автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Несущая способность земляного полотна, отсыпанного лессовыми грунтами, воспринимающими вибродинамическую нагрузку

005006095

{

г-

АБДУКАРИМОВ Абдувахоб Макамбаевич

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА,

ОТСЫПАННОГО ЛЕССОВЫМИ ГРУНТАМИ, ВОСПРИНИМАЮЩИМИ ВИБРОДИНАМИЧЕСКУЮ НАГРУЗКУ

Специальность 05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и

проектирование железных дорог

Автореферат диссертации на соискание ученой степенн кандидата технических наук

1 5 ДЕК 2011

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2011

005006095

Работа выполнена на кафедре «Управление и технология строительства» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ПГУПС).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

КОЛОС Алексей Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

СТОЯНОВИЧ Геннадий Михайлович

кандидат технических наук, доцент АЛПЫСОВА Вера Алексеевиа

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПОРГУПС).

Защита состоится 27 декабря 2011 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 218.008.03 при Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 7-520.(факс. 570 - 24 - 61)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГУПСа.

Автореферат разослан 25 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Блажко Л.С.

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Лессовые грунты широко распространены в Средней Азии, в частности на территории Узбекистана и занимают значительную часть, около 80% ее площади. Также эти грунты распространены в Центральной Черноземной зоне, на Северном Кавказе, в Закавказье, Поволжье, Восточной и Западной Сибири и др. местах. Существенное распространение на территории Узбекистана имеют лессовидные супеси.

Особенностью лессовых грунтов является их процесс формирования и существования в недоуплотненном состоянии. Недоуплотненное состояние лессового грунта может сохраняться на протяжении всего периода существования толщи, если не произойдет повышение влажности и нагрузки. В этом случае может произойти дополнительное уплотнение грунта в нижних слоях под действием его собственного веса. При нарушении природной структуры лессовых грунтов также происходят просадки грунта. Вышеуказанные свойства лессовых грунтов при строительстве железных и автомобильных дорог приводят к проблеме обеспечения стабильности земляного полотна, поэтому при проектировании конструкции необходимо уметь рассчитывать несущую способность насыпей, отсыпанных из лессовых грунтов, с учетом их физико-механических свойств.

Однако, для насыпей, отсыпанных из лессовидных супесей, в литературных источниках отсутствуют количественные данные о величине вибродинамического воздействия, передающегося основной площадке земляного полотна, его распространении и затухании по телу полотна и за его пределами. Кроме того, особого рассмотрения требует вопрос о решении задачи о несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовых грунтов, с учетом действия вибродинамической нагрузки, возникающей при движении поездов.

Цель работы. Разработка методики расчета несущей способности насыпей, отсыпанных из лессовидной супеси, с учетом характера распространения амплитуд колебаний в теле земляного полотна, действия инерционных сил и снижения прочностных свойств лессовидной супеси под влиянием вибродинамической нагрузки, возникающей при движении поездов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выявить зависимость и характер распространения колебаний в земляном полотне, отсыпанного из лессовидной супеси, и за его пределами.

2. Определить влияние вибродинамического воздействия на прочностные характеристики лессовидной супеси.

3. Скорректировать методику расчета несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, с учетом вибродинамического воздействия и снижения прочностных свойств грунтов.

Методика исследований. Полевые исследования выполнялись с целью выявления параметров колебательного процесса грунтов земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, характера его распространения, а также получения аналитической зависимости расчета амплитуд колебаний грунтов, возникающих при движении поездов.

На основе выявленного характера колебательного процесса производилось его моделирование в лабораторной установке для исследования прочностных характеристик лессовых супесей и их чувствительности к действию вибродинамической нагрузки.

Полученные результаты полевых и лабораторных исследований легли в основу корректировки методики определения несущей способности основной площадки земляного полотна, сооружаемого из лессовидных супесей.

Натурные эксперименты выполнялись на линии Ташгузар -Кумкурган Узбекской железной дороги в 2009 году. При разработке основных принципов предлагаемой методики использовались результаты в основном российских ученых в области исследования работы железнодорожного пути, а также исследования отечественных и зарубежных ученых в области свойств лессовых грунтов.

Значительная часть результатов получена на основе многовариантных расчетов на ЭВМ по оценке несущей способности земляного полотна, воспринимающего вибродинамическую нагрузку.

Научная новизна.

1. На основе полевых экспериментов впервые получена величина вибродинамического воздействия, возникающего при движении поездов, а также аналитическая зависимость распространения колебаний в земляном полотне, отсыпанного из лессовидной супеси.

2. На базе лабораторных исследований в количественном выражении впервые определена чувствительность лессовидных супесей к вибродинамическому воздействию.

3. Скорректирована методика расчета несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, с учетом действия вибродинамической нагрузки и снижения под ее влиянием прочностных характеристик грунта.

Практическая ценность работы. Практическую ценность представляют результаты исследований по определению уровня вибродинамического воздействия, передающегося грунтам земляного полотна, отсыпанного лессовидной супесью. Реализация полученных результатов позволяет использовать в проектных организациях

разработанную методику расчета несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, с учетом вибродинамического воздействия.

Реализация исследований. Результаты исследований нашли практическое применение в проектном институте «Узжелдорпроект» при проектировании строительства нового железнодорожного пути «Даштабад - Джизак».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на республиканской научно-технической конференции « Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» посвященной 80-летию ТашИИТа ( Ташкент, ТашИИТ, декабря 2011 год).

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 4 печатные работы, в том числе две статьи представлены в источниках, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем составляет 148 страниц машинописного текста, в том числе 129 страниц основного текста, 37рисунков, 6 таблиц иЗ приложения. Список литературы включает 129 наименований работ.

Содержания работы.

Введение посвящено обоснованию актуальности диссертационной работы, постановки ее целей и задач, изложению основных положений методики исследования, обоснованию научной новизны и практической ценности результатов.

В первой главе проведен анализ существующих работ по изучению особенностей физико-механических свойств лессовых грунтов. Кроме того, обобщены результаты многолетних исследований колебательного процесса в земляном полотне при движении поездов, а так же его влияние на прочностные характеристики грунтов.

К лессовидным грунтам относятся лессовидные супеси, суглинки и глины, некоторые виды покровных суглинков и супесей, а также в отдельных случаях мелкие и пылеватые пески с повышенной структурной прочностью и др.

Рост в республике Узбекистан в последние годы объемов нового железнодорожного строительства, а также реконструкция существующей железной дороги Ташкент - Самарканд под скоростное движение поездов приводит к возникновению проблемы обеспечения несущей способности земляного полотна, отсыпанного из местных грунтов (в основном из лессовых грунтов).Существенная часть насыпей отсыпана и отсыпается из местных лессовидных супесей. В связи с этим следует ожидать повышение уровня вибродинамического воздействия на лессовидные грунты земляного полотна и, как следствие снижение резерва его несущей способности, что может привести к появлению деформаций

эксплуатируемых и вновь строящихся насыпей. Однако, для грамотного проектирования конструкции земляного полотна и разработки противодеформационных мероприятий, прежде всего, необходимо учитывать особые свойства таких грунтов под действием вибродинамической нагрузки.

Снижение несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовых грунтов, при действии вибродинамической нагрузки, непосредственно связано с процессом нарушения прочности грунтов насыпи, что в свою очередь определяется их свойствами. Изучению свойств лессовых грунтов посвящены работы таких ученых, как Ю.М. Абелеев, В.П. Анзигитов, Ф.И. Воронов, Я.Д. Гильман, Н.И. Кригер С.Г Кушнер, Л.В. Лаврусевич, А.К. Ларионов, В.И Грицык, Г.А.Мавлянов, П.А. Ребиндер, В.Т. Трофимов и др. Основной особенностью лессовых грунтов является просадочность. Она выражается в их способности под нагрузкой от собственного веса толщи или дополнительной нагрузки от сооружения при увлажнении (замачивании) уменьшать свой объем, т.е. проявлять дополнительное уплотнение. Недоуплотненное состояние лессовидной супеси может сохраняться на протяжении всего периода существования толщи, если не произойдет повышения влажности и нагрузки.

Недоуплотненность грунтов выражается в их низкой степени плотности, характеризующейся объемной массой скелета в пределах обычно 1,2 - 1,5 т/м и коэффициентом пористости 0,65 - 1,2. С глубиной степень плотности чаще всего повышается. Наряду с недоуплотненностью просадочные грунты обычно характеризуются низкой природной влажностью, пылеватым составом, повышенной структурной прочностью. Влажность их в Средней Азии, особенности в республике Узбекистан, обычно составляет всего лишь 4 - 12%, а в районах Украины, Молдавии, Средней полосы, Сибири и др. 12% - 20 %. Просадочные грунты характеризуются следующими прочностными свойствами: удельное сцепление при естественной влажности 0,15 - 0,5 кг/см2, а угол внутреннего трения 22 - 30°. Многочисленные лабораторные и полевые исследования показали, что прочностные характеристики лессовых фунтов зависят в основном от их степени влажности, структурной прочности и в меньшей мере плотности. С повышением влажности лессового грунта до полного водонасыщения сцепление снижается в 2 - 10 раз, угол внутреннего трения в 1,1 - 1,5 раза. С увеличением структурной прочности прочностные характеристики и, особенно, сцепление возрастают.

Минералогический состав лессовых пород представлен большим числом минералов (около 50), из которых главными породообразующими являются около 15, а остальные относятся к акцессорным (тяжелым) и глинистым минералам.

Глинистую часть (фракции менее 0,005 мм) лессовых фунтов в основном представляют глинистые минералы, среди которых главную роль, с точки зрения определения просадочности, играют монтмориллонит, каолинит, нонтронит, гидрослюда. По процентному содержанию глинистых минералов лессовые породы подразделяют на монтмориллонитовые, монтмориллонито-каолинитовые и

монтмориллонито-гидрослюдистые. Состав и различные соотношения глинистых минералов характеризуют в некоторой степени просадочность лессовых пород. Глинистые минералы по разному взаимодействуют с поровыми растворами и водой, обладают различной гидрофильностью, в результате чего одни из них способствуют возникновению и развитию просадки грунта (каолинит, гидрослюда и др.), другие же сопротивляются этому процессу, проявляя при этом свои специфические набухающие свойства (монтмориллонит, нонтронит, гидрослюда и др.).Минералы песчано-алевритовой части (фракции 0,1... 0,005 мм) инертны по отношению к воде, поэтому их свойства существенной роли в процессе просадки не играют. Среди породообразующих минералов в крупной фракции большим содержанием отличаются кварц, полевые шпаты, карбонаты и изредка слюда.Встречаются лессовые породы, содержащие слюдистые минералы в количестве, превышающем от 30 до 50% (мусковит, бионит), гипс — не более 5% и другие обломки минералов: глауконит, бурый железняк, опал, халцедон, мукрофана и обломки раковин моллюсков.

Минералогический состав крупной фракции лессовых пород, являющейся во многих случаях инертной к воде, не оказывает существенного влияния на многие инженерно-геологические процессы, происходящие при замачивании этих пород. Наиболее активную роль в этих процессах играют глинистые и тонкодисперсные частицы. Эти минеральные частицы обладают высокой удельной поверхностью, благодаря чему лессовая порода приобретает способность к усадке, просадке, меняет механические свойства, такие, как сжимаемость, сопротивление сдвигу и др.

Ранее выполненные исследования свидетельствуют о влиянии вибродинамического воздействия на несущую способность земляного полота.Экспериментальные исследования, выполненные Аверочкиной М.В., Барканом Д.Д., Виноградовым В.В., Великотным В.П., Гольдштейном М.Н.,Грицыком В.И., Жинкиным Г.Н., Ершовым В.А., Костюковым И.И., Лагойским А.И., Прокудиным И.В., Петряевым A.B., Соколовым И.И., Стояновичем Г.М., Шахунянцом Г.М., Яковлевым В.Ф. показывают, что под действием подвижной нагрузки в грунтах возникают полигармонические колебания с широким амплитудно-частотным спектром. Величина такого воздействия, определяемая амплитудой колебаний, как показано в работах этих авторов, существенно снижает

прочностные характеристики грунтов земляного полотна и, как следствие, его несущую способность. Обобщая результаты, полученные вышеназванными авторами, можно сказать, что характер колебательного процесса грунтов земляного полотна существенно зависит от скорости движения поездов, нагрузки на ось, состояния верхнего строения пути,

состава и состояния грунтов.

Для расчета распределения амплитуд колебаний в теле земляного полотна и за его пределами предлагались зависимости разного вида, экспоненциальные, степенные, логарифмические, однако все они имели недостатки. Так зависимость, предложенная Галициным Б.Б. и Барканом Д.Д., отражает реальную картину распределения лишь на расстоянии свыше 12 м от источника воздействия, а зависимость Ершова В.А. и Костюкова И.И., наоборот, лишь до расстояния 8 м. Практика инженерных расчетов показала, что наилучшую сходимость расчетных амплитуд с опытными значениями дает формула И.В.Прокудина, который исследовал распределение колебаний в железнодорожных насыпях, отсыпанных

обычными глинистыми грунтами.

При движении поездов в земляном полотне возникают пульсации напряжений, являющиеся причиной возникновения колебаний (вибраций), которые снижают прочностные свойства грунтов, слагающие земляное полотно. Многолетние обширные исследования изменения прочностных свойств глинистых грунтов земляного полотна, воспринимающих вибродинамическую нагрузку, были проведены в ЛИИЖТе Г.Н. Жинкиным, А.И. Лагойским, А.И.Кистановым, Л.П. Зарубиной, Л.М. Кейзик, И.В. Прокудиным и др. Результаты этих работ показали, что на снижение прочностных характеристик грунтов оказывают влияние такие факторы, как величина вибродинамического воздействия, влажность грунта, плотность грунта, гранулометрический и минералогический состав, продолжительность вибродинамического воздействия и т.д. Дня расчета величины удельного сцепления и угла внутреннего трения в зависимости от уровня вибродинамического воздействия, передающегося грунтам земляного полотна, Прокудиным И.В. были получены аналитические зависимости.

Анализ литературных источников показывает, что для насыпей, отсыпанных лессовидными супесями, отсутствует информация о величине вибродинамического воздействия, передающегося основной площадке земляного полотна, а также о затухании колебаний в теле земляного полотна и за его пределами. Кроме того, нет также количественных данных о чувствительности лессовидной супеси к действию вибродинамическойнагрузки. Существующая методика расчета несущей способности земляного полотна для глинистых грунтов не отражает особенностей свойств лессовидной супеси, характерараспространения амплитуд колебаний в теле насыпи и снижения под их влиянием

прочностных свойств грунтов земляного полотна. Все это требует дополнительных экспериментальных, лабораторных и теоретических исследований.

Во второй главе приведены результаты натурных исследований колебательного процесса грунтов земляного полотна, отсыпанного лессовидной супесью. Эксперименты проводились на линии Байсун -Кумкурган - Ташгузар, в Кашкадарьинской долине, в центральной Азии. Земляное полотно данной железнодорожной линии в основном отсыпано лессовидной супесью и представлено насыпью высотой 2,5 м. Участок расположен на прямой, верхнее строение пути уложено рельсами Р65, сваренными в плети длиной 800 м. Скрепления типа КБ65, ширина колеи 1520 мм. Балластная призма однослойная. Слой щебня под шпалой толщиной 20 см.

Исследование колебательного процесса в грунтах земляного полотна осуществлялось сейсмоприемниками СМ-3. В комплект были включены три датчика, позволяющие измерять три составляющие амплитуды колебаний: вертикальную {7), горизонтальную вдоль оси пути (X) и горизонтальную поперек пути (У). Запись осуществлялась в цифровом формате с помощью аналого-цифрового преобразователя сигналов, записываемых в реальном времени в память компьютера.

Измерения амплитуд колебаний осуществлялись по глубине земляного полотна через каждые 50 см, начиная с уровня 20 см под подошвой шпалы. Максимальная глубина шурфа, на которой определялись амплитуды смещений составила 1,7 м под подошвой шпалы. Кроме того, амплитуды колебаний фиксировались и в поперечном оси пути направлении до расстоянийМ мот торца шпалы.

Для получения достоверных результатов выполнялась статистическая обработка экспериментальных данных. В результате определялись средние и максимальные вероятные значения амплитуд колебаний при определённой скорости движения грузовых поездов.

Анализ выполненных экспериментальных исследований показывает, что рост скорости движения грузовых поездов от 20 км/ч до 60 км/ч приводит к прямопропорциональному увеличению результирующих амплитуд колебаний грунтов основной площадки. Под подошвой шпал на уровне основной площадки максимальная вероятная результирующая амплитуда колебаний увеличивается на 20 мкм с ростом скорости на 10 км/ч. По абсолютной величине значения вертикальных амплитуд колебаний составляют порядка 80 - 95% от амплитуд результирующих смещений, следовательно, они играют самую существенную роль в общей величине результирующих амплитуд колебаний. Абсолютные значения максимальных результирующих и вертикальных амплитуд смещений определяются соответственно значениями 411 мкм и 377 мкм на глубине 0,2 м под подошвой шпал при скорости грузового поезда 60 км/ч в сечении

у торца шпалы. Анализ экспериментальных данных свидетельствует о различной интенсивности затухания вертикальных и горизонтальных амплитуд колебаний в теле земляного полотна в вертикальном направлении. Наибольшая интенсивность у вертикальной составляющей, а наименьшая у горизонтальной поперек оси пути. При изменении глубины от 0,2 м до 0,7 м амплитуда вертикальных колебаний уменьшается с 374 мкм до 152 мкм, т.е. в 2,5 раза.

Горизонтальные амплитуды поперек оси пути уменьшаются с 158 мкм до 117 мкм, т.е. в 1,4 раза. Соответственно, горизонтальные смещения вдоль оси пути уменьшаются с 156 мкм до 96 мкм или в 1,6 раза. На глубинах от 0,7 м до 1,7 м в сечении у торца шпалы, интенсивность затухания по всем составляющим приблизительно одинакова.

Следовательно, вертикальные

амплитуды колебаний распространяется на большую глубину, чем горизонтальные.

Для оценки интенсивности затухания колебаний по глубине воспользуемся показателем К1, который определим отношением амплитуд смещений, зарегистрированных на некоторой глубине (7) от уровня основной площадки насыпи (А2) к амплитудам, зарегистрированным на ее поверхности (А0) (рис.2).

скорсотной Глубина под подошвой шпал, м

диапазон -»-21-30 -«-31-40 -*~41-50 -«-51-60 -♦•Осреднсннаялиния

Рис. 2 Изменение коэффициента К1 = —по глубине полотна.

Анализируя рис. 2 можно отметить неравномерность в интенсивности затухания колебаний. От глубины 0,2 м до 0,7 м эти колебания затухают

450

5 350

20 30 40 50 60 Скорость движения, км/ч

► результирующая амплитуда

• вертикальная амплитуда

• горизонтальная амплитуда вдоль

оси пути А горизонтальная амплитуда а поперек оси пути Рис.1 Влияние скорости поездов на амплитуды колебаний грунта у торца шпал на уровне основной площадке.

крайне интенсивно. Так показатель К1 изменяется с 1 до 0,44, т.е. уменьшается в 2,2 раза. При увеличении глубины от 0,7 м до 1,2 м, значение этого показателя снизилось еще в 1,2 раза. А от 1,2 м до 1,7 м показатель /ц уменьшился в 1,1 раза. Следовательно, зависимость изменения коэффициента К] явно не линейная.

Таким образом, в зависимости загасания результирующих амплитуд колебаний при толщине балластного слоя 0,2 м под подошвой шпал четко прослеживается две зоны в пределах рассматриваемых глубин от 0,2 м до 1,7 м (рис. 1): 1 - зона до глубины 0,5 м от уровня основной площадки земляного полотна, 2 - зона от глубины 0,5 м до 1,5 м.

В поперечном оси пути направлении результирующие амплитуды смещений загасают также интенсивно. Эти результаты приведены на рис.3, где К2 - отношение амплитуд колебаний на расстоянии У от торца шпалы в поперечном оси пути направлении к величине амплитуды в сечении у торца шпалы. Анализ зависимости, приведенной на рис.3, показывает, что выявляется две зоны затухания колебаний. Первая зона находится в диапазоне от 0 до 3,8 м, где происходит крайне интенсивное загасание уровня вибродинамического воздействия. Так, при удалении на 2 м от торца шпалы коэффициент К2 уменьшается с 1,0 до 0,35. То есть результирующие амплитуды смещений снизились в 2,9 раза. При удалении на 4 м от торца шпалы такое снижение составило с 1,0 до 0,23 или в 4,3 раза. Вторая зона находится в диапазоне расстояний от 3,8 м до расстояний, при которых амплитуды смещений стремятся к нулю. В этой зоне наблюдаются крайне слабое затухание колебаний по зависимости близкой к прямолинейной.

0 2 4 6 8 10 12 14

Расстояние в горизонтальном направлении поперек оси пути от торца

диапазон скоростей

Рис.ЗЗагасание амплитуд колебаний в горизонтальном направлений поперек оси путив диапазоне скоростей от 20 до 60 км/ч.

-21-30

-31-40

шпалы, м ¿—41-50 -«

-51-60

■Осредненная линия

Для определения несущей способности насыпей, отсыпанных лессовидной супесью, с учетом вибродинамического воздействия установлена зависимость распространения колебаний в теле земляного полотна и за его пределами. Результирующую амплитуду колебаний в любой точке земляного полотна можно вычислить по формуле (1):

-р'{г-)-81 -5\ -<р{у)-1у-1,35)-^2 +<У3 Л

(г-0,2 при г <0,7 м ,,,__[ 0 при г <0,7 м <р{2) = 1 0,5 при г У 0,7м9 [г-О,! при г > 0,7м

Г(;у-1,35) при у < 5,18л< ^ 3.8 при у >- 5,18л/

0)

где:

Агу - результирующая амплитуда в точке с координатами г и у, мкм;

Ад- результирующая амплитуда колебаний грунтов основной площадки земляного полотна, мкм;

2,у - координаты рассматриваемой точки (г - глубина от подошвы шпалы; у - расстояние от торца шпалы в направлении поперек оси пути), м.

¿1- коэффициент затухания колебаний в диапазоне глубины от 0,2 до 0,7 м под подошвой шпал, 1/м, <5/=1,64 1/м;

д,2 - коэффициент затухания колебаний в диапазоне глубины от 0,7 м и более под подошвой шпал, 1/м, ¿/=0,35 1/м.

¿21 - коэффициент затухания колебаний в первой зоне в горизонтальном направлений в поперек оси пути, 1/м^ =0,43 1/м;

с?/- коэффициент затухания колебаний во второй зоне, в горизонтальном направлений в поперек оси пути, 1/м(5/=0,03 1/м;

1,35- размер полушпалы, м.

3}- коэффициент загасания колебаний в откосной части насыпи, по данным экспериментальных исследований <5з=0,152, 1/м;

Расчеты, выполненные с использованиям этой зависимости показали хорошую сходимость экспериментальных и расчетных данных. Максимальная погрешность при расчете составила 16 % и наблюдается на расстоянии от оси пути 5,6 м, на глубине 2,2 м под подошвой шпал во всем скоростном диапазоне. Такую погрешность следует признать допустимой

для исследования динамических процессов.

В третьей главе приведены результаты лабораторных исследований по определению физико-механических свойств лессовидной супеси и их чувствительности к вибродинамическому воздействию. Для этих целей были отобраны образцы грунта ненарушенной структуры на участке Ташгузар-Кумкурган. Отбор осуществлялся с помощью специального изготовленного грунтоноса для ручного бурового комплекта. Результаты определения физических свойств грунтов приведены в таблице 1.

Таблица 1

№ Показатель Супесь

1 Объемный вес, у, т/м 2,15-2,20

2 Естественная влажность грунта, % 14,5

3 Объемный вес скелета грунта уск, т/м 1,86-1,89

4 Влажность на границе текучести IV 21

5 Влажность на границе раскатывания 1У„ % 14

6 Число пластичности, 1Р 7

7 Фактический коэффициент уплотнения 0,99-1,01

Анализ данных таблицы 1 показывает, что тип грунта - лессовидная супесь в пластичном состоянии, обладает высокой плотностью сложения.

Учитывая необходимость выявления чувствительности супесей к действию вибродинамической нагрузки при различной величине влажности большинство серий испытаний по определению удельного сцепления и угла внутреннего трения выполнено на образцах нарушенной структуры. В связи с этим, возникла необходимость обеспечения одинаковой плотности образцов (объемного веса скелета грунта) в различных испытаниях. При этом целесообразно выдержать такую плотность, которая соответствовала бы фактическому коэффициенту уплотнения грунта.

Для этих целей были выполнены исследования по определению величины максимальной плотности (Ускакс)- Все эксперименты были осухцествленыв соответствии с ГОСТ 22733 - 2002 (рис. 4). В результате исследований выявлено, 0 5 10 15 что ус"акссоставила 1,88 г/см3 при Влажность (\У) % оптимальной влажности

Рис.4 Зависимость плотное« грунта от Ю%.УчИТЫВаЯ, ЧТО фактический влажности (кривая стандартного уплотнения). коэффициент уплотнения грунтов

составил 0,99 - 1,01 диапазон фактической плотности образцов нарушенной структуры изменялся в пределах от 1,89 г/см3 до 1,94 г/см3.

178

Для определения прочностных свойств лессовидной супеси и выявления их чувствительности к вибродинамическому воздействию были проведены лабораторные опыты, которые осуществлялись на вибростабилометре конструкции ЛИИЖТа (ПГУПСа). В основу работы установки положен принцип моделирования вибродинамического воздействия с периодическим изменением гидростатического давления в рабочей камере прибора.

Для определения прочностных характеристик лессовидной супеси в камере стабилометра создавалось гидростатическое давление равное 0,3, 0,6 и 0,9 кг/см2. Полученные при этих значениях бокового давления разрушающие избыточные напряжения позволили построить круги Мора, огибающие к которым определяют значения сцепления и угла внутреннего трения.

Для оценки влияния вибродинамического воздействия на прочностные характеристики лессовидной супеси были использованы показатели относительного снижения удельного сцепления и угла внутреннего трения, определяемые по формулам:

f _С ™п sn _.„tmn

*s cm дин т/~ _ rent г дин

с--()

сяг Van

где

с™ и <рСт - удельное сцепление и угол внутреннего трения супеси при

статических испытаниях; q min min _ минимальное удельное сцепление и минимальный угол дин "и" внутреннего трения, определенные при действии максимальной вибродинамической нагрузки.

Результаты определения прочностных свойств лессовидной супеси и их чувствительности к вибродинамической нагрузке представлены в таблице 2.

Таблица 2

Показатели относительного снижения прочностных характеристик лессовидной супеси при действии статической и вибродинамической нагрузки._

Показатель консистенции, Jl Коэф. уплотнения Объемный вес, т/м3 Влажность, W статика динамика Относительное снижение удельного сцепления, Ко Относительное снижение угла внутреннего трения. К,

Сцепление с, кг/см' Угол вн.тренияер, град. <S 5 -У t; и с к и я и Угол вн.тренияф, град.

<0 1,00 2,13 13 0,16 32 0,151 30 0,07 0,06

0,14 1,02 2,18 15 0,15 31 0,125 28 0,17 0,10

0,43 1,01 2,23 17 0,14 29 0,102 24 0,28 0,17

0,71 1,02 2,28 19 0,12 22 0,098 19 0,14 0,14

Анализ величин Кс и К(р, полученных в лабораторных экспериментах показывает, что лессовидные супеси в твердой

консистенции мало чувствительны к . вибродинамической нагрузке. Коэффициент относительного снижения сцепления составляет всего 0,07, а коэффициент относительного снижения угла внутреннего трения 0,06 при действии максимальной вибродинамической нагрузки.

С увеличением влажности до 15%, что соответствует пластичной консистенции, с показателем ./¿=0,14, коэффициент относительного снижения сцепления и коэффициент относительного снижения угла внутреннего трения грунта увеличиваются. Соответственно, Кс и К<р при консистенции ./¿=0,14 равны 0,17 и 0,10.

Максимальная чувствительность пластичной лессовидной супеси при действии вибродинамической нагрузки достигается при показателе консистенции ./¿=0,43. При этой консистенции коэффициент относительного снижения сцепления составляет 0,28, а коэффициент относительного снижения угла внутреннего трения 0,17. Дальнейший рост влажности до 19% и переход лессовидной супеси в пластичное состояние с показателем ./¿=0,71 приводит к понижению ее чувствительности к действию вибродинамической нагрузки. В этом состоянии Кс и К<р равны 0,14 и 0,14 соответственно.

В исследованиях И.В. Прокудина, Г.М. Стояновича, А.Ф. Колоса и многих других ученных неоднократно установлено, что зависимость удельного сцепления и угла внутреннего трения при действии вибродинамической нагрузки хорошо описывается зависимостями (4) и (5) = + (4)

«Рдн = "Рст ' [К? + Кф • е~к'А\ (5)

где:

К- коэффициент виброразрушения лессовидной супеси, составивший 0,024;

А - результирующая амплитуда колебаний, при которой определяются

прочностные характеристики; Ан - начальная амплитуда колебаний, при которой снижение удельного сцепления не превышает 5%.

В четвертой главе скорректирована методика расчета несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси. Предлагаемая методика основывается на теоретических решениях плоской задачи теории предельного равновесия, разработанной Прокудиным И.В.

Основная система уравнений плоской задачи состоит из уравнений движения грунтовой среды и условия предельного равновесия Кулона и имеет следующий вид:

дст: ¡К _ ЗЧ/ гДе' аг> аГ составляющие

~дГ + ~ёу'~2 + р' д1! нормальных напряжений,

дт д(гу д2У , . соответственно в вертикальной

1Г + "57 = Г + Р'Зг7 и горизонтальной плоскостях,

о-, -сг2 = (а, + <г,'+ 2 • Сди ■ с%<р„)-5ткг/слг; т2у, гуг,- составляющие

касательных напряжений,

кг/см2; и, V - перемещения при колебаниях в направлении осей г и у;аг, аг - максимальное и минимальное главные напряжения; Сан, (рд„ - сцепление и угол внутреннего трения грунта, воспринимающего вибродинамическую нагрузку; Ъ и У- объемные силы, при направлении оси ¿вертикально вниз 2 =у, а У =0; у - объемный вес грунта, кг/см3; р - масса грунтар = у/д\ д -ускорение свободного

падения, 9,81 м/сек2.

Решение задачи о несущей способности земляного полотна осуществляется методом характеристик и приводит к построению сетки линий скольжения с вычислением координат узлов, значения угла наклона первого главного напряжения к положительной горизонтальной оси, 8, и среднего напряжения в узлах сетки, а. Все вычисления производятся с учетом инерционных сил, затухания амплитуд колебаний в теле земляного полотна и за его пределами, а также снижения под их влиянием прочностных характеристик лессовидных супесей. Уравнения характеристик в общем виде выражаются формулами (7), а выражения соотношений вдоль линий скольжения зависимостями (8).

dz = dy■tg{S+^i), (7)

Ja + 2a-tg<pdH-dS = ±±-¿-ч--Ф W

b "" cos q>dH ■ cos\8 + fj)

где /и - угол, образованный между направлением первого главного

напряжения и линиями скольжения, равный - ^у- j. В формулах (7) и (8)

верхние знаки относятся к линиям скольжения второго семейства, а нижние - к первому семейству.

В выражении (8) необходимо вычислить величины В и D. При описании предельного напряженного состояния грунтов зависимостью Кулона они определяются следующими соотношениями с учетом особенностей распространения колебаний в земляном полотне,

отсыпанного лессовидными супесями:

5 = 0.15^/- (9)

-Ф, [/sin 25 + пcos 25]■ \(pcmKv{cxcos<рйн - C¿H sin <рди )+CcmKc cos<pÓH

£> = 0.04 уН + (}0)

+ Фх [п зт 28 - / соэ 25] • [</>оп К^ {а соз <рдн - Сдп эт <рд„ ) + СстКс «и <рдп ]

где: Н = ехр(п ■ г - 8? ■ у + 1,35 ■ 8? + • 83)

Фг = К • Л0 • ехр{п ■ г - ■ у + 1,35 ■ 8? + ■ 83 - К ■ Агу)

\Хда1> ПРИ у > 0,5 ■ й0 4- а л = <р(г) ■ 81 4- <р'(г) ■ 81

<р{г) =

г - 0,2 при г < 0,7м 0,5 при г >- 0,7 м

0 при 2 < 0,7 м г-0,7 при г > 0,7 м

81

8\ + 8\

В разделе 3 по исследованию влияния вибрации на прочностные характеристики лессовидных супесей показано, что они в зависимости от величины вибродинамического воздействия изменяются по зависимостям (4) и(5).Из этих формул видно, что Сдн и срдй определяются в любой точке земляного полотна в зависимости от результирующей амплитуды колебаний А^., которая определяется формулой (1).

Расчетная схема к определению несущей способности земляного полотна, отсыпанного лессовидными грунтами приведена на рис. 5.

Рис. 5 Схема к определению граничных условий с учетом балластного слоя.

Для решения уравнений (7) и (8) необходимо определить условия на границе. Пригрузка расчетной поверхности откоса и расчетной обочины (включая особую точку «О») определится в соответствии с рисунком 5.

С целью упрощения учета пригрузки на обочине основной площадки насыпи от балластного слоя трапецеидальную эпюру напряжений заменим треугольной, распределенной по всей ширине расчетной обочины. Эта замена является равноценной, так как площади эпюр принимаются равными (рис.5). При этом расчет заметно упрощается.

В этом случае величина пригрузки определяется соотношениями: [rM-y'saJ + yy'ga У~а = /(«)> /"(а) = |г->!(®а-'г«1) + ?"а-'2а' при а < у a+ hH-erg а, ^^ О y>a + h„-ctgaг,

где:

а - угол наклона расчетной поверхности откоса к горизонту, рад.; а, - угол наклона откоса насыпи к горизонту, рад.;

угол в треугольной эпюре напряжений, характеризующий распределение пригрузки на обочине (а), рад. у- объемный вес грунта; уб. объемный вес балласта;

/г0- - толщина балласта.

ш зи ш ш заю Расчет прочности основ-

Т ной площадки земляного полотна ведется в трех зонах (рис. 6).

Определение несущей способности земляного полотна начинается с точек, расположенных на поверхности расчетного откоса. Среднее приведенное

напряженнее- в точках, расположенных на

поверхности

(12)

Рис. 6 Сетка линий скольжения.

Расчетного откоса определяется из выражения:

Да) cos а + Сд„ cos <рди cos 2(S-a) \-sm<pfo, cos2(S-a) Значение угла S, определяющего угол между первым главным напряжением а, и осью OY, рассчитывается по формуле:

I

8 = - arcs in-! Ф(а) sin а 2

Сдн + <p(a)tg<pdu cos а - J(CdH + ф) cos a-lg<pdH)2 sin 2 <рд„ -

cos <pdll

(<p(a)svaa-tg<pd„)

i

- (cp(a) sin a ■ sinщ»)

— \ + a<—ha

( 4

J + (CdH +<p(a) cos a-tg<PdH) J ^ (13)

Зная значения величин у, z, a, S для двух соседних точек характеристик первого и второго семейств (i-lj) и (i,j-1) определяются координаты в точке (i, j) в результате решения системы двух линейных

уравнений (7) с двумя неизвестными, заменяя значения частных производных в уравнениях их конечно-разностными соотношениями.

С учетом полученных значений z,7 и y¡j определяют величины 8и и егц путем решения уравнений (8).

Определение значений <5и ово второй зоне начинается с их вычислений в особой точке «О». В этой точке угол S изменяется ота до п/2. Это изменение распределим равномерно по характеристикам первого семейства. Тогда значение угла ¿определится в точке «О» следующим образом:

- я-2а. о i о =-' + а.

' 2-10 (14)

где: i 6 [l !,20]

Величина напряжений определяется в этих точках следующей формулой:

= 2 • С,JA.о -<*) + О-Ю.0 • cxp(2(J, 0 - a)rg<ptJ (15)

Дальнейшее вычисление во второй зоне выполняется аналогично первой.

Расчет втретей зоне осуществляется аналогично с использованием зависимости (7) и (8).

Величины предельных напряжений в точках на поверхности основной площадки, определяющих несущую способность земляного полотна, определяются соотношениями:

а"р = <j(l - sin <рдн cos 28) - Сдн cos <рдн cos 28 (16)

апур - cr(l + sin<pèH cos2¿>)+ Cùn cos<pàn cos2S (17)

Напряжения, возникающие на основной площадке земляного полотна не должны превышать предельно допустимые, определяемые по формулам (16) и (17) с определенным коэффициентом запаса.

С учетом рекомендаций Лапидуса JI.C., Прокудина И.В. и Стояновича Г.М. условие прочности земляного полотна из лессовых супесей определится как:

az < 0,8aznp Оу < 0,8(jyP (18)

где:

azay - действующие нормальные напряжения в вертикальной и горизонтальной плоскостях

Величины действующих напряжений вычисляются по действующей «Методике оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности».

Для оценки влияния вибродинамического воздействия на несущую способность земляного полотна из лессовых грунтов на

экспериментальном участке на 2 км 7 пикете, линии Ташгузар - Кумкурган выполнены расчеты прочности. Вычисления проводились как при действии статической нагрузки А0=0, так и при действии вибродинамической нагрузки А0=411 мкм. В качестве исходных данных приняты следующие значения показателей: 2

А0=410 мкм, В„=2,932 м, а=2,034 м, угол откоса а = 33°, Сст=1,5 т/м , (р„ = 29°, К,=0,28, Кф=0,17, К=0,024, =1,64 1/м, =0,35 1/м, 8} =0,43

1/м, 5| =0,030 1/м, г =2,10 т/м3.

Сетка линий скольжении по результатом расчета приведена на рис. 7.

/у ХХХД<

4-*"+.............г

Ц.....„.„А

Рис. 7 Результаты расчета несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси при действии вибродинамической нагрузки.

Как известно, максимальные действующие напряжения от подвижного состава регистрируются на основной площадке в подрельсовом сечении. Следовательно, минимальная разница между фактической и предельной нагрузкой будет иметь место в сечении по оси рельса, которое в данном случае будет удалено от особой точки «О» (рис. 5)на расстоянии 0,7 м. В подрельсовой зоне при действии вибродинамических нагрузок величина предельных напряжений составила в вертикальной плоскости 11,4 т/м2, а в горизонтальной - 3,3 т/м . Соответственно, при действии статической нагрузки они равны: 18,4 т/м и 4,7 т/м2.Т.е., учет действия вибродинамической нагрузки привел к снижению прочности основной площадки земляного полотна в подрельсовом сечении в вертикальной плоскости в 1,6 раза, а в горизонтальной в 1,4 раза. Данное обстоятельство еще раз подчеркивает необходимость учета действия вибродинамической нагрузки в расчетах прочности земляного полотна, сооружаемого из лессовидных супесей.

Кроме того, на величину несущей способности земляного полотна, отсыпанного лессовидной супесью, могут оказывать влияние различные

факторы: величина прочностных характеристик лессовидной супеси;

толщина балластного слоя; величина вибродинамического воздействия;

крутизна откосов насыпи; ширина обочины.

_______| Результаты исследования

16 1 ! | влияния толщины балласта на

14 г —^ и. несущую способность земляного

полотна представлены на рис 8.

Результаты расчета приведены в

подрельсовом сечении. Анализ

зависимостей на этом рисунке

показывает, что увеличение

толщины балласта с 0,2 м до 0,6

м приводит к прямопро-

ТЪлшинабалластного'слоя^м " порциональному росту несущей

;олш „ ,___ способности земляного полотна

Рис. 8 Зависимость несущей способности от ыкхлиию „ппгкпегя в

толщины балластного слоя

в вертикальной плоскости в 1,2раза, а вгоризонтальной плоскости в 1,1 раза.

Влияние результирующей амплитуды колебаний на уровне основной площадки земляного полотна, отсыпанного из лессовых супесей, на предельные напряжения в подрельсовой зоне представлено на рис. У. Общая зависимость несущей способности от величины вибродинамического воздействия описывается криволинеинои зависимостью, близкой к экспоненциальной. Наибольшее снижение наблюдается в интервале амплитуд от 0 до 200 мкми составляет 30 /о.

22

о с ю о о О '

Ч ■

о

о

я

17

О, Исходные данные: С=0,15 кг/см2, р=29°, - Кс=0,28, 0,17, А0=0 - 600 мкм, В„=2,93 м

---\iXy-

f—■— 1-■-1 1—■- 1—■— ггттдг

--+— " ■ 1

Амплитуда килсиагти па --------------

Рис. 9 Зависимость несущей способности от амплитуд колебаний на основной площадке земляного полотна, отсыпанного лессовидной супеси.

Дальнейшее увеличение вибродинамического воздействия свыше 200 мкм незначительное влияет на несущую способность земляного полотна из лессовых грунтов. Увеличение амплитуд колебании от 200 мкм до 600 мкм дает снижение прочности на 13 % и 12 % соответственно. Данное обстоятельство объясняется экспоненциальной зависимостью Сдн и <рдн от амплитуды колебания «А».

Как указывалось ранее несущая способность земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, зависит от величины удельного сцепления и угла внутреннего трения. Выполненные исследования показывают, что при разной влажности наблюдается изменение чувствительности супесей к действию вибродинамической нагрузки. Таким образом, от соотношения сцепления и угла внутреннего трения зависит и величина прочности основной площадки земляного полотна. Опираясь на вышесказанное, приводятся результаты расчетов по исследованию влияния прочностных характеристик лессовидных супесей на несущую способность основной площадки насыпив подрельсовом сечении,приведённые на рис. 10 и 11.

% 22

20 ё 18 I 16

§ Н 8 12

I 10 I 8 ® 6 4 2

— г

' ч А-УрЗ 9°

V

Г—ГТ-1-

1,2

1,4

1,6

1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 Удельное сцепление лессовидной супеси, т/м/

Рис. ЮЗависимость несущей способности земляного полотна от удельного сцепления лессовидной супеси. 18

Э( 16

н Й 14

5 о 12

я

ю 8 10

о

й о 8

1 6

о и 4

X

1 -.

|>< т

.. -А~С=1 6т/м2......

■-01,4т/м2

1--дТ-0""

26 27 28 29 30 31 32 33 34 Угол внутреннего трения лессовидной супеси, град.

Рис. 11 Зависимость несущей способности земляного полотна от угла внутреннего

трения лессовидной супеси.

Анализируя графики, приведенные на рис. 10 можно показать, что

для приведенных значений угла внутреннего трения с ростом сцепления на

0,1 т/м2 несущая способность основной площадки в вертикальной

16 rJ

s

Ts 14

А

Ö 12

0

1 Ю

► °z'

j j

t .....i 1 1 1 °"v

1 --- S ! 1

плоскости увеличиваться на 0,53 т/м2 или в 1,1 раза, а в горизонтальной плоскости в 1,05 раза.

Анализируя графики, приведенной на рис. 11 можно сделать вывод, что для приведенных значений удельного сцепления с ростом утла внутреннего трения на 1 град, несущая способность основной площадки в вертикальной плоскости увеличиваться на 0,69 т/м2или в 1,1 раза, а в горизонтальной плоскости в 1,05 раза.

Разработанная методика расчета позволила выявить влияние крутизны откоса на несущую способность земляного, отсыпанного лессовидной супесью, которое представлено на рис. 12.

Анализ приведенных зависимостей (рис. 12) показывает, что в рассматриваемом диапазоне изменения крутизны откоса земляного полотна от 1:1,5 до 1:2,5 наблюдается рост несущей способности в подрельсовом сечении как вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях по зависимостям, близким к прямолинейным. Так при крутизне откоса 1:1,5 несущая способность в вертикальной плоскости составила 11,23 т/м/, при 1:т =1:1,75 ее значения увеличилось до 12,12 т/м2 или в 1,1 раза. Уположение откоса до 1:2,5 дает прирост прочности в вертикальной плоскости по сравнению с заложением 1:1,5 на 2,6 т/м2или в 1,3 раза. Аналогичные выводы можно сделать и по результатам, полученным в горизонтальном направлении.

Рассмотрено влияние ширины обочины на несущую способность земляного полотна (рис. 13).

Анализ полученных

графиков показывает, что увеличение размера расчетной обочины приводит практически к прямопропорциональному росту несущей способности в обеих плоскостях.

Так при увеличении ширины обочины от 0,5 м до 2 м несущая способность в подрельсовом сечении в вертикальной плоскости выросла в 1,2 раза. В горизонталь-

1 1,5 2 2,5 3

Угол заложения откоса, 1/т 123ависимость несущей способности земляного полотна от крутизны откоса насыпи.

.2

Рис.

Б

о

X

12 10 8 | 6 4 2 0

------------—* 1 |

Г

I

1 " Рч-

F i

0

Ширина'обочины, м Рис. ^Зависимость несущей способности земляного полотна от ширины обочины насыпи.

ном направлении этот рост составил 1,1 раза. Исходя из этого, можно сказать, что увеличение размера основной площадки насыпи при сохранении одинаковой толщины балласта более существенно сказывается на росте прочности в вертикальной плоскости, чем в горизонтальной.

Основные результаты исследования и выводы по работе.

Выполненные полевые, лабораторные и теоретические исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Колебания грунтов насыпей, отсыпанных лессовидными супесями, имеют сложный пространственный характер и при толщине балластного слоя 0,2 м под подошвой шпалы определяются высоким уровнем вибродинамического воздействия с амплитудой колебаний до 411 мкм на основной площадке земляного полотна при скорости грузового поезда 60 км/ч.

2. С ростом скорости грузовых поездов от 20 км/ч до 60 км/ч на основной площадке земляного полотна происходит рост результирующих амплитуд колебаний по прямопропорциональной зависимости с интенсивностью 20 мкм на каждые 10 км/ч увеличения скорости.

3. Получена аналитическая зависимость, описывающая распространение амплитуд смещений по телу насыпей, отсыпанных лессовидными супесями. Расчеты, выполненные с её применением, дают хорошую сходимость расчетных и экспериментальных данных. Максимальная погрешность составила 16%.

4. Максимальное снижение сцепления и угла внутреннего трения лессовидной супеси, залегающей в теле насыпи, под воздействием вибродинамических нагрузок регистрируется при значении показателя консистенции /¿=0,43, т.е. при влажности 16-17% и составляет 28% для сцепления и 17% для угла внутреннего трения.

5. При действии вибродинамической нагрузки происходит снижение несущей способности основной площадки земляного полотна, отсыпанного лессовидной супесью. При скорости грузового поезда 60 км/ч несущая способность снизилась в 1,6 раза в вертикальной плоскости и в 1,4 раза в горизонтальной плоскости по сравнению со статической схемой расчета.

6. Увеличение толщины балласта с 0,2 м до 0,6 м приводит к прямопропорциональному росту несущей способности земляного полотна в вертикальной плоскости в 1,2раза, в горизонтальной в 1,1 раза.

7. Наибольшее снижение несущей способности земляного полотна из лессовидных супесей наблюдается в диапазоне роста амплитуд смещений до 200 мкм. Предельные вертикальные напряжения уменьшаются на 30 %, горизонтальные на 22 %. Увеличение амплитуд колебаний от 200 мкм до 600 мкм дает снижение прочности на 13 % и 12 % соответственно.

8. С ростом удельного сцепления и ростом угла внутреннего трения несущая способность земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, увеличивается по прямопропорциональному закону. При увеличении удельного сцепления лессовидной супеси с 1,4 т/м2до 2,6 т/м несущая способность основной площадки увеличивается в вертикальной плоскости в 1,6 раза, в горизонтальной плоскости в 1,5 раза. При увеличении угла внутреннего трения на 1 град, несущая способность основной площадки в вертикальной плоскости увеличиваться в 1,1 раза, в горизонтальной в 1,05 раза.

9. Уположение откосов земляного полотна приводит к более существенному росту несущей способности в вертикальной плоскости, чем в горизонтальной. При изменении крутизны откоса от 1:1,5 до 1:2,5, прочность в вертикальной плоскости выросла в 1,3 раза, в горизонтальной в 1,2 раза.

10. Увеличение размера расчетной обочины приводит практически к прямопропорциональному росту несущей способности в обеих плоскостях. При увеличении ширины обочины от 0,5 м до 2 м несущая способность в подрельсовом сечении в вертикальной плоскости выросла в 1,2 раза, В горизонтальном направлении этот рост составил 1,1 раза.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Колос А.Ф., Абдукаримов A.M. Методика расчета амплитуд колебаний грунтов земляного полотна, отсыпанного из лессовых грунтов // Известия ПГУПСа. - 2011 .-№ 1. - С. 171-180.

2. Колос А.Ф., Абдукаримов A.M. Исследование прочностных характеристик лессовых грунтов в условиях трехосного напряженного состояния при воздействии вибродинамических нагрузок // Известия ПГУПСа. - 2011. -№3. - С,176-181.

3. Колос А.Ф., Абдукаримов А.М. Исследование влияния вибродинамической нагрузки на прочностные характеристики лессовидной супеси // Известия ТашИИТа. - 2011, - №4.

4. Абдукаримов А.М.Колебательный процесс грунтов земляного полотна, отсыпанного из лессовых грунтов, в республике Узбекистан// Труды республиканской научно-технической конференции « Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» посвященной 80-летию ТашИИТа. - Ташкент.: ТашИИТ, 2011.

Подписано к печати 23. И. 11 г. Печ.л. -1,5

Печать офсетная. Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16

Тираж 100 экз. Заказ № 1064._________

Тип. ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр. 9

61 12-5/1297

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(ФГБОУ ВПО ПГУПС - ЛИИЖТ)

УДК 625.12.033.38

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА,

ОТСЫПАННОГО ЛЕССОВЫМИ ГРУНТАМИ, ВОСПРИНИМАЮЩИМИ ВИБРОДИНАМИЧЕСКУЮ

НАГРУЗКУ

Специальность 05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Колос А.Ф.

Санкт-Петербург 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВЕДЕНИЕ.................................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ................................................8

1.1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ЛЕССОВЫХ ГРУНТАХ И ОСОБЕННОСТЯХ ИХ ФИЗИКО - МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ................8

1.2 ВИБРОДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ОТ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО............................................................17

1.3 ВЛИЯНИЕ ВИБРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАТИВНЫЕ СВОЙСТВА ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ...............................................................................................................27

1.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1..................................................................................33

1.5. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................35

2.1 ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО УЧАСТКА................37

2.2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ....................................40

2.2.1. АППАРАТУРА И ПРИБОРЫ ДЛЯ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 40

2.2.2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА...............................42

2.2.3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ................................45

2.3. ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА, ОТСЫПАННОГО ИЗ ЛЕССОВИДНОЙ СУПЕСИ.................................................................................................................46

2.3.1. ХАРАКТЕР КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА....................................................................................46

2.3.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ АМПЛИТУДЫ КОЛЕБАНИЙ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ИЗ ЛЕССОВИДНОЙ СУПЕСИ ОТ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ.................................................................52

2.3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ В ТЕЛЕ ЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ЗА ЕГО ПРЕДЕЛАМИ..........................................56

2.3.3.1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ ПО ГЛУБИНЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА..............................................................................................................56

2.3.3.2. ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ В НАПРАВЛЕНИИ ПОПЕРЕК ОСИ ПУТИ..........................................................63

2.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II................................................................................70

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИБРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕССОВЫХ СУПЕСЕЙ.......................................................................................72

3.1 ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ УЧАСТКЕ И ЗАДАЧИ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................72

3.2 ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕССОВИДНОЙ СУПЕСИ ПРИ ВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ..........................................................75

3.2.1. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ГРУНТА.................................................75

3.2.2. КОНСТРУКЦИЯ ПРИБОРА......................................................................77

3.3 МЕТОДИКА ПОДГОТОВКИ И ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ......................81

3.4 ВЛИЯНИЕ ВИБРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЕССОВОЙ СУПЕСИ....................88

3.5 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III................................................................................92

4.ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ИЗ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ ВИБРОДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ.............................................................94

4.1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ..................................................................................94

4.2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА, ОТСЫПАННОГО ИЗ

ЛЕССОВИДНОЙ СУПЕСИ..................................................................................95

4.3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЙ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА, ОТСЫПАННОГО ИЗ ЛЕССОВИДНЫХ ГРУНТОВ С УЧЕТОМ ВИБРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ..................................................................................................100

4.4 ПРИМЕР РАСЧЕТА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСНОВНОЙ ПЛОЩАДКИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА, ОТСЫПАННОГО ИЗ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ......................................................................................111

4.4.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОЛЩИНЫ БАЛЛАСТНОГО СЛОЯ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ИЗ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ......................................................................................113

4.4.2. ЗАВИСИМОСТЬ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОТ ВЕЛИЧИНЫ ВИБРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ................................................116

4.4.3.ВЛИЯНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕССОВИДНОЙ СУПЕСИ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА.... 119

4.4.4. ВЛИЯНИЕ КРУТИЗНЫ ОТКОСА НАСЫПИ НА НЕСУЩУЮ

СПОСОБНОСТЬ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА....................................................123

4.4.5 ВЛИЯНИЯ ШИРИНЫ ОБОЧИНЫ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА..................................................................................125

4.5 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV.....................................................128

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..........................................................130

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................146

ВЕДЕНИЕ

Лессовые грунты широко распространены в Средней Азии, в частности на территории Узбекистана и занимают значительную часть, около 80% ее площади. Также эти грунты распространены в Центральной Черноземной зоне, на Северном Кавказе, в Закавказье, Поволжье, Восточной и Западной Сибири и др. местах. Существенное распространение на территории Узбекистана имеют лессовидные супеси.

Особенностью лессовых фунтов является их процесс формирования и существования в недоуплотненном состоянии. Недоуплотненное состояние лессового грунта может сохраняться на протяжении всего периода существования толщи, если не произойдет повышение влажности и нагрузки. В этом случае может произойти дополнительное уплотнение грунта в нижних слоях под действием его собственного веса. При нарушении природной структуры лессовых грунтов также происходят просадки грунта. Вышеуказанные свойства лессовых грунтов при строительстве железных и автомобильных дорог приводят к проблеме обеспечения стабильности земляного полотна, поэтому при проектировании конструкции необходимо уметь рассчитывать несущую способность насыпей, отсыпанных из лессовых грунтов, с учетом их физико-механических свойств.

Однако, для насыпей, отсыпанных из лессовидных супесей, в литературных источниках отсутствуют количественные данные о величине вибродинамического воздействия, передающегося основной площадке земляного полотна, его распространении и затухании по телу полотна и за его пределами. Кроме того, особого рассмотрения требует вопрос о решении задачи о несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовых грунтов, с учетом действия вибродинамической нагрузки, возникающей при движении поездов.

Цель работы. Разработка методики расчета несущей способности насыпей, отсыпанных из лессовидной супеси, с учетом характера распространения амплитуд колебаний в теле земляного полотна, действия инерционных сил и снижения прочностных свойств лессовидной супеси под влиянием вибродинамической нагрузки, возникающей при движении поездов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выявить зависимость и характер распространения колебаний в земляном полотне, отсыпанного из лессовидной супеси, и за его пределами.

2. Определить влияние вибродинамического воздействия на прочностные характеристики лессовидной супеси.

3. Скорректировать методику расчета несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, с учетом вибродинамического воздействия и снижения прочностных свойств грунтов.

Методика исследований. Полевые исследования выполнялись с целью выявления параметров колебательного процесса грунтов земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, характера его распространения, а также получения аналитической зависимости расчета амплитуд колебаний грунтов, возникающих при движении поездов.

На основе выявленного характера колебательного процесса производилось его моделирование в лабораторной установке для исследования прочностных характеристик лессовых супесей и их чувствительности к действию вибродинамической нагрузки.

Полученные результаты полевых и лабораторных исследований легли в основу корректировки методики определения несущей способности основной площадки земляного полотна, сооружаемого из лессовидных супесей.

Натурные эксперименты выполнялись на линии Ташгузар -Кумкурган Узбекской железной дороги в 2009 году. При разработке основных принципов предлагаемой методики использовались результаты в основном российских ученых в области исследования работы железнодорожного пути, а также исследования отечественных и зарубежных ученых в области свойств лессовых грунтов.

Значительная часть результатов получена на основе многовариантных расчетов на ЭВМ по оценке несущей способности земляного полотна, воспринимающего вибродинамическую нагрузку.

Научная новизна.

1. На основе полевых экспериментов впервые получена величина вибродинамического воздействия, возникающего при движении поездов, а также аналитическая зависимость распространения колебаний в земляном полотне, отсыпанного из лессовидной супеси.

2. На базе лабораторных исследований в количественном выражении впервые определена чувствительность лессовидных супесей к вибродинамическому воздействию.

3. Скорректирована методика расчета несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, с учетом действия вибродинамической нагрузки и снижения под ее влиянием прочностных характеристик грунта.

Практическая ценность работы. Практическую ценность представляют результаты исследований по определению уровня вибродинамического воздействия, передающегося грунтам земляного полотна, отсыпанного лессовидной супесью. Реализация полученных результатов позволяет использовать в проектных организациях разработанную методику расчета несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, с учетом вибродинамического воздействия.

Реализация исследований. Результаты исследований нашли практическое применение в проектном институте «Узжелдорпроект» при проектировании строительства нового железнодорожного пути «Даштабад -Джизак». Годовой экономический эффект составил 495500 долларов США.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на республиканской научно-технической конференции « Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» посвященной 80-летию ТашИИТа ( Ташкент, ТашИИТ, декабря 2011 год).

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 4 печатные работы, в том числе две статьи представлены в источниках, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем составляет 148 страниц машинописного текста, в том числе 129 страниц основного текста, 37 рисунков, 6 таблиц и 3 приложения. Список литературы включает 129 наименований работ.

1. СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Основные сведения о лессовых грунтах и особенностях их физико -механических свойств.

К лессовидным грунтам относятся лессовидные супеси, суглинки и глины, некоторые виды покровных суглинков и супесей, а также в отдельных случаях мелкие и пылеватые пески с повышенной структурной прочностью и др.

Лессовые грунты широко распространены на территории Узбекистана и занимают до 80% ее площади. Также эти грунты распространены в Центральной Черноземной зоне, на Северном Кавказе, в Закавказье, Поволжье, Казахстане, Восточной и Западной Сибири и др. местах.

За рубежом значительные площади заняты лессовыми грунтами в СРР, НРБ, ВНР, СФРЮ, Испании, странах Северной Африки, Китае, Иране, Афганистане, странах Южной Америки, США и др. [1, 3, 17, 18, 36, 56, 61, 62, 63, 64 и др.].

Лессовые грунты как сказано выше, распространены повсеместно на территории Узбекистана. Большие толщи лессовых грунтов пролювиального генезиса встречаются в Ташкентской области, на территории Джизакской и Каршинской степей, Самаркандской впадины. В Ташкентской области, например, толщина лессовых грунтов достигает 42 м, в Самаркандской впадине -38 м. Пролювиальные лессовые грунты занимают большие территории и вытянуты в широтном направлении от Самарканда до г. Акташ. Имеются также грунты эолового происхождения, характеризуемые однородным строением по толщине слоя, а также делювиальные лессовые грунты с включениями обломков коренных пород. В данной диссертации рассматриваются лессовидные супеси, поскольку в южных и центральных районах республики Узбекистан, железнодорожное земляное полотно отсыпано в основном из данных грунтов.

Исследованиями свойств лессовых грунтов посвящены работы следующих ученых Ю.М. Абелеев, В.П. Анзигитов, Ф.И. Воронов, Я.Д. Гильман, Н.И. Кригер и др. [1, 3, 17, 18, 36, 56, 61, 62, 63, 64 и др.]. Анализируя их, можно привести основные результаты таких исследований.

Просадочность - важнейшее инженерно-геологическое свойство лессовидной супеси. Оно выражается в их способности под действующей нагрузкой (от собственного веса толщи или дополнительной нагрузки от сооружения) при увлажнении (замачивании) уменьшать свой объем, т.е. проявлять дополнительное уплотнение. Недоуплотненное состояние лессовидной супеси может сохраняться на протяжении всего периода существования толщи, если не произойдет повышения влажности и нагрузки. В этом случае может произойти дополнительное уплотнение грунта в нижних слоях под действием его собственного веса [17, 18, 56, 61, 74, 77, 81, 82, и др.].

Наряду с недоуплотненностью просадочные грунты обычно характеризуются низкой природной влажностью, пылеватым составом, повышенной структурной прочностью. Влажность их в Средней Азии, особенности в республике Узбекистан обычно составляет всего лишь 0,04 -12%, степень влажности 0,1 - 0,3, а в районах УССР, Молдавии, Средней полосы, Сибири и др. 12% - 20 % при степени влажности 0,3 - 0,6 [1, 17, 18, 56, 61 и др.].

Твердая составляющая лессовых грунтов состоит из частиц различных минералов разной крупности и формы, соединенных между собой связями различного происхождения, характера и прочности.

Просадочные грунты характеризуются следующими физическими

о

свойствами: объемная масса 1,6 - 1,8 т/м , объемная масса скелета 1,2 - 1,6.

о

т/м , влажность 8% - 17%, влажность на границе раскатывания 14% - 18%, текучесть 21% - 35%, число пластичности 7-17, коэффициент пористости

0,6 - 1,2, сцепление при естественной влажности 0,15 - 0,5 кг/см , угол внутреннего трения при естественной влажности 22 - 30° [61,62, 64, 74, 77].

Минералогический состав лессовых пород представлен большим числом минералов (около 50), из которых главными породообразующими являются около 15, а остальные относятся к акцессорным (тяжелым) и глинистым минералам.

Глинистую часть (фракции менее 0,005 мм) лессовых грунтов в основном представляют глинистые минералы, среди которых главную роль, с точки зрения определения просадочности, играют монтмориллонит, каолинит, нонтронит, гидрослюда [1, 17, 18, 62, 64, 74]. По процентному содержанию глинистых минералов лессовые породы подразделяют на монтмориллонитовые, монтмориллонито-каолинитовые и

монтмориллонито-гидрослюдистые. Состав и различные соотношения глинистых минералов характеризуют в некоторой степени просадочность лессовых пород. Глинистые минералы по разному взаимодействуют с поровыми растворами и водой, обладают различной гидрофильностью, в результате чего одни из них способствуют возникновению и развитию просадки грунта (каолинит, гидрослюда и др.), другие же сопротивляются этому процессу, проявляя при этом свои специфические набухающие свойства (монтмориллонит, нонтронит, гидрослюда и др.).

Минералы же песчано-алевритовой части (фракции 0,1... 0,005 мм) инертны по отношению к воде, поэтому их свойства существенной роли в процессе просадки не играют. Среди породообразующих минералов в крупной фракции большим содержанием отличаются кварц, полевые шпаты, карбонаты и изредка слюда [1, 17, 18, 61, 64, 95].

Встречаются лессовые породы, содержащие слюдистые минералы в количестве, превышающем от 30 до 50% (мусковит, бионит), гипс — не более 5% и другие обломки минералов: глауконит, бурый железняк, опал, халцедон, мукрофана и обломки раковин моллюсков [1, 17, 61, 114].

Минералогический состав крупной фракции лессовых пород, являющейся во многих случаях инертной к воде, не оказывает существенного влияния на многие инженерно-геологические процессы, происходящие при замачивании этих пород [1, 17, 61, 77, 114]. Наиболее активную роль в этих процессах играют глинистые и тонкодисперсные частицы. Эти минеральные частицы обладают высокой удельной поверхностью, благодаря чему лессовая порода приобретает способность к набуханию, усадке, просадке, меняет механические свойства, такие, как сжимаемость, сопротивление сдвигу и др. Лессовые породы отличаются также полиминеральным сост�