автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Исследование влияния вибродинамических нагрузок на стабильность железнодорожного земляного полотна в сложных условиях

08-2 35

МЕЖДУНАРОДНЫЙ МЕЖАКАДЕМИЧЕСКИЙ СОЮЗ

На правах рукописи

МАРЧЕНКО НИКОЛАЙ ЛЕОНИДОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА СТАБИЛЬНОСТЬ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

Специальность 05.02.22 - Организация производства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва 2008

Работа выполнена в Дальневосточном Государственном университете путей сообщения

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, академик МАИ

Спиридонов Эрнст Серафимович;

доктор технических наук, профессор,

академик МАИ

Клыков Михаил Степанович;

доктор технических наук Григорьев Николай Потапович.

Защита состоится 24 апреля 2008 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 097.024.МАИ.32 Высшей межакадемической аттестационной комиссии.

С диссертацией можно ознакомиться в диссертационном зале совета.

Диссертация в форме научного доклада разослана «2(0» марта 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета доктор технических наук, профессор, академик МАИ

Х}азарев Г.Е.

| российская о

государственная

г библиотека

иОБЩАЙ^РАКТЕРТИсТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для обеспечения бесперебойной работы железнодорожного транспортам необходим стабильный, удовлетворяющий современным нормативным требованиям на всех полигонах и направлениях железнодорожный путь. Рост осевых нагрузок и увеличение скоростей движения поездов требует замены существующих конструкций верхнего строения пути на более мощные. В то же время мощное верхнее строение пути требует соответствующего фундамента, каковым для него является земляное полотно.

Земляное полотно само по себе - долговечное сооружение, но на большинстве линий оно построено десятки лет назад и, поэтому не всегда удовлетворяет современным конструктивным и нормативным требованиям. Проведение мероприятий по его усилению является чрезвычайно затратным и трудоемким.

Проблема обеспечения несущей способности земляного полотна усугубляется усилением негативного влияния вибродинамического воздействия железнодорожного подвижного состава, что приводит к изменению физико-механических характеристик грунтов балластного слоя, земляного полотна и его основания, процессам их старения и структурного изменения.

Хотя вибродинамическое воздействие поездной нагрузки на железнодорожное земляное полотно изучается в нашей стране уже более 40 лет, почти не исследованы колебания железнодорожных насыпей на слабых основаниях, особенно при протаивании вечномерзлых термо-просадочных грунтов. Совсем отсутствуют сведения о вибрационном (динамическом) воздействии тяжелых путевых машин на тело и основание земляного полотна.

Рост динамики вызывает активизацию склоновых процессов (оползни, сплывы, обвалы) и т. д. Только на Дальневосточной железной дороге протяженность дефектных и деформирующихся мест составляет 1945 км из 5986 км эксплуатируемой длины дороги. Наиболее распространенным видом деформаций земляного полотна являются осадки. Особенно неблагоприятен в этом отношении Северный широтный ход, протяженность осадок здесь составляет более 600 км.

В этой связи крайне актуальными являются разработки, направленные на получение новых экспериментальных и теоретических рекомендаций по выявлению нетрадиционных аспектов динамического воздействия подвижного состава на железнодорожное земляное полотно.

Цель исследования заключается в выполнении экспериментальных и теоретических исследований по определению влияния вибродинамического воздействия подвижного состава на деформативность железнодорожного земляного полотна, в разработке новых методик по выявлению упругих и остаточных деформаций в теле и основании земляного полотна, в создании рекомендаций по повышению устойчивости железнодорожного земляного полотна в сложных эксплутационных, природно-климатических и инженерно-геологических условиях.

Методы исследования основываются на системном подходе, математической статистике, новых компьютерных технологиях и технических средствах, позволивших выявить нетрадиционные аспекты динамического воздействия подвижного состава на железнодорожное земляное полотно, решить задачу моделирования напряженно-деформированного состояния насыпи земляного полотна при динамическом нагружении, разработать и использовать методики регистрации деформаций основания насыпей, создать комплексную систему диагностики деформативно-сти основания и откосов земляного полотна.

Научная новизна работы. Степень научной новизны диссертации определяется тем, что в ней с системных позиций и на новом научно-техническом уровне поставлены и решены экспериментальные и теоретические задачи исследования нетрадиционных аспектов динамического воздействия подвижного состава на железнодорожное земляное полотно в экстремальных условиях.

В диссертационной работе исследованы следующие научные проблемы, не получившие к настоящему времени достаточного экспериментального и теоретического обоснования:

- решена задача моделирования напряженно-деформированного состояния земляного полотна при динамическом нагружении;

- изучены колебательные процессы в рельсошпальной решетке, балластном слое, откосах и теле железнодорожной насыпи от воздействия поездной нагрузки;

- получены обобщенные схемы волнового поля железнодорожного полотна при динамическом воздействии подвижного состава;

- разработана и использована методика регистрация деформаций слабого основания железнодорожных насыпей с помощью высокоточного светодальномера;

- определены параметры высокочастотных микросейсм в основании насыпей из слабых грунтов с использованием высокочувствительных сейсмологических измерительных каналов;

- разработана методика определения упругих и остаточных деформаций грунтов в основании насыпи во времени, а также параметров термовлажностных, влажностно-конденсационных процессов в результате воздействия различных путевых машин и поездной нагрузки;

- получены количественные данные о дестабилизации фунтов оснований насыпей при выправке просадочных участков машиной ВПО-ЗООО и развитии остаточных деформаций после ее работы;

- создана система диагностики деформативности слабых оснований с возможностью оценки фактора воздействия кинематическими показателями.

Апробация работы. Автор ознакомил научную и техническую общественность с результатами исследований путем выступлений с докладами на:

- 43-й Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки "Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности", ДВГУПС, Хабаровск, 2003;

- 62-ой межвузовской научно-технической конференции творческой молодежи "Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования", ДВГУПС, Хабаровск, 2004;

- IV Международной научной конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке", Хабаровск, 2005;

- 44 Всероссийской научно-практической конференции "Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности", Хабаровск, ДВГУПС, 2006;

- Пятой международной научной конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке", Хабаровск, 2007;

- Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, посвященной 70-ию университета "Инновационные технологии транспорту и промышленности", Хабаровск, 2007.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 9 печатных работах, включая монографию "Нетрадиционные аспекты влияния динамического воздействия на железнодорожное зем-

ляное полотно", объемом 5,2 п.л. - Хабаровск, Издательство Дальневосточного государственного университета путей сообщения (ДВГУПС), 2007.

Практическая ценность. Разработанный комплекс моделирования и диагностики напряженно-деформированного состояния железнодорожного земляного полотна при динамическом нагружении, а также рекомендации по эффективному использованию тяжелых путевых механизмов и машин в экстремальных условиях нашли практическое применение в Дирекции по ремонту пути и инженерных сооружений ОАО "Российские железные дороги", путевых диагностических центрах, Службах пути Забайкальской и Дальневосточной железной дорог.

Результаты работы включены в учебный процесс Института повышения квалификации Дальневосточного государственного университета путей сообщения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Проблема эксплуатации земляного полотна на деформирующихся участках является одной из актуальных, так как связана с безопасностью и бесперебойностью работы железнодорожного транспорта. Ежегодно на капитальный ремонт земляного полотна затрачивается около 1300 млн рублей. В связи с тем, что выполнение противодеформационных мероприятий преимущественно направлено на устранение последствий, снизить протяженность деформирующихся участков пути пока не удается. Доля их сохраняется в пределах 10-12 % эксплуатационной длины железнодорожной сети.

На многих участках Северного широтного хода именно по этой причине введены длительные и постоянные ограничения скоростей движения поездов. Общая протяженность деформаций железнодорожного земляного полотна составляет 964 км. Из них 684,2 км подвержено осадкам, 69,7 -оползням и сплывам. Общая длина зауженных мест на основной площадке железнодорожного земляного полотна равна 292 км, повышенная крутизна откосов имеет место на 116,95 км.

Протяженность не устойчивого земляного полотна составляет 64,54 км, потенциально не устойчивого - 214,13 км. Железнодорожная линия Беркакит-Томмот-Якутск, общей длиной 805 км, также не является исключением в этом отношении. При этом необходимо учесть, что большинство имеющихся дефектов в железнодорожном земляном полотне также являются следствием осадок.

Одной из основных причин такого положения является возрастающее воздействие динамических процессов из-за увеличения нагрузки и скоростей движения поездов. В настоящее время имеется несколько направлений в решении данной проблемы.

Одно из них связано с учетом динамики при лабораторных испытаниях с помощью прочностных характеристик грунта: величины удельного сцепления и угла внутреннего трения (работы H.A. Красникова, НИС Гидропроекта).

В Московском государственном университете путей сообщения (МИИ-Те) был выполнен ряд экспериментальных исследований с применением центробежного моделирования, имитирующего динамическое воздействие на железнодорожное земляное полотно (Д.И. Иванов, Т.Г. Яковлева). Были получены важные для теории и практики результаты. Отмечая важность полученных результатов необходимо отметить следующее. На разработанной учеными МГУПС модели нельзя произвести термовлажност-ные процессы, а также достаточно точно смоделировать естественные условия.

Другим важным направлением динамических исследований является натурное наблюдение. Большой опыт по натурным наблюдениям колебаний земляного полотна накоплен в ЛИИЖТе, НИИЖТе, МИИТе, ДИИ-Те. В частности, в НИИЖТе была решена сложная проблема учета динамической нагрузки при расчете устойчивости насыпей. Здесь в натурных условиях одновременно изучались деформационные параметры колебаний - амплитуда, частота и пульсация компонентов нормальных напряжений.

Из краткого обзора следует, что проблема динамического воздействие на железнодорожный путь разрабатывается в стране на фундаментальном уровне. Тем не менее, следует указать на недостаточность исследований колебания насыпей на слабых основаниях, особенно при протаивании вечномерзлых термопросадочных грунтов.

Особую значимость учет динамики имеет место на участках распространения вечной мерзлоты, особенно высокотемпературной, в частности на участке Северного хода Дальневосточной железной дороги (Бай-

кало-Амурской магистрали), где почти четверть железнодорожного земляного полотна подвержена осадкам. По данным исследований Н.Е. Зарубина, 80 % железнодорожных насыпей на высокотемпературных вечно-мерзлых грунтах составляют насыпи высотой 1-3 м. Причина осадок связана с неблагоприятным сочетанием статических и динамических нагрузок в основании низких насыпей.

Собранные сведения о капитальных и средних ремонтах пути за прошлые годы по дистанциям пути Северного широтного хода Дальневосточной железной дороги указывают на то, что в 75 % случаев балльность на таких участках однозначно возрастала. Проблема приобрела новый смысл, когда на Байкало-Амурской магистрали при ремонтах пути начали использовать тяжелую путевую технику.

Контрольным нивелированием на экспериментальных объектах была выявлена повышенная интенсивность осадок в последующие после ремонтов годы. Осадки железнодорожного пути однозначно указывают на процесс деградации вечной мерзлоты в послеремонтный период. В этих условиях очень важно установить причинные явления, способствующие растеплению вечномерзлых грунтов и разработать эффективные рекомендации по стабилизации земляного полотна.

Суммарная осадка насыпей на вечномерзлых грунтах складывается из многих составляющих: а) осадки распученных грунтов тела насыпи; б) осадки распученных грунтов основания; в) распучивания грунтов основания после полного протаивания за счет набухания и сегрегационного льдонакопления; г) тепловой осадки и последующей консолидации оттаивающего грунта под собственным весом и от динамического воздействия подвижного состава; д) осадки за счет пластического выдавливания слабых грунтов основания в результате вибродинамического воздействия подвижного состава на прочностные характеристики грунтов; е) осадки, вызванной выдавливанием свободной поровой воды из осно-

вания насыпи в результате гидростатического ее обжатия между промерзающими слоями основания; ж) распучивания промерзающих грунтов насыпи и основания; з) усадки обезвоженных грунтов в процессе распучивания.

В многолетнем цикле процентное соотношение составляющих изменяется.

Осадка, вызванная фильтрационной консолидацией грунтов под нагрузками, уменьшается по мере уменьшения тепловой осадки. Доля суммарной осадки, которая приходится на отжатие поровой влаги (вероятнее всего, свойственной только грунтам 3-й и 4-й категории тер-мопросадочности), в условиях обеспеченного стока поверхностных и грунтовых вод уменьшается на эту величину. Но, самое главное, доля этой осадки сокращает срок стабилизации земляного полотна на 15 и более лет.

Одной из составляющих суммарной осадки земляного полотна являются пластические деформации грунтов основания, которые связаны преимущественно с вибродинамическим воздействием подвижного состава на грунты основания. На слабых фунтах пластические деформации возникают и развиваются после завершения консолидированной осадки грунтов насыпи, на вечномерзлых грунтах - в период формирования "чаши" протаивания и продолжаются в течение всего последующего периода эксплуатации.

Так, для насыпей с установившимся температурным режимом, например железнодорожной линии Известковая-Ургал, основной составляющей в суммарной годовой осадке является осадка за счет пластических подвижек грунтов основания (60 %), а затем осадка распученных грунтов насыпи. Пластические подвижки увеличиваются в насыпях с необеспеченным водоотводом и на участках досыпок земляного полотна и балластного слоя. Это связано с изменением водно-теплового баланса в

основаниях с установившимся квазистационарным режимом. Осадка распученных грунтов насыпи складывается из осадки уплотнения и осадки за счет расползания грунтов в откосные зоны.

Многолетние исследования автора подтвердили, что длительные деформации земляного полотна в южной зоне распространения вечномерз-лых грунтов обусловлены сложной природой мерзлотно-грунтовых явлений, возникающих в результате изменения температурно-влажностного режима в грунтах оснований. Это обусловлено сложной природой деформаций вечномерзлых грунтов, так как после оттаивания они чаще всего становятся грунтами, обладающими малой прочностью. Главной особенностью слабых грунтов является то, что их деформирование сопровождается пластическими подвижками во всей области изменения напряжений с самого начала загружения.

Геодезические наблюдения на участках Северного широтного хода и статистическая обработка данных балльности дистанций пути позволяют утверждать, что наиболее негативное влияние на деформирование грунтов основания оказывает вибродинамическое воздействие от тяжелой путевой техники, особенно, в предзимний период. Основной причиной появления деформаций железнодорожного земляного полотна является, во-первых, слабое основание, во-вторых, многократное динамическое воздействие от подвижной нагрузки.

В настоящее время учет динамических процессов осуществляется при оценке устойчивости земляного полотна, расчете упругой осадки, определении остаточных деформаций основной площадки. Однако при их решении рассмотрение динамики осуществляется не на основе волнового процесса. Как следствие, прогнозирование деформаций основной площадки земляного полотна выполняется с применением полуэмпирических методов.

Имеются попытки создания общей теории накапливающихся деформаций при повторных нагружениях, но также без прямого рассмотрения волнового процесса. Это не позволяет в полной мере осуществлять диагностику и прогнозирование и принимать надежные противодеформа-ционные конструкции различных факторов с учетом грузонапряженности и интенсивности движения. Поэтому в работе предлагается новый способ учета подвижной нагрузки на земляное полотно, основывающийся на волновом процессе.

Для моделирования напряженно-деформированного состояния насыпи земляного полотна при динамическом нагружении используем уравнения движений для тела с распределенной массой. Уравнения движения получим из уравнений статического равновесия путем добавления в них сил инерции по принципу Даламбера. Если ускорения ап-проксировать аналогично смещениям элементов, то доля объемных сил вектора {Р } будет иметь вид:

где {р} - вектор внешних нагрузок, не включающий инерционные силы; |и| - вектор ускорений; р - плотность материала.

В общем случае реальные среды обладают вязкостью и диссипатив-ностью. Для их учета в полученное уравнение добавим компонент, зависящий от вектора скорости

где к - коэффициент демпфирования.

С учетом изложенного выше уравнение движения примет вид:

[м}[и} + [с]{и} + к|и} = {к}.

где [м] - матрица масс, [м]= £ / р[м]т [Ы]с1 V; [с] - матрица демпфирова-

¡=1V

ния, [С]= Е |ф]т[м]с1У.

'=1V

Для интегрирования последнего уравнения используем численную пошаговую процедуру. Это означает, что равновесие с учетом сил инерции и демпфирования будет рассматриваться в дискретных точках временного интервала. Это дает возможность эффективно использовать вычислительный аппарат статического анализа. Кроме того, обеспечивается учет изменения перемещений, скоростей и ускорений внутри каждого временного интервала М

Предположим, что векторы перемещений, скоростей и ускорений в

момент времени ( = 0 соответственно и0. ио- Оо известны. Требуется найти решение уравнения движения в интервале времени от 0 до Т. Временной отрезок Т разобьем на п равных интервалов Д1 Интегрирование даст приближенные решения в моменты времени О, М, 2М, ЗД1, ..., 1,1+Д1, Т.

Алгоритм численного интегрирования позволяет получить решение в каждый последующий момент времени с использованием результатов, полученных на предыдущих шагах. Поэтому, с учетом того, что результаты в моменты времени О, Д1, 2Д1, ЗД1.....1 известны, можно найти решения для момента времени 1+Д1 Это является основой алгоритма, с помощью которого можно получить численные значения для всех дискретных моментов времени. Из ряда известных методов численного интегрирования в работе выбран метод Ньюмарка как имеющий безусловно устойчивую схему интегрирования.

При этом использованы следующие предположения:

и,+д,=и«+[(1-6)и,+8и,+д.]Л1.

и,+д, = и, + и, А» + [(1 - а) и, + а 0,+д,]^2,

где а,6 - параметры, определяющие точность и устойчивость интегрирования. Ньюмарк предложил в качестве безусловно устойчивой схемы метод постоянного среднего ускорения, для которого 6 = 0,5 и а = 0,25.

Экспериментальные расчеты подтвердили достоверность предложенной модели напряженно-деформированного состояния насыпи земляного полотна при динамическом нагружении. Ее применение позволяет существенно уточнить механизм влияния поездной нагрузки на железнодорожное земляное полотно. И как, следствие - закладывать наиболее рациональные решения при проектировании конструкций железнодорожных насыпей.

Однако объективная оценка динамического воздействия на устойчивость земляного полотна предполагает всестороннее изучение самих колебательных процессов. Исследование формы колебаний, выявление их спектральных характеристик имеет важное значение для сопоставления экспериментальных и расчетных данных. Поэтому в работе была поставлена задача на основе экспериментальных исследований определить частотный диапазон, амплитудный уровень и спектральный состав колебаний от воздействия поездной нагрузки: а) в рельсошпальной решетке; б) в балластном слое; в) откосах и теле железнодорожной насыпи.

Спектральный состав колебаний рельсошпальной решетки изучался посредством регистрации их сейсмоприемниками НС-3 с осциллографи-ческой записью и комплектом ПИУ-1М. В результате обработки натурных данных получены неразрывные спектры в диапазоне от 3 до 3200 Гц

(рис. 1). С точки зрения интенсивности в указанном диапазоне можно выделить следующие группы колебаний: длиннопериодные, основной тон, высокочастотные, а.

Аглах. микрон

Ш

£

Ь 9 1 910. 31

1Й 30 Я2«Л»»М

Углах, мм/с

ё

1тах. мм/сг104

3

/

-3.

5

в:

Ш 14

И !! ТГГ У

Рис. 1. Обобщенные спектры колебаний рельсошпальной решетки: а - смещения; б - скорости; в - ускорения.

Длиннопериодные колебания связанны в первую очередь с упругими прогибами пути. Частота их зависит от скорости поезда и вида подвижного состава. Возможна также передача на рельсошпальную решетку низкочастотных колебаний обрессоренных масс подвижных единиц. Диапазон длиннопериодных колебаний составляет 4-16 Гц, превалируют частоты 8-9 Гц с максимумами всех параметров: смещений, скоростей, ускорений. Длиннопериодные колебания характерны высоким уровнем смещений, что обусловливает большие скорости колебательного процесса при незначительных ускорениях.

Эффективный диапазон колебаний основного тона находится в пределах 20-30 Гц. Анализ результатов натурных измерений показывает, что эта

группа включает колебания необрессоренных масс подвижных единиц, собственные и вынужденные колебания нагруженного и ненагруженного пути на шпалобалластном основании.

Анализ записей высокочастотных колебаний (колебаний с частотой выше основного тона) свидетельствует о том, что вершины спектров в области частот 110-150 Гц обусловлены отдельными ударными импульсами при ударном взаимодействии колеса и пути. Вершины спектров на частотах 250-300, около 400 и 500 Гц объясняются колебаниями необрессоренных масс на контакте колеса и рельса и колебаниями элементов рельсошпальной решетки.

Максимальные смещения присущи длиннопериодным колебаниям. Несколько меньше их величины у основного тона и резко снижаются в диапазоне высокочастотных колебаний. По характеру распределения смещений высокочастотные колебания можно условно разделить на две подгруппы: с частотами до 400 Гц и свыше 400 Гц.

Колебания основного тона и высокочастотные до 400 Гц имеют максимальные скорости. Длиннопериодные колебания, имея абсолютный максимум в спектре смещений, отличаются невысоким уровнем скоростей и особенно ускорений. В спектре ускорений преобладают высокочастотные колебания в области частот выше 400 Гц. Наибольшая величина ускорений приходится на полосу частот 800-1000 Гц. Выделяются также пики на частотах около 700, 1400 и 2200 Гц.

Второй этап экспериментальных исследований заключался в изучении колебаний балластного слоя от поездной нагрузки. Выполнение эксперимента выполнялось по следующей методической схеме: 1. Определение спектрального состава колебаний. 2. Интерпретация спектров в различных пунктах балластного слоя. 3. Количественная оценка рассеяния колебаний. Для количественной оценки загасания колебаний в балла-

стном слое определялись показатели уменьшения величин смещений в различных точках среды, как показатель степенной функции:

А = А е~кх К = ~ еп ^о)

х О х

где А0 - амплитуда в опорной точке среды; х - расстояние от нее до пункта измерения; Ах - амплитуда в пункте измерения; К - показатель поглощения колебаний средой (м1).

Спектральному анализу подвергались записи одновременной регистрации колебаний в различных точках балластного слоя в течение фиксированного интервала времени - прохождения локомотива, вагонов, перед головой поезда, после прохождения его и т. д. Запись производилась как вертикальных, так и горизонтальных колебаний.

6 качестве примера в работе рассмотрим результаты синхронной записи колебаний на разных горизонтах в течение 1 с при прохождении пассажирского поезда со скоростью 50 км/ч.

На глубине 0,35 м от постели шпалы диапазон колебаний составил 15-85 Гц (рис. 2а). Вершина спектра максимальных смещений располагается у нижнего предела этого диапазона - в полосе частот 15-20 Гц. На этом спектре выделяются также пики на частотах около 30 и 45 Гц. Однако абсолютный уровень их в 2-2,5 раза ниже. В спектре ускорений абсолютный максимум смещается в сторону более высоких частот - около 45 Гц. В результате возрастания амплитуд на высоких частотах спектр ускорений более плотный, чем спектр смещений.

На глубине 0,8 м (рис. 26) диапазон колебаний тот же, но спектральный состав колебаний изменяется. Вершина спектра максимальных смещений сдвинута вправо (20-25 Гц) по сравнению с соответствующим спектром на глубине 0,35 м. В спектре ускорений абсолютный

максимум приходится на полосу частот 35-40 Гц, и выделяются вершины на частотах 55 и 80 Гц.

а ^

О 10 20 30 «О 50 во 70 во 90 100

Аыая, микрон

1мал. мы/сек

450 400 350

250 200 150

'.Гц

О 10 20 30 40 50 60 70 60 90 100

1мак. ум/сек

О 10 20 30 4050 60 70 00 90 100

'.Гц

О 10 20 30 40 50

70 80 «О 100

Аыах, ни«фОн

* 7-

'.Гц

О 10 20 30 40 50 60 70 60 90 100

, '. Гц

10 Л 30 40 50

70 вО 90 100

Рис. 2. Спектры вертикальных колебаний в балласте на глубине от постели шпалы: а - 0,35 м; б - 0,8 м; в -1,2 м

На глубине 1,2 м нижний предел колебаний несколько повышается (20 Гц), а верхний - тот же. Спектр максимальных смещений - плотный в диапазоне 25-55 Гц. Абсолютный его максимум расположен в полосе частот 20-30 Гц. Спектр ускорений в балласте на глубине 1,2 м такой же плотный, как и спектр смещений в диапазоне частот 20-55 Гц.

Количественное сопоставление спектров на разных горизонтах дает наиболее наглядное представление о рассеянии колебаний в балластном слое с учетом "частотной фильтрации". Интерпретация спектров основывалась на том, что изменение формы их вызвано только погло-

щающим действием балласта. Влияние других факторов предполагалось незначительным.

На рис. 3 представлены графики изменения смещений, скоростей, и ускорений колебаний в балластном слое на разных частотах и абсолютных значений указанных параметров в целом для всей анализируемой реализации.

Атах,

10 20 30 40 50 МИКР°Н . 1

0 20 40 60 80 100 120 h, см

г

/

3 4 5 V, мм/с

мм/с2 20 40 60 80100120

Л /, /

/ V /

/ і /

/ V

I л \

0 20 40 60 80 100 120 h, см

Рис. 3. Графики загасання вертикальных колебаний в балласте: а - смещения; б - скорости; в - ускорения.

На кривых смещений отчетливо выражена дифференциация загасання по частотам. Кривые загасання описываем экспоненциальными функциями:

A¡h = Аюе k,h'

где Аю - амплитуда колебаний в балласте под шпалой на і-ой частоте; Ajh- то же на глубине h; к, - коэффициент загасання по глубине колебаний с -ой частотой. Тогда получим показатели загасання для разных частот основного диапазона (табл. 1). Из таблицы видно, что показатели загасання смещений уменьшаются с повышением частоты. В частности, более интенсивное загасание колебаний с частотами около 20 Гц по мере удаления от верхнего строения пути косвенно свидетельствует о вза-

имосвязи их с колебаниями рельсошпальной решетки, передающимися на балласт.

Таблица 1

Показатели загасання для разных частот основного диапазона

Частота, Гц К, м'1

15-25 1,15

25-35 1,00

35-40 0,92

45-55 0,63

Более 55 0,50

А меньшая степень загасания смещений с частотами около 40-50 Гц дает основание предполагать, что эти смещения обусловлены уже упругими колебаниями земляного полотна. Это предположение подтверждается также тем, что с глубиной от 60 до 120 см амплитуды колебаний на этих частотах практически неизменны.

В процессе экспериментального исследования горизонтальных колебаний было установлено, что какой-либо закономерности изменения соотношения интенсивности вертикальных и горизонтальных колебаний с глубиной в балласте нет. Единственной отличительной особенностью явилось то, что на всех горизонтах в различных реализациях процесса амплитуды горизонтальных колебаний в 1,5-3 раза меньше, чем вертикальных.

Исследованию колебательных процессов в откосах насыпи уделялось особое внимание с учетом того, что деформации этой зоны земляного полотна наиболее часто приводят к нарушению устойчивости пути. Особенно ощутимо это проявляется там, где имеются балластные присыпки на откосах, отсутствуют обочины, уменьшено плечо балластной

призмы. Натурные данные получены по записям от сейсмоприемников, заложенных в откосах на разных участках (рис. 4).

Частотный диапазон вертикальных колебаний сужается от 15-85 Гц (под шпалой на глубине 2 м) до 20-55 Гц (у поверхности откоса). В спектре смещений (под шпалой на глубине 2 м) имеется только одна вершина -между 20 и 30 Гц (рис. 4). Плавность спектра объясняется частотной фильтрацией балластного слоя. С удалением от пути по горизонтали спектр усложняется. По-видимому, в связи с уменьшением при этом толщины балластного слоя сказывается наложение колебаний верхнего строения пути. Но по мере приближения к откосу спектр смещений сглаживается.

Производные от смещений по частоте - скорости и ускорения - резко отличаются по спектральному составу от смещений. Так, в пункте измерения под шпалой имеются две соразмерные по уровню вершины - на 25 и 75 Гц. Но если первая обусловлена максимумом смещения, вторая появляется благодаря короткому периоду колебаний. Аналогично выделяется вершина на частоте 80 Гц. Вследствие загасания высокочастотных колебаний с приближением к поверхности откоса максимум спектра ускорений смещается в область более низких частот - 30-50 Гц.

Спектры горизонтальных смещений отличаются от вертикальных тем, что сглаживаются с удалением от пути к откосу с выделением превалирующих частот 20-30 Гц. Спектры горизонтальных ускорений более изрезаны, имеют ряд вершин в диапазоне от 30 до 100 Гц. У поверхности откоса максимальные ускорения характерны для частоты 35 Гц.

Комплексное исследование колебательного процесса предполагает, проведение натурных экспериментов не только для рельсошпальной решетки, балластного слоя и откосов насыпи, но и для тела железнодорожного земляного полотна. Натурные данные о колебаниях в теле насыпи были получены из результатов регистрации их сейсмоприемника-

ю I / А —+- -—(- 5000

О I-----Гц о ' ^-□ Гц

О 40 во 120160200240280320360400 О 40 80 120160200240280320360400

А, микрон 1-, мм/сек2

8 ---,----- 2500

I Л I----2000

5 I \ — 1500

;/[[\[1—500

^ I- ■ --Гц о

О 40 80 120 160200240 280320360400 „ 40 80 120160200240280320360400

А, микрон

50

I., мм/сек 2

25000

20000

15000

10000

Е, мм2/сек

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 О

О 40 80 120 160 200240 280 320 360 400 Е, мм2/сек

1 - __ _ _ _ -

-

— — —— — — —

'Л

N3 Сл)

Гц

О 40 80 120160 200 240 280 320 360400

А, микрон

I, мм/сек

н—г

Е, мЛсек

О 40 80 120160200240280320360400

О 40 8012016020024028032С?60400

Гц

120160 200 240 280 з20 360 400

Гц

Рис 4. Спектральный состав вертикальных колебаний насыпи высотой 2 м из суглинка с песчано-гравийным балластом толщиной 30 см: а - в балласте у торца шпалы; б - на обочине; в - у подножия насыпи

ми, заложенными по оси земляного полотна на горизонтах от 1,1 до 6,0 м от поверхности.

Во всех зарегистрированных реализациях колебательного процесса определялся частотный диапазон, амплитудный уровень и спектральный состав колебаний. Наиболее подробно изучался характер распространения вертикальных колебаний.

Частотный диапазон колебаний в верхнем пункте измерений составил 20-125 Гц. Но колебания свыше 70 Гц имели очень малые амплитуды. Спектр смещений здесь плотный (рис. 5), левая и правая его ветви плавно спадают от вершины 35 Гц. С глубиной спектр разрежается, и в нем четко выделяются отдельные частоты 30-50 Гц на глубине 3,5 м. Аналогично изменяются по глубине и спектры ускорений.

Частотный состав колебаний претерпевает наибольшие изменения между горизонтами 1,85 и 3,50 м. Особенно отчетливо это выражено в спектрах ускорений (рис.6), наиболее наглядно отражающих частотную фильтрацию в теле насыпи. Если в верхней части ее эффективный частотный диапазон составляет 25-60 Гц, то в средней и нижней энергия колебаний почти полностью сосредоточена в узкой полосе частот -25-33 Гц и незначительно - около 40 Гц.

Количественным сопоставлением спектров на разных горизонтах получены зависимости амплитуд колебаний от глубины заложения для отдельных групп частот (рис. 5,6). Охарактеризуем их.

Колебания с частотой менее 25 Гц полностью рассеиваются в верхней зоне насыпи. Максимальные смещения на частотах 25-30 Гц изменяются от 40 до 30 микрон мехеду горизонтами 1,1 и 1,85 м, но почти не изменяются между горизонтами 1,85 и 4,35 м. В этой же зоне практически неизменны и средние амплитуды в полосе частот 25-30 Гц. Но в слое между горизонтами 4,35-6,0 м средние смещения уменьшаются вдвое (от 15 до 7,5 микрон), а максимальные - втрое (от 25 до 8 микрон).

И=1,10 м

>1=1,85 м

А, микрон

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 А, микрон

А, микрон

30 25 20 15 10 5

(1=3,50 м о

А, микрон

30

25 20 15 10 5

(1=4,35 м 0

А, микрон

10 8 6 4 2

(1=6,0 м о

О 10

Рис. 5. Спектры смещений в теле насыпи: — среднее смещение; -максимальное смещение

В отличие от верхней зоны в средней и нижней частях земляного полотна (И = 2,5-6,0 м) характер изменения амплитуд колебаний с глубиной одинаков для всех частот в диапазоне от 30 до 45 Гц. Этим обусловлена стабильность спектров в средней части насыпи. Смещения с частотами 50-60 Гц интенсивно убывают в верхней зоне насыпи, незначительно - в средней и почти не изменяются - в нижней (от 5 до 6 м). Высокочастотные колебания (более 60 Гц) полностью загасают на глубине около 4,5 м.

Из графиков ускорений (рис. 6) видно, что их амплитудный уровень на горизонте 5 м примерно одинаков для всех частот и мало изменяется в нижележащем слое. Характер загасания непосредственно отражает сложную картину волнового поля в теле насыпи, на формирование которого наряду с источником колебаний влияют свойства грунтов, слоистость среды, поперечный профиль земляного полотна, отражение волн от основания.

На рис. 7 представлено исследование эффекта поглощений насыпью вертикальной компоненты как наиболее интенсивной. Анализировался участок записи при прохождении локомотива со скоростью 75 км/ч. Методом количественного сопоставления спектров колебаний на разных горизонтах определялись коэффициенты поглощения различных параметров колебаний для отдельных групп частот с шагом 5 Гц. Это давало одновременно возможность судить о частотной избирательности насыпи. Показанные кривые убывания средних амплитуд отражают сходство характера загасания на разных частотах.

Отчетливо выражена тенденция коэффициента загасания к уменьшению в слое основания меноду четвертым и пятым пунктами (4,4-6,4 м). Так, на частоте 25-30 Гц коэффициент загасания, определенный как показатель степенной функции, в теле насыпи равен 0,22 м"1, а в основании -0,13 м"1. Коэффициенты загасания максимальных смещений и ускорений

(1=1,10 м

(1=1,85 м

(1=3,50 м

(1=4,35 м

И=6.0 м

2 2 1_тах, мм/с 10

0 10 20

2 2

1_тах, мм/с 10

О 10 20 1-тах, мм/с 210 2

О 10 20 1_тах, мм/с2) 0 2

О 10 20 30 40 50 60 70 80 1_тах мм/с 210 2

Рис. 6. Спектры ускорений в теле насыпи

одинаковы, но значительно превосходят коэффициенты загасания на тех же частотах (0,46 м"1 по Анах и 0,22 м"1 по Аср на частоте 25-30 Гц).

Рис. 7. Загасание амплитудных смещений и ускорений в теле насыпи по глубине на разных частотах

Так же, как и для средних смещений, коэффициенты поглощения максимальных смещений плавно уменьшаются в нижних слоях насыпи и резко - в основании. Эта тенденция к уменьшению объясняется повышением плотности грунтов в нижней части насыпи. Низкочастотные колебания (4-5 Гц), измеренные до глубины 3,5 м, имели одинаковую форму и почти неизменные смещения на всех горизонтах. Это свидетельствует о незначительном поглощении их насыпью.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют об интенсивных собственных низкочастотных колебаниях тела насыпи на слабом (или просадочном) основании и необходимости в этих условиях корректировки расчетной динамической модели системы "железнодорожная насыпь-основание".

Необходимость дальнейшего уточнения динамического воздействия на железнодорожное земляное полотно обусловлена также повышенной

интенсивностью осадок после работы тяжелых путевых машин. Непрекращающиеся деформации в насыпях свидетельствуют о растеплении вечномерзлых грунтов в послеремонтный период. С учетом этого необходимо уточнение механизма выявления упругих и остаточных деформаций в теле и основании земляного полотна и разработке рекомендаций по повышению устойчивости насыпей на слабых основаниях.

Поэтом в исследовании был выполнен ряд экспериментов по определению воздействия вибрационного воздействия машины ВПО-ЗООО на грунты основания насыпи. В качестве экспериментального полигона была выбрана станционная площадка (км 3192 ДВЖД), инженерно-геологические и мерзлотно-грунтовые данные которой типичны для насыпей на слабом основании Северного широтного хода.

Специфика эксперимента заключалась в исследовании внешнего воздействия ВПО-ЗООО как вибратора, вызывающего колебания геотехнической системы от верхнего строения пути через земляное полотно к основанию и способствующего возникновению упругих и остаточных деформаций его грунтов. Для проведения экспериментальных исследований было выбрано сечение на насыпи высотой 4 м с бермой (рис.8). Пункты измерения вибраций размещались в приподошвенной зоне насыпи, на дне шурфа глубиной 1,50 м, в теле бермы. Для измерений использовались каналы "Сейсмоприемник СМЗКВ + гальванометр типа М002" с регистрацией на фотоленте осциллографа К041. Измерялись: вертикальная составляющая - 7. и горизонтальные вдоль оси пути - X и перпендикулярно - У. Вертикальная составляющая измерялась также в пункте 2 (рис. 9). Примененные каналы позволили выявить постоянное увеличение вибросмещений с частотой более 2 Гц.

Остаточные деформации грунта основания измерялись с помощью зонда, погруженного ниже дна шурфа на 0,30 м. На уровне поверхности основания индикаторами часового типа регистрировались в трех напра-

1.17 1.17 ь. а 1 ** 0.

¿А& 131 Л п » Л ^ N _ Л Л Л «Л /\

6.10 3.62 ' / / "У/', 'Л/. У Л у У ' Р У/ / V* ' ' у / Г/? У 4/ У/У У/<

5-40 fl.il)

б.гэ 0.40 ' -о ■У /'

7.25 С Ц

1 - панкгь") ИЗМЕРЕНИЯ МЕРАМИ 2-панкты ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

Рис. 8. Геологическая колонка и поперечный профиль насыпи на ПК 2+67,00 км 3192: 1 - пункты измерения вибраций; 2 - пункты измерения остаточных деформаций

влениях перемещения телескопической стойки, жестко соединенной с зондом, относительно анкера, забитого на расстоянии 1,3 м от зонда на глубину 3 м (рис. 9). Были также проведены измерения упругих перемещений в пункте у подошвы насыпи геодезическим светодальномером (Торсоп ОМ-81) с целью выявления возможностей использования его для дистанционной регистрации горизонтальных перемещений грунтов насыпи. В ходе эксперимента по индикаторам велась также визуальная регистрация упругих деформаций.

Эксперимент проводился с регистрацией вибраций и измерениями остаточных деформаций, как при работе путевой машины, так и при прохождении грузовых и пассажирских поездов. Для определения собственных частот слоев насыпи и основания использовались натурные данные о скоростях распространения упругих волн по результатам регистрации каналов сейсмопрофилирования. На момент проведения экспериментов частоты колебаний тела насыпи и слоев основания находились в области 10-20 Гц.

Частотный диапазон, амплитудный уровень и спектральный состав колебаний, зарегистрированных при прохождении грузовых и пассажирских поездов, в целом соответствует отраженным в различных источниках результатам исследований в сходных условиях. Характер колебаний нестационарный, с изменяющимся амплитудным уровнем и частотным составом на различных участках разных реализаций процесса. Частотный диапазон колебаний в пунктах измерений практически ограничивается пределами от 2 до 50 Гц.

При прохождении машины ВПО-ЗООО регистрация проводилась: а) по сечению с рабочей скоростью 3 км/ч с заведенными в балласт вибрационными плитами; б) при неподвижном положении над сечением; в) с работающими вибраторами, с плитами на поверхности балластной призмы.

№

ы

а) О о

Й 2 <м ет Д

-I—I—I—I— 14 16 1в 20 22 О

Н-1-1-1-1-1-1-

-I—^

8 10 12 14 16 18 20 22 О

н—I—^

-I—I—I—I—I—I—

ч—I—I—I—(-

6 8 10 12 14 16 18 20 22 О

6 8 10 12 14

Рис. 9. Результаты экспериментальных исследований остаточных деформаций в льдистом вечномерзлом основании (км 3192): 1 - прохождение работающей ВПО; 2 - грузовой поезд; 3- ВПО неподвижная с работающими плитами в балласте; 4 - то же с вибраторами на поверхности; 5 - грузовой поезд; - — измерения проводились; -----измерения прерывались

В отличие от хаотического колебательного процесса при воздействии поездной нагрузки колебания основания при работе машины ВПО-ЗООО имели регулярный, стационарный характер с резко выраженным резонансом. Резонансный режим на записи наступал на 4-5 периоде после начала колебаний.

Частотный диапазон был сужен полосой в окрестности 25 Гц. Это обусловлено, с одной стороны, такими же собственными частотами верхнего строения пути, и с другой - вынужденными колебаниями со стороны вибраторов машины.

Согласно ее технической характеристике их рабочая частота составляет 1470 об/мин или 24,5 Гц. Кроме того, как указывалось выше, такой частотой собственных колебаний обладали и фунтовые слои насыпи и основания. Амплитуды вибросмещений фунта превышали в 3-4 раза максимальные амплитуды при прохождении поездов и в 5 раз их средний уровень (табл.2).

Таблица 2

Амплитуда вибросмещений грунта при прохоаедении поездов и работе машины ВПО-ЗООО

Нагрузка Амплитуда вибросмещения в пунктах наблюдения, микрон

Подошва Шурф

Аг Аг Ау А,

Грузовой поезд 50 20 10 10

Пассажирский поезд 30 15 8 8

ВПО при прохождении в рабочем режиме 180 75 25 30

ВПО неподвижная, виброплиты в балласте 165 70 25 25

Для выявления остаточных колебаний от тяжелой путевой техники измерения осуществлялись в четыре этапа (рис.9). На первом - прово-

дились фоновые суточные наблюдения. Далее измерялись остаточные колебания во время прохождения путевой техники. 6 завершение выполнялись измерения остаточных колебаний в фоновом режиме.

В период фоновых суточных наблюдений перед работой машины ВПО-ЗООО уровень остаточных деформаций был нулевым. Не изменялся он и при прохождении поездов в пределах точности измерений 0,01 мм. Через 5 мин после воздействия на земляное полотно машины в рабочем режиме (прохождение со скоростью 3 км/ч) измеренные зондом перемещения составили 0,37 мм вниз, 0,15 мм вдоль оси пути в направлении хода и нулевые в поперечном направлении. Еще через 1 час 25 мин в сечении работала машина с включенными вибраторами, но без заведенных в балласт плит и без движения в течение 4 мин. Измеренные остаточные перемещения составили 0,3 мм вертикально вниз, 0,23 мм к оси пути и не были отмечены вдоль оси.

В течение последующих четырехчасовых наблюдений перемещения не отмечались как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Не вызвал их и прошедший грузовой поезд. То есть наступила временная стабилизация основания. В связи с этим наблюдения были возобновлены на следующие сутки утром.

В момент возобновления их (14.10.03 в 10:00) был отмечен подъем в пункте регистрации на 1,56 мм относительно последнего предшествующего уровня или на 0,59 мм относительно начального фонового. В горизонтальном направлении перемещения произошли незначительные -0,15 мм от оси пути и 0,05 мм вдоль оси.

Такой характер измеренных перемещений можно объяснить особенностью деформаций в пункте измерений. Работа машины ВПО вызвала дестабилизацию основания. Особенно чувствительным, по-видимому, явился водонасыщенный слой, над которым на 20 мм выше располагал-

ся зонд. Знакопеременные колебания могли разрушить связи между составляющими фракциями водонасыщенного грунта.

Как известно, сложные инженерно-геологические условия основания предопределяют накопление потенциальной энергии в одних слоях при прохождении через них потока кинетической энергии большой мощности и возникновение необратимых деформаций в других. Эти факторы могут проявляться совместно и в одном слое. По-видимому, это и выразилось в характере деформаций, наблюдаемых после временной стабилизации. Наблюдения в последующие сутки (без ночного времени) свидетельствовали о продолжающейся нестабильности грунтов основания, вызванной работой ВПО.

Таким образом, результаты наблюдений за деформациями основания достаточно убедительно выявили дестабилизирующее воздействие работы ВПО-ЗООО на основание насыпи, которое характеризуется слоистостью и влажностью (льдистостью). Слоистость предопределяет возможность локального резонирования при повышенном уровне вибродинамического воздействия на слой.

Потенциальная резонансность обусловливается значительной разницей в сейсмической жесткости смежных слоев, выявленной по результатам проведенного на участке сейсмопрофилирования. Вследствие этих факторов в основании возникают зоны наиболее интенсивных деформаций (в виде вязко-пластических подвижек).

Чтобы выявить характер таких деформаций, вызванных воздействием различных путевых машин и поездной нагрузки, очень важно знать параметры термовлажностных и влажностно-конденсационных процессов. С этой целью были выполнены дополнительные эксперименты, заключающиеся в синхронной с вибрационными измерениями регистрации температурных и влажностных изменений в грунтах. Эксперименты были проведены на двух объектах ДВЖД: км 3046 и км 3048 (рис. 10,11),

отличающихся конструктивными особенностями и мерзлотно-грунтовыми условиями.

В качестве технических средств были применены: сейсмоприемники, марки с отражателями, высокоточный светодальномер Торсоп ОМ-Б1 для наблюдения за упругими и остаточными деформациями грунтов в основании насыпи: система НПФ "ИНКО" с термодатчиками, обеспечивающая проведение температурных измерений; зеркальные трехгранные призмы для наблюдения за влажностными изменениями в грунтах основания и тела насыпи. Температурные датчики погружались в скважины в основании насыпи до зоны протаивания. Скважины в устьях закрывались для исключения влияния температуры наружного воздуха.

Я »8 8 яа яя «Я 1 ЯЯЯ Я Я к я

о> о> В> ст> аа а а ЙВ ьаа а а а а

I I >■'» I М 4.16 II1Л0М 1.ю 151 ».го 1 м» ЕМ 1.16 1 100 ] 0.10 1-1

о» то 30458+00

Рис. 10. Поперечный профиль экспериментального сечения (км 3046)

Регистрация велась по четырем пунктам наблюдений: два на откосе, один у подошвы насыпи и один на удалении от нее до 5 м. Влажностные изменения регистрировались в этих же скважинах косвенным показателем - степенью конденсации влаги на трехгранных зеркальных призмах.

Результаты наблюдений носили визуальный характер, но были достаточно выразительными и убедительными.

В ходе проведённых экспериментов было осуществлено 38 записей исследуемых вибрационных, деформационных, температурных и влаж-ностных процессов в грунтах оснований насыпей при различных режимах работы хоппер-дозаторных составов, электробалластёра, машины ВПО, а также при прохождении грузовых и пассажирских поездов. Результаты эксперимента, представленные в табл. 3, отражают развернутую во времени картину упругих и остаточных деформаций.

СкН

ЛЫ-1

Отметки по маркам г г • в В С 8 (О

(25 октября) $ $ (Я ж 0> 01 от £

Отметки по маркам СП о> 8 £ * ¡- аг

(Июнь) К ж в

Отметки по маркам г £ 3 я Д 5 ч С! «1

(апрель) £ ж £ £ £ О) в! Ж $

Расстояния,м I г,го I г,4а I г.ег I 3.35 I I 1.66 1 1.64 1 5.53 И .441

Рис. 11. Поперечный профиль на экспериментальном участке (км 3048)

Данные о вибрациях на км 3046 свидетельствуют о решающей роли в упругих деформациях системы "насыпь-основание" от воздействия сплошной полосовой нагрузки или веса проходящего поезда с накоплением от каждой последующей подвижной единицы.

По наблюдениям сейсмометрический уровень вибраций при работе ВПО был в 5 раз выше, чем при прохождении хоппер-дозаторного соста-

ва. Следовательно, можно предположить, что основная доля энергии динамического воздействия машины ВПО на систему "насыпь-основание" сосредоточивается в высокочастотной фазе, где, как установлено, преобладают резонансные вибрации.

В этой фазе процесс имеет стационарный характер и высокий уровень мощности энергии. По предварительным оценкам, энергия высокочастотных колебаний системы "насыпь-основание" за время работы ВПО в исследуемом сечении примерно такая же, как при прохождении целого хоппер-дозаторного состава. С учётом гораздо меньшей длительности реализации этого процесса мощность его соответственно в б раз выше.

На исследуемом участке методом качественных наблюдений констатировались и изменения фильтрационно-влажностной картины. Опираясь на синхронизированные результаты, установлена степень взаимосвязи упругих деформационных, вибродинамических, тепловых и влажностно-фильтрационных процессов на разных этапах. Температурными наблюдениями отмечается изменение теплового процесса с градиентом 0,1 °С.

Особенно отчетливо влияние вибродинамического воздействия электробалластера выразилось в результатах влажностных измерений. Они наглядно свидетельствовали о направленной фильтрации воды в сторону подошвы насыпи. Незначительность температурных изменений возможно объяснить рассеянием тепловой энергии в значительном объеме среды, вовлеченной в динамический процесс, по глубине.

Рассматривая систему "железнодорожная насыпь-основание" как условно консервативную с позиций динамически упругих систем, можно считать, что сообщённая ей энергия трансформируется в энергию собственных и вынужденных вибраций насыпи и бермы, ограниченных жё-

:тким подстилающим слоем. Эти слои сильно отличаются по сейсмоаку-ггическим жёсткостям.

Таблица 3

Результаты измерений вибраций

Источник колебаний Амплитудн мик ый уровень, рон Характер колебательного процесса

Подошва насыпи Подножие бермы

Вертикальные колебания Горизонтальные колебания Вертикальные колебания Горизонтальные колебания

км 3046

Пассажирский поезд 8 5 5 3 Импульсы при ударах в стыках, колебания ВСП (20-30 Гц), фунтов тела земляного полотна

Хоппер дозаторный состав до остановки 3 2 2 2 Понижение уровня высоко-частот. составляющей, ударные импульсы из-за подергивания состава

Работа хоппер-дозаторов, состав неподвижен 2 1 2 2 Преобладают компоненты, возбуждаемые подергиванием состава

Уход хоппер-дозаторного состава с рабочей скоростью (пониженной) и после ухода (50м) 3-5 км/ч) 3 2 2 2 То же усиливается высоко-частот. составляющая, проявляется длиннопери-одная компонента от упругих прогибов, после ухода выявляются собств. колеб. тела ЗП с частотой 3-5 Гц

Прохождение хоппер-дозаторно-го состава с более высокой скоростью и после ухода (»10 км/ч) 5 4 4 3 Характер колебаний аналогичен такому же при про-хожд. пасс, поезда. После ухода затухающие собств. колебания тела насыпи

Состав с электробалластером (3 км/ч) 3 2 3 2 Высокочастотная компонента, промодулированная длиннопериодной составляющей компоненты про-

Продолжение табл. 3

Источник колебаний Амплитудн ми ый уровень, фон

Подошва насыпи Подножие бермы

Вертикальные колебания Горизонтальные колебания Вертикальные колебания Горизонтальные колебания Характер колебательного процесса

Прохождение хоппер-дозатор-ного состава с рабочей скоростью и периодическими остановками 2 2 2 1 Наложение затухающих колебаний после ударов в стыках, продольного подергивания, высокочастотной компоненты, упругих прогибов и собственных колебаний земполотна

Приближение работающей ВПО (за 100 м до сечения) 1 0 0 0 Проявляются (преобладают) собственные колебания насыпи (в среднем 4 Гц) со слабым наложением собственных колебаний рельсошпальной решетки (20-30 Гц)

Прохождение ВПО в рабочем режиме (3 км/ч) 25 20 20 15 Интенсивный резонансный режим колебаний верхнего строения пути и вынужденных колебаний вибраторов ВПО (20-30 Гц), процесс стационарный, высокая плотность потока энергии в ходе реализации процесса

После прохождения ВПО по сечению (50 м) 1 1 1 1 Резко проявляются собственные колебания основного тона земляного полотна (3-5 Гц). Убывающие высокочастотные вибрации, соответствующие колебаниям верхнего строения пути

Прохождение ВПО в нерабочем режиме (5-7 км/ч) 4 3 3 2 Аналогичен тому, как при прохождении других составов с равными скоростями

Прохождение хоппер-доэатор-ного состава со скоростью »15 км/ч 6 5 4 4 Аналогичен тому, как при прохождении пассажирского поезда

Окончание табл. 3

Источник колебаний Амплитудн мик ый уровень, рон Характер колебательного процесса

Подошва насыпи Подножие бермы

Вертикальные колебания і Горизонтальные колебания Вертикальные колебания Горизонтальные колебания

км 3048

Прохождение хоппер до-заторного состава со скоростью =10 км/ч 25 22 20 15 Тот же, что и на участке 3046 км, но более отчетливо проявляются собственные колебания насыпи

Головная часть холлер-доза-торного состава (3-5 км/ч) 18 15 13 12 Аналогичен тому, как в поперечнике на 3046 км, но более интенсивны все компоненты процесса

Прохождение тепловоза с электробалластером (3 км/ч) 15 10 12 8 Аналогичен тому, как на 3046 км

Приближение работающей ВПО (за 300 м до сечения) 1 1 1 1 Начинают проявляться собств. колебания насыпи, возбужденные бегущей волной вдоль пути

Приближение работающей ВПО (за 100 м до сечения) 2 2 2 2 На основной тон собств. колебаний насыпи накладывается высокочастотная составл. вынужденных и собственных колебаний рельсошпальной решетки

Прохождение ВПО по сечению в рабочем режиме 60 48 50 35 Интенсивный резонансный режим, аналогичный тому, что на 3046 км, но интен-сивн. всех компонент выше

После прохождения ВПО по сечению (50 м) 3 3 3 3 Загасание высокочастотной компоненты, более отчетливое проявление собственных колебаний тела насыпи

После прохождения ВПО по сечению (100 м) 2 2 2 2 Чистая затухающая синусоида, соответствующая собственным колебаниям насыпи с частотой 4 Гц

Уровень вибраций, имеющих место на км 3048 при работе ВПО был выше в 2-3 раза, чем на предшествующем объекте. Такое же соотношение уровня вибраций и при воздействии других источников возмущения. Такое отличие обусловливает отражение волны на границе слоев и порождает стоячую волну в верхнем слое, концентрируя именно здесь энергию вибродинамического воздействия. Данные инженерно-геологического обследования поперечника на км 3048 подтверждают такое объяснение.

Синхронные температурные наблюдения на км 3048 свидетельствуют о достаточной корреляции наибольшей мощности вибрационного процесса с тепловым процессом в системе "насыпь-основание". На картине температурных изменений при работе ВПО зафиксирован наибольший температурный градиент 0,15-0,3 °С (рис. 12).

Рис. 12. Графики перемещения слабых грунтов оснований и изменения температуры у подошвы бермы при работе комплекса ВПО-ЗООО

Столь же отчётливо прослеживается взаимосвязь изменения влажности воздуха в скважинах с вибрациями от работы ВПО. Можно констатировать ориентированность векторов влажностных изменений со сто-

роны насыпи и со стороны мари как косвенный индикатор фильтрационного стока в основании насыпи у её подошвы и как следствие тепловых процессов в оттаивающем грунте основания, вызванных мощным вибродинамическим воздействием ВПО.

Для полноты эксперимента в диссертационной работе также было исследовано вибродинамическое воздействие ВГ10-1300 на систему "насыпь-основание". Экспериментальные работы с ВПР на перегоне осуществлялись на перегоне Тангомен-Дугда Дальневосточной железной дороги. В процессе воздействия ВПР в рабочем режиме на участке ремонта было произведено 40 аппаратурных записей колебаний системы "насыпь-основание".

Пункты измерений располагались у торца шпалы и у подножия бермы. Регистрировались вертикальные колебания поперек и вдоль оси земляного полотна. В качестве датчиков колебаний использовались сейсмо-приемники СМ-3 и К001. Регистрация проводилась осциллографом Н-700 и сейсмостанцией "Изыскатель" с компьютерным выходом на "Note-book".

Предварительный анализ результатов позволил сделать следующие основные выводы:

- уровень колебаний у торца шпалы при рабочем воздействии ВПР в среднем в б раз ниже, чем под секциями тепловоза поезда, проходящего со скоростью 55 км/ч, и в 3 раза меньше, чем под вагонной нагрузкой;

- в сечении при воздействии подбоек колебательный процесс - стационарный с частотой, равной частоте вибраций рабочих органов машины -18-20 Гц. С удалением работающих вибраторов от сечения на 3-5 м в спектре доминируют собственные колебания насыпи. По уровню смещений они равны и даже несколько превосходят амплитуды вынужденных колебаний, но ниже их по мощности потока энергии;

- вибрации у подошв берм характеризуются интенсивным загасанием вынужденных колебаний с частотой 18-20 Гц и преобладанием собст-

венных в диапазоне 5-8 Гц. По предварительной оценке амплитудный уровень собственных колебаний примерно в 3 раза ниже, чем у торца шпалы, а вынужденных - в 5 раз;

- сравнение полученных результатов с соответствующими данными, полученными на аналогичных участках при воздействии машины ВПО-3000, свидетельствует о том, что интенсивность его на основание примерно на порядок выше, чем при воздействии машины ВПР, которое локализовано в зоне балластного слоя и не может оказывать дестабилизирующего воздействия на слабые основания насыпи даже небольшой высоты.

С целью сравнения интенсивности вибродинамического воздействия различных путевых машин и поездной нагрузки на систему "насыпь-основание" приведем сравнительные данные (табл. 4). Общим для сравниваемых экспериментальных объектов являются примерно одинаковая высота насыпи (3-4 метра); положение пунктов измерения - подошва насыпи, бермы, основание бермы.

На основании полученных экспериментальных данных в диссертационной работе выполнен анализ вариантов воздействия на систему "насыпь-основание путевых комплексов с машинами: ВПО-ЗООО, ВПР-1300, электробалластером.

Вначале рассмотрим работу путевого комплекса на базе ВПО-ЗООО в условиях среднесуточных отрицательных температур при протаивании насыпи до 0,5 м (насыпь и основание находятся в талом состоянии, верхний протаявший слой насыпи имеет прочное основание). В этом случае аккумулируемая в верхнем слое тепловая энергия компенсируется охлаждающим воздействием мощного мерзлого основания. Припо-дошвенные зоны насыпи практически замерзлочены, протаивание незначительно.

С точки зрения волновой картины колебаний характерны следующие факторы.

Таблица 4

Результаты оценки интенсивности колебаний

Характеристика участка и условия эксперимента Нагрузка Осредненный модуль вектора смещений, микрон Частоты, Гц

км 3192 Насыпь двухпутная на косогоре, с полностью погруженной каменной бермой. Высота насыпи 4 м. Под насыпью водоток. Октябь 2003 г. Полное протаивание Фунта с чашей под насы- ВПО при прохождении в рабочем режиме 120 20-30, 4-6

ВПО неподвижная, виброплиты в балласте 105 20-30

Грузовой поезд, скорость 50 км/ч локомотив вагоны 52 39 20-30 5-9

пью. Измерения в шурфе глубиной 1,5 м Пассажирский поезд, 50 км/ч локомотив вагоны 50 33 -

км 3046 Насыпь однопутная, с Прохождение ВПО в рабочем режиме 25 20-30, 3-6

частично погруженной бермой, высота 4 м, без чаши под телом насыпи. Июнь 2003 г. Прохождение хоппер-дозаторного состава с рабочей скоростью и подергиваниями 6 20-30, 4-5

Работа электробалластера 5 20-30, 4-5

Прохождение пассажирского поезда со скоростью 40 км/ч локомотив вагоны 12 8 20-30, 5-9

Прохождение фузового поезда со скоростью 40 км/ч локомотив Вагоны 12 6 -

Окончание табл. 3

Характеристика участка и условия эксперимента Нагрузка Осредненный модуль вектора смещений, микрон Частоты, Гц

км 3048 Насыпь однопутная без ВПО при прохождении в рабочем режиме 54 20-30, 5-9

берм, высота 4 м. Июнь 2003 г. Глубина протаивания 3-5 м, с резко выраженной выпуклостью границы протаивания Прохождение хоппер-дозаторного состава с рабочей скоростью и подергиваниями 23 20-30, 5-9

Работа электробалластера 14 20-30,4-7

Похождение фузового поезда со скоростью 40 км/ч локомотив вагоны 32 22 20-30,47

Прохождение пассажирского поезда со скоростью 40 км/ч локомотив вагоны 34 18 _

Перегон Тангомен-Дугда Насыпь однопутная с погруженной бермой, высота 4 м. 17-18 октября 2004 г. Полное протаивание с образованием чаши Работа ВПР непосредственно в экспериментальном сечении, на удалении, м: 3 6 8 8 4 2 1 18-20,4-8 4-8

Похождение грузового поезда со скоростью 55 км/ч локомотив вагоны 36 22 20-30, 4-8

Прохождение пассажирского поезда со скоростью 55 км/ч локомотив вагоны 34 20

Одиночные удары и колебания после прохождения поезда - 4-8

Протаявший слой и подстилающий мерзлый грунт резко отличаются по акустическим жесткостям практически при любой температуре воздуха, при любых погодных условиях, пока компенсирующее низкотемпературное воздействие мерзлой толщи превалирует над тепловым воздействием со стороны вышележащего слоя. Вибрационные воздействия машин трансформируются в собственные колебания вышележащего слоя.

Граница раздела оттаявшего грунта и нижележащего мерзлого грунта является эффективной отражающей волновой границей. Толщина колеблющегося над границей слоя относительно невелика, а значит, невелико влияние динамических нагрузок. В этих условиях можно считать, что вибродинамическое воздействие незначительно нарушает стабильность грунтов в приграничной зоне. Энергия колебаний практически полностью рассеивается и поглощается грунтом насыпи и балластом в зоне, отделенной границей протаивания. Это создает благоприятные предпосылки для применение тяжелых путевых машин.

Далее проанализируем работу системы "насыпь-основание" при работе комплекса ВПО в условиях протаивании приподошвенных зон. В условиях, когда установилось преобладающее тепловое воздействие на границе раздела протаивающего и подстилающего слоев.

В этом случае происходит нарушение фазового равновесия состояния грунтов. При этом возникает скачкообразное локальное ускорение протаивания вследствие превращения механической энергии колебаний в тепловую, поглощаемую грунтом, что косвенно подтверждается результатами натурных экспериментов. Возникают остаточные деформации грунтов на границе раздела фаз вследствие нарушения термодинамического равновесия и последующего прогрессирующего развития осадок после воздействия машины. Это обусловлено тем, что тело насыпи начинает клинообразно внедряться в основание с последующим

резким увеличением просадки насыпи. Таким образом, в результате полного протаивания грунтов в основании насыпи без бермы деформа-тивная картина системы "насыпь-основание" непосредственно при воздействии машины ВПО-ЗООО и как проявление его последствий представляется фрагментами (рис. 13).

Рис. 13. Деформация земляного полотна без бермы от воздействия машины ВПО-ЗООО при положениях границы протаивания в теле насыпи: I - глубина протаивания до 2 м; II - глубина протаивания превышает 2 м. Развиваются дополнительные деформации; 1 - сжатие балластного слоя под шпалой и уплотнение его на обочине; 2 - то же балласта по глубине; 3 - внедрение балласта в основную площадку; 4 - сжатие оттаивающего слоя насыпи; 5 - эффект расползания тела насыпи в откосных зонах; 6 - возможно осыпание балластных материалов; 7 - естественный упор из промерзших грунтов припо-дошвенных зон; 8 - нарушение под воздействием ВПО теплового режима мерзлого и оттаявшего грунта в приграничной зоне, в результате -локальные деформации; 9 - фильтрационный отток с "бугра мерзлоты" и "клинообразное" его воздействие на ВМГ основания, вязкопластические деформации протаявшего грунта в приподошвенных зонах

Проявление указанных факторов значительно снижает эффективность применения путевых машин. Не обеспечивается стабильность системы "насыпь-основание" после ремонта вследствие неизбежной интенсификации тиксотропного разуплотнения и последующих пластических деформаций грунтов. На компенсацию осадки требуется значительное увеличение расхода балласта. С дальнейшим ростом среднесуточной температуры воздуха, увеличением глубины протаивания, ув-

лажнением грунта атмосферными осадками увеличивается доля отрицательного эффекта от применения ВПО-ЗООО, достигая критического значения при вышеприведенном сочетании факторов.

Тем не менее при наличии в приподошвенной части насыпи скальной бермы (рис. 14) расширяется сезонность рационального применения машины ВПО-ЗООО и сокращается необходимый дополнительный объем балласта при капитальном ремонте и последующем содержании железнодорожного пути

Рис. 14. Деформация системы "насыпь-основание" с пригруженными бермами от воздействия машин ВПО-ЗООО при полном протаивании тела насыпи: 1, 2, 3, 4, 5, 6; 7 - опорная реакция бермы, противодействующая вызываемому дестабилизирующим воздействием машин движению откосов насыпи и балластных шлейфов; 8, 9, 10 - см. рис. 6; 11 - процесс выдавливания грунта основания из-под тела насыпи, эта деформация ограничивается компенсирующей реакцией 12 противодействия бермы и реакциями 13 между подошвой бермы и границей мерзлоты.

Непросевшие, или частично просевшие бермы совместно с твердыми непротаявшими грунтами насыпи при оттаивании их в верхней части препятствуют расползанию тела насыпи при вибродинамическом воздействии и способствуют удержанию откосных блоков. Использование ВПО-ЗООО в этих условиях позволяет эффективно уплотнять балласт-

6

ный слой под рельсошпальной решеткой, стабилизировать балластные

шлейфы на откосах и частично уплотнять их, укреплять основную площадку земляного полотна, уплотнять грунт тела насыпи в протаявшей ее части, отжимать влагу и формировать последующий фильтрационно-влажностный отток в верхней части насыпи

Экспериментально установлено, что при наличии с обеих сторон берм высотой до 2 м, возвышающихся над поверхностью на высоту более 0,5 м, и при высоте железнодорожной насыпи от 2 до 4 м при полном протаивании, тяжелая путевая машина ВПО-ЗООО эффективна и без отрицательных последствий уплотняет балласт под рельсошпальной решеткой, стабилизирует балласт на откосах, укрепляет тело железнодорожной насыпи. При большей высоте насыпи дестабилизирующий эффект машины ВПО на основание обусловливается собственными колебаниями в целом тела насыпи на слабом упругоподатливом основании. Этот эффект может усиливаться при наличии обводненных скальных берм, препятствующих рассеянию этих колебаний в полевые стороны.

Анализируя вибродинамическое воздействие машины ВПР-1300 на систему "насыпь-основание" можно констатировать, что возникающая при ее работе динамическая нагрузка на порядок ниже, в сравнении с ВПО-ЗООО. К тому же, эта нагрузка локализована в балластном слое под верхним строением пути в поперечном сечении, продольно оси пути в зоне работы вибраторов. И поэтому не может оказывать дестабилизирующего воздействия на слабые основания насыпей даже небольшой высоты (рис.15).

Высокая концентрация энергии обусловливает высокую эффективность применения машин ВПР-1300 с позиции уплотнения балластного слоя и грунтов основной площадки земляного плотна. Работа машины также не нарушает устойчивости откосов насыпи. При глубине протаи-вания балласта до 1,5 м (в осенний период) работа ВПР-1300 приводит к

эффективному уплотнению не только балластного слоя над основной площадкой, но и грунтов насыпи ниже основной площадки.

Рис. 15. Деформации земляного полотна от воздействия машины ВПР-1300: I - глубина протаивания до 2 м; II - более 2 м; III - чаша протаивания в основании; деформации 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9 и реакция 7 - см. рис. 6; 8 - конус уплотнения; 10 - несущее уплотненное ядро

Вибродинамическое воздействии ВПР способствуют формированию благоприятного фильтрационно-влажностного режима с оттоком к откосам в целом во всей уплотненной зоне земполотна и, что особенно важно - в приграничном слое на контакте протаивающих и мерзлых грунтов. Такой режим обеспечивает равномерный отток избыточной влаги по всей ширине сечения к откосам без образования локальных чаш, мешков и т. д. С дальнейшим увеличением глубины протаивания эффективность применения ВПР-1300 несколько снижается.

Связано это с удалением от источника вибрации зоны отражения колебаний, что увеличивается область их рассеяния и поглощения. Вследствие этого уменьшается степень локализации вибродинамического процесса и соответственно степень уплотнения не только грунтов верхней части насыпи, но и балластного слоя. Утрачивается возможность благоприятного фильтрационно-влажностного режима в уплотняемом слое.

В отличие от вибродинамического воздействия на систему "насыпь-основание" машин ВПО-ЗООО и ВПР-1300 воздействие электробалластера происходит на фоне упругодеформационного состояния земполотна, формируемого хоппер-дозаторным составом. Экспериментальные исследования показали, что неоднократное прокатывание состава, по участку вызывает достаточно равномерно распределенные по длине упру-гоостаточные деформации системы "насыпь-основание".

Эти эксперименты были проведены в комплексе с дистанционной регистрацией деформаций светодальномером. Развитие деформаций в приподошвенной зоне отмечено в течение нескольких часов после прохождения состава. Проявляются они как в медленно текущих просадках, так и в знакопеременных вертикальных деформациях. Подобные деформационные явления отмечались, но в меньшей степени, и при прохождении поездов.

По-видимому, большое проявление их при работе хоппер-дозаторного состава связано с такими факторами: а) значительно большей длительностью воздействия непрерывно продвигающейся сплошной нагрузки на систему "насыпь-основание"; б) прокатыванием состава в противоположных направлениях и в связи с этим - распространением упругих волн в равной степени в обоих направлениях вдоль земляного полотна; в) проявлением эффекта равномерного по длине укатывания насыпи, а при небольшой ее высоте и вовлечением в этот процесс основания; дополнительным влиянием динамического воздействия в результате перекатывания колес по стыкам и многократными подергиваниями хоппер-дозаторного состава, сопровождающимися продольными ударами; г) возникновением резонансных колебаний насыпи, возбуждаемых продолжительным низкочастотным воздействием со стороны железнодорожного состава.

Непосредственное воздействие электробалластера на земляное полотно с точки зрения высокочастотной вибродинамики на порядок ниже воздействия машины ВПО-ЗООО. Дополнительные динамические напряжения в грунтах основания при этом пренебрежимо малы. Но при работе эектробалластера проявляется эффект нарушения вышеуказанного сформировавшегося фонового упругодеформационного состояния. Он выражается в развитии локальных упругоостаточных деформаций с амплитудами до 6 мм на достаточно коротких участках ремонтируемого пути. Такие локальные неровности представляют собой потенциальный источник значительной дополнительной динамики при прохождении поездов.

Изложенная выше картина деформаций и соответствующие требования обусловлены в первую очередь дестабилизацией протаявшего основания насыпи. Проведение в этот период капитального ремонта с использованием механизированного комплекса с электробалластером неизбежно влечет к перерасходу балласта для последующего после капитального ремонта доведения пути до проектного профиля. Такие издержки в значительной степени могут быть предотвращены, если капитальный ремонт с подъемкой пути проводить на первом этапе при глубине протаивания грунта в теле насыпи не более 1,5-2 м. В этот период глубина протаивания основания у подошвы насыпи не превышает 1 м, уменьшаясь с удалением в полевую сторону.

В этих условиях воздействие хоппер-дозаторного состава сведется к предварительному полезному и стабильному уплотнению слоя оттаявшего грунта насыпи без нарушения устойчивости основания. Непосредственная работа балластера будет целенаправленно реализована для уплотнения балласта под рельсошпальной решеткой с незначительным, как показывают наблюдения, нарушением устойчивости балластных шлейфов на откосах и без какого-либо влияния на устойчивость основа-

ния. Повторную подъемку пути на балласт следует производить в период, пока граница протаивания не опустилась ниже основания насыпи. Сравнительно небольшая подъемка позволит рационально использовать балласт и достаточно уплотнить его.

Обобщая разработанные рекомендации по применению путевой техники в экстремальных условиях можно отметить следующее. Использовать путевые машины в процессе ремонта целесообразно в условиях вечномерзлых грунтов (ВМГ): при оттаивании насыпи до 0,5 м в насыпях высотой до 4 м с нескальными бермами в приподошвенных зонах, на основной площадке - при выпуклом очертании; в насыпях со скальными бермами - до основания насыпи (до середины июня в условиях ВМГ); в насыпях высотой более 4 м со скальными обводненными бермами - при выпуклом очертании границы протаивания и отсутствии протаивания приподошвенных зон (до конца июня в условиях ВМГ); то же с не обводненными скальными бермами при любом очертании (весь сезон); то же с обводненными бермами - до момента, когда граница протаивания в приподошвенных зонах дойдет до основания бермы (в условиях ВМГ - конец июня).

Разработанные в диссертационной работе экспериментальные и теоретические методики использованы при создании системы диагностики деформативности откосов и основания железнодорожного земляного полотна. Получены положительные результаты от ее применения в Дирекции по ремонту пути и инженерных сооружений ОАО "Российские железные дороги", путевых диагностических центрах, Службах пути Забайкальской и Дальневосточной железной дорог. Внедрение системы диагностики и методологий по эффективному использованию тяжелых путевых машин в экстремальных условиях позволяет в 1,3-1,5 сократить расходы на профилактические текущие мероприятия (подъемки и выправки пути).

По результатам исследования можно сделать следующие основные выводы:

1. Колебания железнодорожного земляного полотна от воздействия поездов имеют случайный нестационарный процесс. Многообразие факторов, связанных с поездной нагрузкой, конструкцией и состоянием верхнего и нижнего строения пути, предопределяет сложность форм колебаний и случайность их проявления.

2. На основе волнового процесса в исследовании решена задача моделирования напряженно-деформированного состояния железнодорожного земляного полотна при динамическом нагружении.

2. Изучены колебательные процессы в рельсошпальной решетке, балластном слое, откосах и теле железнодорожной насыпи от воздействия поездной нагрузки, получены обобщенные схемы волнового ПОЛЯ железнодорожного полотна при динамическом воздействии подвижного состава.

3. Установлено, что распространение колебаний в балластном слое сопровождается сужением их частотного диапазона от 3-600 Гц под шпалами, до 25-60 Гц на основной площадке. С увеличением глубины интенсивно загасают амплитуды, связанные с колебаниями рельсошпальной решетки, а в спектрах возрастает составляющая, обусловленная колебаниями насыпи. На глубине 0,80 м практически имеют место только вибрации земляного полотна, вовлеченного в колебания.

4. В откосной части железнодорожных насыпей выявлено повышение амплитудного уровня колебаний у поверхности откосов. Превалирующее направление вибросмещений частиц грунта (или балласта) здесь -вдоль откоса. Это отрицательно сказывается на устойчивости откосов, особенно при отсутствии обочин земляного полотна, уменьшенном пла-

не балластной призмы, неуплотненных балластных шлейфах и присыпках на откосах.

5. Воздействие даже слабых колебаний на водонасыщенные грунты железнодорожного основания снижает их несущую способность. В результате периодического сезонного промерзания и оттаивания грунтов основания, деградации вечной мерзлоты создаются условия, в которых воздействие поездной нагрузки вызывает деформации основания.

6. Наиболее неблагоприятно поездная нагрузка сказывается на устойчивости откосов насыпи. Повышение устойчивости может быть достигнуто уширением земляного полотна поверху, увеличением плеча балластной призмы, уплотнением балластных шлейфов и присыпок у торцов шпал и закреплением их на откосах.

7. Экспериментальные исследования по новым методикам позволили выявить нетрадиционные аспекты динамического воздействия путевых машин на земляное полотно на слабых основаниях. Так, по результатам натурных инструментальных измерений установлен факт изменения термовлажностных процессов в системе "насыпь-основание" в результате роста порового давления и изменения температуры и влажности в грунтах и развития остаточных деформаций под воздействием временной нагрузки, в наибольшей степени вызванной работой машины ВПО-ЗООО и полосовой нагрузки хоппер-дозаторного состава.

8. Впервые разработаны и использованы методики регистрации деформаций слабого основания насыпей с помощью высокоточного свето-дапьномера, расположенного на прочном основании и исследованы высокочастотные микросейсмы в основании насыпей из слабых грунтов с использованием высокочувствительных сейсмологических измерительных каналов, с помощью которых установлена непрерывность их проявления;

9. В результате проведенных в натурных условиях исследований по разработанным методикам впервые установлены следующие факты:

- интенсивность вибраций оснований насыпей от работы машины ВПО-ЗООО в 3-5 раз превышает уровень вибраций от воздействия проходящих поездов;

- дестабилизация грунтов оснований насыпей при выправке проса-дочных участков машиной ВПО-ЗООО и развитие остаточных деформаций после ее работы;

- сделан вывод о том, что скальная берма позволяет в несколько раз снизить деформативность слабого основания при вибродинамическом воздействии.

10. На основе экспериментальных исследований разработана система диагностики слабых оснований. Регистрация фактора воздействия осуществляется с возможностью комплексной оценки его уровня кинематическими показателями.

11. Комплекс может работать в различных режимах регистрации измеряемых параметров. Длительность регистрации может быть от нескольких секунд до многодневной. Периодичность отсчета величин параметров и их амплитудный диапазон широко варьируется в зависимости от вида параметра, характера и целей измерений и особенностей исследуемого процесса.

12. Комплекс может быть использован для создания системы оповещения о приближении критического состояния в основании ответственных сооружений, объектов особой важности, на неустойчивых склонах, в оползневых массивах. Предвестником критического состояния грунтов основания может быть превышение некоторого обоснованного уровня регистрируемого параметра порогового значения.

13. Разработанная система диагностики слабых оснований и методологии эффективного использования путевой техники в экстремальных

условиях нашли практическое применение в Дирекции по ремонту пути и инженерных сооружений ОАО "Российские железные дороги", путевых диагностических центрах, Службах пути Забайкальской и Дальневосточной железной дорог.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Лесков С.А., Марченко Н.Л. К вопросу исследования динамического воздействия подвижного состава на железнодорожное земляное полотно: Материалы 43-й Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки "Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности", ДВГУПС, Хабаровск, Изд-во ДВГУПС, 2003. - с. 102-107.

2. Марченко Н.Л., Загорский М.Д. Выработка и анализ проектных решений по обеспечению устойчивости железнодорожных насыпей на подходах к искусственным сооружениям: Материалы 43-й Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки "Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности", ДВГУПС, Хабаровск, Изд-во ДВГУПС, 2003. -с.135-141.

3. Горстко В.Е., Федорчук О.Л., Марченко Н.Л. О влиянии природно-климатических факторов и инженерно-геологических условий на характер деформативности железнодорожного земляного полотна - Материалы 62-ой межвузовской научно-технической конференции творческой молодежи "Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования", ДВГУПС, Хабаровск, 2004. - с.85-89.

4. Марченко Н.Л. Анализ параметров термовлажностного и влажно-стно-конденсационного режимов оснований осадочных насыпей: Материалы IV Международной научной конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке". Хабаровск: ДВГУПС, 2005. - с. 54-57.

5. Марченко Н.Л. Мониторинг состояния железнодорожных насыпей с учетом влияния работы ВПО-ЗООО и ВПР-1300 с внедрением рекомен-

даций по сезонности и срокам их применения: Материалы 44 Всероссийской научно-практической конференции "Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности". Хабаровск: ДВГУПС, 2006. - с.68-72.

6. Тютрин C.B., Марченко H.Jl. Исследование зависимости параметров упругих волн от прочностных показателей фунта. Материалы Пятой международной научной конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке". Хабаровск: ДВГУПС, 2007. - с. 65-69.

7. Савельев Б.А., Марченко Н.Л., Гунько Д.Т. О результатах исследований влияния вибродинамической нагрузки на слабые грунты основания железнодорожной насыпи. Труды Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, посвященной 70-ию университета "Инновационные технологии транспорту и промышленности". Хабаровск: ДВГУПС, 2007. - с. 48-52.

8. Марченко Н.Л. Колебательные процессы в верхнем строении пути и теле насыпи от воздействия поездной нагрузки. Труды Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, посвященной 70-ию университета "Инновационные технологии транспорту и промышленности". Хабаровск: ДВГУПС, 2007. - с. 53-58.

9. Марченко Н.Л. Нетрадиционные аспекты влияния динамического воздействия на железнодорожное земляное полотно. - Хабаровск, Издательство Дальневосточного государственного университета путей сообщения, 2007 - 5,2 п.л.

Николай Леонидович Марченко

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА СТАБИЛЬНОСТЬ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Подписано в печать 21.03.06 Печать офсетная. Бумага тип N9 2. Формат 60x84'/16 Гарнитура Arial. Печать плоская. Усл. печ. л. 3.9. Зак. 114. Тираж 100 экз.

Издательство ДВГУПС. 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.

L!/по. _

2007503771