Напряженно-деформированное состояние железнодорожной насыпи с использованием минерального геоэкозащитного материала

УДК 504.054 И. С. Козлов

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ НАСЫПИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИНЕРАЛЬНОГО ГЕОЭКОЗАЩИТНОГО МАТЕРИАЛА

Дата поступления: 03.10.2018 Решение о публикации: 17.10.2018

Аннотация

Цель: Получение расчетного обоснования возможности использования минерального геоэкоза-щитного материала - пенобетона в конструкции железнодорожной насыпи. Методы: Применяется метод конечных элементов. Результаты: Рассчитано напряженно-деформированное состояние железнодорожной насыпи без пенобетона, а также с плитой из пенобетона различной толщины; даны рекомендации к проектированию геоэкозащитной конструкции в составе железнодорожного земляного полотна. Практическая значимость: Полученные результаты могут быть применены при проектировании новых и реконструкции существующих железных дорог в качестве обоснования возможности внедрения предложенной геоэкозащитной конструкции в составе железнодорожного земляного полотна.

Ключевые слова: Напряженно-деформированное состояние, железнодорожная насыпь, земляное полотно, геоэкозащитный материал, пенобетон.

Ivan S. Kozlov, Cand. Eng. Sci., associate professor, kozlovi.s@yandex.ru (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) STRESS-STRAIN BEHAVIOR OF RAILWAY EMBANKMENT WITH THE USE OF GEOECOLOGICAL PROTECTIVE MATERIAL

Summary

Objective: To obtain design-based justification of mineral geoecological material applicability, namely the use of foamed concrete in railway embankment design. Methods: The method of finite elements was applied in the study. Results: Stress-strain behavior of railway embankment was calculated without foamed concrete, as well as with foamed concrete plate of dissimilar thickness. Recommendations on design of geoecological protective construction being a part of railway roadbed were given. Practical importance: The obtained results may be applied in design of new and reconstruction of current railroads as implementation possibility justification of the introduced geoecological protective construction being a part of railway roadbed.

Kewords: Stress-strain behavior, railway embankment, subgrade, geoecological protective material, foamed concrete.

Развивая работы [1-8] об использовании геоэкозащитных свойств пенобетона по поглощению ионов тяжелых металлов в строительных конструкциях, в настоящей статье предложено расчетное обоснование

земляного полотна с применением пенобетон-ной плиты со средней плотностью 400 кг/м3.

С целью обезвреживания ионов тяжелых металлов, сохранения и сбережения природных ресурсов, а также укрепления основной площадки земляного полотна в конструкцию

насыпи вводится слой из минерального гео-экозащитного материала - пенобетона. Идея использования пенобетона в конструкции железнодорожного земляного полотна вызвала неоднозначную реакцию среди ученых.

Сохранение и сбережение природных ресурсов не требует серьезных доказательств и достигается за счет разности плотности материалов. Плотность предложенного пенобетона - 400 кг/м 3, а уплотненной песчано-гравийной смеси, на месте которой предусматривается плита, - почти 2000 кг/м 3. Возникает пятикратная экономия массы материала.

Геоэкологические свойства пенобетона также не вызвали сомнений, а возможность использования его для укрепления земляного полотна потребовалось подтвердить расчетами напряженно-деформированного состояния. Кроме того, возникли вопросы по параметрам пенобетонной плиты, ее ширине и толщине, которые смогли бы обеспечить сразу две функции: геоэкозащитную и укрепляющую. Ширина плиты была принята равной 5 м, для того чтобы обеспечить очистку стекающей (с подвижного состава, рельсошпальной решетки и балласта) воды, загрязненной ионами тяжелых металлов, а также обеспечить более равномерное распределение нагрузки от подвижного состава и верхнего строения пути на большую площадь, что должно снизить напряженно-деформированное состояние нижележащих грунтов.

Для обезвреживания ионов тяжелых металлов на срок службы верхнего строения пути между капитальными ремонтами (в среднем 10-15 лет) [2, 5] достаточно плиты из пенобетона толщиной 10 см.

Чтобы выяснить толщину плиты с наиболее выгодным вариантом напряженно-деформированного состояния, были сделаны четыре серии расчетов: без плиты, с плитой толщиной 10, 20 и 30 см. Деформации оценивались по краю и середине пенобетонной плиты, напряжения - в характерных сечениях: в подрельсовой зоне, где возникает самое большое силовое воздействие, и в горизонтальной плоскости под плитой (в точках под

осью, рельсом и краем) на глубине 40 см для чистоты эксперимента.

Для избегания возможных ошибок при определении исходных параметров и схемы нагружения, а также обеспечения сходимости расчетных значений оцениваемых величин с результатами измеренных в реальных натурных экспериментах исходные данные для расчета взяты из диссертации Г. М. Стоя-новича [9].

Схема исходной насыпи (без пенобетона) приведена на рис. 1, расчетная ее модель -на рис. 2.

Насыпь трехслойная, состоит из песчано-гравийной смеси, суглинка коричневого и суглинка серого. В основании залегает супесь коричневая. Крутизна откосов насыпи принята стандартная и составляет 1:1,5.

Используемые в расчетах грунты охарактеризованы в табл. 1.

Конструктивную схему насыпи с плитой из пенобетона различной толщины иллюстрирует рис. 3, расчетную ее модель - рис. 4.

Модуль упругости пенобетона и коэффициент Пуассона приняты по справочным данным и составляют 5000 МПа и 0,17 соответственно.

Все расчеты производились методом конечных элементов в сертифицированном программном комплексе РЕМ-шоёек, разработанном ведущими специалистами компании ООО «ПИ Геореконструкция». По данным официального сайта компании РЕМ-шоёек это единственный в России программный продукт, позволяющий создавать совместную модель проектируемого здания, его фундаментов и основания (массива грунта) таким образом, что их расчет проводится совместно.

Особенно хотелось бы отметить вклад в развитие данного программного комплекса В. Н. Парамонова, технического директора ООО «ПИ Геореконструкция», доктора технических наук, профессора Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I, члена Технического комитета № 34 «Большие деформации в геотехнике» Международной ассоциации

Рис. 1. Расчетная схема исходной насыпи: 1 - щебень; 2 - песчано-гравийная смесь; 3 - суглинок коричневый; 4 - суглинок серый; 5 - супесь коричневая. Величины - в метрах

геотехников 188МОБ, члена Российского общества по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению, члена Президиума РОМГГиФ и Санкт-Петербургской комиссии по основаниям, фундаментам и подземным со-

оружениям. Анализ его работ [10-13] говорит о достоверности полученных результатов.

Расчет вертикальных перемещений основной площадки земляного полотна (табл. 2) показал, что плита при толщине 10 и 20 см

ТАБЛИЦА 1. Физико-механические характеристики материалов, принятые в расчетах

Наименование грунта Модуль упругости, МПа Коэффициент Пуассона Удельный вес, кН/м 3 Сцепление, кПа Угол внутреннего трения, град.

Щебень 400 0,23 22 0 40

Песчано-гравийная смесь 120 0,28 19 1 30

Суглинок коричневый 50 0,35 20 28 22

Суглинок серый 50 0,37 20 28 22

Супесь коричневая 45 0,31 20 14 25

^ Плита

из пенобетона толщиной

Ь

Рис. 3. Конструктивная схема насыпи с плитой из пенобетона различной толщины

Рис. 4. Расчетная модель насыпи с плитой из пенобетона различной толщины

ТАБЛИЦА 2. Вертикальные перемещения основной площадки земляного полотна

Сечение Без плиты Толщина плиты, см

10 20 30

Край плиты 3,5 4 4 3,7

Середина плиты 6,2 6 6 5,9

оказывает одинаковое незначительное распределяющее (выравнивающее) воздействие, а именно снижает вертикальные перемещения по оси сооружения на 0,2 мм и увеличивает по краю на 0,5 мм. Плита толщиной 30 см работает лучше - снижает вертикальные перемещения по оси сооружения на 0,3 мм и увеличивает по краю всего на 0,2 мм.

Расчет вертикальных напряжений в программе выполняется в два этапа:

• вычисляются напряжения от собственного веса;

• определяются напряжения от собственного веса и нагрузки.

Избыточные напряжения (напряжения, вызванные нагрузкой) являются вычисляемой величиной.

Распределение вертикальных напряжений в горизонтальной плоскости на глубине 40 см от основной площадки земляного полотна приведено в табл. 3.

Анализ табл. 3 и рис. 5 показывает, что пенобетонная плита оказывает значительное распределяющее воздействие по напряжениям в грунтах. Плита толщиной 10 см почти не влияет на уровень напряжений в грунте на глу-

бине 40 см в сечении под серединой конструкции. При этом вертикальные напряжения под краем плиты увеличиваются, а под рельсом уменьшаются. Плиты толщиной 20 и 30 см имеют аналогичную, но более ярко выраженную зависимость распределения. Кроме того, ввиду повышения жесткости конструкции с ее утолщением все большая часть нагрузки передается краям плиты, снижается давление на середину. Как изменяются избыточные вертикальные напряжения, показано в табл. 4.

Максимальное понижение напряжений в грунте земляного полотна под плитой наблюдается в сечении под рельсом и составляет 16,2 % при толщине пенобетона 30 см.

Наибольший интерес представляют вертикальные напряжения в сечении под рельсом (табл. 5, рис. 6), потому что именно в этом месте в соответствии с опытом эксплуатации и научными исследованиями напряжения, превышающие 80 кПа, вызывают остаточные деформации земляного полотна и приводят к расстройству пути.

Данные табл. 5 и рис. 6 отражают снижение избыточных вертикальных напряжений в грун-

ТАБЛИЦА 3. Вертикальные напряжения (в кПа) в горизонтальной плоскости на глубине 40 см от основной площадки земляного полотна

Расчет Вид напряжения Сечение плиты

Край Под рельсом Середина

От собственного веса 11,8 15 15,2

Без плиты От собственного веса и нагрузки 44,6 97,8 87,6

Избыточные 32,8 82,8 72,4

С плитой От собственного веса 10,6 13,4 13,7

толщиной 10 см От собственного веса и нагрузки 43,6 92 86,1

Избыточные 33 78,6 72,4

20 см От собственного веса 9,7 12 12,1

От собственного веса и нагрузки 45,4 85,9 82,8

Избыточные 35,7 73,9 70,7

30 см От собственного веса 9 9,5 10,1

От собственного веса и нагрузки 48 78,9 77,5

Избыточные 39 69,4 67,4

95,0

85,0

75,0

65,0

55,0

82.8

45,0

ш

CÛ

35,0

25,0

♦ Без плиты —— С плитой толщиной 10 см А С плитой толщиной 20 см X С плитой толщиной 30 см Рис. 5. Вертикальные напряжения в сечении под рельсом на глубине 40 см от основной площадки земляного полотна

ТАБЛИЦА 4. Изменение избыточных вертикальных напряжений (в %) от значений расчета «Без плиты»

Расчет с плитой толщиной, см Сечение плиты

Край Под рельсом Середина

10 -0,6 5,1 0,0

20 -8,8 10,7 2,3

30 -18,9 16,2 6,9

Примечание. Знак «-» означает увеличение напряжений, «+» - снижение.

тах в подрельсовой зоне. Значения напряжений несколько завышены для указанной глубины по сравнению с данными реальных измерений, но объясняется это тем, что в расчетах толщина балласта принята 30 см, а результаты экспериментальных замеров напряжений приводятся для нормативной толщины балласта 40-50 см в зависимости от конструктивного решения верхнего строения пути.

Дальнейший анализ избыточных напряжений с сопоставлением их с допускаемой величиной позволил сформулировать следующие основные выводы и рекомендации к проектированию конструкции железнодорожного земляного полотна с плитой из пенобетона для обеспечения геоэкозащитной и укрепляющей

функций, а также экономии материалов (щебня, песчано-гравийной смеси):

1. Для обезвреживания ионов тяжелых металлов на срок службы верхнего строения пути между капитальными ремонтами (в среднем 20-25 лет) требуется плита из пенобетона толщиной 10 см. При этом для обеспечения напряжений в пределах допустимых должна быть обеспечена нормативная толщина щебня в балластной призме.

2. С точки зрения напряженно-деформированного состояния для обеспечения напряжений в грунтах в пределах допустимых может быть использована плита толщиной 20 см. При этом может быть достигнута экономия щебня, так как толщины балластной призмы в 30 см

ТАБЛИЦА 5. Снижение вертикальных напряжений в сечении под рельсом на глубине 40 см

от основной площадки земляного полотна

Расчет Вид напряжения Вертикальные напряжения, кПа

От собственного веса 8,2

Без плиты От собственного веса и нагрузки 94,7

Избыточные 86,5

С плитой толщиной От собственного веса 9,8

10 см От собственного веса и нагрузки 91,9

Избыточные 82,1

20 см От собственного веса 10

От собственного веса и нагрузки 85,1

Избыточные 75,1

30 см От собственного веса 9,5

От собственного веса и нагрузки 78

Избыточные 68,5

но

толщиной 10 см толщиной 20 см толщиной 30 см

От собственного веса  От собственного веса и нагрузки И Избыточные

Рис. 6. Вертикальные напряжения в сечении под рельсом на глубине 40 см от основной площадки земляного полотна

достаточно, чтобы не превысить допускаемое напряжение в грунтах. Плита толщиной 20 см по своей геоэкозащитной функции может работать два межремонтных срока.

3. Балласт толщиной 30 см с пенобетонной плитой толщиной 30 см либо балласт нормативной толщины с плитой толщиной 20 см дает резерв для увеличения осевой нагрузки

с обеспечением вертикальных напряжений в грунтах в пределах допустимых.

Библиографический список

1. Сватовская Л. Б. Новые методы геоэкозащи-ты природно-техногенных систем строительной

деятельности в интересах устойчивого развития : монография / Л. Б. Сватовская, М. М. Байдарашви-ли, М. В. Шершнева, А. М. Сычева, А. В. Хитров, Н. А. Бабак, Е. И. Макарова, В. Н. Сурков, А. А. Кабанов, А. Е. Князев, М. Хаммади, М. Ю. Савельева. - СПб. : ПГУПС, 2014. - 72 с.

2. Сватовская Л. Б. Геоэкологические свойства и методы геоэкозащиты в транспортном строительстве / Л. Б. Сватовская // Транспортное строительство. - 2014. - № 10. - С. 28-30.

3. Сватовская Л. Б. Оценка качества геоэкоза-щитных технологических решений на объектах железнодорожного транспорта / Л. Б. Сватовская, М. В. Шершнева, А. С. Сахарова, М. М. Байдараш-вили, Н. Н. Ефимова, И. В. Степанова // Технологии техносферной безопасности. - 2014. - № 2 (54). -С. 34.

4. Сватовская Л. Б. Новое геоэкозащитное свойство строительных материалов и изделий / Л. Б. Сватовская, М. М. Байдарашвили, Е. И. Макарова, М. В. Шершнева, А. М. Сычева, А. А. Кабанов // Технологии техносферной безопасности. -2014. - № 1 (53). - С. 36.

5. Сватовская Л. Б. Новые геоэкозащитные технологии при строительстве и реконструкции железных дорог : монография / Л. Б. Сватовская, А. С. Сахарова, М. М. Байдарашвили, А. В. Петряев, М. В. Шерш-нева, В. В. Ганчиц. - СПб. : ПГУПС, 2012. - 80 с.

6. Сватовская Л. Б. Исследование геоэкозащит-ной способности цементного клинкера и некоторых техногенных гидросиликатов / Л. Б. Сватовская, М. М. Байдарашвили, А. С. Сахарова // Естественные и технические науки. - 2012. - № 5 (61). -С. 250-252.

7. Сватовская Л. Б. Инженерно-химические подходы к детоксикации литосферы с помощью минеральных геоантидотов сульфато-кальциевой природы / Л. Б. Сватовская, М. В. Шершнева, М. М. Байдарашвили, А. М. Сычева, М. Ю. Савельева // Естественные и технические науки. -2012. - № 5 (61). - С. 253-254.

8. Сватовская Л. Б. Естественнонаучный аспект природы минеральных геоантидотов (МГА) / Л. Б. Сватовская, М. В. Шершнева, А. М. Сычева, Е. И. Макарова, М. М. Байдарашвили // Естественные и технические науки. - 2012. - № 5 (61). -С. 255-258.

9. Стоянович Г. М. Прочность и деформатив-ность железнодорожного земляного полотна при повышенной вибродинамической нагрузке в упру-гопластической стадии работы грунтов : дис. ... д-ра техн. наук, специальность : 05.22.06 / Г. М. Стоянович. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2002. - 360 с.

10. Парамонов В. Н. Расчет оснований зданий и сооружений в физически и геометрически нелинейной постановке : дис. . д-ра техн. наук, специальность : 05.23.17 / В. Н. Парамонов. - СПб. : Изд-во СПбГАСУ, 1998. - 377 с.

11. Парамонов В. Н. Метод конечных элементов при решении нелинейных задач геотехники : монография / В. Н. Парамонов. - СПб. : Изд-во Группа компаний «Геореконструкция», 2012. - 262 с. - (Сер. «Достижения современной геотехники»).

12. Парамонов В. Н. Численное моделирование задач геотехники : учеб. пособие / В. Н. Парамонов. - СПб. : ПГУПС, 2014. - 58 с.

13. Paramonov V. N. Calculations of thermal stabilization of transport embankments and their bases / V. N. Paramonov, I. I. Sakharov // Procedia Engineering. -2017. - P. 472-477.

References

1. Svatovskaya L. B., Baidarashvily M. M., Sher-shneva M. V., Sycheva A. M., Khitrov A. V., Ba-bak N. A., Makarova E. I., Surkov V. N., Kabanov A. A., Knyazev A. E., Khammady M. & Savelyeva M. Y. No-viye metody geoekozashchityprirodno-tekhnogennykh system stroitelnoy deyatelnosty v interesakh ustoichi-vogo razvitiya [New methods of geoecologicalprotection of natural anthropogenic systems in the building sector for sustainable development]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2014, 72 p.

2. Svatovskaya L. B. Geoekologicheskiye svoistva i metody geoekozashchity v transportnom stroitelstve [Geoecological properties and methods of protection in transport building]. Transportnoye stroitelstvo [Transport construction], 2014, no. 10, pp. 28-30.

3. Svatovskaya L. B., Shershneva M. V., Sakharo-va A. S., Baidarashvily M. M., Efimova N. N. & Stepanova I. V. Otsenka kachestva geoekozashchit-nykh tekhnologicheskykh resheniy na obyektakh

zheleznodorozhnogo transporta [Quality assessment of geoecological protection technological concepts at railway facilities]. Tekhnologii tekhnosfernoy bezopasnosty [Technosphere safety technologies], 2014, no. 2

4. Svatovskaya L. B., Baidarashvily M. M., Ma-karova E. I., Shershneva M. V., Sycheva A. M. & Kaba-nov A. A. Novoye geoecozashcitnoye svoistvo stroitel-nykh materialov i izdeliy [A new geoecological property of building materials and products]. Tekhnologii tekhnosfernoy bezopasnosty [Technosphere safety technologies], 2014, no. 1

5. Svatovskaya L. B., Sakharova A. S., Baidarashvily M. M., Petryayev A. V., Shershneva M. V. & Ganchits V. V. Noviye geoekozashchitniye tekhnologii pry stroitelstve i rekonstruktsii zheleznykh dorog [New geoecological protective technologies for railroad building and reconstruction]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2012, 80 p.

6. Svatovskaya L. B., Baidarashvily M. M. & Sa-kharova A. S. Issledovaniye geoekozashchitnoy spo-sobnosty tsementnogo klinkera i nekotorykh tekhno-gennykh gidrosilikatov [The study of geoecological capability of cement clinker and some anthropogenic hydrated silicates]. Yestestvenniye i tekhnicheskiye nauky [Natural and engineering sciences], 2012, no. 5

7. Svatovskaya L. B., Shershneva M. V., Baidarashvily M. M., Sycheva A. M. & Savelyeva M. Y. Inzhener-no-khimicheskiye podkhody k detoksikatsii litosfery s pomoshchyu mineralnykh geoantodotov sulfato-kaltsi-yevoy prirody [Engineering and chemical approaches to lithosphere detoxification by means of mineral geological antidotes of sulfate calcic nature]. Yestestven-niye i tekhnicheskiye nauky [Natural and engineering sciences], 2012, no. 5

8. Svatovskaya L. B., Shershneva M. V., Sycheva A. M., Makarova E. I. & Baidarashvily M. M. Yes-testvennonauchniy aspect prirody mineralnykh geoan-tidotov

9. Stoyanovich G. M. Prochnost i deformativnost zheleznodorozhnogo zemlyanogo polotna pry povy-shennoy vibrodinamicheskoy nagruzke v uprugoplas-ticheskoy stadii raboty gruntov [Strength and deformation property of railway roadbed under increased vibro-dynamic load in elastoplastic operating stage of soil]: diss. ...D. Eng. Sci., speciality: 05.22.06. Khabarovsk, DVGUPS Publ., 2002, 360 p.

10. Paramonov V. N. Raschet osnivaniy zdaniy i sooruzheniy v fizichesky i geometrichesky nelineinoy postanovke [Foundation analysis of buildings and constructions in physically and geometrically non-linear setting]: dis. ...D. Eng. Sci., specialty: 05.23.17. Saint Petersburg, SPbGASU Publ., 1998, 377 p.

11. Paramonov V. N. Metodkonechnykh elementov pry reshenii nelineynykh zadach geotekhniky [Finite-element method for the solution of geotechnical nonlinear tasks]. Saint Petersburg, "Georekonstruktsiya" Group of Companies Publ., 2012, 262 p. Ser. "Achievements of modern geotechnics".

12. Paramonov V. N. Chislennoye modelirovaniye zadach geotekhniky [Numerical simulation of geotechnics tasks]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2014, 58 p.

13. Paramonov V. N. & Sakharov I. I. Calculations of thermal stabilization of transport embankments and their bases. Procedia Engineering, 2017, pp. 472-477.

КОЗЛОВ Иван Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, kozlovi.s@yandex.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).