Особенности напряженного состояния грунтов подплитного основания при безбалластной конструкции верхнего строения пути

Аннотация

А.Ф.Колос, А.А.Сидоренко, С.В.Соловьев

Дата поступления статьи: 14.06.2014

В статье отражены результаты исследований напряженного состояния земляного полотна при безбалластной конструкции верхнего строения пути. Проведены натурные исследования распределения вертикальных напряжений в теле земляного полотна в зависимости от типа подвижного состава и скорости его движения. Определены зависимости распространения вертикальных напряжений в теле земляного полотна.

Ключевые слова: земляное полотно, безбалластная конструкция верхнего строения пути, RHEDA 2000, затухание вертикальных напряжений, распределение напряжений

Надежная работа безбалластной конструкции верхнего строения пути определяется прочностью и деформативностью подплитного основания.  Деформативность подплитного основания зависит от величины возникающих вертикальных напряжений, проявляющихся при движении подвижного состава, от чувствительности грунта к действию вибродинамической нагрузки [1], от деформативных характеристик грунтов земляного полотна [2, 3], а так же от влияния природных воздействий [4].
Распределение напряжений в теле земляного полотна при применении традиционной конструкции верхнего строения пути с ездой на балласте достаточно хорошо изучено [5, 6]. В отношении безбаллластной (плитной) конструкции железнодорожного пути таких данных нет [3]. Это создает сложности при определении деформации подплитного основания.
Для определения вертикальных напряжений по глубине земляного полотна при безбалластной конструкции верхнего строения пути были проведены экспериментальные исследования на экспериментальном участке Санкт-Петербург – Москва, перегон Саблино-Тосно, II главный путь от ПК 450+00 до ПК 460+00. Анализ осуществлялся с использованием мессдоз с гидропреобразователем. Схема расположения мессдоз в теле земляного полотна приведена на рис. 1. Измерения проводились при различных типах подвижного состава (ЧС-2т, ВЛ-10, «Сапсан») диапазон движения которых составлял 40 – 200 км/ч. Результаты затухания вертикальных напряжений в подрельсовой зоне при различных типах подвижного состава представлены на рис. 2.

Рис.1 - Схема установки мессдоз.

Анализ полученных экспериментальных данных (рис. 2) показал, что вертикальные напряжения в земляном полотне в подрельсовом сечении при различных типах подвижного состава с глубиной изменяются по криволинейной зависимости близкой к экспоненциальной.

Рис.2 - Затухание вертикальных напряжений в подрельсовой зоне при различных типах подвижного состава: 1 - «Сапсан» (V=70 км/ч);
2 - ЧС-2т (V=70 км/ч); 3- ВЛ-10 (V=70 км/ч).

Для оценки затухания напряжений введен показатель δ_z равный отношению вертикальных напряжений, зарегистрированных на глубине z от поверхности основной площадки ( σ_z), к напряжениям, полученным на основной площадке земляного полотна ( σ₀). Изменения коэффициента δ_z  для безбалластной конструкции верхнего строения пути при различных типах подвижного состава представлены на рис. 3. Анализ показывает, что отклонение коэффициента δ_z при изменении глубины от 0 до 1,5 м для разных локомотивов не превышает 15%, что можно считать допустимым для исследования динамических процессов. Это дает основание считать, что изменение показателя δ_z при безбалластной конструкции верхнего строения пути не зависит от типа подвижного состава. Так же было выявлено, что δ_z не зависит и от скорости движения двигающихся поездов. Это является особенностью данной конструкции в отличие от различных конструкций пути на балласте, где с увеличением скорости движения интенсивность затухания вертикальных напряжений увеличивается [5 - 8].

Рис.3 - Относительное изменение вертикальных напряжений в подрельсовой зоне при различных типах подвижного состава:
1 - «Сапсан» (V=70 км/ч); 2 - ЧС-2т (V=70 км/ч); 3- ВЛ-10 (V=70 км/ч).

Для анализа зависимости распространения вертикальных напряжений в теле земляного полотна график δ_z(z) построен в логарифмических координатах (рис. 4). В результате получено, что затухание вертикальных напряжений в подрельсовой зоне при безбалластной конструкции верхнего строения пути будет описываться экспонентой вида:
σ_z = σ₀ * e – ^λz, (1)
где λ – коэффициент затухания вертикальных напряжений, 1/м.

Рис.4 - Относительное изменение вертикальных напряжений в логарифмических координатах при безбалластной конструкции верхнего строения пути.

По полученным экспериментальным данных было установлено, что для безбалластной конструкции верхнего строения пути этот коэффициент составляет 0,67 1/м. В работах Коншина Г.Г. [5, 6] коэффициент затухания вертикальных напряжений по глубине земляного полотна в диапазоне скорости движения 40 - 200 км/ч при железобетонных шпалах на балласте составляет  0,82 – 1,26 1/м.

Рис.5 - Относительное изменение вертикальных напряжений в подрельсовой зоне при различных типах верхнего строения пути:
1 – путь на балласте с железобетонными шпалами
(а - 130 км/ч, б – 70 км/ч, в – 40 км/ч);
2 – безбалластная конструкция пути.

Сопоставляя полученный диапазон (рис. 5) можно утверждать, что интенсивность затухания вертикальных напряжений при безбалластной конструкции верхнего строения пути меньше, чем при традиционном пути с ездой на балласте. До глубины 0,5 м, в зависимости от скорости движения, затухание происходит с интенсивностью на 20% меньше, с увеличением глубины от 0,5 м до 1,0 м на 50% меньше, а диапазоне от 1,0 м до 1,5 м более 70%.
Существующие методики расчета по II группе предельных состояний (по деформативности) рекомендуют принимать глубину рабочей зоны земляного полотна 3 м – для езды на балласте. Учитывая, что при безбалластной конструкции верхнего строения пути вертикальные напряжений в подрельсовой зоне, как указывалось выше, затухают в среднем на 60% менее интенсивно, чем для пути на балласте, следует ожидать, что большая часть грунтовой массы земляного полотна будет находиться в зоне интенсивного динамического процесса, что будет приводить к появлению дополнительных осадок, которые необходимо учитывать при расчете данной конструкции верхнего строения пути.
Как известно с увеличением скорости движения происходит увеличение вертикальных напряжений на поверхности земляного полотна [5 - 10]. На рис. 5 представлено затухание вертикальных напряжений в подрельсовом сечении для подвижных составов ЧС-2т, ВЛ-10 и «Сапсан» при разных скоростях движения.

Рис.6 - Вертикальные напряжения на основной площадке в подрельсовой зоне при различных видах подвижного состава:
1 – «Сапсан»; 2 – ЧС-2т; 3 – ВЛ-10.

Анализ зависимостей, приведенного на рисунке 6 показывает, что с ростом скорости движения вертикальные напряжения увеличиваются при движении любого подвижного состава по линейной зависимости. Так например, при движении грузового поезда с локомотивом ВЛ-10 со скоростью 40 км/ч на основной площадке величина вертикальных напряжений составила 52 кПа, а при скорости 90 км/ч – 56 кПа. Соответственно при увеличении скорости движения на 50 км/ч, прирост напряжений на основной площадке составил 8%. Аналогичные данные получены и при проходе пассажирского состава с локомотивом ЧС-2т, в этом случае прирост составил 7%. При увеличении скорости движения состава «Сапсан» от 70 км/ч до 140 км/ч рост составил 8%. Полученные результаты свидетельствуют о том, что прирост напряжений на основной площадке при безбалластной конструкции верхнего строения пути не зависит от типа подвижного состава. Результаты прироста напряжений приведены в таблице 1.
Таблица № 1
Интенсивность роста напряжений на основной площадке

*опытные проезды поезда «Сапсан».

Анализ таблицы 1 показывает, что при безбалластной конструкции верхнего строения пути прирост вертикальных напряжений на основной площадке, вне зависимости от исследуемого диапазона скорости, вне зависимости от типа подвижного состава составляет 8%, что существенно отличается от пути на балласте. В диапазоне скоростей от 40 км/ч до 80 км/ч прирост при разных конструкциях отличается в 2,1 раза, при скоростях 80 – 140 км/ч в 1,8 раз, а при скоростях до 200 км/ч не превышает 1,4 раза. Особый интерес представляет распределение вертикальных напряжений на основной площадке и по глубине земляного полотна. Результаты такого исследования приведены на рис. 7 – 9.

Рис.7 - Вертикальные напряжения на основной площадке под тощим бетоном при различных видах подвижного состава (V = 70 км/ч): 1 – «Сапсан»; 2 – ЧС-2т; 3 – ВЛ-10.

Рис.8 - Вертикальные напряжения в теле земляного полотна (h = 45 см) при различных видах подвижного состава (V = 70 км/ч): 1 – «Сапсан»; 2 – ЧС-2т; 3 – ВЛ-10.

Рис.9 - Вертикальные напряжения в теле земляного полотна (h = 95 см) при различных видах подвижного состава (V = 70 км/ч): 1 – «Сапсан»; 2 – ЧС-2т; 3 – ВЛ-10.

Учитывая повышенную жесткость безбалластной конструкции верхнего строения пути стоило бы ожидать равномерного распределения вертикальных напряжений под слоем тощего бетона и по глубине, однако в экспериментальных условиях доказано, что эпюра далека от равномерно распределенной. Из рисунков 7 - 9 видно, что максимальные напряжения фиксируются в подрельсовом сечении, а наименьшие в сечении у торца гидравлически связного слоя. Для оценки неравномерности распределения вертикальных напряжений в теле земляного полотна и на основной площадке введем коэффициенты неравномерности распределения вертикальных напряжений (2) : γ_i-тт – сечение у торца тощего бетона, γ_i-о – сечение по оси пути, γ_i-тн – у торца несущей бетонной плиты.
   (2)                                                    
где σ_i-o, σ_i-тн , σ_i-тт , σ_i-р – напряжения в земляном полотне соответственно в сечениях по оси пути, у торца несущей плиты, у торца тощего бетона и под рельсами.
Анализ рассчитанных коэффициентов неравномерности распределения напряжений показал, что их значения в каждом из рассматриваемых сечений остается постоянным при различных типах подвижного состава и скоростях движения. В связи с этим γ_i-о, γ_i-тни γ_i-ттна каждой глубине от уровня основной площадки по результатам экспериментов были определены их средние значения, представленные в таблице №2.

Рис.10 - Распределение вертикальных напряжений на основной площадке при проходе локомотива ЧС-2т (V=70 км/ч): 1 – конструкция на балласте (щебень 40 см), 2 – безбалластная конструкция.

Таблица № 2
Коэффициенты неравномерности распределения вертикальных напряжений по глубине

Анализируя распределения вертикальных напряжений при различных конструкциях верхнего строения пути (рис. 10), можно утверждать, что за счет большей жесткости конструкции произошло более равномерное распределение напряжений. В частности, уменьшение напряжений в подрельсовой зоне и их увеличение по оси пути почти в 2 раза по сравнению с путем на балласте.

На основании проведенных исследований и анализа можно сделать следующие выводы:

1. При безбалластной конструкции верхнего строения пути затухание вертикальных напряжений происходит менее интенсивно в отличие от классической конструкции на балласте. Тем самым вовлекая в работу под поездной нагрузкой большую толщу грунтов земляного полотна. Глубина этой толщи должна быть рассчитана исходя из соотношений действующими динамическими напряжениями, возникающими деформациями и деформативными характеристиками грунтов.
2. Безбалластная конструкция верхнего строения пути более равномерно распределяет вертикальные напряжения на основной площадке и в теле земляного полотна от воздействия поездной динамической нагрузки по сравнению с традиционной конструкций на балласте.
3. При безбалластной конструкции верхнего строения пути вне зависимости от типа подвижного состава влияние скорости от 70 км/ч до 200 км/ч не приводит к существенному росту вертикальных напряжений на основной площадке земляного полотна. При движении поезда «Сапсан», в указанном диапазоне скоростей, прирост составил не более 20%.

Список литературы:

1. Колос А.Ф., Мирсалихов З.Э. Исследование деформативных свойств лессовидных супесей при воздействии вибродинамической нагрузки от скоростного подвижного состава [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/928  (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
2. Козлов И.С., Николайтист Д.С. Чувствительность щебёночного балласта к вибродинамическому воздействию [Текст]: Сборник научных трудов SWorld, 2011, том 2, с.23-24.
3 Колос А.Ф., Петрова Т.М., Сидоренко А.А. Проблемы эксплуатации безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000 на железнодорожной магистрали [Текст]: Вестник Института проблем естественных монополий: Техника железных дорог. 2013. № 2. С. 42-47.
4. Кругликов А.А., Лазоренко Г.И.,. Шаповалов В.Л., Хакиев З.Б., Явна В.А. Интеллектуальные системы мониторинга высоких железнодорожных насыпей [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/899  (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
5. Коншин Г.Г., Титов В.П., Хромов В.И., Наумова Н.В.  Напряжения и упругие деформации в земляном полотне под воздействием поездов [Текст]. – Труды ЦНИИ МПС, вып. 460. М., «Транспорт», 1972. – 128 с.
6. Коншин Г.Г. Работа земляного полотна под поездами: учебное пособие [Текст]. – М.: ФГБОУ «Учебно – методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2012. – 208 с.
7. Коншин Г.Г. Экспериментальное исследование распределения динамических напряжений в теле земляного полотна [Текст]. – Труды МИИТа, вып. 210. М., «Транспорт»,  1965. – 87 с.
8. Шахунянц Г.М. Работа пути с блочными железобетонными подрельсовыми основаниями [Текст]. – Труды МИИТа и ДИИТа, вып.249.М., «Транспорт», 1967. – 66 с.
9. G.Michas. Slab track system for High [Text] – Speed railways. – Royal Institute of Technology (KTH) – Sweden, Stockholm. – 2012. – 107 p.
10. S.Y. Jang, H.S. Lee. Development of prefabricate concrete slab track system and trial installation on revenue line [Text] – Korea railroad research institute – South Korea, Uiwang – 2008. – 68 p.