УДК 625.1.03
И. А. БОНДАРЕНКО (ДИИТ)
МЕТОДИКА
РАСЧЕТА
ХАРАКТЕРИСТИК
СТАБИЛИЗИРУЮЩЕГО
СЛОЯ
Для розглядання питань із забезпечення умов міцності, стійкості та деформативності введено поняття стабілізуючого шару. Залежно від вимог з деформативності колії розроблені рекомендації щодо розрахунку параметрів стабілізуючого шару.
Для рассмотрения вопросов по обеспечению условий прочности, устойчивости и деформативности вве-дено понятие стабилизирующего слоя. В зависимости от требований по деформативности пути разработаны рекомендации по расчету параметров стабилизирующего слоя.
For the purpose of considering the issues of safeguarding the conditions of strength, stability and susceptibility to de-formations, there has been introduced a concept of stabilizing layer. Depending on the requirements to track susceptibil-ity to deformations, recommendations have been developed for calculating the parameters of stabilizing layer.
Под термином «стабилизирующий слой» будем понимать слой, укладываемый между элементами конструкции пути или слой, яв -ляющийсясоставной частьюодногоиз элемен -товконструкции пути, толщина которого долж -навыбиратьсявзависимостиотконкретныхха -рактеристик и назначения пути таким образом, чтобы обеспечивались требования прочности и деформативностипути.
Основныетребования, предъявляемыекста -билизирующему слою: хорошо распределять нагрузку, стабилизироватьвибрации, иметьвы -сокую несущую способность, не пропускать воду и быть устойчивым к промерзанию. Кон -струкциястабилизирующего слояопределяется геометрическим, физико-механическим и тех -нико-экономическим расчетами. Может состо -ять из одного или нескольких слоев. Крутизна откосов соответствует крутизне откосов, уста -новленной для данного материала согласно нормативным документам (СНиП ІІ-39-76, ТУМ 34, 31, 25 идр.).
Наоснованиимоделированияисследовалось влияниеразличных факторовна формирование деформативностижелезнодорожногопути [1; 2]. В качестве исследуемых факторов рассматри -валисьтипиэпюрашпал, типскреплений, род, толщинаисостояниебалласта, родисостояние грунта. Был составлен алгоритм исследований ивыбраныбазовыеконструкциипути. Всерас -четыпо исследованиювлияниятого или иного факторапроводилисьдля базовыхконструкций илиотносительноних.
При исследовании существенности влияния различных факторов на формирование дефор -мативности железнодорожного пути рассмат -ривались изменения прогибов и напряжений всехэлементовконструкциипути, атакжепри
-веденные массы и процентные соотношения прогибовэтихэлементов.
Врезультатеисследованиябылоустановлено, что основными факторами, влияющими на де -формативность пути, является род и состояние грунта. Влияниехарактеристикгрунтаибалласта насоотношениепрогибовэлементовдляпутина железобетонныхшпалахприведенынарис. 1, где
тр
E – модульдеформациигрунта, составляюще -го земляное полотно; Eб – модуль деформации щебня. Так, при неподготовленном земляном полотне доля прогибов земляного полотна со -ставляет 86…96 %, рельсошпальной решетки – 2…4 %, балластногослоя – 2…10 %. Априпод -готовленном земляном полотне доля прогибов земляного полотна составляет 52…60 %, рель -сошпальной решетки – 20…23 %, балластного слоя – 20…25 %.
Деформативность пути - возникновение уп -ругих деформацийвнагруженнойконструкции пути, вызванных как упругими изменениями формы или размеров элементов конструкции пути или их частей, так и обусловлены этими изменениями перемещения отдельных точек конструкции пути. Главным параметром де -формативности пути является модуль упруго -сти подрельсовогооснованияжелезнодорожно -го пути. В процессе теоретических исследова -ний была предложена качественная оценка де -формативностипути.
Еб, МПа Егр, МПа
10 20
30 40
60 80
300 50
60 70
80 90 100 50
55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
%
В процессе эксплуатации имеются участки пути, конструкция которых отличается от типо -вой конструкции. К этимучасткам можно отне -сти и конструкцию, составляющей которой, яв -ляется слой загрязненного балласта, образовав -шийся в результате проведенных ремонтов; и конструкцию пути усиленную геотекстильными материалами. Влюбом случае, наличие ещеод -ной составляющей конструкции пути влияет на формирование модуля упругости, а значит и на егонапряженно-деформированноесостояние.
На основе предложенной методики расчета модуляупругостиподрельсовогооснования [3], разработана методика расчета характеристик «стабилизирующего слоя» и произведен учет влияние этого слоя на формирование модуля упругости. Учитывая предложенную ранее ме -тодику определения значений модуля упруго -сти подрельсового основания пути в верти -кальнойплоскости [3], предлагаетсявформулы определения указанной величины ввести коэф -фициент τ3, учитывающий изменения модуля упругости подрельсового основания пути при наличиистабилизирующегослоя:
min 1 2 3
max 1 2 3
, . I II U U U U ⎫ = τ τ τ ⎪ ⎬
= τ τ τ ⎪⎭ (1)
Если стабилизирующий слой формируется из одного материала (E=const), то значения коэффициента τ3 берутся соответственно предлагаемым значениям τi/ в зависимости от его материала (Е), толщины (hслоя) и модуля деформацииземполотна (Eтр), накотороеопи -рается слой (рис. 2). Если стабилизирующий слой состоит из нескольких слоев, то коэффи -циент τ3 определяетсякак
/
3
1 i n
i τ = ∏ τ
= , (2)
где τi/ - коэффициенты, что учитывают изме -нение модуля упругости подрельсового осно -вания пути наличием каждого слоя и показы -ваютэффективностьегоиспользования; n - ко -личество слоев, что составляют стабилизи -рующийслой.
Главным параметром деформативности пу -ти является модуль упругости подрельсового основания (U). При рассмотрении причинно -следственной связи для оценки технического эффектанормированияжесткостипутиполуча -емследующийрезультат. Чемменьшезначения
модуля упругости, тем больше прогиб, а чем больше прогиб, тем больше амплитуды, что быстрее приводит к расстройству пути. Кроме этого, на определенной стадии возникает сле -дующаязависимость, чембольшемодульупру -гости, темжестчепуть, и темменеерентабель -нывложения на усиливающий слой. Такимоб -разом, возникает необходимость в нормирова -нии значений модуляупругости подрельсового основания железнодорожного пути. Сущность нормирования состоит в использовании допол -нительного качественного критерия по оценке работоспособности пути. Согласно предлагае -мой методике расчета [3] определяют мини -мальные или же максимальные показатели де -формативности пути. Сравнивают с фактиче -скими значениями ипринимаютрешение оне -обходимости мероприятий по изменению жесткостипути.
Используя строительные нормы, можно ус -тановить ограничение по величине модуля уп -ругости земполотна, то есть грунты, состав -ляющие его, должны иметь значение модуля деформации не ниже 20 МПа. При принятии этого условия, с учетом зависимости между силами, действующими на рельс, и его дефор -мациями, можно утверждать, что каждой кон -струкции пути будет отвечать свое минималь -но-допустимое значение модуля упругости подрельсового основания пути в вертикальной плоскости Uminдоп. Таким образом, каждой конструкции пути при влиянии нагрузки на рельс Р будут отвечать свои максимально -допустимые значения прогибов рельсов
maxдоп
y . Прогибы рельсов зависят как от де -формаций элементов конструкции, так и отна -личия люфтов между ними. Максимальный суммарный прогиб люфтов ymaxлюфт, устанав -ливаемыйдля каждой конструкциипути с уче -том геометрических норм и допусков состав -ных его элементов, может служить интеграль -ной оценкой содержания верхнего строения пути. А суммарный прогиб без люфтов может служить интегральной оценкой состояния зем -полотна. Таким образом, можно контролиро -ватьдеформативностьпути.
Дляпринятыхзабазовыеконструкцийпути, минимально-допустимые значения модулей упругости в вертикальной плоскости при
тр 20
Используя предложенную методику по оп -ределению модуля упругости подрельсового основанмя пути в вертикальной плоскости, можно определить ограничивающие значения модулей упругости UminI доп, UmaxIІ доп для дру -гих конструкций подставляя в (1) вместо,
min minдоп
U −U , авместо Umax−Umaxдоп. Значения максимальных прогибов рассчи -тываются
maxдоп 3
4
minдоп
64 P y
EIU
= . (3)
Оценивать деформативность пути можно следующимспособом:
1. Наопытномучасткепутиизмерятьста -тический прогибот нагрузки yизм (принагруз -ках 60…160 кН), прогиботналичиялюфтов yл (принагрузкахдо 40…50 кН). Определитьчис -тыйпрогиб y=yизм−yл.
2. Рассчитать минимально-допустимые значения модулей упругости подрельсового основания колеи Uminдоп и максимально -допустимые значения прогибов ymaxдоп и
maxлюфт
y дляданнойконструкции.
3. Сравнить допустимые и измеряемые величины:
а) по условию: ymaxдоп≥ y, UminI доп≤U (условие деформативности земполотна),
maxлюфт л
y ≥y (условие деформативности верх -него строенияпути) считать, чтопутьотвечает требованиямдеформативности;
б) по условию: ymaxдоп<y, UminI доп >U,
maxлюфт л
y <y считать, что путь не отвечает требованиям деформативности и принимать решение по повышению его жесткости: либо усилению земполотна, либо жесткости режима содержанияверхнегостроенияпути.
В процессе теоретических исследований на основании влияния модуля деформациигрунтов можно предложить длябазовых конструкцийна деревянныхижелезобетонных шпалахпоказате -лидеформативностипути, приведенныевтабли -це. Для других конструкций ограничивающие значения модулей упругости
minдоп I
U и
max доп
II
U рассчитываютпо (1). Ноокончательноерешение для принятия границ по критерию деформатив -ности нужно принимать после эксперименталь -ныхиспытаний, которые быучитывали нетоль -ковлияниегрунта, ноидругихэлементовконст -рукции пути, комфортность езды и количество отказовэлементовпути, целесообразностьирен -табельностьусиления.
Таблица
Качественнаяоценкадеформативностипутидлябазовыхконструкций
Длябазовойконструкциинадеревянныхшпалах Длябазовойконструкциинажелезобетонныхшпалах
Оценка Модульупругостиподре
-льсовогооснования, МПа Модульциигрунтадеформа, МПа- Модульсовогоупругостиоснованияподрель, МПа - Модульциигрунтадеформа, МПа -Отлично 38≤U <78 30≤Eгр <60 46≤U<71 50≤Eгр<120
Хорошо 21≤U<38 20≤Eгр<30 22≤U<46 20≤Eгр<50
11≤U<21 10≤Eгр<20 12≤U<22 10≤Eгр<20
Удовлетво-рительно
maxдоп 78
II
U ≥ Eгр ≥60
maxдоп
II 71
U ≥ Eгр ≥120
Неудовлет-ворительно minдоп 11
I U <
гр 10
E < UminI доп <12 Eгр<10
Кроме того, методика определения характе -ристикстабилизирующегослояприменимаипри обратнойзадаче, то есть при подборе конструк -ции иматериалов при проектировании стабили -зирующегослоядляизмененияжесткостипути: • при необходимости усиления жестко -стиконструкциипути
I I
minдоп minдоп
3 I
U U
U U
τ = = , (4)
где I minдоп
Рис. 2. Номограмма использования различных материалов для устройства стабилизирующих слоев Использование качественной оценки дефор
-мативности пути и методики расчета значений модуля упругости подрельсового основания по -зволяетвкаждомконкретномслучаевзависимо -сти от конструкции пути устанавливать рацио -нальный режим эксплуатации данного участка (скоростиобращениядлявагоновилокомотивов из условия непревышения допустимых и реко -мендуемых напряжений в элементах пути и ус -тановленного критерия деформативности пути); инаоборот, дает возможность длязаданных ус -ловийэксплуатацииопределятьоптимальнуюпо критерию деформативности конструкцию пути, проводитьрасчеты ипроектированиеразличных конструкций защитных слоев для повышения несущей способности основной площадки при разработке мероприятий по стабилизации или усилениюжелезнодорожногопути.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК 1. Данович В. Д. Влияние параметров грунта на
значения вертикального модуля упругости пути / В. Д. Данович, В. В. Рыбкин, А. М. Патласов, И. А. Бондаренко // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транс-порту імені академіка В. Лазаряна. – Д., 2003. – Вип. 2. – С. 151–154.
2. Рыбкин В. В. О корректировке правил расчетов железнодорожного пути на прочность / В. В. Рыбкин, И. А. Бондаренко // Вестник БелГУТа: Наука и транспорт, № 2 (9). – Гомель, 2004. – С. 42–44.
3. Бондаренко И. А. К вопросу определения моду-ля упругости пути в вертикальной плоскости. // Транспортні системи і технології, – К.: КУЕТТ, 2004. – Вип. 5, – С. 16–27.
