автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Влияние влажности земляного полотна на устойчивость железнодорожной насыпи при динамическом воздействии подвижного состава

ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА УСТОЙЧИВОСТЬ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ НАСЫПИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з к:ен ¿013

Ростов-на-Дону 2013

005061775

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС).

доктор физико-математических наук, профессор

Явна Виктор Анатольевич

Ашпиз Евгений Самуилович -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Путь и путевое хозяйство» ФГБОУ ВПО МГУПС (МИИТ)

Курочка Павел Никитович -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Изыскание, проектирование и строительство железных дорог» ФГБОУ ВПО РГУПС

Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ОАО «НИИЖТ»).

Защита состоится 25 июня 2013 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС) по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО РГУПС.

Автореферат разослан 24 мая 2013 года

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

Ученый секретарь диссертационного совета Д 218.010.02, д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. На основе транспортной стратегии Российской Федерации и стратегии развития компании ОАО «РЖД» сформулированы важнейшие направления научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2030 года («Белая книга» ОАО «РЖД»). Помимо обновления парка подвижного состава и информационно-технических средств, средств сигнализации и связи, транспортная стратегия предполагает создание надежного железнодорожного пути, отличающегося высокой и долговременной стабильностью.

Если верхнее строение пути с наработкой пропущенного тоннажа регулярно обновляется, то земляное полотно является долговременным и в малой степени реконструируемым сооружением. Для обеспечения стабильной работы земляного полотна необходимо располагать объективной и полной информацией о его состоянии, что достигается использованием современных средств и методов мониторинга. Наличие информации позволяет принимать своевременные решения при текущем содержании железнодорожного пути, планировании ремонтно-восстановительных и реконструкционных работ. Кроме этого, информация о параметрах конструкции и физических свойствах использованных при строительстве материалов дает возможность исследовать зарождение и развитие деформаций, а также учитывать динамическое воздействие подвижного состава на насыпи при прогнозировании их устойчивости.

Анализ проблем и исследований, связанных с решением задачи мониторинга земляного полотна железнодорожного пути, позволил обосновать актуальность выполненного в данной работе исследования, основной целью которого явилась разработка метода оценки влияния динамического воздействия подвижного состава на состояние насыпей с учетом изменения влажности земляного полотна.

Для достижения поставленной цели, в работе решены следующие научные задачи:

1. Создан и апробирован способ послойного георадиолокационного зондирования земляного полотна, позволяющий выделять деформации железнодорожного пути, связанные с сезонным накоплением влаги земляным полотном.

2. Создана компьютерная модель насыпи, расположенной на 46 км ПК 7-9 участка Лихая-Морозовская Северо-Кавказской железной дороги, позволяющая проводить расчеты распространения вибросейсмических колебаний земляного полотна железнодорожного пути и определять собственные частоты колебаний. Адекватность компьютерной модели проверена сравнением результатов расчета и эксперимента.

3. С использованием созданной компьютерной модели разработан метод оценки влияния динамического воздействия подвижного состава на насыпи с учетом влияния сезонных и погодных условий ее эксплуатации.

Работа выполнена в рамках реализации плана НТР ОАО «РЖД» по теме «Разработка алгоритмов, регламента и технологий для скоростной георадиолокационной диагностики железнодорожного пути» при поддержке грантов РФФИ № 11-08-13140-офи-м-2011-РЖД, № 11-08-13152-офи-м-2011-

РЖД, № 12-07-13120-офи-м-РЖД и государственных контрактов №16.513.11.3125, №07.514.11.4096, соглашения №8403 от 24.08.2012, соглашения № 8537 от 20.09.2012 Министерства Образования и Науки Российской Федерации.

Методы и объекты исследований. Для решения поставленных задач проведены лабораторные, натурные и теоретические исследования.

В основе лабораторных и натурных исследований лежат современные методы экспериментальной геофизики. Лабораторные исследования выполнены в научно-исследовательской испытательной лаборатории «Испытания и мониторинг в гражданском и транспортном строительстве» ФГБОУ ВПО РГУПС № РОСС RU.0001.21CH55. Натурные исследования выполнены на СевероКавказской, Горьковской и Московской железных дорогах — филиалах ОАО «РЖД».

В основе теоретических исследований лежат методы теоретической геофизики, физики сплошных сред и математической физики. Математические модели созданы с использованием программного пакета Comsol Multiphysics (License number: 7330757468@CS). Расчеты выполнены методом конечных элементов (МКЭ).

Научная новизна работы заключается в следующем:

обоснована возможность применения послойного

георадиолокационного анализа состояния земляного полотна для выявления областей с аномальным накоплением влаги;

определены диапазоны частот колебательного спектра, влияющие на устойчивость насыпи в целом и ее отдельных элементов: водопропускных сооружений, балластного слоя, откосной части насыпи и др.

разработан метод учета влияния динамического воздействия подвижного состава на устойчивость насыпей и элементов ее конструкции. В отличие от традиционных методов, основанных на эффективном учете динамических процессов за счет увеличения статической нагрузки, разработанный метод базируется на решении уравнений механики сплошных сред. Метод положен в основу алгоритма выбора безопасной скорости движения подвижного состава по насыпи.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Метод послойной обработки георадиолокационных данных для определения областей грунта с избыточной влажностью, а также оценки качества работы водоотводных сооружений.

2. Метод оценки изменения влажности земляного полотна по частотным характеристикам вибросейсмических и вибродинамических колебаний.

3. Методика определения спектральных диапазонов вибродинамических колебаний, влияющих на стабильность отдельных элементов конструкции насыпей.

4. Способ определения влияния динамического воздействия подвижного состава на состояние насыпей, учитывающий физическое состояние слагающих тело насыпи грунтов.

Достоверность полученных результатов. Лабораторные результаты данной работы получены с использованием поверенного измерительного оборудования сертифицированной грунтовой лаборатории.

Натурные измерения выполнены современными геофизическими методами. Обработка экспериментальных результатов проведена по утвержденным на государственном и ведомственном уровнях нормативным документам с использованием апробированных математических методов.

Теоретические представления, использованные в исследованиях, базируется на современных теориях распространения электромагнитных и сейсмических волн в слоистых средах. Компьютерное моделирование и расчеты выполнены с использованием универсального конечно-элементного пакета Со1тео1 МиШрИуБК^.

Разработанные способы и методы обработки георадиолокационных, вибросейсмических и вибродинамических данных, а также результаты численных расчетов во всех исследованиях, проверены и подтверждены лабораторными и натурными измерениями.

Практическая значимость работы заключается:

в апробации разработанных методов и методик;

создании способа определения критических значений физических параметров конструкций и грунтов, положенного в основу проектирования системы мониторинга оползнеопасных склонов и откосов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на всероссийских научно-практических конференциях «Транспорт-2010», «Транспорт-2011», «Транспорт-2012», «Транспорт-2013» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2010-2013); Шестой, седьмой, восьмой и девятой международных научно-практических конференциях «Инженерная и рудная геофизика» (Геленджик, ГНЦ «Южморгеология», 2010, 2012, 2013, Москва, 2011); международной научно-технической конференции «Транспорт XXI века» (Екатеринбург, УрГУПС, 2011); международной научной конференции «Механика и трибология транспортных систем» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2011); Четвертой и пятой научно-технических конференциях с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» (Москва, МИИТ, 2012, 2013); Второй и третьей международных научно-практических конференциях «Интеллектуальные системы на транспорте» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2012, 2013); Третьей Российской конференции с международным участием (УКИ-12) «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» (Москва, ИПУ РАН, 2012); Первой научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления на железнодорожном транспорте» (ИСУЖТ-2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 7 работ в журналах, входящих в перечень ВАК, и получено 7 свидетельств о государственной регистрации программы на ЭВМ РФ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель исследования и решенные в работе научные задачи. Отмечена научная и практическая значимость разработанных подходов. Наиболее значимые результаты представлены в виде положений, выносимых на защиту. Приведен список публикаций, в котором отражены основные результаты работы, а также отмечен личный вклад автора в их получении.

В первой главе выполнен анализ результатов исследований процессов взаимодействия подвижного состава и земляного полотна железнодорожного пути. Эту научную проблему разрабатывали ученые: Г.М. Шахунянц, Т.Г. Яковлева, Е.С. Ашпиз, В.В. Виноградов, П.И. Дыдышко, А.Ю. Абдурашитов, М.В. Аверочкина, И.В. Прокудин, Г.М. Стоянович, JI.C. Блажко, В.И. Грицык и др.

Актуальность таких научных работ, в условиях современного роста грузопотоков и скоростей движения, возрастает в связи с необходимостью обеспечения безотказной эксплуатации железнодорожного пути.

Важным этапом исследований воздействия подвижного состава на железнодорожный путь, является получение объективной и полной информации о состоянии земляного полотна. Эта задача решается современными геофизическими методами, применение которых на железнодорожном транспорте связано с исследованиями ученых Г.Г. Коншина, M.JI. Владова,

A.B. Старовойтова, Н.П. Семейкина, В.В. Помозова, А.Г. Круглого,

B.А. Шевнина, И.Н. Модина, A.JI. Исакова, A.M. Кулижникова, В.А. Явны и др.

Информативность и достоверность результатов исследований устойчивости железнодорожного пути при динамическом воздействии подвижного состава в значительной степени зависит от развития математических методов, используемых для обработки результатов геофизических измерений и расчетов физических взаимодействий с учетом конструкционных особенностей насыпей и свойств использованных при строительстве материалов. Исследования в этой области проводились учеными Т.В. Суворовой, Т.Г. Яковлевой, Е.С. Ашпизом, В.В. Виноградовым, С.Г. Катаевым, В.В. Глазуновым и др.

Анализ выполненных исследований позволил сформулировать цель исследования, ограничив ее рассмотрением железнодорожных насыпей.

Во второй главе созданы методики обработки экспериментальных геофизических данных.

Первый раздел главы посвящен разработке методики выявления переувлажненных зон земляного полотна по данным георадиолокации. Форма трассы георадиолокационных измерений зависит от затухания электромагнитного излучения в исследуемой среде и его отражения от границ грунтовых слоев. Эти два параметра связаны с влажностью грунтовых слоев. Для оценки относительного значения влажности использована интегральная отражательная способность грунтового слоя, описанная выражением:

Z = ^|F(r,.)|, (1)

Рис. I. Интегральная отражательная способность земляного полотна. Результат обработки георадиолокационного профиля: 1 - в декабре 2009; 2 - в мае 2010; 3 - в сентябре 2010

0-12 -влажность грунта земляного полотна, отн.ед.

Рис. 2. Результаты послойной обработки георадиолокационных данных: А - декабрь 2009г; В - май 20 Юг; С -сентябрь 20Юг, до дождя; Э - сентябрь 20 Юг, после дождя.

где - нормировочный множитель; Р(г\) - значение амплитуды в г точке трассы; п и N - номера точек трассы, характеризующие учтенную

толщину грунтового слоя.

На рис. 1 демонстрируется изменение значений отражательной способности земляного полотна в разные климатические сезоны на одном и том же участке пути.

Сравнение результатов расчета отражательной способности и результатов прямых измерений влажности позволяет калибровать георадиолокационную аппаратуру для определения влажности, в изменяющихся погодных и сезонных условиях.

Сравнение данных,

приведенных на рис. 1, позволяет сделать заключение о том, что метод георадиолокации информативен при оценке влажности грунта и может найти применение при решении прикладных задач, например, при оценке качества работы систем водоотведения. Поскольку

георадиолокационные данные, использованные при построении рис. 1 получены в скоростном режиме съемки, метод можно применять для обследования протяженных участков железных дорог.

Второй раздел главы посвящен разработке метода определения развивающихся

деформационных процессов в теле земляного полотна.

Метод базируется на расчете отражательной способности

отдельных грунтовых слоев. Результаты проведенных расчетов (рис. 2) показали, что в областях относительно небольшого сезонного изменения влажности грунтовых

слоев (1928.0 км - 1928.3 км, 1928.9 км - 1929.1 км, 1929.9 км - 1930.3 км) линии одинаковых значений отражательной способности на глубинах до 0.5 м по форме и направлению близки к горизонтальным прямым. Одновременно с этим имеются области, где наблюдаются заметные отклонения этих линий от горизонтальных прямых. В этих областях можно ожидать проявления деформационных процессов верхнего строения пути из-за существенных сезонных изменений влажности земляного полотна.

В заключение этих разделов сделаны выводы о возможности:

проводить сезонный мониторинг распределения влажности в грунтовых массивах земляного полотна;

выявлять расстройства железнодорожного пути, связанные с деформациями земляного полотна;

выделять участки пути для детального обследования геофизическими, разрушающими и лабораторными методами для дальнейшего принятия решений по их стабилизации.

В третьем разделе главы разработана методика наблюдений за развитием деформационных процессов земляного полотна насыпи по данным георадиолокации. Для этой цели был использован георадар с центральной частотой антенных блоков 400 МГц. Результат обработки радарограмм, полученных при проведении обследования по обочине нечетного пути насыпи, расположенной на 46 км ПК7-9 участка Лихая-Морозовская Северо-Кавказской железной дороги, представлен на рис. 3. Вертикальными штриховыми линиями отмечены реперные столбики М 1-4. Сравнение приведенных данных позволяет определить изменение просадки земляного полотна в течение одного года наблюдений.

Рис. 3. Результат обработки радарограмм:

1,2- профилирование границы балластного слоя и земляного полотна в 2009 г. и 2010 г

В заключение раздела сделан вывод о целесообразности измерений последствий деформационных процессов перед выполнением регламентных работ.

га 40 z

О 30

а

О) 20 ш

S 10

ш

5 о ф

о.

о

—■— 1-летний период —• 2-весенний период

к1

c—i —

м а гстополо» (устическ ение датчика х колебаний

0 10 2 0 30 4 0 50 6 0 70 80 90 1С

В четвертом разделе главы разработана методика, связывающая амплитудные и частотные

характеристики вибросейсмических сигналов с влажностью грунта.

В основу методики заложены результаты эксперимента, который заключался в возбуждении вибросейсмических колебаний

тампером (ударным устройством) в иасыпи и регистрации сейсмических волн датчиком виброскоростей. Датчик размещался на обочине пути на специально подготовленной площадке, а тампер перемещался вдоль обочины в обе стороны от места расположения датчика. Измерения выполнялись при различных влажностях земляного полотна. Регистрируемые виброскорости (V(t)) подвергались фурье-преобразованию:

A(v) = -L]t'(t)e-"'dt, (2)

л/2тг I

после чего определялась средневзвешенная частота спектра:

Расстояние, м

расчета частоты

Рис. 4. Результаты средневзвешенной виброскоростей. Датчик виброскорости размещен в точке с абсциссой 50 м

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

= §1(у)С/У. (3)

о /о

Расчеты показали (рис. 4), что изменение влажности среды, связанное с сезонными

особенностями способствует сдвигу средневзвешенной частоты спектра в низкочастотную область. Понижение средневзвешенной частоты спектра, при удалении тампера от датчика виброскорости, может быть связано с затуханием высокочастотных

компонент спектра. Полученная зависимость нашла свое

подтверждение при проведении компьютерного моделирования и лабораторных исследований. Расчет зависимости среднего значения модуля виброскорости для разных значений расстояния между источником и приемником выполнен по формуле:

— расчетные значения экспоненциальная аппроксимация

20 30 40

Расстояние, м

50

Рис. 5. Затухание волны от влажности

вибросейсмической

IИ -, (4)

1 '<* д/

где А/ - время регистрации вибрационного сигнала. Это позволило оценить зависимость затухания вибросейсмической волны от влажности (рис. 5), которую можно аппроксимировать полином вида:

В(г) = а0 + А(г0)е рг ^ (5)

где а0- постоянная составляющая; А(г„) - амплитуда волны в точке возбуждения; р — коэффициент затухания; г0 - точка возбуждения; г - точка приема.

Установлено, что для весеннего периода времени (влажность грунта -29 %) коэффициент затухания составил 0,07 м"1, а для летнего периода времени (влажность грунта - 17 %) 0,09 м"'. Зарегистрированные отличия величин превышают погрешности измерений, оцененные величиной в 10%.

В третьей главе исследовалась возможность применения метода компьютерного моделирования для определения собственных частот колебаний земляного полотна.

В первом разделе выполнен анализ частот спектра собственных колебаний насыпи, расположенной на 46 км ПК7-9 участка Лихая-Морозовская. Для расчетов создана компьютерная модель, включающая верхнее и нижнее строение пути с заданными физико-механическими свойствами для каждого конструкционного элемента. Численная процедура реализована с использованием программного пакета Сотзо1 МиШрЬуБюэ. Решена динамическая задача распространения импульса, описываемого совокупностью гауссовых функций. Его форма подбиралась максимально близкой к форме экспериментального импульса, полученного при ударе тампера о поверхность насыпи. Волновое уравнение, описывающее распространение вибросейсмических волн, в данном случае сводилось к решению скалярного неоднородного уравнения Гельмгольца.

Для определения степени адекватности созданной компьютерной модели насыпи выполнены расчеты спектров колебаний, которые сравнивались с экспериментально полученными спектрами, представленными в четвертом разделе второй главы. Форма импульса ударного возбуждения тампером принята совпадающей с формой одноузловой функции Гаусса. Ширина функции подбиралась таким образом, чтобы спектральный диапазон был не меньше экспериментального (80 Гц).

На рис. 6 приведены результаты сравнения теоретических и экспериментальных спектров вибросейсмических колебаний при разной влажности земляного полотна. Расстояние от источника возбуждения колебаний до пункта приема составляло 20 м.

Из сравнения полученных данных видно, что теоретические расчеты и экспериментальные данные качественно согласуются. Таким образом, созданная математическая модель адекватно описывает протекающие физические процессы на выбранном участке железнодорожного пути.

Рис. 6. Нормированные на единицу теоретический и экспериментальный вибросейсмические спектры: А - весна (влажность 29%); Б -лето (влажность 17%)

Во втором разделе выполнен анализ частот спектра собственных колебаний рассматриваемой насыпи. Показано, что положение зон максимальных амплитуд колебаний зависит от частоты (рис. 7).

Рис. 7. Распределение зон максимальных амплитуд колебаний насыпи на различных собственных частотах: А - при у<] 0 Гц; Б - при V > 40 Гц

Так при частотах, меньших 10 Гц, колебания локализованы в теле насыпи и могут влиять на стабильность ее откосной части. С ростом частоты колебаний основные смещения локализуются вблизи склонов и водопропускных искусственных сооружений, расположенных в теле насыпи.

Таким образом, созданная компьютерная модель на основе данных комплексной диагностики, позволяет классифицировать частоты колебаний по степени опасности и прогнозировать состояние объекта при изменении внешних факторов.

Третий раздел этой главы посвящен изучению упруго-диссипативных свойств насыпи.

Способность железнодорожной насыпи рассеивать энергию механических колебаний бегущей сейсмической волны, существенным образом зависит от влажности ее конструкционных слоев. Основанием такого предположения служат результаты разложения по гауссовым кривым экспериментальных спектров виброскоростей, полученных во влажный (29%) и засушливый период времени (17%). Полученные при этом ширины гауссовых кривых (АV) на половине высоты можно использовать для оценки добротности колебаний:

Д V Р

где у0 — резонансная частота колебаний; IV — энергия, запасённая в колебательной системе; Р — рассеиваемая мощность.

Расчеты показали, что в низкочастотной области сейсмических колебаний (\0 < 80 Гц) значения ширины гауссовых кривых допускают оценку: во влажный

период времени ¿1у=2.8Гц, в сухой период времени А\= 4.1 Гц. Таким образом, при увеличении влажности в реально наблюдаемых условиях добротность колебаний насыпи практически во всем диапазоне изучаемых частот возрастала примерно в 1,5 раза.

В четвертой главе исследуется возможность моделирования

динамической нагрузки, возникающей в продольно-слоистых средах от движущегося по поверхности железнодорожного пути, подвижного состава.

В первом разделе изложена методика экспериментального

определения виброскоростей точек насыпи, которые связаны с воздействием подвижного состава. Анализ экспериментальных спектров

^ а

б

иАШ 4м

ч

ф X н

о

£

<

О 10 20 30 40 50 60 70 8С

Частота V, Гц

Рис. 8. Сравнение экспериментальных спектров виброскоростей, полученных при движении грузового подвижного состава: за 100 метров (кривая «а») и вблизи (кривая «б») низкочастотного трехкомпонентного регистратора

виброскоростей. Кривая «а» увеличена в 500 раз

вибросейсмических колебаний, возникающих в рассматриваемой насыпи под действием подвижного состава (рис. 8), показал:

затухание в диапазоне от 15 до 70 Гц практически не зависит от частоты колебаний;

основной динамический вклад вносят частоты находящиеся в диапазоне до 70 Гц.

Второй раздел главы посвящен расчету динамической составляющей воздействия подвижного состава на насыпь железнодорожного пути.

0,8-

0,в

0,4

0,2

0,0

А -1-эксперимент -2-теория

1

.1 II

Ё 1 ■

VI 1

30 40 50 Частота V, Гц

Строгое теоретическое решение задачи воздействия подвижного состава и железнодорожного пути представляется достаточно трудоемким. В связи с этим в данной работе оценка динамического воздействия подвижного состава на насыпь выполнена решением плоской динамической задачи.

Для оценки влияния упруго-диссипативных свойств насыпи использовано приближение Релея и предположение о том, что воздействие подвижного состава на насыпь можно представить в виде суммы статической и динамической нагрузок:

Р = Рая+кР«»<У), (7)

где к - нормировочный множитель, определяемый в процессе расчетов; Рст - статическая нагрузка, принятая равной 90 кПа; -

нормированная на единицу в точке абсолютного экстремума

динамическая нагрузка.

Форма динамической нагрузки подбиралась из лучшего согласия средневзвешенных частот

теоретического и экспериментального спектров виброскоростей (3).

Сопоставление полученных

экспериментальных и теоретических результатов во всем рассмотренном спектре частот представлено на рис. 9.

Для определения

нормировочного множителя к, его величина изменялась так, чтобы совпали средние значения модулей экспериментальной и теоретической виброскоростей (4) в точке установки датчика.

Результаты расчетов и экспериментов приведены на рис. 10. Они позволяют оценить динамическую нагрузку при влажности 29% и 17% соответственно величинами 230 кПа и 190 кПа. Полученное превышение динамической составляющей нагрузки Рдт(у) в точке абсолютного экстремума над статической частью Рст более чем в 2 раза находится в качественном согласии с теоретическими результатами профессора Э.В. Воробьева.

30 40 60

Частота V, Гц

Рис.

9.

экспериментального спектров: А -(ЬР>„„ =230 кПа); В (№„„„=190 кПа)

и

Сопоставление теоретического влажность - 29% - влажность — 17%

0,5

0,4

о 0 3

&

а 0,2

о

5"

0,1

0,0

Весенний период, \Л/=29%: -1-теория 2-эксперимент Летний период, \Л/=17%: -1-теория

/¿У

С у'

О 100 200 300 400

Динамическое давление кР^цн, кПа

Рис. 10. Сравнение средних значений модулей экспериментальных и

теоретических виброскоростей

В

результатами собственных установлено,

В третьем разделе главы выполнено сопоставление

определенных в работе

динамических нагрузок с данными СП-32-104-98 для рассмотренной насыпи, которые учитываются при определении коэффициента

устойчивости с учетом

возможности скольжения откосной зоны насыпи.

соответствии с

расчета мод колебаний, что на устойчивое положение откосной части насыпи основное влияние оказывает область спектра с частотой меньше 10 Гц. Максимальная пиковая интенсивность спектра в этом диапазоне частот при влажности 29 % примерно в два раза меньше, чем в точке абсолютного экстремума пикового значения и достигает значения №Л/я(8Л/)=130 кПа. Оценка результатов исследований в засушливый период времени (влажность 17 %) приводит к значению аналогичной динамической нагрузки, равной £/'„„(8/¡/)=40 кПа. Таким образом, расчетная величина суммарной динамической нагрузки при влажности 29% и 17% составит 220 кПа и 130 кПа соответственно.

Величина же динамической нагрузки, определенная с учетом особенностей строения рассматриваемой насыпи, согласно СП-32-104-98 составляет 159 кПа, что хорошо согласуется с усредненными по влажности результатами данной работы.

На основании полученных теоретических данных, в работе решена задача расчета устойчивости откосных зон насыпи при разной влажности земляного полотна методом предельного состояния. Для оценки потери устойчивости учтен механизм скольжения оползающего массива относительно неподвижной части откоса:

Кус--

£Муд-1 . _

у1 Меде — /

(8)

где Муд и Меде - момент удерживающих и сдвигающих сил относительно центра наиболее опасной дуги скольжения.

Результаты расчета коэффициента устойчивости рассматриваемой насыпи приведены на рисунке 11, из которого видно уменьшение коэффициента устойчивости насыпи в период водонасыщения грунтов. Такое изменение значения Кус могло послужить причиной внезапной деформации насыпи весной 2010 года, расположенной на 46 км ПК 7-9 участка Лихая-Морозовская.

Влажность W, %

Кус min - минимально допустимое значение коэффициента устойчивости откосов насыпи для современных условий эксплуатации.

Рис. 11. Зависимость коэффициента устойчивости от влажности с учетом динамической нагрузки

Таким образом, разработанная методика определения

динамических нагрузок от подвижного состава по результатам измерения виброскоростей и компьютерного моделирования распространения виброколебаний в теле насыпи позволяет:

определять коэффициент

устойчивости откосной зоны насыпи с учетом состояния земляного полотна;

определять динамические нагрузки на частотах, превышающих 10 Гц, для использования методик расчета устойчивости других элементов конструкции и взаимодействующих с ней искусственных сооружений;

построить алгоритм

управления скоростью движения поездов, обеспечивающий значения коэффициента устойчивости насыпи выше минимально допустимого нормативными документами

значения.

Основные выводы

1. Установлено, что рост влажности грунтов земляного полотна приводит к сдвигу средневзвешенной частоты вибросейсмического сигнала (3) в низкочастотную область.

2. По результатам натурных измерений, проведенных на действующем участке железной дороги, установлено, что при росте влажности земляного полотна коэффициент затухания вибрационного сигнала уменьшается, а добротность колебаний в свою очередь практически во всем диапазоне изучаемых частот возрастает.

3. Разработана компьютерная модель насыпи железнодорожного пути со всеми входящими в нее конструктивными элементами, позволяющая изучать сложные волновые поля, распространяющиеся в теле насыпи железнодорожного пути.

4. Показано, что на основе измерений виброскорости можно строить системы управления движением поездов, при которых коэффициент устойчивости насыпи остается в допускаемом нормативными документами интервале.

Основные положения опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Морозов A.B., Кругликов A.A., Кислица К.Ю., Шаповалов B.JL, Явна В.А. Количественная обработка георадиолокационных данных // Вестник РГУПС. 2011. № 3. С. 96 - 105.

2. Кругликов A.A., Кислица К.Ю., Шаповалов В.Л., Морозов A.B., Явна В. А. Диагностика объектов транспортной инфраструктуры методом георадиолокации // Вестник РГУПС. 2011. № 4. С. 148 - 154.

3. Морозов A.B., Кругликов A.A., Кислица К.Ю., Хакиев З.Б., Явна В. А., Востров В. А. Оценка сезонных изменений электрофизических свойств грунтов земляного полотна по данным георадиолокационных обследований// Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2012. -№1. - С. 75-80.

4. Явна В.А., Каспржицкий A.C., Кругликов A.A., Лазоренко Г.И., Хакиев З.Б., Шаповалов В.Л. Этапы проектирования интеллектуальной системы мониторинга объектов транспортной инфраструктуры// Сборник трудов «Управление большими системами». Выпуск 38. г. Москва ИПУ РАН, 2012. -С.105-120.

5. Кругликов A.A., Лазоренко Г.И., Шаповалов В.Л., Хакиев З.Б., Явна В.А. Интеллектуальные системы мониторинга высоких железнодорожных насыпей// Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», г. Ростов-на-Дону, - 2012. № 3. - С. 77-81.

6. Кругликов A.A., Лазоренко Г.И., Шаповалов В.Л., Хакиев З.Б., Явна В. А. Компьютерное моделирование распространения акустических колебаний в насыпях железных дорог// Вестник РГУПС. 2012. № 3. - С. 135-140.

7. Кругликов A.A., Лазоренко Г.И., Хакиев З.Б., Шаповалов В.Л., Морозов A.B., Явна В. А. Оценка динамического воздействия подвижного состава на высокие насыпи// «Путь и путевое хозяйство». 2013. № 5. - С. 19-23.

Другие издания:

8. Кругликов A.A. Возможность применения низкочастотной сейсмоакустики при обследовании железнодорожного пути// Труды 68-ой студенческой научно - практической конференции. Ростов н/Д: Сб. тезисов. -Рост. гос. ун-т путей сообщения, 2009. - С. 149-150.

9. Кругликов A.A., Шаповалов В.Л., Явна В.А. Вибродинамическая диагностика пути, как метод функциональной диагностики// Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2010», апрель 2010 г.в 3-х частях. Часть 2. Естественные и технические науки. Рост. Гос. Ун-т. Путей сообщения. Ростов н/Д, 2010. - С.146-148.

10. Морозов A.B., Кругликов A.A., Басов С.А., Явна В.А. Комплекс геофизических методов при обследовании водопропускных сооружений// Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2010», апрель 2010 г.в 3-х частях. Часть 2. Естественные и технические науки. Рост. Гос. Ун-т. Путей сообщения. Ростов н/Д, 2010. - С. 149-150.

11. Кругликов A.A., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Воробьев В.Б. Диагностика железнодорожных насыпей комплексом геофизических методов// Седьмая международная научно-практическая конференция и выставка «Инженерная и рудная геофизика-2011» г. Москва, апрель 2011.

12. Кругликов A.A., Шаповалов В.Л., Окост М.В. Комплекс геофизических методов для оценки технического состояния железнодорожной инфраструктуры// Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2011», апрель 2011 г. Рост. Гос. Ун-т. Путей сообщения. Ростов н/Д, 2011.-С. 233-235.

13. Кругликов A.A., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Попов В.А. Комплекс неразрушающих методов для обследования железнодорожных насыпей// Международная научно-техническая конференция «Транспорт 21 века: Исследования. Инновации. Инфраструктура», г. Екатеринбург, ноябрь 2011. -С. 870-875.

14. Морозов A.B., Кругликов A.A., Шаповалов В.Л., Явна В.А. Сезонные и погодные изменения влажности земляного полотна по данным георадиолокационных обследований// Международная научно-техническая конференция «Транспорт 21 века: Исследования. Инновации. Инфраструктура», г. Екатеринбург, ноябрь 2011. - С. 876-882.

15. Кругликов A.A. Опыт применения современных методов геофизики на объектах транспортной инфраструктуры ОАО «РЖД»// Международная научная конференция «Механика и трибология транспортных систем» (МехТрибоТранс-2011). г. Ростов-на-Дону, 9-11 ноября 2011 г. - С. 331-335.

16. Явна В.А., Каспржицкий A.C., Кругликов A.A., Лазоренко Г.И., Хакиев З.Б., Шаповалов В.Л. Исследование процессов взаимодействия подвижного состава и объектов инженерной инфраструктуры// Вторая международная научно-практической конференции «Интеллектуальные системы на транспорте», г. Санкт-Петербург, 28-31 марта 2012. С. 337-346.

17. Кругликов A.A., Шаповалов В. Л., Явна В. А. Особенности взаимодействия упругих волн с грунтами земляного полотна с учетом сезонных погодных условий// Труды IV научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути», Чтения, посвященные 108-летию профессора Г.М. Шахунянца, г. Москва, 4-5 апреля 2012 - С. 90-94.

18. Кругликов A.A., Морозов A.B., Востров В.А., Явна В.А. Определение сезонных изменений электрофизических свойств фунтов методом георадиолокации// Восьмая международная научно-практическая конференция и выставка «Инженерная и рудная геофизика-2012» г. Геленджик, апрель 2012 г.

19. Кругликов A.A. Анализ взаимодействия упругих волн с грунтами земляного полотна железнодорожного пути// Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2012», апрель 2012 г. Рост. Гос. Ун-т. Путей сообщения. Ростов н/Д, 2012 г. - С. 400-402.

20. Явна В.А., Каспржицкий A.C., Кругликов A.A., Лазоренко Г.И., Мартынюк И.В., Попов О.Н., Хакиев З.Б., Шаповалов В.Л. Компьютерное моделирование процессов взаимодействия подвижного состава и объектов путевой инфраструктуры// Третья Российская конференция с международным

участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» (УКИ-12), г. Москва, 16-19 апреля 2012. - С. 001188-001198.

Авторские свидетельства:

21. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2011613071 Российская Федерация. Скоростная георадиолокационная диагностика земляного полотна/ Явна В.А., Хакиев З.Б., Каспржицкий A.C., Шаповалов B.JL, Окост М.В., Морозов A.B., Кругликов A.A.; заявитель и патентообладатель Явна В.А., Хакиев З.Б., Каспржицкий A.C., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов A.B., Кругликов A.A.; заявл. 21.02.11; зарег. в реестре 18.04.11.

22. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2011613070 Российская Федерация. Скоростная георадиолокационная диагностика земляного полотна -визуализация/ Явна В.А., Хакиев З.Б., Каспржицкий A.C., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов A.B., Кругликов A.A.; заявитель и патентообладатель Явна В.А., Хакиев З.Б., Каспржицкий A.C., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов A.B., Кругликов A.A.; заявл. 21.02.11; зарег. в реестре 18.04.11.

23. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2012618628 Российская Федерация. Многоканальное профилирование конструкционных слоев автомобильных и железных дорог в режиме реального времени/ Явна В.А., Хакиев З.Б., Каспржицкий A.C., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов A.B., Кругликов A.A.; Лазоренко Г.И., заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»; заявл. 06.08.12; зарег. в реестре 21.09.12.

24. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2012618629 Российская Федерация. Информационно-телекоммуникационная система мониторинга объектов инфраструктуры/ Явна В.А., Хакиев З.Б., Каспржицкий A.C., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов A.B., Кругликов A.A.; Лазоренко Г.И., заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»; заявл. 06.08.12; зарег. в реестре 21.09.12.

25. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2012619909 Российская Федерация. Автоматизированное рабочее место беспроводной сенсорной сети с многопараметрическими датчиками/ Шаповалов В.В., Хакиев З.Б., Каспржицкий A.C., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов A.B., Кругликов A.A.; Лазоренко Г.И., Пустовой Ю.Е., заявитель и патентообладатель Шаповалов В.В., Хакиев З.Б., Каспржицкий A.C., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов A.B., Кругликов A.A.; Лазоренко Г.И., Пустовой Ю.Е.; заявл. 04.09.12; зарег. в реестре 31.10.12.

26. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2012619910 Российская Федерация. Модуль сбора информации с датчиков беспроводной сенсорной сети с многопараметрическими датчиками/ Шаповалов В.В., Хакиев З.Б., Каспржицкий A.C., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов A.B., Кругликов A.A.; Лазоренко Г.И., Пустовой Ю.Е., заявитель и патентообладатель Шаповалов В.В., Хакиев З.Б., Каспржицкий A.C., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов A.B.,

Крутиков A.A.; Лазоренко Г.И., Нустовой Ю.Е.; заявл. 04.09.12; зарег. в реестре 31.10.12.

27. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2012619911 Российская Федерация. Центр обработки информации беспроводной сенсорной сети с миогопараметрическими датчиками/ Шаповалов В.В., Хакиев З.Б., Каспржицкий A.C., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов A.B., Кругликов A.A.; Лазоренко Г.И., Пустовой Ю.Е., заявитель и патентообладатель Шаповалов В.В., Хакиев З.Б., Каспржицкий A.C., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Морозов A.B., Кругликов A.A.; Лазоренко Г.И., Пустовой Ю.Е.; заявл. 04.09.12; зарег. в реестре 31.10.12.

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве

В работах /1-20/ автору принадлежит проведение экспериментальных исследований и выполнение теоретических расчетов с последующей интерпретацией полученных данных; /21/ - разработка алгоритма определения толщины балластного слоя; /22/ - разработка алгоритма визуализации положения инженерных сооружений на радарограмме; /23/ - разработка алгоритма визуализации данные по определению толщины конструкционного слоя; /24/ -разработка алгоритма формирования сообщения о превышении нормативных значений измеряемых параметров; /25/ - разработка алгоритма автоматического формирования сигналов тревог и оповещения в случае обнаружения деформации оползневых участков; /26/ - разработка алгоритма анализа и изменения конфигурации в соответствии с принятыми информационными пакетами; /^7/ -разработка алгоритма автоматизированного сбора данных о значениях физических параметров.

Кругликов Александр Александрович

ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА УСТОЙЧИВОСТЬ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ НАСЫПИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 23.05.2013. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Уч.- изд. л. 1,11. Тираж 100 экз.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» Ризография ФГБОУ ВПО РГУПС

Адрес университета: 344038. г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2.

РОСЖЕЛДОР

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»

ФГБОУ ВПО РГУПС

ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА УСТОЙЧИВОСТЬ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ НАСЫПИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование

железных дорог

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор

Явна Виктор Анатольевич

Ростов-на-Дону 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................ 4

1 Методы диагностики объектов железнодорожной инфраструктуры...................................................................... 18

1.1 Физические основы метода георадиолокации................... 19

1.2 Физические основы сейсмического метода..................... 25

1.3 Основы численного моделирования физических систем..... 28

2 Разработка методик по контролю влажностных режимов земляного полотна................................................................... 33

2.1 Методика контроля изменений влажностных режимов земляного полотна железнодорожного пути методом георадиолокации.. 33

2.2 Методика развивающихся деформационных процессов в теле земляного полотна методом георадиолокации в скоростном режиме.................................................................................. 37

2.3 Методика контроля развивающихся деформационных процессов в теле земляного полотна методом георадиолокации при детальной диагностике................................................................ 40

2.4 Влияние влажности грунта на амплитудные и частотные характеристики вибросейсмических сигналов................................ 58

3 Использование метода компьютерного моделирования для оценки стабильности объектов транспортной инфраструктуры.......... 64

3.1 Методика частотного анализа и оценки состояния земляного полотна при ударно-нормированных импульсах............................. 65

3.2 Оценка состояния земляного полотна методом собственных колебаний............................................................... 76

3.3 Изучение упруго-диссипативных свойств высокой железнодорожной насыпи.......................................................... 79

4 Определение дополнительной динамической нагрузки возникающей в процессе движения подвижного

состава................................................................................... 82

4.1 Изучение спектров виброскоростей при движении подвижного состава по результатам полевых исследований............... 83

4.2 Теоретический расчет величины динамической нагрузки при движении подвижного состава................................................. 85

4.3 Оценка информативности разработанной методики. Сравнение рассчитанных динамических нагрузок с данными СП 32104-98 «Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм»................................................................................. 92

Основные выводы.............................................................. 95

Список использованной литературы....................................... 96

Приложение 1................................................................... 108

Приложение 2................................................................... 109

Приложение 3................................................................... 111

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожный транспортный комплекс Российской Федерации является крупнейшей динамично развивающейся составляющей экономики страны, дальнейший прогресс которой требует использования последних, непрерывно обновляемых результатов науки и передовых технологий. Для создания условий стабильного, безопасного и эффективного функционирования железнодорожного транспорта [1], в настоящее время, необходимо применение инновационных подходов при проектировании, строительстве и текущем содержании железнодорожного пути [2-5]. Существующие тенденции в развитии данных направлений обусловлены широким распространением геофизических методов [6-8], применение которых позволяет развиваться новым технологиям в рамках проектирования и текущего содержания объектов транспортной инфраструктуры. Вместе с тем, тенденция к развитию и усложнению транспортной инфраструктуры повышает вероятность перехода ее структурных элементов в режим нестабильного функционирования [9-11], что влечет за собой необходимость разработки «эффективных» технологий анализа состояния этих объектов и оценки рисков нарушения режимов «нормального» функционирования. Для решения этих задач в диссертационной работе представлены способ и методы анализа геофизических данных с целью оценки состояния объектов транспортной инфраструктуры и рисков их разрушения.

В частности в диссертации:

показана возможность анализа причин деформативности железнодорожного пути по результатам послойной обработки георадиолокационных данных с определением областей избыточно увлажненного грунта и оценки качества работы водоотводных сооружений;

разработан метод оценки изменения влажности грунтов земляного полотна с использованием амплитудно-частотных характеристик

вибросейсмических и вибродинамических колебаний системы «Железнодорожный путь - подвижной состав»;

разработана методика определения и учета спектрального диапазона вибродинамических колебаний системы «Железнодорожный путь - подвижной состав» на стабильность отдельных конструктивных элементов насыпей;

создан способ оценки влияния динамического воздействия подвижного состава на стабильность насыпей с учетом физико-механических свойств грунтов, слагающих тело насыпи.

Актуальность темы исследований. На основе транспортной стратегии Российской Федерации и стратегии развития компании ОАО «РЖД» сформулированы важнейшие направления научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2030 года [12]. Помимо обновления парка подвижного состава и информационно-технических средств, средств сигнализации и связи, транспортная стратегия предполагает создание надежного железнодорожного пути, отличающегося высокой и долговременной стабильностью [13-15].

Если верхнее строение пути с наработкой пропущенного тоннажа регулярно обновляется, то земляное полотно является долговременным и в малой степени реконструируемым сооружением [16]. Для обеспечения стабильной работы земляного полотна необходимо располагать объективной и полной информацией о его состоянии, что достигается использованием современных средств и методов мониторинга. Наличие информации позволяет принимать своевременные решения при текущем содержании железнодорожного пути, планировании ремонтно-восстановительных и реконструкционных работ. Кроме этого, информация о конструктивных параметрах объекта и физических свойствах использованных при строительстве материалов дает возможность исследовать зарождение и развитие деформаций, а также учитывать динамическое воздействие подвижного состава на насыпи при прогнозировании их устойчивости.

Анализ проблем и исследований, связанных с решением задачи мониторинга земляного полотна железнодорожного пути [17], позволил

обосновать актуальность выполненного в данной работе исследования, основной целью которого явилась разработка метода оценки влияния динамического воздействия подвижного состава на состояние насыпей с учетом изменения влажности земляного полотна.

Для достижения поставленной цели, в работе решены следующие научные задачи:

создан и апробирован способ послойного георадиолокационного зондирования земляного полотна, позволяющий выделять деформации железнодорожного пути, связанные с сезонным накоплением влаги земляным полотном;

создана компьютерная модель насыпи, расположенная на 46 км ПК 7-9 участка Лихая-Морозовская Северо-Кавказской железной дороги, позволяющая проводить расчеты распространения вибросейсмических колебаний земляного полотна железнодорожного пути и определять собственные частоты колебаний. Адекватность компьютерной модели проверена сравнением результатов расчета и эксперимента;

с использованием созданной компьютерной модели разработан метод оценки влияния динамического воздействия подвижного состава на насыпи с учетом влияния сезонных и погодных условий ее эксплуатации.

Работа выполнена в рамках реализации плана НТР ОАО «РЖД» по теме «Разработка алгоритмов, регламента и технологий для скоростной георадиолокационной диагностики железнодорожного пути» при поддержке грантов РФФИ № 11-08-13140-офи-м-2011 -РЖД, № 11-08-13152-офи-м-2011-РЖД, № 12-07-13120-офи-м-РЖД и государственных контрактов №16.513.11.3125, № 07.514.11.4096, соглашения № 8403 от 24.08.2012, соглашения № 8537 от 20.09.2012 Министерства Образования и Науки Российской Федерации.

Методы и объекты исследований. Для решения поставленных задач проведены лабораторные, натурные и теоретические исследования.

В основе лабораторных и натурных исследований лежат современные методы экспериментальной геофизики. Лабораторные исследования выполнены на базе научно-исследовательской испытательной лаборатории «Испытания и мониторинг в гражданском и транспортном строительстве» ФГБОУ ВПО РГУПС № РОСС RU.0001.21CH55. Натурные исследования выполнены на объектах Северо-Кавказской, Горьковской и Московской железных дорог -филиалах ОАО «РЖД».

В основе теоретических исследований лежат методы теоретической геофизики, физики сплошных сред и математической физики. Математические модели созданы с использованием программного пакета Comsol Multiphysics (License number: 7330757468@CS). Расчеты выполнены методом конечных элементов (МКЭ).

Научная новизна работы заключается в следующем:

обоснована возможность применения послойного

георадиолокационного анализа состояния земляного полотна для выявления областей с избыточным накоплением влаги;

определены диапазоны частот колебательного спектра, влияющие на устойчивость насыпи в целом и ее отдельных элементов: водопропускных сооружений, балластного слоя, откосной части насыпи и др.;

разработан метод учета влияния динамического воздействия подвижного состава на устойчивость насыпей и элементов ее конструкции. В отличие от традиционных методов, основанных на эффективном учете динамических процессов за счет увеличения статической нагрузки, разработанный метод базируется на решении уравнений механики сплошных сред. Метод положен в основу алгоритма выбора безопасной скорости движения подвижного состава по насыпи.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

метод послойной обработки георадиолокационных данных для определения областей грунта с избыточной влажностью, а также оценки качества работы водоотводных сооружений;

метод оценки изменения влажности земляного полотна по частотным характеристикам вибросейсмических и вибродинамических колебаний;

методика определения спектральных диапазонов

вибродинамических колебаний, влияющих на стабильность отдельных элементов конструкции насыпей;

способ определения влияния динамического воздействия подвижного состава на состояние насыпей, учитывающий физическое состояние слагающих тело насыпи грунтов.

Достоверность полученных результатов. Лабораторные результаты данной работы получены с использованием поверенного измерительного оборудования сертифицированной грунтовой лаборатории.

Натурные измерения выполнены с использованием современных геофизических методов. Обработка экспериментальных результатов проведена по утвержденным на государственном и ведомственном уровнях нормативным документам с использованием апробированных математических методов.

Теоретические представления, использованные в исследованиях, базируется на современных теориях распространения электромагнитных и сейсмических волн в слоистых средах. Компьютерное моделирование и расчеты выполнены с использованием универсального конечно-элементного пакета Сошзо1 МиШрИуБюз.

Разработанные способы и методы обработки георадиолокационных, вибросейсмических и вибродинамических данных, а также результаты численных расчетов во всех исследованиях проверены и подтверждены лабораторными и натурными измерениями.

Практическая значимость работы заключается: в апробации разработанных методов и методик;

в создании способа определения критических значений физических параметров конструкций и грунтов, положенного в основу проектирования системы мониторинга оползнеопасных склонов и откосов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на всероссийских научно-практических конференциях «Транспорт-2010», «Транспорт-2011», «Транспорт-2012», «Транспорт-2013» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2010-2013); Шестой, седьмой, восьмой и девятой международных научно-практических конференциях «Инженерная и рудная геофизика» (Геленджик, ГНЦ «Южморгеология», 2010, 2012, 2013, Москва, 2011); международной научно-технической конференции «Транспорт XXI века» (Екатеринбург, УрГУПС, 2011); международной научной конференции «Механика и трибология транспортных систем» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2011); Четвертой и пятой научно-технических конференциях с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» (Москва, МИИТ, 2012, 2013); Второй и третьей международных научно-практических конференциях «Интеллектуальные системы на транспорте» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2012, 2013); Третьей Российской конференции с международным участием (УКИ-12) «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» (Москва, ИПУ РАН, 2012); Первой научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления на железнодорожном транспорте» (ИСУЖТ-2012).

Материалы диссертации отражены в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Морозов A.B., Кругликов A.A., Кислица К.Ю., Шаповалов В.Д., Явна В.А. Количественная обработка георадиолокационных данных // Вестник РГУПС. 2011. № 3. С. 96 - 105.

2. Кругликов A.A., Кислица К.Ю., Шаповалов В.Д., Морозов A.B., Явна В.А. Диагностика объектов транспортной инфраструктуры методом георадиолокации // Вестник РГУПС. 2011. № 4. С. 148 - 154.

3. Морозов A.B., Кругликов A.A., Кислица К.Ю., Хакиев З.Б., ЯвнаВ.А., Востров В.А. Оценка сезонных изменений электрофизических свойств грунтов земляного полотна по данным георадиолокационных

обследований// Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2012. -№1. - С. 75-80.

4. Явна В.А., Каспржицкий A.C., Кругликов A.A., Лазоренко Г.И., Хакиев З.Б., Шаповалов B.JI. Этапы проектирования интеллектуальной системы мониторинга объектов транспортной инфраструктуры// Сборник трудов «Управление большими системами». Выпуск 38. г. Москва ИПУ РАН, 2012. - С.105-120.

5. Кругликов A.A., Лазоренко Г.И., Шаповалов В.Л., Хакиев З.Б., Явна В.А. Интеллектуальные системы мониторинга высоких железнодорожных насыпей // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», г. Ростов-на-Дону, - 2012. № 3. - С. 77-81.

6. Кругликов A.A., Лазоренко Г.И., Шаповалов В.Л., Хакиев З.Б., ЯвнаВ.А. Компьютерное моделирование распространения акустических колебаний в насыпях железных дорог // Вестник РГУПС. 2012. № 3. -С. 135-140.

7. Кругликов A.A., Лазоренко Г.И., Хакиев З.Б., Шаповалов В.Л., Морозов A.B., Явна В.А. Оценка динамического воздействия подвижного состава на высокие насыпи // «Путь и путевое хозяйство». 2013. № 5. — С. 19-23.

Другие издания:

8. Кругликов A.A. Возможность применения низкочастотной сейсмоакустики при обследовании железнодорожного пути // Труды 68-ой студенческой научно - практической конференции. Ростов н/Д: Сб. тезисов. -Рост. гос. ун-т путей сообщения, 2009. - С. 149-150.

9. Кругликов A.A., Шаповалов В.Л., Явна В.А. Вибродинамическая диагностика пути, как метод функциональной диагностики // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2010», апрель 2010 г. в 3-х частях. Часть 2. Естественные и технические науки. Рост. Гос. Ун-т. Путей сообщения. Ростов н/Д, 2010. - С. 146-148.

10. Морозов A.B., Кругликов A.A., Басов С.А., Явна В.А. Комплекс геофизических методов при обследовании водопропускных сооружений //

Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2010», апрель 2010 г.в 3-х частях. Часть 2. Естественные и технические науки. Рост. Гос. Ун-т. Путей сообщения. Ростов н/Д, 2010. - С.149-150.

11. Кругликов A.A., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Воробьев В.Б. Диагностика железнодорожных насыпей комплексом геофизических методов // Седьмая международная научно-практическая конференция и выставка «Инженерная и рудная геофизика-2011» г. Москва, апрель 2011.

12. Кругликов A.A., Шаповалов B.JL, Окост М.В. Комплекс геофизических методов для оценки технического состояния железнодорожной инфраструктуры // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2011», апрель 2011 г. Рост. Гос. Ун-т. Путей сообщения. Ростов н/Д, 2011. - С. 233-235.

13. Кругликов A.A., Шаповалов В.Л., Окост М.В., Попов В.А. Комплекс неразрушающих методов для обследования железнодорожных насыпей // Международная научно-техническая конференция «Транспорт 21 века: Исследования. Инновации. Инфраструктура», г. Екатеринбург, ноябрь 2011. -С. 870-875.

14. Морозов A.B., Кругликов A.A., Шапова