В настоящее время при разработке конструкций земляного полотна железных и автомобильных дорог довольно часто приходится применять индивидуальное проектирование. Такая необходимость возникла в связи с тем, что использование типовых конструкций невозможно при строительстве дорог в неблагоприятных инженерно-геологических условиях, а также при проектировании под повышенные осевые нагрузки. К неблагоприятным инженерно-геологическим условиям относятся слабые основания в местах расположения будущих насыпей (основания сложенные торфами либо глинистыми грунтами с низкими прочностными характеристиками), местные грунты, использование которых для отсыпки земляного полотна разрешается только с обоснованием несущей способности и т.д. Поэтому все проектные решения должны быть проверены инженерными расчетами.
Расчет несущей способности может базироваться на законах теории упругости или пластичности. Разновидностью расчетов является теория предельного равновесия. Основным недостатком метода определения прочности основной площадки земляного полотна по теории упругости является невозможность строго аналитически вычислить несущую способность. Критерием прочности в данном случае является отсутствие зон пластических деформаций основной площадки. Такое ограничение следует признать достаточно жестким, так как значительно занижается величина несущей способности земляного полотна. Деформационный подход [53] позволяет определить направление сдвига, а также объем смещающегося грунта, но применение этого подхода ограничено расчетом устойчивости откосов насыпи. Кроме того, деформационный подход не показывает картины распределения напряжений по телу земляного полотна. Поэтому, определение несущей способности должно базироваться на решении задачи теории предельного равновесия, основные положения которой приведены в
работах В.В. Соколовского, В.Г. Березанцева, В.А.Флорина, С.С.Голушкевича и т.д. [112, 12, 126 26, 27]. В этом случае удается уйти от недостатков, присущих ранее созданным методам, а именно: координаты точек кривых скольжения определяются аналитически на основе предельного напряженного состояния грунтового массива; удается строго определить величину несущей способности земляного полотна, а также размер зоны выпора грунта.
Применительно к земляному полотну железных и автомобильных дорог с учетом действия вибродинамических нагрузок и снижения под их влиянием прочностных характеристик грунтов теория предельного равновесия была применена впервые в ЛИИЖТе профессором Прокудиным И.В. [100].
Основные положения
Методика расчета несущей способности земляного полотна основывается на решении плоской задачи теории предельного равновесия [12, 126, 129, 130], в которой учитывается вибродинамическое воздействие от проходящих поездов и инерционные силы.
Основная система уравнений плоской задачи состоит из уравнений движения грунтовой среды и условия предельного равновесия Кулона и имеет следующий вид:
Решение теории предельного равновесия в особой точке «О»
Исходные положения
Методика, разработанная профессором Прокудиным И.В. [100, 122] прекрасно зарекомендовала себя, показывая хорошую сходимость расчетных данных с фактическими.
При разработке методики определения несущей способности земляного полотна с целью упрощения расчетов были приняты некоторые допущения. В частности при расчете в зоне особой точки «О», а также при определении граничных условий с учетом пригрузки. Сегодня возможности вычислительной техники значительно возросли и позволяют усовершенствовать методику, сделав расчет еще более точным.
Для того чтобы получить представление о методике расчета несущей способности, рассмотрим рисунки 3.2 и 3.3:
В соответствии с рисунком 3.4 необходимо также отметить, что раньше не была учтена пригрузка от балластной призмы в зоне особой точки «О», что оказывало влияние на результаты расчета несущей способности земляного полотна.
Учет пригрузки в зоне особой точки «О»
Для реализации уравнений (3.19) и (3.20) необходимо определить условия на границе. Схема действия внешних сил и пригрузки на откосе принимается в соответствии с рисунком 3.4. В этой схеме не учтена пригрузка балластной призмой особой точки «О». Новая схема представлена на рисунке 3.5.
Вывод уравнения для точного определения напряжений в зоне особой точки «О»
Попробуем найти выражение для определения напряжений в зоне особой точки «О» более точным способом, воспользовавшись интегрированием уравнения дифференциального соотношения вдоль линии скольжения второго семейства. Рассмотрим точку «О», воспользовавшись приемом рекомендованным Флориным В.А. [126]. Вырежем точку «О» характеристикой второго семейства проходящей от центра точки на расстоянии с1г, как показано на рисунке 3.6.
Неограниченное уменьшение размера Ах обуславливает преимущественное уменьшение объема области вокруг точки «О» в сравнении с ее поверхностью и при минимальных размерах вырезанной области действующие на нее силы собственного веса грунта и силы инерции в процессе колебаний будут пренебрежимо малы по сравнению с действующими напряжениями. Кроме того, при минимальных размерах рассматриваемой области, явлением загасания колебаний по глубине можно пренебречь и считать грунт однородным по прочностным характеристикам.
Следовательно, бесконечно малую область вокруг точки «О» можно считать невесомой с постоянными характеристиками грунта, а правую часть уравнения соотношений вдоль линий скольжения приравнять к нулю. При таких условиях построение сетки характеристик в особой точке будет совпадать с предложенным Флориным В.А. [126].
Алгоритм определения несущей способности земляного полотна с учетом изменений в особой точке «О»
Расчет производится в трех зонах (рисунок 3.7): первая зона включает в себя характеристики первого семейства с 0 по 10; вторая охватывает характеристики первого семейства с 11 по 20; третья зона с 21 по 30. Кроме того, каждая зона пересекается 10 характеристиками второго семейства.
Выводы
В рамках корректировки методики расчета несущей способности земляного полотна, выполненной в данной главе, сделано следующее:
- В методику расчета несущей способности земляного полотна внесены изменения, позволяющие более точно оценить величину предельных напряжений, которые способно выдержать земляное полотно.
- При расчете несущей способности земляного полотна учтена пригрузка обочины от балластного слоя, включая особую точку «О» (рисунок 3.5, формула 3.26).
- Учет пригрузки, по-видимому, окажет влияние на увеличение несущей способности земляного полотна, что необходимо проверить расчетами на ЭВМ в следующей главе.
- С помощью интегрирования получено более точное решение для определения несущей способности земляного полотна в зоне особой точки «О» (вторая зона), которое отличается от применяемого ранее и содержит дополнительное слагаемое, оказывающее влияние на увеличение предельных напряжений (формула 3.42).
- Разработана блок-схема для определения несущей способности земляного полотна в особой точке «О».
Список литературы
- Нормативы упругих осадок (деформаций) основной площадки земляного полотна и методика проектирования рабочей зоны земляного полотна для подготовки пути к скоростному движению пассажирских поездов. – М.: МПС России, 1998. – 9 с.
- Переселенков Г.С. Рациональная этапность организации высокоскоростного движения на железных дорогах России / Г.С. Переселенков // Транспортное строительство. – 2007. — №10. – С. 1-4.
- Петрашень Г.И. Распространение и дифракция упругих волн. Изд. Ленинградского университета, 1978.-341 с.
- Петряев A.B. Основы методики расчета несущей способности железнодорожного земляного полотна при оттаивании грунтов, воспринимающих вибродинамическую нагрузку: Дис. … канд.техн.наук. – Л., 1989. – 190 с.
- Попов С.Н. Балластный слой железнодорожного пути. М.: Транспорт, 1965. 183 с.
- Попов С.Н. Профили балластного слоя нужно улучшить – Путь и путевое хозяйство, № 5, 1962, С. 26-31.
- Поспелов В.А. Определение механических характеристик песков на стабилометре с динамическими нагрузками. // Динамика оснований фундаментов и подземных сооружений: Материалы 111 всесоюзн. науч. тех. конф. / Ташкент, 1977.-С. 200-203.
- Правила производства расчетов верхнего строения железнодорожного пути на прочность. – М., 1954. -112 с.
- Преображенская Н.А., Савченко И.А. О влиянии вибрации на сопротивление глинистых грунтов сдвигу // Сб. научн. тр. / ПИИ оснований и фундаментов. – М.: Стройиздат, 1958. – С. 89-92.
- Прокудин И.В. Деформации старых железнодорожных насыпей из глинистых грунтов при скоростном движении поездов. Вестник ВНИИЖТа, № 6. Транспорт, с. 38-41.
- Прокудин И.В. Зависимость вибродинамического воздействия, передающегося земляному полотну, от состояния верхнего строения пути. Вопросы земляного полотна и геотехники на железнодорожном транспорте. Межвузовский сборник трудов, выпуск 201/27, Днепропетровск, 1978, с. 10¬14.
- Прокудин И.В. Зависимость вибродинамического воздействия, передающегося на железнодорожный путь, от конструкции скрепления / И.В. Прокудин, И.С. Козлов, В.И. Шулындин // Труды V науч.-техн. конф. с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». Москва, МИИТ. — 19-20 ноября 2008. – С. 192-194.
- Прокудин И.В. Исследование вынужденных собственных колебаний насыпей // Вопросы повышения надежности земляного полотна на дорогах Дальнего Востока: Сб. научн. тр. / ХабИИЖТ-Хабаровск, 1984. – С. 48-54.
- Прокудин И.В. Исследование динамического воздействия на земляное полотно при длинносоставных поездах. ЛИИЖТ. 1987 г.
- Прокудин И.В. Исследование изменения прочностных характеристик пластичномерзлых глинистых грунтов железнодорожного земляного полотна при действии вибродинамической нагрузки: Дис. … канд.техн.наук. – JL, 1970. -288 с.
- Прокудин И.В. Колебание материалов балластного слоя и земляного полотна под стрелочными переводами / И.В. Прокудин, И.С. Козлов // Труды
V науч.-техн. конф. с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». Москва, МИИТ. – 19-20 ноября 2008. – С.90-93. - Прокудин И.В. Колебания глинистых грунтов земляного полотна при высокоскоростном движении поездов. // Вопросы земляного полотна и геотехники на железнодорожном транспорте: Сб. научн. тр. / ДИИТ- Днепропетровск, 1979.- вып. 203/28. – С. 43-51.
- Прокудин И.В. Опыт проектирования реконструкции верхнего строения пути / И.В. Прокудин // Путь и путевое хозяйство. — 2008. — №7. — С.12-13.
- Прокудин И.В. Организация переустройства железных дорог под скоростное движение поездов: Учебное пособие для вузов ж.-д. трансп. / И.В. Прокудин, И.А. Грачев, А.Ф. Колос; Под ред. И.В. Прокудина. — М.: Маршрут, 2005. – 716 с.
- Прокудин И.В. Прочность и деформативность железнодорожного земляного полотна из глинистых грунтов, воспринимающих вибродинамическую нагрузку: Дис…. докт.техн.наук. – JL, 1982. – 455 с.
- Прокудин И.В. Указание по расчету несущей способности земляного полотна, сложенного глинистыми грунтами, воспринимающими повышенную вибродинамическую нагрузку; JL, ЛИИЖТ, 1981 г., 47 с.
- Прокудин И.В., Кульматицкий Б.Е., Кейзик Л.М. Глинистое земляное полотно в период оттаивания. – Путь и путевое хозяйство, №8, 1979. – С.40- 42.
- Путин В.В. Выступление на Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт России на рубеже веков» // Президент Российской Федерации В.В. Путин о железнодорожном транспорте. ОАО «РЖД», б/г. – С.7.
- РЫБКИН A.A. Математика. Справочное пособие. Для школьников ст. классов и поступающих в вузы / A.A. Рывкин, А.З. Рывкин. – М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и образование», 2003. – 560 с.
- Сазонов В. Н. Эксплуатация кривых малого радиуса с различными скреплениями / В. Н. Сазонов, Э. Д. Загитов // Путь и путевое хозяйство. — 2009. – №2. – С.2-4.