Повышение долговечности продольных водоотводных лотков железнодорожного пути из композиционных материалов. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Салмин Андрей Олегович

• Салмин Андрей Олегович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Салмин Андрей Олегович

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ ВОДООТВОДОВ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ ЛОТКОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

1.1 Водоотведение от земляного полотна железнодорожного пути

1.2 Полимерные композитные лотки

1.2.1 Описание конструкции

1.2.2 Нагрузки на полимерные композитные лотки, принятые в нормативной документации

1.3 Воздействия на полимерные композитные лотки в эксплуатации

1.3.1 От морозного пучения грунта

1.3.2 От подвижного состава

1.4 Выводы к главе

2 ОСМОТРЫ ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ ВОДООТВОДОВ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ ЛОТКОВ

2.1 Участки водоотводов из композитных лотков на сети железных дорог, на которых проводились осмотры

2.2 Методика осмотров водоотводов из полимерных композитных лотков

2.3 Анализ результатов режимных наблюдений за состоянием водоотводов из полимерных композитных лотков

2.3.1 Результаты осмотров водоотводов из полимерных композитных лотков

2.3.2 Различие конструкций полимерныз композитных лотков

2.3.3 Влияние поездной нагрузки на полимерные композитные лотки

расположенные близко к пути

2.3.4 Влияние пучения грунта на композитные лотки

2.4 Выводы к главе

3 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ВОДООТВОДНОГО ЛОТКА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПОЛЗУЧЕСТЬ

3.1 Разработка методики испытания водоотводного лотка из композиционных материалов на ползучесть

3.2 Проведение испытания водоотводного лотка из композиционных материалов на ползучесть

3.3 Результаты испытания водоотводного лотка из композиционных материалов на ползучесть и релаксацию

3.4 Выбор функции для аппроксимации кривой ползучести композиционных лотков

3.5 Выводы к главе

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТА НА ВОДООТВОДНЫЕ ЛОТКИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1 Постановка задачи моделирования температурного режима вокруг лотка

4.2 Исходные данные для моделирования

4.2.1 Характеристика объекта

4.2.2 Назначение климатических параметров

4.2.3 Граничные условия стенок и дна полимерных композитных лотков

4.2.4 Исходные данные по характеристикам грунтов и варианты

моделирования

3

4.3 Результаты моделирования температурного режима

4.4 Расчёт величины морозного пучения грунта

4.5 Выводы к главе

5 НАГРУЗКИ НА ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТНЫЕ ЛОТКИ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

5.1 Постановка задачи

5.2 Аналитические расчёты нагрузок на лотки

5.2.1 Нагрузки и усилия для продольных водоотводных лотков за обочиной

5.2.2 Нагрузки и усилия для продольных междупутных лотков

5.3 Численное моделирование в Midas GTS NX

5.3.1 Описание программного комплекса Midas GTS NX

5.3.2 Модель и исходные данные

5.4 Сравнение результатов расчётов

5.5 Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение долговечности продольных водоотводных лотков железнодорожного пути из композиционных материалов.»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В современных условиях повышенные требования к транспортной инфраструктуре железных дорог и ее долговременной устойчивости, предъявляемых Транспортной стратегией [1], с учетом роста интенсивности нагруженности железнодорожного пути возрастает необходимость обеспечения надежности работы как конструкции в целом, так и его отдельных элементов.

Важным фактором, влияющим на надежность земляного полотна, и как следствие, на безопасность движения поездов является своевременный и полный отвод атмосферных и грунтовых вод, что записано в качестве одного из обязательных требований в нормах проектирования железнодорожного пути [2].

Одним из инновационных решений в области отвода поверхностной воды от земляного полотна железнодорожного пути является применение водоотводных лотков из композиционных материалов на основе полимеров. Эти лотки обладают рядом преимуществ перед традиционными железобетонными лотками, такими как:

- малый вес, что обеспечивает возможность монтажа водоотводов вручную и уменьшает время технологических «окон» для производства работ;

- лучшие гидравлические характеристики, вследствие меньшего коэффициента шероховатости;

- большая стойкость к воздействию агрессивных вод, что обеспечивает более продолжительный срок службы при соблюдении требований к материалу лотка и его конструкции.

Впервые композитные лотки из полимеров для отведения воды от земляного полотна были применены в России при реконструкции линии Санкт-Петербург под скоростное движение пассажирских поездов в конце 90-х годов 20 века [3]. Наиболее эффективным оказалось применение данных лотков в пределах станций, где водоотводы устраиваются в стесненных

условиях при наличии большого количества подземных коммуникаций. Но, вместе с тем, при опытной эксплуатации водоотводов из ПКЛ стали ясны особенности, которыми они обладают и которые необходимо учитывать. Данные особенности заключаются в возникновении на части ПКЛ сверхнормативных деформаций, вызванных несколькими факторами, которые не были достаточно учтены при первом их использовании. Анализ причин деформаций после их эксплуатации в течение 15-20 лет показал, что недостаточно была исследована ползучесть самого материала лотков, не учтены возможные деформации при устройстве этих лотков в пучинистых грунтах, а также требуется уточнение воздействия на лотки нагрузки от подвижного состава при укладке лотка вблизи от пути.

Для учёта этих особенностей композитных лотков из полимеров актуальным является выполнение исследований перечисленных факторов на деформативность лотка, на основе которых разработать методику испытаний, откорректировать существующие технические требования к лоткам и разработать рекомендации по их применению, что позволит увеличить долговечность их конструкции и тем самым обеспечит надёжный отвод воды от земляного полотна железнодорожного пути на весь срок его службы.

Степень разработанности темы исследования. Вопросами водоотведения от железнодорожного пути учёные занимались с самого зарождения железнодорожного транспорта. Данным вопросом посвящены работы С.Д. Карейши [4], В.Н. Образцова [5], П.В. Бартенева [6], В.Д. Никитина [7], И.В. Савченко [8], Н.В. Правдина [9], В.Я. Негрея [10], В.С. Дикаревский [11] и др.

Вопросы применения полимерных материалов в конструкции железнодорожного пути, посвящены работы Блажко Л.С. [12], Ермакова В.М. [13], Петряева А.В. [14], Ушакова А.Е. [15] и др.

Вопросы теории ползучести полимерных материалов разрабатывались Ю.Н. Работновым [16, 17], Л.М. Качановым [18], Ильюшиным А.А. [19], Победрей Б.Е. [19], Думанским А.М. [20], Н.Н. Малининым [21], С.А.

Шестериковым [22], Ю.С. Уржумцевым [23], Н.И. Малининым [24], Ю.В. Суворовой [25], С.Т. Милейко [26], А.М. Симонян [27], Д.Ю. Куприяновым [28], Ф. Одквист [29], W.N. БтШеу [30] и многими др.

Исследованиями механизма пучения грунтов и его воздействия на сооружения и разработкой противопучинных мероприятий занимались Алексеев А.Г. [31], Ашпиз Е.С. [32], Шахунянц Г.М. [33], Сумгин М.И. [34], Пчелинцев А.М. [35], Цытович Н.А. [36], Гольдштейн М.Н. [37], Далматов Б.И. [38], Киселёв М.Ф. [39], Кудрявцев С. А. [40], Орлов В.О. [41], Перетрухин Н.А. [42], Пузаков Н.А. [43], Тютюнов И.А. [44 ], Дыдышко П.И. [45], Ершов Е.Д. [46], Морарескул Н. Н. [47], Толкачев Н. А. [48] и др.

Теория напряженно-деформированного состояния грунтов земляного полотна при воздействии подвижного состава и надежность его конструкций разрабатывалась такими учеными Ашпиз Е.С. [49], М.Ф. Вериго [50], Виноградов В.В. [51], Жинкин Г. Н. [52], Колос А.Ф. [53], Коншин Г.Г. [54], Переселенков Г.С. [55], Прокудин И.В. [56], Шахунянц Г.М. [57], Яковлева Т.Г. [58] и др.

Объектом исследования являются продольные водоотводные лотки железнодорожного пути из композиционных материалов на основе полимеров.

Предмет исследования - долговечность продольных водоотводных лотков железнодорожного пути из композиционных материалов на основе полимеров.

Целью исследования является повышение долговечности продольных водоотводных лотков железнодорожного пути из композиционных материалов на основе полимеров.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1) провести обследование и выполнить анализ опытных данных эксплуатирующихся водоотводных лотков из композиционных материалов с

выводами о дальнейшем совершенствовании их конструкции и особенностями эксплуатации;

2) научно обосновать подход к прогнозированию деформаций ползучести водоотводных лотков из композиционных материалов на основе проведения длительных лабораторных испытаний на ползучесть;

3) провести моделирование воздействия подвижного состава на напряженно-деформированное состояние лотков, на основе которого уточнить методику расчёта нагрузки на композиционные лотки в эксплуатации;

4) провести численное моделирования теплового процесса промерзания грунта вокруг лотка, что позволит оценить величину воздействия от возникновения морозного пучения и разработать противопучинные мероприятия.

Научная новизна работы заключается в:

1) решении задачи прогнозирования деформаций ползучести конструкции водоотводных лотков из композиционных материалов на основании теории ползучести полимерных материалов;

2) решении задачи предотвращения деформации лотков в пучинистых грунтах на основе численного моделирования теплового взаимодействия лотков с промерзающими грунтами;

3) определении напряженно-деформированного состояния лотков в эксплуатации с учетом ползучести на основе численного моделирования воздействия подвижного состава на водоотводные лотки из композиционных материалов;

4) разработке методики определения воздействия подвижного состава на водоотводные лотки из композиционных материалов на станциях и в междупутье.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Определённые соискателем параметры воздействия подвижного состава на водоотводные лотки из композиционных материалов позволяют откорректировать требования и методику сертификационных испытаний, что

обеспечивает требуемую долговечность конструкции лотка.

Разработанная методика определения величины воздействия подвижного состава на водоотводные лотки из композиционных материалов, расположенных на расстоянии менее 2.1 м от оси пути, позволяет учесть данные воздействия при изготовлении лотков, применяемых в пределах станций или в междупутье.

Предложенный соискателем подход применения теплоизоляции водоотводные лотки из композиционных материалов на пучинистых грунтах позволяет обеспечить их долговечность.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы: натурные осмотры и сбор данных по работе конструкций водоотводных лотков из композиционных материалов в разных условиях эксплуатации на сети железных дорог ОАО «РЖД» с последующим их анализом; лабораторные испытания конструкций лотков на ползучесть, а также численное моделирование напряженно-деформированного состояния лотков при воздействии подвижного состава и теплового режима грунтового массива вокруг лотка при промерзании. При теоретических исследованиях применялись положения математической статистики для анализа данных по деформации стенок лотков в эксплуатации, а также аппроксимации данных натурных наблюдений и лабораторных экспериментов по испытаниям на ползучесть.

Положения, выносимые на защиту:

1) прогнозирование деформаций ползучести конструкции водоотводных лотков из композиционных материалов на основании теории ползучести полимерных материалов;

2) решение задачи предотвращения деформации лотка в пучинистых грунтах на основе численного моделирования теплового взаимодействия лотка с промерзающими грунтами;

3) методика определения воздействия подвижного состава на водоотводные лотки из композиционных материалов на станциях и в междупутье.

Степень достоверности и апробация результатов работы.

Достоверность научных исследований и заключений основана на корректном использовании теории ползучести, математической статистики, основных положений механики грунтов и геокриологии, а также использовании в исследованиях поверенного лабораторного оборудования и сертифицированных программных комплексов «FROST 3D» и «Midas GTSNX».

Основные положения диссертационной работы были доложены, обсуждены и одобрены: на заседаниях кафедры «Путь и путевое хозяйство» Института пути, строительства и сооружений, Москва, РУТ (МИИТ) в 20182024 гг; на XVI Международной научно-технической конференции «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» Чтения, посвященные памяти профессора Г.М. Шахунянца. Москва, РУТ (МИИТ), 2019 г.; на международной научно-практической конференции «Железнодорожный транспорт и технологии (Railway transport and technologies, RTT- 2021)», Екатеринбург, УрГУПС, 2021 г.; на XII Международной научно-технической конференции «ПОЛИТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ», Новосибирск, СГУПС, 2022 г.

Научные результаты, полученные автором, нашли практическое применение при разработке ГОСТ 59696-2021 Инфраструктура железнодорожного транспорта. Лотки водоотводные железобетонные. Технические условия. в приложении Б Расчётные силовые нагрузки и усилия. Справка о внедрении результатов приведена в приложении А.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ ВОДООТВОДОВ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ ЛОТКОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

1.1 Водоотведение от земляного полотна железнодорожного пути

Вопросам своевременного отвода поверхностной и грунтовой воды от земляного полотна в течение всех лет существования железных дорог придавалось важное значение, так согласно [59] это требование было записано так: «все поверхности земляного полотна, устройств при нём и полосы отвода должны быть спланированы и защищены так, чтобы атмосферная вода нигде не застаивалась и был бы обеспечен максимальный её сток в стороны или в специальные водоотводные сооружения при минимальной впитываемости в грунт, а текущая вода не размывала бы откосы и основание».

Это требование на практике конструктивно обеспечивается комплексным решением обеспечения организованного пути для отведения воды, попавшей в контур земляного полотна за его пределы, и немаловажным звеном в этом решении являются водосборно-водоотводные сооружения. Так после стекания атмосферной воды по спланированным поверхностям самого земляного полотна, она собирается в специально запроектированные водосборно-водоотводные сооружения (далее водоотводные), по которым она должна быть отведена в водопропускные сооружения или в сторону от земляного полотна. В качестве таких водоотводных сооружений используют [60] в основном канавы и лотки, а также в особых условиях быстротоки, перепады, водоотводные валики и водоотжимные бермы.

Канавы по своему назначению разделяются на продольные и поперечные, кюветы, кюветы-траншеи, забанкетные и нагорные. Поперечное сечение канав моет быть трапецеидальным, прямоугольным, треугольным и полукруглым (рисунок 1.1 [60]).

Рисунок 1.1 - Типы поперечных сечений водопропускных канав: а - трапецеидальное; б - прямоугольное; в - треугольное; г -полукруглое; Н - высота канавы; т - уклон откоса канавы; И - высота воды

в канаве; Ь - ширина канавы по дну.

Несомненное достоинство канав как водоотводного сооружения это простота и дешевизна устройства и эксплуатации, но при скорости течения воды более допускаемых по условию размыва грунта, в котором они нарезаны, стенки и дно требуют укрепления, повышающего стоимость их строительства и требующего работ по содержанию в период эксплуатации. К недостатку канав также относится также необходимость из-за откосных частей большей площади для размещения, что приводит к раскрытию выемок и не удобно в обслуживании в пределах станций или других стесненных местах.

Альтернативным решением для канав являются водоотводные лотки, которые используются при:

- откосах из малоустойчивых грунтов;

- стеснённости условий монтажа;

- создании неудобств населению и благоустройств территории;

- применении на станциях и раздельных пунктах.

Лотки выполняют из разных материалов. Традиционным и наиболее распространенным в современных условиях являются прямоугольные секционные лотки из железобетона, конструкция которых приведена на рисунке 1.2 [60]).

Рисунок 1.2 - Прямоугольный железобетонный лоток отверстием 0,65 м и высотой 0,75 м: а - звено лотка; б - плита перекрытия (крышка - 2 штуки на

звено)

По прочности железобетонные лотки на железных дорогах сети укладывались двух типов: первого типа для применения в зоне действия поездной нагрузки (междушпальные), лотки второго типа (междупутные) для применения на расстоянии от оси ближнего пути там, где действие поездной нагрузки не учитывалось [61].

На рисунках 1.3 и 1.4 приведены расчётная схема с расчётные силовые воздействия и усилия для лотков первого типа, а на рисунке 1.5 для лотков второго типа.

Рисунок 1.3 - Расчётная схема для лотка первого типа (междушпального) Расчетное силобЬ/е с/еаст&иэ и цсгилия

ЯЛ £ 0 * 1 4 Определение расчетного горизонтального <уа6леми& на стенку лотка Определение усилий £ расчет! ном сечении Св) |

от постоянной нагрузки (даёление грунта за стенками) ер от временной поездной нае-рузка, переда¿а^моО на засЬткц Суммарн ое гари-б ление Расчетная езеема Ра&юдеае горизонт, давления Плечо Максим, изгибало щ ий паяем

Расчетное берти калЬн.дабл. под шпалой Ц. дари зон тал Ьяое | дабление е9 зонт, да еР+ < Е• 3 ел*еа

втачке Я 5 точке 3 б тачке я 5 точке 6 точке /9 5 точке в 5 точке Д в точке В

м т/м* т/м* г /м* Г/п* т/м* т/мг т /п* т/м* т/п.м.пвтКл м ДШВЕ

1 0,32 О 0.2^ 1)5, о о 11.98 I /к 98 3.99 Й.98 4.23 1 3 вА 2.88 о, па 0.513

2 0,30 0 0,36 1/!60 9,Ьо 13, 3,13 13,8*1 з.Ьэ аг *- /У 2.71 0.321 0.931

. 0,58 Ц077

3 0,70 О 0,52 37,00 5,95 12,32 1.98 !2,32 2,50 ЧЕ 3? 2,48 0.527 1.531

0,58 0.277

=~1 0,60 0.105

Рисунок 1.4 - Расчётные силовые воздействия и усилия для лотков первого

типа (междушпальных)

Рисунок 1.5 - Расчётные схемы и расчётные силовые воздействия и усилия для лотков второго типа (междупутных)

Как видно из рисунков 1.3 - 1.5 в расчётах междушпальных лотков учтена временная поездная нагрузка класса С14, а в расчётах междупутных лотков в качестве временной нагрузки учтена только нагрузка, передаваемая на засыпку от проезда техники. Отдельной строкой в Альбоме [61] указано, что «Междупутные лотки рассчитаны без учета влияния временной нагрузки от подвижного состава».

Также в Альбоме [62] установлены условия применения лотков:

- лотки первого типа (междушпальные) применяются при расстоянии от подошвы рельса до верха конструкции не менее 4 см и при глубине от подошвы рельсов до дна лотка не менее 0,5 м (при высоте лотка 0,35 м), не более 0,65 м (при высоте лотка 0,5 м) и не более 0,85 м (при высоте лотка 0,7 м);

- лотки второго типа (междупутные) применяются при расстоянии от оси пути до оси лотка: не менее 2,1 м (при высоте лотка 0,75 м), не менее 2,4 м (при высоте лотка 1,25 м) и не менее 2,55 м (при высоте лотка 1,5 м).

Также существует Альбом .№819 [62] в котором приведены конструкции разных типов лотков, но без приведения значений нагрузок, на которые эти конструкции лотков рассчитаны. Для железобетонных лотков прямоугольного сечения указано, что «Рассчитаны они под автомобильную нагрузку Н-13».

Водоотводы из железобетонных лотков оснащаются железобетонными крышками, которые должны выдерживать вес человека.

Анализ состояния сооружений земляного полотна на сети железных дорог, проведенный Управлением пути и сооружений Центральной дирекции инфраструктуры ОАО «РЖД» [63], показывает, что из всех сооружений земляного полотна наиболее дефектными, требующими ремонта, являются именно водоотводные сооружения. В таблице 1.1 приведены данные из [63] по дефектности основных типов сооружений для отвода поверхностной воды, которые показывают, что до 1/5 части водоотводов и, в том числе лотки, находится в состоянии требующем ремонта или восстановления, что указывает на их недостаточную надежность.

Таблица 1.1 - Состояние водоотводных сооружений на сети железных дорог ОАО «РЖД» [63]

№ п/п Вид водоотводного сооружения Протяжение, км % дефектности сооружений

всего в т.ч. требуют ремонта

1 Кюветы 27532,70 3329,70 12,1

2 Нагорные канавы 9835,90 1887,40 19,2

3 Водоотводные канавы 40672,60 6708,50 16,5

4 Продольные лотки 2542,10 522,60 20,6

1.2 Полимерные композитные лотки

1.2.1 Описание конструкции

В последнее время на сети железных дорог России получили широкое

распространение водоотводные лотки, материалом для которых служит композиция из полимерного вяжущего и армирования, выполненного из стеклоткани (далее полимерные композитнные лотки - ПКЛ).

Лотки изготавливаются из стеклоткани, обрабатываемой полиэфирной смолой, с усилением их снаружи поперечными ребрами жесткости, выполняемыми из того же композитного материала. В нижней части лотка также снаружи в качестве антивандальной защиты устанавливаются противоугонные пластины. Для возможности приема грунтовой воды в лотках выполняются круглые отверстия или вертикальные щели [60].

Длина секций композитных лотков принята из условия их монтажа вручную и составляет от 6 м для лотков высотой 0,4 и 0,5 м, от 2 м — для лотков высотой 1,0 м.

Геометрические параметры сечения лотков подобраны из условия ширины днищевой части не менее 40 см, для возможности прохода при их очистке, а радиусная форма обеспечивает эффект самоочистки лотков, уменьшая их заиливание.

Для стыковки секций лотка между собой они имеют с одного торца расширение, что обеспечивает заход секции лотка внахлест. Монтаж

композитных лотков в водоотвод, так же, как и телескопических, начинается снизу, что обеспечивает их правильную стыковку.

Данные лотки были разработаны НПП «АпАТэК» совместно с МИИТом и впервые были применены в 1999 году при реконструкции линии Санкт-Петербург - Москва [3]. ПКЛ обладают рядом преимуществ перед железобетонными лотками, имея: малый вес, допускающий их монтаж вручную, срок службы до 50 лет, лучшие по сравнению с бетоном гидравлические характеристики за счет оптимальной формы сечения и низкого коэффициента шероховатости [60]. ПКЛ лучше подходят для размещения между станционными путями в стеснённых условиях за счёт эффективного использования материала. Данное преимущество обосновывается свойствами композиционного материала. Но эксплуатация ПКЛ связана с рядом особенностей, нехарактерных для железобетонных лотков. Изделия из полимерных материалов требуют проверки своего поведения на длительную прочность и деформативность при длительном нагружении [16, 17]. Эти лотки могут иметь деформации стенок, что проявляется в изменении поперечного сечения водоотвода, а именно, в его сужении (уменьшении ширины). При больших величинах деформаций, может возникнуть возрастание нагрузки от веса грунта за счет наклона внутрь стенки, что приведет к прогрессирующему развитию деформаций, потере устойчивости стенок и полному разрушению конструкции. Поэтому величину сужения лотков нормируют [64], а при превышении допускаемого значения лоток подлежит замене.

Основные характеристики ПКЛ по Альбому [3] приведены в таблице 1.2.

Таблица 1 .2 - Характеристики ПКЛ

Высота лотка, м Длина секции, м Ширина по дну, м Ширина поверху, м Ширина поверху после засыпки, м Вес секции, кг

0,5 4,08 0,4 0,45 0,44 48

0,75 2,48/4,08 0,4 0,48 0,455 52/92

1,0 2,48/4,08 0,5 0,62 0,58 48/96

Композитные лотки, так же, как и бетонные, закрываются крышками,

которые изготавливаются из пластика, имеют достаточное количество

17

отверстий, обеспечивают прочность и имеют замки в качестве антивандальной защиты.

На начальном этапе ребра жесткости выполнялись из пенопласта и обтягивались стеклопластиковой тканью (рисунок 1.6), но такая конструкция была отбракованы ввиду сверхнормативных деформаций стенок ПКЛ в эксплуатации и заменена на стеклопластиковые ребра жесткости в последующих партиях ПКЛ.

Рисунок 1.6 - ПКЛ с пенопластовыми ребрами жесткости На рисунке 1.7 приведены общий вид секций ПКЛ согласно [3].

Рисунок 1.7 - Общий вид секции ПКЛ высотой 0,5 м

(1 - лоток, 2 - крышка)

В технических требованиях [64] лотки подразделяются на 2 типа. Тип 1 - лотки прямоугольной формы с вертикальными стенками, тип 2 - лотки трапецеидальной формы с наклонными стенками, который был разработан для применения вместо продольных канав для болотистой местности.

В соответствии с [64] к ПКЛ предъявляются следующие основные требования:

- материал должен соответствовать нормативно-технической документации, должен быть нетоксичным, невзрывоопасным, не выделять вредные вещества при нормальных условиях эксплуатации, а также устойчив к воздействию агрессивных сред;

- должны быть устойчивыми к воздействию климатических факторов внешней среды в соответствии с климатическим исполнением УХЛ и категорией размещения 1 по ГОСТ 15150-69;

- должны обеспечивать срок эксплуатации не менее 50 лет при температурных условиях от - 60 °С до +45 °С на открытом воздухе при прямом воздействии солнечных лучей и в контакте с грунтовыми водами с рН от 6 до 8;

- конструкция должна быть рассчитана по прочности и устойчивости на воздействие нагрузок в соответствии с эпюрой схемы загружения приведенные в соответствии с Альбомом [61].

1.2.2 Нагрузки на полимерные композитные лотки, принятые в

нормативной документации

В настоящее время применение водоотводных лотков из композиционных материалов регламентируется Альбомом [3], в котором нагрузка на водоотводные лотки взята из Альбома №984 для междупутных лотков типа II (рисунок 1.5) и обозначены следующие условия применения композитных лотков при расстоянии от оси пути не менее: 1,95 м при глубине лотка 0,5 м; 2,2 м при глубине лотка 0,75 м; 2,4 м при глубине лотка 1,0 м.

Основываясь на вышенаписанном, можно сделать вывод о том, что композитные лотки не рассчитаны на временную нагрузку от подвижного состава, хотя допускается их весьма близкое расположение к пути, при котором, исходя из теории распределения напряжений в грунтовой среде [60], возможно возникновение их от подвижного состава.

В Технических требованиях [64] условием применения лотков является расстояние от оси пути до оси лотка не менее 2,1 м для всех высот лотков.

В СТО [65] вообще не устанавливается условие применение лотков по приближению к оси пути, хотя нагрузки указаны также из Альбома №984 для лотков типа II без учета поездной нагрузки.

Данная несогласованность нормативных документов требует установления конкретных условий применения композитных лотков с

разделением лотков на две группы с учётом нагрузки от подвижного состава и без ее учета, а также уточнение величины-самой нагрузки.

1.3 Воздействия на полимерные композитные лотки в эксплуатации 1.3.1 От морозного пучения грунта

Морозное пучение грунтов — это процесс увеличения объёма и деформирования дисперсных грунтов при промерзании [66]. В инженерной практике величина пучения грунта определяется интенсивностью пучения [67]. В свою очередь, интенсивность пучения зависит от множества факторов. На интенсивность пучения грунта влияет тип грунта, его влажность, скорость промерзания грунта, что отмечалось многими учеными [32, 40, 46, 67].

Для водоотводов в общем случае и для водоотводов из полимерных композитных лотков, в частности, это явление наиболее актуально ввиду того, что грунт вокруг водоотводов весьма часто обводнен [69].

В осенний период выпадают значительные атмосферные осадки, которые приводят к накоплению влаги в грунте вокруг водоотводов [43]. Затем при наступлении холодного периода с отрицательной температурой воздуха происходит промерзание грунта с поверхности и с боковых стенок лотков по аналогии, к примеру, с подпорными стенами. При промерзании не только с поверхности, но с боковой стенки лотка происходят деформации морозного пучения грунта не только в вертикальном направлении, но и в горизонтальном направлении [31].

В траншее снаружи композитных лотков согласно Альбому [3] предусмотрено требование по устройству обратной засыпки из дренирующего грунта, как показано на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - Устройство обратной засыпки

Но как видно из рисунка 1.8, исходя из размеров засыпки дренирующим грунтом, данное требование предназначено только для выравнивания поверхности дна траншеи для укладки лотка и засыпке пазух сбоку, образованных из-за необходимости придания устойчивости откосам траншеи до монтажа лотка. Данные размеры засыпки для большинства регионов России не могут обеспечить защиту от промерзания местного глинистого грунта, расположенного вокруг траншеи, а значит и предотвратить морозное пучение. По причине того, что силы морозного пучения достаточно велики [37, 46, 47, 48] конструкции ПКЛ не могут им сопротивляться, как и железобетонные лотки. Хотя в данном случае у ПКЛ есть некоторое преимущество перед железобетонными лотками, которое заключается в гибкости конструкции и в возможность деформироваться под нагрузкой без разрушения в отличии от железобетона, который является намного более жестким материалом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Салмин Андрей Олегович, 2025 год

Температура

И

- 2.5

- -1.5 -.2.0

I

стью Х2М1п

ей

м н У. о 544.95 Ч 4.54.05 Ч 3.6- 3.154 2.7-2.25—| 1-Й 1.35—| 0.9—| 045-1 оЧ

1 1

✓--

—

............................. 9 2 4! ......... 5 ! ....................................... ] 10 12 14 1 ■■■■■■■■■ | 6 1 .........1 а 20

Рисунок 4.3 - Изотермы -0,3 0С для лотка высотой 1,0 м с крышкой на 01.04:

зелёный - без обратной засыпки; красный - с обратной засыпкой по альбому; синий - с теплоизоляцией и альтернативной обратной засыпкой 10 см

Температура

Рисунок 4.4 - Изотермы -0,3 ос для лотка высотой 0,75 м без крышки на

01.04:

зелёный - без обратной засыпки; красный - с обратной засыпкой по альбому; синий - с теплоизоляцией и альтернативной обратной засыпкой 10 см

Рисунок 4.5 - Изотермы -0,3 ос для лотка высотой 0,75 м с крышкой на 01.04:

зелёный - без обратной засыпки; красный - с обратной засыпкой по альбому; синий - с теплоизоляцией и альтернативной обратной засыпкой 10 см

Рисунок 4.6 - Изотермы -0,3 ос для лотка высотой 0,5 м без крышки на 01.04:

зелёный - без обратной засыпки; красный - с обратной засыпкой по альбому; синий - с теплоизоляцией и альтернативной обратной засыпкой 10 см

Рисунок 4.7 - Изотермы -0,3 0С для лотка высотой 0,5 м с крышкой на 01.04:

зелёный - без обратной засыпки; красный - с обратной засыпкой по альбому; синий - с теплоизоляцией и альтернативной обратной засыпкой 10 см

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

- промерзание для всех лотков при наличии крышки больше, чем без нее из-за теплоизолирующей способности снега, который попадает в лоток, если крышка отсутствует;

- с устройством обратной засыпки промерзание суглинка уменьшается;

- со стороны пути горизонтальная проекция промерзания суглинка меньше, чем с полевой стороны за счет более вертикального направления градиента температуры;

- при устройстве теплоизоляции по стенкам лотка и альтернативной обратной засыпки толщиной 10 см с теплоизоляцией 5 см влияние сооружения водоотвода на температурный режим грунта значительно снижается.

Для количественной оценки влияния морозного пучения грунта на композитные лотки проведены расчеты величины пучения грунта горизонтального за стенками лотка и вертикального по дну. Принята гипотеза о пучении, перпендикулярном фронту промерзания вблизи лотка, которое затем разложено на составляющие по следующему алгоритму:

1) Из результатов моделирования температурного режима (1 этап) бралось положение изотермы -0,3 0С (температура начала замерзания суглинка) с шагом по времени 2 недели с 15.11 по 01.04;

2) Определялась величина промерзания с шагом по глубине 0,1 м как вектора перпендикулярного к изотермам [32];

3) Определялась длина горизонтальной проекции вектора величины промерзания (рисунок 4.8);

Рисунок 4.8 - Определение величины промерзания и длины горизонтальной

составляющей вектора промерзания

4) Длина горизонтальной проекции величины промерзания умножалась на значение интенсивности пучения грунта;

5) Складывались все полученные значения горизонтальной проекции промерзания на одной глубине.

Допускаемое сужение стенок лотка принято согласно [64], поэтому максимальную величину суммарного морозного пучения со стороны двух боковых стенок можно ограничить этой величиной. Исходя из этого допущения по результатам расчетов для рассматриваемого участка критическая интенсивность пучения для вариантов лотка без обратной засыпки составила 6 %, а для лотка с базовой конструкцией обратной засыпки — 7 %. Вариант альтернативной конструкции обратной засыпки, с теплоизоляцией, работает без деформаций пучения при любой его интенсивности, поскольку в нем отсутствует промерзание суглинка со стороны лотка.

В настоящее время нормативное значение, регламентирующее величину пучения грунта под дном лотка, не установлено. В связи с этим предлагается принять нормативное значение в соответствии с [104] равным 35 мм, как для пути на линии 4-й категории. Тогда критическая интенсивность пучения для лотков всех высот с обратной засыпкой и без нее составит 4 %.

В таблицах 4. 6 - 4.11 приведены рассчитанные значения величин пучения грунта за стенками лотков, а в таблицах 4.12 - 4.17 по дну лотков.

Так же были проведены расчёты случая, когда относительная деформацией пучения мёрзлого грунта /с = 7 % (среднепучинистый) [103]. В таблицах 4.18 - 4.23 приведены рассчитанные значения величин пучения грунта за стенками лотков, а в таблицах 4.24 - 4.29 по дну лотков.

17%

Глуби на, м Горизонтальное пучение, мм

От пути С полевой стороны

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 0 0 0 0 0 0

0,1 24 22 0 2 12 9

0,2 90 51 0 54 48 0

0,3 97 56 0 88 65 0

0,4 119 70 0 124 90 5

0,5 139 80 17 155 116 20

0,6 155 95 0 187 139 32

0,7 155 114 19 196 158 34

0,8 156 122 15 207 167 26

0,9 155 131 12 197 162 2

1 146 151 9 155 143 0

Таблица 4.7 - Значения величин горизонтального пучения грунта за стенками лотка высотой 1 м с крышкой при /с = 17 %

Глуби на, м Горизонтальное пучение, мм

От пути С полевой стороны

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 0 0 0 0 0 0

0,1 36 5 0 3 0 9

0,2 92 7 0 53 3 0

0,3 100 20 0 87 26 0

0,4 114 29 0 126 54 5

0,5 143 43 17 163 83 20

0,6 148 61 0 194 114 32

0,7 158 92 19 207 139 34

0,8 165 107 15 204 158 26

0,9 168 117 12 199 153 2

1 153 128 9 182 153 0

17%

Глуби на, м Горизонтальное пучение, мм

От пути С полевой стороны

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 0 0 0 0 0 0

0,05 5 2 0 0 0 0

0,15 37 9 0 20 10 0

0,25 70 20 0 70 26 0

0,35 85 34 0 100 49 5

0,45 97 48 17 131 78 20

0,55 102 66 0 143 102 32

0,65 97 77 19 145 121 34

0,75 88 87 0 141 131 0

Таблица 4.9 - Значения величин горизонтального пучения грунта за стенками лотка высотой 0,75 м с крышкой при ^ =

17 %

Глуби на, м Горизонтальное пучение, мм

От пути С полевой стороны

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 0 0 0 0 0 0

0,05 5 2 0 0 0 0

0,15 37 10 0 19 10 0

0,25 71 19 0 65 24 0

0,35 88 34 0 99 46 5

0,45 99 49 17 133 80 20

0,55 107 66 19 150 105 32

0,65 111 83 0 170 131 34

0,75 104 94 0 151 143 0

17 %

Горизонтальное пучение, мм

Глуби От пути С полевой стороны

на, м Без обратной С обратной засыпкой по С теплоизоляцией в Без обратной С обратной засыпкой по С теплоизоляцией в

засыпки Альбому обратной засыпке засыпки Альбому обратной засыпке

0 0 0 0 0 0 0

0,1 41 5 0 9 2 0

0,2 65 24 0 56 20 0

0,3 71 31 0 82 37 0

0,4 68 43 0 94 65 0

0,5 51 53 17 100 85 17

Таблица 4.11 - Значения величин горизонтального пучения грунта за стенками лотка высотой 0,5 м с крышкой при ^ =

17 %

Горизонтальное пучение, мм

Глуби Слева Справа

на, м Без обратной С обратной засыпкой по С теплоизоляцией в Без обратной С обратной засыпкой по С теплоизоляцией в

засыпки Альбому обратной засыпке засыпки Альбому обратной засыпке

0 0 0 0 0 0 0

0,1 19 5 0 12 0 0

0,2 58 24 0 54 22 0

0,3 68 32 0 80 41 0

0,4 85 49 0 105 65 0

0,5 85 60 17 114 85 17

Ширина, м Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 162 143 0

0,25 163 146 0

0,5 156 139 0

Таблица высотой 1 4.1 3 - Значения величин вертикального пучения грунта по дну лотка ,0 м с крышкой при ^ = 17 %

Ширина, м Вертикальное пучение, мм

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 175 158 0

0,25 182 160 0

0,5 175 158 0

Таблица 4.14 - Значения величин вертикального пучения грунта по дну лотка высотой 0,75 м без крышки при £ = 17 %

Ширина, м Вертикальное пучение, мм

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 162 145 0

0,25 160 150 0

0,5 158 143 0

Таблица 4.15 - Значения величин вертикального пучения грунта по дну лотка

высотой 0,75 м с крышкой при fc = 17 %

Ширина, м Вертикальное пучение, мм

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 173 158 0

0,25 177 163 0

0,5 173 155 0

Таблица 4.16 - Значения величин вертикального пучения грунта по дну лотка

высотой 0,5 м без крышки при /с = 17 %

Ширина, м Вертикальное пучение, мм

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 173 155 49

0,25 170 160 36

0,5 165 155 24

Таблица 4.17 - Значения величин вертикального пучения грунта по дну лотка

высотой 0,5 м с крышкой при fc = 17 %

Ширина, м Вертикальное пучение, мм

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 187 168 51

0,25 185 168 39

0,5 185 165 26

7 %

Горизонтальное пучение, мм

Глуби От пути С полевой стороны

на, м Без обратной С обратной засыпкой по С теплоизоляцией в Без обратной С обратной засыпкой по С теплоизоляцией в

засыпки Альбому обратной засыпке засыпки Альбому обратной засыпке

0 0 0 0 0 0 0

0,1 10 9 0 1 5 4

0,2 37 21 0 22 20 0

0,3 40 23 0 36 27 0

0,4 49 29 0 51 37 2

0,5 57 33 7 64 48 8

0,6 64 39 0 77 57 13

0,7 64 47 8 81 65 14

0,8 64 50 6 85 69 11

0,9 64 54 5 81 67 1

1 60 62 4 64 59 0

Таблица 4.19 - Значения величин горизонтального пучения грунта за стенками лотка высотой 1 м с крышкой при /с = 7 %

Глуби на, м Горизонтальное пучение, мм

От пути С полевой стороны

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 0 0 0 0 0 0

0,1 15 2 0 1 0 0

0,2 38 3 0 22 1 0

0,3 41 8 0 36 11 0

0,4 47 12 0 52 22 0

0,5 59 18 0 67 34 0

0,6 61 25 0 80 47 0

0,7 65 38 0 85 57 0

0,8 68 44 0 84 65 0

0,9 69 48 0 82 63 0

1 63 53 0 75 63 0

7 %

Глуби на, м Горизонтальное пучение, мм

От пути С полевой стороны

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 0 0 0 0 0 0

0,05 5 2 0 0 0 0

0,15 37 9 0 20 10 0

0,25 70 20 0 70 26 0

0,35 85 34 0 100 49 0

0,45 97 48 0 131 78 0

0,55 102 66 0 143 102 0

0,65 97 77 0 145 121 0

0,75 88 87 0 141 131 0

Таблица 4.21 - Значения величин горизонтального пучения грунта за стенками лотка высотой 0,75 м с крышкой при ^ =

7 %

Пучение, м

Глуби От пути С полевой стороны

на, м Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 0 0 0 0 0 0

0,05 5 2 0 0 0 0

0,15 37 10 0 19 10 0

0,25 71 19 0 65 24 0

0,35 88 34 0 99 46 0

0,45 99 49 0 133 80 0

0,55 107 66 0 150 105 0

0,65 111 83 0 170 131 0

0,75 104 94 0 151 143 0

7 %

Глуби на, м Горизонтальное пучение, мм

От пути С полевой стороны

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 0 0 0 0 0 0

0,1 41 5 0 9 2 0

0,2 65 24 0 56 20 0

0,3 71 31 0 82 37 0

0,4 68 43 0 94 65 0

0,5 51 53 0 100 85 0

Таблица 4.23 - Значения величин горизонтального пучения грунта за стенками лотка высотой 0,5 м с крышкой при ^ =

7 %

Горизонтальное пучение, мм

Глуби От пути С полевой стороны

на, м Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 0 0 0 0 0 0

0,1 19 5 0 12 0 0

0,2 58 24 0 54 22 0

0,3 68 32 0 80 41 0

0,4 85 49 0 105 65 0

0,5 85 60 0 114 85 0

Ширина, м Вертикальное пучение мм

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 67 59 0

0,25 67 60 0

0,5 64 57 0

Таблица 4.25 - Значения величин вертикального пучения грунта по дну лотка

высотой 1,0 м с крышкой при ^ = 7 %

Ширина, м Вертикальное пучение мм

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 72 65 0

0,25 75 66 0

0,5 72 65 0

Таблица 4.26 - Значения величин вертикального пучения грунта по дну лотка

высотой 0,75 м без крышки при = 7 %

Ширина, м Вертикальное пучение мм

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 67 60 0

0,25 66 62 0

0,5 65 59 0

Таблица 4.27 - Значения величин вертикального пучения грунта по дну лотка

высотой 0,75 м с крышкой при = 7 %

Ширина, м Вертикальное пучение мм

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 71 65 0

0,25 73 67 0

0,5 71 64 0

Таблица 4.28 - Значения величин вертикального пучения грунта по дну лотка

высотой 0,5 м без крышки при = 7 %

Ширина, м Вертикальное пучение мм

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 71 64 20

0,25 70 66 15

0,5 68 64 10

Таблица 4.29 - Значения величин вертикального пучения грунта по дну лотка

высотой 0,5 м с крышкой при = 7 %

Ширина, м Вертикальное пучение мм

Без обратной засыпки С обратной засыпкой по Альбому С теплоизоляцией в обратной засыпке

0 77 69 21

0,25 76 69 16

0,5 76 68 11

- величина пучения при наличии крышки больше для лотков всех высот за счет отсутствия влияния теплоизолирующей способности снежного покрова, который не попадает в лоток;

- величина пучения при наличии стандартной обратной засыпки несколько меньше, чем при ее отсутствии, но даже с ней при интенсивности пучения более 7 % для условий рассматриваемого участка пучение приводит к недопустимому сужению сечения лотка, а при интенсивности пучения 4 % возникает вертикальное выпучивание на 35 мм, что может способствовать возникновению обратных уклонов в секциях лотка;

- в предложенном альтернативном варианте конструкции обратной засыпки лотка с теплоизоляцией для условий рассматриваемого участка отсутствует воздействие морозного пучения на лоток как с боков, так и со дна, что позволяет рекомендовать применение этой конструкции в пучинистых грунтах.

4.5 Выводы к главе 4

На основании проведенных расчётов можно сделать следующие основные выводы.

1) Нарушение требования по обратной засыпке при условии устройства водоотвода в пучинистых грунтах приводит к деформациям стенок композитных лотков вследствие горизонтального пучения и их выпору по дну в следствии вертикального пучения грунта под дном лотка.

2) Устройство обратной засыпки по Альбому [3] уменьшает величину морозного пучения т.к. обратная засыпка выполняется из дренирующего непучинистого грунта, однако, такие материалы имеют большую теплопроводность, что увеличивает ореол промерзания вокруг лотка, и, в свою

очередь, также приводит к деформациям стенок и дна лотка даже при небольшой интенсивности пучения грунта.

3) Устройство альтернативной обратной засыпки с теплоизоляцией позволяет изменить температурные градиенты при промерзании грунта вокруг лотка так, чтобы свести к минимуму величины морозного пучения грунтов.

4) Рекомендуется параметры теплоизоляции уточнять теплотехническими расчётами для конкретного региона проектирования водоотвода.

5) Предлагается установить нормативное значение, регламентирующее величину пучения грунта под дном лотка, равным 35 мм, как для пути на линии 4-й категории по [104].

6) Проведенные расчёты показали, что водоотвод из композитных лотков оказывает охлаждающее влияние на грунт вокруг лотка независимо от наличия или отсутствия обратной засыпки поэтому представляется целесообразным рекомендовать применение композитных лотков на участках с многолетнемерзлыми грунтами, что позволит снизить тепловое воздействие на них.

ЭКСПЛУАТАЦИИ

5.1 Постановка задачи

На композитные лотки в эксплуатации действуют механические нагрузки двух типов: постоянные и временные. К постоянным нагрузкам относятся нагрузки от грунта обратной засыпки за стенками лотков, а также нагрузка от веса ВСП, передаваемого на засыпку сверху. Для лотков в междупутье учёт веса ВСП заложен в расчёт от веса грунта. Расчётная схема лотка в междупутье представлена на рисунке 1.13, а на обочине представлена на рисунке 1.1 1.

Как было показано в главе 1, в действующих нормативных документах [3, 65, 86] поездная нагрузка в расчетах на прочность лотков как композитных, так и железобетонных не учитывается, вместе с тем аналитические расчеты распределения напряжений в грунтах показывают, что при разрешенном удалении лотка от пути величины этих напряжений весьма ощутимы и необходимо исследовать как они меняются в зависимости от расстояния от оси пути и высоты лотка.

При исследовании влияния поездной нагрузки на напряженное состояние лотков была принята предпосылка о том, что давление на его стенки от грунта будут равны горизонтальным напряжениям в массиве грунта, и исходя из этого определялось суммарное давление на стенки лотка от всех трех нагрузок.

Исследование заключалось в получении горизонтальных напряжений по глубине от всех типов нагрузок путем выполнения аналитических и численных расчётов для разных вариантов расположения лотков. При этом в данном случае при аналитических расчетах определение давлений на лотки не зависит от их материала и может быть распространено как на ПКЛ, так и на железобетонные лотки.

5.2.1 Нагрузки и усилия для продольных водоотводных лотков за

обочиной

Давление грунта на стенку лотка Расчёт горизонтальной составляющей давления грунта на стенку лотка со стороны пути еп, кПа, был выполнен по формуле [61]

еп = у * Н * tg2q (5.1)

где у - удельный вес грунта, кН/м3; Н - глубина лотка, м; ф - угол внутреннего трения грунта, град.

Расчёт горизонтальной составляющей давления грунта на стенку лотка со стороны откоса ео, кПа, был выполнен по формуле [61]

ео = у * Н * cos2 а (5.2)

где а - угол откоса, град.

Принимаемые для расчёта исходные данные приведены в таблице 5.1. Таблица 5.1 - Исходные данные для расчёта__

Параметр Величина

Удельный вес грунта у, кН/м3 18

Угол внутреннего трения грунта ф, градусы 30

0,333

Угол откоса а, градусы 30

2 cos2 а 0,75

Полученные результаты расчёта горизонтальных составляющих давления грунта в зависимости от глубины лотка представлены в таблице 5.2

Глубина лотка, м Со стороны пути еп, кПа Со стороны откоса ео, кПа

0,0 0,0 0,00

0,1 0,6 1,35

0,2 1,2 2,70

0,3 1,8 4,05

0,4 2,4 5,40

0,5 3,0 6,75

0,6 3,6 8,10

0,7 4,2 9,45

0,8 4,8 10,80

0,9 5,4 12,15

1,0 6,0 13,50

Давление веса верхнего строения пути Величина интенсивности нагрузки р была принята равной постоянной (прямоугольная эпюра нагрузки) величине 17 кПа [105] на ширине загрузки Ь равной 4,87 м [105]. Расчёты были выполнены при минимальном расстоянии от оси пути до стенки лотка 2,5 м.

Расчеты выполнялись по приведенной в главе 1 формуле (1.1) и расчётной схемой, приведенной на рисунке 1.10, для лотков, расположенных на разных расстояниях от оси пути до ближайшей стенки лотка. Результаты расчета приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 - Давление веса верхнего строения пути, кПа

Глубина лотка, м Расстояние от оси пути до стенки лотка, м

2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

0,1 7,5 1,7 0,8 0,5 0,4 0,3

0,2 7,9 3,1 1,6 1,0 0,7 0,5

0,3 7,8 4,3 2,3 1,5 1,1 0,8

0,4 7,6 5,1 3,0 2,0 1,4 1,1

0,5 7,4 5,6 3,5 2,4 1,7 1,3

0,6 7,2 5,9 4,0 2,8 2,0 1,6

0,7 7,0 6,1 4,3 3,1 2,3 1,8

0,8 6,8 6,1 4,6 3,4 2,6 2,0

0,9 6,6 6,1 4,8 3,7 2,8 2,2

1 6,4 6,1 5,0 3,9 3,0 2,4

Давление от подвижного состава Величина интенсивности поездной нагрузки была принята равной постоянной (прямоугольная эпюра нагрузки) величине Pпс = 90 кПа [60], на ширине загрузки Ьж = 2,7 м [60]. Расчет также проводился по формуле (1.1) для разных расстояний от оси пути до ближайшей стенки лотка. Результаты расчета приведены в таблице 5.4.

Таблица 5.4 - Давление от подвижного состава, кПа

Глубина лотка, м Расстояние от оси пути до стенки лотка, м

2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

0,1 3,5 2,1 1,5 1,1 0,8 0,7

0,2 6,8 4,2 2,9 2,2 1,7 1,3

0,3 9,9 6,3 4,4 3,2 2,5 2,0

0,4 12,6 8,1 5,7 4,3 3,3 2,6

0,5 14,9 9,9 7,0 5,2 4,1 3,3

0,6 16,7 11,4 8,2 6,2 4,8 3,9

0,7 18,2 12,7 9,3 7,1 5,5 4,5

0,8 19,3 13,9 10,3 7,9 6,2 5,0

0,9 20,0 14,8 11,2 8,6 6,9 5,6

1,0 20,4 15,6 11,9 9,3 7,5 6,1

Суммарные горизонтальные составляющие давления Эпюры суммарного горизонтального составляющего давления от всех видов нагрузок, действующих со стороны пути, в зависимости от расстояния до стенки лотка, определены суммированием, исходя из принятой при аналитическом методе гипотезы о линейно-деформируемом теле, для которого справедлив принцип суперпозиции [60] и представлены в таблице 5.5 и рисунке 5.1.

Глубина лотка, м Расстояние от оси пути до стенки лотка, м

2,5 3 3,5 4 4,5 5,0

0 0 0 0 0 0 0

0,1 11,6 4,4 2,9 2,2 1,8 1,5

0,2 15,9 8,6 5,8 4,4 3,6 3,1

0,3 19,5 12,3 8,5 6,5 5,4 4,6

0,4 22,6 15,6 11,1 8,6 7,1 6,1

0,5 25,3 18,4 13,5 10,6 8,8 7,6

0,6 27,5 20,9 15,8 12,5 10,5 9,0

0,7 29,4 23,0 17,8 14,4 12,1 10,5

0,8 30,8 24,8 19,7 16,1 13,6 11,8

0,9 32,0 26,3 21,4 17,7 15,1 13,2

1 32,8 27,6 22,9 19,2 16,5 14,5

Давление, кПа

0 10 20 30 40 50

0 -0,1 -0,2

-0,3 ^ -0,4

га

I -0,5

ю >

^ -0,6 -0,7 -0,8 -0,9 -1

Рисунок 5.1 - Эпюры суммарного горизонтального давления для лотков на

обочине

Определение усилий в расчетном сечении Для применения полученных данных при испытаниях лотков определим равнодействующую суммарного горизонтального давления Е, её плечо 2 и максимальный изгибающий момент МВ.

2,5

3

3,5

4

-4,5 5,0

Е была рассчитана как площадь эпюры суммарного горизонтального давления, ограниченной линиями соответствующей глубины лотка и напряжения (Е = ЕЛЕ, где АЕ - площадь элементарных фигур) по формуле [61 ]

АЕ = 0,5 (ел + ев)ЛН (5.3)

где еа и ев - значения горизонтального давления на уровне верхней и нижней границ элементарной фигуры, кПа;

ЛИ - высота элементарной фигуры, м.

Плечо равнодействующей для каждой элементарной фигуры было определено из условия [61]

^ = АН ^ 2£л+££ (5.4)

3 еА+ев 4 7

Максимальный изгибающий момент, действующий на стенку лотка, Мв, кН-м/пог.м, был определен по формуле [61]

Мв = Е • z (5.5)