Несущая способность балласта в зоне рельсового стыка (глава дипломной работы)

6. Несущая способность балласта в зоне

рельсового стыка

6.1. Общие положения

      Несущая способность железнодорожного подшпального основания будет определяться совместной работой балластного слоя и земляного полотна. Наибольшие напряжения будут передаваться по подошве шпал балластному слою, а стабильность и надёжность работы рельсошпальной решётки будет определяться, прежде всего, прочностью балластного слоя и земляного полотна. Оценку прочности целесообразно производить о величине несущей способности балластного слоя с учётом ярко выраженной его работы при большом вибродинамическом воздействии. Именно балластный слой являет- ся тем конструктивным элементом, который в наибольшей степени перераба- тывает (рассеивает и поглощает) вибродинамическое воздействие. Балласт- ные материалы воспринимают значительные инерционные усилия, величины которых при движении поездов с осевыми нагрузками до 30т/ось ни экспери- ментально, ни теоретически не определялись. Кроме того, действие инерци- оных сил следует учитывать в вертикальной и горизонтальной плоскостях и при различных скоростях движения поездов.

      В общем случае определение несущей способности балластного слоя целесообразно производить методом решения плоской задачи теории пре- дельного равновесия с учётом действия инерционных сил, возникающих при колебании балластных материалов, а также с использованием закономерно- сти снижения удельного сцепления и угла внутреннего трения под влиянием вибродинамического воздействия, затухающего по глубине балласта и в горизонтальном направлении поперёк пути. В сущности формируется и решается задача теории предельного равновесия в динамической постановке, трудоёмкость реализации которой возрастает настолько, что обуславливается невозможность решения задачи без использования вычислительной техники.

      Под несущей способностью балластного слоя понимается наибольшая ве-

личина напряжений, воспринимаемых балластом, при которых он находится в предельном равновесии и при минимальном повышении этих напряжений происходит нарушение предельного состояния, образование поверхностей смещения в балласте и разрушение балластного слоя как конструктивного элемента железнодорожного пути.

6.2. Распространение ускорения в балластной

призме

      Рассматривать причину интенсивного накопления остаточных осадок пути на железобетонных шпалах из-за повышенного давления шпал на балласт недостаточно. Также необходимо учитывать вибрационный характер нагружения балластного слоя. Под действием вибрации снижается эффектив- ный (кажущийся) коэффициент внутреннего трения щебня. В результате этого облегчается уплотнение балласта (переупаковка щебня), а также выпи- рание его в сторону шпальных ящиков и откоса балластной призмы, что и приводит к быстрому накоплению остаточных осадок.

      Наибольшие вибрации возникают на пути с железобетонными шпалами. Степень вибрационного воздействия на балласт принято оценивать по вибра- ционным ускорениям частиц балласта.

      Известно, что наибольшее динамическое воздействие на балластный слой возникает при прохождении колёс по неровности на пути, через рельсовый стык, а также при движении колёс имеющих неровности на поверхности ка- тания. Кроме того, величина зазора в стыке существенно сказывается на уровне вибрационного воздействия в балласте.

      Рост ускорений в балласте отмечается с увеличением скорости движения поездов (рис. 6.1). На графиках рис. 6.1 можно также отметить влияние не- ровности на рельсе на величину ускорений. Возрастание ускорений происхо- дит примерно прямо пропорционально уклону неровности. При наличии не- ровности ускорение в вертикальной плоскости на пути с железобетонными шпалами  больше, чем  при “ровном” пути. Кроме  того,  на  пути с железобе-

тонными шпалами ускорение больше, чем на пути с деревянными шпалами.

Рис. 6.1 Зависимость ускорений в балласте в шпальном ящике на уровне

                              подошвы от скорости поезда вне стыка: 1 - дер. шпалы, “ровный”

                              рельс; 2 – ж.б. шпалы, “ровный” рельс; 3 – ж.б. шпалы, неровность

                              на рельсе.

      Рост скорости движения приводит к прямо пропорциональному росту виброускорений в балласте. При наличии неровности длиной 50мм и глуби- ной 1мм величины виброускорений в балласте увеличивается в 1,76 раза по сравнению с “ровным” рельсом.

      На уровень вертикальных ускорений в балласте по нижней постели шпал в шпальном ящике влияет величина стыкового зазора. Увеличение зазора в стыке приводит к росту ускорений (рис. 6.2). При увеличении зазора от 0 до 10мм ускорение балласта увеличивается на 13%, при зазоре от 0 до 25мм – на 20%, при зазоре от 0 до 30мм – на 50%.

Рис. 6.2 Изменение ускорений в балласте в стыковом шпальном ящике в зависимости

                   от величины зазора в стыке при скоростях поезда 70км/ч (1) и 40км/ч (2).

      На условия возникновения динамических сил, действующих на элементы пути в зоне стыка, значительное влияние оказывает затяжка стыковых бол- тов. Так при зазоре 13мм на пути с деревянными шпалами, осевой нагрузке 23т/ось и скорости 90км/ч после ослабления затяжки стыковых болтов значе- ние виброускорений в балласте в вертикальной плоскости увеличиваются на 32% с 3,0g до 4,4g. Аналогичные результаты были получены в экспериментах с осевыми нагрузками 20,5т/ось (30%) и 25т/ось (35%).

      Изменение величин вертикальных ускорений в зоне стыка с увеличением скорости происходит по нелинейному закону, по сравнению с зоной вне сты- ка. В стыковом сечении на пути с железобетонными шпалами и зазоре 21мм под вагонами с осевой нагрузкой 23т/ось при увеличении скорости от 60 до 80км/ч ускорения возросли в 1,13 раза, а при росте скорости от 80 до 90км/ч ускорения возросли в 1,3 раза.

      Величины вертикальных виброускорений в балласте зависят также от ве- личины осевой нагрузки. В таблице 6.1 приведены сравнительные данные по изменению уровня вибрационного воздействия на балласт.

Таблица 6.1.

Величины ускорений в балласте в зависимости от осевой нагрузки

 при стыковом зазоре 21мм.

Скорость дви- жения, км/ч	Осевая нагрузка, т/ось	Ср. значения ускорения балласта, g
		Отдающий конец рельса	Принимающий конец рельса
Деревянные шпалы
60	20,5 23,0 25,0	1,61 1,84 2,10	1,72 1,93 2,12
90	20,5 23,0 25,0	4,10 4,40 5,10	4,50 5,00 5,74
Железобетонные шпалы
60	20,5 23,0 25,0	3,68 4,40 5,20	4,00 4,46 5,46
90	20,5 23,0 25,0	4,59 4,82 4,94	5,60 5,76 6,20

      Анализ данных таблицы 6.1 свидетельствует, что с ростом осевой нагруз- ки от 20,5т/ось до 25т/ось вертикальные ускорения увеличиваются при дере- вянных шпалах от 23 до 30%, а при железобетонных шпалах от 36 до 42%, за исключением экспериментов при скорости 90км/ч при железобетонных шпалах. Независимо от типа шпал с ростом скоростей движения поездов происходит увеличение ускорений.