автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Прочность земляного полотна узкоколейных железных дорог при воздействии общесетевого подвижного состава (в условиях Сахалинской железной дороги)

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Р ~ Я О Ч п'5авах рукоп11сн

ПУПА.ТЕНКО Виктор Викторович

УДК 025.12.033.38(0.43)

ПРОЧНОСТЬ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА УЗКОКОЛЕЙНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ОБЩЕСЕТЕВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА (В УСЛОВИЯХ САХАЛИНСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ)

Специальность 05.22.06 — Железнодорожный путь

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1993

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор И. В. ПРОКУДИН

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Г. Г. КОНШИН;

кандидат технических наук, доцент И. В. КОВАЛЕВ

Ведущее предприятие — АО Ленгипротранс.

Защита состоится 29.12.1993 г. в . $ . . час . ^Я7. . мин на заседании специализированного совета К 114.03.06 в Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 9, ауд. 1-418.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГУПС.

Автореферат разослан » . . ^. . . . 1993 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в совет Университета.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент Е. С. СВИНЦОВ

CElîAH ХАРАКТЕРГХШЖЛ РАБОТЫ

t.

Актуальность темы. На Сахалинской железной дороге значительное влияние на работу верхнего и нижнего строения пути оказывает то, что по пути колеи 1С67 ш в настоящее время обращается общесетевой подвюной состав. Доля обцесетевых вагонов, переставленных на тележки колеи 1067 ш составляет около 402, и за последние 10 лет возросла почти в 7 раз. Сохраняются высокие осеЕые нагрузки (200..250 кН/ось и вызе), характерные для пути колеи 1520 мм, что ухудяает условия работы железнодорожного пути и, в частности, земляного полотна.

На Холмском отделении Сахалинской железной дороги, по которому в основном обращается общесетевой подвжшой состав, количество предупреждений из-за деформаций земляного полотна почти в 2 раза вшэ, чем на лобсм другом отделении.

Увеличение количества деформирующее ся участков земляного полотна на Сахазжюксй полезной дороге определяет несбг дтгасть разработки методов определения прочности и устойчивости земляного полотка, утагавоизя особенности работы земляного полотна путл ¡солеи юз7 при воздействия сбпесетевого ледвияссго состава, изучения напряженного состояния особенностей колебательного процесса грунтов земляного полотка.

Актуальность эт;к исследований гозрастаот з связи с усели-пепЕом количества общесетевого подвкного ссст.явз, сбращадггося в пределах Сахалинской ¡телезной дороги, а также плакируешь.") вводом в зксадуагав» вэкеистшоз колеи 1G57 ш с ооэгой нагрузкой 220 кН.

1

Дели работы. Разработка методики определения допускаемых скоростей движения поездов из условия прочности к устойчивости земляного полотна на основе методики оценки прочности насыпей, сложенных глинистыми грунтами, с учетом вибродинамического воздействия общесетевого подвижного состава колеи 1520 мм, обращающегося на пути колеи 1067 мм, оценка проектируемых типов конструкций для повышения прочности и устойчивости земляного полотна в условиях Сахалинской железной дороги.

Для достижения поставленной дели представляется необходимым решить следующие задачи:

1. Исследовать особенности напряженного состояния грунтов вемляного полотна;

2. Изучить основные закономерности распространения колебаний в теле земляного полотна;

3. С учетом практических потребностей Сахалинской железной дороги разработать методику обоснованного определения допускаемых скоростей движения общесетевого подвижного состава^ осевыми . нагрузками 200..250 кН, исходя из несущей способности глинистых грунтов земляного полотна.

Методика исследований. Для решения поставленной цели проведены теоретические и полевые исследования. Натурные исследования колебательного процесса и напряженного состояния земляного полотна выполнены в реальных условиях Сахалинской железной дороги, с учетом воздействия на путь шлеи 1067 мм общесетевого подвижного состава. Лабораторные испытания по изучению влияния величины вибродинамической нагрузки на прочностные свойства глинистых грунтов выполнены на вибростайшгаметрической установке конструкции ЛШШа.

Аналитические исследования несущей способности и устойчи-

2

вости откосов земляного полотна, воспринимающего вибродинамическую нагрузку, на участке Холмск-Илыгаск Сахалинской железной дороги позволили выявить опасные группы объектов и определить наибольший уровень воздействия на них подвижного состава.

Научная новизна. На основе результатов экспериментальных исследований впервые получены коэффициенты затухания колебаний, построены аналитические зависимости распространения амплитуд колебаний грунта в теле земляного полотна и за его пределами.

Установлены зависимости вертикальных и горизонтальных напряжений в грунтах земляного полотна в подрельсовом сечении в зоне стыка рельсов от величины осевых нагрузок.

Разработана математическая модель, позволяющая учесть в расчетах прочности п устойчивости земляного полотна пути колеи 1067 мм скорость движения и тип подвижной нагрузки, снижение прочностных свойств грунтов земляного полотна при вибродинамическом воздействии.

Впервые получены результаты, характеризующие несут ч способность земляного полотна пути колеи 1057 мм под воздействием общесетевого подвижного состава.

Практическое значение работы состоит в достижении возможности более точного учета воздействия обцесетевого подвижного состава на земляное полотно пути колеи 1067 мм в расчетах устойчивости откосов и несущей способности земляного полотна по сравнению с существующими методами, что дает возможность более достоверно проектировать конструкции для стабилизации и усиления эксплуатируемого земляного полотна, а также новое земляное полотно пути колеи 1067 мм.

Для обеспечения безопасности движения подвижного состава с осевой Нагрузкой 200..250 кН по пути колеи 1067 мм разработана

3

методика определения допускаемых скоростей движения общесетевого подвижюго состава с высокими осевыми нагрузками по несущей способности земляного полотна, в основу которой положены известные решения теории предельного равновесия в динамической постановке.

Предложены конструкции усиления земляного полотна пути колеи 1067 им жесткой прослойкой в балластном слое (к настоящему времени практически реализованные в условиях пути колеи 1520 ым). Выполненные расчеты доказывает возможность снижения воздействия общесетевого подвижного состава на грунты земляного полотна до безопасного уровня.

Реализация исследований. Результаты исследований наши практическое применение в Службе пути Управления Сахалинской железной дороги при подготовке приказа по установлению скоростей движения на участке Холыск-Ильинок, использованы в "Технических указаниях по расчету устойчивости откосов насыпей в весенне-летний периоды, по снижению и выравниванию нагрузки на основную площадку еемляного полотна на участках ■ обращения вагонов с повы-пешшш осевыми и погонными кагрувками" (утвержденных ДВид 1 коля 1993 г).

Разработанные модель и алгоритм реализованы в виде программного комплекса расчета устойчивости откосов и несущей спо-. собности вемшшог.о полотна, который принят и используется в проектных шсткгутах АО Ленгилротранс (г. Санкт-Петербург) и АО Дгльгкпрограпс (г. Хабаровск), а текже в Дальневосточной Государственной акад«ды путей сосбцошгя. Расчетной годовой эффект составляет 210 тыс. руб. в цепах 19S1 г.

кюоОаншя Работы. Основные лозоашзх и результаты работу дахаяеш г: одобрена на каучпо- гекнхчеекзй кокферэыц:;:; "Обссзоче-ш:о Експлуатагхкопяой иадеглоош езигяпого полотна ховвягя дол

рог" (Москва, 1989, Ленинград, 1930), на XXXVI и XXXVII Научно-технических конференциях кафедр ХайЛИЖГа с участием представителей железных дорог и предприятий транспортного строительства (Хабаровск, 1989, 1991), на II Межгосударственной научно-технической конференции "Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте" (Алма-Ата, 1392), на XXXV и XXXVI Научно-технических конференциях путейцев Октябрьской железой дороги совместно с научныш сотрудниками ЛИИНГа по вопросам путевого хозяйства (Ленинград, 1989, 1990), на Всероссийской научно-практической конференции "Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта в новых условиях развития Дальневосточного региона". (Хабаровск, 1993).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ, выполнено 3 научных отчета.

Объем работы. Диссертация' состоит из введения, четырех глав, обпщх выводов, списка использованной литературы (122 наименования) и 7 приложений. Обэдй объем работы составляет 179 страниц машинописного текста; в том числе 106 страниц основного текста, 41 рисунок, 5 таблиц.

СОЯЕРЛДЕЕЕ РАБОЙ

Во введении обоснована актуальность теш диссертации, сфор-^ мулированы цели и методы исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой глазе рассматриваются особенности железных дорог Сахалина, во многом связанные с тем, что общесетевой подвижной состав, поступгазцсй по паромной переправе с материка, перестав-

5

ляется на тележки колеи 106? мы. При этом сохраняется высокий уровень осевых нагрузок (200..250 кН/ось и выше), характерный для пути колеи 1520 мм. Земляное полотно пути колеи 1067 мм не рассчитано на восприятие таких нагрузок.

Земляное полотно на линии Холмск-Ильинск построено по временным нормам японских железных дорог в 1910..1930 гг. Ширина основной площадки земляного полотна на прямых участках пути 4..4.5 м с уиирекием на кривых радиусом менее 600 м на 0.3 м.

Я.Л.Коган, М.Ф.Вериго, А.М.Голованчиков, Г.М.Шахунянц, Г.Г.Яковлева, В.С.Лысюк, Л.С.Лапидус, Г.Г.Коншин, В.П.Титов, Г.Н.Кинкин, И.В.Прокудин и другие ученые изучали особенности напряженного состояния грунтов земляного полотна как в натурных условиях, так и на моделях. Полученные результаты позволяют описать напряженное состояние балластного слоя и грунтов земляЕюго полотна келезнодорозшого пути нормальной колеи.

В работах таких ученых, как Д.Д.Баркан, М. Н.Гольдитейн, Г.М.Шахунянц, В.А.Ершов, И.И.Костюков, Г.Г.Коншин, Г.Н.Йинкин, И.В.Прокудин, Г.М.Стоянович и других доказано, что от воздействия подвижного состава возникают колебания с широким амплитудно-частотным спектром, отрицательно влияющие на прочность земляного полотна, исследован характер распространения колебаний в земляном полотне.и за его пределами, основные параметры колебательного процесса грунтов земляного полотна. Установлена также зависимость колебательного процесса от вида грунтов земляного полотна и его основания, типа подвижного состава и скорости его движения.

Воздействие поездов на грунты земляного полотна, снижение их прочностных характеристик при динамических нагрузках позволяет учесть разработанная И.В.Прокудиным теория несущей способпос-

6

ги глинистых грунтов, воспринимающих вибродинакическую нагрузку.

Существующие методы определения прочности земляного полотна не учитывают особенностей, присущих железным дорогам колеи 1067 мм. Экспериментальных исследований колебательного процесса и напряженного состояния грунтов земляного полотна на пути колеи 1067 мм не проводилось, за исключением работ проведенных в начале 1970 гг ВНИШТом при определении условий обращения обцесете-вого подвижного состава по пути колеи 1067 мм. Однако, тогда основное внимание уделялось исследованию работы верхнего строения пути.

В то не время, показателем нестабильной работы земляного полотна Сахалинской железной дороги является наличие предупреждений о снижении скорости движения поездов из-за развивающихся в нем деформаций (421 общего количества предупреждений). По данным службы пути Сахгкд за 1992 г участют с деформациями земляного полотна составляют около 26% общей протяженности дорог, что почти в 2 раза превышает аналогичный показатель на железны дорогах нормальной колеи.

Таким образом, практика эксплуатации земляного полотна обуславливает потребность в разработке методов определения его прочности, с учетом вибродикамического воздействия подвижного состава с осевыми нагрузками 200..250 кН на несущую способность земляного полотна колеи 1067 мм.

Во второй главе изложены результаты прозедепных на Сахалинской железной дороге экспериментальных исследований напряженного состояния грунтов земляного полотна пути колеи 1037 мм при воздействии общесетевого подвижного состава с осевой нагрузкой 200..250 КН/ОСЬ.

Эксперименты выполнялись по вахазу службы пути Сахжд, на

7

участке, по которому обращается наибольшее количество общесеге-вого состава. Рабочие поперечники были выбраны в зоне стыка рельсов, что дало возможность регистрировать наибольшие динамические напряжения. Преобразователи давления конструкции ЦНШСКа устанавливались на глубине 0.1, 0.5, 1.0, 1.5 и 2.0 м от подошвы шпалы. Использовалась 10 канальная полупроводниковая тензостан-ция "ТОПАЗ-З-01" и шлейфовый светолучевой осциллограф Н-115.

На глубине 0.5 м от подошвы шпалы при проходе общесетевых цементовозов, четырехосных цистерн и полувагонов с углем со скоростью 60 км/ч (осевая нагрузка 210..250 кН/ось) максимальные вероятные значения вертикальных динамических напрякений составляют 146..185 кПа. В близких по условиям проведения экспериментах для пути колеи 1520 мм на деревянных шпалах зафиксированы величины напряжений до 95..130 кПа. Однако, существенным отличием является наличие на пути колеи 1520 мм под шпалой балласта (щебня) толщиной не менее 0.5 м. На Сахалинской железной дороге постановка пути на щебень началась недавно, толщина щебня под шпалой составляет 0.1..О.15 м. Превышение уровня напряжений на глубине 0.5 м под подошвой шпалы для пути колеи 1067 мм по сравнению с путем колеи 1520 ш можно частично отнести за счет мекь-сей толщины слоя щебня.

Кз местных нагрузок наибольшие напряжения вызывают тепловозы ТГ-16 при скорости 60 км/ч (осевая нагрузка 172.5 кН/ось) -до 134 кПа. Максимум горизонтальных поперек пути напряжений зафиксирован в нодрельсовой зоне. Наибольшие напряжения возникает при проходе обще-сетевых полувагонов с углем и цементовозов - до 55..63 кПа. При воздействии локоштивов ТГ-16 возникают горизонтальные напряжения до 46 кПа.

Если для пути колеи 1520 ш.: максимальные напряжения до гяу-

8

бины 3 м регистрируются в подрельсовом сечении, то результаты проведенных исследований свидетельствуют о смещении максимума напряжений к сечению по оси пути на глубине 1..1.3 м. Во всех горизонтальных сечениях, вплоть до глубины 2.0 и зафиксировано увеличение доли напряжении в сечении по оси пути, по сравнению с подрельсовкм сечением.

Такие отличия в характере распределения вертикальных напряжений на уровне типовой основной площадки по сравнению с путем колеи 1520 ми объясняются прежде всего уменьшением ширины колеи (в 1.42 раза) и длины впали (в 1.20..1.25 раза), уменьшением опорной поверхности шпалы на 207. при одинаковом уровне осевой нагрузки у общесетевого подвижного состава. Изменяется схема загрузки шяалц (точки приложения нагрузки от рельсов смещаются от торцов к середине ппалы), что и приводит к зафиксированному экспериментами смещению максимума напряжений из подрельсовой зоны к оси пути.

На уровне основной площадки (рис.1) при скорости "вижения 60 км/ч напряжения составляют 0.55..0.62 от величины под подол-вой шпаты. Яа глубине 1.0 и это соотношение уменьшается до 0.16. .0.21, а на глубине 1.5 п 2.0 и - сшиаэгся до 0.С8..0.10 и до О.04..0.05 соответственно.

Во всех вертикальных сечениях под подоягаой шпалы большие напряжения возникают при проходе подвижного состава с большей осевой нагрузкой, причем наиболее интенсивно затухают напрякения в балластном слое. В связном грунте интенсивность загасания напряжений значительно яке, толщина балластного слоя имеет реваю-дую значение в уменьшении воздействия на грунты земляного полотна.

Дачные, представленные на рис.1 позволяют соотнести точку

9

перелома на графике 62-f(z) с положением границы связного и пес-чаио-гравийного грунта.

О 50 ICO 150 200 250 б2,кПа

Рис.1. Зависимость величины вертикальных: напряжений в подрелъсо-230hi сечении в зоне сдака рельсов от-глубины (от подошвы шпалы). 1 - Тепловозы ТГ-16; 2 - общесегевые полувагоны; 3 - цементовозы оСщесетевые.

В интервале скоростей движения грузовых поездов 9.7..18.05 м/с (35..65 кы/ч) с обычными для пути колеи 1067 мм (до 173 кН/ось) и повышенными ос,евьши нагруекаш зависимость вертикальных напряжений от скорости близка к линейной. Во всем диапазоне скоростей движения общесетеЕЫе полувагоны с углем вызывают наибольшие напряжения в подрельсовоы сечении как на глубине 0.1 xi, так и на глубине 0.5 м от подоивы шпалы. Интенсивность прироста напряжений в подрельсовой воне с увеличением скорости практически одинакова доя всех типов подвижного состава. При увеличении глубины от подошвы шпалы сшкается интенсивность прироста напря-

10

кений.

Полученные прямопропорциональные зависимости вертикальных напряжений от скорости движения для различного типа подвижного состава позволили установить в итоге связь между вертикальными напряжениями на основной площадке в подрельсовом сечении и величиной осевых нагрузок экипажей при скорости движения 40..60 км/ч.

Два постоянных коэффициента, которыми характеризуется линейная зависимость вертикальных напряжений от величины осевой нагрузки, изменяются в зависимости от скорости. Закон, по которому они изменяются, очень близок к прямопропорционалыюму. Таким образом, появляется возможность описать зависимость вертикальных напряжений в подрельсовом сечении при различной осевой нагрузке и скорости движения функцией двух переменных (1).

б2 - Рос ■ (ki+kz- кПа (1)

где Рос - осевая нагрузка в кН (от 140 до 250 кН/ось);

V - скорость движения нагрузки, (от 40 до 70 юл/ч);

>''2> Лз, к.\ - коэффициенты, определяемые по результатам обработки экспериментальных данных: ici-0.26 1/м2; ко-0.00625 ч/км-м2;

кз-1 ■ 225 кПа-ч/кы; ki-39.627 кПа.

На рис.2 нанесены результаты расчетов по (1) для скорости движения 70 км/ч. Прямая 4 (выделенная пунктиром) дает возможность оценить величины вертикальных напряжений при воздействии подвижного состава с осевой нагрузкой от 140 до 250 кН. Так, во всем диапазоне осевых нагрузок, расчетные напряжения при скорости 70 км/ч на 9..142 выше, чем при скорости 60 км/ч для значений осевых нагрузок в диапазоне 140..250 кН/ось.

б2,кПа 200

150

100

150 175 ZOO 225 250 Рос. кН

Рис.2. Зависимость вертикальных налряяений от величины осевых нагрузок в подрельсовом сечении в зоне стыка рельсов на глубине 0.5 м. 1 - скорость движения V-40 км/ч; 2 - Y-50 км/ч; 3 - V-60 км/ч; 4 - V-70 км/ч (расчетные данные).

Экспериментами доказано, что при движении общесетевого подвижного состава на грунты земляного полотна пути колеи" 1067 мм передаются Оольиие напряжения, чем в аналогичных условиях пути колеи 1520 мм, в связи с чем его конструкция должна быть усилена, величины напряжений необходимо снизить до безопасного уровня.

В третьей главе приведены основные результаты полевых натурных экспериментов по изучению колебательного процесса грунтов земляного полотна однопутной железнодорожной линии колеи 1067 мм. Изучение распространения колебаний осуществлялось путем измерения колебаний грунта в характерных точках перелома поперечного сечения земляного полотна, от поверхности до глубины 1.7 ы на основной площадке и до глубины 1.3 м в сечениях по откосу насыпи. В зоне концов пшал сурф углублялся последовательно с интервалом 0.5 и до отметки 2.0 и от подопзц шпалы. На каждой сго-

12

янке датчиков записывались три составляющие колебания: вертикальная Az, горизонтальные - поперек Ау и вдоль оси пути Ах.

Использовались сейсмоприемники типа К-001 и СМ-ЗКВ, осциллограф Н-041У4.2., интегрирующие гальванометры типа М002.

Из всех типов подвижного состава, обращающегося по железнодорожной сети Сахалина, колебания с наибольшей амплитудой вызывают общесетевые полувагоны с углем и цементовозы 270..285 мкм, а из подвижного состава колеи 1067 мм - локомотивы ТГ-16 до 234 мкм при скорости движения 60 км/ч.

Следует отметить изменение характера колебаний при увеличении глубины от подошвы шпалы. В уровне подошвы шпалы зафиксировано преобладающее влияние низкочастотной (1.18..1.47 Гц) составляющей колебаний (до 85..95 X величины амплитуды колебаний в зависимости от скорости движения и осевой нагрузки). Среднечас-тогная (до 28 Гц) составляющая не превышает 10.. 15 У. от величины амплитуды колебаний, достигая максимальных значений в момент прохода осями подвижного состава рабочего сечения. Колебания с частотой выше 50 гц практически не влияют на величину результирующих колебаний.

В направлении поперек оси пути наиболее интенсивно результирующие амплитуды колебаний вагухаэт на расстоянии до 5.5..6.0 м от оси пути (снияение составляет 75%). Необходимо отметить, что для пути колеи 1520 им (в условиях Дальневосточной ад) размер этой зоны на 2..3 и болызе, что связано, пренде всего, с большими размерами земляного полотна, з особенности, уполонением откосов от 1:1.3 до 1:1.5.

Выполненные исследования показали,, что результирующую амплитуду колебаний грунта в лобон точке земляного полотна и за его прэделащ можно определить следуюяцм образом

где Агу - результирующая амплитуда колебаний на расстоянии у от оси пути, икы;

А0 - результирующая амплитуда колебаний под рель со-шальной решеткой на уровне основной площадки, мкм; г, у - координаты рассматриваемой точки по вертикали и горизонтали при расположении центра координат по оси пути на уровне основной площадки, м;

51 - коэффициент загасаяия .амплитуд колебаний по глубине земляного полотна, 1/м;

f О. -Г-. ^ -

<?(У)- , при Lnn < у < L; <3)

[ а-£.пт)-1п(52')-»

при у < i-ип;

, - .- при Lnn < J

•ln(52';+(y-L-i.Bn) -1п(&г"), при у > L;

5-г',Gz" - коэффициенты затухания колебаний в первой и второй зонах, 1/м;

ton - половина длины шпалы, для пути колеи 1067 мм в условиях Сахалинской железной дороги составляет 1.1 м; L - расстояние от оси пути до границы первой и второй зон затухания;

Зз - коэффициент еагасашш колебаний.в откосной части земляного полотна, 1/и;

5з - ln(5i)/m, 1/м (4)

ш - коэффициент задояения откоса;

hi - расстояние от уровня основной шгаиадки до дневкой поверхности откоса над рассматриваемой точкой, и;

( о, при у<Впл/2;

hi- ( (5)

[ (У'Вwi/2)/m, при У>Впл;

Вал ~ ширина основной площадки, м;

На рис.3 представлены графики Ао-Г(Рос) на глубине 0.5 и от

14

подошвы шпалы при скорости движения ЕО, 40, 50 и 80 км/ч. Кри-Еые, соответствующие разным скоростям движения различаются: чем выше скорость движения, тем ближе они к прямопропорциональному закону приближаются.

Ар,

M1CM

300

200

100

4

СзТ^ а ^^ /о

.'¡Г — \l

125

150

175

200

225

250 Рос, кН

Рис. 3. Зависимость результирующих амплитуд колебаний на глубине 0.5 м от величины нагрузки па ось при различных скоростях движения.. 1, 2, 3, 4 - скорость движения соответственно 20, 40, 60 и

80 ю.1/4

Наиболее близко результаты полевых экспериментов аппроксимированы функцией двух переменных - осевой нагрузки (Рос) и скорости движения (V)

k-ln(.V)/Y До - к-ыт + ь-Рсс

(6)

где Рос- величина осевой нагрузки подвшшого состава, (от 140 до 250 кН);

V - скорость движения подвижной нагрузки, от 40 до 70 км/ч; к - постоянный для насыпей из связного грунта на прочном

15

основании коэффициент;

b - коэффициент, зависящий от скорости движения поезда;

Формула (6) может быть использована для определения максимальных вероятных результирующих колебаний,на уровне основной площадки насыпей на прочном основания в подрельсовой зоне при проходе подвижных единиц с осевой нагрузкой 140..250 кН при скорости движения 40..70 км/ч.

Повышенное воздействие общесегевого подвижного состава по сравнению с сахалинским проявляется в том, что при большей на 40..60Z осевой нагрузке уровень колебаний от обцесетевого подвижного состава в 1.7..2.1 раза выше. Это обуславливает снижение несущей способности земляного полотна пути колеи 1067 мм при вибродинамическом воздействии.

В четвертой главе выделяются два пути решения проблем, связанных с возникновением деформаций земляного полотна при обращении по пути 1067 мм обцесетевого подвижного состава.

Во-первых, реализация технических решений по реконструкции и усилению деформирующихся участков земляного полотна (как традиционными способами, так и внедрением новых разработок).

Во-вторых, использование организационных мероприятий, целью которых является исключение возможности обращения по опасным (и даже потенциально опасным) участкам подвижного состава с недопустимо высокими осевыми нагрузками и со скоростями, превышающими безопасный уровень.

Очевидно, что сочетание первого и второго пути на отдельных участках при проведении поэтапной реконструкции позволит для длительно эксплуатируемого земляного полотка минимизировать суммарные затраты: на текущее содержанке, эксплуатационные расходы с одной сторона, и затраты на капитальный ремонт земляного полотна с другой стороны.

Выполненные в условиях Сахалинской железной дороги экспери-

16

ментальные исследования позволяют прогнозировать возникновение деформаций, оценить уровень неблагоприятного воздействия подвижного состава на земляное полотно и предложить мероприятия по снижению этого воздействия.

При расчетах устойчивости откосов земляного полотна предлагается следующий порядок расчетов. По известной осевой нагрузке и скорости движения подвижного состава для которого производится расчет по (6) определяется результирующая амплитуда на уровне основной площадки земляного полотна под рель со-шаль ной решеткой. Поверхность смещения разбивается на отсеки, в каждом из которых определяются: вес отсека, длина и угол наклона к горизонту поверхности смещения, значения результирующих амплитуд колебаний в граничных точках поверхности смещения по (2)-(5). Полусумма значений ачятлитуд дает амплитуду А1 для данного отсека. Прочностные характеристики при вибродинамическом воздействии можно определить на основе следующих соотношений

Сд-Сст-СКс'+Кс-ехр(-К-(А1-Ан))], кПа (7)

Фд-Ч'ст • СКр'+К.ф-ехрС-К-А].) ], рад (8)

где Сет > Чет ~ сцепление и угол внутреннего трения глинистых

грунтов, определенные при действии статических нагрузок; Кс', К<?' - отноиение прочностных характеристик, определяемых при действии вибродинамической и статической нагрузок,

Кс'-Стш/Сст;' к<?'- Рпчп/Фст; (9)

Сщ1п1 <?шп - наименьшие величины сцепления и угла внутреннего трения;

Кс, Кг? - показатели относительного снижения прочностных характеристик в долях единицы,

Кс-1-Кс'; К» -1-й»'; (10)

К - коэффициент вибродинамического разрушения глинистого грунта; Ап - амплитуда колебаний, при которой синение С и ф не превышает 3. .5% исходного значения, шм.

17

Далее, по известным формулам определяется коэффициент устойчивости свободного откоса и величины оползневого давления с учетом динамического воздействия поездов.

Несущая способность земляного полотна, воспринимающего вибродинамическое воздействие определяется предельным напряженным состоянием грунта по одной из возможных поверхностей скольжения. Совместным решением дифференциальных уравнений равновесия и уравнения предельного состояния с учетом сил инерции при колебаниях грунтов и снижения их прочностных характеристик под влиянием вибродинамической нагрузки проф. И.В.Прокудиным получены уравнения линий скольжения и дифференциальные соотношения вдоль них

<±г « ауЬе<5 + лУ4 £ 0.5'рд) (11)

(бчБ<рд + сд )с!5 = (12)

где 6 - характеристика напряжения;

б = (61 + бг)/2 (13)

61,62 - наибольшие ц наименьше главные напряжения;

5 - угол между направлением наибольшего главного напряжения 61 и осью У;

В, 0 - расчетные параметры.

Система уравнений (11), (12) решается численным методом, вместо отыскания функций, определяющих напряженное состояние и форму линий скольжения, последовательно вычисляются приближенные значения этих функций. В (11) и (12) дифференциалы заменяются конечными разностями. Такой подход позволяет получить вместо дифференциальных уравнений четыре обычных линейных: уравнения первого порядка. Решением системы являются у, г, б и б. Задача определения несущей способности решается методом построения сетки линий скольжения с вычислением в узлах сетки величины напря-

18

жений и угла, определяющего положение главного напряжения. Условие прочности земляного полотна определяется из соотношений

ПР Пр

б2 < 0.8-б2 и 6У < 0.8-бу , кЛа (14)

где б2 и бу - наибольшие вертикальные и горизонтальные напряжения, кЛа;

ВР бал рш

62= б2 + б2 + 62 ; (15)

вр , бал ри

бу= бу +0 • (б2 + б2 ) ; (16)

вр вр

и бу - вертикальные и горизонтальные напряжения на основной площадке от подвижной нагрузки, кПа;

бал

б2 - вертикальные напряжения на основной площадке от

балластного слоя, кЛа; бал

бг =Теал-Ь6ал; (17)

г бал ~ объемный вес-балласта, кН/куб.м;

Ьбал - мощность балластной призмы, м;

В - коэффициент бокового давления в балласте;

пр пр

б2 и 6У - предельные вертикальные и горизонтальные напряжения, определяемые расчетом на основной площадке в подредьсовом сечении.

На основе выполненных в условиях Сахалинской дороги экспериментальных исследований разработаны предложения по установлению допускаемых скоростей движения поездов в зависимости от состояния земляного полотна железнодорожного пути колеи 1067 мм.

Использование методики возможно в следующих случаях:

- для определения максимальной возможной скорости движения подвтюго состава с заданной осевой нагрузкой на участках со здоровил земляным полотном (как часть расчетов при установлении допускаехых скоростей движения по перегону);

- для обеспечения безопасности движения поездов по деформи-руюплз.'ся иди потенциально опасным насыпям путем снижения воз-

действия от поездов (в каадом отдельном случае скорость может устанавливаться на период затяжнчх довдей, весеннего оттаивания и т. д.).

Связь между вертикальными напряжениями на основной площадке в подрельсовом сечении и величиной осевых нагрузок экипажей при скорости движения 50..60 км/ч выразкается функцией двух переменных (3). Использование (2)-(4) и полученных коэффициентов затухания позволяет определить величину предельных напряжений (РПр) для кавдой точки основной площадки. Сравнением расчетных предельных напряжений с действующими (1), (15)-(17) могшо установить, превысят ли действующие напряжения на основной площадке безопасный уровень. При выполнении условий (14) значение скорости движения увеличивается и раочет повторяется. Скорость, при которой условия (14) обрадуются в равенство будет наибольшей допускаемой скоростью движения поездной нагрузки с величиной нагрузки на ось равной Р0с-

В заключение главы приведены рекомендации по использованию некоторых вариантов укрепления земляного полотна железных дорог колеи 1067 мм с учетом опыта проектирования и практической реализации на железных дорогах колеи 1520 ш (на Дальневосточной железной дороге).

ОСЖЕЛЗЕ ¡РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТН II ЕЬЕОДЫ

1. Наиболее ватаая особенность железных дорог Сахалина, оказывающая значительное влияние на работу верхнего и нижнего строения пути, заключается в том, что по пути колеи 1067 мм обращается общесетевой подвижной состав. Доля общесетевьк Батонов,

20

переставленных на тележки колеи 1067 мм, постоянно растет, составляя в настоящее время около 40Z. Сохраняются высокие осевые нагрузки (до 250 кН), характерные для пути колеи 1520 мм, что ухудшает условия работы железнодорожного пути и, в частности, земляного полотна.

2. Впервые выявлен характер распределения напряжений в грунтах земляного полотна пути колеи 1067 мм. Величина напряжений на глубине 0.5 м от подошвы шпалы в подрельсовом сечении на 5..30Z выяе, чем в подоЭных условиях на пути колеи 1520 мм. Установлена зона на глубине 1.0..1.5 м, в которой происходит выравнивание вертикальных напряжений в подрельсовом сечении и по оси пути. На глубине более 1.5 м от подошвы шпалы максимум вертикальных напряжений находится в сечении по оси пути. Для пути колеи 1520 мм значительная неравномерность напряжений сохраняется до глубины 3 и.

3. Установлена зависимость вертикальных напряжений на глубине 0.5 н от подопви ипалы от скорости движения различного под-вгашого состава - гак сбш/зсетевсго, так и сахалинского. Напряжения от обцесетевого подвкжого .состава на 15. .COS вьпзе, че:.4 от сахалинского. Величины вертикальных напряжений в зоне стыка рельсов при двге'.енки поездов со скоростью 60 км/ч превьпслт допускаемые Правилам! расчетов пути па прочность на ¿О..90% для здорового земляного полотна из суглинков.

Определен характер затухания нгпрллешй по глубине в гли-нистьпс грунтах насыпей на прочно?.« основании, что позволяет определить величину дейстзук^эс герттиьетх напряжений на глубине до 3 ;i под псдо'лвсй шалы в подрельсовом сечении к в сечеши по ссп пути пря воздействии пода-ппого состпза с осевой погрузкой -о 2Г-0 кН/ось.

4. Экспериментами выявлены особенности колебательного процесса в грунтах земляного полотна пути колеи 1067 мм. Не выявлено превышения уровня колебаний, зафиксированного для пути колеи 1520 мм, однако зона интенсивного затухания результирующих колебаний на 3..5 м уже чем для пути нормальной колеи.

Установлена связь между амплитудой колебаний в уровне основной площадки и скоростью движения различного подвижного состава - как общесетевого, так и сахалинского.

5. Определенное экспериментальными исследованиями распространение колебаний в теле насыпей при воздействии общесетевого подвижного состава описывается в общем случае экспоненциальной зависимостью (2), позволяющей определить результирующие амплитуды колебаний в любой точке поперечного сечения насыпи при известной амплитуде на глубине 0.5 м под подошвой шпалы. Это дает возможность использовать в определении несущей способности земляного полотна решения задачи предельного равновесия в динамической постановке, предложенные проф. Прокудиным И.В.

6. Разработана методика определения коэффициента устойчивости откосов, учитывающая особенности колебательного процесса земляного полотна пути колеи 1067 од, снижение прочностных характеристик глинистых грунтов при вибродинамическом воздействии поездов. Выполненные расчеты доказывают больное влияние уровня колебаний частиц грунта на коэффициент устойчивости и величину оползневого давления. При амплитудах колебания ЭОО мкм (что соответствует проходу общесетевых полувагонов с углем со скоростью 60 км/ч) коэффициент устойчивости сшисается в 2 раза, а оползневое давление в последнем отсеке возрастает в 2.8 раза по сравнению со статическим расчетом.

7. Разработанная методика определения допускаемых скоростей движения поездов по несущей способности земляного полотна узкоколейных железных дорог, учитывающая особенности вибродинамического воздействия поездов, позволяет обоснованно определять условия обращения общесетевого подвижного состава по пути колеи 106? мм с учетом состояния земляного полотна.

Применение методики позволит повысить безопасность движения поездов.

8. Предложен вариант усиления земляного полотна путем создания жесткой прослойки в балласте, реализованный на практике с участием автора в условиях пути колеи 1520 мм. Впервые выполнены расчеты с учетом особенностей земляного полотна пути колеи 1067 мм показавшие снижение напряжений, передающихся на глинистые грунты земляного полотна, до безопасного уровня. Кроме того, жесткая прослойка сшшает и перераспределяет напряжения в под-рельсовой зоне, способствует уменьшению влажности грунтов земляного полотна, препятствует проникновению в верхний слой балласта загрязнителей из никелекаяих слоев.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пупатенко В.В. Изучение основных характеристик колебательного процесса грунтов земляного полотна в условиях Сахалина. //Повыпение эффективности работы железнодорожного транспорта в новых условиях развития Дальневосточного региона:' Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Хабаровск: ДвГАПС, 1993. С.110-112.

2. Стоянович Г.М., Пупатенко В.В. Изучение воздействия общесетевого подвижного состава на балласт и земляное полотно при Еирнне колеи 1067 ш. //Выбор технических параметре® и вопросы

23

проектирования железных дорог в условиях Дальнего Востока: Кек-вуз. сб. научн. тр. - Хабаровск:ХабШСТ, 1992. С. 67-72.

3. Стоянович Г.М., Пупатенко В.В. Воздействие современных подвижных нагрузок на грунты насыпи в весенне-летний периоды. //Обеспечение эксплуатационной надежности земляного полотна железных дорог: Материалы Всесоюзной научно-технической конференции. - СПб: ПИИТ, 1991. С. 77-78.

4. Стоянович Г.М., Пупатенко В.В., Середин А.И. Изменение динамических напряжений в грунтах основной площадки насыпи в весенне-летний периоды// Вопросы земляного полотна на дорогах Дальнего Востока: Межвуз. сб. науч. тр. - Хабаровский ин-т. ж.-д. трансп. - Хабаровск: ХабИЮЛТ, 1391. С. 7-13.

5. Прокудин К.В., Пупатенко В.В. Несуиэя способность железнодорожного земляного полотна при ширине колеи 1067 мм. //Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте: Тезисы докл. II Межгосударственной научно-технической конференции. Алма-Ата: 1992. С. 33-35.

6. Пупатенко В.В. Программа расчета устойчивости откосов земляного полотна по предопределенной поверхности смещения. Информационный листок ЛИТЦ НТИ .290-91. Л.:1991.

Подписано к печати Печать офсетная. Тираж 100 зкз.

.11.1993 г. Бумага для мно.\а1т.глп. Заказ ;: о!

СОьои 1.55 усл.п.л. Сср.маг 60x84 1/16 Бесплатно.

РТП ПГУПС 190031, с-ПегэрЗур". пр., С