Исследование прочностных характеристик лёссовидных грунтов при действии вибродинамической нагрузки, возникающей при движении поездов со скоростями

and practical conference «Safety of regions - a basis of a sustainable development». - Irkutsk: Ir-SUMC, 2014. - 389 - 394 p.

УДК 625.12.033.38

У. Э. Эргашев, Н. И. Бегматов

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЁССОВИДНЫХ ГРУНТОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ ВИБРОДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ, ВОЗНИКАЮЩЕЙ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПОЕЗДОВ СО СКОРОСТЯМИ 200 - 250 км/ч

Приведены результаты исследования прочностных характеристик лёссовидной супеси в условиях трехосного сжатия при воздействии вибродинамической нагрузки от высокоскоростного подвижного состава. Исследования выполнялись на вибростабилометре, в основу работы установки положен принцип моделирования вибродинамического воздействия с периодическим изменением гидростатического давления в рабочей камере стабилометра. Получены экспериментальные значения удельного сцепления и угла внутреннего трения, а также величин их относительного снижения при воздействии вибродинамической нагрузки.

В соответствии с планом развития скоростного и высокоскоростного движения в Республике Узбекистан в 2011 г. была реконструирована железнодорожная магистраль Ташкент -Самарканд под скорости 200 - 250 км/ч, в 2015 г. состоялось открытие скоростного движения поездов на линии Мараканд - Карши - Термез, и в дальнейшем, к 2020 г. намечается открытие скоростного движения поездов на линии Мараканд - Навои - Бухара. Введение скоростного и высокоскоростного движения поездов на сети железных дорог Узбекистана тесно связано с обеспечением необходимого уровня надежности железнодорожного пути, в том числе земляного полотна как его несущей конструкции. Изучение особенностей геологического строения этих участков показывает, что 55 - 60 % их длины представлено насыпями, сложенными лёссовидными грунтами.

Прочностные характеристики лёссовидных грунтов в условиях трехосного напряженного состояния при воздействии вибродинамических нагрузок, возникающих при движении грузового поезда со скоростями до 100 км/ч, исследовались А. М. Абдукаримовом [2], де-формативные свойства лёссовидных грунтов при воздействии вибродинамической нагрузки от скоростного подвижного состава исследовались З. Э. Мирсалиховом [3].

Изменение прочностных характеристик лёссовидных грунтов, распространенных в Республике Узбекистан, при вибродинамическом воздействии, возникающем при движении поездов со скоростями 200 - 250 км/ч, ранее не исследовалось.

Для проведения исследований прочностных характеристик лёссовидных грунтов были отобраны образцы грунтов на скоростном железнодорожном участке Боявут - Янгиер в Республике Узбекистан. Земляное полотно представлено насыпью высотой 2,2 метра, отсыпанной из лёссовидных грунтов. Образцы грунтов отбирались монолитами ненарушенного сложения в соответствии с рекомендациями работы [5]. Отбор осуществлялся с помощью специального изготовленного грунтоноса для ручного бурового комплекта. Отобранные монолиты сразу же погружались в металлическую гильзу. Для обеспечения естественной влажности и природной структуры гильзы плотно закрывались металлической крышкой, после чего производилось парафинирование швов. В таком виде образцы грунта транспортировались в лабораторию. Лабораторные исследования осуществлялись в лаборатории кафедры «Управление технология строительства» ПГУПСа в вибростабилометре конструкции ЛИИЖТа, в котором моделируются вибродинамические нагрузки, передающиеся грунтам земляного полотна, методом консолидированно-недренированных испытаний.

В процессе лабораторных исследований были определены показатели физических свойств лёссовидного грунта. Все лабораторные опыты выполнялись в соответствии с дей-

ствующими стандартами [7]. По результатам исследований установлено, что грунт является лёссовидной супесью, находится в полутвердом состоянии и характеризуется высокой плотностью сложения.

Изучение прочностных свойств глинистых грунтов при действии вибродинамической нагрузки показывает, что существенное влияние на характеристики прочности оказывает естественная влажность. Поэтому с учетом необходимости выявления зависимости прочностных свойств при вибродинамических нагрузках от влажности грунта большинство серий испытаний по определению удельного сцепления и угла внутреннего трения выполнено на образцах нарушенной структуры. Образцы нарушенной структуры с задаваемой величиной влажности изготавливались в соответствии с ГОСТ 12248-96 [6]. При этом при изготовлении образцов обеспечивалась плотность сухого грунта (скелета), равная фактической плотности в земляном полотне. Таким образом, образцы грунта имели коэффициент уплотнения, близкий к фактическому в теле насыпи. Рабочие размеры образцов составляли 60 мм по высоте и 40 мм в диаметре. Перед испытанием все образцы взвешивались, их вес определялся с точностью до 0,1 г.

Для определения прочностных характеристик лёссовидной супеси в камере стабиломет-ра создавалось гидростатическое давление, равное 0,4; 0,6 и 0,8 кгс/см2. В работе [4] приведен уровень вибродинамической нагрузки, возникающей в условиях высокоскоростного движения поездов (при скоростях 200 - 250 км/ч). Для лёссовидных супесей при скорости 250 км/ч на уровне основной площадки земляного полотна значение максимальной результирующей амплитуд колебаний составляет 276 мкм в зависимости от состояния верхнего строения пути, земляного полотна и его основания. В связи с этим максимальная вибродинамическая нагрузка в камере стабилометра была принята на уровне 300 мкм.

Определение прочностных характеристик грунтов при воздействии вибродинамических нагрузок возможно при нескольких режимах испытаний, широко распространенных в механике грунтов [1]. Учитывая характер работы лёссовидных грунтов земляного полотна, воспринимающего постоянную нагрузку от собственного веса балласта, рельсошпальной решетки, а также непродолжительный период действия временной нагрузки при затрудненном или невозможном дренировании воды, в качестве основной методики принято, консолидиро-ванно-недренированное испытание при максимально возможной скорости разрушения грунта. Такой метод испытания сводится к выдерживанию грунта под всесторонним давлением до полного затухания деформаций, что легко устанавливается по показанию волюметра. После этого на грунт передавалась вибродинамическая нагрузка, которая воздействовала в течение некоторого времени, а затем производилось условно-мгновенное разрушения грунта [1]. Метод условно-мгновенного разрушения при рычажной передаче нагрузки на образец обычно заключается в том, что в процессе эксперимента грунт разрушается под действием нагрузки, укладываемой на подвеску прибора в максимально возможном темпе. Процесс разрушения грунта осциллографировался датчиком вертикальной деформации. Конструкция датчика позволяет на ленте осциллографа регистрировать график нарастания деформаций во времени практически с любой скоростью в зависимости от действующей нагрузки. Так как нагрузка создается постепенно уменьшающимися ступенями, на осциллограмме фиксируется своеобразный перелом графика, соответствующий моменту приложения нагрузки. Таким образом, по данным осциллограмм с использованием тарировочных графиков можно получить в любой период времени разрушения грунта следующие данные: действующую нагрузку на любой ступени разрушения, соответствующую ей величину истинной деформации, время действия нагрузки, а следовательно, и время развития деформации.

На основании этих величин, используя рекомендации, приведенные в источнике [1], рассчитываются относительная деформация грунта X, действующие вертикальные напряжения и значения избыточных вертикальных напряжений (девиатор). По полученным значениям традиционным способом строилась графическая зависимость развития относительной деформации X от девиатора напряжений q = о1 - о3, по которой определялось предельное состояние

образцов лёссовидной супеси. Предельное состояние грунта по графику X = _До) определяется значительно точнее и объективнее, чем общепринятым способом.

Полученные разрушающие избыточные напряжения при действии как статической, так и вибродинамической нагрузки позволили построить круги Мора, огибающие к которым определяют значения сцепления и угла внутреннего трения.

Исследование прочностных свойств лёссовидных супесей при действии видродинамиче-ской нагрузки осуществлялось при разных значениях влажности. Результаты таких экспериментов приведены в таблице 1 и на рисунках 1 и 2.

Таблица 1 - Прочностные характеристики лёссовидной супеси при действии статической и вибродинамической нагрузки

Показатель консистенции JL Коэффициент уплотнения Плотность грунта, т/м3 Статика Динамика

удельное сцепление С, кг/см2 угол внутреннего трения ф, град. удельное сцепление С, кг/см2 угол внутреннего трения ф, град.

0 1,00 2,14 0,24 32 0,22 30

0,1 1,02 2,18 0,22 28 0,18 25

0,2 1,02 2,19 0,20 24 0,14 20

0,3 1,02 2,20 0,17 21 0,11 17

0,4 1,01 2,19 0,14 19 0,09 15

0,5 1,00 2,18 0,10 17 0,08 14

Показатель консистенции JL:

— при статике; Я — при вибродинамике

Рисунок 1 - Зависимость изменения удельного сцепления лёссовидной супеси от консистенции

Анализ рисунков 1, 2 показывает, что лёссовидная супесь, находящаяся в твердом состоянии, характеризуется высокими значениями удельного сцепления и угла внутреннего трения даже при вибродинамических нагрузках. В статике при влажности 13 %, при показателе консистенции JL = 0 сцепление равно 0,24 кг/см и угол внутреннего трения - 32 °, а при вибродинамической нагрузке соответственно: сцепление - 0,22 кг/см2 и угол - 30 °.

С увеличением влажности грунта происходит снижение удельного сцепления и угла внутреннего трения при действии как статической, так и вибродинамической нагрузки. Так,

№ 4(24) 2015

в статике повышение влажности до 15 %, до показателя консистенции JL = 0,3, величина сцепления составила 0,17 кг/см , т. е. снизилась на 32 %. В этом же состоянии угол внутреннего трения определяется величиной в 21°, т. е. уменьшился на 28 %. При действии вибродинамической нагрузки удельное сцепление составило 0,11 кг/см2, т. е. снизилось на 50 %, а угол внутреннего трения равен 17 т. е. уменьшился на 43 %. Аналогичная картина наблюдается при значениях влажности 16 %. Следовательно, действие вибродинамической нагрузки, возникающей при действии высокоскоростного подвижного состава, приводит к более интенсивному снижению прочностных характеристик лёссовидной супеси, залегающей в теле земляного полотна.

Для оценки влияния вибродинамического воздействия на прочностные характеристики лёссовидной супеси использовались показатели относительного снижения удельного сцепления и угла внутреннего трения, определяемые по формулам:

С - Ст1П

К = -2-;

С С

ст

ф -фтт

= ст дн , (2) фф

ст

где С и ф - удельное сцепление и угол внутреннего трения грунта при статических ис-ст ст

пытаниях;

Ст1П и фт1П - минимальное удельное сцепление и угол внутреннего трения, определенные при максимальной вибродинамической нагрузке, возникающей при скоростях 200 -250 км/ч.

35

30

А

о

и

<и И И

<и

«

Ч о

и

25

20

15

10

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Показатель консистенции JL^.

— при статике:

— при вибродинамике

0

Рисунок 2 - Зависимость изменения угла внутреннего трения лёссовидной супеси от консистенции

В таблице 2 представлены результаты исследований зависимости указанных показателей от влажности.

На рисунках 3, 4 представлено изменение показателей относительного снижения сцепления и угла внутреннего трения в зависимости от консистенции лёссовидного грунта при действии вибродинамической нагрузки, которая возникает при скорости 250 км/ч.

Таблица 2 - Влияние вибродинамического воздействия на прочностные характеристики лёссовидной супеси

Показатель консистенции JL Относительное снижение удельного сцепления Кс Относительное снижение угла внутреннего трения Кф

0 0,08 0,06

0,1 0,18 0,11

0,2 0,30 0,17

0,3 0,35 0,20

0,4 0,33 0,19

0,5 0,20 0,18

0х

с, сК

н е л п

е ц

с е и н е

н с е о н ь л е и

ити

с

сон

т О

/V

40 35 30 25 20 15 10 5 0

Показатель консистенции JL Рисунок 3 - Зависимость изменения показателя относительного снижения сцепления Кс от консистенции 25

ал г

^ о4 е ,ф

и

нК ея

20

н с е о н ь л е

ети

с о н т О

о г

е

нн10

е

ерт тун

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Показатель консистенции JL

Рисунок 4 - Зависимость изменения показателя относительно снижения угла внутреннего трения Кф

от консистенции

«15

5

0

№ 4(24) 2015

Анализ рисунков 3, 4 свидетельствует о незначительном снижении прочности лёссовидный супеси при влажности, близкой к пределу раскатывания (JL = 0). Коэффициент относительного снижения сцепления составляет всего 0,08, а коэффициент относительного снижения угла внутреннего трения - 0,06 при действии максимальной вибродинамической нагрузки. С увеличением влажности прочностные характеристики под влиянием вибродинмическо-го воздействия снижаются. Максимальная чувствительность лёссовидной супеси при действии вибродинамической нагрузки достигается в диапазоне от 0,28 до 0,47. При действии вибродинамической нагрузки, возникающей при скорости 250 км/ч, сцепление снижается на 35 %, а угол внутреннего трения - на 20 %.

Выполненные экспериментальные исследования прочностных характеристик лёссовидной супеси под влиянием вибродинамической нагрузки, которая возникает при высокоскоростном движении поездов, позволяют сделать следующие выводы.

1. Снижение прочностных характеристик лёссовидной супеси железнодорожного земляного полотна происходит под влиянием динамического воздействия, нарушающего силы контактного взаимодействия между элементарными частицами.

2. С увеличением влажности лёссовидных супесей при действии вибродинамической нагрузки, возникающей при скоростях 200 - 250 км/ч, происходит более интенсивное снижение прочностных характеристик, чем в статике. При увеличении влажности с 13 до 15 % удельное сцепление в статике снижаются на 32 %, а в динамике - на 50 %. Соответственно угол внутреннего трения в статике снижается на 32 %, в динамике - на 43 %.

3. Максимальное снижение сцепления и угла внутреннего трения лёссовидной супеси, залегающей в теле насыпи, под воздействием вибродинамических нагрузок, возникающих при скоростях 200 - 250 км/ч, регистрируется при значении показателя консистенции от 0,28 до 0,37 и составляет 35 % для сцепления и 20 % для угла внутреннего трения.

4. Полученные результаты указывают на меньшую чувствительность лёссовидных супесей земляного полотна к вибродинамическим воздействиям по сравнению с обычными глинистыми грунтами. При критической влажности (0,27 < JL < 0,36) прочностные характеристики обычных глинистых грунтов снижаются: сцепление - на 43 %, угол внутреннего трения - на 34 % [1]. Прочностные характеристики лёссовидных супесей при критической влажности (0,28 < JL < 0,47) снижаются: сцепление - на 35 %, угол внутреннего трения - на 20 %.

5. Полученные значения изменения прочностных свойств лёссовидной супеси под влиянием вибродинамической нагрузки, возникающей при высокоскоростном движении поездов, показывают, что можно пользоваться расчетами проектных организаций для определения несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лёссовидной супеси, при высокоскоростном движении поездов.

Список литературы

1. Прокудин, И. В. Прочность и деформативность железнодорожного земляного полотна из глинистых грунтов, воспринимающих вибродинамическую нагрузку [Текст]: дис... докт. техн. наук: 05.22.06 / Прокудин Иван Васильевич. - Л., 1982. - 458 с.

2. Абдукаримов, А. М. Исследование прочностных характеристик лёссовых грунтов в условиях трехосного напряженного состояния при воздействии вибродинамических нагрузок [Текст] / А. М. Абдукаримов, А. Ф. Колос // Известия ПГУПСа / Петербургский гос. ун-т путей сообщения. - СПб. - 2011. - № 3. - С.176 - 181.

3. Мирсалихов, З. Э. Исследование деформативных свойств лёссовидных супесей при воздействии вибродинамической нагрузки от скоростного подвижного состава [Текст] / З. Э. Мирсалихов, А. Ф. Колос // Инженерный вестник Дона [Электронный журнал]. -2012. - № 3. URL: http://ivdon.ru/magazine/latest/n3y2012/922/

Управление перевозочными процессами [И безопасность движения поездов

4. Эргашев, У. Э. Прогнозирование параметров вибродинамического воздействия на грунты земляного полотна при высокоскоростном движении поездов [Текст] / У. Э. Эргашев // Известия ТашИИТа / Ташкентский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Ташкент. - 2015. - № 2. -С. 32 - 36.

5. ГОСТ 12071-2000. Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов / Межгосударственная научно-техническая комиссия по стандартизации и техническому нормированию в строительстве. - М., 2000. - 25 с.

6. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости / Межгосударственная научно-техническая комиссия по стандартизации и техническому нормированию в строительстве. - М., 1996. - 61 с.

7. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. - М.: Стандартинформ, 1984. - 19 с.

References

1. Prokudin I. V. Strength and deformability of the railway roadbed of clayey soils that receive vibrodynamic load (Prochnost' i deformativnost' zheleznodorozhnogo zemlyanogo polotna iz glin-istyh gruntov, vosprinimajushhih vibrodinamicheskih nagruzku). Doctor's thesis, Leningrad, 1982, 458 p.

2. Abdukarimov A. M., Kolos A. F. The study of strength characteristics of loess soil under triaxial stress state when exposed to loads vibrodynamic [Issledovanie prochnostnykh kharakteres-tik lessovyh gruntov v usloviiakh trekhosnogo napriazhennogo sostoianiia pri vozdeistvii vibro-dinamicheskikh nagruzok]. PGUPSBulletin -IzvestiiaPGUPS, 2011, no. 3, pp. 176 - 181.

3. Mirsalihov Z. E., Kolos A. F. Research deformation properties of loess sandy loam vibrody-namic when exposed to loads from the high-speed rolling stock [Issledovanie deformativnykh svoistv leossovidnykh supesei pri vozdeistvii vibrodinamicheskoi nagruzki ot skorostnogo podvizhnogo sostava]. Engineering Herald Don - Ingenernyi vestnik Dona [electronic journal], 2012, no. 3, URL: http://ivdon.ru/magazine/latest/n3y2012/922/

4. Ergashev U. E. Forecasting parameters vibrodynamic effects on soil subgrade at high-speed train traffic [Prognozirovanie parametrov vibrodinamicheskogo vozdeistviia na grunty zemlianogo polotna pri vysokoskorostnom dvizhenii poezdov]. TashIIT Bulletin - Izvestiia TashIIT, 2015, no. 2, pp. 32 - 36.

5. Soils. Sampling, packing, transportation and storage of samples, State Standart 12071-2000 [Grunty. Otbor, upakovka, transportirovanie i khranenie obrazsov, GOST 12071-2000]. Moscow, 2000.

6. Grunty. Metody laboratornogo opredeleniia kharakteristik prochnosti i deformiruemosti, GOST 12248-96 (Soils. Laboratory methods for determining the strength and strain, State Standart 12248-96). Moscow, 1996.

7. Grunty. Metody laboratornogo opredeleniia fizicheskikh kharakteristik, GOST 5180-84 (Soils. Laboratory methods for determining the physical characteristics, State Standart 5180-84). Moscow, 1984.

УДК 629.4.027.2

И. И. Галиев, О. В. Гателюк, Д. Ю. Лукс, В. Н. Ушак

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ ПОЛУВАГОНА С РАЗНЫМИ ТИПАМИ ТЕЛЕЖЕК

В статье проведен сравнительный анализ динамической нагруженности полувагона с разными типами тележек в различных режимах движения (груженый, порожний). Введение в эксплуатацию новых тележек обусловлено увеличением аварийных ситуаций при эксплуатации полувагонов с тележками модели 18-100.