Несущая способность земляного полотна, отсыпанного лессовыми грунтами, воспринимающими вибродинамическую нагрузку

Лессовые грунты широко распространены в Средней Азии, в частности на территории Узбекистана и занимают значительную часть, около 80% ее площади. Также эти грунты распространены в Центральной Черноземной зоне, на Северном Кавказе, в Закавказье, Поволжье, Восточной и Западной Сибири и др. местах. Существенное распространение на территории Узбекистана имеют лессовидные супеси.

Особенностью лессовых фунтов является их процесс формирования и существования в недоуплотненном состоянии. Недоуплотненное состояние лессового грунта может сохраняться на протяжении всего периода существования толщи, если не произойдет повышение влажности и нагрузки. В этом случае может произойти дополнительное уплотнение грунта в нижних слоях под действием его собственного веса. При нарушении природной структуры лессовых грунтов также происходят просадки грунта. Вышеуказанные свойства лессовых грунтов при строительстве железных и автомобильных дорог приводят к проблеме обеспечения стабильности земляного полотна, поэтому при проектировании конструкции необходимо уметь рассчитывать несущую способность насыпей, отсыпанных из лессовых грунтов, с учетом их физико-механических свойств.

Однако, для насыпей, отсыпанных из лессовидных супесей, в литературных источниках отсутствуют количественные данные о величине вибродинамического воздействия, передающегося основной площадке земляного полотна, его распространении и затухании по телу полотна и за его пределами. Кроме того, особого рассмотрения требует вопрос о решении задачи о несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовых грунтов, с учетом действия вибродинамической нагрузки, возникающей при движении поездов.

Цель работы. Разработка методики расчета несущей способности насыпей, отсыпанных из лессовидной супеси, с учетом характера распространения амплитуд колебаний в теле земляного полотна, действия инерционных сил и снижения прочностных свойств лессовидной супеси под влиянием вибродинамической нагрузки, возникающей при движении поездов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выявить зависимость и характер распространения колебаний в земляном полотне, отсыпанного из лессовидной супеси, и за его пределами.

2. Определить влияние вибродинамического воздействия на прочностные характеристики лессовидной супеси.

3. Скорректировать методику расчета несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, с учетом вибродинамического воздействия и снижения прочностных свойств грунтов.

Методика исследований. Полевые исследования выполнялись с целью выявления параметров колебательного процесса грунтов земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, характера его распространения, а также получения аналитической зависимости расчета амплитуд колебаний грунтов, возникающих при движении поездов.

На основе выявленного характера колебательного процесса производилось его моделирование в лабораторной установке для исследования прочностных характеристик лессовых супесей и их чувствительности к действию вибродинамической нагрузки.

Полученные результаты полевых и лабораторных исследований легли в основу корректировки методики определения несущей способности основной площадки земляного полотна, сооружаемого из лессовидных супесей.

Натурные эксперименты выполнялись на линии ТашгузарКумкурган Узбекской железной дороги в 2009 году. При разработке основных принципов предлагаемой методики использовались результаты в основном российских ученых в области исследования работы железнодорожного пути, а также исследования отечественных и зарубежных ученых в области свойств лессовых грунтов.

Значительная часть результатов получена на основе многовариантных расчетов на ЭВМ по оценке несущей способности земляного полотна, воспринимающего вибродинамическую нагрузку.

Научная новизна.

1. На основе полевых экспериментов впервые получена величина вибродинамического воздействия, возникающего при движении поездов, а также аналитическая зависимость распространения колебаний в земляном полотне, отсыпанного из лессовидной супеси.

2. На базе лабораторных исследований в количественном выражении впервые определена чувствительность лессовидных супесей к вибродинамическому воздействию.

3. Скорректирована методика расчета несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, с учетом действия вибродинамической нагрузки и снижения под ее влиянием прочностных характеристик грунта.

Практическая ценность работы. Практическую ценность представляют результаты исследований по определению уровня вибродинамического воздействия, передающегося грунтам земляного полотна, отсыпанного лессовидной супесью. Реализация полученных результатов позволяет использовать в проектных организациях разработанную методику расчета несущей способности земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, с учетом вибродинамического воздействия.

Реализация исследований. Результаты исследований нашли практическое применение в проектном институте «Узжелдорпроект» при проектировании строительства нового железнодорожного пути «ДаштабадДжизак». Годовой экономический эффект составил 495 500 долларов США.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на республиканской научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» посвященной 80-летию ТашИИТа (Ташкент, ТашИИТ, декабря 2011 год).

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 4 печатные работы, в том числе две статьи представлены в источниках, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем составляет 148 страниц машинописного текста, в том числе 129 страниц основного текста, 37 рисунков, 6 таблиц и 3 приложения.

Список литературы

включает 129 наименований работ.

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

Выполненные полевые, лабораторные и теоретические исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Колебания грунтов насыпей, отсыпанных лессовидными супесями, имеют сложный пространственный характер и при толщине балластного слоя 0,2 м под подошвой шпалы определяются высоким уровнем вибродинамического воздействия с амплитудой колебаний до 411 мкм на основной площадке земляного полотна при скорости грузового поезда 60 км/ч.

2. С ростом скорости грузовых поездов от 20 км/ч до 60 км/ч на основной площадке земляного полотна происходит рост результирующих амплитуд колебаний по прямопропорциональной зависимости с интенсивностью 20 мкм на каждые 10 км/ч увеличения скорости.

3. Получена аналитическая зависимость, описывающая распространение амплитуд смещений по телу насыпей, отсыпанных лессовидными супесями. Расчеты, выполненные с её применением, дают хорошую сходимость расчетных и экспериментальных данных. Максимальная погрешность составила 16%.

4. Максимальное снижение сцепления и угла внутреннего трения лессовидной супеси, залегающей в теле насыпи, под воздействием вибродинамических нагрузок регистрируется при значении показателя консистенции У/=0,43, т. е. при влажности 16−17% и составляет 28% для сцепления и 17% для угла внутреннего трения.

5. При действии вибродинамической нагрузки происходит снижение несущей способности основной площадки земляного полотна, отсыпанного лессовидной супесью. При скорости грузового поезда 60 км/ч несущая способность снизилась в 1,6 раза в вертикальной плоскости и в 1,4 раза в горизонтальной плоскости по сравнению со статической схемой расчета.

6. Увеличение толщины балласта с 0,2 м до 0,6 м приводит к прямопропорциональному росту несущей способности земляного полотна в вертикальной плоскости в 1,2 раза, в горизонтальной в 1,1 раза.

7. Наибольшее снижение несущей способности земляного полотна из лессовидных супесей наблюдается в диапазоне роста амплитуд смещений до 200 мкм. Предельные вертикальные напряжения уменьшаются на 30%, горизонтальные на 22%. Увеличение амплитуд колебаний от 200 мкм до 600 мкм дает снижение прочности на 13% и 12% соответственно.

8. С ростом удельного сцепления и ростом угла внутреннего трения несущая способность земляного полотна, отсыпанного из лессовидной супеси, увеличивается по прямопропорциональному закону. При увеличении удельного сцепления лессовидной супеси с 1,4 т/м2 до 2,6 т/м2 несущая способность основной площадки увеличивается в вертикальной плоскости в 1,6 раза, в горизонтальной плоскости в 1,5 раза. При увеличении угла внутреннего трения на 1 град, несущая способность основной площадки в вертикальной плоскости увеличиваться в 1,1 раза, в горизонтальной в 1,05 раза.

9. У положение откосов земляного полотна приводит к более существенному росту несущей способности в вертикальной плоскости, чем в горизонтальной. При изменении крутизны откоса от 1:1,5 до 1:2,5, прочность в вертикальной плоскости выросла в 1,3 раза, в горизонтальной в 1,2 раза.

10. Увеличение размера расчетной обочины приводит практически к прямопропорциональному росту несущей способности в обеих плоскостях. При увеличении ширины обочины от 0,5 м до 2 м несущая способность в подрельсовом сечении в вертикальной плоскости выросла в 1,2 раза. В горизонтальном направлении этот рост составил 1,1 раза.