Моделирование работы железнодорожного пути с учетом динамических воздействий и различных свойств грунта и насыпи

Сычева, Анна Вячеславовна

Моделирование работы железнодорожного пути с учетом динамических воздействий и различных свойств грунта и насыпи тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Сычева, Анна Вячеславовна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Моделирование работы железнодорожного пути с учетом динамических воздействий и различных свойств грунта и насыпи»

Автореферат диссертации на тему "Моделирование работы железнодорожного пути с учетом динамических воздействий и различных свойств грунта и насыпи"

На правах рукописи

Сычева Анна Вячеславовна

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ С УЧЕТОМ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И РАЗЛИЧНЫХ СВОЙСТВ ГРУНТА И НАСЫПИ

Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005543060

Москва - 2013

005543060

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ).

д.ф.-м.н., доц. Локтев Алексей Алексеевич

доктор технических наук, старший научный сотрудник Дементьев Вячеслав Борисович (ФГБУН Институт механики Уральского отделения Российской академии наук, директор)

доктор технических наук, профессор Смирнов Владимир Игоревич (ФГБОУ ВПО Петербургский университет путей сообщения, профессор)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет».

Защита состоится 26 декабря 2013 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.075.01 при Институте проблем машиноведения РАН по адресу: 199178, Санкт-Петербург, Большой пр. В.О., 61.

С диссертацией можно ознакомиться в ОНТИ ФГБУН Институт проблем машиноведения Российской академии наук.

Автореферат разослан 25 ноября 2013 года.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу Института проблем машиноведения РАН на имя ученого секретаря совета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

В.В. Дубаренко

Общая характеристика диссертационной работы

Актуальность исследования.

Увеличение протяженности путей транспортных коммуникаций, увеличение грузооборота и пассажирских перевозок между отдельными населенными пунктами, регионами, государствами и целыми континентами приводит к формированию новых требований, предъявляемых к средствам перевозки и непосредственно к дорогам, по которым эти средства перемещаются. Железнодорожный путь сложная система, включающая ряд структурных объектов: геоподоснова земляного полотна, конструкция земляного полотна, балластный слой и верхнее строение пути, на каждый из которых воздействуют силы от подвижного состава. При этом исследователи разрабатывают математические модели для каждого из объектов на основе прямых аналитических исследований по оценке влияния подвижного состава на эксплуатационные качества земляного полотна с учетом факторов прочности подбалластного основания, общей и местной устойчивости откосов и склонов, стабильности слабых грунтов в основании насыпей, инженерно-геологических факторов местности, по которой проложена железная дорога. Создание совокупности моделей работы железнодорожного пути с учетом динамического воздействия и различных свойств грунтов для каждого из объекта, входящего в систему железнодорожный путь приводит к сложным вычислительным процедурам, исключающим возможность использования этих моделей для практического применения. Причем при создании таких моделей, как правило, не учитываются особенности геологического строения местности, по которой проходит железная дорога. Поэтому моделирование работы напряженно-деформированного состояния при реальном спектре воздействия на основе исследования волновых полей в системе геоподснова земляного полотна, грунтовая среда земляного полотна, подбапластный и балластный слой, верхнее строение пути при динамических воздействиях на них является актуальной задачей. Актуальность подтверждается также тем, что практически нет исследований применительно к оценке стабильности работы железнодорожного пути с учетом влияния инженерно геологических факторов и генезиса.

Цель исследования состоит в моделировании работы железнодорожного пути с учетом комплекса факторов: динамического воздействия, качества грунтов земляного полотна, особенностей конструкции подшпального основания, подбалластного и балластного слоя и влияния инженерно-геологических факторов на стабильную работу железнодорожного пути.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Типизация и классификация инженерно-геологических условий местности для оценки их влияния на стабильность работы железнодорожного пути;

2. Оценка влияния инженерно-геологических факторов на качество эксплуатации железнодорожного пути;

3. Моделирование деформаций железнодорожного пути при динамическом воздействии на него с учетом различных свойств грунта, верхнего строения пути и подбалластных материалов;

4. Обоснование возможности применения теории генезиса при строительстве железнодорожного пути и разработки методики определения характеристик грунта основания и насыпи;

5. Изучение влияния анизотропных свойств насыпи в различных направлениях на конечные характеристики динамического воздействия

Методы исследования. В работе использованы методы дисперсионного анализа, теории генезиса и основные положения теории грунтов и методы расчета поведения тел после динамического воздействия на них с учетом реологических свойств и волновых процессов.

Достоверность базируется на корректной математической постановке задач, сопоставлении теоретических решений с экспериментальными данными, применении современных программных вычислительных средств. Правильность полученных результатов определяется корректностью математических выкладок и сопоставлением с известными результатами других авторов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведена типизация и разработана классификация инженерно-геологических условий местности для оценки их влияния на стабильность работы железнодорожного пути

2. Проведена оценка влияния каждого инженерно геологического фактора на качество эксплуатации работы железнодорожного пути;

3. Обоснована возможность применения теории генезиса при оценке качества грунтов при строительстве и реконструкции железнодорожного пути;

4. Проведено исследование и определение свойств и характеристик грунта на основе разработанных методик инженерно-геологического обследования земляного полотна и его геоподосновы для обоснования модели работы железнодорожного пути под динамическим воздействием и повышения качества и надежности эксплуатации железнодорожного пути;

5. Разработана и применена методика определения динамических характеристик пути при действии динамической нагрузки с учетом различных свойств насыпи и основания, полученные результаты сравнены с экспериментальными данными пу-теизмерителей;

6. Подробно изучено влияние механических свойств насыпи в различных направлениях на конечные характеристики поведения пути при динамическом воздействии.

Практическая ценность. Проведенные в работе исследования по моделированию работы железнодорожного пути с учетом свойств различных факторов с их предварительной классификацией позволяют:

1. Выявить значимые факторы, влияющие на стабильность и качество работы железнодорожного пути с возможностью корректировки проектной документации на ремонты и реконструкции железнодорожного пути;

2. Повысить надежность и устойчивость работы земляного полотна за счет повышения качества выбора грунтов для строительства и реконструкции железнодорожного пути.

3. Повысить эффективность технического обслуживания железнодорожного пути на основе разработанных методик.

4. Совершенствовать систему мониторинга, применяемого на железнодорожном транспорте.

Результаты работы использованы при разработке технологических процессов ремонта и реконструкции железнодорожного пути, а также могут использоваться при проектировании высокоскоростных магистралей.

Реализация результатов работы.

На основе результатов работы:

1 .Разработаны автором и утверждены для практического применения на железных дорогах РФ:

-Методические указания по инженерно-геологическому обследованию рабочей зоны земляного полотна;

-Методические указания по проектированию и сооружению земляного полотна на обходах эксплуатируемого пути;

-Методические указания по проектированию и сооружению дренажей с уменьшенным продольным уклоном.

2. Результаты исследования использованы при разработке нормативных документов ОАО «РЖД», а также средств контроля и мониторинга работы железных дорог.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

- Классификация инженерно-геологических факторов и обоснование возможности применения теории генезиса для оценки стабильности и качества эксплуатации железнодорожного пути;

- Результаты исследования по оценке значимости факторов, влияющих на работу железнодорожного пути;

- Результаты моделирования работы напряженно-деформированного состояния железнодорожного пути при реальном спектре воздействия на основе исследования волновых полей в системе геоподснова земляного полотна, грунтовая среда земляного полотна, подбалластный и балластный слой, верхнее строение пути при динамических воздействиях

- Исследования по определению характеристик грунта основания и насыпи на основе разработанных методик инженерно-геологического обследования железных дорог и кинематических и силовых характеристик железнодорожного полотна с учетом различных свойств основания и параметров динамической нагрузки;

- Результаты исследования влияния анизотропных свойств насыпи на динамическую осадку верхнего строения пути и на силу взаимодействия.

Апробация результатов. Основные положения диссертации были доложены на Научно-практических конференциях с международным участием «Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство» в 2007,2008, 2009, 2010, 2011, 2012 и 2013 гг., на заседаниях секций Ученого совета Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ОАО ВНИИЖТ) в 2004, 2005, 2009, 2011 г.г., на городских семинарах по механике и акустике в г. Санкт-Петербурге в 2013 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структу ра и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение и изложена на 145 страницах машинописного текста, в том числе 18 таблиц, 36 рисунка. Список использованных источников насчитывает 125 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определена цель работы, ее научная новизна и практическая ценность, сформулирована цель и задачи исследования.

В первой главе проведен аналитический обзор проведенных исследований, проведена типизация, разработана классификация инженерно-геологических условий ме-

стности для оценки их влияния на стабильность работы железнодорожного пути, а также методика оценки влияния каждого инженерно геологического фактора на качество эксплуатации работы железнодорожного пути с учетом действия динамической нагрузки от проходящих составов. Среди наиболее фундаментальных работ в области типизации и классификации инженерно геологических факторов местности, влияющих на устойчивость и качество строительства и последующей эксплуатации объекта можно отметить работы Фролова В.Т, Сваренского Ф.П , Трофимова В.Т., Андрусова Н.И. Голодковской Г.А, Ломтадзе В.Д, Страхова Н.М., Романовской С.И., Тимофеева П.П., Гриффит Д.С., Буша Д. А., Петтиджона Ф. В области исследований земляного полотна при строительстве и эксплуатации железных дорог можно отметить труды таких ученых, как Ашпиз Е.С., Виноградов В.В., Вериго М.Ф., Дедышко П.И., Коган А.Я., Пе-взнер В.О., Першин С.П., Шахунянц Г.М., Щепотин Г.К. Теория динамического на-гружения элементов через их контакт с другими телами развивалась Тимошенко С.П., Crook A.W., Yamamoto S.A., Mindlin R.D., Conway H.D, Lee H.C., Кильчевским H.A., Филлиповым А.П., Филлиповым И.Г. Горшковым А.Г., Россихиным Ю.А., Kenner V.N., Yang J. С. S., Сеницким Ю.Э., Кадомцевым И.Г., Локтевым A.A. и др. учеными.

Задача исследования устойчивости железнодорожного пути под действием динамической нагрузки формулируется следующим образом. Имеется группа факторов (X,), определяющих инженерно-геологические особенности местности. Требуется определить в какой мере существенно влияние того или иного фактора X¡ на стабильность и устойчивость железнодорожного пути под поездными динамическими нагрузками. Систематизацию инженерно-геологических факторов по критерию возможности их формализацию для составления матрицы Фишера. А затем выбранные параметры использовать в качестве динамических констант в методике определения просадок полотна и напряжений в нем от действия колесных пар состава.

В отличие от известных методов изучения геологических, преимущественно экзогенных процессов, способных повлиять на железнодорожное полотно в данной местности, в работе исследование инженерно-геологических свойств местности осуществлялось с формализацией, обеспечивающей устойчивое формирование матрицы Фишера и подходящее для методики расчета полотна с учетом динамических процессов.

Под стабильной работой железнодорожного пути будем понимать отсутствие динамики оценки содержания железнодорожного пути в сторону увеличения и непревышение динамическими величинами просадки и напряжений допустимых значений по нормативным документам. Предложена следующая классификация факторов X;, которые могут оказать влияние на условия эксплуатации земляного полотна (таблица 1). В качестве оценки содержания пути участка принималась средняя на участке балльная оценка по показаниям вагона путеизмерителя Бср. Принято допущение, что функция, характеризующая динамику изменения балльной оценки, генерируется детерминированной функцией:

Б= A+B*N, (1)

где А и В коэффициенты модели, aN число проходов вагона путеизмерителя, причем Б является случайной нормально распределенной величиной с центром распределения М[ B]=F(xi х2 х, xu) = const.

Число проходов вагона путеизмерителя для построения модели принималось равной 6 и более. Оценка инженерно-геологических условий местности производилась на участках протяженностью 10 км, шириной по 5 км в обе стороны от железнодорожной линии. Принималось, что дисперсии б2 [Б] равны друг другу при

)=1,2.....и, а их выборочные оценки Б" (Б) однородны. Показатель Б зависит от и и

независимых факторов хь х2, ...,х;,..., хп, не имеющих количественного описания, и их парных взаимодействий при этом каждый фактор х, варьируется на уровнях] и ¡.

Для решения задачи на геологической карте России нанесли основные главные направления железнодорожного сообщения, (Рис 1) на основе анализа инженерно-геологических факторов местности были выбраны инженерно геологические факторы Х^ выделив на карте приблизительно равные участки протяженностью порядка сто километров, на которых по данным проходов вагона путеизмерителя из отчетов ПУ 32 (рис 2) выбирали суммарную балльную оценку выбранного участка пути, а затем вычисляли Бсрот числа проходов вагона путеизмерителя. Тот или иной фактор Xj принадлежал разным участкам и потому для каждого инженерно геологического фактора имели и значений Бср, что позволило составить матрицу Фишера.

Проверку значимости каждого фактора X, определяли по критерию Фишера: Р= БсД 82(Бср). Если вычисленное по результатам наблюдений дисперсионное отношение Б превосходит табличное РС| (и0, цх) по распределению Фишера для выбранного уровня значимости q при соответствующих степенях свободы ц0 и |дх, то влияние фактора х считали значимым, и наоборот незначимым, если Р < Рч (|!о, цх). Результаты с учетом возможности получения информации сведены в таблицу 1. Также в этой главе были рассмотрены основные подходы для расчета различных конструкций и их элементов на динамическое воздействие от других тел, на основе которых была разработана методика расчета конструкций железнодорожного полотна при движении состава.

Рис. 2 Пример графика изменения балльной оценки на различных участках

Рис.1 Геологическая карта России с основными железнодорожными сообщениями.

Таблица 1 Оценка значимости инженерно-геологических факторов при д-5%.

Фактор Цо Цх Р -табличное Р-расчетное

Х1 - возраст поверхностных отложений Хи до 10000 лет 9 6 3,37 3,24

Х,2 более 10000 лет 7 7 3,79 3.8

Х2 -генетические типы пород Х2] элювиальные 8 5 3,69 3,81

Х22 делювиальные 7 6 3,87 3,82

Х3 литологический состав коренных пород: Х31 песчаники 5 4 5,19 5,1

Х32 глины 9 8 3,23 3,4

Х33 пески 4 5 6,26 6,5

Х34 породы 6 5 4,39 4,4

Х6напичие специфических грунтов Х6] карстовые процессы 6 6 4,28 4,8

Х62 суффозионные 5 7 4,88 5,1

Х63 просадочные (лессы) 6 5 4,39 4,35

Х7 -форма залегания слоев: Х71 антиклинали 9 7 3,29 2,1

Х72 моноклинали 8 7 3,5 3,2

Х73 синклинали 8 5 3,69 3,9

Х74 складчатость 5 5 5,05 4,1

Х8-тектоника Х8| разломы 7 7 3,79 4,8

Х82 геосинклиналь 6 7 4,21 4,4

Х83 платформа 6 8 4,15 4,2

Проведенные исследования позволили сделать вывод, что к числу инженерно-геологических факторов (значимых), влияющих на оценку состояния железнодорожного пути, относятся факторы, определяющие тектонику, наличие специфических грунтов, литологический состав коренных пород. Фактор Х3 - свойства пород не анализировался и по нашему мнению требует более детального анализа по составу грунтов, используемых при строительстве и ремонте земляного полотна и отражены в последующих главах работы.

Во второй главе описывается общая постановка задач приложения динамической нагрузки на железнодорожное полотно, используемые методы решения динамических задач с точки зрения фундаментальных исследований по механике деформируемого твердого тела и инженерных приложений в железнодорожном строительстве.

Динамическая нагрузка, передаваемая от состава элементам конструкции пути моделируется с помощью временной зависимости, которая учитывает скорость передвижения железнодорожного состава. Динамическая нагрузка раскладывается на вертикальную и горизонтальную компоненты. Целью исследования является изучение влияния параметров конструкции пути, скорости движения и свойств материала насыпи на силу взаимодействия и просадки характерных точек пути.

Рис. 4. Схема динамического взаимодействия колесной пары и конструкцией верхнего пути посредством буфера, моделирующего контакт.

фронт

волны

фронт квазипопе-

речной волны сдвига

Система уравнений, описывающих движение колеса, контактной области и учитывающая условие горизонтальности касательной к срединной поверхности рельса в граничных точках области контакта с колесом пары записывается следующим образом

т (а+ #) = -.Р(7),

Р{1

dW дг

w(t) = Sk,Qr + P(t)

(2)

= 0.

r = r0

Здесь р(1) - приведенный вес перемещающейся части конструкции верхнего пути, S -площадь опирания шпалы, kt - коэффициент, учитывающий совместность работы соседних шпал, w — осадка верхнего строения пути, а - местное смятие в зоне контакта, точка над величиной означает производную по времени, P(t) зависит от вида модели взаимодействия:

Р{0= £,(а(0- 40). (3)

P{t)=Ex(a-w)-^\(à-w)e z> dt',

Т] о

(4)

(5)

где

Rp = R 1 - Rj ,

ЬР2/3, с1Р/Ж>0, Ртах<Рь

(\+р)сх+(\-р) Рс1, /ЛР/ск > 0, Ртах > Р\, Ь^ + ар (Ртах ), < 0, Ртах > Р},

1/3

6 = ((9;г2(*1+*)2)/16л) , кх=(\-о2)/Ех, к^-сг2)^,

/>, = ^'(3Л(*. + к)/4)\ Х=5.7, Ь^Я/^+фГ, Л/=(4/3(к} + к))Р^'2,

«Л^тах) = (1 -/5)р 1пах(г*^)"',Ч = з/2(А, + к)/Н, /7 = 0.33, ¿ = 1/2^, Х = якр1А, кр1 - наименьшая из пластических констант, взаимодействующих тел, сг ь - коэффициент Пуассона и модуль упругости для колесной пары соответственно, тх=г]х/Ех , Т\ - время релаксации в случае вязкоупругой модели, г' - переменная интегрирования, т]х - коэффициент вязкости, пружины.

Система уравнений (2) решается с использованием начальных условий

Для решения системы уравнений (2) нужно представить функции w(t), w(t), n(t), Q(t), a , входящие в нее, в виде степенных рядов по времени I. С этой целью

разложение для местного смятия рельса:

a = a0+a1t + a2t2 + аъР + a4t4 + ast5,

(6)

где а, (7 = 0, 1,2, 3, 4, 5) - пока неизвестные константы.

Для представления перемещения м> предлагается щебеночную насыпь моделировать квазиупругим ортотропным слоем, обладающим цилиндрической анизотропией, в полярной системе координат описывается волновыми уравнениями, учитывающими инерцию вращения поперечных сечений и деформации поперечного сдвига, что в свою очередь позволит выявить влияние на конечные характеристики поведения полотна волновых эффектов и колебательных процессов:

"-Ч-

г дг

i <Llv гдв

+(Dear+Dk)

_ 5( дсрЛ п 1

d\v дв2дг

д> дгдв

9 гдв

д2<р дв2 у

гдв2

„._ ¡dw Л h3 д2<р

+ KhGr,--<р\ = -р--

гЛ дг Ч 12 dt

С,

KG„

Гд2и

С,

1 d2v \2 дв2

d2w Jr2 ' 1_5мЧ г дг

dtp ~дг

+ KGn i

d\v ~дг

<p\ + KGe-

d2w гдв2

ду/ ~дв

+ De-<p + г

ду/ ~дв

d2w

(6)

= />—Г, (7)

+ Q

1 д2и

V дв2

С0- + (Сваг + Ск)-г

i d2v

d¿u

- (Cg + ск)\— = ph^r, (8) г дгдв V " /■ дв dt2

+CL

Vv + _U5v_

дг г дг г

+ {Сгав+Ск)-

1 д2и

1 ди

d2v

г дгдв

+ {Св + Ск)^ = рИ^, (9) * в к'г2 дв dt2

D 1

Гвгдг2дв

г) 9 Гдв2

дг2

1 dw | д (1 dw

Tde~v ylArbe^

Ц\_ dw

Лгдв

+ (Dr<re + Dk)

' d\v

д2<р

дг2дв дгдв

(10)

-De-

1д<р_ гдв

+ Dk-

d2w двдг

д(р ~дв

■ + KhGn.---w = -p--h-,

в-\гдв 12 dt

где Д. = Вг/\2, О0 = ИъВв/\2,Ок = к3Вк/]2,Сг = кВг,Св = кВв,Ск = ИВк, К = 5/6, £>гб =Ц.о-б +2Д, Вг = Ег/(\-ага0), В0 = Ев1{\-агстд), Вк = Сг0, Егаг = Евав, (последнее значение, ровно как и модули упругости-сдвига можно определять для разных типов грунтов по результатам следующих глав), Оп й0 и С,, Со - соответственно жесткости изгиба и растяжения-сжатия для направлений г, в\Вк — жесткость кручения; Ск - жесткость сдвига; Ег, Ед и о>, ад - модуль упругости и коэффициент Пуассона для направлений г, в; Сг:, С(к - модуль сдвига в плоскостях п и (к соответственно; и>(г, в) - нормальное перемещение срединной плоскости, и(г,9) и у(г,в) — тан-

генциальные перемещения срединной поверхности соответственно по координатам г, в; <р(г,9) и уКг,9) - произвольные искомые функции координат г,в.

Поведение подстилающего слоя может описываться как поведение отдельного элемента, так и представление в виде граничных условий. Для определения неизвестных функций, входящих в (6) - (10) предлагается использовать разложения в степенные ряды по пространственной координате и времени:

ся к значениям производной 2^к), подсчитанным перед волновой поверхностью Е и за ней соответственно, С - нормальная скорость волны Е , Н^-хЮ) - единичная функция Хевисайда, .у - длина дуги, отсчитываемая вдоль луча, Г — время.

Для определения коэффициентов ряда (10) для искомых функций необходимо продифференцировать определяющие волновые уравнения (6-10) для мишени к раз по времени, взять их разность на различных сторонах волновой поверхности Е и применить условие совместности для перехода от скачка производной от функции 2 по координате к скачку производной от искомой функции по времени более высокого порядка:

где 8/& - ¿^производная по времени на поверхности волнового фронта.

Поскольку сама конструкция железнодорожного пути обладает достаточно выраженной симметрией , за исключением некоторых дефектов, появляющихся на этапе строительства (неточности монтажные) и эксплуатации (замачивание грунта, сезонное увеличение интенсивности движения составов), но в общем случае можно рассмотреть осесимметричную задачу, в которой волновые характеристики не зависят от угла в, при этом уравнения (6-10) принимают упрощенный вид.

Для определения силы, передаваемой на грунт и динамического перемещения конструкций верхнего пути необходимо найти поперечное перемещение н'(/), которое входит в систему уравнений (6) и (7). Остальные уравнения в случае осесиммет-ричной задачи представляют собой независимые подсистемы, из-за чего неизвестные функции перемещений, определяемые из соотношений (8) — (10), не влияют на исследуемые динамические характеристики, поэтому в дальнейшем ограничимся рассмотрением только уравнений (6) и (7). Коэффициенты лучевого ряда (11) для искомой функции найдем, воспользовавшись методикой сращивания двух решений, полученных в зоне взаимодействия колеса и рельса и вне ее.

В результате из уравнений движения (6), (7) для определения скачков искомых величин с точностью до произвольных констант получим систему рекуррентных дифференциальных уравнений:

(П)

где 2- искомая функция, 2,(к) - ак2!д11, Z,(

= 2,]., -2',,,,, знаки «+» и «-» относят-

(12)

+ Сг~ %(к) + Ьгсх»(к) +

(13)

\ /

где =[■1VI) ]' = ] ■■Ьг=ЬКСг:°~гХ > г = г0+а,

6Х,

г^к-1):

1) С/,_1 <Ч(*-1) , ^2.,-2 ¿О

6г

61 Ег г 6(

+ьх} V

8со.„

_ ""УМ 2.-1-,

---ч--<->г ----Ю---+ 0 Г й),„

5? 31 61 '

Ограничимся в дальнейшем пятью членами лучевого ряда для искомых функций, что позволит определить их с необходимой точностью. Полагая в (13) - (14) к = -1,0, 1,2, 3, получим скачки соответствующего порядка на первой волне:

до

С) =г0)г-1-2 г(1) -2

= В„ Х->0) = О, = с1ГгГ \ Х->} =

/л

с0 г\

1 2

С0Ш.-3/2_1о(1)^ (1) 1/2 и с0 Г1 0и с0 М >

2 е„

О)

и<2)'

/г

1 1 2

уЕг 4У

аО.СЫ 2 с(1).1/2 ° с0 '1 -со г\

(1) = „ (1)^-1-'2^1 2

®^2)=С2''1

ЕЙ 1

с0)ср),гз/2_1с?0)^с10)г1ш +

1^(1)2^ (1) 3/2

+ . и 2 0 М

1 Г9 р Л ьв ( Ев Г

8 I4 Ег) 4>

/■ . Вг , °(1)2 Л 1 , 1 < КСп , С(2)2 Л

Аналогичным образом на второй волне находим

пс№г-КО /.Я -О -Л12 г,Я -П^^с^г-1 2 рь -ло« ,0)-и, Аи,(0)-с0 г2 , —с0 г2 ,

и<0)

1 -( 8

Х(2) -Л2),'1''2 _1Г7(2)с(2)„-3/2 +10(2) К (2) 1/2 м(1)_С1 Г2 с0 г2 ° —Ъ

'2 >

8 2 е.

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20) (21)

2 V2 Д^срЦ'2 +14с(2)242)^/2 22)

„(2) 2 2 8 1 2 ^ 1 2 8е2 0 2 128

Найденные скачки позволяют записать выражения для искомых функций прогиба и поперечной силы в виде отрезков лучевых рядов с точностью до произвольных постоянных 4а) (а= 1,2) (г=0,1,.. .4), которые находятся из граничных условий.

а=\ А=0 1 '

Ы^Ы,(23)

где у а = / -(г -г0)О>ау', Х^, со^ и их 3- производные подсчитываются при >>„=0.

Взаимодействие подвижного состава и конструкций пути, моделируется буфером, который может обладать упругими, вязкоупругими и упругопластическими свойствами в зависимости от свойств насыпи и грунта под ней и тех инженерно-геологических условий (рис.3). В условиях движения по одному и тому же пути пассажирских и грузовых составов, имеющих различный вес и скоростной режим важно выбрать правильное соотношение параметров всех элементов пути и выделить среди них управляемые, то есть те, которые могут изменяться под внешним воздействием.

Искомые функции, являющиеся характеристиками динамического взаимодействия, представляются в виде (23), а коэффициенты этих лучевых рядов определяются выражениями (15) - (22) с точностью до постоянных интегрирования. Для определения постоянных интегрирования необходимо решить систему уравнений (2). С этой целью необходимо записать лучевые ряды (23) на границе области контакта, т.е. при г = г0.

В начальный момент времени рельс не деформирован, т.е. а0 = 0. Подставляя выражения (3), (6), (23) в уравнения (2) и приравнивая коэффициенты в полученных выражениях при одинаковых степенях получим на каждом шаге три алгебраических

уравнения для определения трёх неизвестных констант: ср' и а,.

Из начальных условий находим: а\=У0, = с|,2' = 0 . Решая систему алгебраических уравнений, составленную из коэффициентов при получим: „ -о ур) -о с(2)-0 Х(1) -0 с(1)-0

На втором шаге из коэффициентов при определяем:

«3 =-

—+ -

рИщ

,с! -

т/г

Третий шаг, /2: а4 (

phnri2[i

'0(g«+G(2))

;0)

,с2 -

С(1)Е,Уй

рЦ)'2(

gW-GW]

с0) —I С(2)" 2

pnhr0

phnr0

с(2) _i (3) ~~ 2

5/2с(2)2

Wod>2)

зс<2> + |4 Hi H-- G(i)

Ur 4j

£,K0G'

4°

' phKr^-G^]

6__d2)%v(]_

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

Зная постоянные интегрирования, можно записать обезразмеренный динамический прогиб w(t) в виде ряда, в котором коэффициенты при t известны

G<2>Y Е 1+^ттг -Мт+2)

-f~\ EV >v(f )=——

V ' тгИ

1 +

-4

1 +

с0)

+— 4

1 +

c(0

C(i)3

—h 12

G«

Л 120

2 E

1 +

G<2>

(от+ 4)-(29)

РФ2

G<2>3

£-1

dSi

G«

720

В третьей главе определяются основные показатели грунта и насыпи посредством выполнения инженерно-геологического обследования рабочей зоны земляного полотна на основании разработанной в рамках данного исследования методики. Для оценки насыпи вводится понятие - показатель качества основания, который опреде-

I" у

ляется как Дух = у1р - ур, где Ду,р = у, + 2,5СКО, ур = 1 * ф.

По этому показателю ранжируется каждый пикет по категории качества основания, определяется необходимы объем инженерно-геологического обследования и вычисляется уровень упругой расчетной осадки

у = 2т1г(ур(\-М1)1Епр (30)

где г) — коэффициент штампа, г = ^/р/тг - приведенный радиус полушпалы с площадью Р, <7р - напряжения на подошве шпалы при осевой нагрузке Р, тс, и - приведенный коэффициент Пуассона для многослойной толщи грунтов подшпального основания до границы рабочей зоны 7=3м.

Приведенный модуль деформации основания пути ^определяется суммой модулей деформации грунтов и материалов каждого выделенного слоя в пределах глубины до 3 м от подошвы шпалы с учетом их доли в зависимости от глубины залегания Ъ Епр = а1-Е1 + а2-Е2 + а3 - Е3 + а4 ■ Е4 + а5 ■ Е5^ ^

где ОС/ (/-1,2,3,4,5) -значения коэффициентов, определяемые глубиной залегания подошвы балластного и других выделенных слоев, Е- модуль деформации балласта, слоя 1, слоя 2, песка, песчано-глинистого основания до глубины 3 м, соответственно.

Размещение инженерно-геологических выработок по длине пути осуществляется по комплексу показателей в местах максимальных значений упругих осадок, определения лимитирующих скорость мест на основе анализа эксплуатационной документации и комиссионных осмотров пути. В данной главе проведено исследование по оценке свойств подбалластных материалов железнодорожного пути, рассматривается зона земляного полотна до 3 м от подошвы шпалы. В процессе исследования определено, что под балластом накапливаются песчано-щебенисто-гравийные смеси, гранулометрический состав которых определяется техногенным происхождением. Смесь песчаного подбалластного материала разделяется по гранулометрическому составу, а глинистого по влажности предела текучести (таблица 4).

Песчаный грунт разделяется на скелетообразующую и заполняющую компоненты, что также учитывается при определении модуля деформации. Плотность склетообразующей компоненты рЦ определять зависимостью

р:= а + вк№/10 (32)

где Кашо - коэффициент неоднородности песка, А и В - расчетные коэффициенты.

Таблица 4

Тип грунта Песчаный грунт Глинистый фунт

А1 А2 АЗ Б1 Б2

Содержание частиц диаметром более 2мм менее 60 % от веса пробы - скеле-тообразующая ком-понента-песчано-пылеватые фракции Содержание частиц диаметром более 2 мм более 60 % от веса пробы — скелетообразую-щая компонента-гравийные (щебенистые) фракции Гравийные фракции и пес-чано- пылеватые компоненты отсутствуют Суглинки и супеси с влажностью предела теку че- сти^/<0.35 Суглинки и глины влажностью предела текучести^ 0.35

По соотношениям веса песчаной Ап и гравийной Л, компонент смеси /? = а„/а, из анализа гранулометрического состава смеси и а = ру р, определяется доля песчаной компоненты в единице объема и ее плотность соответственно

Уп = Ь/(а + Ь), рра„=У„хр:+{\-Уп)хр, (33)

Модуль деформации песка определяется по плотности р'„ с учетом его вида и плотности ррп, а модуль деформации смеси - по выражению Е£„ = ЕР„/У„.

Указанные предпосылки проверены сравнением натурных данных по плотности песков и смесей, полученных на Горьковской железной дороге, с расчетными показателями, определенными по данным о гранулометрическом составе. Плотность песка в отсутствие гравийных фракций и песчано-пылеватой компоненты пес-чано-гравийных смесей определяется с учетом коэффициента неоднородности гранулометрического состава С„= с16П/ й10. Здесь с160, йю - значения диаметров фракций, весовое содержание которых менее соответственно 60 % и 10 % от веса пробы. Значения с160, ¿/о могут быть определены с использованием графика гранулометрического состава или аналитически с использованием таблицы гранулометрического состава. Прогнозируемые плотности песчано-пылеватой компоненты смеси максимальная при стандартном уплотнении ратах и бытовая определяются с учетом коэффициента неоднородности гранулометрического состава Си по эмпирической зависимости, подлежащей уточнению по результатам опытного применения: гЫтах = 1.6+ 0.02СЦ; гл = й.95гатах.

Для уточнения указанных зависимостей при инженерно-геологическом обследовании грунтов должно быть предусмотрено стандартное уплотнение характерных разновидностей песков. На графиках рис. 5 аппроксимируется таблица СНиП и аналитическая зависимость Еп = А + 90{рм—1.5). МПа, где А = 20, 15, 10 для крупно- и среднезернистого песка, для мелкого песка и для пылеватого песка соответственно.

120

1уГ /

/ / / у' 2/ / /

1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00

Р <*Ь, г/ем 3

Рис. 5 График для определения модуля Рис. 6 Приближенные зависимости модуля

деформации песков и супесей в зависимости деформации песчано-гравийных смесей

от бытовой плотности (I- пески средние, от содержания гравия и показателя

2 - мелкие, 3 - пылеватые, 4 - супеси) неоднородности Си | Рп Ртах |

Для оценки модуля деформации песчано-гравийной (песчано-щебенистой) смеси определяется объемная доля песчано-пылеватой компоненты в смеси Уп

Vm=P/{P + a)> здесь /? = 4,/(lOO-/í„), ?L = pdh¡ps, A„— содержание частиц диаметром менее 2 мм в смеси. Прогнозируемое значение модуля деформации смеси определяется по формуле Vcm = E,/Vn.

При выборе карьеров песчано-гравийной смеси для сооружения защитного слоя рабочей зоны земляного полотна, если имеются данные о гранулометрическом составе грунтов, ориентировочные значения модуля деформации возможно определить по графикам рис. 6. Полученные ориентировочные значения плотности и модулей деформации фунтов выбранных карьеров уточняются лабораторными испытаниями фунтов стандартным уплотнением песчано-пылеватой компоненты, с последующими штампо-выми испытаниями уплотненной смеси для уточнения значения модуля деформации.

По данным фанулометрического состава подбалластных песчано-фавийных смесей выделение песчаной компоненты в качестве скелето- и свойствообразующей возможно повысить точность определения плотности смеси и ее модуля деформации.

Значения модулей деформации для супесей и суглинков зависят от влажности предела текучести fV¡ и определяются с учетом их нахождения в зоне влияния по-годно-климатических факторов.

В четвертой главе проведен сравнительный анализ данных математического моделирования, в основе которого лежал метод представления неизвестных величин в виде разложений в степенные ряды по пространственной координате вдоль пути и времени, отсчитываемого с момента приложения динамической нафузки на рассматриваемые элементы полотна. Исследуем полученные соотношения и построим фафи-ческие зависимости осадки в месте действия динамической нафузки от времени для различных соотношений модулей упругости, сдвига и скорости движения (рис. 7,8).

На рис.7а,б,в приведены зависимости динамического прогиба верхнего пути от времени для различных значений соотношения Ед/Er,Gn/Er ,Grg/Er, которые указаны цифрами у кривых, другие параметры в расчетах принимают следующие значения: т=25, h=1, ¿ = 1.1-10"6, Г =8.5-10"3. Рассматривается влияние анизотропных свойств насыпи на характеристики динамического воздействия: при уменьшении соотношения Ев/Ег происходит увеличение прогиба-просадки до некоторого значения; при увеличении Ев/Ег происходит уменьшение прогиба, поскольку последний член отрезка ряда (29) уменьшается при росте соотношения Ев/Ег> 1. Из рис.7б видно, что увеличение значения соотношения модулей G^/E,. приводит к уменьшению прогиба-осадки. Модуль сдвига Grg меньше влияет на величину динамической осадки, чем модули сдвига в других плоскостях, но вместе с тем, это влияние достаточно заметно и при проектировании железнодорожного полотна с маленькими осадками можно рекомендовать, в том числе, и вертикальное армирование, для увеличения модуля сдвига в плоскости г в.

На рис. 7г приведены зависимости динамического прогиба от времени, и исследуется влияние безразмерной скорости воздействия V на величину просадки насыпи с ортотропными свойствами: кривая 1 построена для скорости движения около 150 км/ч, кривая 2-120 км/ч, кривая 3-90 км/ч, кривая 4-60 км/ч, кривая 5-40 км/ч. Полученные прогибы можно сравнить с предельно допустимым прогибом, показанным горизонтальной прямой. Видно, что при некоторых скоростях осадка превышает нормативную, и условие устойчивости не выполняется. На рис. 8а у кривых цифрами в МПа указаны значения Ег и Ев, модули сдвига принимают следующие значения: Grd = Gr,=G6,,=50 МПа. На рис. 86 цифрами в МПа приведены значения

Сг0, О0, соответственно. Пунктирной линией на рис. 7 и рис.8 показаны результаты обработки экспериментальных данных, полученных с помощью путеизмерителя.

а) 2 „б),

16-10 2

0 0.5 1 1.5 2 Время I

Рис. 7 Зависимость динамической осадки от времени для разных значений: а) Еп/ Ег, б) О^/Ег ,в) Огв/Ег г) скорости движения

На рис. 8а видно, что при уменьшении модулей упругости Ег и Ев максимальное значение динамического прогиба увеличивается, причем Ег оказывает более заметное влияние на прогиб. При уменьшении значений модулей сдвига прогиб увеличивается, причем, Ов, больше остальных характеристик влияет на динамическую осадку полотна. При уменьшении Сг:, Св: максимальный прогиб и время, при котором прогиб будет равен нулю, увеличиваются пропорционально, а при уменьшении Огв время, соответствующее нулевому прогибу, увеличивается интенсивнее, т.е. насыпь будет дольше находиться в деформированном состоянии.

а) 0.6

1ух102

0.3

0 15 30 45 60 тхЮ2

Рис.8 Зависимость динамической осадки полотна от времени для различных значений: а) модулей упругости, б) модулей сдвига

Для получения полной картины работы железнодорожного пути необходимо определить не только перемещения определенных точек насыпи, но и силовые факторы, например, усилие, возникающее между колесной парой и рельсом. Рис. 9а иллюстрирует зависимость силы взаимодействия между колесом и рельсом от времени для различных приведенных значений Ед/ Ег пути: кривая 1 соответствует Ед/Ег =4, кривая 2-2, кривая 3 - 1 (трансверсально-изотропная пластинка), кривая 4 - 0.5, кривая 5 - 0.3. Из этого рисунка видно, что при увеличении Ев/Ег контактная сила увеличивается. Пунктирная линия построена при пересчете перемещений, полученных из данных вагона-путеизмерителя. Видно хорошее совпадение результатов эксперимента и аналитического расчета по максимальному значению силы и по продолжительности, только в начале экспериментальная зависимость ведет себя менее линейно, чем теоретическая. На рис. 96 показаны зависимости контактной силы от времени для различных моделей взаимодействия: кривая 1 - упругий контакт, кривая 2 - вязкоупругий контакт, кривая 3 -упруго-пластический контакт. Видно, что упругая модель дает наилучшее приближение к результату обработки экспериментальных данных по максимальной величине силы, по времени контакта и по характеру самой графической зависимости. Путем правильного подбора жесткостных характеристик (модулей деформации и сдвига) верхнего строения пути и основного тела насыпи можно достаточно точно определить поведение железнодорожного пути при динамическом нагружении.

а) 0.8

0.6

я с; 5

° 04

О? св К Н

| 0.2

о «

Время 1 0 15 30 45 60 75 90

Время ?

Рис. 9 Зависимость силы взаимодействия от времени для различных: а) значений соотношения Ед/Ег, б) моделей контакта

Таким образом, сравнивая полученные теоретические зависимости для различных значений механических характеристик насыпи с экспериментальными данными, видно, что варьируя некоторые параметры можно существенно уменьшить просадку железнодорожного пути. Хорошее совпадение результатов математического моделирования и экспериментальных исследований позволяет говорить о применимости представленных методик в реальных задачах обеспечения стабильности эксплуатации железнодорожных путей.

Основные результаты и выводы

1) Проведена классификация инженерно-геологических факторов местности, по которой проходит железная дорога для оценки их влияния на стабильность работы железнодорожного пути. Приведенная типизация обеспечивает возможность структурирования, формализации и матричного представления всех значимых характеристик фунта, а также определения их влияния на конечные характеристики нагруженного полотна.

2) Обоснована возможность применения теории генезиса при оценке качества грунтов при строительстве и реконструкции земляного полотна железнодорожного пути.

3) В рамках волновой теории деформирования доработана методика расчета на динамические воздействия железнодорожного полотна, с учетом различных свойств насыпи, рельсового пути и подстилающего слоя фунта.

4) На основе разработанной методики проведено моделирование деформаций железнодорожного пути при динамическом воздействии на него с учетом различных свойств фунта, верхнего строения пути и подбалластных материалов и получены результаты:

- определены механические характеристики подбалластных материалов и фунтов рабочей зоны земляного полотна:

- определена возможность по кинематическим параметром (прогиб) и силовым (сила взаимодействия) подобрать эксплуатационные характеристики (скорость, интенсивность движения, вес поезда на участке пути, нафузка на ось) с минимизацией затрат по усилению земляного полотна, или по требованиям к заданным эксплуатационным характеристикам подобрать материал для земляного полотна и подбалластного слоя, при котором бы появляющиеся осадки и напряжения не превосходили допустимых значений.

-показано на основе численного анализа полученных зависимостей, что при увеличении плотности, модуля упругости и модуля сдвига материала насыпи мак-

симальная контактная сила увеличивается, а максимальный динамический прогиб уменьшается.

-показано, что анизотропные свойства в вертикальной плоскости вдоль полотна влияют на динамические характеристики нагружения значительнее, чем в перпендикулярной плоскости. Увеличение упругих характеристик материала насыпи в перпендикулярном к оси дороги и нормальном к срединной поверхности полотна направлениях существенно влияет на передаваемую на грунт нагрузку и нормальное перемещения точек насыпи.

-определено, что модуль деформации оказывает большее влияние на значение силы, вместе с тем, в отличие от динамической осадки, поведение контактной силы в первые моменты времени практически не зависит от отношения упругих характеристик насыпи, а определяется только контактными характеристиками пары колесо — верхний путь.

-доказано модуль сдвига в горизонтальной плоскости влияет на динамические характеристики воздействия, что при усилении земляного полотна в вертикальной плоскости осадка уменьшается.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Сычева A.B., Смоляницкий JI.A. Оценка пригодности фунтов придорожных карьеров для возведения насыпи // Путь и путевое хозяйство. 2011. №5. С. 23-24

2. Сычева A.B. Теория генезиса и оценка качества фунтов для строительства земляного полотна // Путь и путевое хозяйство. 2011. №9. С. 32-33.

3. Сычева A.B., Смоляницкий JI.A. Влияние капиллярных процессов в земляном полотне на развитие дефектов // Путь и путевое хозяйство. 2012. №4. С. 20-22.

4. Сычева A.B. Оценка влияния инженерно-геологических условий местности на стабильную эксплуатацию железнодорожного пути // Наука и техника транспорта.

2012. №4. С. 37-41

5. Пешков П.Г., Сычева A.B. Методические указания по усилению основания пути при подготовке его к пропуску пассажирских поездов с повышенными скоростями. М.: Изд-во Транспорт. 90 с.

6. Влияние генезиса и геологического развития местности на стабильность пути// Путь и путевое хозяйство. 2013.№ 8, стр. 22-25

7. Сычева A.B., Локтев A.A., Залетдинов A.B. Расчет осадки полотна железнодорожного пути от действия динамической нагрузки с помощью лучевого метода.// Нелинейный мир. 2013. №11. С.67-76.

8. Сычева A.B. Моделирование взаимодействия колесной пары и железнодорожного пути с учетом механических свойств грунта // Путь и путевое хозяйство.

2013. №12. С.25-32.

9. Сычева A.B., Локтев A.A. Исследование динамических характеристик верхнего строения железнодорожного пути при динамическом воздействии // Наука и техника транспорта. 2013. №4. С.64-70

Сычева Анна Вячеславовна Специальность 01.02.04 — Механика деформируемого твердого тела Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 2.1.И. Тираж 100 экз. Формат бумаги 60x84 1/16. Объем 1,5 п.л. Заказ - 0>2- УПЦ ГИ МНИТ, _Москва, 127994, ул. Образцова, д.9, стр. 9._

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Сычева, Анна Вячеславовна, Москва

О42ЭН52940

На правах рукописи

СЫЧЕВА АННА ВЯЧЕСЛАВОВНА

Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, доцент. Локтев A.A.

Москва-2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.........................................................4

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ И ПАРАМЕТРЫ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ НА ДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ 11

1.1. Классификация инженерно-геологических факторов для оценки стабильности и качества эксплуатации железнодорожного пути...........13

1.1.1 Общие требования к оценке территории прохождения железнодорожного пути по инженерно-геологическим параметрам.........13

1.1.2 Генетический анализ как способ определения слоев или отложений при составлении литологических разрезов оснований земляного полотна.... 14

1.1.3. Обоснование выбора показателей характеризующих оценку стабильной работы железнодорожного пути............................24

1.1.4. Типизация и классификация инженерно-геологических условий местности для оценки их влияния на стабильность работы железнодорожного пути..............................................................34

1.1.5. Оценка влияния генезиса и истории геологического развития местности на стабильность эксплуатации железнодорожного пути.........36

1.2 Современные подходы к решению задач динамического нагружения через контакт двух твердых тел........................................41

1.2.1 Традиционный подход к определению характеристик динамического взаимодействия.....................................................41

1.2.2. Энергетический подход динамического контакта...............42

1.2.3. Подходы, учитывающие различные реологические свойства контактирующих тел................................................ 45

1.3. Выводы по первой главе.....................................49

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ ПОЛОТНО 51

2.1. Метод представления неизвестных величин в виде разложений по пространственной координате и времени.............................. 52

2.2 Определение коэффициентов в степенных разложениях.............56

2.3 Определение постоянных интегрирования.................... 62

2.4 Использование численных методов для решения задач динамического нагружения.........................................................70

2.4.1 Метод конечных разностей..................................71

2.4.3 Метод численного интегрирования...........................73

2.4.4 Методы, используемые в современных программных комплексах для инженерных расчетов........................................... 75

2.5 Выводы по второй главе.....................................76

ГЛАВА 3. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ ПУТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГРУНТА И НАСЫПИ 78

3.1 Назначение мест инженерно-геологического обследования рабочей зоны земляного полотна.............................................80

3.2 Инженерно-геологическое обследование объектов и испытания грунтов 86

3.3 Определение деформативности грунтов и упругой осадки пути при использовании данных инженерно-геологического обследования...........89

3.4 Проектирование рабочей зоны земляного полотна................99

3.5 Пример оценки деформативности основания эксплуатируемого пути 104

3.6 Выводы по третьей главе.....................................110

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОЛОТНА ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ 112

4.1. Результат инженерно-геологических исследований по предложенной методике на участке Горьковской железной дороги.....................112

4.2. Данные вагона-путеизмерителя по просадкам и напряжениям вблизи области приложения динамической нагрузки...........................118

4.3. Определение динамических характеристик контактного взаимодействия колесной пары и строения верхнего пути................120

4.4. Выводы по четвертой главе..................................132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................. 134

Библиографический список........................................ 136

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа посвящена моделированию поведения железнодорожного пути под действием динамической нагрузки от колесной пары с учетом упругих, вязкоупругих и упруго-пластических свойств области взаимодействия двух твердых тел и упругих анизотропных свойств насыпи, отличающихся по трем основным направлениям: вдоль рельс, вдоль шпал и вертикально вниз. Волновые уравнения железнодорожного пути позволяют предположить, что деформирование и верхнего строения пути и самой насыпи вне области взаимодействия тел происходит с учетом распространения с конечными скоростями волновых поверхностей. В качестве методов решения используются методы асимптотических разложений по времени и пространственной координате, метод сращивания разложений, полученных для малых времен в зоне контакта и вне ее. Особенностью работы является учет влияния большого количества инженерно-геологических факторов на оценку качества работы полотна, что в итоге сводится к определению модулей деформации и сдвига балласта и подбалластного основания с помощью предлагаемых и уже использующихся на железных дорогах методик.

В работе доработана теория поперечного динамического воздействия на верхнее строение пути в рамках современных волновых подходов. Предлагаемая методика расчета пути на динамическое воздействие в будущем может заменить собой достаточно дорогостоящие эксперименты и натурные исследования.

Актуальность исследования.

Железнодорожный путь сложная система, включающая ряд структурных объектов: геоподоснова земляного полотна, конструкция земляного полотна, балластный слой и верхнее строение пути, на каждый из которых воздействуют силы от подвижного состава. При этом исследователи разрабатывают математические модели для каждого из объектов на основе прямых аналитических исследований по оценке влияния подвижного состава на эксплуатационные качества земляного полотна с учетом факторов прочности подбалластного основания, общей и местной устойчивости откосов и склонов, стабильности слабых грунтов в основании насыпей, инженерно-геологических факторов местности, по которой проложена железная дорога. Создание совокупности моделей работы железнодорожного пути с учетом динамического воздействия и различных свойств грунтов для каждого из объекта, входящего в систему железнодорожный путь приводит к сложным вычислительным процедурам, исключающим возможность использования этих моделей для практического применения. Причем при создании таких моделей, как правило, не учитываются особенности геологического строения местности, по которой проходит железная дорога. Поэтому моделирование работы напряженно-деформированного состояния при реальном спектре воздействия на основе исследования волновых полей в системе геоподснова земляного полотна, грунтовая среда земляного полотна, подбалластный и балластный слой, верхнее строение пути при динамических воздействиях на них является актуальной задачей. Актуальность подтверждается также тем, что практически нет исследований применительно к оценке стабильности работы железнодорожного пути с учетом влияния инженерно геологических факторов и генезиса.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

2. Разработка методики оценки влияния инженерно-геологических факторов на качество эксплуатации железнодорожного пути;

3. Разработка методики расчета на динамические воздействия железнодорожного полотна, с учетом различных свойств насыпи, рельсового пути и подстилающего слоя грунта;

4. Разработка методики определения характеристик грунта основания и насыпи;

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведена типизация и разработана классификация инженерно-

~~--- —геологических условий местности для-оценки их влияния на стабильность----

работы железнодорожного пути

2. Разработана методика оценки влияния каждого инженерно геологического фактора на качество эксплуатации работы железнодорожного пути;

3. Проведено обоснование возможности применения теории генезиса при оценки качества грунтов при строительстве и реконструкции железнодорожного пути;

4. Разработана методика определения характеристик грунта основания и насыпи;

Практическая ценность. Разработанные в диссертации методики позволяют:

1. Выявить факторы, влияющие на стабильность и качество работы железнодорожного пути;

Реализация результатов работы.

На основе результатов работы разработаны и утверждены МПС:

-Методические указания по инженерно-геологическому обследованию рабочей зоны земляного полотна;

-Методические указания по проектированию и сооружению земляного полотна на обходах эксплуатируемого пути;

Методические указания по проектированию и сооружению дренажей с уменьшенным продольным уклоном.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

- Классификация инженерно-геологических факторов для оценки стабильности и качества эксплуатации железнодорожного пути;

- Методика оценки факторов, влияющих на работу железнодорожного пути;

- Методика определения характеристик грунта основания и насыпи;

- Методика определения кинематических и силовых характеристик железнодорожного полотна с учетом различных свойств основания и парамет ров динамической нагрузки;

Апробация результатов. Основные положения диссертации были доложены на Научно-практических конференциях с международным участием «Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство» в 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 и 2013 гг., на заседаниях секций Ученого совета Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ОАО ВНИИЖТ) в 2000, 2005, 2009, 2012 г.г., на городских семинарах по механике и акустике в г. Санкт-Петербурге в 2013 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них 4 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, пять главы, заключение и изложена на 145 страницах машинописного текста, в том числе 18 таблиц, 36 рисунка. Список использованных источников насчитывает 125 наименований.

Краткое изложение диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Указаны основные цели работы, кратко изложена структура диссертации, охарактеризована ее научная новизна, научная и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, а также

представление результатов различных частей и всей работы в целом научной общественности на конференциях, семинарах и симпозиумах.

В первой главе описывается общая постановка задач динамического взаимодействия твердых тел, одно из которых достаточно протяженное, начальные и граничные условия, их влияние на процесс решения и используемые методы, приводятся основные положения подходов к задачам динамического контакта с точки зрения фундаментальных исследований по механике деформируемого твердого тела и инженерных приложений в различных отраслях хозяйственной деятельности человека. Приводится краткий исторический обзор решения задач, связанных с динамическим воздействием на твердые тела, описываются этапы эволюции инженерно-геологических представлений о поведении балластной призмы и подбалластного основания, проводится генетический анализ грунта на достаточно большую глубину вблизи прохождения железной дороги, а также выявляются характеристики грунта, влияющие наибольшим образом на конечных величины, показывающие поведения пути при динамическом нагружении.

Вторая глава посвящена методам решения задач ударного взаимодействия твердого тела и мишени. В случае использования аналитических методов предлагается получить искомые функции в виде достаточно небольших выражений, которые могут быть использованы инженерами-проектировщиками и специалистами, обслуживающими вагон-путеизмеритель для определения всех параметров поведения пути при динамическом воздействии проходящего состава. Большинство задач динамического взаимодействия тел может быть разделено на две части: построение решений внутри контактной области (контактная задача) и вне ее (задача распространения волн).

Получены рекуррентные соотношения лучевого метода для анизотропной

насыпи. Результатом решения систем рекуррентных дифференциальных

уравнений являются коэффициенты лучевых рядов для искомых функций,

определенные с точностью до постоянных интегрирования. В этой главе также

приводятся основы численных методов, которые используются для решения

тестовых задач и для обработки экспериментальных результатов выполняется

сращивание решений волновой и контактной задачи, после чего определяются постоянные интегрирования в лучевых рядах, а также записываются динамический прогиб и сила взаимодействия верхнего пути и рельса в зависимости от характеристик материалов, конструкции и параметров взаимодействия.

В третьей главе описывается методика проведения инженерно-геологических изысканий на железной дороге, после использования которой определяется широкий спектр параметров грунта, подставляемых затем в выражения записанные в главе 2. Полученные ориентировочные значения плотности и модулей деформации грунтов, выбранных у насыпи уточняются лабораторными испытаниями. Здесь также приводится методика проектирования и расчета рабочей зоны основания железнодорожного пути с учётом промерзания грунтов при этом используется экспериментальная зависимость модуля деформации балластного слоя от приведенного модуля деформации подбалластного основания, что позволяет более точно оценить поведение всей конструкции пути в различных погодных условиях. Рассматривается двухслойное и многослойное подбалластное основание рабочей зоны в зависимости от свойств составляющих их грунтов.

В главе 4 рассматривается результаты реально проведенных инженерно-геологических исследований на участке Горьковской железной дороги. Приводятся результаты работы вагона-путеизмерителя на этом же участке дороги. Определяются динамические характеристики динамического воздействия, влияние на них ортотропных свойств материала насыпи. Проведено исследование влияния упругих характеристик материала для каждого направления анизотропии на динамиче