Бергенжанова Г. Р., Тулебаев Е.У.

КУПС, г Алматы, Республика Казахстан

 

НАПРЯЖЕННО – ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ОТ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

 

Во время эксплуатации железнодорожное земляное полотно подвергается влиянию климатических факторов и вибродинамическому воздействию поездов, от которых зависит его деформативность и прочность. Возникновение и дальнейшее развитие деформаций земляного полотна во многом связано с сезонным промерзанием-оттаиванием грунтов и дождевыми осадками, что может создавать угрозу безопасности и бесперебойности движения поездов [1].

Цель настоящей статьи заключается в определении напряженно-деформированного состояния земляного полотна в течение периода его эксплуатации.

По методу Г.М. Шахунянца можно определить коэффициент устойчивости насыпи для весеннего, летнего и осеннего периодов [2].

Известно, что влажность в значительной степени определяет прочностные свойства грунта (Н.Н. Маслов, З.Г. Тер-Мартиросян, К. Терцаги, Н.А. Цытович и др.). Показатель текучести глинистого грунта насыпи меняется в диапазоне весной , летом , осенью . Диапазон изменения угла внутреннего трения и удельного сцепления по результатам стабилометрических испытаний составляет соответственно весной , кПа, летом , кПа, осенью , кПа.

Коэффициент устойчивости меняется в течение года. На рисунке 1 за «единицу» принят минимальный коэффициент устойчивости, горизонтальная линия соответствует максимальному значению коэффициента устойчивости земляного полотна. Кривая №1 показывает предел изменения коэффициента устойчивости откоса насыпи только от величины динамического воздействия поездов, кривая №2 позволяет дополнительно учесть возможное изменение влажности грунтов в течение сезона. Таким образом, определяется величина суммарного воздействия этих двух факторов [3].

Учет вибродинамического воздействия дает снижение коэффициента устойчивости весной до 68%, летом до 18%, а осенью до 21% по сравнению со статическим расчетом. Наименьшая устойчивость насыпи наблюдается весной в период интенсивного оттаивания (до 40% ниже по сравнению с летним периодом). Максимальный диапазон изменения устойчивости возможен летом. Так в период интенсивных дождей коэффициент устойчивости откосов насыпи может снижаться почти на 60%. Совместный учет сезонного вибродинамического воздействия и повышения влажности грунта насыпи дает снижение устойчивости откоса весной почти вдвое, летом в 1,84 раза, а осенью в 1,56 раз.

Рис. 1. Расчетный диапазон изменения коэффициента устойчивости земляного полотна в течение теплого периода.

 

Вибродинамическое воздействие поездов существенно снижает устойчивость откосов насыпи [4].

Кроме устойчивости откосов земляного полотна для определения его состояния в течение года является важным определить величину остаточных деформаций [1, 2].

Для нахождения остаточных деформаций земляного полотна за основу принята теория, предложенная В.Ф. Бабковым. Многократное приложение нагрузки за короткое время к грунту имитирует проход поездов по пути в течение нескольких минут.

Для установления характера нарастания величины остаточных деформаций оказалось достаточным произвести 100 циклов нагрузки-разгрузки. Накопление остаточных деформаций на каждом этапе получено путем суммирования остаточных деформаций от каждого поезда

 

                                               ,                                                  (1)

где  – номер цикла нагружения-разгружения (равен количеству груженых поездов прошедших по участку насыпи).

Изменение суммарной величины остаточной деформации земляного полотна за теплый период  представлено на рисунке 2. Величина остаточной деформации за весь весенний период при пропуске 800 грузовых поездов составила 0,55 мм. В летний и осенний периоды величина  определена прибавлением к суммарной  предыдущего сезона.

Рис. 2. Накопление остаточных деформаций в течение периода оттаивания – промерзания.

 

Величина остаточных деформаций на любой месяц года определяется по зависимости

                                              ,                                (2)

где значения параметров ,  и  определяются по шкале времени на рисунке 3.

а)                                                               б)

  

Рис. 3. Зависимости параметров а) А и б) В от количества пропущенных грузовых поездов.

 

Суммарная величина остаточной деформации основной площадки составила за весь сезон 0,60 мм. В весенний период реализуется большая часть осадки, которая составила около 90%. Темп нарастания остаточных деформаций в течение сезона постепенно загасает, немного увеличиваясь к ноябрю месяцу.

Величина остаточных деформаций насыпи связана с модулем деформации грунта его основания и в диапазоне  от 15 МПа до 50 МПа аппроксимирована степенной зависимостью вида:

 

                                         ,                                        (3)

 

где  - модуль деформации грунта основания, МПа.

Снижение модуля деформаций грунта земляного полотна  в диапазоне от 15 МПа до 50 МПа дает рост величины остаточных деформаций, которая определяется по зависимости:

                                           ,                                         (4)

где  - модуль деформации грунта земляного полотна, МПа.

На величину остаточных деформаций больше оказывает влияние прочность основания, чем земляного полотна. При изменении модуля деформации грунта основания с 20 МПа до 50 МПа величина  снижается на 0,9 мм, а при таком же изменении деформативности тела насыпи величина  снижается почти в 3 раза меньше.

Величина остаточной деформации на основной площадке в зависимости от осевой нагрузки поезда составит

по внутренней рельсовой нити                            ;                         (5)

по оси пути                                                 ;                         (6)

по наружней рельсовой нити                     ,                        (7)

где  - величина осевой нагрузки. Модуль деформации грунта основания Еосн=25 МПа, грунта земляного полотна Езп=50 МПа.

Максимальные значения  достигают в сечении по наружной рельсовой нити. Так при увеличении осевой нагрузки на 30% (от 230 кН/ось до 300 кН/ось) остаточные деформации увеличатся на 38 %.

Прогноз работы земляного полотна позволит максимально использовать его эксплуатационный потенциал, целенаправленно вносить изменения в его конструкцию, как при строительстве нового, так и при назначении мероприятий по усилению длительно эксплуатируемого земляного полотна.

В настоящей статье приведена формулы для определения интенсивности накопления остаточных деформаций основной площадки земляного полотна с учетом различий в напряженно-деформированном состоянии грунтов в годовом цикле эксплуатации. По методу Г.М. Шахунянца определялось коэффициент устойчивости насыпи для весеннего, летнего и осеннего периодов.

 

 

Литература

 

1) Железнодорожный путь /Т. Г. Яковлева, Н.И. Карпущенко, С.И. Клинов и др.; Под ред. Т.Г. Яковлевой. М.: Транспорт, 1999.

2) Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М.: Транспорт, 1987.

3) Основы устройства и расчетов железнодорожного пути /Т.Г. Яковлева, В.Я. Шульга, С.В. Амелин и др.; Под ред. С.В. Амелина, Т.Г. Яковлевой. М.: Транспорт, 1990.

4) Грицык В.И. Расчеты земляного полотна железных дорог: Учеб. пособие для вузов. М.: УМК ИПС, 1998.