Расчет несущей способности основной площадки эксплуатируемого земляного полотна по условию его надежности

Расчет несущей способности основной площадки

эксплуатируемого земляного полотна по условию его надежности

          1. Теоретические сведения

          Основой создания новой нормативной базы для основной площадки

земляного полотна является методика расчетного прогнозирования (предвидения) накопления ее остаточных деформаций в процессе эксплуатации. Такая методика предназначена для определения оптимальных вариантов конструкции пути и условий его эксплуатации.

          Применимость разрабатываемой методики ограничивается только первой фазой деформирования грунтов при их загружении, т.е. областью деформаций уплотнения грунтов с интегральным учетом годичных изменений их физико-механических свойств и сезонного разуплотнения (уплотнения) при пучении и оттаивании, а также микросдвигов вследствие неравномерной подбивки шпал (рис.1).

          Отрезок ОА кривой соответствует фазе уплотнения, отрезок АВ соответствует  фазе локального выпирания и сдвигов, а точка В – общей потере устойчивости.

          Р(s) – примерное распределение вероятности величины давления на основную площадку от воздействия вагонов (1) и локомотивов (2);

          Р(s_А) - примерное распределение вероятности  давления на основную площадку s_А, соответствующего границе первой и второй фаз.

          Эксплуатируемое земляное полотно, как правило, и работает в указанных условиях. В тех случаях, когда вероятность нагрузок на основную площадку, превышающих s_А, больше нуля, т.е., когда линии Р(s) и Р(s_А) пересекаются, необходимо проверять общую устойчивость земляного полотна или рассчитывать его подбалластную  часть на сдвиг и местное выпирание грунта.

          Для указанных целей используются специальные методики, суть которых состоит в сравнении максимально возможного сопротивления грунта сдвигу (fs + C) с действующим сдвигающим усилием t. Отношением указанных величин определяют безразмерный коэффициент стабильности х и сравнивают с допускаемой величиной [х]:

                                         ,                                                         (1)

где f – коэффиициент внутреннего трения, равный tg j;

      s - нормальное сжимающее напряжение, действующее по наиболее вероятной критической площадке сдвига;

      С – удельное сцепление, действующее по той же площадке;

      t - касательное напряжение, действующее по той же площадке.

          Значение х = 1 соответствует предельному равновесию грунта. Профессор Шахунянц Г.М. полагал, что нельзя допускать появления областей, где х, в том числе и замкнутых, так как в этом случае наступает местное выпирание грунтов с образованием трещин, в которые попадает влага, что способствует развитию поверхностей скольжения.

          Начавшись как местные, деформации затем могут увеличиваться, представляя серьезную угрозу нарушения общей стабильности массива [1].

          Кроме того, в грунте касательные напряжения t не могут быть больше

 fs ± C, а получение по формуле (1) коэффициентов х<1,0 дает в расчет как раз такие случаи.

          При расчетах по формуле (1) земляное полотно уподобляется телу, в котором разрушение (потеря устойчивости) наступает при разовом воздействии нагрузки, немного превышающей предельную по условию равновесия, но в которой не накапливается никаких повреждений (деформаций), если нагрузка немного меньше предельной даже при бесконечно большом количестве ее воздействий. Это не соответствует действительности.

2. Основные принципы нового метода расчета пути по условию его надежности

          Основные принципы метода расчета пути по условию его надежности (в том числе и новой методики расчета несущей способности основной площадки эксплуатируемого земляного полотна):

          1) грунты, слагающие эксплуатируемое земляное полотно, работают в первой фазе напряженно-деформированного состояния (см. рис.1), т.е. в фазе, когда отсутствует выпирание грунтов, но имеет место накопление деформаций вследствие уплотнения грунтов поездной нагрузкой и сезонные разуплотнения их вследствие трения, а также микросдвигов из-за неравномерной подбивки шпал. Суммарное давление на основную площадку от веса верхнего строения пути и воздействия колес подвижного состава не должно достигать давления, соответствующего границе первой и второй фазы напряженно-деформированного состояния грунтов;

          2) в отличие от элементов верхнего строения пути эксплуатируемое земляное полотно не теряет прочности, но в нем идет непрерывное накопление деформаций от вдавливания балласта в подрельсовых зонах. При этом величина деформаций, накапливаемых за какой-либо срок, зависит не только от величины, но и количества воздействий нагрузки, т.е. от грузонапряженности линии.

          Мерой несущей способности основной площадки является допускаемое давление на нее балласта от воздействий поездной нагрузки;

          3) критерием допускаемых давлений балласта на основную площадку от воздействия поездной нагрузки принимается допускаемая деформация основной площадки. Фактические деформации, накапливаемые за сравнительно длительный период эксплуатации (50-100 лет), не должны превышать допускаемую величину. Критерием допускаемой деформации основной площадки принимается минимально допустимый ее поперечный уклон, при котором еще не задерживается влага на поверхности земляного полотна. Указанный уклон не должен уменьшиться до нуля за сравнительно длительный период эксплуатации (50-100 лет).

          Известно, что действующие на основную площадку нагрузки и прочностные характеристики грунтов, слагающих основную площадку, являются статистическими величинами. В основу методики положен учет накопления остаточных деформаций основной площадки. Величина же накопленных остаточных деформаций не определяется в достаточной степени какой-либо одной нагрузкой, а характеризуется всей их совокупностью с учетом стохастичности и полимодальности распределения вероятностей, так как зависит от величины и количества воздействий нагрузки. Поэтому методика должна учитывать воздействие на основную площадку всех разновидностей подвижного состава по долям их участия в формировании общего грузооборота и основным статистикам распределения вероятностей нагрузки в каждой разновидности.

          3. Основные факторы, влияющие на интенсивность накопления деформаций основной площадки земляного полотна

          Основными факторами, характеризующими влияние конструкции подвижного состава, условий его обращения и конструкции пути на интенсивность накопления деформаций основной площадки земляного полотна, является удельное давление на нее (нормальные напряжения) и характер воздействия этого давления (вибрации). Установлено, что максимальные деформации основной площадки земляного полотна возникают в подрельсовой зоне полевой нити и существенно зависят от величины нормальных напряжений, вызываемых воздействием колес подвижного состава, и количества воздействий, т.е. пропущенного тоннажа (табл. 1, 2).