CC BY
24
УДК 625.12.044
В. Д. ПЕТРЕНКО, В. П. КУПР1Й, М. А. Л1СНЕВСЬКИЙ, А. М. М. АЛХДУР (ДПТ)
ДОСЛ1ДЖЕННЯ П1ДВИЩЕННЯ НЕСУЧО1 ЗДАТНОСТ1 ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ДЛЯ ШВИДК1СНОГО РУХУ ПОТЯГ1В
При використаннi геосинтетичних матерiалiв в нашш краíнi було запропоновано багато варiантiв тдси-лення земляного полотна. В робот представлений аналiз результапв дослiдження напружено-деформованого стану та деформацш конструкци залiзничного насипу. Дослщження i результати аналiзу свь дчать про те, що напружений стан земляного полотна в значнш мiрi залежить ввд мiсця розташування, виду, форми та деформативних характеристик геосинтетичних матерiалiв.
Ключовi слова: геосинтетичний матерiал, шдсилення земляного полотна, деформативнi характеристики, напружено-деформований стан
Вступ
Конструкци земляного полотна повинш за-безпечувати тривалу експлуатащю коли з мш1-мальними вщмовами при пропусканш сучасних 1 перспективних титв рухомого складу, при максимальних швидкостях руху по1зд1в { розра-хунковш вантажонапруженосп зал1знищ.
Збшьшення маси по1зд1в та 1х швидкост по-требують нових вимог до земляного полотна. З врахуванням динам1чних характеристик земляного полотна пропонусться його модершзащя з застосуванням нових конструктивних матер1а-л1в, яю покращують його несучу здатнють. Для ремонту { модершзаци земляного полотна ви-користовують геотекстильш матер1али [1, 2], 1 так зваш захисш грунтов! шари з р1зних мате-р1ал1в: сумш! тску з1 щебенем, мшеральш су-мш^ щебенево-тщаш сумш!, скршлеш асфальтом, цементом та шшими в'яжучими матер> алами, бшьш мщш грунти [3, 4].
Геотекстильш матер1али здатш виконувати одну або декшька функцш: шдсилення земляного полотна, шдвищення стшкосп укос1в та ш.
Дослщження напружено-деформованого стану земляного полотна, тдсиленого геотекс-тильними матер1алами, тдтверджують ефекти-внють 1х використання. При цьому передача зусиль на армуюч! елементи досягаеться через дотичш напруження в геотекстат, що виника-ють на його контакт з грунтом. Чим вище зна-чення напружень, яю виникають у геосентити-чному матер!ат, тим бшьш ефективно проявля-еться ефект армування. Якщо величина напружень незначна, то ефект армування мшмальний при використанш геосентитичного матер1алу. Це визначае мюцеположення зон
розтягнення у земляному полотш, як важливий i необхiдний розрахунковий параметр при ви-6opi способу його пiдсилення.
З метою визначення зон в яких виникають розтягуючi напруження i впливу параметрiв навантаження на змiну величини i мiсця цих зон, було проведено математичне моделювання роботи основно! площадки земляного полотна сумiсно з геосинтетичними матерiалами.
Для моделювання був використаний про-грамний комплекс Л1РА 9.4., який дозволяе ви-значати напружений стан та деформаци у лю-бiй точцi земляного полотна вщ дiючого навантаження. Теоретичною основою ПК Л1РА е метод сюнчених елементiв (МСЕ), реалiзований у формi перемiщень. Вибiр саме цього комплексу пояснюеться необхiднiстю моделювання спшь-но! роботи грунту i геосинтетичних матерiалiв.
У роботi приведет результати розрахунку напруженого стану та деформацш типово! конструкци насипу висотою 6 метрiв одноко-лшно! затзнищ для двох варiантiв грунту земляного полотна i двох варiантiв пiдсилення основно! площадки:
1 - геотекстиль - тд баластом;
2 - захисний шар з щебеню тд баластом i геореш^кою в захисному шарi.
Основна частина
В робот представленi результати моделювання напруженого стану та деформацш типово! конструкци насипу висотою 6 метрiв одно-колшно! затзнищ.
1. Першим кроком е розбивка поперечного розтину земляного полотна на скшчеш елементи (рис. 1). Геометричш розмiри насипу взятi з
© Петренко В. Д., Купрш В. П., Люневський М. А., Алхдур А. А. М, 2012
нормативного документа [4] для насишв висо-тою до 6 метрiв.
Для дослщження напружено-деформованого стану земляного полотна розроблено плоску сюнчено-елементну модель на основi плоских елементiв, як найбшьш вiдповiдних ситуацп моделювання.
дд АЛЛ /\л
Fn г г р г—
-
- Пч,
Рис. 1. Вид скшчених елементiв верхньо!' будови земляного полотна
Bci скшчеш елементи (СЕ) узгоджеш, тобто не мають нестикованих вузлiв, що надае найбшьш сприятливих умов при робой з матрицею жорсткосп та в подальшому надае найбiльш точнi та адекватш результати.
Кiлькicть СЕ - 170 664 штук, кшьюсть вуз-лiв - 190 800 штук (модель великого розмiру). Розмiр СЕ знаходиться у межах 0,2...0,3 м, що свщчить про те, що розмiр елементiв вiдповiдае характерним розмiрам моделi.
Моделювання фiзично! нелiнiйноcтi грунпв насипу виконуеться за допомогою сюнчених елементiв, що застосовують iнформацiю з роз-вито! бiблiотеки законiв деформування матер> алiв. Дана бiблiотека дозволяе враховувати практично будь-яю фiзично-нелiнiйнi власти-воcтi матерiалу, а кроковий процесор - одержа-ти напружено-деформований стан з урахуван-ням нелiнiйних ефекпв як для грунтiв, так i для геосинтетичних матерiалiв.
Бiблiотека фiзично нелiнiйних cкiнчених елементiв мicтить таю, що дозволяють моделю-вати однобiчну роботу твердого тiла й сипучого середовища - грунту на стиск iз урахуванням зрушення за схемою плоско! деформацп вщпо-вiдно до закону Кулона.
Для грунпв насипу прийнято сюнчеш елементи плоско! деформацп грунтiв (СЕ 281, 282, 284) яю використовуються для виршення дано! конкретно! задачi. Облiк специфши грунтiв проводиться на оcновi залежносп Мора-Кулона
для максимального дотичного напруження:
C -с2 <-sin(ф)(с -с2) + 2-С-cos(ф) (1)
де: Cj,с2 - головнi напруження; С - зсувне зчеплення; ф - кут внутрiшнього тертя.
Розрахунок проводиться шагово-iтерацiйним методом. Для урахування роботи геотекстилю прийнятий унiверcальний стриж-невий елемент (СЕ-310). Скiнчений елемент орiентований на забезпечення розрахунку вciх видiв стрижневих систем з урахуванням геоме-трично! нелшшносп.
Для облiку геометрично! нелiнiйноcтi стри-жня вважаеться, що не виконуеться закон Гука сх = E -вх , а на кожному крощ вiдбуваетьcя урахування нормальних напружень при побу-довi матрицi жорcткоcтi. При цьому сюнчений елемент мае мicцеву систему координат.
У моделi повнicтю вiдтворено геометричш параметри земляного полотна iз розташуванням осей колiй та деформацiйнi i мiцнicтнi характеристики грунтiв. Пюля побудови моделi !й на-давалися деформацiйнi характеристики, якi ха-рактерш для слабкого земляного полотна, яке потребуе посилення.
В моделi прийнятi наcтупнi деформацшш характеристики:
Модель 1 - модуль пружносп земляного полотна E = 30 МПа, коефiцiент Пуассона ц = 0,3, питома вага у = 16,5 кН/м3, модуль пружноcтi баласту E = 100 МПа, коефщент Пуассона ц = 0,3 , питома вага у = 20 кН/м3.
Модель 2 - модуль пружносп E = 10 МПа, коефщент Пуассона ц = 0,3, питома вага у = 16,0 кН/м3, модуль пружносп баласту E = 100 МПа, коефщент Пуассона ц = 0,3, питома вага у = 20 кН/м3.
Модель 3 - модуль пружносп земляного полотна E = 30 МПа, коефщент Пуассона ц = 0,3, питома вага у = 16,5 кН/м3, модуль пружносп баласту E = 100 МПа, коефщент Пуасона ц = 0,3 , питома вага у = 20 кН/м3, модуль пружносп захисного шару товщиною 40 см E = 100 МПа, коефщент Пуасона ц = 0,3, питома вага у = 21 кН/м3.
Модель 4 - модуль пружносп земляного полотна E = 10 МПа, коефщент Пуасона
ц = 0,3, питома вага у = 16,0 кН/м3, модуль пружност баласту Е = 100 МПа, коефщ!ент Пуасона ц = 0,3, питома вага у = 20 кН/м3, модуль пружност захисного шару товщиною 40 см Е = 100 МПа, коефщент Пуасона ц = 0,3, питома вага у = 21 кН/м3.
Для проведення точного розрахунку розро-блена система граничних умов, яка найбшьш вщповщае поведшщ земляного полотна (див. рис. 1): поперек земляного полотна - за-борона перемщення по ос У (умова плоско! деформаци), по л!в!й гран! - надана заборона по ос! X (умова симетри модел!), по правш гран! - заборона по ос! X , по нижнш гран! - заборона по ос! X, У та Z (умова статично! роботи модел!).
Пюля повного створення модел! (вщтворен-ня геометр!!, надання деформац!йних характеристик та граничних умов) до не! прикладалися навантаження. При цьому прийнята найб!льш несприятлива ситуац!я, коли на коли тимчасово знаходиться по!зд. У вигляд! навантаження за-стосовувався тепловоз ТЕМ2М, загальною вагою 120 т, !з навантаженням на вюь - 20 т. Навантаження прикладалися до модел! у вигляд! зосереджених сил.
Результати розрахунку деформацш та на-пружень для модел! верхньо! будови земляного полотна наведен! на рис. 2 ! 3.
Рис. 2. 1зополя напружень по осi X (т/м2)
Рис. 3. 1зополя перемщень по Т, (мм)
Розрахунок напружень та деформацш моделей
Пюля розробки модел! проводився 11 розрахунок. Нижче наводяться фрагменти модел! земляного полотна (рис. 4) та основш результати розрахунку, подан! у вигляд! !зопол!в напружень та деформацш в модел! № 1 на рис. 5 ! 6, а в модел! № 2 на рис. 7 ! 8. Для подальшого анал!зу об'ем наведених результапв дещо зме-ншено, так як вш значний.
Моделювання пружного стану та деформа-цш насипу одноколшно! зал!зниц! висотою 6 м при помщеш геотекстильних матер!ал!в п!д баластною призмою проведено на модел! № 1.
Моделювання пружного стану та деформа-цш насипу одноколшно! зал!зниц! висотою 6 м при помщеш геотекстильних матер!ал!в тд баластною призмою проведено на модел! № 2, результати надаш на рис. 6.
Рис. 4. Вид сшнчених елеменлв верхньо! будови земляного полотна
ч
--
Рис. 5. 1зополя напружень по ос X (т/м2)
Рис. 6. 1зополя перемiщень по Т, (мм)
Рис. 7. 1зополя напружень по ос X (т/м2)
Рис. 8. 1зополя перемщень по 2, (мм)
Анал1з результата моделювання св1дчить про дуже мал1 напруження у геотекстилю, який розмщений тд баластним шаром, таким чином вш може виконувати тшьки функцп фшьтрацп та роздшення при такш форм1 1 таких характеристиках земляного полотна, як у Модел1 № 1 та Модел1 № 2. Перемщення тдошви шпали типового земляного полотна модел1 № 2, поси-леного геотекстилем, не змшилось.
Моделювання пружного стану та деформа-щй насипу одноколшно! зал1знищ висотою 6 метр1в з захисним шаром тд баластною призмою 1 геореш1ткою у захисному шар1, показано на схем1 (рис. 9), виконувалось по моделям № 3 1 № 4.
Рис. 9. Вид скшчених елементш верхньо! будови земляного полотна
У вар1анл тдсилення 2 - захисний шар з геореш1ткою тд баластом був виконаний роз-
рахунок напружень та деформацш модел1 № 3 (рис. 10 1 11).
Рис. 10. 1зополя напружень по ос X (т/м2)
Рис. 11. 1зополя перемщень по 2, (мм)
У вар1анл тдсилення 2 - захисний шар з геореш1ткою тд баластом був також виконаний розрахунок напружень та деформацш на модел1 № 4 (рис. 12 1 13).
Рис. 12. 1зополя напружень по ос X (т/м2)
Рис. 13. 1зополя перемщень по 2, (мм)
Анал1з результата дае змогу зробити висно-вок, що геореш1тка в захисному шар1 у зош ма-
ксимальних горизонтальних напружень прий-мае на себе горизонтальш напруження i змен-шуе вертикальнi деформаци земляного полотна. У геореш^щ в захисному шарi напруження в порiвняннi з геотекстилем в захисному шарi у двiчi бiльшi - модель № 3 i в 2,5 рази модель № 4.
В представленш робот також приведении наИбiльш оптимальний варiант пiдсилення, якиИ може бути використаний як в конструкщ-ях одношляхових так i двохшляхових затзнич-них спорудах без змiни типових поперечних профiлiв земляного полотна, яка показана на рис. 14.
Рис. 14. Конструкщя земляного полотна з захисним шаром 1з щебеню тд баластом з георешггкою
Конструкцiя рекомендована для впрова-дження при будiвництвi нових дiльниць затз-ницi з земляним полотном представленим сут-сками з модулем деформаци Ед = 25 МПа та
при вщповщному технiко - економiчному об-грунтуванш може використовуватись при каш-тальному ремонтi та модершзаци коли.
Пщсилення основно! площадки забезпечу-ють шляхом замши грунту з недостатньою не-сучою здатнютю шаром щебеню або щебенево! сумiшi у верхнiИ частит земляного полотна. Для покращення техшчних характеристик, шд-вищення несучо! здатносп нижньо! будови коли, зниження бокових деформацiИ у конструк-ци насипу використовують геосинтетичнi мате-рiали (геотекстиль, геосiтка, георешiтки).
Для забезпечення riдроiзоляцп земляного полотна рекомендуеться застосовувати геомембрану (див. рис. 14).
Несуча здатнють основи захисного шару ви-значаеться проектом. Модуль деформаци приймаеться не менше 25 МПа. Укладання гео-текстильних матерiалiв та захисного шару на
основу дозволяеться тсля перевiрки и техшчних характеристик на вщповщнють проекту.
Захисний шар влаштовують iз щебеню або шщано-щебенево! сумiшi чи старопридатного щебеню фракцiею до 25.. .60 мм. Товщина шару визначаеться проектом в залежносп вiд ш-женерно-геологiчних умов в межах вщ 0,15 до 0,8 м. При товщиш шару бiльше 0,3 м ущшь-нення виконують окремими шарами товщиною 0,2.0,3 м. Захисний шар ущшьнюють до прое-ктних значень модуля деформаци але не менше 80 МПа. На поверхш захисного шару влаштовують поперечний ухил в 5 %.
Геокомпозитний шар, що влаштовують поверх захисного шару, може складатись з геотекстилю, геореш^ки, геомембрани, шших гео-синтетичних матерiалiв або !х комбiнацiИ.
Поверх геокомпозитного шару рекоменду-еться влаштування пiщаноl подушки товщиною 0,2 м, з ущшьненням И до значення модуля де-формацil визначеного проектом, але не менше 40 МПа.
Висновки
Анатз результапв напружено-деформо-ваного стану земляного полотна рiзних конс-трукцiИ надае змогу зробити наступнi висновки:
Напружений стан земляного полотна в зна-чнш мiрi залежить вiд мюця розташування, виду, форми та деформативних характеристик геосинтетичних матерiалiв, яю використову-ються для пiдвищення несучо! здатносп земляного полотна.
Шар з геотекстиля при шдсилеш основно! площадки земляного полотна, розмщений пiд баластом, в основному виконуе функцi! роздi-лення баласту вщ земляного полотна та фшьт-рацi!.
Ефективнiсть впливу геосинтетичних мате-рiалiв значно бiльше проявляеться у слабкому земляному полотнi.
Найбшьший ефект зниження деформацiИ земляного полотна до 50 % проявляеться при використаннi захисного шару тд баластною призмою з щебеню змщненого георешiткою.
Розроблена оптимальна конструкщя земляного полотна iз застосуванням геотекстильних
матерiалiв i захисних грунтових шарiв (див. рис. 14).
Б1БЛЮГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. ДБН В.2.3-19-2008. Зал1зниц1 коли 1520 мм. [Текст] / К.: М1нрепон Укра!ни, 2008. - 123 с.
2. Федорашко, И. Я. Геосинтетические материалы в дорожном и гидротехническом строительстве [Текст] / И. Я. Федорашко. - К.: Евроизол, 2002. - 6 с.
3. Рекомендаци по застосуванню геосинтетичних матер1ал1в при буд1вництв1 та ремонп автомобь
льних дор1г. [Текст]: РВ. 3.2 - 218 - 02070915 -496: 2005, Ки!в, 2005. 4. 1нструкц!я з утримання земляного полотна заль зниць Укра!ни [Текст]: затв. Укрзал1зницею 08.05.2001 р. / Л. I. Дяченко, П. П. Кислий, В. О. Кулач; Державна адмшстращя зал1зничного транспорту Укра!ни, Головне управлшня колш-ного господарства. - Д.: Видавництво АТЗТ ВКФ «Арт-Прес», 2001. - 104 с.
Надшшла до редколеги 06.02.2012. Прийнята до друку 20.02.2012.
В. Д. ПЕТРЕНКО, В. П. КУПРИЙ, М. А. ЛИСНЕВСКИЙ, А. А. М. АЛХДУР (ДИИТ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ДЛЯ СКОРОСТНОГО ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ
При применении геосинтетических материалов в нашей стране было предложено много вариантов усиления земляного полотна. В работе представлен анализ результатов исследования напряженно-деформированного состояния и деформаций конструкции железнодорожной насыпи. Исследование и результаты анализа свидетельствуют о том, что напряженное состояние земляного полотна существенно зависит от места нахождения, вида, формы и деформационных характеристик геосинтетических материалов.
Ключевые слова: геосинтетический материал, усиление земляного полотна, деформационные характеристики, напряженно-деформированное состояние
V. D. PETRENKO, V. P. KUPRIY, M. A. LYSNEVSKYY, A. M. ALHDUR (Dnepropetrovsk National University of Railway Transport)
INVESTIGATION OF CARRYING CAPACITY INCREASE ROADBED FOR FAST TRAIN
For the period the use of geosynthetic materials in our country were offered many variations amplification subgrade. In the paper presented analysis of the stress-strain state and strain construction railway embankment. Results of the analysis indicate that the stress state subgrade is largely dependent on location, type, shape and deformation characteristics of geosynthetic materials.
Keywords: geosynthetic materials, amplification of subgrade, deformation characteristics, stress-strain state
