автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Особенности проектирования нового и реконструкции существующего земляного полотна на торфяных основаниях

На правах рукописи

ПУПАТЕНКО Кира Викторовна

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НОВОГО И РЕКОНСТРУКЦИИ СУЩЕСТВУЮЩЕГО ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ТОРФЯНЫХ ОСНОВАНИЯХ (В УСЛОВИЯХ САХАЛИНСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ)

05.22.06. Железнодорожный путь

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д.т.н., проф. Гончарук С.М.

Научный консультант -к.т.н., доц. Стоянович Г.М.

Санкт-Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................6

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................................12

1.1. Общие положения...................................................................................12

1.2. Особенности работы железнодорожного земляного полотна на

слабых основаниях Сахалинской железной дороги............................................................................................................14

1.3. Особенности физико-механических характеристик торфяных грунтов, влияющие на стабильность системы "земляное полотно - слабое основание"....................................17

1.4. Обзор исследований напряженно-деформированного состояния

системы "земляное полотно - слабое основание"................................26

1.4.1. Особенности напряженно-деформированного состояния слабых оснований железнодорожных насыпей.........................26

1.4.2. Влияние порового давления на несущую способность слабых грунтов оснований сооружений....................................34

1.4.3. Обзор исследований вибродинамического воздействия подвижного состава на грунты земляного полотна..................38

1.5. Существующие методы проектирования и реконструкции насыпей на слабых основаниях.....................................................43

1.5.1. Дорожно-строительные классификации болот.....................43

1.5.2. Существующие методы проектирования земляного полотна на слабых основаниях............................................46

1.5.3. Особенности и методы реконструкции железнодорожных насыпей на слабых основаниях...................................51

1.6. Цель и задачи исследования......................................................53

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СИСТЕМЫ "ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ ПУТИ - ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ НАСЫПЬ - СЛАБОЕ ОСНОВАНИЕ" ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОЕЗДНОЙ НАГРУЗКИ...................................................................56

2.1. Экспериментальные исследования напряженного состояния балласта и грунтов насыпи на слабом основании..............................56

2.1.1. Аппаратура для исследования напряжений и условия проведения экспериментов.......................................................57

2.1.2. Распределение вертикальных динамических напряжений в балласте и грунтах насыпи.............................................62

2.1.3. Изменение вертикальных динамических напряжений в зависимости от скорости движения поездов и величин осевых нагрузок........................................................................69

2.2. Исследование угона рельсовых нитей при воздействии поезд-

ной нагрузки на систему «железнодорожный путь - земляное полотно - слабое основание»................................................................76

2.2.1. Наблюдения за рельсовыми зазорами и угоном пути..............76

2.2.2. Влияние слабого основания на величину амплитуд угона рельсовых нитей...................................................................79

2.2.3. Исследование изменения амплитуд угона рельсовых нитей после усиливающих путь мероприятий........................82

2.3. Исследование упругих деформаций системы «железнодорожный путь - земляное полотно - слабое основание» в результате действия поездной нагрузки................................................................90

2.3.1. Приборы и методика проведения полевых испытаний...........90

2.3.2. Влияние слабого основания и величин осевых нагрузок

на упругие деформации............................................................94

2.4. Исследование порового давления в слабом основании железно-

дорожной насыпи..................................................................................97

2.4.1. Приборы и методика проведения полевых испытаний...........97

2.4.2. Распределение порового давления в слабом основании

по глубине..................................................................................99

2.4.3. Изменение порового давления в системе "насыпь - слабое основание при воздействии нагрузки от подвижного состава.......................................................................................100

2.5. Выводы по второй главе........................................................................104

3. МЕТОДИКА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ «ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО - СЛАБОЕ ОСНОВАНИЕ»...........................108

3.1. Теоретические основы методики численного моделирования...........108

3.2. Методика расчета напряжённо-деформированного состояния системы «земляное полотно - слабое основание» методом конечных элементов в упругопластической постановке......................111

3.2.1. Выбор расчетной схемы.............................................................113

3.2.2. Выбор расчетных прочностных характеристик грунтов системы......................................................................................117

3.2.3. Учет активной зоны фильтрации торфяного основания

в процессе численного моделирования....................................124

3.2.4. Сравнение расчетных и действующих упругих осадок в грунтах земляного полотна.......................................................132

3.3. Последовательность расчета напряжённо-деформированного состояния системы «земляное полотно - слабое основание»...............134

3.4. Выводы по главе...................................................................................136

4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ УСИЛЕНИЯ НОВОГО И ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА СЛАБОМ ОСНОВАНИИ........................................... 138

4.1. Общие положения.................................................................................138

4.2. Применение методики численного моделирования для проектирования земляного полотна на слабом основании............................140

4.2.1. Систематизация типовых поперечных профилей и определение расчетных схем............................................................140

4.2.2. Формирование расчетных схем.................................................142

4.2.3. Анализ напряженно-деформированного состояния типовых проектных профилей.....................................................145

4.2.4. Усиление типовых поперечных профилей свайной конструкцией...................................................................................151

4.3. Расчет влияния различных технических решений на напряжённо-деформированное состояние системы «конструкция усиления - существующее земляное полотно - торфяное основание»..........................................................................................................153

4.3.1. Усиление насыпей на слабом основании частичной вы-торфовкой..................................................................................153

4.3.2. Усиление насыпи на слабом основании шпунтовыми стенками....................................................................................154

4.4. Выводы по главе............................... ....................................................160

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.................................................................................................................162

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ......................................165

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................177

ВВЕДЕНИЕ

Для обеспечения безопасной и бесперебойной работы железнодорожного транспорта необходимо здоровое, удовлетворяющее современным нормативным требованиям, земляное полотно на прочном основании.

Земляное полотно является долговечным сооружением, на многих линиях оно построено десятки лет назад, и поэтому зачастую не удовлетворяет современным возросшим требованиям к нему. Для железных дорог Дальнего Востока характерными причинами деформаций земляного полотна являются технические факторы (рост осевых нагрузок и скоростей движения подвижных составов, применение новых конструкций верхнего строения пути), а также сложные инженерно-геологические и климатические условия.

Вопросами проектирования, сооружения и реконструкции земляного полотна, функционирующего в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях при воздействии вибродинамических поездных нагрузок, занимались многие ученые. Существенный вклад в исследование проблем прочности, устойчивости и надежности железнодорожного земляного полотна внесли Вериго М.Ф., Гольдштейн М.Н., Жинкин Г.Н., Коган Я.Л., Коншин Г.Г., Лапидус Л.С., Ордуянц К.С., Прокудин И.В., Смирнов М.П., Стоянович Г.М., Титов В.П., Фришман М.А., Чернышев М.А., Шахунянц Г.М., Яковлева Т.Г. и многие другие ученые.

Как показал опыт эксплуатации существующих железных дорог в условиях Дальнего Востока, наиболее трудоемкими в эксплуатации являются насыпи на слабых основаниях, в частности, на болотах.

Органо-минеральные и органические грунты широко распространены на территории России, ими занято более 12 млн. км2. В целом распространение слабых грунтов носит интразональный характер. Так, в пределах Западно-Сибирской низменности заторфованы все пологие водоразделы и речные долины, за исключением крутых склонов террас, болота там занимают площади более 300 тыс. км .

В пределах Средне-Сибирского нагорья заболоченность снижается до 20%, а при продвижении на восток вновь возрастает на юге Дальнего Востока, на Сахалине и Камчатке (заболочено до 5% всей территории). На Сахалине наиболее крупные болота находятся на надпойменных террасах рек Поронай и Тымь, на западном побережье - южнее и севернее мыса Погиби [122].

Для многих районов Дальнего Востока характерен маревый ландшафт: заболоченные редкостойные лиственничные леса, перемежающиеся с участками мо-хо-торфяных болот и ерниковых зарослей, постепенно переходящие в заболоченные луга на юге и в тундру на севере [130]. Кроме постоянных болот, на Дальнем Востоке широко распространены сырые и сезонномокрые места, на которых зачастую нет отложений торфа. Но в период муссонных дождей переувлажненные пылеватые супеси и суглинки, залегающие в таких местах, ведут себя как слабые основания. [74]

С проблемой сооружения дорог на слабых основаниях проектировщики и строители сталкивались в разных районах страны при пересечении трассой рек, болот, озер, вблизи берегов морей. И если еще в недавнем прошлом строители гражданских и промышленных сооружений старались обходить торфяные грунты, возводя объекты на минеральных и даже пахотных землях, то в дорожном строительстве пересмотр места расположения трассы вследствие неблагоприятных грунтовых условий далеко не всегда возможен. По данным ВНИИЖТа на территории нашей страны около 2 тыс. км железнодорожного пути пересекают многочисленные болота.

Проектирование, строительство и реконструкция насыпей на слабых основаниях является сложной комплексной задачей, в состав которой входят: исследования физико-механических свойств, условий залегания грунтов в основании; определение напряженно-деформированного состояния системы «земляное полотно - слабое основание»; выбор эффективного метода усиления и разработка технологии производства работ [100,112].

При работе насыпей на слабых основаниях возможны большие и неравномерные осадки, незатухающие продолжительное время после строительства; крупные деформации насыпей вплоть до нарушения их общей устойчивости, что обусловлено большой сжимаемостью и низкой несущей способностью слабых грунтов. Кроме этого, эксплуатация таких насыпей во многих случаях сопряжена с необходимостью исправления таких дефектов как перекосы и сдвижки пути в плане, образование трещин в земляном полотне, недопустимые упругие деформации, неравномерный угон рельсовых нитей.

В зоне расположения Сахалинской железной дороги широко распространены кочковатые мохо-торфяные мари. В прибрежной зоне речных долин встречаются морские илы, прикрытые сверху мощными образованиями торфа. Мощность торфа составляет 3,0 - 4,5 и более метров [98, с.39].

Актуальность темы. Слабыми торфяными грунтами занято до 5% всей территории юга Дальнего Востока и о. Сахалин. Насыгш на слабых основаниях являются наиболее трудоемкими в эксплуатации. Наиболее рельефно проблемы эксплуатации насыпей на слабых основаниях видны на Сахалинской железной дороге. Это объясняется уникальным сочетанием неблагоприятных факторов:

1. Железные дороги южной части острова были построены по облегченным японским нормам для временной эксплуатации в период с 1906 по 1941 гг. Вследствие этого конструкция земляного полотна не соответствует современным нормативным требованиям: недостаточная высота земляного полотна (0,5 -1м над поверхностью болота), зауженная основная площадка.

2. Неблагоприятное воздействие на состояние земляного полотна оказывает обращающийся по колее 1067 мм общесетевой подвижной состав с повышенными осевыми нагрузками.

3. И, наконец, муссонный характер климата приводит к обводнению грунтов земляного полотна и его основания.

Особые трудности в эксплуатации и текущем содержании земляного полотна на слабом торфяном основании возникают на линии Южно-Сахалинск - Поро-

найск. Здесь наблюдается интенсивный неравномерный угон рельсовых нитей, который является причиной многих неисправностей пути: нарушения зазоров, отступлений от требования расположения стыков по наугольнику, сдвига и перекоса шпал, излома подкладок, разрыва стыковых болтов. Выброс пути на этом участке послужил причиной схода пассажирского поезда.

Планы восстановления тоннеля, соединяющего остров с материком, вызывают необходимость проектирования нового железнодорожного пути, который неизбежно пройдет по крупным болотам северной части острова.

Необходимость устранения перечисленных недостатков в содержании пути на слабых основаниях потребовала изучения факторов, влияющих на работу системы «земляное полотно - слабое основание» с учетом перечисленных особенностей Сахалинской железной дороги и разработки обоснованных технических решений для стабилизации земляного полотна на слабом основании.

Цель исследования состоит в разработке методики проектирования поперечных профилей и усиливающих конструкций для нового и существующего железнодорожного земляного полотна на слабом основании на базе численного моделирования напряженно-деформированного состояния системы «насыпь - слабое основание» методом конечных элементов в упругопластической постановке с учетом особенностей Сахалинской железной дороги.

Для осуществления этой цели в диссертации решаются следующие задачи:

1) экспериментальное изучение напряженно-деформированного состояния грунтов насыпей на слабом основании при воздействии на путь колеи 1067 мм сахалинского и общесетевого подвижного состава;

2) разработка методики численного моделирования системы «земляное полотно - слабое основание», учитывающей перечисленные выше особенности;

3) анализ влияния различных конструкций усиления на напряжённо-деформированное состояние системы «существующее земляное полотно - торфяное основание»;

4) разработка технических решений при проектировании нового и уси-

пении существующего земляного полотна на слабом основании,

В качестве методов диссертационного исследования использованы методы математической статистики, натурный полевой эксперимент, численное моделирование с использованием метода конечных элементов в упругопластической постановке.

Научная новизна. На основе экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния системы «верхнее строение пути - земляное полотно - слабое основание» Сахалинской железной дороги получены зависимости вертикальных напряжений от осевых нагрузок при различных скоростях движения подвижного состава на уровне 0,15 м от подошвы шпалы при воздействии на путь местного и общесетевого подвижного состава. Установлен характер распределения вертикальных напряжений в балластном слое и теле насыпи.

Установлены зависимости амплитуд угона рельсовых нитей от мощности слоя торфа по оси пути и толщины насыпи и балласта. Выявлены зависимости упругих осадок слабого основания от величин осевых нагрузок. Экспериментально подтверждено наличие активной зоны слабого слоя основания при воздействии поездной нагрузки.

Установлен характер изменения порового давления в слабом водонасыщен-ном основании по глубине и при воздействии поездной нагрузки, распределение его в поперечном оси насыпи направлении.

Предложен способ определения деформационных характеристик торфа в основании длительно эксплуатируемых насыпей.

Разработана методика проектирования поперечных профилей для нового и существующего железнодорожного земляного полотна на слабом основании на базе численного моделирования напряженно-деформированного состояния системы «насыпь - слабое основание» методом конечных элементов в упругопластической постановке с учетом особенностей Сахалинской железной дороги.

Практическая ценность работы. Разработанная методика позволяет проектировать реконструктивные стабилизирующие и усиливающие мероприятия для

земляного полотна на слабом основании как в условиях Сахалинской железной дороги, так и на железных дорогах колеи 1520 мм. С использованием методики на кафедре «Железнодорожный путь, основания и фундаменты» ДВГУПС разработан проект реконструкции земляного полотна на торфяном основании для 100106 км линии Южно-Сахалинск - Поронайск, который в настоящее время поэтапно реализуется.