Влияние конструкции промежуточных рельсовых скреплений на несущую способность земляного полотна скоростных железнодорожных линий

Цикл статей:
Глава 1 – Влияние конструкции промежуточных рельсовых скреплений на несущую способность земляного полотна скоростных железнодорожных линий

Работа железнодорожного пути при скоростном движении поездов

Особенности работы верхнего строения пути и земляного полотна при скоростном движении поездов

Железнодорожный путь является сложной инженерной системой, включающей в себя различные элементы, такие как рельсы, шпалы, скрепления, балластный слой, земляное полотно. Работа каждого из них в целом и в отдельности определяет надежность пути и безопасность движения поездов [55, 91,3].

Очевидно, что надежность железнодорожного пути будет определяться прочностью рельсов, шпал и прочностью подшпального основания, состоящего из балластного слоя и земляного полотна.

Условием безопасной работы отдельного элемента железнодорожного пути является непревышение действующих напряжений над предельными, которые может выдержать конструкция. Дня расчета действующих усилий имеются математические решения, учитывающие динамическое воздействие колеса на рельс [3, 135, 134].

В отношении предельных напряжений можно сказать, что реально существуют только величины предельных кромочных напряжений в рельсах и допускаемых напряжений под подкладками на шпале, определяемые прочностью рельсовой стали и прочностью материала шпал соответственно. В отношении прочности балластного слоя имеются только оценочные критерии [8, 78]. Эти критерии являются достаточно осредненными величинами и не учитывают разнообразия условий, в которых работает балластная призма (влажность балластного слоя, прочностные свойства, геометрия конструкции).

В последние годы все показатели дефектности элементов верхнего строения пути по сравнению с предыдущими годами улучшились [22].

Земляное полотно на всем протяжении сети в основном удовлетворяет требованиям перевозочного процесса, однако более чем на 11 %

эксплуатационной длины оно имеет дефекты и деформации, негативно влияющие на перевозочный процесс [134].

Оно работает в сложных условиях загружения динамическими поездными нагрузками и непосредственного воздействия на него непредсказуемо изменяющихся природных факторов (температуры, атмосферных осадков, ветра и пр.). Всё это необходимо учитывать при проектировании и расчетах.

В настоящее время на мировой сети железных дорог повсеместно применяются только широкоподошвенные рельсы. На главных путях железных дорог России эксплуатируются рельсы типов Р65 (87,7 % протяжения путей), Р75 (2,9 %), Р50 (8,8 %) и Р43 и легче (2,4 %) [134]. В настоящее время прокатываются и укладываются в основном рельсы Р65. На высокоскоростных магистралях в соответствии с [358] разрешается и рекомендуется использовать рельсы Р65.

Масса рельса, его очертание (профиль), качество рельсовой стали и особенности изготовления находятся между собой в тесной взаимосвязи и зависимости от нагрузок колесных пар подвижного состава на рельс, скоростей движения и грузонапряженности [88].

Места соединения рельсов между собой называют стыками. По конструкции различают стыки болтовые, клееболтовые и сварные.

Несмотря на то, что, на скоростной линии Санкт-Петербург — Москва уложен бесстыковой путь (плети сварены), имеют место болтовые и клееболтовые стыки, так как вварены еще не все стрелочные переводы, а также используемая автоблокировка предусматривает наличие изолирующих стыков.

Вследствие разрыва сплошности и изменения изгибной жесткости рельсовых нитей в болтовых стыках при проходе колес подвижного состава по стыкам возникает излом упругой линии рельсов, и возникают до­полнительные ударно-динамические воздействия колес на путь [8, 31, 77].

Величина стыковых зазоров меняется в зависимости от изменения температуры. Концы рельсов при этом перемещаются, преодолевая силы трения в накладках. Большие стыковые зазоры увеличивают силу воздействия колеса на стык. Поэтому правила установки и содержания стыковых зазоров должны строго соблюдаться. Однако удары в стыках являются следствием не столько величины самого зазора, сколько, главным образом, перелома траектории движения точки касания колеса с рельсом. Колесо в стыке проходит через неровность в виде угла, образованного прогнувшимися концами рельсов. Из-за наличия этого угла происходит удар колеса о головку принимающего рельса, вследствие чего головка сминается с образованием седловины за стыком. Особенно интенсивно этот процесс протекает при наличии в стыке плохо подбитых шпал [31].

В сварных стыках обеспечена непрерывность рельсовых нитей. Однако если в сварном стыке рельсы примыкают друг к другу под углом или со ступенькой в плане и профиле, то ударно-динамические воздействия колес на путь в таком стыке могут быть такими же, как на болтовом стыке.

Стык рельсов — самое напряженное и слабое место в пути. Назначение бесстыкового пути — ликвидация или сведение к минимуму числа рельсовых стыков. Это одно из наиболее эффективных средств усиления пути [3].

В результате многолетних исследований и опыта эксплуатации установлены бесспорные достоинства бесстыкового пути [134]:

1. снижение основного удельного сопротивления движению поездов и, в связи с этим, экономия топлива и электроэнергии на тягу (до 12-15 % или -7,0 млн кВт-ч и -3,9 тыс. т дизельного топлива на 1000 км в год);
2. продление сроков службы верхнего строения пути. Так, отказы бесстыковых плетей по дефектам (контактно-усталостным и в стыках) возникают в 1,8-2 раза реже, чем рельсов звеньевого пути, а без учета уравнительных пролетов – в 3-4 раза;
3. снижение объемов работ по выправке пути (до 25-30 %);
4. снижение интенсивности бокового износа наружной рельсовой нити кривых и, соответственно, выход рельсов по этой причине в 1,5-1,6 раз;
5. сокращение потребностей в очистке щебеночного балласта на угольно-рудных маршрутах в 1,5-2,0 раза;
6. экономия расхода металла на стыковые скрепления (до 4,5 т-км);
7. улучшение условий комфортабельности проезда пассажиров;
8. повышение надежности работы электрических рельсовых цепей автоблокировки.

До перехода к рыночным условиям общепринятой была точка зрения, что бесстыковой путь с железобетонными шпалами, имеющий повышенную однородность, равноупругость и стабильность (сопротивляемость внешним воздействиям), наиболее предпочтителен для скоростных магистралей, а также для обычных линий с грузонапряженностью от 25 до 80 млн ткм брутто/км в год. За последние годы цена и особенно дефицит деревянных шпал возросли настолько, что путь с железобетонными шпалами и сварными рельсовыми плетями стал практически безальтернативной конструкцией.

Промежуточные скрепления, выполняя роль связующих элементов между рельсами и основанием, должны обеспечивать [43]:

• стабильность ширины колеи;
• прижатие рельсов к основанию, исключающее отрыв и угон рельсов;
• оптимальные условия температурной работы рельсов;
• проведение регулировки положения рельсов по высоте и ширине

колеи, замену деталей скреплений без перерывов в движения поездов;

• механизированную сборку и содержание узлов скреплений;
• рациональную пространственную упругость и вибростойкость узлов

скреплений;

• электроизоляцию рельсов от основания;
• экономическую эффективность конструкции верхнего строения пути.

Требование обеспечения стабильности ширины колеи важно и очевидно, оно прямо связано с обеспечением безопасности движения поездов из условия недопущения провала колес.

Нарушение требования по обеспечению достаточности прижатия рельсов к основанию приводит к отрыву рельсов от шпал при укладке или разборке пути, а также при его подъемке при проведении выправочных работ.

Угон рельсов приводит к изменению их напряженно- деформированного состояния, что может вызвать выброс пути при повышении температуры и разрыв стыков при ее понижении. Угон пути приводит к смещению и перекосу шпал, выпадению подрельсовых прокладок.

Требование оптимизации температурной работы рельсов также связано с величиной усилий прижатия их к основанию. Исключить температурные деформации рельсов очень сложно, так как это вызывает усложнение конструкции пути, удорожание рельсовых скреплений. Недостаточное же прижатие рельсов к основанию вызывает чрезмерные деформации концевых участков рельсовых плетей, усложнение конструкции стыковых скреплений, быстрый износ промежуточных скреплений, нарушение равноупругости основания из-за перемещения шпал [108, 23].

Обеспечение рациональной пространственной упругости рельсовых скреплений необходимо для того, чтобы упруго перерабатывать динамические воздействия колес подвижного состава на рельсы, гасить высокочастотные вибрации, расстраивающие путь и особенно его болтовые соединения, а также для того, чтобы создавать равноупругость подрельсового основания [51].

Упругость, создаваемая скреплениями, отделяет массу рельса от подрельсового основания аналогично тому, как рессоры отделяют кузов экипажа от его ходовых частей. Это существенно снижает силы инерции, образующиеся при движении колес по неровностям пути. Однако при большой вертикальной и горизонтальной упругости опор увеличивается статический изгиб рельсовых нитей под колесной нагрузкой, увеличивается также поворот поперечных сечений рельсов, создающий угоняющий эффект. Этим и объясняется существование понятия оптимальной пространственной упругости пути, при которой взаимодействие пути и подвижного состава будет наилучшим, а напряжения, деформации и накопления последних будут минимальными.

Кроме того, неизменная упругая связь элементов скреплений с рельсами, подрельсовыми опорами и друг с другом с заданным натяжением необходима для обеспечения нормальной работы скреплений, предотвращения неупругих колебаний элементов и связанных с этим расстройств узлов скреплений [51].

Передача боковых сил на бетон должна осуществляться через упругие амортизаторы (прокладки, подклеммники), обеспечивая при этом величины удельных давлений на них в допускаемых пределах [76].

Скрепления должны обеспечивать возможность регулировки положения рельсов по высоте в пределах 10-20 мм. Прокладки-регуляторы должны изготавливаться из жестких материалов [16]. Их типоразмеры должны обеспечивать уклоны отводов при исправлении пути в соответствии с действующими нормативами.

В настоящее время на скоростной линии Санкт-Петербург – Москва применяются промежуточные рельсовые скрепления типа КБ-65 и АРС-4 на железобетонных шпалах, а также имеется один стометровый экспериментальный участок со скреплениями типа Пендрол.

Типовым промежуточным скреплением для железобетонных шпал яв­ляется раздельное клеммно-болтовое скрепление КБ, в котором рельс к подкладке прижимается жесткими                                                           клеммами, надеваемыми на

клеммные болты, фигурные головки которых заводятся в пазы реборд подкладок. Под гайки клеммных болтов ставят упругие шайбы. Металлические подкладки укладывают на наклонную (для обеспечения подуклонки рельсов), заглубленную в тело шпалы на 15-25 мм подрельсовую площадку. На бетон под подкладку укладывают для электро- и виброизоляции резиновую прокладку толщиной 6-8 мм. Благодаря этому осуществляется передача поперечных горизонтальных сил от подкладки через нашпальную прокладку на бетон, улучшаются условия работы закладных болтов и повышается стабильность ширины колеи.

. Подкладка крепится к шпале закладными болтами. При этом головки болтов опираются на замоноличенную в бетон металлическую шайбу, которая при затяжке монтажных гаек равномерно распределяет нагрузку на бетон. Электроизоляция подкладок от шпал осуществляется нашпальной прокладкой и втулкой из текстолита, надеваемой на стержень закладного болта и заглубляемой в отверстие металлической подкладки.

Высота реборд подкладок КБ позволяет укладывать под рельс прокладки толщиной 12-14 мм для регулировки рельсов по высоте, что осо-

о

бенно важно в зимний период. В других случаях это преимущество скрепле­ний КБ используют для укладки под подошву рельса прокладок повышенной упругости.

Полностью себя оправдало применение скреплений КБ на бесстыковом пути в отношении применения прогрессивной технологии замены рельсов, разрядки температурных напряжений, обеспечения оптимальных условий температурной работы рельсовых плетей.

Недостатками конструкции скреплений КБ является многодетальность (21 деталь в каждом узле скреплений), материалоемкость (общая масса металлических и полимерных деталей на 1 км пути составляет соответственно 41,6 и 2,1 т) и наличие около 16 тыс. болтов на 1 км пути, содержание которых (очистка от грязи, смазка, подтягивание гаек) требует больших затрат.

Исследования по совершенствованию конструкции скрепления КБ ведутся в направлении замены жестких клемм с упругими шайбами на упругие прутковые или пластинчатые клеммы.

В МИИТе разработано анкерное рельсовое скрепление (сокращенно АРС), предназначенное для магистральных линий без ограничений по грузонапряженности и скоростям движения поездов. АРС характеризуется высокой надежностью и стабильностью рельсовой колеи, малодетальностью (отсутствием резьбовых соединений), простотой сборки и эксплуатации и, как следствие этого, высокой экономической эффективностью. Предназначенный к серийному внедрению узел скрепления АРС-4 обеспечивает снижение материалоемкости по сравнению с КБ65 на 30 %, что позволяет сэкономить на каждом километре пути не менее 15 т металла. Несъемность анкера, являющегося составной частью шпалы, в 3, 4 раза уменьшает вес съемных деталей узла, обеспечивает возможность проведения не менее одного капитального ремонта пути без снятия рельсошпальной решетки, превращая его в средний ремонт со сплошной сменой рельсов и (при необходимости) амортизирующих элементов.

Основными элементами скреплений типа АРС являются:

• замоноличенный в подрельсовой зоне железобетонной шпалы объединенный анкер рамно-арочного типа с двумя хвостовиками, (объединяет работу двух клеммных узлов, охватывая подошву рельса);
• две В-образные пружинные прутковые клеммы;
• два эксцентриковых монтажных регулятора в виде правильного шестигранника с опорными осями цилиндрической или конусообразной формы, обеспечивающих необходимую величину натяжения пружин;
• два плоских подклеммника с ограничителями их перемещений относительно клеммы;
• два нарельсовых изолирующих и амортизирующих уголка;
• подрельсовая резиновая прокладка повышенной упругости толщиной 14 мм, аналогичная ЦП-204.

Узел скрепления АРС-4 обеспечивает регулировку положения рельса на высоте до 20-24 мм.

Это скрепление является по своим параметрам конкурентоспособным лучшим пружинным зарубежным скреплениям типов Vossloh, PANDROL, Nabla и др [57, 70].

Ершов Д.С. и Питеев Н.И. вообще предлагают изменить систему проектирования скреплений, так как в настоящее время все немногочисленные усилия в области разработки скреплений направлены в основном на доработку существующих типов скреплений, что не может кардинально изменить ситуацию и создать конкурентоспособную конструкцию на мировом уровне [42].

В то же время необходимо заметить, по данным Кузнецовой О.И. [73], что экспериментальные исследования работы подрельсовых прокладок скрепления Pandrol Fastclip в Казахстане не подтвердили заявленные в рекламной информации сроки эксплуатации.

По мнению Никонова A.M. [79, 80] верхнее строение пути для высокоскоростных магистралей должно полностью состоять из зарубежных материалов и конструкций, так как отечественные значительно уступают по качеству изготовления и эксплуатационным свойствам.

Установлено [85, 86, 25], что выравнивание давлений от шпал при проходе поездов происходит на глубине более 50-60 см от их подошвы. Этим лимитируется минимальная общая толщина балластной призмы.

Земляное полотно воспринимает статические нагрузки от верхнего строения пути и динамические от подвижного состава и упруго передает их на основание. Оно предназначено также для выравнивания земной поверхности в пределах железнодорожной трассы и придания пути необходимого плана и профиля.

Это наиболее ответственный элемент железнодорожного пути, его несущая конструкция. Его можно считать как бы фундаментом верхнего строения.

От надежности земляного полотна зависят техническая скорость движения поездов и разрешаемая статическая нагрузка на рельсы,

передаваемая от колесных пар вагонов, а через них масса поезда, провозная и пропускная способность линий [127, 72, 32].

Так как основным материалом данной конструкции является грунт, свойства которого стохастически изменяются при изменении техногенных и природных воздействий, то и состояние, надежность (способность работать без отказов) также не постоянна. Все это необходимо учитывать при проектировании, строительстве и эксплуатации земляного полотна, рассматривая любой его объект как открытую динамическую систему [30]. К земляному полотну предъявляются следующие основные требования

[131]:

• оно должно быть прочным (грунт должен иметь достаточное сопротивление воздействию нормальных напряжений), устойчивым (грунт должен иметь достаточное сопротивление воздействию касательных напряжений), надежным (работать без отказов), долговечным (иметь неопределенно долгий срок службы);
• все поверхности земляного полотна, устройств при нем и полосы отвода должны быть спланированы и защищены так, чтобы атмосферная вода нигде не застаивалась и был бы обеспечен максимальный ее сток в стороны или специальные водоотводные сооружения при минимальной впитываемости в грунт, а текущая вода не размывала бы откосы и основание;
• конструкции земляного полотна должны обеспечивать минимальные расходы на их устройство, ремонты и содержание при максимальной возможности механизации и автоматизации работ.

Кроме основных, существуют эксплуатационные требования, предъявляемые к земляному полотну [134]:

• оно должно обеспечивать длительную эксплуатацию с минимальными отказами при пропуске современных и перспективных типов подвижного состава при максимальных скоростях движения поездов и расчетной грузонапряженности проектируемой железной дороги;
• быть ремонтопригодным;
• быть равнонадежным по протяжению независимо от вида

применяемых грунтов и естественного состояния основания;

• быть взаимосвязанным с притрассовой автодорогой.

Кроме того СТН Ц-01-95 требует при проектировании новых скоростных, особогрузонапряженных, I и II категорий линий непревышения величины равномерного морозного пучения (с учетом наличия защитного слоя) 20 мм, III категории – 25 мм и IV — 35 мм. Расчетная величина упругих осадок основания по оси пути для дорог скоростных, особогрузонапряженных и 1-Ш категорий не должна превышать 2 мм, а IV — 3 мм.

При переустройстве железных дорог под скоростное движение поездов должны быть обеспечены нормативы упругих осадок основной площадки земляного полотна [81].

В настоящее время большинство научных работ, связанных с земляным полотном, направлено на усиление основной площадки земляного полотна либо на выравнивание и снижение напряжений на основной площадке земляного полотна посредством укладки геомотериалов на основную площадку либо в балластную призму соответственно [6, 107, 14].

Наиболее надежными средствами для выявления участков с нестабильным земляным полотном является анализ данных проходов вагонов путеизмерителей [99, 37], нагрузочные испытания, и вибродинамическая диагностика [65, 29].

Несущая способность земляного полотна определяется, как известно прочностными характеристиками грунтов и уровнем вибродинамического воздействия, передаваемого от подвижного состава на основную площадку [101,95].

Рост скоростей приводит к повышению динамических давлений, передаваемых на грунты земляного полотна. В связи с этим необходимо

уметь определять несущую способность земляного полотна с учетом следующих факторов:

• скорость движения;
• осевая нагрузка;
• погонная нагрузка.

Уровень динамики, передающийся на основную площадку земляного полотна значительно зависит от конструкции верхнего строения пути [96, 92].

В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений совершенствования конструкции верхнего строения железнодорожного пути являются промежуточные рельсовые скрепления [38, 105, 36, 106].

Грунты земляного полотна воспринимают значительные инерционные усилия, величины которых в зависимости от типа и конструкции скрепления при движении скоростных поездов, экспериментально не определялись. Поэтому трудно судить, как поведет себя земляное полотно при организации скоростного движения с различными конструкциями скреплений в пути. В связи с этим требуется разработка методики определения несущей способности земляного полотна с учетом инерционных сил, возникающих при движении поездов, и типов рельсовых скреплений.

Под несущей способностью земляного полотна понимается наибольшая (предельная) величина напряжений, воспринимаемых земляным полотном, при которых он находится в предельном равновесии и при минимальном превышении этих напряжений происходит нарушение предельного состояния, образование поверхностей смещения в земляном полотне и разрушение его как конструктивного элемента железнодорожного пути.

Таким образом, определение несущей способности земляного полотна должно базироваться на законах теории предельного равновесия с учетом действия инерционных сил, зависящих от конструкции верхнего строения пути. Известно, что в условиях вибродинамического воздействия грунты снижают свои прочностные свойства [95, 46, 63, 64 и др.]. Величина, которая характеризует снижение, будет определяться многими факторами, такими как влажность, плотность, гранулометрический состав и уровень вибродинамического воздействия. Поэтому методика расчета должна учитывать и закономерности снижения удельного сцепления и угла внутреннего трения земляного полотна под влиянием вибродинамического воздействия, затухающего по глубине и в горизонтальном направлении поперек пути. В сущности, формируется и решается задача теории предельного равновесия в динамической постановке, трудоемкость реализации которой возрастает настолько, что требуется привлечение вычислительной техники.

Несущая способность нижнего строения пути будет определяться совместной работой узла скрепления, балластного слоя и земляного полотна. Очевидно, что наибольшее напряжения будут передаваться по подошве шпал балластному слою и далее земляному полотну, а стабильность и надежность работы рельсошпальной решетки будет определяться, прежде всего, прочностью основной площадки земляного полотна. Оценку прочности целесообразно производить по величине несущей способности земляного полотна с учетом ярко выраженной его работы при большом вибродинамическом воздействии от скоростного движения поездов.

Принимая во внимание выше сказанное, появляется необходимость изучения особенностей работы земляного полотна при вибродинамическом воздействии поездов, чему и посвящен следующий параграф.

Вибродинамическое воздействие поездов на земляное полотно железнодорожного пути

При переустройстве существующих, проектировании и строительстве новых железных дорог под скоростное движение требуется решить целый комплекс технико-экономических задач. Это, в первую очередь [60, 44, 45], вопросы обеспечения безопасности движения поездов, связанные с

возрастанием сил взаимодействия пути и подвижного состава, увеличением вибрации, более интенсивным накоплением остаточных деформаций, снижением сроков службы основных элементов верхнего строения пути, увеличением объемов работ по текущему содержанию и ремонтам пути.

Необходимость изучения влияния вибрационных и силовых нагрузок на несущую способность земляного полотна связана с резким увеличением количества деформирующихся мест. Вопросам исследования колебательного процесса до настоящего времени уделялось большое внимание в ПГУПСе (ЛИИЖТе), МИИТе, ДИИТе и т.д.

Повышенное вибродинамическое воздействие поездов на земляное полотно железнодорожного пути — это важнейшая причина появления и развития деформаций. Работами, проводимыми во ВНИИЖТе, МИИТе, ПГУПСе установлено, [8, 7, 77, 101] что рассматривать причину интенсивного накопления остаточных осадок пути на железобетонных шпалах из-за повышенного давления шпал на балласт недостаточно. По данным П.П. Цуканова, М.Ф. Вериго, В.Ф. Федулова, B.C. Лысюка, В.Ф. Барабошина, Н.И. Ананьева и др. [8, 7, 31, 77] необходимо учитывать вибрационный характер нагружения земляного полотна.

Известно [8, 77], что наибольшее динамическое воздействие на земляное полотно возникает при прохождении колес по неровности на пути, через рельсовый стык, а также при движении колес имеющих неровности на поверхности катания. Кроме того, величина зазора в стыке существенно сказывается на уровне вибрационного воздействия в земляном полотне [91].

Первые натурные исследования упругих деформаций участков насыпи от воздействия подвижного состава выполнены А.Н. Васютинским [18]. По его мнению, деформации объясняются дополнительными динамическими усилиями, которые появляются при движении поездов и увеличивают действующую нагрузку на путь. В дальнейшем С.К. Волобуев пришел к выводу, что основными причинами деформаций, приводящих к

дестабилизации пути, являются переувлажнение земляного полотна и колебания грунтов под воздействием движущейся поездной нагрузки [21].

Эти работы русских ученых показали, что крайне необходимо знать законы распространения колебаний от воздействия поездов и влияние этих колебаний на изменение прочностных и деформативных свойств грунтов земляного полотна и как следствие их учет в расчетах земляного полотна на прочность и устойчивость.

Дальнейшие исследования поведения грунта при проходе поездов были направлены на изучение основных характеристик колебательного процесса и распространение колебаний в теле земляного полотна и за его пределами. Известно [35, 133], что колебания гармонического типа определяются следующими основными характеристиками: амплитудой (А), частотой скоростью (V), ускорением (1), мощностью (\\0, энергией (Е), резкостью (у) и интенсивностью (И). При этом амплитуда и частота являются исходными характеристиками, а все остальные – производные от них и определяются по выражениям:

Колебания грунтов земляного полотна, вызываемые движущимися поездами, представляет собой сложный стохастический процесс, обуславливающийся колебанием железнодорожного пути в целом, который колеблется не как единое целое, а как система взаимосвязанных элементов. Рельсы, шпалы, балласт, нижнее строение пути совершают вынужденные колебания под действием динамических сил и свободные колебания под влиянием сил упругости [40, 19, 47, 2, 1, 116, 91, 100, 93, 97]. С момента появления первых работ и по настоящее время амплитудно- частотные характеристики колебательного процесса грунтов изучались как на основной площадке земляного полотна, так и на некотором расстоянии от него [21, 24, 10, 61]. В результате были предложены аналитические выражения, которые базировались на экспоненциальной зависимости, предложенной в начале века Голицыным Б.Б. [24], с введением различных коэффициентов пропорциональности. Так Баркан Д.Д. [10] для расчета амплитуд в зависимости от расстояния до источника колебаний и скорости поезда ввел в формулу Голицина Б.Б. коэффициент пропорциональности и затухания колебаний по глубине

Однако следует отметить, что зависимость (1.2) хорошо отражает изменение амплитуд колебаний грунта на расстояниях свыше 12-15 м от источника, но вблизи последнего регистрируются значительно большие амплитуды, чем это следует из (1.2) [100]. Таким образом, исключается возможность использования этого выражения для определения величин смещения частиц грунта на расстоянии до 12 м от источника колебаний.

В отличие от Д.Д. Баркана, В.А. Соколов производил запись колебаний грунтов при движении поездов не только вблизи источника вибродинамического воздействия, но также и за пределами земляного полотна на удалении до 300 м от головки наружного рельса как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях [110, 111]. В результате измерений установлена зависимость амплитуды колебания грунта от скорости движения поезда, расстояния от рельса, глубины места наблюдений, рода и состояния грунта, вида подвижного состава.

Поверхностные частицы земляного полотна на оси пути колебались с амплитудой 60-120 мкм и частотой 25-50 Гц. С удалением от оси пути колебания затухают и на расстоянии 300 м остаются еще ощутимыми. Характер затухания амплитуд колебаний более близко описывается не экспоненциальной зависимостью, а степенной функцией вида:

Одним из основных факторов, определяющих амплитуду колебания, по мнению В.А. Соколова, является связность грунтов. Более связные грунты обладают меньшими амплитудами при прочих равных условиях. На уровень колебаний оказывает влияние и влажность грунта. По наблюдениям автора установлено, что с увеличением влажности амплитуда колебания грунта возрастает. Колебания в горизонтальном направлении на 20-30 % больше, чем в вертикальном.

Обратная зависимость между составляющими колебательного процесса наблюдалась в исследованиях сотрудников ЛИСИ [123, 40], в которых вертикальные амплитуды колебаний больше горизонтальных.

В последующих работах Соколова В.А., Маслова H.H., Кистанова А.И. предлагались степенные функции и экспоненты различной структуры, однако все они имели недостатки, свойственные (1.2) [61, 62, 40] По результатам полевых исследований Ершов В.А. получил аналитическое выражение, которое в последующем совместно с Костюковым И.И. [40] переработал, представив в виде:

Произведение MPV в формуле (1.4) как следует из смысла сомножителей равно А_а, т.е. амплитуде колебаний грунта основной площадки земляного полотна, возникающей при проходе поезда со скоростью V и осевыми нагрузками Р.

Формула (1.4) при рекомендованных авторами в [40] коэффициентах загасания 8), 82 и 8₃ хорошо аппроксимирует экспериментальные данные на расстоянии до 8 м от оси пути. Существенным недостатком зависимости (1.4) является неудовлетворительное соответствие между расчетными и экспериментальными данными на расстоянии от источника колебаний свыше 12 м [20]. Кроме того, излишне усложнено графо-аналитическое определение загасания амплитуд колебаний в горизонтальном направлении.

Из всего вышесказанного следует, что предложенные выражения (1.2) и (1.4) отражают реальную картину распространения колебаний только в отдельных зонах земляного полотна. В других зонах расчеты, выполненные по этим зависимостям, дают результаты несопоставимые с данными экспериментальных исследований.

Эксперименты, выполненные под руководством Г.М.Шахунянца [54] с применением современной аппаратуры, позволили установить, что частота колебания грунтов прямо пропорциональна скорости движения поездов и для различного подвижного состава изменяется от 3 до 150 Гц.

В работах Г.Н.Жинкина, Л.П.Зарубиной, Л.М.Кейзик [47], М.В.Аверочкиной [2], А.И.Кистанова [62, 61] выявлено различие частотного спектра колебаний грунта при проходе грузовых и пассажирских поездов.

Колебания от грузовых поездов характеризуются значительной амплитудой при диапазоне частот (до 100 Гц); меньшие амплитуды, но с широким частотным спектром (до 250 Гц) фиксируются от скорых пассажирских составов. Характерной особенностью колебательного процесса частиц грунта при проходе пассажирских поездов со скоростью 100-140 км/ч является появление низкочастотной гармоники колебания с частотой 1,4-2,5 Гц и амплитудой вибросмещения до 140 мкм [61, 97].

Дальнейшие исследования распределения колебаний в теле земляного полотна и за его пределами, выполненные различными авторами, выявили, что затухание колебаний происходит одновременно в вертикальной плоскости и горизонтальной плоскости по экспоненциальным [19, 47, 116, 66], степенным [97] и логарифмическим (в поперечном направлении при удалении более 4 м от оси крайнего рельса) [58, 97] зависимостям. Однако практика инженерных расчетов и проверка этих зависимостей, выполненная В.П. Великотным на основании экспериментальных данных [19], показали, что наилучшую сходимость расчетных амплитуд с опытными значениями дает формула И.В. Прокудина [93, 100], который исследовал распределение колебаний на железнодорожных насыпях, нулевых местах и в меньшей степени на выемках.

Установлено [62, 40, 19, 40, 47, 48, 2, 1, 116, 58 и др.], что на величину амплитуды колебаний грунтов основной площадки оказывают влияние следующие факторы:

• характер действующих сил (скорость движения поезда, нагрузка на ось, длина состава, интенсивность движения и др.);
• конструктивные показатели железнодорожного пути и его состояние (тип рельсов, тип шпал, род и толщина балласта, характер скреплений и др.);
• состав и состояние подстилающих грунтов.

Проведенные исследования на протяжении многих лет говорят о том, что колебания грунтов земляного полотна по своему характеру являются полигармоническими с широким амплитудно-частотным спектром [116, 58]. Условно этот спектр подразделяется на три гармоники: первая, низкочастотная – при значительной амплитуде имеет частоту от 1 до 3 Гц; вторая, среднечастотная составляющая лежит в пределах от 3 до 20 Гц; третья, высокочастотная составляющая изменяется в широком диапазоне, достигая 250 Гц. Амплитуды колебаний первых двух гармоник достаточно велики и зависят от осевой нагрузки, скорости поезда, состояния пути и подвижного состава. Амплитуды третьей гармоники и природа их
возникновения объясняется колебаниями неподрессоренной массы подвижного состава [61, 48].

Зависимость амплитуды колебаний от осевой нагрузки носит параболический характер и описывается следующей зависимостью, предложенной Прокудиным И.В. [100].

Зависимость величины амплитуд колебаний от частоты и нагрузки на ось получена ВНИИЖТом [66]

В исследованиях Д.Д. Баркана [10], В.А. Ершова, И.И. Костюкова [40], была получена прямо пропорциональная зависимость амплитуды колебаний от скорости движения поездов. В экспериментах ЛИИЖТа [48, 100, 97], выполненных при высокоскоростном движении поездов, прямолинейная зависимость вида А = /О) во всем диапазоне скоростей наблюдалась только для горизонтальных колебаний. Амплитуда вертикальной составляющей колебания наибольшего значения достигла при 180 км/ч, несколько снижаясь при дальнейшем росте скорости. Это приводит к стабилизации результирующей амплитуды колебания при скорости поездов от 180 до 230 км/ч. Значение результирующей амплитуды колебания определяется величиной вертикальной составляющей и только при движении грузовых поездов со скоростями выше 70 км/ч начинает сказываться влияние горизонтальной составляющей поперек пути. К причинам, обуславливающим стабилизацию амплитуд колебаний, И.В. Прокудин [100, 93, 97] относит: нарушение кинематической связи между колесом и рельсом при проходе состава по неровностям пути; разгрузку колес подвижного состава из-за определенных сочетаний характеристик жесткости и демпфирования, величин масс и частот собственных колебаний пути и проходящих экипажей; сокращение продолжительности воздействия силового импульса на земляное полотно.

В экспериментах А.И. Кистанова [61] амплитуда колебания грунта в вертикальном направлении А₂ , как правило, была выше, чем в горизонтальном А_у . Вместе с тем, при скорости пассажирского поезда 120

км/ч и выше А_у начинала превышать А_г . Подобное изменение автор объясняет тем, что при высоких скоростях движения резко возрастают боковые силы между колесом и рельсом.

Необходимо также отметить, на соотношение между составляющими амплитудами колебания существенно влияет подстилающее основание и план железнодорожного пути. Так при толщине торфа 0,6-1,5м в основании насыпи из суглинка, колебания А_у преобладали на 3-21% над А₂; в насыпи из песка А₂ были больше А_у на 3-8 % [47]. В период оттаивания верхнего слоя глинистого земляного полотна величина вибросмещения частиц грунта на основной площадке в горизонтальном направлении в несколько раз превышала вертикальные, выравниваясь на обочине и значительно превышая горизонтальные вдоль и поперек оси пути в вертикальном направлении под рельсошпальной решеткой при полном оттаивании грунта [102].

Превышение в 2-3 раза скорости колебания в горизонтальной поперечной плоскости над скоростью колебания в вертикальном направлении в кривых участках пути наблюдалось в исследованиях Г.Г. Коншина [66]. Автор объясняет это явление появлением дополнительных центробежных сил, приводящих к увеличению А_у . Следует подчеркнуть, возникновение непогашенной части ускорения а_пп при проходе подвижным составом круговой кривой приводит к появлению горизонтальных поперечных сил, передающихся на балластный слой и грунт земляного полотна. Направление этих сил зависит от знака а_нп: при а_нп >0 – силы направлены наружу кривой, а при а_нп <0 – во внутрь кривой. Появление горизонтальных сил в обоих случаях приводит к возрастанию амплитуд коле­баний в горизонтальном поперечном направлении.

Отмеченная различными авторами [101, 110, 47, 102 и др.] зависимость колебательного процесса от состояния грунта и подстилающего основания дает основание предположить, что наличие грунтов естественного сложения и конструктивных особенностей земляного полотна выемок сказывается на характере и величине колебаний грунтов выемок.

Немаловажную роль на колебательный процесс оказывает вид и состояние верхнего строения пути. Изменение жесткости пути, т.е. применение железобетонных шпал, увеличивает амплитуду колебаний в среднем в 2,2 раза по сравнению с деревянными шпалами. Кроме того, доказана прямо пропорциональная зависимость между наличием изолированных неровностей на рельсах и увеличением амплитуд колебаний. Наличие стыков в рельсовых цепях, по мнению Коншина Г.Г., увеличивает колебания насыпи примерно в 2 раза. Исследования ЛИИЖТа [100] отмечают резкий рост амплитуд колебаний при стыковом зазоре более 21-22 мм. Балластный слой из щебня, являясь своеобразным фильтром высокочастотных колебаний, значительно снижает величину вибродинамического воздействия в сравнении с песком. На величину колебаний грунтов влияет и ширина колеи. Наиболее существенно при движении пассажирских поездов меняются с уменьшением ширины колеи горизонтальные колебания поперек пути. Переход на колею 1520 мм обуславливает резкое уменьшение амплитуд особенно при скоростях свыше 140 км/ч. Анализируя причины резкого уменьшения амплитуд горизонтальных колебаний, в [93, 100] показано, что переход от рельсовой колеи шириной 1524 мм к колее 1520 мм значительно снизил боковые силы.

Исследования амплитудной характеристики колебательного процесса земляного полотна [40, 2, 116, 66, 71, 100] показали, что ее величина в значительной степени зависит от вида грунта полотна и его состояния. Так амплитуды колебаний песчаных грунтов [62] не превосходят 60 мк, а в полотне, сложенном глинистыми грунтами они составляют от 120 мк до 350 мк [40, 1, 66, 100]. При этом в глинистых грунтах выявлена зависимость амплитуд от их прочности, а, следовательно, от влажности и плотности. С увеличением влажности и снижением плотности амплитуды колебаний глинистых грунтов возрастают. В подавляющем большинстве работ нет сведений об эксплуатационном состоянии пути и его конструктивных особенностях, вследствие чего невозможно выявить влияние этих параметров на амплитуду колебаний.

В последние годы научные исследования в области земляного полотна были направлены на укрепление основной площадки с целью повышения несущей способности земляного полотна [49, 63], а также изучение напряженно-деформированного состояния земляного полотна в условиях вибродинамического воздействия при сезонном промерзании и оттаивании грунтов [34, 33, 117]. Обзор литературных источников показал, что исследованию колебательного процесса грунтов земляного полотна при скоростном движении поездов в зависимости от современных конструкций промежуточных рельсовых скреплений уделяется недостаточное внимание. Остается открытым вопрос о характере распределения колебаний в теле земляного полотна и за его пределами для последующей оценки несущей способности (затухание по глубине, в поперечном сечении и т.д.). Также не представляется возможным найти в литературных источниках и математические зависимости аналогичные выражению (1.5) в случае применения различных типов промежуточных рельсовых скреплений, а следовательно и решить задачу о несущей способности земляного полотна в зависимости от конструкции промежуточных рельсовых скреплений с учетом вибродинамического воздействия. Поэтому требуются дополнительные исследования, направленные на изучение влияния конструкции промежуточных рельсовых скреплений на колебательный процесс грунтов земляного полотна.

Выводы

1. Введение скоростного движения на сети железных дорог России влечет за собой увеличение вибродинамического воздействия на грунты земляного полотна, что вызывает образование в них дефектов.
2. Состояние и конструкция верхнего строения пути оказывают значительное влияние на уровень вибрации, возникающей при движении скоростных поездов.
3. Анализ конструкции верхнего строения пути скоростных магистралей показывает, что элементом наиболее изменчивым (подверженным совершенствованию) является узел промежуточного рельсового скрепления.
4. Несущей способности земляного полотна железнодорожного пути при скоростном движении поездов в зависимости от конструкции промежуточных рельсовых скреплений практически не уделялось внимания.
5. Амплитуда колебаний — это важнейшая характеристика колебательного процесса.
6. Величина амплитуды зависит от плотности, вида и состояния грунта земляного полотна. Увеличение влажности и снижение плотности грунтов приводит к увеличению амплитуды колебаний и повышению деформативности земляного полотна.
7. Характер колебательного процесса в значительной степени зависит от типа и состояния верхнего строения пути. Увеличение жесткости пути ведет к росту амплитуды колебаний и наоборот.
8. Анализ литературы позволяет сделать вывод о том, что изучению распространения колебаний в земляном полотне при скоростном движении поездов в зависимости от конструкции промежуточных рельсовых скреплений внимания не уделялось, поэтому требуется дополнительное исследование колебательного процесса.
9. На сегодняшний день нет методики расчета несущей способности земляного полотна с учетом конструкции промежуточных рельсовых скреплений в условиях скоростного движения поездов.

Задачи исследований:
Анализ литературных источников не дает полного представления о влиянии конструкции промежуточных рельсовых скреплений на прочность земляного полотна при скоростном движении поездов. В связи с этим соискателем ставятся следующие задачи исследования:

1. Оценить при скоростном движении влияние конструкций промежуточных рельсовых скреплений на величину вибродинамического воздействия, передающегося грунтам земляного полотна.
2. Провести полевые испытания и определить зависимость характеристик колебательного процесса от разных типов и конструкций промежуточных рельсовых скреплений.
3. На основании теоретических и экспериментальных исследований усовершенствовать методику определения несущей способности земляного полотна с учетом применения различных конструкций промежуточных рельсовых скреплений в условиях повышенного вибродинамического воздействия при скоростном движении поездов.

Список литературы

1. Аверочкина М.В. Влияние стыковых неровностей на вибрации в грунте земляного полотна. // Вестник ВНИИЖТа. – 1982. – № 5. – С. 49-51.
2. Аверочкина М.В. Об особенностях распространения колебаний в железнодорожном земляном полотне. // Волны в грунтах и вопросы виброметрии: Сб. научн. тр. / ТашИИТ-Ташкент, 1975. – С. 206-209.
3. Альбрехт В.Г. Бесстыковой путь / В.Г. Альбрехт, H.H. Виногоров, Н.Б. Зверев и др. Под редакцией В.Г. Альбрехта, А.Я. Когана, – М.: Транспорт, 2000. – 408 с.
4. Андреев Г.Е. Влияние местных неровностей поверхности катания колеса и рельса на силы взаимодействия последних при высоких скоростях движения. Ротапринт. JL, 1975, с. 14-50. В сб. «Вопросы путевого хозяйства» (Труды ЛИИЖТа., вып. 381).
5. Андреев Г.Е. Работа верхнего строения пути в прямых участках при высокоскоростном движении поездов. Диссертация на соискание степени доктора технических наук, ЛИИЖТ, 1974, с.345.
6. Ашпиз Е.С. Опыт применения геосинтетических материалов при усилении и реконструкции земляного полотна железных дорог / Е.С. Ашпиз // Материалы II ой международной науч.-техн. конф. «Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов». Санкт-Петербург, ПГУПС. – 17-18 января 2002. – С.7-14.
7. Барабошин В.Ф. Вредные вибрации пути и борьба с ними / В.Ф. Барабошин, Н.И. Ананьев // М., «Транспорт», 1972, с. 45.
8. Барабошин В.Ф. Повышение стабильности пути в зоне рельсового стыка / В.Ф. Барабошин, Н.И. Ананьев // М., «Транспорт», 1978.
9. Баранов Д.С. Выбор основных параметров грунтовых мессдоз из условия наименьшего искажения измеряемых давлений. // Развитие проволочной тензометрии: Сб. научи, тр. / ЦНИИСК. – М.: Госстройиз-дат, вып. 14, 1962. – с. 40-84.
10. Баркан Д. Д. Инженерный сборник. Т.З. Экспериментальные исследования сотрясений вызываемых паровозом.- М.: АН СССР, 1946. – вып. 1.-С. 15-88.
11. Бартенев Л.И., Кудрявцев H.H., Сычев В.А. Особенности динамических качеств вагонов. Вестник ВНИИ железнодорожного транспорта, №2, 1976, с.25-29.
12. Березанцев В.Г. Осесимметричная задача теории предельного равновесия. -М, 1953. — 67 с.
13. Бермант А.Ф. Краткий курс математического анализа: учеб. для вузов /
    A. Ф. Бермант, И.Г. Араманович. – Изд. 13-е, стер. – СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2006. – 736 с.
14. Блажко Л.С. Перспектива применения геоматериалов в конструкции верхнего строения пути на участках обращения подвижного состава с осевыми нагрузками до 30 т/ось / Л.С. Блажко // Материалы II ой международной науч.-техн. конф. «Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов». Санкт-Петербург, ПГУПС. – 17-18 января 2002. – С.66-68.
15. Богданов Ю.С. Математический анализ: Учеб. Пособие для вузов / Ю.С. Богданов, O.A. Кастрица, Ю.Б. Сыроид. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. – 351 с.
16. Бондаренко A.A. Прокладки для скрепления ЖБР-65 / A.A. Бондаренко // Путь и путевое хозяйство. — 2007. – №3. – С. 15-17.
17. Брежнев В.А. Держаться вместе, проводить согласованную политику/
    B. А. Брежнев // Транспортное строительство. — 2007. — №1. — С.6-8.
18. Васютинский А.Н. Наблюдения над упругими деформациями железнодорожного пути. – М., 1899. – 134 с.
19. Великотный В.П. Исследование деформируемости глинистых грунтов железнодорожного земляного полотна при вибродинамических нагрузках: Дис…. канд. техн. наук. – Л., 1980. -210 с.
20. Виноградов B.B. Экспериментальное исследование распространения колебаний в грунтах насыпей. – Труды МИИТа, вып. 452, 1976. С. 80-107.
21. Волобуев С.К. Обвалы и исправления пути. – М., 1905. – С.360.
22. Гасанов А.И. Подрельсовое основание для повышенных нагрузок /
    A. И. Гасанов // Труды V науч.-техн. конф. с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». Москва, МИИТ. – 19-20 ноября 2008. – С.206-208.
23. Гасанов А.И. Пути повышения несущей способности подрельсового основания на линиях со сложными эксплуатационными условиями / А.И. Гасанов // Труды IV науч.-техн. конф. с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». Москва, МИИТ. – 7-8 ноября 2007. – С. 185-187.
24. Голицин Г.Г. Избранные труды. Том II. Сейсмология. Изд-во АН СССР, 1960.-400 с.
25. Голованчиков A.M. Вертикальные нормальные напряжения в балластной призме железнодорожного пути. — В сб.: Расчет и проектирование балластной призмы. Труды ВНИИЖТа, вып. 387, М., Транспорт, 1970, С. 81-120.
26. Голушкевич С.С. Плоская задача теории предельного равновесия сыпучей среды. -М.: Гостехиздат, 1948. -148.С.
27. Голушкевич С.С. Статика предельных состояний грунтовых масс. -М.: ГИТТЛ, 1957. -288 с.
28. Гольдштейн М.Н. Внезапное разжижение песка // Гидротехническое строительство. – 1952 -№ 8.-С. 30-33.
29. Грицык В. И. Вибродинамическая диагностика пути / В. И. Грицык, М.
    B. Окост // Путь и путевое хозяйство. – 2009. — №1. — С.25-27.
30. Грицык В.И. Земляное полотно для высоких нагрузок и скоростей движения / В.И. Грицык, М.В. Окост // Путь и путевое хозяйство. — 2008. – №8. – С.36-38.
31. Данилов В.Н. Работа рельсовой нити в зоне стыка // Труды ВНИИЖТа, вып. 70, 1953,112 с.
32. Данильянц Е.С. Влияние вибродинамического воздействия поездов на деформативность и прочность железнодорожного земляного полотна / В.В. Пупатенко // Труды Пятой международной научной конференции творческой молодёжи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» Дальневосточный государственный университет путей сообщения. – Хабаровск: Издательство ДВГУПС, 2007. — С. 41-44.
33. Данильянц Е.С. Методика определений остаточных деформаций железнодорожного земляного полотна. // Инновационные технологии — транспорту и промышленности: труды 45-й международной научно- практической конференции ученых транспортных ВУЗов / под ред. Ю.А. Давыдова. – Хабаровск: Издательство ДВГУПС, 2007. — Т. 1. – С. 70-74.
34. Данильянц Е.С. Прогноз напряженно-деформированного состояния железнодорожного земляного полотна с учетом вибродинамического воздействия поездов: Автореф. дис. …канд.техн.наук.- Хабаровск, 2009. -24 с.
35. Денисова А.Е., Чуркин Ю.М. Распространение и отражение колебаний в жестких бетонных смесях при поверхностном вибрировании // Труды НИИЖТа, вып.29. Госстройиздат, 1962. – С.76-91.