автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Устойчивость земляного полотна железных дорог, упрочненного инъекциями грунтоцементного раствора, с учетом динамического воздействия поездной нагрузки

На правах рукописи

ВОСТРИКОВ Константин Владимирович

УСТОЙЧИВОСТЬ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ, УПРОЧНЕННОГО ИНЪЕКЦИЯМИ ГРУНТОЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА, С УЧЕТОМ ДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОЕЗДНОЙ НАГРУЗКИ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2014 г.

005557777

005557777

Работа выполнена на кафедре «Геология, основания и фундаменты» факультета «Мосты и тоннели» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Смолин Юрий Петрович

Официальные Стояиович Геннадий Михайлович,

оппоненты: доктор технических наук, профессор, профессор ка-

федры «Железнодорожный путь и проектирование железных дорог» ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» Зайцев Андрей Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Путь и путевое хозяйство» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный

университет путей сообщения»

Защита состоится «11» декабря 2014 г. в 09- ч. на заседании диссертационного совета ДМ 218.012.01 при ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191, ауд. 224, e-mail: Lys@stu.ru, тел. +7 (383) 328-04-86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» (www.stu.ru).

Отзывы на диссертацию и автореферат диссертации, с указанием Ф.И.О., почтового адреса, телефона, адреса электронной почты, наименования организации и должности, подписанные и заверенные печатью организации, в двух экземплярах просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан «17» октября 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

Л.Ю. Соловьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Современный этап развития железнодорожного транспорта характеризуется постоянным увеличением скоростей подвижных составов и грузонапряженности пути. В таких условиях наличие неисправностей верхнего строения пути и дефектов земляного полотна в виде балластных лож и углублений приводит к повышенному динамическому воздействию движения поездов на земляное полотно. При этом известно, что одной из возможных причин потери устойчивости земляного полотна является динамическое воздействие подвижного состава, приводящее к возникновению в насыпи сдвигающих инерционных сил и с течением времени вызывающее снижение прочностных характеристик фунтов.

В настоящее время для повышения устойчивости откосов используются различные методы, в том числе физико-химические, которые приводят к увеличению прочностных характеристик фунтов. С недавнего времени для повышения устойчивости длительно эксплуатируемых насыпей начал применяться метод, заключающийся в упрочнении фунтов земляного полотна инъекциями фунтоцементного раствора, в котором в качестве составляющих компонентов используется цемент, глинистый фунт, песок и вода. Однако широкому практическому применению такого способа упрочнения фунтов препятствует отсутствие решения по ряду сопутствующих задач. Так, в нормативной литературе отсутствует методика оценки устойчивости насыпей, упрочненных указанным способом, в том числе, с учетом динамического воздействия подвижных составов. Не изучен характер изменения прочности упрочненного фунта в зависимости от количества внедряемого фунтоцементного раствора и интенсивности динамического воздействия. Практически отсутствуют данные о значениях и характере распространения амплитуд ускорений колебаний по поперечному сечению упрочненного земляного полотна.

Решение перечисленных вопросов позволит повысить качество проектных решений, направленных на увеличение устойчивости откосов насыпей в процессе их реконструкции и капитального ремонта. Эта задача становиться особенно актуальна в связи с планируемым развитием железнодорожного транспорта в рамках стратегии, принятой правительством РФ.

Степень разработанности темы исследований. Отсутствие всестороннего научного обоснования работ по упрочнению фунтов инъекциями фунтоцементного раствора на длительно эксплуатируемых насыпях ЗападноСибирской и Красноярской железных дорогах не позволяет производить объективные расчеты устойчивости и назначать объемы инъектируемого раствора. Для повышения качества проектных решений по увеличению устойчивости

земляного полотна железных дорог необходимо изучить параметры колебательного процесса упрочненных насыпей, определить характеристики прочности упрочненных грунтов при динамическом воздействии и развить существующую методику расчета устойчивости откосов насыпей, упрочненных инъекциями грунтоцементного раствора.

Объектом исследования является земляное полотно железных дорог, упрочненное инъекциями цементно-песчано-глинистого (грунтоцементного) раствора.

Предметом исследования является устойчивость упрочненного земляного полотна железных дорог с учетом динамического воздействия от подвижных составов.

Цель работы. Повышение устойчивости земляного полотна железных дорог путем упрочнения его грунтов инъекциями цементно-песчано-глинистого (грунтоцементного) раствора при выполнении расчетов с учетом динамического воздействия поездной нагрузки.

Задачи исследования, обеспечивающие достижение поставленной цели:

1. Установить значения и зависимость изменения амплитуд максимумов ускорений колебаний в теле земляного полотна от количества упрочняющего раствора, скорости и нагрузки на ось подвижного состава.

2. Установить зависимости изменения прочностных характеристик упрочненных грунтов от количества упрочняющего раствора и амплитуды ускорений колебаний.

3. Разработать методику оценки устойчивости упрочненного земляного полотна с учетом динамического воздействия поездной нагрузки.

4. Определить расход упрочняющего раствора, достаточный для обеспечения требуемого динамического коэффициента устойчивости насыпей, сложенных глинистыми грунтами, на железнодорожных линиях I и II категории.

Научная новизна работы.

1. Экспериментально установлены значения и получена зависимость изменения амплитуд максимумов ускорений колебаний в теле упрочненного железнодорожного земляного полотна от количества внедренного упрочняющего раствора, скорости и нагрузки на ось подвижного состава.

2. Получены значения и зависимости изменения параметров динамической прочности упрочненного фунта от количества упрочняющего раствора и амплитуды ускорений колебаний.

3. Предложена схема расчета устойчивости земляного полотна, упрочняемого инъекциями грунтоцементного раствора, учитывающая динамическое воздействие поездной нагрузки.

4. Определен расход упрочняющего раствора, достаточный для обеспече-

ния в рассматриваемых фунтовых условиях требуемого динамического коэффициента устойчивости насыпей на железнодорожных линиях I и II категории.

Теоретическая и практическая значимость работы. Выполненные исследования позволили разработать методику расчета устойчивости упрочненных насыпей, которая может использоваться специализированными организациями для разработки проектов упрочнения грунтов земляного полотна при повышении его устойчивости в процессе реконструкции и капитального ремонта.

Методология и методы исследования. Методологической основой исследования явился системный подход в определении объекта и предмета исследования, выборе методики, процедур и технических средств, обеспечивающих получение и обработку эмпирического материала. В исследовании использованы методы эмпирического и теоретического уровня. В составе методов эмпирического уровня при помощи специально разработанных автором технических средств выполнены полевые измерения, необходимые для получения значений параметров ускорений колебаний на ранее упрочненных участках земляного полотна. В лабораторных условиях выполнено экспериментальное изучение параметров прочности фунта при динамическом воздействии. В состав методов теоретического уровня вошли анализ и сопоставление имеющейся по теме диссертации информации (нормативные документы, положения и достижения российских и зарубежных ученых), математические методы теории вероятности, теории ошибок и статистической обработки, численное моделирование.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты полевых исследований распространения амплитуд ускорений колебаний в теле упрочненного железнодорожного земляного полотна: зависимость изменения максимальных амплитуд ускорений колебаний от количества упрочняющего фунтоцементного раствора, скорости и нафузки на ось подвижного состава;

- результаты лабораторных исследований: зависимости изменения характеристик прочности упрочненного фунта (с и (р) от количества внедренного упрочняющего фунтоцементного раствора (£>(рй,)) и амплитуды ускорений колебаний (в замеренном диапазоне);

- методика оценки устойчивости упрочняемых насыпей с учетом динамического воздействия поездной нафузки;

- результаты расчетов по определению количества упрочняющего фунтоцементного раствора, обеспечивающего требуемое значение коэффициента устойчивости земляного полотна на железнодорожных линиях I и II категории.

Достоверность результатов подтверждается применением современной аппаратуры, прошедшей метрологические поверки, апробированного про-фаммного обеспечения для обработки опытных данных, сравнением экспери-

ментальных данных с результатами математического моделирования и результатами мониторинга упрочненной эксплуатируемой железнодорожной насыпи.

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований докладывались на конференциях «Наука и молодёжь XXI века» (Новосибирск,

2009 г.); региональной научно-практической конференции «Проблемы земляного полотна железных и автомобильных дорог в условиях Сибири» (Новосибирск, 2010 г.); научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения д-ра геол.-мин. наук, проф. Ф.А. Никитенко (Новосибирск,

2010 г.); X научно-технической конференции с международным участием в рамках чтений, посвященных памяти проф. Г.М. Шахунянца (Москва, 2011 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе» (г. Новосибирск, 2012 г.); на научно-техническом семинаре в СГУПС (г. Новосибирск, 2013 г.) и научно-техническом семинаре в ТГАСУ (г. Томск, 2014 г.).

Внедрение результатов. Основные положения диссертации были использованы при проектировании упрочнения грунтов земляного полотна железных дорог на ряде участков Красноярской железной дороги.

Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ общим объемом 3,27 п.л. (в т.ч. авт. 1,66 п.л.), из них 2 статьи (0,82 п.л., в т.ч. авт. 0,41 п.л.) в ведущих научных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, списка иллюстраций и таблиц, приложений. Общий объем диссертации составляет 169 страниц машинописного текста, 57-и рисунков и 5-и таблиц. Список использованных источников включает 152 наименования, из которых 26 на иностранном языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, объект и предмет исследования, новизна и практическая значимость.

В первой главе выполнен анализ результатов исследований колебательного процесса грунтов земляного полотна, произведен обзор лабораторного оборудования, методик и результатов динамических испытаний фунтов на прочность. Выполнен анализ методов оценки динамической устойчивости насыпей, изучены особенности упрочнения фунтов инъекциями фунтоцементного раствора при повышении устойчивости откосов насыпей.

Одной из основных причин снижения устойчивости откосов эксплуатируемых железнодорожных насыпей является динамическое воздействие поездов. Изучением параметров колебательного процесса грунтов земляного полотна занимались A.J1. Васютынский, Г.М. Шахунянц, С.К. Волобуев, Д.Д. Баркан,

B.А. Соколов, H.H. Маслов, В.А. Ершов, А.И. Кистанов, И.В. Прокудин, A.A. Цернант, Л.П. Зарубина, Г.Н. Жинкин, Г.Г. Коншин, В.В.Виноградов, М. Nasu, Ю.П. Смолин, Г.М. Стоянович, Т.Г. Яковлева, А.Ф. Колос, A.A. Зайцев и др. Эксперименты производились с применением разнообразных регистрирующих устройств в различных грунтовых и эксплуатационных условиях. Основным исследуемым параметром являлась амплитуда виброперемещений грунтов, при этом практически не исследовались амплитуды ускорений колебаний, приводящие к появлению в земляном полотне сдвигающих инерционных сил. Полученные результаты измерений иногда различаются, однако все они указывают на факт возникновения в земляном полотне сложного колебательного процесса с широким диапазоном спектра частот. Отмечается, что динамическое воздействие может приводить к значительному снижению коэффициента устойчивости откосов в зависимости от геометрического очертания насыпи, рода и состояния слагающих ее грунтов, типа и скорости подвижного состава. Установлено, что вопрос распространения колебаний в упрочненном инъекциями грунтоцементного раствора земляном полотне практически не изучен.

Исследование в лабораторных условиях изменения прочности фунтов под воздействием динамических нафузок производилось с применением аппаратуры, моделирующей статические испытания с добавлением динамических нафузок. Разработка такого рода устройств активно началась в середине прошлого века (A. Casagrande, W. L. Shannon, Л.Р. Ставницер, И.В. Прокудин,

C.R. Bates, М. Raybould, К. Ishihara, М. Koike, М.Н. Гольдштейн, Ю.П. Смолин, Е.А. Вознесенский, И.Т. Мирсаяпов, К. Lesny и др.). Большинство авторов отмечает, что поведение фунтов при динамическом воздействии наиболее адекватно можно смоделировать лишь в приборах трехосного сжатия.

На сегодняшний день нет единого мнения о природе процесса снижения прочности фунтов при динамическом воздействии. Результаты выполненных ранее исследований свидетельствуют о том, что показатели прочности фунта, в особенности глинистого, в значительной степени зависят от соотношения его фазовых характеристик, продолжительности и интенсивности динамического воздействия. Изучением прочности глинистых фунтов при динамическом нафужении, в том числе укрепленных различными добавками, занимались Г.М. Покровский, Д.Д. Баркан, В.А. Соколов, Ю.Я. Велли, H.A. Преображенская, И.А. Савченко, В.А. Ершов, А.И. Лагойский, И.В. Прокудин, А.И. Кистанов, Н.Д. Красников, Л.М. Кейзик, М.Н. Гольдштейн, Л.Р. Ставницер, В.В. Ви-

ноградов, Г.Г. Коншин и др. Изучение работ перечисленных авторов показало, что в литературе отсутствуют референтные данные об изменении прочности глинистых грунтов, упрочненных цементно-песчано-глинистым раствором.

Анализ научных трудов позволил сделать вывод о том, что для оценки динамической устойчивости откосов железнодорожных насыпей используются следующие приемы:

1. Снижение прочностных характеристик грунтов, расположенных непосредственно на линии скольжения;

2. Учет динамической силы, стремящейся сдвинуть откос, в том числе введением интегрального параметра;

3. Снижение статического коэффициента устойчивости делением на динамический коэффициент, зависящий от грунтовых условий, высоты насыпи и смещаемой части откоса;

4. Совокупный учет снижения характеристик прочности и сдвигающих инерционных сил.

Авторы рассмотренных методов расчета указывают, что устойчивость насыпей при динамическом воздействии может снижаться до 28 % относительно значений, полученных при статическом воздействии поездной нагрузки.

В первой главе также рассмотрены способы упрочнения грунтов инъекциями грунтоцементного раствора, преимущественно по технологии гидроразрыва. Установлено, что активными исследованиями такого типа упрочнения, при решении задачи улучшения свойств оснований фундаментов зданий и сооружений, в нашей стране занимались В.И. Осипов, O.A. Шулятьев, В.В. Лушников, В .А. Богомолов, О.В. Герасимов, Б.Н. Мельников, И.И. Сахаров, P.A. Мангушев, М. Аббуд, А.И. Полищук, Л.В. Нуждин, A.B. Лубягин, B.C. Миронов, М.Я. Крицкий, А.Л. Ланис и др. После набора прочности инъек-тируемым раствором грунтовый массив может быть представлен как «техногенный геокомпозит», для которого характерно интегральное распределение прочности и деформативности.

Упрочнение фунтов инъекциями фунтоцементных растворов при повышении устойчивости откосов эксплуатируемых насыпей на Западно-Сибирской и Красноярской железных дорогах носит единичный характер. Следует отметить при этом то, что основное внимание в исследованиях уделялось определению характеристик фунтов, необходимых для снижения их деформативности (расчеты по II фуппе предельных состояний), при этом практически отсутствует информация о характеристиках прочности упрочненного фунта, необходимых для выполнения расчетов по I группе предельных состояний. Рекомендуемый состав цементно-песчано-глинистого раствора в фунтовых условиях, характерных для большинства длительно эксплуатируемых насыпей на Западно-

Сибирской и Красноярской железных дорогах, составлял (в частях): цемент / глинистый грунт / песок —> 1/1/4; водоцементное соотношение В:Ц= 1...0/75.

При всем многообразии исследований остается неизученным вопрос о степени влияния упрочнения грунтов земляного полотна инъекциями грунто-цементного раствора на увеличение динамической устойчивости откосов. В этой связи, для повышения качества проектирования требуется выявление особенностей колебательного процесса упрочненных насыпей и изучение степени повышения устойчивости грунтов к динамическому воздействию после упрочнения.

Вторая глава посвящена полевым исследованиям распространения амплитуд ускорений колебаний по поперечному сечению насыпей, упрочненных инъекциями грунтоцементного раствора. Эксперименты выполнены на участках перегонов Большая речка-Загайново и Дедюево-Буреничево ЗападноСибирской железной дороги, земляное полотно на которых выполнено в виде насыпей высотой от 18,5 до 20,0 м, сложенных глинистыми фунтами различной консистенции. Верхнее строение представлено звеньевым путем из рельсов Р65 длиной 25 м по обрезным деревянным шпалам, скрепления ДО.

В связи со специфическими условиями проведения экспериментов для регистрации амплитуд ускорений колебаний применялся разработанный комплекс измерительной аппаратуры, состоящий из комплекта датчиков ускорения, аналого-цифрового преобразователя, блока сбора, усиления и передачи сигнала. В качестве измерительного элемента в датчиках применены высокоточные интегральные двухкомпонентные акселерометры АБХЬ 203 семейства 1МЕМБ, которые напаивались на плату по специально разработанной схеме (рисунок 1) и, в зависимости от места установки датчиков в земляном полотне, помещались в металлический корпус цилиндрической, либо призматической формы.

Рисунок 1 - Монтажная схема (а) и общий вид платы (б) датчика для замера амплитуд ускорений колебаний грунтов железнодорожных насыпей В тело земляного полотна датчики устанавливались через предварительно пробуренные и обсаженные скважины, на откосе насыпи - на дно шурфов.

Основные рабочие параметры датчиков выбирались таким образом, чтобы обеспечить регистрацию колебаний в заданном по условиям проведения

а)

б)

С1 1*1

К2 СЗ

эксперимента направлении, диапазоне частот и амплитуд ускорений.

Для интерпретации и систематизации полученных данных выполнялось сопоставление замеренных амплитуд ускорений с параметрами подвижного состава (нагрузка на ось и скорость движения), для фиксации которых использована измерительная система ТЕНЗОР с двумя съемными магнитными датчиками измерения деформаций. С помощью магнитов датчики крепились к шейке рельса в межшпальном пролете под углом 35-45° к горизонту (рисунок 2), что обусловлено быстродействием измерительного комплекса и характером распределения главных напряжений <т, в рельсе при прохождении колесом поезда межшпального пролета, а)__б)

/рельс

_ Z\

оалласт

/ Z^:

Рисунок 2 - Схема крепления датчиков измерительной системы ТЕНЗОР к шейке рельса (а) и направление главных напряжений о\ в рельсе (б) По результатам статистической обработки собранной информации установлено, что в процессе динамического воздействия поездов в земляном полотне возникает сложный колебательный процесс, для которого характерно наличие трех основных гармоник в амплитудно-частотном спектре: первая расположена в диапазоне частот 5-10 Гц, вторая - около 40-50 Гц, третья - 95105 Гц. Анализ амплитуд ускорений колебаний в различных точках поперечного сечения насыпи позволил установить, что распределение частот максимальных амплитуд ускорений колебаний в теле земляного полотна подчиняется нормальному закону распределения (рисунок 3).

а)

III

il

f

Упрочненный

Неупрочненный

Упрочненный

Неупрочненный

Рисунок 3 - Гистограммы распределения (а) и кривые нормального закона распределения частот (б) максимальных амплитуд горизонтально-направленных ускорений колебаний на упрочненном и неупрочненном участках насыпи Установлено, что частота как горизонтально-, так и вертикально-

направленных максимальных амплитуд ускорений колебаний в теле земляного полотна находится в диапазоне 38-41 Гц и при проведении расчетов может быть принята fpac4 = 40 Гц, вне зависимости от объема внедренного упрочняющего раствора, скорости и нагрузки на ось подвижного состава.

На основании анализа экспериментальных данных получена функциональная зависимость изменения максимальных амплитуд ускорений колебаний грунта в теле земляного полотна в расчетном диапазоне частот в зависимости от величины ускорения в уровне основной площадки пути, скорости движения и нагрузки на ось подвижного состава

а = а^еЯ:-Ц{ t)-A, (1)

где а0 - результирующее значение максимальных амплитуд ускорений колебаний в уровне основной площадки пути, а0 = 1,74 м/с2; е3: - декремент амплитуд ускорений колебаний по глубине земляного полотна; z - глубина расположения точки, для которой вычисляется ускорение, м; L{t) - значение интерполяционного полинома Лагранжа; Я - коэффициент, учитывающий изменение скорости движения и величины осевой нагрузки подвижного состава.

Изменение интенсивности затухания амплитуд ускорений колебаний в створе оси пути по глубине земляного полотна, в зависимости от объема внедряемого упрочняющего раствора, описывается зависимостью

¿=0,56+Srmp, (2)

где тр - масса раствора, внедренного в 1 м3 упрочняемого массива грунта, т; (5, - коэффициент, учитывающий количество внедряемого упрочняющего раствора, 1/т (в рассматриваемом диапазоне упрочнения может быть принят равным д] = 0,153).

Коэффициент Я, для принятого в нормах значении нагрузок на основную площадку от подвижного состава до 294 кН/ось и в диапазоне скоростей от 11 м/с 40 км/ч) (рабочий диапазон, ниже которого динамическое воздействие практически не влияет на устойчивость откосов), определяется по формуле

A = (3)

где Я, и Я2 - безразмерные коэффициенты, равные соответственно 1,1658 и 0,4654; /? - коэффициент, учитывающий скорость подвижного состава, равный ft = 0,1097 с/м; V-скорость подвижного состава, м/с; V0 = 11 м/с.

Закономерность распределения максимальных амплитуд ускорений колебаний от оси пути в сторону откоса насыпи при прохождении поезда по одному пути была описана интерполяционным полиномом Лагранжа

А С) = 0,01 • [а ■ (i -1) • ((- 2) • (i -3) • (г - 4) • (/ - 5) + й ■ i • (г - 2) • (/ - 3) • (/ - 4) • (/ -5) -

-с- - i - (/ -1) - (/ - 3) - (i - 4) - (г - 5) + of - г ■ (/ -1) - (/ - 4) - (/ - 5) - , (4)

—е ■' • (/ -1) ■ (/ — 2) • (f — 3) ■ (г — 5) + / ■ i • (i — 1) • (i — 2) • (i - 3) - (f - 4)]

где г - параметр, выражающийся через расстояние от оси железнодорожного пути х, м:

х

(5)

где х - горизонтальное расстояние от оси железнодорожного пути до точки, в которой вычисляется ускорение, м; А - параметр, определенный в ходе подбора функции Лагранжа.

Значения параметра А и коэффициентов полинома Лагранжа для различных участков насыпи для результирующих амплитуд ускорений колебаний поперек оси пути представлены в таблице 1.

Тип участка насыпи А а Ъ с й е /

Упрочненный 10 -0,833 5,0 15,5 19,6 6,71 1,01

Неупрочненный 10 -0,833 5,1 15,5 19,6 6,71 1,01

шениями теории распространения волн в упругой среде выполнен сравнительный анализ результатов с вычислениями методом конечных элементов, полученными в программно-вычислительном комплексе Р1ах!Б (в условиях плоской задачи) (рисунок 4).

а) б)

<ё

И-

Рисунок 4 - Результирующие амплитуды ускорений колебаний в теле земляного полотна: а - неупрочненного; б - упрочненного

Проведенный корреляционный анализ по критерию Фишера показал, что результаты теоретических вычислений и опытные данные качественно совпадают (Р= 1,126 < Ги = 1,232). Это говорит о возможности использования расчетов МКЭ при анализе динамического воздействия подвижного состава на земляное полотно.

В третьей главе изложены результаты лабораторных экспериментов по выявлению закономерностей изменения прочностных характеристик глинистых грунтов, упрочненных инъекциями цементно-песчано-глинистого (грунтоце-ментного) раствора, при воздействии на них динамической нагрузки.

Для проведения исследования разработана специальная конструкция прибора трехосного сжатия с возможностью приложения дополнительной динами-

Рисунок 5 - Схема установки для динамических испытаний образцов грунта в условиях трехосного сжатия: 1 - электродвигатель; 2 - эксцентриковая муфта;

3 - подпружиненный стержень;

4 - испытуемый образец грунта;

5 - съемная алюминиевая рамка; 6 - поршень; 7 - динамометр;

8,9 — тензометрические датчики перемещений; 10 - датчик бокового _,_, / давления; 11 - металлическая пружина;

ТО-\ |Щ

\ 2 п 12 - индикатор перемещений;

13 - регулировочный механизм «винт-гайка»

Р {устройство на груженая)

При проведении лабораторных испытаний амплитуда вертикальных перемещений нижнего подвижного поршня определялась по формуле гармонических колебаний А = а/4-лг/ таким образом, чтобы при заданной частоте колебаний ускорение соответствовало требуемому по условию эксперимента значению. Испытания производились при расчетной частоте колебаний /расч = 40 Гц, однако в случае необходимости в установке предусмотрена возможность изменения частоты приложения нагрузки с помощью преобразователя частоты электрического тока, поступающего на обмотку электродвигателя. Максимальное ускорение в опытах ограничивалось величиной 0,3 5

Контроль бокового и осевого давлений, приходящихся на образец, а также амплитуд перемещений нижнего поршня осуществлялся при помощи тензо-метрических датчиков.

Лабораторные испытания производилось по неконсолидированно-недренированной схеме при условно-мгновенном разрушении образцов грунта с коэффициентом водонасыщения 5,. >0,80, характерным для большинства грунтов длительно эксплуатируемых насыпей. Такая схема испытаний связана с реальными условиями воздействия на образец поездной динамической нагрузки: вследствие кратковременного ее воздействия вода в порах водонасыщенно-го образца не успевает отжиматься, в результате чего процесс консолидации в течение короткого промежутка времени, соответствующего времени движения

ческой составляющей (рисунок 5).

поезда, так же не может быть закончен. Испытанию подвергались пылеватые суглинки (10 <1Р< 14) с показателем консистенции 0,40 < < 0,60 и плотностью скелета ра ~ 1,52 г/см3, обширно распространенные в теле земляного полотна насыпей на Западно-Сибирской и Красноярской железных дорогах.

Динамическим испытаниям подверглись как неупрочненные грунты, так и грунты с различной долей внедренного раствора, в котором соотношение компонентов принималось следующим (в частях): цемент ЦЕМ I 42,5Н / глинистый грунт / песок —>1/1/4 (под словосочетанием «объем раствора» понимается объем сухого раствора (объем сухой смеси)); соотношение воды и цемента В : Ц = 1,0. Общая схема проведения динамических трехосных испытаний грунтов подробно описана в диссертационной работе.

Характеристики динамической прочности грунтов (удельное сцепление с и угол внутреннего трения <р) определялись по общепринятой методике обработки и далее сравнивались с соответствующими им статическими показателями. Установлено, что параметры статической прочности упрочненного грунта изменяются непропорционально: рост удельного сцепления сопровождается незначительным повышением угла внутреннего трения (рисунок 6).

Рисунок 6 - Изменение статических параметров прочности грунта в зависимости от степени упрочнения: 1 - удельное сцепление с, кПа; 2 — тангенс угла внутреннего трения tg<p

Изменение параметров прочности фунта при внедрении упрочняющего раствора в пределах рассматриваемого диапазона было аппроксимировано линейной зависимостью

=Я'0+с,ш„, (6)

18<Р„у= (7)

где снач, супр - удельное сцепление фунта, соответственно в естественном состоянии и после упрочнения, кПа; /ис - параметр, учитывающий увеличение удельного сцепления, цс = 192,3 кПа; () - масса внедряемого раствора, в долях от единичного объема сухого фунта, д.е.; ^(риач, Щ(рупр - тангенс угла внутреннего трения фунта, соответственно в естественном состоянии и после упрочнения; Иг - параметр, учитывающий увеличение тангенса угла внутреннего трения, = 0,64.

Интенсивность снижения прочностных характеристик оценивалась показателем относительного снижения прочности, являющегося отношением дина-

мического показателя (/<,„„) к статическому с различной степенью упрочнения (1уг,р) (рисунок 7).

а)

б)

^^о™«»,^™,^»,,,..^.,,,^,, .0^0 10^4 +017 . 026 .0,55 ^ огаршт^осускуаше- 0(ст,гщ.»).0.1010.14 +0.17 ! 026 .0,3;

А 1 1 А 1 ! 1

■

0.01 0.02 0.03 0.О4 0.05 0 06 0 07 0 0

б.ле

Рисунок 7 - Зависимость относительного снижения показателей прочности от объема упрочняющего раствора <2 при различных величинах относительных ускорений колебаний: а - удельное сцепление; б - тангенс угла внутреннего

трения

После обработки опытных данных методом наименьших квадратов были установлены зависимости, показывающие соотношение динамических характеристик со статическими при различных объемах внедренного упрочняющего раствора:

- для удельного сцепления

=_1_

где - результирующее значение относительного ускорения колебаний; кс - коэффициент-функция, зависящая от объема внедряемого в грунт

раствора

- для угла внутреннего трения

(т,„„ __1_

Ввиду незначительного роста угла внутреннего трения в процессе упрочнения (в рассматриваемом диапазоне), коэффициент к^ = 0,55.

Четвертая глава посвящена исследованию устойчивости откосов упрочненных насыпей, воспринимающих динамическую нагрузку от подвижных составов. Автором предлагается методика расчета такого типа насыпей, основанная на использовании модифицированного метода расчета - «метода отсеков» с предположением образования круглоцилиндрической, либо ломанной поверхности скольжения при потере откосом устойчивости. Сущность методики заключается в учете временного снижения прочностных характеристик грунтов,

слагающих земляное полотно, и возникающей в фунте инерционной силы, стремящейся сдвинуть откосную часть насыпи.

Начальная стадия расчета заключается в поиске потенциальной поверхности потери устойчивости откоса любым из существующих на сегодняшний день статических методов расчета. Полученная фигура, офаниченная снизу поверхностью скольжения, разбивается на отсеки (при использовании метода КЦПС рекомендуемая ширина отсека составляет 0,1 Л). По формуле (1) для характерных точек с координатами X и 2 определяются величины ускорений колебаний. За начало координат принимается точка, расположенная по оси пути в уровне основной площадки (рисунок 8).

числяются значения показателей динамической прочности сдии и <рди„. Далее определяется результирующая амплитуда ускорений колебаний по периметру отсека, равная среднему значению из ускорений в четырех его крайних точках, и производится вычисление результирующей инерционной силы в /-ом отсеке

фг=-ав=г-А-8-17да, (11)

где у - средневзвешенный удельный вес грунта элементарного отсека, кН/м ; А - площадь элементарного отсека, м2; 3 - ширина элементарного отсека в направлении, нормальном расчетной плоскости (принимается равной 1 м), м.

В связи со стохастическим характером распространения ускорений в поперечном сечении насыпи при построении расчетной схемы направление вектора инерционной силы необходимо выбирать параллельно подошве фунтового отсека, а прикладывать его рекомендуется в центре тяжести каждого из рассматриваемых отсеков.

Итоговый динамический коэффициент устойчивости, исходя из рассмотрения условия равновесия системы сил, действующих на элементарный отсек, для наиболее распространенной круглоцилиндрической поверхности скольжения определяется по формуле

~ и — " '

1 -1

где С, - вес выделенного элементарного отсека грунта с учетом средневзвешенного значения удельного веса грунта отсека, кН; Pi - сосредоточенная сила, действующая в контуре отсека от статической распределенной поездной нагрузки, кН; сй""„ Щу"", - усредненные значения динамических сцепления и тангенса угла внутреннего трения фунта в пределах подошвы г-го отсека; в-угол отклонения радиуса от вертикали (принимается с соответствующим знаком), фад.; га - вертикальное расстояние от центра подошвы г-го отсека до центра его тяжести, м; Я - радиус дуги скольжения, м; 6,- - ширина элементарного отсека, м.

После определения коэффициента устойчивости его значение сравнивается с минимально допустимыми. При недостаточной устойчивости насыпи переходят к проектированию мероприятий по упрочнению ее фунтов.

В первом приближении назначается область упрочнения, прочностные характеристики упрочненного фунта вычисляются по формулам (6) и (7) в зависимости от принятого объема упрочняющего раствора. Последовательно увеличивая объем раствора, внедряемого в фунтовый массив, добиваются увеличения показателей прочности до тех пор, пока коэффициент устойчивости насыпи не будет удовлетворять требуемому значению.

Выполненные на ЭВМ многовариантные расчеты позволили установить, что динамическое воздействие поездов для рассматриваемых фунтов может приводит к уменьшению коэффициента устойчивости откосов насыпей на 816%, причем уровень снижения устойчивости зависит от соотношения значений удельного сцепления и угла внутреннего трения фунтов, слагающих насыпь, скорости и нафузки на ось подвижного состава. Установлено, что количество раствора, внедряемого в 1 м3 рассматриваемого фунта, необходимое для повышения коэффициента динамической устойчивости откосов насыпи до требуемых значений, составляет £(р(/) = 0,045-0,055 д.е.

Выявлено, что в случае учета динамического воздействия наиболее опасная линия скольжения практически всегда проходит через точку, расположенную на внуфенней фани рельсошпальной решетки рассматриваемого пути. При этом область потери устойчивости расположена в верхней части земляного полотна (потеря устойчивости без захвата больших масс фунта).

Внедрение разработанной методики выполнено на ряде участков Красноярской железной дорог в составе комплекса работ по модернизации железнодорожного пути. Так при реализации проекта упрочнения на участке длиной

(С,+Р,)-1ё<Р?" -соЩ —' созв.

175 м перегона Решеты-Юрты получен единовременный экономический эффект в размере 389707 руб. (в уровне цен 2011 г.). Экономия средств составила 2,4 % по сравнению с проектом, выполненным без применения разработанной методики. Срок окупаемости мероприятий составил 3,4 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Экспериментальным путем на ранее упрочненных инъекциями цемент-но-песчано-глинистого раствора железнодорожных насыпях установлены параметры колебаний фунтов земляного полотна при воздействии динамической нафузки от подвижных составов. Выявлено, что при прохождении поезда по земляному полотну в нем возникает линейный нестационарный колебательный процесс, при котором максимальные результирующие амплитуды ускорений колебаний величиной до 1,74 м/с2 возникают в верхней его части и интенсивно затухают с глубиной (на уровне 4,0 м от подошвы шпалы ускорениями колебаний в расчетах устойчивости можно пренебречь). Частота, при которой возникают максимальные амплитуды ускорений колебаний, составляет /расч = 40 Гц. Установлено, что внедрение упрочняющего фунтоцементного раствора приводит к незначительному изменению характера распространения амплитуд ускорений колебаний по поперечному сечению земляного полотна.

2. Получена функциональная зависимость изменения максимальных амплитуд ускорений колебаний в теле земляного полотна от объема упрочняющего раствора, скорости и нафузки на ось подвижного состава.

3. По результатам лабораторных исследований установлены значения и выражения для определения динамических удельного сцепления и угла внутреннего трения глинистого фунта в зависимости от величины их статических значений при упрочнении и от амплитуды ускорений колебаний. Установлено, что увеличение объема внедряемого упрочняющего раствора приводит к наибольшему изменению удельного сцепления при практически неизменном значении угла внутреннего трения.

4. Разработана методика расчета устойчивости земляного полотна, упрочненного инъекциями цементно-песчано-глинистого раствора, учитывающая степень изменения характеристик прочности фунтов в результате упрочнения и динамического воздействия, а также учитывающая инерционные силы, возникающие в земляном полотне при прохождении подвижных составов.

5. Расчетным путем установлено, что для обеспечения требуемого коэффициента динамической устойчивости откосов насыпей на железнодорожных линиях I и II категории, сложенных глинистыми фунтами, масса внедряемого упрочняющего раствора в долях от единичного объема плотности сухого фун-

та должна находиться в пределах Q{pd) = 0,045-0,055 д.е., что в среднем соответствует 70-85 кг. раствора на 1 м3 упрочняемого грунта. Применение такого количества раствора (в зависимости от соотношения прочностных характеристик слагающих.насыпь фунтов) может приводить к повышению коэффициента устойчивости откосов насыпей до 25 %, по сравнению с неупрочненным откосом.

6. Предложенная методика была внедрена на ряде участков Красноярской железной дороги. При реализации проекта упрочнения на одном из участков перегона Решеты-Юрты получен единовременный экономический эффект в размере 389707 руб. (в уровне цен 2011 г.). Экономия средств составила 2,4 % по сравнению с проектом, выполненным без применения разработанной методики.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в ведущих научных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Востриков, К.В. Исследование прочности откосов железнодорожных насыпей, закрепленных напорной инъекцией, при воздействии поездной нафузки / К.В. Востриков, Ю.П. Смолин // Научно-технический журнал «Известия Транссиба». - Омск: ОмГУПС. - 2012. - № 2 (10). - С. 130-136. (0,44 п.л. / 0,22 п.л.).

2. Смолин, Ю.П. Учет динамической нафузки при проектировании усиления деформирующегося железнодорожного земляного полотна методом напорной инъекции / Ю.П. Смолин, К.В. Востриков // Научный журнал «Современные технологии. Системный анализ. Моделирование». - Иркутск: Ир-ГУПС. - 2013. - № 1 (37). - С. 89-94. (0,38 п.л. / 0,19 п.л.).

Публикации в Российских журналах и научных сборниках:

3. Востриков, К.В. Исследование вибрационного воздействия поездов на железнодорожное земляное полотно, закрепленное напорной инъекцией / К.В. Востриков, В.Н. Белобородое, Ю.П. Смолин // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. - Новосибирск: СГУПС. - 2010. -Вып. 23. - С. 46-53. (0,50 п.л. / 0,17 п.л.).

4. Смолин, Ю.П. К вопросу исследования ускорений колебаний в железнодорожных насыпях от движения поездов / Ю.П. Смолин, К.В. Востриков // Проблемы земляного полотна железных и автомобильных дорог в условиях Сибири: Тр. второй регион, научн.-практ. конф. - Новосибирск: СГУПС. - 2011. - С. 63-65. (0,19 п.л. / 0,1 п.л.).

5. Востриков, К.В. Исследование ускорений колебаний, возникающих в железнодорожных насыпях при движении поездов / К.В. Востриков, Ю.П. Смо-

20

V

лин // Инженерная геология, механика фунтов, основания и фундаменты: Сб. тр. научн.-техн. конф., посвященной 100-летию со дня рождения д-ра геол.-мин. наук, проф. Ф.А. Никитенко. - Новосибирск: СГУПС. - 2011. - С. 9-15. (0,44 п.л. / 0,22 п.л.).

6. Востриков, К.В. Полевые исследования динамических параметров фунтов железнодорожных насыпей, закрепленных напорной инъекцией / К.В. Востриков // Материалы VIII науч.-техн. конф. с междунар. участием. - М.: МГУПС. - 2011. - С. 224-226. (0,19 п.л.).

7. Востриков, К.В. Устойчивость закрепленных напорной инъекцией железнодорожных насыпей при движении поездов / К.В. Востриков, Ю.П. Смолин // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 80 -летию Сибирского государственного университета путей сообщения «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе». - Новосибирск: СГУПС. - 2013. - Часть 1. - С. 83-94. (0,75 п.л. / 0,38 п.л.).

Публикации в зарубежных периодических изданиях:

8. Smolin, J.P. Field research of rolling stock dynamic influence on railway subgrade reinforced by pressure injection / J.P. Smolin, K.V. Vostrikov // Nauka i studia. - ISSN 1561-6894. - Przemysl: Nauka i studia. - NR 11 (56). - 2012. - P. 8186. (0,38 п.л. /0,19 п.л.).

ВОСТРИКОВ КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ

УСТОЙЧИВОСТЬ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ, УПРОЧНЕННОГО ИНЪЕКЦИЯМИ ГРУНТОЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА, С УЧЕТОМ ДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОЕЗДНОЙ НАГРУЗКИ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

по специальности 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» (технические науки)

Подписано в печать «14» октября 2014 г. 1,0 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №2834 Издательство ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» 630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191 .тел. (383) 328-03-81. e-mail: bvu@mail.ru