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.

      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.