Научное обоснование требований к подплитному основанию монолитного безбалластного пути, обеспечивающих трещиностойкость несущей плиты под поездной нагрузкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.06, кандидат наук Сидоренко, Александр Андреевич

• Сидоренко, Александр Андреевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Сидоренко, Александр Андреевич

Оглавление

Введение

1. Состояние вопроса исследования

1.1. Монолитная конструкция верхнего строения пути RHEDA 2000

1.2. Опыт применения безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000

1.3. Требования к конструкции рабочей зоны земляного полотна на участках с безбалластной конструкцией верхнего строения пути

1.4. Особенности работы подплитного основания при различных конструкциях верхнего строения пути

1.5. Выводы по главе 1

1.6. Цель и задачи исследования

2. Натурные исследования напряженно - деформированного состояния несущей бетонной плиты и подплитного основания при действии

поездной нагрузки

2.1. Характеристика экспериментального участка

2.2. Методика проведения экспериментов

2.2.1. Аппаратура и приборы для полевых исследований

2.2.2. Технология проведения эксперимента

2.2.3. Обработка полученных данных

2.3. Исследование распределения вертикальных напряжений в земляном полотне при безбалластной конструкции верхнего строения

пути RHEDA 2000

2.4. Исследование напряженно - деформированного состояния несущей бетонной плиты при безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000

2.4.1. Распределение продольных напряжений на поверхности

несущей бетонной плиты

2.4.2. Распределение поперечных напряжений на поверхности

несущей бетонной плиты

2.4.3. Распределение вертикальных деформаций поверхности

несущей бетонной плиты

2.5. Выводы по главе 2

3. Моделирование работы безбалластной конструкции верхнего

строения пути под поездной нагрузкой

3.1. Общие положения

3.2. Обоснование глубины рабочей зоны

3.3. Теоретические основы определения деформированного

состояния несущей бетонной плиты

3.4. Теоретические основы определения напряженного состояния несущей бетонной плиты

3.5. Сопоставление теоретических расчетов напряженно — деформированного состояния несущей бетонной плиты с опытными данными

3.6. Выводы по главе 3

4. Обоснование требований к подплитному основанию при монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути

4.1. Общие положения

4.2. Изучение влияния различных факторов на напряженное состояние несущей плиты при монолитной безбалластной

конструкции верхнего строения пути

4.2.1. Влияние модуля упругости подплитного основания на напряженное состояние несущей плиты

4.2.2. Исследование напряженного состояния несущей бетонной

плиты в зависимости от подплитного основания

4.3. Обоснование конструкции подплитного основания при монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути

4.4. Выводы по главе 4

Основные выводы по работе

Библиографический список

Список иллюстративного материала

Приложение А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научное обоснование требований к подплитному основанию монолитного безбалластного пути, обеспечивающих трещиностойкость несущей плиты под поездной нагрузкой»

Введение.

Актуальность темы диссертации и степень ее разработанности.

Железнодорожное сообщение в нашей стране на сегодняшний день было и остается важнейшей и самой крупной составляющей транспортной системы. В перспективе роль железнодорожного транспорта не изменится, и он будет оставаться основным видом сообщения, обеспечивающим массовые грузовые и пассажирские перевозки.

Необходимость создания скоростного транспорта была осознана руководством страны более 30 лет назад. Понимая естественные ограничения авиаперевозок, акцент был сделан на железнодорожный транспорт.

Мировой опыт [1,2,3,4,5,6] показывает экономическую эффективность создания железнодорожных линий с высокоскоростным движением пассажирского транспорта. Развитием таких линий занимаются в странах как: Германия, Япония, Китай, Франция, Италия, Швецария и другие. Общая протяженность высокоскоростных линий этих стран достигает десятки тысяч километров [3,5]. В России существует 2 скоростные линии: Санкт - Петербург - Хельсинки, на которой реализуется скорость до 200 км/ч, а так же линия Москва - Санкт - Петербург, где скорость достигает 250 км/ч.

Для увеличения мобильности населения и создания большого количества новых рабочих мест в России запланировано строительство высокоскоростной железнодорожной магистрали «Москва — Казань - Екатеринбург» [7]. Проект предполагает обеспечение высочайшего уровня надежности и безопасности обеспечения перевозок, создание необходимого комфорта для пассажиров. Решение указанных задач возможно только на основе использования самых современных технологий, в частности использование безбалластных конструкций верхнего строения пути, которые положительно зарекомендовали себя по всему миру [1,2,3,4,5].

На сегодняшний день в России сертифицированными конструкциями безбалластного верхнего строения пути являются монолитные конструкции 11НЕОА2000 и ЬУТ. Конструкция ЯНЕОА2000 в опытном порядке была уложена на

магистральной линии Санкт-Петербург - Москва, перегон Саблино-Тосно, II главный путь от ПК 450+00 до ПК 460+00. Трехлетный опыт подконтрольной эксплуатации показали, что путь имеет стабильные эксплуатационные показатели по ширине колеи, подуклонке рельсов и по уровню [9,10,11]. Однако, в тоже время были выявлены проблемы связанные с ее эксплуатацией, в частности появление на поверхности несущей бетонной плиты многочисленных силовых трещин. Беспокойство вызывает наличие поперечных трещин, развивающихся от углов полушпал к центру плиты и к её торцу. Развитие этих трещин приводит к обнажению арматурного каркаса, его коррозии, что уменьшает срок службы конструкции, и как следствие повышает его затраты на эксплуатацию в течение жизненного цикла. Изначально трещины появлялись на участках земляного полотна, в основании которого залегали грунты с пониженными деформативными характеристиками. При движении подвижного состава данные грунты приводили к образованию повышенных растягивающих напряжений на поверхности несущей бетонной плиты, которые превосходили предел прочности бетона при растяжении [8]. Таким образом, безбалластные конструкции типа КНЕБА2000 должны укладываться с учетом деформативных свойств подплитного основания и проектироваться в том числе по условию образования трещин на поверхности несущей бетонной плиты.

Существующие работы Коншина Г.Г [12, 13], Шахунянца Г.М. [14] и Власова В.З. [15] и другие, в области исследования плитных конструкций верхнего строения пути не раскрывают причину трещинообразования и не позволяют оценить напряженно - деформативное состояние несущей бетонной конструкции в зависимости от конструкции подплитного основания с учетом действия динамической поездной нагрузки. Все ранее выполненные работы [12,13,14] описывают плитные конструкции верхнего строения пути, которые укладывались на балласт. При безбалластных конструкциях таких исследований на текущий момент в нашей стране не проводилось. Так же в существующей нормативной документации отсутствуют методики расчета монолитных безбалластных конструкций и не предъявляются требования к подплитному основанию.

Таким образом, на сегодняшний день существует объективная необходимость в комплексном решении задачи о причине трещинообразования в несущей бетонной плите при безбалластной конструкции верхнего строения пути, а так же обоснование требований к подплитному основанию для данной конструкции, из условия образования трещин на поверхности несущей бетонной плиты.

Цель работы.

Обоснование требований к подплитному основанию при безбалластной монолитной конструкции верхнего строения пути с учетом действия поездной динамической нагрузки по условию образования трещин на поверхности несущей бетонной плиты.

В свете данной проблемы, в диссертации поставлены и решены следующие

задачи:

1. Выявлены зависимости и характер распространения вертикальных напряжений в теле земляного полотна при монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути.

2. Определены границы рабочей зоны подплитного основания при монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути.

3. Исследовано напряженно - деформированного состояния несущей бетонной плиты конструкции RHEDA 2000 с учетом поездной нагрузки.

4. Разработана теория и методика расчета несущей бетонной плиты по условию образования трещин на поверхности несущей бетонной плиты при монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути с учетом действия поездной нагрузки.

5. Обоснованы требования к подплитному основанию монолитного безбалластного пути, обеспечивающие трещиностойкость несущей плиты под поездной нагрузкой.

Методология и методы исследования.

Для решения поставленных задач были выполнены натурные эксперименты и теоретические исследования. Натурные эксперименты выполнялись на магистрали Санкт-Петербург - Москва, перегон Саблино-Тосно, II главный путь ПК 455+00 и

на экспериментальном кольце ВНИИЖТ в г. Щербинка Московской области на опытных участках укладки монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000. При разработке предлагаемой методики использовались результаты исследований российских и зарубежных ученых в области механики грунтов, проектирования земляного полотна железных и автомобильных дорог, а так же многолетний опыт использования безбалластных конструкций верхнего строения пути в разных странах. Разработана программа для ЭВМ для расчета продольных растягивающих напряжений на поверхности несущей бетонной плиты. В работе выполнены многовариантные расчеты с использованием ЭВМ по оценке влияния грунтов подплитного основания на напряженно -деформированное состояние несущей бетонной плиты при монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути под поездной нагрузкой.

Положения, выносимые на защиту.

1. Аналитические зависимости распространения вертикальных напряжений в подплитном основании при монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути при движении подвижного состава;

2. Аналитические зависимости напряженно - деформированного состояния несущей бетонной плиты при монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути с учетом действия поездной динамической нагрузки;

3. Теория и методика расчета несущей бетонной плиты из условия трещинообразования при монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути под поездной нагрузкой.

Научная новизна.

1. Впервые получены аналитические зависимости, описывающие затухание вертикальных напряжений по глубине подплитного основания при монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути;

2. Впервые выявлена глубина рабочей зоны подплитного основания при монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути при движении подвижного состава;

3. На основе экспериментальных исследований впервые выявлено напряженно - деформированное состояние несущей бетонной плиты в зависимости от типа обращающегося подвижного состава и скорости его движения на участков с монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути;

4. Разработана математическая модель расчета напряженно — деформированного состояния несущей бетонной плиты, учитывающая деформативные характеристики грунтов подплитного основания и параметры обращающегося подвижного состава для участков с безбалластной конструкцией верхнего строения пути.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных результатов работы подтверждается корректностью математических выводов, а так же хорошей сходимостью результатов замеров напряжённо — деформированного состояния несущей бетонной плиты с данными теоретических расчетов, выполненных по разработанной математической модели.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработанная методика расчёта напряженно — деформированного состояния поверхности несущей бетонной при монолитной безбалластной конструкции верхнего строения пути с учетом действия поездной нагрузки. Разработанная методика расчета позволяет проектным организациям при проектировании конструкции подплитного основания определять трещиностойкость несущей плиты при действии поездной нагрузки.

2. Научно - обоснованные требования к конструкции подплитного основания на участках укладки монолитного безбалластного верхнего строения пути, обеспечивающие трещиностойкость несущей плиты под поездной нагрузкой.

Реализация исследований.

Результаты исследований нашли практическое применение при разработке специальных технических условияй «Земляное полотно участка Москва — Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва — Казань — Екатеринбург. Технические нормы и требования к проектированию и строительству».

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы были доложены на следующих конференциях:

1. III международная научно-технической конференции: Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов, СПб: ПГУПС, 2013.

2. Х-й научно-технической конференции с международным участием: Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути, Москва, МИИТ, 2013.

J _

3. The 3 International Conference on Railway Engineering: Construction and Maintenance of Railway Infrastructure in Complex Environment (ICRE2014), Beijing, China, August, 2-3, 2014.

Публикации.

Основные положения диссертации достаточно полно изложены в 5 научных статьях, в том числе 2 работы в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации. Получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014615600 «Оценка напряженно — деформированного состояния плитной конструкции верхнего строения железнодорожного пути».

Публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации:

1) А.Ф. Колос, Т.М. Петрова, A.A. Сидоренко «Проблемы эксплуатации безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000 на железнодорожной магистрали». Вестник института проблем естественных монополий: Техника железных дорог. Москва. - 2013. - № 2. - С. 42-47.

2) А.Ф. Колос, A.A. Сидоренко, C.B. Соловьев «Особенности напряженного состояния грунтов подплитного основания при безбалластной конструкции верхнего строения пути». Инженерный вестник Дона. — 2014. - № 2.

Публикации в изданиях, которые не входят в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации:

1) А.Ф. Колос, A.A. Сидоренко, A.B. Щукин «Определение глубины активной зоны при расчете деформаций безбалластной конструкции RHEDA 2000». Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути : материалы Х-й научно-технической конференции с международным участием (чтения, посвященные 190-летию проф. Г.М.Шахунянца) / М.: МИИТ, 2013.

2) А.Ф. Колос, A.A. Сидоренко «Напряженное состояние грунтов земляного полотна при безбалластной конструкции верхнего строения пути». Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов: материалы III международной научно-технической конференции / СПб: ПГУПС, 2013. - С. 117-120.

3) А.Ф. Колос, A.A. Сидоренко «Затухание вертикальных напряжений в подрельсовой зоне при безбалластной конструкции верхнего строения железнодорожного пути». Сборник научных трудов SWorld : по материалам Международной научно-практической Интернет-конференции "Современные направления теоретических и прикладных исследований'2014" / . - Одесса, Украина : КУПРИЕНКО, 2014. - Вып. 1, Т. 2 : Транспорт.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 143 страницы машинописного текста, в том числе 127 страницы основного текста, 66 рисунков, 22 таблиц. Список литературы включает 70 работ российских и зарубежных авторов.

1. Состояние вопроса исследования

1.1. Монолитная конструкция верхнего строения пути RHEDA 2000

Надежность железнодорожного пути определяется сохранением его геометрических характеристик в течение длительного периода времени. От этого зависят работоспособность системы колесо — рельс и эффективность использования железнодорожной инфраструктуры. Важнейшая роль в обеспечении безотказной работы пути принадлежит подшпальному основанию. На направлениях, где реализуются высокие скорости или осевые нагрузки подвижного состава, путь на балласте подвергается интенсивному вибродинамическому воздействию. Возникающая повышенная динамика приводит к снижению прочности отдельных элементов пути, в частности, щебеночного балласта и основной площадки земляного полотна. Важным фактором в этой ситуации является наличие требуемых запасов несущей способности последних. При существующих конструкциях верхнего строения пути и земляного полотна такой резерв (запас) не всегда присутствует. Таким образом, повышение эксплуатационной нагрузки на путь за счет роста скоростей движения (в том числе до 250-400 км/ч), повышения осевой и погонной нагрузки приведет к повышению уровня деформативности железнодорожного пути. Как следствие этого процесса уменьшается межремонтный цикл для поддержания пути в надлежащем состоянии. Этим объясняется многочисленность попыток за рубежом, а также в бывшем СССР использования новых конструкций пути. Многое сделано, в частности, в области пути на плитном основании.

Фундаментальные требования к конструкции пути экономичной в течение всего срока службы, формулируются достаточно просто: устойчивость, безопасность и сохранение геометрических параметров в течение длительного времени. В отношении последнего аспекта путь на плитном основании по данным зарубежных ученых и специалистов выгодно отличается от пути на балласте, поскольку он намного дольше сохраняет стабильное положение [1,2,3,4,16,17,18,19,20]. Особенно в этом направлении отличаются железные

дороги Германии, где применение безбалластных монолитных конструкций пути началось с начала 70-х годов прошлого столетия и продолжается до настоящего момента. Лидирующие позиции здесь занимает компания RAIL.ONE [5,17,21].

RAIL. ONE является одним из ведущих производителей бетонных шпал в Европе, поставляет инновационные путевые системы для дальнего и местного сообщения по Германии и всему миру. Наряду с обширным спектром различных шпальных систем для различного применения, компания RAIL.ONE особенно успешна на мировом рынке благодаря своей технологии производства монолитных путевых систем на базе системы RHEDA 2000.

Конструкция RHEDA 2000 развивалась на протяжении десятилетий. На рисунке 1.1 представлено развитие конструкции верхнего строения безбалластной конструкции RHEDA 2000.

Шпала из предварительно напряжённого бетона

Бетон для выравнивания и заполнения

Бетон с пенополистиролом (теплоизолирующий и несущий слой)

а)

б)

в)

г)

""С

Рельс 60 Е1 крепление рельсов по системе \ZossJoh 300

Номинальная ширина колеи 143£ мм

^Верхняя кромка рельса - ± 0.00

Бетонная плита сплошного армирования

2600

£

В 301

_vВерхняя кромка рельса - ± 0.00

Гидравлически связанный несущий слои

Г

В 356 TS

^Верхн

^ии^лои^

ЁГ

Гидравлически связанный несущий слой

■ -650

кромка рельса - ± 0.00

-650

д) С

_ В 355 TS-M (решётчатая балка) __^Верхнм

— ^ --L гь

^ет^нный^е ^хи^ло^

Гидравлически связанный несущий слой

2328

В 355 М (решетчатая балка) »-

рВерхн;

3 и '

кромка рельса - ± 0.00

7

кромка рельса - 1 0.00

-473

Гидравлически связанный несущий слой

2650-3200

3400 - 3800

Рисунок 1.1- Этапы разработки конструкций RHEDA: а - RHEDA Classic; б - RHEDA Zengeberg; в - RHEDA-B erlin HGV VI; г - RHEDA-Berlin HGV V3; д - RHEDA 2000.

Первая конструкция безбалластного пути, RHEDA Classic, была уложена в 1972 г. на линии Билефельд - Хамм на станции Реда. На данном участке использовалась конструкция (рисунок 1.1а, рисунок 1.2), состоящая из четырех монолитных слоев бетона и железобетонных шпал.

Рисунок 1.2 - Конструкция RHEDA Classic.

В основании конструкции лежал несущий теплоизоляционный слой, поверх которого укладывалась монолитная железобетонная плита. После её твердения по слою бетонной подготовки укладывались железобетонные шпалы, которые заливались бетоном. Данная конструкция отличалась достаточной трудоемкостью

по сравнению с традиционным путем на балласте с железобетонными шпалами, а также требовала большого количества времени на укладку. Следующим этапом развития конструкции стало заключение железобетонных шпал в бетонный лоток, который заливался монолитным бетоном (рисунок 1.1 б, рисунок 1.3). Данная конструкция была уложена в 1988 году на участке Ганновер - Берлин.

Рисунок 1.3 - Конструкция RHEDA Zengeberg.

Исследователем ЬесЪпег В. [6] отмечалось, что из-за малого расстояния между верхом лотка и низом шпалы оставалось воздушное пространство, которое приводило к образованию концентраций напряжений и как следствие трещин в лотке. Для того чтобы исключить появления пустот, между лотком и шпалой вместо шпал стали укладывать специальные заготовленные полушпалы (рисунок 1.1 в-г, рисунок 1.4). Как следствие, уменьшилось количество готовых железобетонных конструкций, необходимое для укладки пути.

Рисунок 1.4 - Конструкция RHEDA-Berlin HGV VI.

Опыт эксплуатации конструкции RHEDA с полушпалами показал, что между лотком и бетоном продолжают возникать продольные трещины [23].

Попытка решить эту проблему привела к идее безлоточной конструкции RHEDA. Эта конструкция была реализована с применением одноблочных шпал на участке высокоскоростной магистрали Берлин-Ганновер в городе Ратенов. В результате обощения опыта применения конструкции RHEDA-BERLIN и безлоточной конструкции RHEDA была предложена безлоточная конструкция со шпалами на решётчатых балках В355 М (рисунок 1.1 д, рисунок 1.5). На сегодняшний день монолитная безбалластная конструкция пути в данном исполнении (рисунок 1.5) явилась результатом поиска наиболее эффективного конструктивного решения.

3400

Рисунок 1.5 - Конструкция RHEDA 2000.

Главной особенностью RHEDA 2000 является изменяемая геометрия поперечного сечения несущей конструкции. Толщина и ширина несущей бетонной плиты, гидравлически связанного слоя и морозозащитного слоя определяется индивидуально в зависимости от типа движения поездов и грунтов подплитного основания, что делает данную конструкцию универсальной для проектирования и строительства. Однако по официальным данным компании RAIL.ONE GmbH [23], а также авторов Baxter М. [17] и Sunil К. [22] отмечалась проблема трещинообразования в несущей бетонной плите. Их мнение заключалось в том, что трещины на поверхности несущей плиты образуются вследствие усадки бетона и температурного расширения монолитной конструкции. В связи с этим в конструкцию были добавлены продольные

арматурные стержни, благодаря которым трещины в системе RHEDA 2000 распределяются равномерно, а ширина их не превышает 0,5 мм.

Для решения проблемы неконтролируемого трещинообразования по всей длине несущей бетонной плиты компанией RAIL. ONE GmbH была предложена конструкция RHEDA 2000 без сквозного армирования (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 - Конструкция RHEDA 2000 без сквозного армирования.

В данной конструкции (рисунок 1.3), чтобы добиться контролируемого образования трещин, применяются поперечные ложные швы. От этих швов впоследствии идут трещины, которые образуются вследствие усадки бетона и температурного воздействия [23]. Таким образом, в случае с ложными швами места образования трещин являются планируемыми, причём технологией предусмотрено, чтобы растрескивание всех поперечных ложных швов происходило как можно равномернее вскоре после затвердения бетона. Контролируемого растрескивания удаётся добиться с помощью надрезов в свежем бетоне глубиной до 30% от толщины плиты. Затем производится гидроизоляция швов, чтобы сократить или предотвратить проникновение воды внутрь конструкции. Передача поперечного усилия достигается с помощью закладываемых в свежий бетон поперечных дюбелей. Дюбели закрепляются ближе к середине бетонной плиты на решётчатой балке шпалы под каждым швом. Учитывая вышеизложенное, можно констатировать, что при разработке

безбалластной конструкции верхнего строения пути немецким специалистам пришлось столкнуться с проблемой трещинообразования, которую они пытались решать, внося изменения в конструктивное решение.

В работах Mitchas G. [5], Yang S.Y. [6], Bastin R. [21], Sunil K. [22], Wang P. [24], Wang S.R. [25], Wei J. [26] указывается, что на трещинообразование в стыках плитных конструкций безбалластного пути существенно влияет состояние грунтов земляного полотна. Также отмечалось [25,26], что в случае залегания в основании слабых грунтов появление трещин происходило чаще, чем при наличии в основании грунтов с более высокими деформативными характеристиками.

Для обеспечения требуемой прочности и деформативности основания под несущей бетонной плитой в конструкции RHEDA 2000 применен так называемый гидравлически связанный несущий слой. Он представляет собой слой тощего бетона толщиной 300 мм. Альтернативой данному решению является конструкция на щебёночном несущем слое (рисунок 1.7). Для достижения необходимых требуемых деформативных свойств основания несущей бетонной плиты устраивается щебёночный несущий слой толщиной 300 мм. Чтобы добиться достаточного распределения нагрузки на основную площадку, ширина бетонной плиты увеличивается до 3,2 метра, высота до 300 мм.

3200

СмЛ*Ы ipffVMM* ЗШ t-M/40

Рисунок 1.7 - Конструкция RHEDA на щебеночном несущем слое.

Результаты многолетнего использования безбалластной монолитной конструкции RHEDA 2000 показали, что конструкция пути чрезвычайно

чувствительна к погрешностям, допущенным при изготовлении. По мнению немецких специалистов [23], путь типа RHEDA требует высочайшей точности при строительстве, в том числе при приготовлении, транспортировке и укладке бетонной смеси. Также особое внимание уделяется качеству грунтов основания и степени их уплотнения.

1.2. Опыт применения безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000.

На данный момент общая протяженность различных конструкций безбалластного пути насчитывает свыше 12000 км, из которых 2000 км приходится на конструкцию RHEDA 2000 [5]. Такое обширное применение данной конструкции на железных дорогах мира может свидетельствовать о ее эффективности. По данным, приводимым в различных источниках [4,5,6,16,19,20,21,22,23], можно выделить следующие преимущества безбалластной конструкции верхнего строении пути по сравнению с классической конструкции на балласте:

- статические и динамические нагрузки на верхние слои земляного полотна для пути на плитном основании снижаются, благодаря лучшему распределению силовых воздействий;

- путь на плитном основании после укладки сохраняет стабильное положение в 2 - 3 раза дольше, чем путь на балласте;

- плитная конструкция пути оказывает практически неограниченное сопротивление поперечным силам. Она имеет высокую собственную массу, обеспечивая тем самым хорошую устойчивость даже под действием интенсивных сжимающих сил при повышении температуры рельсов;

- отсутствие вылетающих частиц балласта исключает нанесение повреждений подвижному составу и напольным устройствам;

- невозможность роста растительности в пути на плитном основании исключает необходимость борьбы с нею;

— устойчивое положение пути снижает динамические силы, действующие на ходовую часть подвижного состава;

— возможна более длительная эксплуатация линии на плитном основании в силу меньших затрат времени на текущее содержание;

— жизненный цикл при безбалластной конструкции почти в 2 раза больше, чем при классической конструкции на балласте и составляет 50-60 лет.

Впервые конструкция RHEDA применялась в 1972 г. на линии Билефельд -Хамм на станции Реда. Следующим важным этапом в развитии безбалластного пути были экспериментальные участки в Карлсфельде под Мюнхеном в 1977 г. Там на участке протяженностью 1,7 км было уложено пять отрезков пути различной конструкции, две из которых (со шпалами, уложенными на резиновые подошвы) вскоре сняли после многочисленных ремонтов. Остальные три (одна из них типа RHEDA), после некоторых небольших исправлений находятся в эксплуатации до сих пор [5,21].

К началу 1980-х годов железные дороги Германии и строительные компании провели ряд исследований экономической эффективности безбалластного пути. В результате, за исключением нескольких проектов строительства тоннелей, экономическая эффективность доказана не была [22]. После этого интерес к безбалластному пути в Германии резко упал, дальнейшие разработки на некоторое время были практически приостановлены [17,19]. В середине 1990-х годов к вопросу применения безбалластного пути вернулись. Первоначальное решение впоследствии постоянно дорабатывалось и оптимизировалось без изменения основного принципа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сидоренко, Александр Андреевич, 2014 год

Библиографический список

1. Путь на плитном основании [Текст] // Железные дороги мира — 2006, №4.-С. 14-16

2. Huesmann Н. High Speed railways [Text] // Railway Technical Review, 2005, №3, p. 13-19.

3. Опыт разработки и эксплуатации безбалластного пути [Текст] // Железные дороги мира — 2005, №1. - С.47-49.

4. Lechner В. Railway Concrete Pavements [Text] //- Florianopolis, Brazil: 2011.-68 p.

5. Michas G. Slab track system for High Speed railways [Text] // Royal Institute of Technology (KTH), Sweden, Stockholm. - 2012. - 107 p.

6. Jang S.Y., Lee H.S. Development of prefabricate concrete slab track system and trial installation on revenue line [Text] // Korea railroad research institute - South Korea, Uiwang - 2008. - 68 p.

7. Специальные технические условия для проектирования, строительства и эксплуатации высокоскоростной железнодорожной магистрали «Москва - Казань - Екатеринбург» [Текст] // Москва, МИИТ, 2013.

8. Колос А.Ф., Петрова Т.М., Сидоренко А.А. проблемы эксплуатации безбалластной конструкции верхнего строения пути RHEDA 2000 на железнодорожной магистрали [Текст] // Техника железных дорог, № 2(22), май 2013, с. 42-47.

9. Колос А.Ф., Сидоренко А.А. «Затухание вертикальных напряжений в подрельсовой зоне при безбалластной конструкции верхнего строения железнодорожного пути». Сборник научных трудов SWorld : по материалам Международной научно-практической Интернет-конференции "Современные направления теоретических и

прикладных исследований'2014" [Текст] // . - Одесса, Украина : КУПРИЕНКО, 2014. - Вып. 1, Т. 2 : Транспорт.

10. Колос А.Ф., Сидоренко A.A. «Напряженное состояние грунтов земляного полотна при безбалластной конструкции верхнего строения пути». Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов [Текст] // Материалы III международной научно-технической конференции / СПб: ПГУПС, 2013.-С. 117-120.

11. Колос А.Ф., Сидоренко A.A., Соловьев C.B. «Особенности напряженного состояния грунтов подплитного основания при безбалластной конструкции верхнего строения пути». Инженерный вестник Дона. - 2014. - № 2.

12. Коншин Г.Г. Напряжения и упругие деформации в земляном полотне под воздействием поездов. - М.: Стройиздат, 1972. - 125 с.

13. Коншин Г.Г. Работа земляного полотна под поездами. - М. 2012. -208 с.

14. Шахунянц Г.М. Работа пути с блочными железобетонными подрельсовыми основаниями. В кн. «Исследование работы пути с блочными железобетонными подрельсовым основанием» Труды МИИТа, вып. 298. М., «Транспорт», 1969.

15. Власов В.З., Леонтьев H.H. Балки, плиты и оболочки на упругом основании. - М. - 1960. - 491 с.

16. Безбалластный путь на бетонном основании [Текст] // Железные дороги мира - 2011, № 2. - С 19-20.

17. Baxter M. Ballastless track on High Speed railways [Text] // Railway Gazette International, 2010, № 8, p. 36 - 41.

18. Внедрение новых конструкций безбалластного пути [Текст] // Железные дороги мира - 2007, № 2. - С. 41-43

19. Hardt D. Eisenbahntechnische Rundschau, 2004, № 9, S. 584, 586 - 594.

20. Li D., Chrismer S. Railway Track & Structures, 1999, № 10, p. 15 - 18.

21. Bastin R. Development of German non-ballasted track forms. ICE. UK. 2005.

22. Sunil K. Kondapalli & David N. Billow. Life Cycle Benefit of Concrete Slab Track. SN2860, Portland Cement Association, Skokie, Illinois, USA. 2008.

23. Rail One. RHEDA 2000 Ballastless Track System. Germany, Neumarkt. -2011.-20 p.

24. Wang P., Chan R. Analysis on the effect of cracks of CRTS II Slab Track on subgrade, China, Journal of Southwest Jaiotong University №47(6), 2012, p. 929-934.

25. Wang S.R., Yang R.S. Causes of crack in ballastless track and control measure, China, Railwayconstraction №9, 2007, p.76-79.

26. Wei J., Ban X. Analysis on the effect of cracks of CRTS II Ballastless track structure system induced by temperature, China, Journal of Wuhan University of Tecnology №34(10), 2012, p. 80-85.

27. Zao P. The influens of cracks in track slab and its reflection in structure desine, Switzerland, Trans Tech publication, 2011

28. Liu J. Investigation on ballastless track in tunnel without reinforcement, Electronic Journal of Structural Engineering №13(1), 2013.

29. Берг О.Я., Щербаков E.H., Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон. -Москва, 1971.

30. Мандриков А.П. Примеры расчета железобетонных конструкций. -М.: Стройиздат, 1989. - 506 с.

31. Технические условия по совместимости подсистемы «Подвижной

состав» (Technical specification for interoperability relating to the rolling stock subsystem of the trans-European high-speed rail system) // Публикация: официальный журнал Европейского союза за 12.09.2002, раздел L245, с. 402-506.

32. Нормы международного союза железных дорог (МСЖД) UIC 719R «Земляные сооружения и балластная призма для железнодорожных путей», 2008.

33. Директива Deutsche Bahn Gruppe Ril 836.0501 «Земляные сооружения. Насыпь. Принципы».

34. Директива Deutsche Bahn Gruppe Ril 836.0503 «Земляные сооружения. Защитные слои. Оценка защитных слоев на несущую способность».

35. ТВ 10621-2009/J 971-2009 Code for Design of High Speed Railway. Нормы проектирования высокоскоростных железных дорог в Китае.

36. Основные технические -требования к проектированию и строительству земляного полотна для безбалластного пути // Организация сотрудничества железных дорог Р 720/1, Варшава, 2012.

37. Директива Deutsche Bahn Gruppe Ril 836.0502 «Земляные сооружения. Насыпь. Укрепление нижнего строения / основания».

38. Инструкция по устройству защитных слоев при реконструкции (модернизации) железнодорожного пути. / Утверждена распоряжением ОАО «РЖД» 12.12.2012 № 2544р.

39. SSF Ingenieure Slab track system on different substructures, Berlin, 2011.

40. Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. - М.: Стройиздат, 1996. - 394 с.

41. СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения.

42. Феодосьев И.В. Сопротивление материалов. - 2000, - 589 с.

43. Самуль В.И. ОСНОВЫ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ. М.: Высшая школа, 1982

44. Александров A.B., Потапов В.Д. ОСНОВЫ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ М.: Высшая школа, 1990

45. Горшков А.Г. и др. СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ М.: Физматлит, 2005

46. Дарков A.B. СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ М.: Высшая школа, 1975

47. Клепиков Н.С. Расчет конструкции на упругом основании.-Киев., 1967.

48. Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. — Л.: Судостроение, - 1974. - 344 с.

49. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - М.: Недра, -1987.-221 с.

50. Городецкий A.C., Зоворицкий В.И., Рассказов O.A. Метод конечных элементов в проектировании транспортных сооружений. — М.: Транспорт, 1981.-143 с.

51. Крауч С., Старфилд А. Методы граничных элементов в механике твердого тела. -М.: МИР, 1987. -328 с.

52. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. - Томск: МП «РАСКО», 1991.-272 с.

53. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М.: МИР, 1976. -541 с.

54. Жемочкин Б.Н., Синицин А.П. Практические методы расчета фундаментных балок и плит на упругом основании. - М. - 1962. — 238 с.

55. СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*.

56. Баенов В.А. Численные методы в механике. - М. - 2004. - 564 с.

57. Строкова JI.A. Применение метода конечных элементов в механике грунтов. - Томск. - 2010. - 142 с.

58. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. - М.: МИР, -1979.-392 с.

59. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. - М.: Стройиздат, - 1982. - 448 с.

60. Хечумов P.A., Кепплер X., Прокопьев В.И. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций. — М.: АСВ, - 1994. — 372 с.

61. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. - М.: МИР, - 1986.-303 с.

62. Норри Д., Ж де Фриа. Введение в метод конечных элементов. - М.: МИР, - 1982.-304 с.

63. Голованов А.И., Корнишин М.С. Введение в метод конечных элементов статики тонких оболочек. - Казань. - 1989. - 269 с.

64. Asghar Bhatti М. Fundamental finite element analysis and application. -USA. - 2005. - 700 c.

65. Клованич С.Ф., Мироненко И.Н. Метод конечных элементов в механике железобетона. - Одесса. - 2007. - 110 с.

66. Марчук Г.И., Агошков В.И. Введение в проекционно сеточные методы. - М.: Наука, 1981.-416 с.

67. Рашевский П.К. Курс дифференциальной геометрии. - М.: УРСС, 2003.

68. Мищенко A.C., Фоменко А.Т. Краткий курс дифференциальной геометрии и топологии. - М.: Физматлит, 2004.

69. Скопенков А.Б. Основы дифференциальной геометрии в интересных задачах. - М.: МЦНМО, 2009

70. ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд»

71. №ЦПТ-52/14 «Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности»

72. Технические условия на смеси щебеночно-гравийно-песчаные для защитных слоев подбалластного основания железных дорог, 2008.

Список иллюстративного материала

1.1 Этапы разработки конструкций RHEDA Стр.13

1.2 Конструкция RHEDA Classic Стр.14

1.3 Конструкция RHEDA Zengeberg Стр.15

1.4 Конструкция RHEDA-Berlin HGV VI Стр.16

1.5 Конструкция RHEDA 2000 Стр.17

1.6 Конструкция RHEDA 2000 без сквозного Стр. 18 армирования

1.7 Конструкция RHEDA на щебеночном несущем слое Стр. 19

1.8 Трещины на поверхности несущей бетонной плиты Стр.23 при конструкции RHEDA 2000 в России на опытном участке

1.9 Трещины на поверхности несущей бетонной плиты Стр. 25 при безбалласной конструкции верхнего строения

пути

1.10 Поперечный профиль земляного полотна на ВСМ в Стр.26 Германии

1.11 Устройство безбалластной конструкции верхнего Стр.30 строения пути на слабом основании

1.12 Затухание вертикальных напряжений по глубине Стр.31 земляного полотна под железобетонными подрельсовыми основаниями

2.1 Железнодорожный профиль экспериментальных Стр. 36 участков

2.2 Конструкция безбалластного верхнего строения Стр. 37 пути RHEDA 2000

2.3 Конструкция рамы для измерения вертикальных Стр. 38 перемещений

2.4 Схема датчика перемещений Стр. 39

2.5 Принципиальная схема регистрации напряжений и Стр. 40 деформаций

2.6 Схема установки мессдоз Стр.41

2.7 Схема установки тензорезисторов Стр. 42

2.8 Схема установки индуктивных датчиков Стр. 43 перемещения

2.9 Реагирование мессдозы в подрельсовой зоне на Стр. 45 основной площадке при проходе локомотива ЧС-2т

2.10 Затухание вертикальных напряжений в Стр.45 подрельсовой зоне при различных типах подвижного состава

2.11 Относительное изменение вертикальных Стр.46 напряжений в подрельсовой зоне при различных

типах подвижного состава

2.12 Относительное изменение вертикальных Стр.47 напряжений в подрельсовой зоне при различных

типах верхнего строения пути

2.13 Относительное изменение вертикальных Стр.48 напряжений в логарифмических координатах при безбалластной конструкции верхнего строения

пути

2.14 Вертикальные напряжения на основной площадке в Стр.49 подрельсовой зоне при различных видах подвижного состава

2.15 Вертикальные напряжения на основной площадке Стр. 51 под тощим бетоном при различных видах подвижного состава в поперечном сечении

2.16 Вертикальные напряжения в теле земляного Стр. 51 полотна на глубине 45 см от низа тощего бетона

при различных видах подвижного состава в поперечном сечении

2.17 Вертикальные напряжения в теле земляного Стр. 52 полотна на глубине 95 см от низа тощего бетона

при различных видах подвижного состава в поперечном сечении

2.18 Распределение вертикальных напряжений на Стр. 54 основной площадке при проходе локомотива ЧС-2т

(У=70 км/ч)

2.19 Схема расположения датчиков для определения Стр. 55 продольных напряжений в зоне полушпалы

2.20 Эпюра распределения продольных напряжений на Стр. 56 поверхности несущей бетонной плиты при движении подвижного состава с локомотивом BJI-

10 на экспериментальном участке Саблино - Тосно

2.21 Эпюра распределения продольных напряжений на Стр. 56 поверхности несущей бетонной плиты при движении подвижного состава с локомотивом ЧС-

2т на экспериментальном участке Саблино - Тосно

2.22 Эпюра распределения продольных напряжений на Стр. 56 поверхности несущей бетонной плиты при движении электропоезда на экспериментальном участке Саблино - Тосно

2.23 Эпюра распределения продольных напряжений на Стр. 57 поверхности несущей бетонной плиты при движении подвижного состава с локомотивом BJI-

80 на экспериментальном кольце «ВНИИЖТ» в г. Щербинка

2.24 Зависимость растягивающих продольных Стр. 58 напряжений у угла полушпалы от типа подвижного состава

2.25 Схема включения датчиков для определения Стр. 59 продольных напряжений в разных сечениях

2.26 Зависимость максимальных растягивающих Стр. 59 продольных напряжений от типа подвижного состава (сечение 1-1)

2.27 Зависимость максимальных растягивающих Стр. 60 продольных напряжений от типа подвижного состава (сечение 2-2)

2.28 Схема включения датчиков для определения Стр. 63 поперечных напряжений в разных сечениях

2.29 Зависимость максимальных поперечных Стр. 64 напряжений от типа подвижного состава (сечение

1-1)

2.30 Зависимость максимальных поперечных Стр. 64 напряжений от типа подвижного состава (сечение

2-2)

2.31 Запись деформации по оси пути при проходе Стр. 66 грузового состава с локомотив ВЛ-80 (V = 40 км/ч)

2.32 Деформация поверхности несущей бетонной плиты Стр. 67 в поперечном сечении

3.1 Сравнение затухания расчетных вертикальных Стр. 73 напряжений по глубине

3.2 Сравнение затухания по глубине постоянных Стр. 75 напряжений, динамических напряжений от воздействия поездов и полных напряжений

3.3 Двумерное упругое тело, разбитое на конечные Стр. 76 элементы

3.4 Принципиальная расчетная схема для определения Стр. 80 деформаций несущей бетонной плиты

3.5 Треугольный симплекс-элемент с 2 - мя степенями Стр. 81

свободы

3.6 Принципиальная расчетная схема для определения Стр. 87 нейтральной линии безбалластной конструкции верхнего строения пути

3.7 Принципиальная расчетная схема для определения Стр. 90 напряжений на поверхности несущей бетонной плиты

3.8 Расчетная схема для определения напряженно - Стр. 96 деформированного состояния несущей бетонной плиты на экспериментальном участке №2

3.9 Диалоговое окно программы по определению Стр. 97 напряженно - деформированного состояния несущей бетонной плиты

3.10 Результаты расчета несущей бетонной плиты Стр. 97

3.11 Сопоставление теоретических и опытных значений Стр. 98 деформации поверхности несущей бетонной плиты

3.12 Сопоставление теоретических и опытных значений Стр. 99 продольных напряжений на поверхности несущей бетонной плиты

4.1 Схемы нагружения поверхности несущей бетонной Стр. 105 плиты

4.2 Зависимость максимальных растягивающих Стр. 105 напряжений на поверхности несущей бетонной

плиты от модуля упругости рабочей зоны и типа подвижного состава

4.3 Расчетная схема для оценки влияния защитного Стр. 108 слоя из ЩПГС на напряженное состояние несущей

плиты при разных характеристиках нижележащего грунта

4.4 Зависимость максимальных растягивающих Стр. 111 напряжений на поверхности несущей плиты от толщины защитного слоя при модуле упругости нижележащего грунта

4.5 Расчетная схема для оценки влияния защитного Стр. 114 слоя из песка средней крупности на напряженное состояние несущей плиты при различных характеристиках нижележащего грунта

4.6 Зависимость максимальных растягивающих Стр. 116 напряжений на поверхности несущей плиты от толщины защитного слоя из песка средней крупности при толщине защитного слоя из ЩПГС

при модуле упругости нижележащего грунта 80 МПа

4.7 Зависимость максимальных растягивающих Стр. 117 напряжений на поверхности несущей плиты от толщины защитного слоя из песка средней крупности при толщине защитного слоя из ЩПГС

при модуле упругости нижележащего грунта 60 МПа

4.8 Зависимость максимальных растягивающих Стр. 118 напряжений на поверхности несущей плиты от толщины защитного слоя из песка средней крупности при толщине защитного слоя из ЩПГС

при модуле упругости нижележащего грунта 40 МПа

4.9 Конструкция подплитного основания при Стр. 124 сооружения безбалластной монолитной конструкции на насыпи

4.10 Конструкция подплитного основания при Стр. 124 сооружения безбалластной монолитной конструкции в выемке