Обеспечение работоспособности железнодорожных насыпей на участках обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками

Эффективное функционирование и развитие железнодорожного транспорта, составляющего основу транспортной системы страны, играет исключительную роль в создании условий для перехода на инновационный путь развития, устойчивого роста национальной экономики, обеспечения лидерства Российской Федерации в изменяющейся мировой экономической системе [1].

При прогнозируемых темпах социально-экономического развития и намечаемых структурных преобразованиях грузооборот железнодорожного транспорта в 2015 году возрастет по сравнению с 2007 годом на 28,2 процента, а пассажирооборот во всех видах сообщения увеличится на 8 процентов [1].

Для обеспечения устойчивой и эффективной работы железнодорожного транспорта и повышения его безопасности, удовлетворения растущих потребностей населения и экономики страны в перевозках требуется проведение ряда мероприятий:

— строительство приоритетных новых железнодорожных линий;

— модернизация и увеличение пропускной способности существующих железнодорожных линий;

— обновление подвижного состава;

— проведение мероприятий по обеспечению безопасности на железнодорожном транспорте.

Мероприятиями, направленными на модернизацию постоянных устройств и сооружений железных дорог, предусматривается увеличение массы и длины грузовых поездов, скоростей их движения, реконструкция и строительство новых инженерных сооружений и др. В первую очередь, реализацию указанных мероприятий предполагается осуществить на магистральных направлениях, где выполняется примерно 70 процентов грузооборота железнодорожного транспорта.

Увеличение весовых норм поездов, в ряде случаев приводящих к увеличению осевых нагрузок вагонов, является одним из приоритетных мероприятий, позволяющих обеспечить возрастающие объемы перевозок грузов и повысить эффективность работы железных дорог в современных условиях.

Перспективный полигон обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками включает такие направления, как Кузбасс — Северо-Запад, Курган — Волгоград — порты Азово-Черноморского бассейна и Екатеринбурга, Москва — Смоленск (Большое Московское окружное кольцо). Обращение поездов с повышенными осевыми нагрузками предусматривается также на направлении ТайшетТында — Комсомольск-на-Амуре — Советская Гавань, на восточной части Транссибирской магистрали и других участках сети железных дорог.

Направление и участки железных дорог, включенные в перспективный полигон обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками, играют важную роль в осуществлении перевозок грузов по сети железных дорог Российской Федерации. В перспективе их значение еще более возрастет, что будет связано как с увеличением перевозок экспортных грузов в направлении портов Северо-Западного и Южного регионов, так и с ростом внутренних перевозок, в частности перевозок угля для обеспечения потребностей энергетики Урала и центра страны. Ожидается, что доля общего грузооборота, осваиваемого на указанных направлениях, возрастет к 2015 году до 40−45 процентов.

В работе под поездами с повышенными осевыми нагрузками понимаются поезда с осевой нагрузкой более 23 тс/ось. Тем самым в работе были приняты следующие величины осевых нагрузок вагонов: 23 тс/осьобычные условия- 25 тс/ось — новые вагоны- 27 тс/ось — новые вагоны специализированные- 30 тс/ось — осевая нагрузка вагонов на перспективу.

Однако, при указанных преимуществах обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками есть и недостатки. При увеличении массы поездов и повышении осевой нагрузки возникают деформации земляного полотна, что подтверждено исследованиями в этой области [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8].

Опыт эксплуатации поездов с повышенными осевыми нагрузками показал, что земляное полотно подвержено образованию дефектов и деформаций в зоне основной площадки и откосов.

Существующие методики не в полной мере позволяют комплексно оценивать состояние насыпей, подверженных воздействию поездов с повышенными осевыми нагрузками, и требуются исследования для их совершенствования.

В связи с этим актуальным становится разработка методики оценки и обеспечения работоспособности земляного полотна железных дорог на участках обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками. Данная методика должна включать оценку несущей способности насыпи (с учетом влияния откоса) и устойчивости откосов.

При этом под термином «работоспособность» будем понимать состояние объекта, при котором значения параметров (несущей способности основной площадки и устойчивости откоса насыпи), характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) проектной документации [9]. В данном случае к этим параметрам будем относить недопущение развития или возникновения деформаций (потери несущей способности основной площадки или устойчивости откосов насыпи), в частности на участках обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками.

Цель работы.

Целью данной диссертационной работы является разработка методики оценки и способов обеспечения работоспособности земляного полотна железных дорог на участках обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками.

1. Выявлена особенность и закономерность влияния поездов с повышенными осевыми нагрузками на земляное полотно;

2. Разработана методика оценки работоспособности насыпей на участках эксплуатации поездов с повышенными осевыми нагрузками;

3. Проведены экспериментальные исследования разработанной методики;

4. По разработанной методике:

— получены типичные характеристики насыпей по геометрии и сложению грунтами для участков обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками на полигоне Московской железной дороги;

— установлена сфера применения групповых решений насыпей из глинистых грунтов на новых линиях при повышенных осевых нагрузках;

— определена характеристика эксплуатируемых насыпей, требующих усиления при введении движения поездов с повышенными осевыми нагрузками, как по условию несущей способности, так и по условию устойчивости;

— получена зависимость снижения максимальных напряжений на основной площадке земляного полотна от осевой жесткости георешеток при усилении одним и двумя слоями геосинтетика.

Методика исследований.

Для решения поставленных задач выполнялись экспериментально-теоретические исследования.

Для анализа свойств грунтов на исследуемом участке, использовалась база данных по грунтам, сформированная в МГУПС (МИИТ). При лабораторных испытаниях грунтов, применялся измерительно-вычислительный комплекс АСИС.

Экспериментальные исследования методики работоспособности насыпи проводились методом физического моделирования на центробежной установке МГУПС (МИИТ).

Для оценки работоспособности насыпи по несущей способности, использовался метод предельного равновесия, а также метод конечных элементов с применением комплекса Р1ах1з.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных научных результатов подтверждается выполненными экспериментами на центрифуге и численным моделированием по сертифицированной программе.

Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в следующих основных результатах:

1. Разработана методика оценки работоспособности насыпей на участках обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками;

2. Для условий участков обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками на полигоне Московской железной дороги получены типичные характеристики насыпей по геометрии и сложению грунтами;

3. Определена сфера применения групповых решений насыпей из глинистых грунтов на новых линиях при повышенных осевых нагрузках и найдены характеристики эксплуатируемых насыпей, требующих усиления при введении движения поездов с повышенными осевыми нагрузками как по условию несущей способности, так и по условию устойчивости;

4. Получены зависимости снижения максимальных напряжений на основной площадке земляного полотна от осевой жесткости георешеток при усилении одним и двумя слоями геосинтетика.

Практическая ценность работы.

Заключается в применении разработанной методики для проектирования земляного полотна в условиях обращения поездов с повышенными нагрузками как новых линий, так и участков существующих линий, а также оценке состояния эксплуатируемых насыпей при введении обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками.

Важными для практики являются результаты исследования работоспособности насыпей из глинистых грунтов в зависимости от осевой нагрузки, их геометрических параметров и состояния грунтов.

Использовании рекомендаций по выбору осевой жесткости и количества слоев георешеток для усиления основной площадки насыпей на полигоне Московской железной дороги (Вековка — Бекасово — Смоленск) и варианта повышения устойчивости откосов насыпей за счет применения отсева щебня сухой магнитной сепарации.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Путь и путевое хозяйство» МИИТа (20 072 012гг.) — на научно-практической конференции Неделя науки-2008 «Наука МИИТа — ТРАНСПОРТУ» (Москва, МИИТ, 2008 г.) — на V ежегодной научно-практической конференции молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве — 2009» (Москва, ОАО «ПНИИИС, 2009 г.) — на Международной научно-технической конференции «Проблемы механики наземного транспорта» (Днепропетровск, ДИИТ, 2009 г.) — на V и VII научно-технической конференции «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» (Москва, МИИТ, 2008, 2010 гг.) — на 7-ой Международной конференции по физическому моделированию в геотехнике 2010 (Швейцария, Цюрих, ETH Campus Science City, 2010 г.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Стратегия развития железнодорожного транспорта предполагает увеличение грузооборота перевозимых грузов на 40−45% на ряде направлений к 2015 году. В частности на Московской железной дороге активно развивается обращение поездов с повышенными осевыми нагрузками на участке Вековка — Бекасово — Смоленск (Большого Московского окружного кольца).

Опыт прошлых лет показал, что на участках обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками земляное полотно подвержено образованию дефектов и деформаций в зоне основной площадки и откосов.

1. В связи с этим была разработана методика оценки работоспособности насыпи, совместно учитывающая условия несущей способности и устойчивости, с последующим обоснованием выбора параметров новых насыпей или технического решения для усиления существующих насыпей на участках обращения поездов с повышенными осевыми нагрузками.

2. На основании разработанной методики, была проведена оценка работоспособности насыпей подверженных деформациям на полигоне Московской железной дороги (Вековка — Бекасово — Смоленск). Анализ результатов полученных данных показал, что при эксплуатации вагонов с осевыми нагрузками более 25 тс/ось произойдет увеличение интенсивности деформирования земляного полотна, связанного как с несущей способностью основной площадки, так и устойчивостью откосов насыпей.

3. Определена сфера применения групповых решений при проектировании насыпи высотой более 5 метров из глинистых грунтов тугопластичной консистенции для участков эксплуатации поездов с повышенными осевыми нагрузками, где следует ограничить применение групповых решений при проектировании насыпи — следует применять индивидуальное проектирование.

4. Получены зависимости снижения максимальных напряжений на основной площадке земляного полотна от осевой жесткости георешеток при усилении одним и двумя слоями геосинтетика. Снижение напряжений достигается от 22% до 33%.

5. Разработаны рекомендации по выбору осевой жесткости и количества слоев георешеток для усиления основной площадки насыпей на полигоне Московской железной дороги (Вековка — Бекасово — Смоленск) и варианта повышения устойчивости откосов насыпей за счет применения отсева щебня сухой магнитной сепарации.