние шпалы из-за наличия сближенных осей в тележке.

В третьей главе диссертационной работы исследуются вопросы, связанные со снижением несущей способности грунтов основной площадки земляного полотна в стыковой зоне при вибродинамических воздействиях. Экспериментальные исследования показали, что спектр колебаний грунтов основной площадки земляного полотна имеет достаточно широкие пределы. Колебания, возникающие в грунтах на уровне основной площадки, имеют частоты как от 1-12 Гц (фиксируемые при проходе каждой колесной пары в любом сечении пути, в том числе и вне стыка), так и 20-90 Гц (накладываемые на низкочастотные, вызываемые проходом колесной пары по стыковому сечению пути).

Низкочастотные составляющие колебательного процесса фунтов могут способствовать снижению общей устойчивости земляного полотна, а высокочастотные - в первую очередь, -ухудшению прочностных свойств грунтов, т.е. ускоренному накоплению остаточных деформаций грунтов основной площадки земляного полотна и песчаного подбалласта. В зоне рельсовых стыков характерно интенсивное накопление остаточных деформаций пути с образованием выплесков.

Исследования влияния вибрационных характеристик на прочностные свойства грунтов-проводились на сдвиговой установке ВНИИЖТа в диапазоне частот колебаний 10-90 Гц. (с интервалом 10 Гц) и амплитуд колебаний 10-100 Мк (с интервалом 10 мк) при сжимающей нагрузке 50-250 кПа на образцах нарушенной структуры, которые уточнили известные закономерности снижения сопротивления грунтов сдвигу под действием вибраций при более 4 широком диапазоне показателей вибрационного процесса и сжимающих нагрузок, имеющих место в эксплуатируемом пути. При этом, для испытаний использовался суглинок тяжелый с числом пластичности ^ = 0,123 и содержанием частиц размером 2-0,05 мм

- 2043%, широко распространенный на сети Российских железных дорог, а также песок средней крупности из песчаной подушки балластной призмы. Грунты были отобраны с участков Экспериментального кольца. Лабораторные испытания плотности грунтов в уровне основной площадки в подшпальном сечении показал, что грунты имеют плотность, близкую к плотности, соответствующей максимальной плотности по кривой стандартного уплотнения Уатах. а у бровки земляного полотна - (0,7 т-1.0) Уатах- Основной , цикл лабораторных экспериментов по определению прочностных свойств грунтов проводился при максимальной плотности грунтов. На рис.2 приведены графики зависимостей сопротивления сдвигу суглинка и песка от частоты и амплитуды колебаний при сжимающей нагрузке 100 кПа. Исследования показывают, что при влагосодержании суглинка и песка, соответствующем состоянию оптимальной влажности и близкой к ней, в большей степени разупрочняется суглинок. При относительно более высоких сжимающих напряжениях, что имеет место при наличии подбалластных защитных слоев, степень разупрочнения грунта при вибрациях меньше. Для условий, характеризующихся величинами напряжений, близкими к возникающим под поездными нагрузками (примерно 100 кПа), наиболее интенсивно развивается разупрочнение суглинка при достижении частот колебаний 10-20 Гц и величинах вибросмещения 20-30 мк. Пески с влажностью выше максимальной молекулярной влагоемкости, при вибрации теряют 10-15% своей прочности.

Испытания песчаного грунта на сдвиг при влажности полного водонасыщения \Упв=^,39 и суглинка при влажности, соответствующей границе текучести \УТ=0,32, свойственной участкам пути с необеспеченным водоотводом, показали, что из двух контактирующих слоев (песка и суглинка) в большей мере подвержен разупрочнению песчаный грунт балластной подушку.

В четвертой главе диссертационной работы проведены расчетно-теоретические исследования влияния неровностей пути в

- 21-

а) от частоты колебаний

= 10 мк ■ '- -

Л=20 м СуглИ||0К ;

А=30 МК

А=50 мк ' А=70 мк /А— 100 мк

т,

кПа

150

: Песок

А=1,0 мк ; . ; А=20 мк

А"30 мк

о .....!.-1. >.......-1........1......1- :......^ о

20 40 60 80 Г,Гц 20 40 60 80 г,Гц

а) от амплитуды колебаний

т,

кПа

Г— 10 ГЦ; С>ТЛИН0К

'! ; ^20, Гц .! ;

кПа

150 !-

100

50 ■

Песок ;

^10 Гц;

Ио Гц

Г=40 Гц

о ! .....:.....I......1...!.......:. ; .. - I 0 _

20 40 60 80 А, мк 20 40 60 80 А, мк

Рис.2. Зависимости сопротивления грунтов сдвигу от частоты и

амплитуды колебаний при сжимающей нагрузке ст=100 кПа

зоне рельсовых стыков на напряженное состояние основной площадки земляного полотна.

В расчетах напряжений на уровне основной площадки земляного полотна использовалась квазистатическая расчетная схема, приведенная на рис.3. При этом в расчет принималось давление от шпал, расположенных на расстоянии не менее 2-3-х метров от ближайшей оси тележки.

Ось неровности | Р1 || р2 -и у иц'цц и и м^-1 и и ид_1у} и

V//,

сты ...

^777

Рис.3. Схема расчета напряжений на основной площадке земляного полотна в зоне рельсовых стыков

Расчетные и экспериментальные исследования показали, что с ростом пропущенного тоннажа в стыковой зоне образуется силовая неровность, связанная со снижением жесткости пути, которая приводит к уменьшению напряжений основного фона на уровне основной площадки в зоне стыка и увеличению их за пределами силовой неровности. В расчете для исследования влияния изменения жесткости пути на характер распределения напряжений вдоль пути в первом приближении принималось, что жесткость пути жор от стыкового сечения к середине звена изменяется по косинусоидальному закону с минимальным значением по оси стыка ж2 (рис.4) и максимальным вне силовой неровности ж^

Рис.4. Схема изменения жесткости пути в стыковой зоне

На рис.5 приведены графики изменения статических напряжений на основной площадке земляного полотна(напряжений основного фона о0ф) вдоль пути т ри отсутствии силовой неровности

- 23в стыке и при наличии неровности в стыковой зоне длиной 200 см. В первом случае модуль упругости пути принимался одинаковым вдоль пути и равным 100 МПа. Во втором случае модуль упругости в середине стыка принимался равным 10 МПа, а на расстоянии I м в каждую сторону от стыка 100 МПа (т.е. y=U|/U2=10).

Исследования показывают, что в результате уменьшения жесткости пути в стыке, даже при отсутствии динамических добавок (при скорости движения до 5 км/ч), происходит неравномерная передача нагрузок от шпал на основную площадку земляного полотна. Наименьшие напряжения возникают под стыковыми шпалами, наибольшие - за пределами силовой неровности. В случае неровности длиной 200 см - максимумы напряжений от грузовых 4-х осных вагонов с расстоянием между осями колесных пар 185 см образуются под 4-й шпалой от оси стыка.

Увеличение длины неровности способствует расширению линии влияния нагрузок. Полученные расчетные напряжения на основной площадке корреспондируются с экспериментальными исследованиями (при скорости движения 5-10 км/ч), на основании которых установлено, что с ростом пропущенного тоннажа в работу включается большее количество шпал при тех же нагрузках. Эпюры, приведенные на рис.6, свидетельствуют, что с уменьшением общего модуля упругости пути в зоне стыка изменяется характер напряженного состояния грунтов на уровне основной площадки земляного полотна.

Следует отметить, что в момент нахождения 1-ой оси тележки в стыковом сечении наибольшие напряжения в уровне основной площадки возникают под 4-ой шпалой отдающего конца рельса.

Таким образом, основная площадка земляного полотна постоянно находится под действием изменяющихся динамических воздействий с перемещением максимумов напряжений в различные сечения вдоль пути в зависимости от состояния его верхнего строения и расположения осей в подвижном составе. Градиенты напряжений

б)

-9 -8 -7 -6 -5

О Г

20 '

!

40 1

I

60 1

Рг 185см Рг V < 5 км/ч

1 1—^

у-з -2 -1 2 3 '

Номер шпалы 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Условные обозначения:

1 __ . Напряжения на основной площадке под 1-ой

стыковой шпалой

2 —— То же под 4-й шпалой от стыка

Рис. 5. Расчетные статические напряжения на основной площадке земляного полотна: Л

а) при равномерной жесткости пути в стыковой зоне и вне стыка;

б) при наличии силовой неровности в стыке длиной 200 см

«к

.9 .8 -7 -6 -5 -3 -2-

шпалы 6 7 8 9 10 11 12

0 20 40 60

80 I

Р^ = ¡135 кН 4 = 200 см .

Рис.6. Эпюры статических напряжения на основной

площадке земляного полотна в момент нахождения 1-ой оси тележки на 4-ой шпале от стыка рельсов при различном изменении жесткости пути

основного фона зависят от величин осевых нагрузок вагонов, отношения жесткости пути вне неровности к жесткости в стыковом сечении, длины неровности. ^

Для исследования влияния других видов неровностей пути, имеющих место в зоне рельсовых стыков (волнообразных неровностей на головке рельса, ступеньки, в том числе при уменьшении жесткости в стыковой зоне) на напряженное состояние основной площадки была применена расчетная схема взаимодействия пути и подвижного состава с сосредоточенными параметрами, представленная на рис.7, на основании которой определялись динамические силы на контакте колеса и рельса и затем напряжения на основной площадке, которая позволила качественно оценить влияние неровностей на поверхности

Рис.7. Схема расчета динамических сил на контакте колеса и рельса

инр

У.Р

катания рельса на напряженное состояние основной площадки.

Решение системы дифференциальных уравнений производилось численным методом Рунге-Кутга-Фельберга.

Для определения динамических сил на контакте колеса и рельса при прохождении подвижного состава по рельсу, имеющему на поверхности катания вертикальные волнообразные неровности различной длины и глубины в расчетах принята косинусоидальная форма изолированной геометрической неровности. В'' табл.5 приведены расчетные значения суммарных напряжений на основной площадке под 1-ой стыковой шпалой при наличии волнообразных неровностей на головке рельса длиной 25 -150 см.

Таблица 5

Скорость движения, V, км/ч Осевая нагрузка Ро. кН/ось (обрессо- ренная масса, Р„,кН) Суммарные расчетные напряжения на основной площадке земляного полотна, стгр, кПа, 1ри длине изолированной геометрической неровности на рельсе /„, (числитель) и глубине неровности Ьн, см (знаменатель)

25/0,075 50/0,15 70/0,21 100/0,30 150/0,45

70 55 (27,5) 94,25 55,58 32,19 21,54 17,31

160 (80) 88,53 48,79 44,32 41,04 36,59

270 (135) 102,31 68,00 53,14 61,20 56,80

90 55 (27,5) 86,09 59,76 36,39 22,68 18,70

160 (80) 106,48 51,02 42,56 39,11 37,50

270 (135) 117,67 70,79 64,37 58,22 57,19

Примечание: расчетные глубина и длина изолированных неровностей соответствуют уклону неровности 6°/00.

Приближенная расчетная схема (не учитываются колебания обрессоренных масс экипажа) не позволяет с достаточной точностью оценить количественные значения напряжений на основной площадке, однако дает возможность качественной интерпретации полученных результатов. С увеличением длины волн суммарные напряжения на основной площадке земляного полотна (ц в стыковой зоне уменьшаются, а короткие волны приводят к появлению импульсно-динамической составляющей напряжений на основной площадке с11Д под стыковой шпалой, которая по расчетам для

скоростей движения 70-90 км/ч составляет^43-53% от суммарных напряжений. При этом превышение допускаемых напряжений на основной площадке происходит даже при небольших осевых нагрузках вагонов.

Результаты расчетного моделирования встречной геометрической ступеньки принимающего конца рельса в стыке высотой 1 мм, приведенные в табл.6, свидетельствуют об отрицательном воздействии на основную площадку неровностей такого вида.

Таблица 6.

Скорость движения, V, км/ч Расчетные напряжения на основной площадке земляного полотна сте, кПа, при наличии встречной ступеньки в стыке высотой Нст= 1 мм при нагрузках 4-х осных грузовых вагонов Р„. кН/ось (Р., кН)

55 (27,5) 160 (80) 210 (105) 250 (125) 270 (135) 300 (150)

30 89,92 119,20 132,82 141,47 145,35 150,87

50 127,51 146,46 170,41 185,18 191,15 199,78

70 155,65 173,99 182,72 199,70 207,21 217,33

90 176,73 195,11 203,86 203,57 211,98 223,25

На импульсно-динамическую составляющую напряжений на основной площадке существенное влияние оказывает как увеличение скорости движения, так и осевых нагрузок вагонов. Уменьшение модуля упругости пути в стыковой зоне по мере нарастания пропущенного тоннажа способствует увеличению прогиба рельсов, что в свою очередь приводит к увеличению ступеньки в стыке в момент' касания колесом принимающего конца рельса при недостаточной затяжке стыковых болтов или плохом состоянии рельсовых накладок. Расчетные исследования показывают, что в таком случае изменение модуля упругости пути со 100 МПа вне зоны стыка рельсов до 50 МПа в стыковом сечении пути (для силовой неровности длиной 200 см) приводит к увеличению суммарных напряжений на уровне основной площадки по сравнению с соответствующими напряжениями для равножесткого пути при Ро=270 кН/ось в 1,25 раза.

Пятая глава диссертационной работы посвящена изучению

влияния армирования на работу основной площадки земляного полотна. На Экспериментальном кольце ВНИИЖТа в конструкцию балластной призмы на глубине 0,35 м от подошвы шпал был уложен стеклопластик СПАП-КАМА в сочетании с нетканым синтетическим материалом и в соответствии со схемой, представленной на рис.8, установлены мессдозы и сейсмоприемники. На рис. 9 приведены графики распределения напряжений на основной площадке земляного полотна вдоль пути на участке с армированием. Сравнение с участком без армирования (см. рис.1) показывает, что внесение армирующей прослойки способствует более равномерному' распределению напряжений на уровне основной площадки земляного полотна. После проведанной подбивки пути напряжения основного фона Соф в уровне основной площадки на участке с армированием равномерно распределяются вдоль пути. Под стыковыми шпалами отдающего и принимающего концов рельсов суммарные напряжения <Т£ на основной площадке выше, чем вне стыка на 30% за счет импульсно-динамической составляющей напряжений овд, которая хотя и уменьшилась по сравнению с участком без армирования, но все же составляет в стыке более половины суммарных напряжений аЕ и превышают суммарные напряжения на 10%. При этом после пропуска 50 млн. т. брутто груза суммарные напряжения на основной площадке в подрельсовом сечении практически равны на всем протяжении уложенного армирующего материала и превышают допускаемые под 2-ой стыковой шпалой при У=70 км/ч и Ро=270 кН/ось всего на 8%. Однако, следует отметить, что с увеличением пропущенного тоннажа, также как и на участке без армирования, увеличивается импульсно-динамическая составляющая напряжений.

Укладка стеклопластика в сочетании с нетканым синтетическим материалом в балластную призму привела к изменению характера распределения напряжений. При этом напряжения, как во внестыковой зоне, так и в зоне стыка, в подрельсовом сечений уменьшаются, происходит выравнивание

Направление движения

Стеклопластик "СПАЛ- КАМА" + НСМ "ДОРНИТ"

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ: • 18 - Мессдоза и ее номе^ о 6' Сейсмоприемник и его номер

Рис.8. Схема расстановки датчиков на участке

Экспериментального кольца, усиленного армирующими материалами

б) После подбивки пути (Т=0)

о.

кПа 100

80

60 40

о с ь [р0=;

50 кН/ ось У=70 км/ч

с т ы -К- Лг^ ------- ----------

...... -------------

а 11 12 13 14 15 ! ^ Номера мессдоз 161 17

0 0,22 0,77 1,32 1,87 2,97 4,07

Расстояние от оси стыка рельсов, м

а) До подбивки пути (Т=50 млн.т.бр.)

| о

кПа I с

100 80 60

ИТ

13:

14;

15

Номера мессдоз '

161 17;

40 .....0 0,22 0,77 1,32 1,87 2,97 4,07

Расстояние от оси стыка рельсов, м

Условные обозначения:

-----Ооф . о£

Рис.9. Распределение напряжений на основной площадке земляного полотна вдоль пути от зоны стыка рельсов к середине звона на участке с армированием

Правилам расчета верхнего строения пути на прочность, для 4-х осных вагонов носят нелинейный характер, а для 8-ми осных -линейный. При верхнем строении пути с рельсами Р65 и деревянными шпалами превышение допускаемых напряжений на основной площадке происходит для 4-х осных вагонов с осевой нагрузкой 250 кН при скорости движения более 105 км/ч, с осевой нагрузкой 270 кН/ось - при скорости движения более 90 км/ч, а для пути с железобетонными шпалами расчетные напряжения не превышают допускаемых напряжений при указанных нагрузках вагонов вплоть до скоростей 120 км/ч. Восьмиосные вагоны вызывают напряжения на основной площадке, превышающие допустимые при тех же нагрузках, уже при скоростях 60 км/ч. Однако, эти зависимости были получены расчетным путем при хорошем состоянии верхнего строения пути для средней части звена. В действительности, наиболее интенсивное накопление деформаций происходит в зоне рельсовых стыков, поэтому одной из актуальных задач является установление величин напряжений на уровне основной площадки земляного полотна в зоне рельсовых стыков с увеличением скорости движения и осевых нагрузок вагонов.

Учет динамических нагрузок на состояние насыпей, возникающих при проходе поезда, выражающегося в появлении динамических сил колеблющихся масс грунта, диссипативных сил и снижении сопротивления грунта, сдвигу Т.Г. Яковлевой в "Методических рекомендациях по прогнозированию надежной работы железнодорожных насыпей в условиях интенсивной эксплуатации пути" предложен с помощью интегрального параметра.

Многочисленные исследования М.В. Аверочкиной, В.И. Хромова, Н.В. Наумовой, В.П. Титова, Г.Г. Коншина показали, что величины напряжений и упругих деформаций затухают с глубиной по экспоненциальным зависимостям и практически линейно возрастают с повышением скоростей движения. Этими же учеными доказано, что по мере увеличения модуля упругости подрельсового основания происходит возрастание напряжений на основной площадке

земляного полотна. При этом отмечено, что увеличение жесткости пути приводит к уменьшению просадок, однако, это положение справедливо при хорошем состоянии пути, когда давления от колес на грунты приближаются к статическим и незначительно зависят от скорости движения. При наличии неровностей на пути и колесах появляются добавочные динамические силы, которые тем больше, чем жестче путь и, следовательно, просадки возрастают.

Экспериментальными и расчетно-теоретическими исследованиями Г. Г. Коншина по влиянию изолированных геометрических неровностей на рельсах установлено, что динамические коэффициенты, равные отношению напряжений, образующихся при проходе колесом неровности к напряжениям при проходе колесом пути с ровными рельсами, составляют: в пределах неровности 0,93 -3,92 (для тепловоза ТЭ7 при скорости движения от 40 до 90 км/ч), 0,62 - 2,92 (для полувагонов); за пределами неровности 0,94 - 1,85 (для тепловоза ТЭ7), 0,79 - 1,90 (для полувагонов). При этом Г.Г. Коншиным установлено, что с увеличением длины неровности замедляется рост давления подвижного состава на земляное полотно, максимумы напряжений возникают на выходе из неровностей и за ее пределами, наличие неровностей на поверхности рельсов длиной 2 м и больше не оказывают существенного влияния на напряженное состояние земляного полотна.

Таким образом, предыдущими исследованиями доказано, что на динамическую работу основной площадки существенное влияние оказывают условия взаимодействия подвижного состава. и пути. Кроме того, максимальные напряжения могут иметь место в различных сечениях пути в зависимости от длин неровностей, их уклонов, скорости движения, осевых нагрузок и других факторов. Исследования динамических сил, возникающих на контакте колеса и рельса^ при различных видах неровностей пути и на колесах проводились М.Ф. Вериго, А.Я Коганом, В.Ф. Яковлевым, В.Н. Даниловым. Огромное многообразие факторов, оказывающих влияние на процессы взаимодействия пути и подвижного состава ставит задачу

представлены в виде графика на рис.10, из которого можно заключить, что с увеличением глубины укладки напряжения на уровне основной площадки в подрельсовом сечении снижаются в большей степени при приближении армирующего слоя к уровню основной площадки.

20 I

0,25

0,35

0,45

0,55 Ьукл м

Рис. 10. Влияние армирования и глубины укладки армирующего материала на напряжения на основной площадке земляного полотна

При этом в целом, укладка армирующего слоя уменьшает напряжения на основной площадке в подрельсовом сечении на 22,4% (при укладке стеклосетки на глубину 0,25 м) до 52,6% (при укладке стеклосетки на глубину 0,55 м) по отношению к варианту без армирования.

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие основные выводы.

1. Комплексом проведенных исследований, в том числе экспериментов на кольце ВНИИЖТа, участках Московской и Северной железных дорог, установлено, что при повышении осевых нагрузок 4-х осных грузовых вагонов и скоростей движения происходит ухудшение условий работы грунтов основной площадки

земляного полотна в результате неблагоприятного сочетания двух факторов - повышения напряжений и существенного увеличения уровня вибраций. Последний фактор снижает несущую способность грунтов земляного полотна, особенно глинистого.

При оценке динамического воздействия подвижного состава на основную площадку земляного полотна необходимо комплексно учитывать как уровень напряжений, так и уровень вибраций грунтов.

Эксперименты, проводившиеся на типовом пути с рельсами Р65 и железобетонными шпалами на щебеночном балласте, а также с деревянными шпалами при нагрузках 4-х осных вагонов 56, 160, 210, 230, 250, 270, 300 кН/ось и скоростях движения от 10 до 70 км/ч,: также показали, что особенно отрицательное влияние этих факторов сказывается при наличии неровностей пути. В зоне стыка рельсов при осевой нагрузке 56 кН и скорости движения 10 км/ч суммарные напряжения а£ составили 21 кПа, при нагрузке 230 кН/ось - 76 кПа, при нагрузке 300 кН/ось - 95 кПа. Соответствующие значения напряжений основного фона а0ф составили: 13, 59, 77 кПа, импульсно-динамические напряжения авд составили: 8, 17, 18 кПа. Аналогичные напряжения при скорости движения 70 км/ч имеют следующие значения: - 29, 95, 120 кПа; <т0ф - 15, 62, 78 кПа; ст„д -14, 33, 42 кПа.

2. Наиболее неблагоприятное воздействие на основную площадку земляного полотна оказывают восьмиосные вагоны. Воздействие восьмиосных вагонов с нагрузкой 210 кН/ось при скорости движения 70 км/ч по уровню напряжений на основной площадке соответствует воздействию четырехосных вагонов с нагрузкой 262,5 - 267,5 кН/ось, а по уровню виброскоростей грунтов в стыковой зоне - 250-270 кН/ось. Значения виброскоростей грунтов основной площадки в стыковой зоне при проходе 8-ми осных вагонов на 17% выше, чем при проходе 4-х осных грузовых вагонов х осевой нагрузкой 230 кН.

- 353. Лабораторные испытания грунтов, отобранных с опытных участков, показали, что при уровнях вибраций и сжимающих напряжений, аналогичных тем, что были зафиксированы в стыковой зоне в реальном пути и на Экспериментальном кольце, происходит снижение прочности суглинка на 85%, песчаного грунта балластной подушки - на 45%.

4. Наибольшие напряжения и уровень вибраций наблюдаются в зоне стыков. Суммарные напряжения на основной площадке земляного полотна в стыковой зоне в 1,2-1,9 раза выше, чем во внестыковой зоне, виброскорости грунтов - на 10-45%. При этом на основном фоне изменения вертикальных напряжений на основной площадке земляного полотна сг0ф очень четко выявляется динамическая (импульсная) свд часть суммарных напряжений Импульсно-динамические напряжения в стыковой зоне составляют 50%, а иногда и большей части воспринимаемого силового воздействия. В средней части звена динамическая составляющая напряжений не превышает 10%.

5. Теоретические и экспериментальные исследования показали зависимость величин и характера распределения напряжений на основной площадке от качества подбивки шпал. С увеличением прошедшего тоннажа напряжения основного фона аоф в стыковой зоне уменьшаются, в то же время на 20-30% увеличивается импульсно-динамическая составляющая напряжений. Суммарные напряжения под соседними шпалами а^ увеличиваются на 30-40%. Такой процесс приводит к неравномерной загрузке основной площадки земляного полотна вдоль рельсового пути, что способствует развитию деформаций не только в стыковой зоне, но и за пределами образующейся с ростом пропущенного тоннажа силовой неровности в стыке.

* 6. Исследования эффективности усиления основной площадки применяемыми в настоящее время и предлагаемыми геотекстильными материалами показали^ что наибольшим

армирующим эффектом обладают материалы, имеющие высокую прочность на растяжение и небольшое относительное удлинение при разрыве. К таким материалам относятся стеклопластики. Укладка стеклопластиков в сочетании с нетканым синтетическим материалом позволяет одновременно выполнить функцию армирования и водоотведения. Суммарные напряжения на основной площадке при укладке такой конструкции под стыковыми шпалами в подрельсовом сечении снижаются на ^0-30%. При этом они более равномерно распределяются вдоль пути и меньше зависят от качества подбивки пути.

Результаты исследований позволяют сформулировать новые-требования к качеству материалов, используемых для усиления основной площадки земляного полотна.

7. Рекомендации, полученные в результате проведенных исследований включены в нормативно-технические документы Министерства путей сообщения, в том числе в "Указания по техническим решениям по усилению основной площадки земляного полотна на участках обращения вагонов с повышенными осевыми и погонными нагрузками, тяжеловесных и длинносоставных поездов", утвержденных Главным управлением пути МПС 18.12.1992 г, использование которых в практике проектирования и реализации на дорогах обеспечивает достижение главной цели - повышения стабильности основной площадки земляного полотна.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Яковлева Е.В. Напряженное состояние основной площадки земляного полотна в зоне неровности. /Межвуз. сб. научн. тр. //Проблемы изысканий, проектирования, строительства железных дорог и содержания железнодорожного пути.- вып.835.-1990,- с.48-51.

2. Яковлева Е.В. ^Расчетно-теоретические исследования влияния стыковой неровности на напряженное состояние основной площадки земляного полотна. /Материалы Всес. научно-техн.

конференции. //Обеспечение эксплуатационной надежности земляного полотна железных дорог,- С.-Петербург.- 1991.- с.29-31.

3. Коншин Г.Г., М.Б.Волковицкий, Е.В. Яковлева. Больше внимания земляному полотну на подходах к мостам. /Путь и путевое хозяйство.- №11.-1993.- с. 16-17.

4. Коншин Г.Г., Круглый А.Г., Яковлева Е.В., Михайлов A.M. Динамические напряжения в земляном полотне при повышенных нагрузках грузовых вагонов. /Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений,- М.- Госстрой.-1989.- с.251-252.

5. Коншин Г.Г., Яковлева Е.В., Круглый А.Г., Михайлов А.М. /Экспериментальные исследования по воздействию вагонов с повышенными нагрузками на основную площадку земляного полотна. /Обеспечение эксплуатационной надежности земляного полотна железных дорог //Материалы Всес. научно-техн. конференции.- М.-1989.- с.33-35.

6. Яковлева Е.В., Михайлов А.М., Коншин Г.Г. Динамические испытания грунтов земляного полотна на вибростенде конструкции ВНИИЖТа. /Обеспечение эксплуатационной надежности земляного полотна железных дорог //Материалы Всес. научно-техн. конференции.- С.-Петербург.- 1991.- с.50-52.

7. Яковлева Е.В., Михайлов А.М. Влияние вагонов с повышенными осевыми нагрузками на напряженное состояние основной площадки. /Тезисы докладов XXXVI научно-технической конференции.- т.2.-Хабаровск.-1989.- с.163-164.

__ 8. Коншин Г.Г., Яковлева Е.В., А.М. Михайлов.

Исследования воздействия 4-х осных вагонов с повышенными

нагрузками и 8-ми осной цистерны на основную площадку земляного

полотна на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа. / Обеспечение

эксплуатационной надежности земляного полотна железных дорог

//Материалы Всес. научно-техн. конференции.- С.-Петербург,- 1991.ч »

с.31-33.

-389. Коншин Г.Г., Е.В. Яковлева, А.М. Михайлов. Напряженное состояние основной площадки земляного полотна после подбивки пути. /Обеспечение эксплуатационной надежности земляного полотна железных дорог. //Материалы Всес. научно-техн. конференции.- С.Петербург.- 1991.- с.27-28.

Подписано-к-печати 05.о5.97.

Формат бумаги 60 х 90 1716. Объем ^

Заказ МО, Тирах 100 зкз.

Типография ВНИИЖТ, 3-я Мытищинская ул., д. 10.