Содержание к диссертации
Введение
1. Общее представление протяженной транспортной системы и ее эксплуатационная надежность (на примере железнодорожного пути) 12
1.1. Применение системного подхода в исследовании эксплуатационной надежности протяженных транспортных объектов ... 12
1.2. Структурная декомпозиция, как этап системного анализа протяженной транспортной системы 17
1.2.1. Нормирование и состояние исследований продольного профиля железнодорожного пути, как отражение геометрии протяженной транспортной системы 17
1.2.2. Современные представления о работе рельсовой колеи с позиции взаимодействия модулей системы (подвижного состава, верхнего строения пути, нижнего строения пути и его основания) 23
1.2.3.Влияние нижнего строения пути и его основания на работу протяженного транспортного объекта 30
1.3. Цель и задачи исследования 36
2. Формирование детального представления протяженной транспртной системы на примере участков транссибирской и байкало-амурской магистралей 38
2.1. Анализ надежности протяженной транспортной системы 38
2.1.1. Основные положения 41
2.2.1. Показатели надежности 42
2.2. Функционально-структурный анализ протяженной транспортной системы «железнодорожный путь» 49
2.2.1. Общие положения 49
2.2.2. Однофакторный анализ 51
2.2.3. Многофакторный анализ 54
2.2.4. Корреляционный анализ 58
2.2.5. Краткие выводы 63
2.3. Общие выводы анализа. Формирование требований к создаваемой системе 63
3 . Моделирование протяженной транспортной системы-«железнодорожный путь» 65
3.1. Общие представления синтеза системы 65
3.2.Математическая постановка задачи 65
3.3. Метод конечных элементов как инструмент исследования 69
3.4. Определение количественных показателей движений земной коры на примере Транссибирской магистрали 74
3.5. Постановка задачи моделирования и обоснование принятых в модели допущений 84
3.5.1. Геометрия модели и ее дискретизация 84
3.5.2. Нагрузки 85
3.5.3. Свойства материалов 86
3.5.4. Моделирование геодеформационных воздействий 87
3.5.5 .Граничные условия 88
3.6. Обоснование и проверка достоверности расчетов 89
3.7. Моделирование работы реального участка железнодорожного
пути 95
3.8. Анализ напряженно-деформированного состояния на участках
различных типов продольного профиля 103
3.8.1. Характеристика участков 103
3.8.2. Анализ результатов моделирования 107
3.9. Краткие выводы 123
4 . Исследование границ применимости нормативных параметров продольного профиля железнодорожного пути на участках активных движений земной коры 126
4.1. Критерии анализа напряженно-деформированного состояния участка железнодорожного пути 126
4.2. Влияние длины участка геодеформационного воздействия на напряженно-деформированное состояние железнодорожного пути 134
4.3. Влияние поперечного геодеформационного воздействия на напряженно-деформированное состояние участка железнодорожного пути 137
4.4 Анализ напряженно-деформированного состояния участка железнодорожного пути при различных типах продольного профиля... 139
4.4.1. Варианты нагрузок и воздействий 139
4.4.2. Анализ результатов расчета по «ямообразному» продольному профилю 141
4.4.3. Оценка влияния схемы расположения поезда
на принятые ограничения длин разделительных площадок 148
4.4.4. Анализ результатов расчета по «горбообразному» продольному профилю 149
4.4.5. Краткие выводы 152
Заключение и основные выводы 155
Библиографический список 158
Приложения 177
- Применение системного подхода в исследовании эксплуатационной надежности протяженных транспортных объектов
- Анализ надежности протяженной транспортной системы
- Определение количественных показателей движений земной коры на примере Транссибирской магистрали
- Критерии анализа напряженно-деформированного состояния участка железнодорожного пути
Введение к работе
Стратегическая программа развития экономики России предусматривает интенсивный рост социально-экономических показателей, повышение безопасности в работе сложных технических систем, включая различные инженерные сооружения. Гарантом решения этих задач является, прежде всего, надежность, которая обеспечивается безотказным техническим состоянием эксплуатируемых объектов. При этом, важное место занимает эксплуатационная надежность протяженных транспортных систем, которая как показывает мировой опыт является непременным условием активного развития любого континентального государства.
Практика эксплуатации протяженных транспортных объектов показывает, что их техническое состояние зависит от многих факторов, включающих работу конструктивных элементов, качество организации и проведения ремонтных работ, а также техногенные и природные внешние воздействия.
В ряду важных факторов эксплуатационной надежности протяженных транспортных сооружений можно выделить воздействия геологической среды в виде эндогенных явлений (сейсмика, блоковые тектонические подвижки) и экзогенных процессов (сплывы, оползни, обвалы, карсты), которые часто являются следствием эндогенных явлений.
Геологические исследования последних десятилетий показывают, что динамические процессы, происходящие в земной коре и передающиеся на поверхность, значительно (а в ряде случаев и катастрофически) влияют на работу сложных технических объектов, включая протяженные транспортные сооружения. В результате чего, наблюдаются смещения и повреждения конструкций продуктопроводов, опор мостов, тоннелей, деформации земляного полотна железнодорожного пути, расстройства рельсовой колеи. Это подтверждается неутешительной статистикой промышленных аварий, которые отнесены в категорию «нестандартных», то есть выходящих за рамки научных представлений. Статистика показывает, что аварии на нефтегазовых объектах, оказавшихся в пределах геодинамических аномалий, неизбежны и часто повторяемы [98, 99, 100]. По результатам исследований [71] и полученной статистической информации по отказам железнодорожного пути в направлении ст. Юрты - ст. Горхон Транссибирской магистрали установлено, что 60-70% неисправностей пути, 50% повреждений мостов и труб, 100% сплывов и просадок насыпей, также имеют связь с геотектоническими процессами, происходящими в земной коре.
Участки протяженных транспортных объектов, проходящие по зонам тектонических нарушений определяются, как участки активных движений земной коры или зоны влияния подвижных тектонических структур, а подвижки земной поверхности по отношению к работе протяженных транспортных объектов названы геодеформационными воздействиями.
Методами фундаментальной геологии установлено, что геотектоническая активность проявляется даже в сейсмически спокойных районах в виде подвижек поверхности земной коры в местах тектонических нарушений. Подвижки могут быть вертикальными (восходящими и нисходящими) и горизонтал ьн ыми.
Несмотря на существование комплекса нормативных документов, охватывающего все этапы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных протяженных объектов и организованной системы контроля выполнения, их эксплуатационная надежность еще далека от совершенства. Современные нормативы [27, 146] не имеют дифференциации по участкам в зонах с различной геотектонической активностью, в то же время, сложность напряженно-деформированного состояния основания, его изменчивость по длине объекта требуют системного осмысления возникающих проблем и дифференцированного подхода к расчетам и анализу их надежности. Очевидно, поэтому одними из первых с проблемой влияния активных движений земной коры и столкнулись организации, эксплуатирующие протяженные магистральные трубопроводы. Именно в этой отрасли появились первые работы с системным подходом к надежности промысловых нефтепроводов в зонах влияния подвижных тектонических структур [147].
Возникшая проблема эксплуатационной надежности протяженных транспортных объектов не может быть решена с позиции узкой специализации, которая, при всей глубине знаний в отдельных отраслях не позволяет создать целостную картину объекта исследования. Поэтому подход к объектам исследования как к системам выражает одну из главных особенностей современного научного познания.
Рассматривая любой протяженный транспортный объект в виде многоуровневой открытой системы, можно констатировать, что ее «непредсказуемость» в ряде случаев (аварии трубопроводов, сходы подвижного состава и так далее) может найти объяснения лишь с позиции системного подхода.
Итак, актуальность данной работы определяется необходимостью повышения эксплуатационной надежности сложных технических объектов, искусственных сооружений, в том числе и протяженных транспортных систем, путем обоснованного расширения перечня параметров в методиках расчетов и проектирования и тем самым, управления их эксплуатационной надежностью через формирование соответствующей нормативной базы.
Цель работы - совершенствование управления эксплуатационной надежностью протяженных транспортных систем путем учета влияния дополнительных входных факторов в зонах активных движений земной коры на основании системного подхода.
Учитывая, что проблема оценки влияния геодеформационных воздействий на работу сложных технических систем (протяженных транспортных объектов) является еще недостаточно изученной, в соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:
- формирование системного представления протяженной транспортной системы и выявление факторов, определяющих ее эксплуатационную надежность;
- выявление зависимости между отказами протяженной транспортной системы и геодинамической активностью в увязке с геометрическими параметрами системы на примере эксплуатации участков Транссибирской и Байкало-Амурской магистралей;
- создание модели протяженной транспортной системы с различными геометрическими параметрами и выявление закономерностей ее работы в условиях геодеформационных воздействий;
- исследование системы в целях снижения негативного влияния фактора «гедеформационные воздействия» на эксплуатационную надежность и определение границ применимости нормативных геометрических параметров протяженной транспортной системы.
Объектом исследования являются протяженные транспортные системы. Предмет исследования — системный подход в научном информационном обеспечении решения задач надежности сложных технических объектов, как методология их анализа и решения, основанная на концепциях, разработанных в рамках теории систем.
Научная новизна работы заключается в:
применении структурно-функциональной декомпозиции к проектированию протяженных транспортных систем с учетом фактора «геодеформационного воздействия»;
разработке аналитико-информационного обеспечения для совершенствования управления эксплуатационной надежностью протяженных транспортных систем, заключающего в расширении перечня входных факторов, а также в совершенствовании нормативных геометрических параметров;
- выявлении наиболее эффективных управляющих параметров, влияющих на выходные характеристики протяженных транспортных систем.
Практическая ценность работы направлена на совершенствование управления эксплуатационной надежностью протяженных транспортных систем (на примере железнодорожного пути) в сложных инженерно-геологических условиях посредством изменения нормативной базы.
Автором разработаны временные «Рекомендации по учету фактора геодеформационных воздействий в зонах активного неотектогенеза на этапе проектирования и реконструкции протяженных транспортных сооружений». Использование рекомендаций в работе отдела инженерных изысканий ЗАО «Востсибтранспроект», отдела пути и станций ИЛИИ «Иркутскжелдорпроект» филиала ОАО «Росжелдорпроект», а также в учебном процессе на кафедре «ИППЖД и УН» ИрГУПСа подтверждается актами внедрения.
Теоретическую основу исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области системного подхода (СП. Никонорова, С. Янга, Л. Берталанфи, А.И. Уемова), в области системного анализа (С.Оптнера, Д. Клиланда, Е.П. Голубкова, Ф.И. Перегудова, В.Н. Спицнаделя, В.А. Губанова), в области проектирования железных дорог (Н.Е. Жуковского, М.М. Протодьяконова, В.А. Лазаряна, СВ. Вертинского, И.И. Кантора, И.В. Турбина, Е.П. Блохина), в области взаимодействия пути и подвижного состава (Н.П. Петрова, СВ, Амелина, Н.А. Ковалева, СМ. Куценко, М.П. Смирнова, М.А. Фришмана, М.А. Чернышева, Г.М. Шахунянца, М.Ф. Вериго, А.Я. Когана, Н.И. Карпущенко), в области проблем земляного полотна (Т.Г. Яковлевой, В.В. Виноградова, В.И. Грицыка), в области инженерной геодинамики (СВ. Гольдина, Н.М. Быковой, А.А. Дзюбы, А.А. Панжина).
Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории вероятности и математической статистики, факторного анализа, а также современные прикладные методы математического моделирования, основанные на использовании программных комплексов MSC/NASTRAN — MSC/ PATRAN.
Достоверность работы. Достоверность полученных результатов обеспечена использованием традиционных статистических методов исследования современного фактического состояния протяженных транспортных систем на участках Транссибирской и Байкало-Амурской магистралей, сопоставлением их с результатами работ и исследований в этой отрасли.
При этом достоверность результатов численного решения подтверждена сравнением с аналогичными результатами, полученными аналитическими решениями.
Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири», Иркутск, 2000 г., на IV Российской Национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию, г. Сочи, 2001г., на Международной научно-технической конференции «Наука и образование - 2006», г. Мурманск, 2006 г., на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации российских железных дорог», г. Иркутск, 2007г..
По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ и докладов в отраслевых изданиях, в том числе одна работа - в издании перечня ВАК.
На защиту выносятся:
- система подготовки принятия решения по управлению эксплуатационной надежностью протяженного транспортного объекта в зонах активных движений земной коры;
-закономерности изменения показателей безотказной работы участков протяженной транспортной системы в зонах влияния подвижных тектонических структур;
- модель протяженной транспортной системы и управляющие параметры для оценки влияния на выходные характеристики протяженной транспортной системы;
-закономерности изменения продольной устойчивости протяженной транспортной системы в зонах тектонических нарушений при различных длинах участков геодеформационного воздействия и различных геометрических параметрах ее подсистем;
- предложения по совершенствованию норм проектирования на участках «ямообразного» продольного профиля и уточнение границ применимости рекомендуемых норм для дорог, проектируемых в зонах активных движений земной коры, как подтверждение возможности уменьшения негативного влияния фактора «геодеформационные воздействия» на надежность протяженной транспортной системы.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 157 страницах основного текста. Состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 171 источников и 4 приложений, содержит 24 таблицы, 55 рисунков.
Применение системного подхода в исследовании эксплуатационной надежности протяженных транспортных объектов
Проблема обеспечения эксплуатационной надежности протяженной транспортной системы на примере железнодорожного пути определяется, прежде всего, как безопасность движения поездов. Одним из аспектов решения этой проблемы является сокращение числа отказов по причине неисправностей пути (углы, перекосы, просадки, отклонения по уровню и ширине колеи).
Говоря о надежности железнодорожного пути, необходимо осветить основные понятия и термины, соответствующие ГОСТ [72] с учетом отраслевой специфики железнодорожного транспорта и путевого хозяйства [103].
Надежностью называется свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции в заданных режимах в условиях технического обслуживания [72]. Под надежностью принято подразумевать комплексную характеристику объекта, включающую в себя безотказность, долговечность и ремонтопригодность.[73, 74].
Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени наработки.
Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.
Нарушение работоспособного состояния объекта, то есть, установление такого состояния, при котором значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять заданные функции, не соответствуют требованиям нормативно-технической документации, называется отказом. Отказы бывают внезапными, постепенными, скрытыми, явными, конструктивными, эксплуатационными и деградационными. Продолжительность и объем работы объекта называется наработкой.
Безотказность, долговечность и ремонтопригодность характеризуется количественными показателями надежности. К показателям надежности по безотказности относится вероятность безотказной работы объекта.
Вероятность безотказной работы — вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет.
Проблема обеспечения надежности железнодорожного пути получила решения в отдельных ее аспектах в 70-х годах прошлого столетия. Существуют два подхода к проблеме надежности эксплуатации железнодорожного пути. Это пути детерминированного и вероятностного подходов к вопросам физико-механической работы элементов железнодорожного пути в процессе эксплуатации. Детерминированный метод, построенный на теоретическом, численном исследовании, лабораторном и натурном эксперименте, хорошо оправдал себя в эксплуатационной практике. К сожалению, трудности моделирования реальных условий в научных лабораториях оставляют открытыми многие вопросы эксплуатации, например, учет совместной работы различных конструкций пути и подвижного состава, влияние региональных условий эксплуатации. В этих случаях на помощь приходят вероятностные методы, которые, уступая в точности, позволяют выделить область возможных вероятных значений решения некоторых задач, на которые трудно найти ответ детерминированным путем. Очевидно, для обеспечения надежности эксплуатации пути целесообразным является подход, основанный на оптимальном комбинировании детерминированных и вероятностных методов.
Железнодорожный путь предназначен для безопасного движения поездов с заданными нагрузками от колесных пар подвижного состава на рельсы и установленными скоростями движения. Так как главной функцией эксплуатации железнодорожного пути является пропуск подвижного состава, то за полный отказ принимается прекращение движения, а за частичный - ограничение скорости движения поездов. Плановые ограничения скоростей и перерывы движения поездов, связанные с работами в «окно», не относятся к отказам и не рассматриваются.
Информация по полным отказам, связанным с перерывами движения по причине сходов вагонов и крушений поездов, является малочисленной для вероятностного анализа, поэтому в работе анализировались лишь частичные отказы, зафиксированные в журналах предупреждений об ограничениях скоростей по причине неисправности пути.
Особенности работы рельсовой колеи тесно связаны с напряженно-деформированным состоянием железнодорожного пути, которое зависит от воздействия подвижного состава, от напряжений в элементах верхнего строения пути, в земляном полотне, в основании земляного полотна, от физико-механических свойств грунтов и материалов и от ряда внешних факторов.
Железнодорожный путь - искусственная сложная открытая система. В этой системе целесообразно выделить ряд подсистем: подвижной состав; верхнее строение пути; нижнее строение пути (земляное полотно); основание пути. Локальные цели каждой из подсистем отличаются друг от друга, вместе с тем имеется и единая цель - надежная и безопасная работа транспортного объекта в процессе обеспечения грузовых и пассажирских перевозок.
Такое деление объекта на подсистемы вытекает из современной специализации наук, задействованных в изучении состояния и функционирования рассматриваемого объекта. В целом, протяженный транспортный объект, состоящий из четырех модулей (подсистем), может быть представлен следующей системой (рис. 1.1).
Анализ надежности протяженной транспортной системы
Надежность железнодорожного пути непрерывно формируется на всех этапах его существования.
На стадии проектирования определяются нагрузки и воздействия, осуществляется выбор материалов и разрабатываются конструктивные решения, учитывающие основные факторы условий эксплуатации объекта. Таким образом, формируется первоначальный уровень надежности с определенным запасом, заложенным в основные параметры объекта (прочность, деформативность, устойчивость и так далее).
При сооружении железнодорожного пути качество и технология выполнения работ, соответствие материалов и конструкций проекту так же вносят определенные поправки к уровню его надежности.
Ремонт и содержание пути в соответствии с Положением о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Российской федерации позволяет восстанавливать уровень надежности.
На рис.2.1 представлена условная схема формирования и изменения надежности транспортной системы. При этом периодичность выполнения ремонтов исчисляется нормативной наработкой по тоннажу с учетом фактического состояния пути и грузонапряженности участка линии [163].
В эту схему не вписываются «всплески» неисправностей пути, приуроченные к участкам незначительной протяженности, не соразмеримой с длиной перегона. Для примера ниже приведена таблица 2.1, характеризующая частоту повторяемости отказов на отдельных пикетах направления ст. Зима — ст. Ангарск Транссибирской магистрали, которые фиксируются в журналах предупреждений об ограничении скоростей. В таблице отражены отказы за период 1985-1996 г.г. и выделены пикеты с повторяемостью отказов более трех раз.
Резкое снижение надежности на фиксированных пикетах при регулярном проведении комплекса ремонтных работ, при отсутствии колебаний размеров пропущенного тоннажа на этих участках требует совершенствования информационной базы о районе прохождения железнодорожной линии.
Характерно, что все участки с повторяющимися неисправностями железнодорожного пути проходят по зонам с неустойчивой геодинамикой, согласно проведенного районирования железнодорожных трасс по признакам активного неотектогенеза [123]. Следует отметить, что причинами отказов пути может являться комплекс внешних воздействий в виде техногенных и природных факторов. Но на фоне этих причин все-таки обращает на себя внимание расположение большинства отказов пути в местах тектонических нарушений. Поэтому, вполне закономерно встает вопрос о взаимосвязи надежности железнодорожного пути и состояния его «теоретически устойчивого» основания в зонах активных движений земной коры.
В соответствии с поставленными задачами исследования необходимо провести анализ надежности железнодорожного пути с учетом тектонического районирования и функционально-структурный анализ системы железнодорожного пути по направлениям Транссибирской и Байкало-Амурской магистралей.
Для оценки надежности участка железной дороги принимаются следующие критерии: вероятность безотказной работы P(t) и вероятность отказа F(t)[73]. Вероятность безотказной работы по статистическим данным оценивается выражением Р« = Я (2.1) N0 где N(tj) - число элементов пути безотказно, проработавших к моменту tj (в і -ом году) или число километров пути, на которых не зафиксировано ни одного отказа; N0 - число элементов пути в начале испытаний (общее количество километров пути);
Вероятность отказа — вероятность того, что при определенных условиях эксплуатации в заданном интервале времени возникнет хоть один отказ F(ti) = N0 где r(tj) - накопленное число отказов к моменту t; или суммарное число километров железнодорожного пути с отказами на момент времени t{. і r(t;)=ni, (2.3) 1 где ПІ — число километров с зафиксированными отказами по журналам предупреждений об ограничениях скоростей по причине неисправности пути. Отказ и безотказная работа — это противоположные события, поэтому F(t) = l-P(t). (2.4)
Принятые расчетные формулы и определения использовались для анализа надежности участков железнодорожных направлений. При этом надежность пути определялась с учетом расположения отказов пути относительно карт геодинамического районирования железнодорожных линий. Структурно, как уже указывалось ранее, земная кора состоит из континентальных и океанических плит, в свою очередь разделенных на большие и малые блоки. Границы разнонаправлено перемещающихся блоков могут испытывать растяжение, сжатие, сдвиг. При этом сопряжение блоков может быть выражено в виде разрывного тектонического нарушения - разлома или в виде интенсивной складчатости без разрыва сплошности пластов. Подвижки блоков могут иметь вертикальный характер восходящего и нисходящего направления, одновременно возможны и горизонтальные перемещения. По границам блоков фиксируются максимальные тектонические напряжения, особенно, по разломам и узлам их пересечения. При геодинамическом районировании в пределах исследуемой части железнодорожной линии были выделены однотипные геолого-тектонические структуры, при этом, каждому километру трассы присвоен признак тектонической активности: поднятие, опускание, сопряжение как граница разнонаправлено перемещающихся блоков и отдельно выделены разломы.
Определение количественных показателей движений земной коры на примере Транссибирской магистрали
Математическое моделирование работы участков железнодорожного пути на конкретном эксплуатируемом участке с учетом геодеформационных процессов со стороны основания требует знания направленности и количественных показателей их проявления.
С учетом известных в геологии методов (геоморфологических, геологических, гидрологических, геофизических, инструментальных и других) разработана методика геодинамического районирования железнодорожных трасс по видам движений земной коры [29, 122, 123, 124, 125]. В соответствии с этой методикой выделены регионы с однотипной геотектонической структурой, по блокам земной коры — районы, участки с определенной ориентацией прохождения трассы относительно направления движения блоков, а также сложные участки разломов. В конечном итоге, каждому километру трассы был присвоен признак тектонической активности: поднятие или опускание блоков земной коры, особо выделены границы блоков: разломы и сопряжения (границы) разнонаправлено перемещающихся блоков. Геодинамическое районирование Транссибирской магистрали от ст. Тайшет до ст. Горхон было "выполнено в 1996 - 1998 г.г. [122, 123], Байкало-Амурской магистрали от ст. Тайшет до ст. Хани в 2000 - 2002 г.г. [124, 125].
При районировании трассы по видам движений земной коры выделяются регионы, районы, участки, километры. Регион - наиболее крупный отрезок трассы, попадающий в область с однотипными геотектоническими структурами, например, Западно-Сибирская, Сибирская платформы, Прибайкальская рифтовая зона и т. д. Районы характеризуют блок или систему блоков одного направленного движения. Положение продольной оси трассы по отношению к направлению движения блоков определяет участки. По километру информация ограничивается данными о вертикальной направленности подвижек (поднятие-опускание) или о расположении километра в зоне тектонического нарушения (разлом - сопряжение). На картах, в прилегающих к трассе районах, показаны поднимающиеся и опускающиеся блоки земной коры, нанесены границы блоков и линии простирания разломов, пример фрагмента такой карты в табличной форме дан в таблице 3.1.
Такой информации для расчета конструкций и сооружений пути, расположенных на моделируемом участке, явно не достаточно.
В отличие от ярко выраженной геодинамики сейсмического характера, медленные движения земной коры выявить сложно. Это - либо медленно нарастающие во времени направленные движения, либо - волновые. Поэтому для выявлений таких движений используют различные методы, известные в фундаментальной геологии (геоморфологические, геологические, гидрологические, геофизические, инструментальные и другие) [119, 120].
Опыт вероятностного анализа статистических данных по отказам железнодорожного пути, показал, что об активности тектонических движений можно также судить по частоте деформаций земляного полотна, неисправностей верхнего строения пути, повреждений мостов и труб, разрывов стыков между рельсами и другим отказам пути.
Количественно величина подвижек может быть определена инструментальными, в том числе, геодезическими методами. В настоящем разделе в развитие метода геодинамического районирования железнодорожных трасс предлагается определение вектора движения блока земной коры относительно продольной оси трассы. Волновые движения земной коры здесь не рассматриваются [116].
Следует различать современные неотектонические подвижки и ранние подвижки. Современные подвижки - это такие геодинамические процессы, которые имели место или будут происходить за время эксплуатации объекта. Современные подвижки фиксируются по результатам нивелирования (мм/год), гидрогеохимическим аномалиям и т.д. Ранние подвижки - это геодинамические процессы недавнего геологического прошлого. Они показаны в суммарных линиях равных амплитуд деформаций поверхности выравнивания в метрах. Очевидно, что обе разновидности составляют единый неотектонический процесс.
Тектонические движения бывают горизонтальные (тангенциальные), вертикальные (радиальные) восходящего и нисходящего направления. Тектонические движения конкретных генетических типов не проявляются в чистом виде. Наблюдаемые перемещения есть векторный результат наложения движений многих генетических типов разной направленности и длительности. Наблюдаемые перемещения поверхностных точек имеют непрерывно-прерывистый, порой возвратно-поступательный, волновой характер, скорости при этом отличаются в десятки раз. В конечном итоге, движения разных генетических типов, разной направленности и интенсивности суммируются в вектор перемещений, наблюдаемый на поверхности и отображаемый на неотектонических картах деформациями поверхности выравнивания.
На картах районирования трасс по видам движения земной коры [122, 123, 124, 125] показаны изолинии деформаций поверхности выравнивания, отображающие неотектонические движения земной коры в целом. Для моделирования воздействия тектонических подвижек при работе железнодорожного пути необходимо знать направление вектора деформационного воздействия по отношению к продольной оси трассы.
Рассмотрим два варианта: 1-ый - трасса проходит по блоку земной коры; 2-ой - трасса проходит по границе блока. Вариант 1
Структурно каждый блок земной коры, расположенный ближе к поверхности является частью какой-то более крупной блоковой структуры. Иерархия блоков может быть различной, подвижки в пределах этой структуры локального характера могут быть разнонаправленными (например, опускание-поднятие). Но, в целом, структура имеет направленное движение, которое можно определить по суммарным амплитудам изолиний деформаций поверхности выравнивания.
Критерии анализа напряженно-деформированного состояния участка железнодорожного пути
Анализ напряженно-деформированного состояния железнодорожного пути в различных расчетных вариантах созданных моделей предлагается осуществлять по коэффициенту продольной (К = az/ay) устойчивости, определяемому по соотношению напряжений, переданных на основную площадку земляного полотна в характерных точках. Напряжения оу и az определяются в узлах, соответствующих расположению левого наружного рельса (т.З) и правого внутреннего рельса (т.4) I пути (рис.4.1). Соотношение напряжений условно названо коэффициентом продольной устойчивости и при прочих равных условиях, позволяет судить о степени влияния фактора «геодеформационные воздействия» на выходные параметры системы.
Предлагаемый в диссертации подход исследования, основанный на определении коэффициента устойчивости через соотношения напряжений, возникающих на уровне верха земляного полотна, непосредственно под рельсовой колеей, требует определения его предельно-допустимого значения. Предельное значение коэффициента продольной устойчивости К = crz/ay может быть принято на уровне соотношений, возникающих на участке продольного профиля, запроектированного по предельно допустимым нормам (алгебраическая разность сопрягаемых уклонов - Ai и длина разделительной площадки 1н). Моделирование ведется на условной местности. Протяженность моделируемого участка принята 900 м -800 м (на уровне длины поезда), что позволяет учесть одновременное нахождение под поездом нескольких переломов продольного профиля. Земляное полотно моделируется двухпутным с шириной 11.7 м, заложения откосов земляного полотна 1: m приняты 1:1.5 при высоте насыпи в пределах 6м (рис. 3.4). В плане участок железнодорожного пути принят прямолинейным.
В качестве граничных условий приняты ограничение нормальной степени свободы X в сечениях основания земляного полотна, ограничение нижней плоскости основания насыпи в направлении оси Y и ограничение нормальной степени свободы в направлении оси Z граней поперечных сечений концов участка (рис.3.8).
Создание конечно-элементной сетки, с расположением узлов на уровне верха земляного полотна под правыми и левым рельсами (узел 3 и 4 на рис. 4.1, 4.2 для I пути) позволяет анализировать напряжений ay, az с переходом к коэффициенту устойчивости при различных вариантах геометрии модели и вариантах силовых воздействий.
Для оценки предельно допустимого значения коэффициента продольной устойчивости К = с7/о"у анализ напряженно-деформированного состояния осуществлялся по моделям участков железнодорожного пути, имитирующим «ямообразный» и «горбообразный» продольный профиль.
Анализ результатов моделирования, сведенных в таблицу 4.1, показывает, что при одинаковых значениях алгебраической разности и длины разделительной площадки, на «ямообразном» профиле на уровне верха земляного полотна под рельсовой колеей в сечении I, возникают большие продольные напряжения о\, которым соответствует и большее значение коэффициента продольной устойчивости К. Поэтому в дальнейших исследованиях предельная величина коэффициента К устанавливается на основании анализа моделей «ямообразного» продольного профиля. Варианты алгебраических разностей сопрягаемых уклонов и длин разделительных площадок в анализируемых моделях «ямообразного» продольного профиля приняты на уровне предельно допустимых норм проектирования для дорог I-IV категорий с длиной приемо-отправочных путей 850 м - 1050 м: Ді =10 %о; Ді =13 %о ; Ді=20%о, при длине разделительной площадки 1н=200м [27].
Результаты расчетов по конечно-элементным моделям с различными вариантами алгебраических разностей сопрягаемых уклонов, представлены в таблице 4.2. Расчет проведен согласно схеме внешних воздействий на земляное полотно, представленной на рис. 4.5, предусматривающей нагрузку от верхнего строения пути, подвижного порожнего состава по I пути и инерционную нагрузку. Анализируются средние напряжения в узлах конечно-элементной сетки, расположенных на уровне верха земляного полотна под правыми и левым рельсами (узел 3 и 4 на рис. 4.1 для I пути). В качестве расчетного, принято сечение I, расположенное в середине разделительной площадки (рис. 4.3) и одновременно в середине состава. Р„
