Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса исследования 11
1.1. Монолитная конструкция верхнего строения пути RHEDA 2000 11
1.2. Опыт применения безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000 . 20
1.3. Требования к конструкции рабочей зоны земляного полотна на участках с безбалластной конструкцией верхнего строения пути 25
1.4. Особенности работы подплитного основания при различных конструкциях верхнего строения пути. 30
1.5. Выводы по главе 1 32
1.6. Цель и задачи исследования 32
2. Натурные исследования напряженно – деформированного состояния несущей бетонной плиты и подплитного основания при действии поездной нагрузки 34
2.1. Характеристика экспериментального участка 35
2.2. Методика проведения экспериментов 37
2.2.1. Аппаратура и приборы для полевых исследований 37
2.2.2. Технология проведения эксперимента 40
2.2.3. Обработка полученных данных 44
2.3. Исследование распределения вертикальных напряжений в земляном полотне при безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000 44
2.4. Исследование напряженно – деформированного состояния несущей бетонной плиты при безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000 54
2.4.1. Распределение продольных напряжений на поверхности несущей бетонной плиты 54
2.4.2. Распределение поперечных напряжений на поверхности несущей бетонной плиты 62
2.4.3. Распределение вертикальных деформаций поверхности несущей бетонной плиты 65
2.5. Выводы по главе 2 67
3. Моделирование работы безбалластной конструкции верхнего строения пути под поездной нагрузкой 69
3.1. Общие положения 69
3.2. Обоснование глубины рабочей зоны 71
3.3. Теоретические основы определения деформированного состояния несущей бетонной плиты 76
3.4. Теоретические основы определения напряженного состояния несущей бетонной плиты 85
3.5. Сопоставление теоретических расчетов напряженно – деформированного состояния несущей бетонной плиты с опытными данными 90
3.6. Выводы по главе 3. 102
4. STRONG Обоснование требований к подплитному основанию при монолитной
безбалластной конструкции верхнего строения пути STRONG 103
4.1. Общие положения 103
4.2. Изучение влияния различных факторов на напряженное состояние несущей плиты при монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути 103
4.2.1. Влияние модуля упругости подплитного основания на напряженное состояние несущей плиты 103
4.2.2. Исследование напряженного состояния несущей бетонной плиты в зависимости от подплитного основания 107
4.3. Обоснование конструкции подплитного основания при монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути 121
4.4. Выводы по главе 4. 125
Основные выводы по работе 126
Библиографический список 128
Список иллюстративного материала
- Опыт применения безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000
- Технология проведения эксперимента
- Теоретические основы определения деформированного состояния несущей бетонной плиты
- Исследование напряженного состояния несущей бетонной плиты в зависимости от подплитного основания
Опыт применения безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000
На данный момент общая протяженность различных конструкций безбалластного пути насчитывает свыше 12000 км, из которых 2000 км приходится на конструкцию RHEDA 2000 [5]. Такое обширное применение данной конструкции на железных дорогах мира может свидетельствовать о ее эффективности. По данным, приводимым в различных источниках [4,5,6,16,19,20,21,22,23], можно выделить следующие преимущества безбалластной конструкции верхнего строении пути по сравнению с классической конструкции на балласте: - статические и динамические нагрузки на верхние слои земляного полотна для пути на плитном основании снижаются, благодаря лучшему распределению силовых воздействий; - путь на плитном основании после укладки сохраняет стабильное положение в 2 - 3 раза дольше, чем путь на балласте; - плитная конструкция пути оказывает практически неограниченное сопротивление поперечным силам. Она имеет высокую собственную массу, обеспечивая тем самым хорошую устойчивость даже под действием интенсивных сжимающих сил при повышении температуры рельсов;
- отсутствие вылетающих частиц балласта исключает нанесение повреждений подвижному составу и напольным устройствам; - невозможность роста растительности в пути на плитном основании исключает необходимость борьбы с нею; - устойчивое положение пути снижает динамические силы, действующие на ходовую часть подвижного состава; - возможна более длительная эксплуатация линии на плитном основании в силу меньших затрат времени на текущее содержание; - жизненный цикл при безбалластной конструкции почти в 2 раза больше, чем при классической конструкции на балласте и составляет 50-60 лет.
Впервые конструкция RHEDA применялась в 1972 г. на линии Билефельд -Хамм на станции Реда. Следующим важным этапом в развитии безбалластного пути были экспериментальные участки в Карлсфельде под Мюнхеном в 1977 г. Там на участке протяженностью 1,7 км было уложено пять отрезков пути различной конструкции, две из которых (со шпалами, уложенными на резиновые подошвы) вскоре сняли после многочисленных ремонтов. Остальные три (одна из них типа RHEDA), после некоторых небольших исправлений находятся в эксплуатации до сих пор [5,21].
К началу 1980-х годов железные дороги Германии и строительные компании провели ряд исследований экономической эффективности безбалластного пути. В результате, за исключением нескольких проектов строительства тоннелей, экономическая эффективность доказана не была [22]. После этого интерес к безбалластному пути в Германии резко упал, дальнейшие разработки на некоторое время были практически приостановлены [17,19]. В середине 1990-х годов к вопросу применения безбалластного пути вернулись. Первоначальное решение впоследствии постоянно дорабатывалось и оптимизировалось без изменения основного принципа.
Монолитное железнодорожное полотно типа RHEDA 2000 впервые было применено в Германии в 2000 г. в рамках пилотного проекта на вновь построенной магистрали Эрфурт - Халле - Лейпциг на участке длиной около 1000 м, а затем на следующих трёх километрах [5].
Вследствие положительного опыта при проектировании, строительстве и эксплуатации, руководство немецких железных дорог приняло решение использовать более 180 000 запатентованных двухблочных шпал на базе технологии RHEDA при строительстве новой высокоскоростной магистрали Кёльн – Франкфурт – Рейн - Майн ввиду её высоких технических требований.
В 2006 г. было закончено строительство участка Нюрнберг-Ингольштадт новой магистрали Нюрнберг-Мюнхен. При строительстве участка длиной около 75 км также использовалась система монолитного железнодорожного полотна RHEDA 2000 компании RAIL.ONE.
Вскоре за национальными проектами технология монолитного железнодорожного полотна типа RHEDA 2000 получила распространение на мировом рынке рельсового транспорта. При реализации крупнейшего в Европе инфраструктурного проекта – строительства в Нидерландах новой высокоскоростной магистрали „Зюйд“ от Амстердама через Роттердам до границы с Бельгией – вся магистраль общей длиной около 88 км, за исключением одного короткого участка, была построена по технологии RHEDA 2000.
В 2006 г. система RHEDA 2000 была устроена на 28 км двухпутного тоннеля Гуадаррама на магистрали Мадрид - Валладолид в Испании. Помимо этого, на данной магистрали по системе RHEDA 2000 были построены ещё 12 км полотна в тоннеле Сан Педро. С февраля 2008 г. по высокоскоростной магистрали было открыто движение со скоростью 350 км/ч. Для тоннеля Сант Хуан Деспи на магистрали Мадрид-Барселона были построены 15 км полотна по технологии RHEDA 2000. В декабре 2007 г. данная магистраль была пущена в эксплуатацию. Позднее в рамках проекта „Атлантическая ось“ в 2006 и 2007 гг. были реализованы несколько проектов с примерной длиной полотна 15-20 км.
Выход монолитного железнодорожного полотна на азиатский рынок скоростного рельсового транспорта был осуществлён в 2004 г. с применением системы RHEDA 2000 при строительстве новой высокоскоростной магистрали Тайбэй-Каошун в Тайвани. Наряду с использованием японских технологий монолитного железнодорожного полотна на свободных путях, сложные станционные зоны и стрелочные переводы были оснащены системой RHEDA 2000. На сети магистральных железных дорог России конструкция RHEDA 2000 появилась в конце лета 2010. Был построен опытный участок монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути длиной 1 км. Участок располагается на линии Санкт-Петербург – Москва, перегон Саблино-Тосно, II главный путь от ПК 450+00 до ПК 460+00.
Результаты опытной эксплуатации безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000 в России показали, что путь имеет стабильные эксплуатационные показатели по ширине колеи, подуклонке рельсов и по уровню [8]. Однако, после года опытной эксплуатации, выявлено наличие многочисленных трещин на поверхности несущей плиты по всей длине конструкции. Особое беспокойство специалистов вызывает наличие поперечных трещин, развивающихся от углов полушпал к центру плиты и к её торцу (рисунок 1.8).
Технология проведения эксперимента
Учитывая повышенную жесткость безбалластной конструкции верхнего строения пути, стоило ожидать равномерного распределения вертикальных напряжений под слоем тощего бетона и на разных глубинах от его подошвы, однако в экспериментальных условиях доказано, что эпюра далека от равномерно распределенной. Из рисунков 2.15 - 2.17 видно, что максимальные напряжения фиксируются в подрельсовом сечении, а наименьшие в сечении у торца гидравлически связанного слоя. Для оценки неравномерности распределения вертикальных напряжений в теле земляного полотна и на основной площадке введем коэффициенты неравномерности распределения вертикальных напряжений: Уг.тт - сечение у торца тощего бетона, yt.0 - сечение по оси пути, уі_тн - у торца несущей бетонной плиты. Величины коэффициентов определяются по формулам (2.3). Y,-o=0,-o/ 7,-P
Анализ рассчитанных коэффициентов неравномерности распределения напряжений показал, что их значения в каждом из рассматриваемых сечений остаются постоянными при различных типах подвижного состава и скоростях движения. В связи с этим на рассматриваемых глубинах от уровня основной площадки по результатам экспериментов были определены средние значения коэффициентов уі_0, уі.тн и Уі.тт, представленные в таблице 2.2.
В результате анализа распределения вертикальных напряжений при различных конструкциях верхнего строения пути (рисунок 2.18), можно сделать вывод, что за счет большей жесткости конструкции происходит более равномерное распределение напряжений. В частности, об этом говорит уменьшение напряжений в подрельсовой зоне и их увеличение по оси пути почти в 2 раза по сравнению с путем на балласте.
Спустя год опытной эксплуатации безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000 было выявлено наличие многочисленных трещин на поверхности несущей плиты. Большинство трещин развивалось от углов полушпал к центру плиты и к её торцу, что свидетельствует о концентрации напряжений в данной зоне. Выявление особенностей распределения продольных напряжений на поверхности несущей бетонной плиты в этой зоне (рисунок 2.19) при движении подвижного состава осуществлялось по данным записей тензорезисторов, наклеенных на поверхности плиты.
Для каждого типа подвижного состава на основе полученных экспериментальных данных построена эпюра распределения продольных напряжений на поверхности несущей бетонной плиты. Результаты, полученные в сечении у угла полушпалы, представлены на рисунках 2.20 - 2.23.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при движении всех типов подвижного состава на поверхности несущей бетонной плиты образуются знакопеременные напряжения. Перед первой тележкой всех типов составов образуется зона растяжения. При проходе колесной пары на поверхности несущей бетонной плиты образуются напряжения сжатия, а между тележками -напряжения растяжения. в/і-ю порожний полуЬагон
Анализ рисунков 2.20 – 2.23 показывает, что эпюра распределения продольных напряжений, а также максимальные растягивающие напряжения зависят от расстояния между крайними осями в тележке и определяются подвижными единицами, входящими в сформированный состав. Так при движении локомотивов ВЛ – 80 и ВЛ – 10 максимальные зафиксированные растягивающие напряжения возникают в месте сцепки двух секций локомотива. Максимальные растягивающие напряжения составляют: для ВЛ-80 – 2,3 МПа (при скорости 70 км/ч); для ВЛ-10 – 2,2 МПа (при скорости 90 км/ч). При движении пассажирского поезда с локомотивом ЧС-2т сечение с максимальными растягивающими напряжениями располагается на расстоянии 10 метров перед поездом. Максимальное напряжение растяжения в этом сечении составило 1,8 МПа (при скорости 110 км/ч). При движении пригородного электропоезда максимальные напряжение было зафиксировано под головным вагоном, значение составило 1,3 МПа. На экспериментальном кольце ВНИИЖТа обращался состав с гружеными полувагонами, максимальные значения растягивающих напряжений под которыми составило 3,6 МПа.
Как видно из рисунков 2.20 – 2.23, при увеличении скорости движения происходит рост растягивающих напряжений на поверхности несущей бетонной плиты. Зависимость роста напряжений при увеличении скорости движения представлена на рисунке 2.24. 41 Ф 3.
Анализ зависимостей, приведенных на рисунке 2.24, показывает, что с ростом скорости движения максимальные продольные растягивающие напряжения на поверхности несущей бетонной плиты увеличиваются по линейной зависимости при движении любого подвижного состава. Так например, при движении грузового поезда с локомотивом ВЛ-10 со скоростью 40 км/ч максимальное растягивающее напряжение составило 1,93 МПа, а при скорости 90 км/ч – 2,21 МПа. Приращение напряжений на каждые 10 км/ч составил 0,06 МПа. При проходе локомотива ЧС-2т со скоростью 40 км/ч напряжения составили 1,46 МПа, а при 110 км/ч - 1,8 МПа. Прирост напряжений на каждые 10 км/ч составил 0,05 МПа. При проходе пригородного электропоезда ЭТ-2 прирост составил 0,03 МПа на каждые 10 км/ч. При движении локомотива ВЛ-80 на каждые 10 км/ч продольные напряжения на поверхности несущей бетонной плиты увеличивались на 0,05 МПа. Полученные результаты свидетельствуют о том, что прирост продольных растягивающих напряжений на поверхности несущей бетонной плиты при безбалластной конструкции верхнего строения пути не зависит от типа подвижного состава и составляет 3% на каждые 10 км/ч для всех типов подвижного состава. Для определения характера распространения продольных растягивающих напряжений на поверхности плиты в поперечном сечении были задействованы датчики в двух сечениях согласно схеме, приведенной на рисунке 2.25. Результаты данных замеров приведены на рисунках 2.26 и 2.27 и в таблице 2.4.
Теоретические основы определения деформированного состояния несущей бетонной плиты
С учетом того, что при расчете методом конечных элементов для всякого расчетного узла определен вектор [8], который содержит необходимые значения деформаций (прогибов) плиты, несложно для каждого такого узла определить напряжение на поверхности несущей бетонной плиты S1± (рисунок 3.5). Для этого необходимо, пользуясь разложением Тейлора для производной второго порядка (3.49) переписать зависимость (3.40) как (3.50):
Принципиальная расчетная схема для определения напряжений на поверхности несущей бетонной плиты. 1 – несущая бетонная плита; 2 – гидравлически связанный слой; 3 – защитный слой; 4 – тело насыпи; 5 – основание насыпи. Для решения зависимости (3.50) в рамках диссертационной работы было разработано программное обеспечение с использованием программной среды «Borland Delphi 7.0» (Приложение А).
Сопоставление теоретических расчетов напряженно – деформированного состояния несущей бетонной плиты с опытными данными
Изложенный в параграфах 3.3 и 3.4 расчетный метод, по определению напряженно – деформированного состояния безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000, автором в рамках диссертационной работы был реализован в программном обеспечении для ЭВМ №2014615600 «Оценка напряженно – деформированного состояния плитной конструкции верхнего строения железнодорожного пути».
Программный комплекс позволяет определить напряженно – деформированное состояние безбалластной монолитной конструкции верхнего строения железнодорожного пути при различных типах внешней нагрузки (подвижного состава), а также при различных геологических условиях в соответствии с принятой расчетной схемой (рисунок 3.3).
Для сравнения теоретических расчетов напряженно – деформированного состояния с опытными данными были исследованы участки с монолитной безбалластной конструкцией RHEDA 2000. Участок №1 располагался на магистрали Санкт-Петербург – Москва, перегон Саблино-Тосно, II главный путь на ПК 455+00. Участок №2 располагался на экспериментальном железнодорожном кольце ВНИИЖТа в г. Щербинка Московской области. На обоих участках поверхность несущей бетонной плиты покрыта поперечными трещинами, которые развиваются от углов полушпалы к середине плиты и к ее торцу. По результатам проведенного инженерно-геологического изыскания определены основные характеристики грунтов подплитного основания.
Рассмотрим расчет напряженно – деформированного состояния несущей бетонной плиты безбалластной конструкции RHEDA 2000 на экспериментальном участке железнодорожном кольце ВНИИЖТа в г. Щербинка Московской области более детально. Исходные параметры для расчета приведены таблицах 3.2, 3.3 и 3.4. Таблица 3.2 Параметры безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA20 Наименование Ед. изм. Значение
Разумеется, что при разной скорости движения фактические величины сил, действующие на рельс от подвижного состава, будут выше статических. Следовательно, в расчетную схему следует закладывать величины динамических нагрузок.
В настоящее время в ОАО «РЖД» действует нормативный документ №ЦПТ-52/14 «Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности» [71], который позволяет рассчитывать динамические нагрузки от колеса на рельс. Данная методика применяется для традиционного железнодорожной конструкции пути с рельсошпальной решеткой, уложенной на балластный слой. Следовательно применение методики [71] для безбалластного пути не является обоснованным, прежде всего, из-за отсутствия упругих характеристик пути. Такими характеристиками являются: модуль упругости подрельсового основания U и коэффициент соотносительной жесткости подрельсового основания и рельса k. Для конструкции RHEDA 2000 они являются неизвестными величинами.
Нормативных документов, позволяющих рассчитать динамическую нагрузку от колеса на рельс при безбалластной конструкции верхнего строения пути, на сегодняшний день нет. На основе вышеизложенного, динамическая нагрузка от колеса на рельс определялась с учетом статического воздействия и дополнительной нагрузки, возникающей от вертикальных колебаний надрессорного строения экипажа. Другие динамические добавки к статической нагрузке существенно зависят от упругих характеристик пути и, следовательно, их определение невозможно, в силу неизвестных значений U и к. Тем не менее, анализ результатов расчета динамических нагрузок от колеса на рельс на традиционном пути показывает, что доля этих сил в общем значении максимальной динамической нагрузки колеса на рельс для пути с железобетонными шпалами не превышает 10-15 %.
Исследование напряженного состояния несущей бетонной плиты в зависимости от подплитного основания
При модуле упругости подплитного основания 40 МПа разница между максимальными растягивающими напряжениями на поверхности несущей плиты при разных параметрах подвижного состава не превышает 0,7 МПа. При модуле упругости 80 МПа разница составляет не более 0,5 МПа, а при 120 МПа равна 0,4 МПа. Во всем расчетном диапазоне напряжения отличались не более чем на 15% при различных типах подвижного состава.
Анализ таблицы 4.1 показывает, что для исключения образования силовых трещин на поверхности несущей плиты необходимо обеспечить модуль упругости подплитного основания на глубину рабочей зоны не менее 160 МПа. Полученное значение модуля упругости тяжело сложно достичь с использованием только естественных песчаных и глинистых грунтов, которые широко используются как при новом строительстве, так и при реконструкции железных дорог. Для таких грунтов значение модуля упругости не превышает 130 МПа, согласно [70].
Согласно выполненному расчету (рисунок 4.2), деформативные характеристики грунтов подплитного основания необходимо повышать до требуемого значения за счет специальных мероприятий по укреплению грунтов, что обеспечивает увеличение модуля упругости грунтов до необходимого значения, либо использовать специальный слой с повышенными деформативными характеристиками, который будет уменьшать деформативность безбалластной конструкции и, как следствие, снижать продольные растягивающие напряжения на поверхности несущей плиты.
Исследование напряженного состояния несущей бетонной плиты в зависимости от подплитного основания
В параграфе 4.2.1 было показано, что в конструкции подплитного основания необходимо использовать защитный слой с повышенными деформативными характеристиками для уменьшения продольных растягивающих напряжений на поверхности несущей бетонной плиты. Несмотря на большое разнообразие материалов, при новом строительстве такой слой обычно устраивается из щебеночно-песчано-гравийных смесей (ЩПГС) заданного гранулометрического состава [38].
Расчетная схема для оценки влияния защитного слоя из ЩПГС на напряженное состояние несущей плиты при разных характеристиках нижележащего грунта Для оценки влияния мощности защитного слоя из ЩПГС на напряженное состояние несущей бетонной плиты была проведена серия расчетов. Для этого использовалась расчетная схема, представленная на рисунке 4.3. Результаты расчета приведены на рисунке 4.4 и в таблице 4.2. Величина модуля упругости ЩПГС принята равной 280 МПа согласно [70].
Максимальные продольные растягивающие напряжения на поверхности несущей бетонной плиты в зависимости от мощности слоя ЩПГС
Примечание. Серым цветом отмечены растягивающие продольные напряжения на поверхности несущей бетонной плиты, которые не превышают предел прочности бетона на растяжение.
Анализ таблицы 4.2 показывает, что при внесении в конструкцию подплитного основания слоя из ЩПГС уменьшаются требования к нижележащему грунту. Для исключения образования силовых трещин на поверхности несущей плиты с использованием слоя из ЩПГС толщиной 0,2 м, необходимо обеспечить модуль упругости грунтов под защитным слоем не менее 130 МПа на глубину рабочей зоны. При использовании слоя из ЩПГС толщиной 0,5 м, минимальный модуль упругости нижележащего грунта снижается до 100 МПа, а при увеличении до 0,7 м требования к деформативным характеристикам подстилающих грунтов ниже слоя ЩПГС составляет не менее 80 МПа.
При устройстве защитного слоя из ЩПГС толщиной менее 0,3 м сохраняются высокие требования к деформативным свойствам нижележащего грунта. В частности, при мощности защитного слоя из ЩПГС от 0,1 м до 0,2 м на всю глубину рабочей зоны необходимо обеспечить модуль упругости не менее 130 МПа.
Исходя из зарубежного и отечественного опыта проектирования и строительства железных дорог, нижележащий слой должен предотвращать морозное пучение земляного полотна. Следовательно, в качестве грунтов необходимо использовать непучинистые грунты, в частности, пески гравелистые, крупные и средней крупности, крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, отсевы щебеночного производства. Модуль упругости этих грунтов превышает 120 МПа, и их использование в слое нижележащего грунта будет повышать его обобщенный модуль упругости. Следовательно, в дальнейшем рассматривать конструкции подплитного основания с использованием защитного слоя из ЩПГС свыше 0,6 м не представляется необходимым.
Учитывая вышеизложенное, в дальнейших расчетах при разработке конструкции подплитного основания толщина защитного слоя из ЩПГС будет рассматриваться в диапазоне от 0,3 м до 0,6 м.
