ИННОВАЦИОННАЯ РАЗРАБОТКА ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

ИННОВАЦИОННАЯ РАЗРАБОТКА ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

© Тукмакова О.В.1, Жданова С.М.2

Дальневосточный государственный университет путей сообщения,

г. Хабаровск

Земляное полотно грунтового сооружения является его важнейшим элементом, ответственным за устойчивость верхнего строения пути и, как следствие, безопасность движения поездов. Поэтому в последнее время усовершенствуется и разрабатывается ряд мероприятий, направленных на стабилизацию деформирующего земляного полотна, расположенного в неблагоприятных природно-климатических и топографических условиях.

В статье приводится и обосновывается расчетно-теоретическим путем решение по стабилизации земляного полотна с использованием конструкции «упругая» эстакада на конкретном участке км 58 ПК 8 -ПК 10 - км 59 ПК 8 железнодорожной линии Беркакит-Томмот Амуро-Якутской магистрали.

Ключевые слова земляное полотно, деформации, карстовые провалы, слабые грунты, устойчивость, «упругая» эстакада.

В условиях вечной мерзлоты на состояние земляного полотна оказывает влияние множество факторов, наиболее непредсказуемыми из которых являются: протаивание подземных льдов, провальные явления (карстовые провалы), гравитационные и аномальные сейсмические явления. Каждый из вышеперечисленных факторов невозможно рассчитать или предположить его появление или развитие в определенных зонах. Процесс формирования и развития каждого из явлений происходит ниже поверхности земли и визуальные методы мониторинга земляного полотна не всегда способны их выявить.

Каждый из участков, подверженных такого рода деформациям, весьма уникален в виду различной топографии местности, климатических и инженерно-геологических условий, поэтому не существует шаблонных решений по обеспечению устойчивости земляного сооружения и в каждом конкретном случае необходим индивидуальный подход.

Таким примером является км 58 ПК 8 - ПК 10 - км 59 ПК 8 на участке Беркакит-Томмот Амуро-Якутской магистрали.

В административном отношении участок реконструкции расположен в Нерюнгринском районе Республики Саха (Якутия), 58 км - 59 км участка

1 Аспирант кафедры «Железнодорожный путь, изыскания и проектирование железных дорог».

2 Заведующий НИЛ «Основания и фундаменты», доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство».

перегона ст. Чульбасс - раз. Тенистый железнодорожной линии Беркакит -Томмот - Якутск ОАО «АК «ЖДЯ»». Протяженность деформирующегося участка 1,4 км.

Средняя глубина сезонного промерзания грунтов составляет 4,0 м - на водораздельных пространствах и 1,5 м - по долинам рек и ручьев. Температура почвы на глубине 0,8 м колеблется от -0,4 °С до -9,5 °С - в зимние месяцы; от +2,1 °С до +11,8 °С - в летние.

Район характеризуется островным распространением вечномерзлых грунтов.

Как показали геологические и геофизические исследования, участок железнодорожной линии подвержен деформациям в виде термокарстовых провалов и провальных воронок.

Необходимость в разработке рабочего проекта возникла в связи с ликвидацией опасных деформаций земляного полотна. В пределах рассматриваемого участка земляного полотна из числа современных экзогенных геологических процессов, отрицательно влияющих на эксплуатацию, отмечено морозное пучение грунтов, провалы из-за разрушения и разложения песчаных и глинистых грунтов, провалов в слоях угольных сланцев и высокая сейсмичность района.

По заданию главного инженера Службы пути специалистами ДВГУПС был разработан проект усиления земляного полотна, в котором была использована противодеформационная конструкция «упругая» эстакада (патент ДВГУПС № 2208091).

Как правило, на таких участках приходится выполнять капитальные мероприятия в виде «малых» обходов, т.е. перенесением пути на заранее подготовленное укрепленное основание, что связано с эксплуатационными расходами и капитальными затратами, составляющими не менее 50 % строительства новой железной дороги (по последним данным стоимость строительства 1 км железной дороги, в среднем составляет около 1 млрд. рублей или на 200 м - 140 млн. руб.).

Изобретение «упругая» эстакада предназначено для строительства и реконструкции линейных сооружений на слабых, в том числе вечномерзлых грунтах 3-й 4-й категорий термопросадочности, на бессточных участках, и болотах 2-го и 3-го типов. Земляное сооружение на слабом основании представляет собой тело насыпи из чередующихся слоев насыпного грунта и полотнищ геосинтетического материала, которые в продольном направлении уложены на всю длину участка со слабым основанием и в поперечном -на ширину дорожного полотна. Технология укладки конструкции производится следующим образом (рис. 1):

1) полотнища геосинтетического материала выполняются в виде замкнутой ленты и укладываются на проектной отметке полотна насыпи;

Схема «упругой эстакады»

нахлест полотен геосинтетического

полотна геосинтетического

Рис. 1. Схема «упругой» эстакады

2) в оба конца конвейера вставляются тяги, которые заанкерены с обеих сторон в прочные грунты и имеют в верхних частях анкеров ролики для передачи давления от поездной нагрузки на полотнища геосинтетического материала;

3) внутренне пространство ленты заполнено дренирующим материалом, например песком.

Решаемая задача заключается в перераспределении нагрузки от подвижного состава и собственного веса насыпи на прочные грунты основания. «Передача» нагрузки осуществляется посредством восприятия последней полотнами синтетического нетканого материала и последующим перераспределением через тяги на прочные грунты.

Таким образом, минимизируется воздействие на участок слабых грунтов, подверженных провальным явлениям и предотвращается деформирование земляного полотна.

Параметры:

Размеры участка полотна «упругой» эстакады I = 25 м, Ь = 6 м, к = 0,053 м;

Распределенная нагрузка по всей поверхности полотна «упругой» эстакады а = 270 2;

/ м

Для расчетной полосы полотна «упругой» эстакады с размерами I х Ь х к = 25 х 1 х 0,056 м распределенная нагрузка соответственно уменьшится в 6 раз а = 45 к^/ 2;

/ м

Модуль деформации песчаного грунта Е = 4,3 • 104 2;

/ м

Модуль упругости полотна «упругой» эстакады Е = 0,22 - 0,8 • 103 2;

/ м

Коэффициент постели: для песка - 40 3; для крупнообломочного

грунта - 70 %м3-

Граничные условия:

Принимаем два края полотна «упругой» эстакады у = 0 и у = Ь свободны от закреплений, а края х = 0 и х = а шарнирно оперты.

Расчет:

Определим и сведем в таблицу необходимые для расчета вспомогательные константы А, В, С, N К, W, а:

А=т | £ 1/ (^ -£ | / (№+£ \

в—1 |е!/(йг -Е 1 / (^ +

4!

4!

+Е М (— +Е ^(— )4 +—к -га5

Е ' 3! Е ' 4! 48

с=^г ЕI /(*)^-ЕI /(*)^+ЕFllзl -Ем

Г — /2 —/2 1

N=^ |ЕГ—/21 /(^-ЕГ—/21 /(^+ЕГ—/2 р+КЬ

У 1нг ^кг J

К = -1 Е | /(^ - № - Е } /(№ - ^ + Е F (L - /з,-) + ЕМ,

г—£ ^ЕГ—/2 У / (2)*-ЕГ—/2 —I / о

+Е Г—/2м, ^+Е Г—/2 р

1 - ц2 лЕЬ— лЕЬ—

( — /2-7 )3

3!

+

а —

1 -и2 Е1

Е1

Таблица 1

Значения вспомогательных констант для расчета прогиба полотна «упругой» эстакады

параметры A B C N K W а

241,17 324,14 268,67 78,9 56,42 198,64 1,4175

По полученным вспомогательным константам вычислим неизвестные постоянные:

_ (8252 -34а)А - 13440Ва а — ;

0 13440+29а

(2С-А)(1280-а)-8Na

3 = 2048 + а '

(5188 + 63а)А + 13440Ва

У = 13440 + 29а '

(2С - А)(384 + а) + 4Nа

10 = 2048 + а '

(8252 - 34-1,4175) • 241,17-13440 • 324,14-1,4175 а = ----= -311,31;

13440 + 29 • 1,4175

а _ (2• 268,67-241,17)• (1280-1,4175)-8• 78,9-1,4175

3

2048 + 1,4175

= 184,34; а = 553,01;

а _ (5188 + 63-1,4175)• 241,17 + 13440• 324,14-1,4175

3

13440 + 29-1,4175

= 552,48; а = 1657,43;

10

(2 - 268,67 - 241,17) - (384 + 1,4175) + 4 - 78,9-1,4175 2048 + 1,4175 ;

а =559,17.

Распределенная реакция основания рх на полотно рассчитывается из алгебраической функции третьей степени:

2 а,

Рх = а0 + — I х-Т 1 +

Ь

Ь ^ 4а2 (х-ьу + 8а3гх-

2) Ь

2• 553,01 Г 25| 4• 1657,43 Г 25 ,

рх =-311,31+----1 6--1+-^--1 6--+

25 I 2 I 252 I 2

+-Г6-* | = 89,891 кН, 253 I 2

Вычислим максимальные значения поперечных сил и перерезывающих моментов:

бтах

а°(2х - Ь) —— (10а + 3а) - К 2 120 1 2

2а (х - Ь / 2)2 +—1 ---— +

Ь 2!

| 8д (х - Ь /2)3 | 48д (х - Ь /2)4

3!

П

4!

М =-(10а - 5а + 3а ) +

шах 240 1 2 3'

а0 (х - Ь)- — (10а + 3а ) - К 2 120 1 3

х+

2а (х- Ь /2)3 8а (х - Ь /2)4 48а (х - Ь /2)5.

3!

Ь2

4!

5!

Ош* = 16,7 кН; М_ = 22,54 кНм.

Определим напряжения в теле полотна «упругой» эстакады:

4м Р А/2

Ей2

3(1 - V ) ^ /

а

3

Ь

=

3 Г /42

= 4 * IА

1 -БесЬи 1 -зесЬ1,97 „ „ ч, 3ю1 5 а/4

-^-=-т— = 0,04; а(1 + а)2 = —; ю0 =-—

и2 1,972 А2 384 Р

2 2

ЕА

В - жесткость полотна при изгибе, Р = - „ .

12

При модуле упругости геосинтетического материала

Е = 0,22 - 0,8-103 ^ 2 /м

и коэффициенте Пуассона v= 0,38

Р = 45 -0,053 = 0,232 кН/ ;

12(1-0,382) /м

5 45 ^ 254 ю =- 45 25 =-0,099 м; 0 384 0,232

„ ч2 3-0,0992 1А .

а(1 + а)2 =--—— = 10,5.

0,0532

п I—

Откуда а = 1,58 и параметр растяжения и = — уа = 1,97.

Отсюда " = 45•'•972 112 = 0,0004 кН/2. 1 3(1 -0,382) ^ 25 I /м2

а = 3 - 45 - 0,04 = 3,004 2;

2 4 1 0,053 I /м2'

= 0,0004 + 3,004 = 3,0044 2.

/м

Ввиду полученных малых напряжений в теле полотна «упругой» эстакады, можно сделать вывод о том, что большая часть напряжений от веса насыпи и подвижного состава поглощается основанием земляного сооружения. Возникающие напряжения в полотнах не превышают допустимых предельных напряжений, при которых наблюдается разрыв полотна (разрывная

нагрузка для расчетного геосинтетического материала Ррары1Ш = 10,5 ).

Стоимость такой конструкции составила в проекте 2 млн. 665 рублей.

"шах ="1 +а2;

Список литературы:

1. Щербакова Н.Ф. Сборник рефератов изобретений и полезных моделей автора С.М. Ждановой / Сост.: Н.Ф. Щербакова, В.В. Коробко; под ред. Н.Ф. Щербаковой. - Хабаровск: ДВГУПС, 2012. - 24 с.

2. Симвулиди И.А. Расчет балок на упругом основании (приближенный метод) // Советская наука. - М., 1955. - 96 с.

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ МЕТОДОМ «ПИК-ФАКТОР»

© Чуйков Р.И.1, Никитин Ю.Р.2

Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, г. Ижевск

В статье рассмотрены метод диагностики состояния подшипников качения по пик-фактору. Был разработан стенд для испытаний. Создана программа для вывода значения Пик-фактора и графика зависимости ПИК/СКЗ.

Ключевые слова: диагностика, ПИК-ФАКТОР, подшипник качения, стенд, вибродиагностика.

Диагностика - область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объекта.

Диагностирование - определение технического состояния объекта. Задачи диагностики:

Применительно к средствам оценки технического состояния модулей можно выделить три типа задач:

- контроль измеряемых параметров;

- идентификация неисправности оборудования;

- прогноз изменения технического состояния модулей. Подшипник качения является самым распространенным и наиболее уяз-

вимьгм элементом любого роторного механизма. Подшипники осуществляют пространственную фиксацию вращающихся роторов и воспринимают основную часть статических и динамических усилий, возникающих в механизме.

Поэтому техническое состояние подшипников является важнейшей составляющей, определяющей работоспособность механизма в целом.

1 Магистрант кафедры «Мехатронные системы».

2 Кандидат технических наук, доцент.