Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения надежности
(утв. Распоряжением ОАО «РЖД» от 22.12.2017 № 2706р)
Утверждена Распоряжением ОАО «РЖД» от 22 декабря 2017 г. № 2706р
МЕТОДИКА
ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ПУТЬ ПО УСЛОВИЯМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
ЧАСТЬ I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ПУТЬ ПО КРИТЕРИЯМ ПРОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ
Введение
Задача увеличения провозной и пропускной способности основных направлений сети в условиях несоответствия уровня развития инфраструктуры потребностям перевозочного процесса в определенной степени может быть решена за счет увеличения массы поездов и использования вагонов повышенной грузоподъемности для перевозки соответствующей номенклатуры грузов.
При этом основная проблема состоит в необходимости определения прогноза работы инфраструктуры и, в первую очередь, верхнего и нижнего строения пути при изменении уровня их нагруженности.
Необходимо также учитывать, что значительная часть сети была построена в XIX и начале XX века, когда основным видом подвижного состава были двухосные вагоны грузоподъемностью до 20 т и паровозы с осевой нагрузкой 16 — 18 тс и интенсивность силовых воздействий (грузонапряженность) на путь была несравненно меньше относительно XXI века.
По первому предельному состоянию — показателям разовой прочности — имеется достаточный запас, позволяющий компенсировать и остаточные изгибные напряжения и, в большинстве случаев, температурные напряжения в бесстыковом пути. Это создает иллюзию неограниченных возможностей повышения осевых нагрузок. Однако не менее острой является проблема накопления остаточных деформаций пути, т.е. оценка состояния пути по второму предельному состоянию. Актуальность этого подхода неоднократно отмечалась в трудах отечественных ученых. Так еще в работе Сергеева Б.Н. <1> указывалось: «Часто упускается из вида, что все расчетные формулы представляют собой формулы прочности и основаны на законах упругости. Если бы наш рельсовый путь имел вполне упругое и однородное основание, эти формулы давали бы исчерпывающий ответ. Но в пути наряду с упругими исчезающими деформациями происходят деформации неупругие, остающиеся (например, просадки отдельных шпал), которые, постепенно накапливаясь, могут достигать значительных размеров. При этом основная предпосылка об однородной упругости рельсовых опор окажется нарушенной и действительные напряжения в рельсах могут оказаться далекими от теоретических.»
<1> «Пересмотр действующих правил расчета пути. Пересмотр путевых расчетов», сборник Центрального института научных исследований и реконструкций железнодорожного пути НКПС. Выпуск 11. М.: Гострансиздат, 1931 г. С. 7 — 29
Накопление неупругих деформаций зависит не столько от величины нагрузки, сколько от продолжительности и числа повторяющихся воздействий. Поэтому момент, когда остающиеся деформации достигнут недопустимого предела, зависит главным образом от интенсивности движения. Между тем, расчетные формулы, как и вообще все формулы прочности, имеют в виду лишь упругие деформации, неупругие деформации они не учитывают, как и никаких величин, зависящих от интенсивности движения».
Еще более четко эту позицию спустя почти 70 лет сформулировал профессор Вериго М.Ф. <2>:
<2> «Расчеты пути. Их прошлое, настоящее и будущее», Путь и путевое хозяйство, 1997. № 8. С. 25 — 30
«для современных конструкций пути оценки результатов расчетов напряжений изгиба и кручения в кромках подошвы рельса по критерию прочности лишены какого-либо смысла».
Расчеты по предельному состоянию первой группы призваны предупредить хрупкое или вызванное им иное разрушение, потерю устойчивости, усталостное разрушение, разрушение под совместным действием силовых факторов и окружающей среды и др.
Цель назначения критериев для оценки расчетов по предельному состоянию второй группы — определить такие силы, напряжения, перемещения и деформации (упругие и остаточные), при которых, в пределах заданного срока и условий эксплуатации, гарантируется нормальная эксплуатация объектов, не снижается их долговечность, не возникают чрезмерные равномерные и неравномерные износы важных элементов, предотвращается образование трещин, чрезмерное и длительное их развитие, не появляются деформации, которые могут привести к недопустимому изменению геометрических и механических параметров конструкции».
С этих позиций необходимо рассматривать одну из самых актуальных современных проблем — проблему возможных рациональных границ повышения осевых нагрузок и весов поездов на основе выбора прочностных критериев и уточнения их значений, а также разработку алгоритма использования показателей расчетов по второму предельному состоянию для оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения надежности с учетом современных эксплуатационных условий с разработкой методики натурных измерений расчетных параметров пути и подвижного состава.
Актуализированная методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности (далее — Методика), является очередным этапом развития Правил расчетов пути, действующих на отечественных железных дорогах в редакциях 1925 г., 1931 г., 1936 г., 1940 г. и действующих в настоящее время Правил производства расчетов верхнего строения железнодорожного пути на прочность 1954 г. в редакции 2000 года — Методики оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности.
Задачи, решаемые Правилами, определялись на каждом этапе проблемами, стоящими перед транспортом. Действующие Правила, включают в себя алгоритм расчета сил взаимодействия пути и подвижного состава, а также критерии оценки получаемых показателей.
В свою очередь эти критерии были получены на основе экспериментальных и теоретических исследований, выполнявшихся на каждом этапе совершенствования Правил расчета.
В настоящее время для современных конструкций пути и существующих параметрах конструкции подвижного состава соблюдение требований прочности элементов верхнего строения пути является необходимым, но не достаточным условием обеспечения надежной работы пути и должны быть дополнены критериями деформативности для оценки пути по параметрам второго предельного состояния.
Исходя из этих положений, методика должна обеспечивать решения, как традиционных вопросов прочности пути, так и современных задач оценки степени деформативности пути, а также выхода из строя элементов верхнего строения пути.
1.1. Назначение методики
Методика предназначена для определения показателей напряженно-деформированного состояния пути при решении следующих задач:
определения напряжений в элементах верхнего строения пути при разработке новых конструкций;
определения показателей воздействия на путь нового и модернизированного подвижного состава, в том числе с повышенными осевыми и погонными нагрузками для допуска его на инфраструктуру ОАО «РЖД»;
определения деформативных характеристик пути при установлении условий обращения нового модернизированного подвижного состава;
определения деформативных характеристик пути на конкретных участках сети при изменении условий эксплуатации.
1.2. Исходные данные для разработки методики
результаты измерения параметров напряженно-деформированного состояния пути на различных участках;
результаты оценки накопления абсолютных деформаций пути (при испытаниях на конкретных участках);
результаты оценки накопления относительных деформаций пути (при испытаниях на конкретных участках);
результаты оценки влияния основания пути на его напряженно-деформированное состояние (при испытаниях на конкретных участках).
1.3. Область применения методики
Оценка параметров нового и модернизированного подвижного состава по допустимости воздействия на путь при его сертификации. Выполняется с учетом результатов испытаний на эталонных участках пути (например, экспериментальное кольцо, опытные полигоны и т.п.).
Оценка новых конструкций элементов верхнего строения пути (далее — ВСП) при их сертификации по обеспечению надежности при эксплуатации. Выполняется с учетом результатов испытаний на эталонных участках пути (например, экспериментальное кольцо, опытные полигоны и т.п.).
Определение показателей воздействия на путь подвижного состава с повышенными осевыми и погонными нагрузками для допуска его на инфраструктуру ОАО «РЖД». Выполняется для участков сети, на которых планируется вводить подвижной состав с повышенными осевыми нагрузками.
Определение деформативных характеристик пути на конкретных участках сети при изменении условий эксплуатации. Выполняется для участков сети, на которых планируется изменять условия эксплуатации.
1.4. Схема построения методики
1.5. Термины и определения
В настоящем документе приняты следующие термины с соответствующими определениями, обозначениями и единицами измерения:
1.5.1 Понятия, определяющие напряженно-деформированное состояние пути:
абсолютные осадки пути: деформации рельсовой колеи в вертикальной плоскости, накопленные во времени, возникающие от влияния различных факторов (воздействия поездов, окружающей среды, деформирования основной площадки земляного полотна и тела насыпи, разрушения балластного материала и элементов рельсовых скреплений) и измеренные от реперов, находящихся вне земляного полотна (мм);
вертикальная жесткость пути: сила, вызывающая осадку пути на 1 мм, (кН/мм);
вертикальный модуль упругости подрельсового основания Uв: величина равномерно распределенной нагрузки, прикладываемой к рельсу и вызывающей упругую осадку его на единицу длины (МПа);
горизонтальная жесткость пути: сила, вызывающая перемещение изгиба пути в горизонтальной плоскости на 1 мм, (кН/мм);
горизонтальный модуль упругости пути Uг: величина равномерно распределенной нагрузки, прикладываемой к рельсу и вызывающей упругое отжатие его на 1 мм, (МПа);
деформации пути (вертикальные и горизонтальные): перемещения рельсо-шпальной решетки, вызывающие изменение геометрии рельсовой колеи, а также изменение формы отдельных элементов верхнего строения, возникающие в результате воздействия подвижного состава и окружающей среды, в том числе осадки и сдвижки решетки, износы рельсов, деформации и разрушения шпал, разрушение частиц балластного материала, пластические деформации балластного слоя и земляного полотна и элементов промежуточных рельсовых скреплений, (мм);
напряженно-деформированное состояние пути: комплекс показателей, включающий: вертикальные и боковые силы, передаваемые от колеса на рельс, деформации пути, напряжения в элементах пути, характеризующие силовую нагруженность пути в целом и отдельных его элементов, возникающую в результате воздействия на путь подвижного состава и окружающей среды;
натурная неровность: неровность в плане и профиле в диапазонах длин 1 — 25 м, 25 — 50 м и 50 — 150 м замеренная геодезическим методами или путем преобразования информации, полученной с помощью мобильных диагностических средств;
остаточная осадка пути: перемещения подошвы или головки рельса в вертикальной плоскости после прохода подвижного состава;
остаточное отжатие рельса: перемещения головки или подошвы рельса в горизонтальной плоскости после прохода подвижного состава;
упругая осадка пути (вертикальный прогиб рельса): перемещение рельса в вертикальной плоскости под проходящим подвижным составом;
упругое отжатие рельса: перемещение головки или подошвы рельса в горизонтальной плоскости под проходящим подвижным составом.
1.5.2. Понятия, характеризующие взаимодействие подвижного состава и пути ГОСТ Р 55050-2012 «Железнодорожный подвижной состав. Нормы допустимого воздействия на железнодорожный путь и методы испытания»;
боковая сила: проекция силы, воспринимаемой внутренней боковой поверхностью головки рельса от воздействия колеса единицы железнодорожного подвижного состава, на поперечную плоскость железнодорожного пути, проходящую через точку контакта колеса и головки рельса.
вертикальная статическая нагрузка колесной пары единицы железнодорожного подвижного состава на рельсы: нагрузка единицы железнодорожного подвижного состава на рельсы, отнесенная к одной колесной паре, с учетом фактического расположения центра тяжести надрессорного строения;
Для тележек с одноступенчатым рессорным подвешиванием — часть массы, расположенной над рессорным подвешиванием с добавлением половины массы элементов, составляющих первичное рессорное подвешивание;
подрессоренная масса железнодорожного подвижного состава: часть массы единицы железнодорожного подвижного состава, расположенная над первой ступенью рессорного подвешивания с добавлением половины массы элементов, составляющих первичное рессорное подвешивание;
рамные силы: поперечные силы взаимодействия между колесной парой и рамой тележки единицы железнодорожного подвижного состава.
типовая конструкция верхнего строения пути: конструкция, включающая в себя бесстыковой железнодорожный путь с рельсами типа Р65, железобетонными шпалами эпюрой от 1840 до 2000 шт. на 1 км, щебеночным балластом, или звеньевой железнодорожный путь с рельсами типа Р65, деревянными шпалами эпюрой от 1840 до 2000 шт. на 1 км, щебеночным балластом;
условия обращения железнодорожного подвижного состава: условия, обеспечивающие безопасность движения, соблюдения правил обслуживания и содержания, а также допустимое воздействие на железнодорожный путь, при обязательном выполнении которых может использоваться железнодорожный подвижной состав в перевозочном процессе при заданных скоростях движения;
1.5.3. Показатели долговечности в соответствии с ГОСТ 32192-2013 «Надежность в железнодорожной технике. Основные понятия. Термины и определения»:
гамма-процентный ресурс (железнодорожного пути): ресурс железнодорожного пути, в течение которого железнодорожный путь не достигнет предельного состояния с вероятностью \gamma , выраженной в процентах;
гамма-процентный срок службы (железнодорожного пути): срок службы, в течение которого железнодорожный путь не достигнет предельного состояния с вероятностью \gamma , выраженный в процентах;
средний ресурс (железнодорожного пути): математическое ожидание ресурса железнодорожного пути;
средний срок службы (железнодорожного пути): математическое ожидание срока службы железнодорожного пути;
1.5.4. Понятия, относящиеся к видам технического состояния пути в соответствии с ГОСТ 32192-2013 «Надежность в железнодорожной технике. Основные понятия. Термины и определения», ГОСТ 33433-2015 «Управление рисками на железнодорожном транспорте», ГОСТ Р 55443-2013 «Номенклатура показателей надежности и функциональной безопасности»:
исправное состояние железнодорожного пути: состояние железнодорожного пути без отступлений от норм и допусков его устройства и содержания, установленных в технической и (или) нормативной документации;
неисправное состояние железнодорожного пути: состояние железнодорожного пути с отступлениями от норм и допусков его устройства и содержания, но при котором значения всех его параметров соответствуют требованиям безопасного пропуска поездов с установленными скоростями;
неработоспособное состояние железнодорожного пути: состояние железнодорожного пути с отступлениями от норм и допусков его устройства и содержания, требующими ограждения сигналами остановки движения поездов до восстановления работоспособного состояния;
работоспособное состояние железнодорожного пути: состояние железнодорожного пути без отступлений от норм и допусков его устройства и содержания или с отступлениями от указанных норм и допусков, но при условии обеспечения безопасного пропуска поездов с установленной скоростью;
частично работоспособное состояние железнодорожного пути: состояние железнодорожного пути с отступлениями от норм и допусков его устройства и содержания, вызывающими ограничения скорости движения поездов;
1.5.5. Понятия, относящиеся к надежности пути ГОСТ Р 55443-2013 «Номенклатура показателей надежности и функциональной безопасности»:
безопасность пути: свойство пути, обеспечивать безопасное движение железнодорожного подвижного состава с наибольшими скоростями в пределах допустимых значений в течение заданного периода времени;
дефект пути: отдельное несоответствие пути установленным техническим требованиям, обусловленное отступлениями от технологии изготовления материалов и конструкций пути или от технологии его ремонта, реконструкции или строительства;
деформация земляного полотна: изменение во времени формы, размеров и литологического строения земляного полотна, вызываемое неблагоприятным воздействием природных и техногенных факторов;
долговечность пути: его способность сохранять свои эксплуатационные свойства в течение как можно большего времени;
надежность пути: его способность обеспечивать бесперебойный пропуск поездов с установленной скоростью в заданных условиях эксплуатации, текущего содержания и ремонтов. Надежность работы конструкции (пути) обеспечивается при нахождении показателей напряженно-деформативного состояния пути в установленных данной Методикой пределах;
повреждение пути: событие, заключающееся в нарушении исправного состояния пути в результате воздействий на него в процессе эксплуатации, с сохранением работоспособного состояния;
полный отказ пути: отказ пути, в результате которого требуется прекращение движения поездов до восстановления работоспособного состояния пути;
прочность материалов ВСП и грунтов земляного полотна: их способность воспринимать действующие нагрузки без разрушения;
стабильность пути: его способность сохранять прочность, устойчивость и отсутствие увеличения интенсивности накопления остаточных деформаций в течение длительного срока;
устойчивость конструкции ВСП: ее способность сохранять равновесие при воздействии температурных сил и поездной нагрузки рельсошпальной решетки без изменения формы рельсовой колеи (выбросов пути);
устойчивость конструкции земляного полотна: ее способность сохранять равновесие грунтовых масс при воздействии внешних нагрузок и гравитационных сил;
частичный отказ пути: отказ пути, в результате которого требуется ограничение скорости движения поездов по пути.
1.6. Обоснование необходимости пересмотра критериев Методики оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения надежности, утвержденной МПС России 16 июня 2000 г. № ЦПТ-52/14
С учетом требований ГОСТ 32192-2013 «Надежность в железнодорожной технике. Основные понятия. Термины и определения» для современных условий эксплуатации необходимо уточнение критериев по прочности и надежности пути на основе экспериментальных и теоретических исследований, в том числе:
уточнить значения критериев прочности пути;
уточнить значения расчетных параметров пути для современных условий эксплуатации;
дополнить расчеты по прочности пути расчетами по накоплению деформаций (по второму предельному состоянию).
ЧАСТЬ II. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПУТИ НА ПРОЧНОСТЬ ПО УСЛОВИЯМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
2.1. Алгоритм получения исходной информации
Надежность работы конструкции пути оценивается по следующим показателям, определяемым требованиями нормативной документации для каждого элемента конструкции пути:
показатели долговечности железнодорожного пути (см. пункт 1.5.3. Методики);
понятия, относящиеся к видам технического состояния пути (см. пункт 1.5.4. Методики);
понятия, относящиеся к надежности пути (см. пункт 1.5.5. Методики).
Основной алгоритм расчетов пути на прочность, принятый в настоящее время, основывается на следующих основных допущениях и предпосылках, выработанных в процессе эволюции <3> <4> следующим образом:
<3> Правила производства расчетов верхнего строения железнодорожного пути на прочность, МПС СССР, ВНИИЖТ, 1954.
<4> Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. Всесоюзное издательско-полиграфическое объединение Министерства путей сообщения, М., 1961, 615 с.
-
рельс считается неразрезной балкой бесконечно большой длины неизменного сечения, лежащей на многих равноупругих точечных опорах или на сплошном равноупругом основании;
-
вертикальные силы принимаются приложенными в плоскости симметрии рельсов. Рельсы обеих нитей колеи принимаются равнозагруженными;
-
принимается, что колеса при движении не отрываются от рельсов и не создают ударных воздействий;
-
в основу расчета кладется допущение о линейной зависимости между давлением на единицу площади основания и вызываемой им упругой осадкой основания;
-
все характеристики пути, входящие в расчет, в том числе допускаемые напряжения, принимаются за неслучайные величины;
-
при расчете рельса на изгиб за физическое допускаемое напряжение принимается минимально возможное значение условного предела текучести рельсовой стали;
-
продольные температурные силы и силы угона непосредственно расчетом не учитываются, а учитываются только некоторым снижением физического допускаемого напряжения;
-
горизонтальные поперечные силы и внецентренность приложения вертикальной нагрузки учитываются посредством специального коэффициента f0 перехода от осевых напряжений в подошве рельса к напряжениям в его наружной кромке;
-
статическая нагрузка, передаваемая через колесо на рельс, принимается за неслучайную величину;
-
воздействия всех видов колебаний надрессорного строения учитываются эмпирически устанавливаемой величиной z дополнительного сжатия рессорного комплекта и динамической жесткостью рессоры;
-
учитываются влияния изолированных неровностей на пути и изолированных и непрерывных неровностей на колесах;
-
равнодействующая всех вертикальных сил, учитываемых расчетом и передаваемых расчетным колесом на рельс, берется в ее наибольшем значении с вероятностью \Phi = 0,994 , что это значение не будет превышено;
-
собственные напряжения в элементах верхнего строения не учитываются;
-
расчет ведется для заданного сечения пути при движении по нему одноименных колес большого количества разных экипажей одного и того же типа. При этом расчетное сечение выбирают в месте наибольшего сжатия рессор.
2.1.1. Алгоритм определения критериев прочности для новых элементов верхнего строения пути.
При выборе критериев оценки параметров напряженно-деформированного состояния необходимы критерии оценки полученных расчетом или экспериментальным путем параметров не только по первому критическому состоянию — критерии прочности и устойчивости, но также критерии оценки по второму критическому состоянию — критерии долговечности. В основу разработки этих критериев для металлических элементов верхнего строения принимается кривая усталости Веллера, а также математическое выражение, описывающее усталостную кривую:
\sigma_{0}^{m} \cdot n_{0} = G = const , (2.1.1)
где: \sigma_{0} — напряжения в материале, образующиеся при нагружении;
m — степенной показатель, зависящий от материала;
n0 — число циклов нагрузки, необходимое для достижения усталостного ресурса материала.
Значение G называется ресурсом усталостной прочности материала, а значение D = \sigma^{m} — это показатель повреждаемости, характеризующий условия нагружения детали, изготовленной из этого материала. На рисунке 2.1.1. изображена кривая усталости, характерная для металлов.
Рисунок 2.1.1. Усталостная кривая (кривая Веллера) для металлических материалов
В качестве критерия прочности \sigma_{\text{п}} для материала принимается значение напряжения с кривой усталости при малом (до 140) числе циклов нагрузки.
С учетом формулы (2.1.1) можно получить другое известное соотношение, позволяющее определять для того же материала число циклов n1, необходимое для достижения усталостного ресурса при напряжениях \sigma_{1} :
\sigma_{0}^{m} \cdot n_{0} = \sigma_{1}^{m} \cdot n_{1} (2.1.2)
Выражение (2.1.2) может быть положено в основу методики по определению критериев долговечности для элементов пути, изготовленных из различных материалов.
Методика определения критериев состоит из следующих основных этапов:
-
получение в лабораторных условиях кривой усталости Веллера или использование ранее полученных кривых для аналогичных материалов;
-
вычисление значений m, \sigma_{0} , n0 по результатам эксплуатационных наблюдений;
-
определение необходимого числа циклов n1, которое должен выдержать элемент пути без разрушения. Осуществляется для каждого класса линии из следующего выражения n1 = T/P, где T — потребный ресурс элемента пути, млн.т. брутто, P — нагрузка на элемент пути, тс;
-
вычисление из соотношения (2.1.2) допускаемого по условию долговечности значения напряжения \sigma_{1} .
Полученные значения сопоставляются с нормативными. Данный метод используется для элементов верхнего строения пути.
2.1.2. Алгоритм определения модуля упругости пути по результатам натурных измерений.
Для оценки деформативности пути необходимо определить модуль упругости пути U, МПа (кг/см2), рассчитанный для современных конструкций пути.
Поскольку послойное определение деформаций в настоящее время на действующих линиях весьма затруднительно, алгоритм определения модуля упругости пути представляем в следующем виде:
определение вертикальных абсолютных деформаций рельса и шпалы под калиброванной нагрузкой геодезическим методом относительно репера, расположенного вне земляного полотна при расположении измерительных приборов также вне земляного полотна;
определение геологического строения подрельсового основания;
определение относительных вертикальных деформаций пути с помощью диагностического комплекса (далее — СПМ-18) или измерений относительно свай различной длины;
построение корреляционных зависимостей связей абсолютных и относительных деформаций в различных условиях эксплуатации для получения модулей упругости и последующих расчетов;
разработка алгоритма обследования сети на участках предполагаемого движения вагонов с повышенной осевой нагрузкой и тяжеловесного движения.
В зависимости от решаемых задач подход к точности определения модуля упругости пути может варьироваться: например, для определения влияния основания насыпи на деформативные процессы при повышении осевых нагрузок требуется высокая точность измерения абсолютных деформаций, а при оценке влияния жесткости подрельсовых прокладок на процессы взаимодействия можно ограничиться относительными деформациями рельсов относительно основной площадки земляного полотна.
Алгоритм определения модуля упругости пути по результатам натурных измерений:
Измерение параметра силового взаимодействия — вертикальной силы, выполняется методом прямого тензометрирования. Измерение вертикальных перемещений рельса, производится датчиками перемещения, принцип работы которых основан на прямом тензометрическом методе.
При подготовке к испытаниям по воздействию на путь на рельсах, расположенных в пределах измерительных участков пути, измерение боковых сил производится методами тензометрии согласно действующей нормативной документации.
На пути оборудуются сечения для фиксации вертикальной нагрузки, передаваемой от колеса на головку рельса, вертикальных перемещений рельса.
Тензорезисторы для измерений вертикальных сил наклеиваются вертикально на уровне нейтральной оси рельса.
Для измерения перемещений рельса на пути используются прогибомеры, а также результаты геодезической съемки. Прогибомеры крепятся к свайке-стойке забитой на 70 — 80 см в балласт в шпальном ящике.
Прогиб рельса и отжатие головки или подошвы рельса определяются в середине шпального ящика; отжатие головки может также определяться в сечении на шпале.
- по абсолютным просадкам рельса yабс при приложении фактической вертикальной силы Pфакт определяем модуль упругости пути, U, (МПа):
U = (\frac{P_{\text{факт}}}{y_{\text{абс}}})^{\frac{4}{3}} \frac{1}{\sqrt[3]{64EI}} (2.13)
U = \sqrt[3]{\frac{P_{\text{факт}}^{4}}{64\text{у}_{\text{абс}}^{4}EI}} , (2.14)
где: E — модуль упругости рельсовой стали, (МПа);
I — момент инерции сечения рельса относительно его вертикальной оси симметрии, (м4).
- определение напряжений в подошве рельса \sigma_{\text{к}.\text{расч}.} предусмотрено в критериях Норм допускаемых скоростей движения подвижного состава утвержденных приказом МПС России от 12 ноября 2001 г. № 41 федерального железнодорожного транспорта (далее — Нормы допускаемых скоростей движения подвижного состава):
\sigma_{\text{к}.\text{расч}.} = \frac{M_{\text{дин}}}{W} , (2.1.5)
где: Mдин — величина изгибающего момента, (Н·м);
W — момент сопротивления рельса, (см3):
\sigma_{\text{к}.\text{расч}.} = \frac{f}{4kW} \cdot (P_{\text{ср}} + 2,5S + \sum P_{\text{ср}} \cdot \mu) , (2.16)
где: f — коэффициент, учитывающий действие на путь боковых сил.
- сравниваем \sigma_{\text{к расч}} и фактические замеренные величины кромочных напряжений с корректировкой, при необходимости, величины модуля упругости.
Алгоритм определения деформативных характеристик основной площадки земляного полотна.
В Инструкции по устройству подбалластных защитных слоев при реконструкции (модернизации) железнодорожного пути, утвержденной распоряжением ОАО «РЖД» от 12 декабря 2012 г. № 2544р (далее — Инструкция по устройству подбалластных защитных слоев) изложены критерии для показателей подбалластного защитного слоя: коэффициент уплотнения, статического и динамического модулей деформации в уровне основания защитного слоя и в уровне верха защитного слоя; методы и средства их контроля.
Модуль деформации подбалластного основания определяют по результатам нагружения его поверхности с помощью штампа (на глубине 40 см от подошвы шпалы) вертикальной нагрузкой. Нагрузку на штамп следует прилагать в пять ступеней нагружения с интервалами равными 0,1 (МПа). Изменение нагрузки от одной ступени до другой должно происходить в течение 1 минуты. При нагружении или разгружении штампа нагрузка следующей ступени должна быть приложена в каждом случае через 2 минуты после достижения предыдущей ступени нагрузки. На каждой ступени необходимо поддерживать постоянную нагрузку.
Если при нагружении ошибочно была приложена нагрузка больше предусмотренной, то ее нельзя снижать, а следует оставить и отметить в протоколе испытаний. Данные измерений осадки штампа заносятся в протокол испытаний рядом с соответствующей нагрузкой.
Разгрузка штампа производится в три ступени: 50, 25 и 0% от максимальной нагрузки. После полной разгрузки выполняют следующий цикл нагружения, но только до предпоследней ступени нагружения первого цикла, чтобы остаться в преднагрузочном диапазоне.
Для контроля второго нагрузочного цикла после ступенчатой полной разгрузки может быть выполнен третий цикл нагружения, однако, при этом после второй ступени нагружения непосредственно следует конечная нагрузка второго нагрузочного цикла без дальнейших промежуточных ступеней.
Полученные значения модуля деформации подбалластного основания EV2 <5>, а также отношение EV2 к EV1 <6>, сравнивают с нормативными значениями для соответствующей категории линии, приведенными в Инструкции по устройству подбалластных защитных слоев.
<5> модуль деформации EV2 определяется по ветви второго загружения при штамповых испытаниях согласно методике, приведенной в приложении «В» Инструкции по устройству подбалластных защитных слоев при реконструкции (модернизации) железнодорожного пути.
<6> модуль деформации EV1 определяется по ветви первого нагружения при штамповых испытаниях согласно методике, приведенной в приложении «В» Инструкции по устройству подбалластных защитных слоев при реконструкции (модернизации) железнодорожного пути.
2.2. Порядок расчетов
Основные расчетные формулы, используемые в Методике, приняты в соответствии с Правилами производства расчетов верхнего строения железнодорожного пути на прочность и Методике оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности.
Правила производства расчетов верхнего строения железнодорожного пути на прочность:
2.2.1 Величина изгибающего момента Mдин, (Н·м):
M_{\text{дин}} = (\frac{1}{4k}) \cdot (P_{\text{ср}} + 2,5 \cdot S + \sum P_{\text{ср}} \cdot \mu) (2.2.1)
2.2.2 Прогиб рельса yдин, (мм):
y_{\text{дин}} = \frac{k}{2u} P_{\text{экв}}^{II} (2.2.2)
2.2.3 Эквивалентная сила для изгибающего момента PIэкв, (Н):
P_{\text{экв}}^{I} = (P_{\text{ср}} + 2,5S + \sum P_{\text{ср}}\mu) , (2.2.3)
где — Pср — сумма средних значений всех вертикальных переменных сил, которая определяется следующей зависимостью:
P_{\text{ср}} = P_{\text{ст}} + P_{\text{р}}^{\text{ср}} , (2.2.3.1)
где: Pср — статическое давление колеса на рельс, (Н);
P_{\text{р}}^{\text{ср}} — среднее дополнительное давление от колебания рессор в расчетном сечении (Н); расчетным сечением рельса считается такое, в котором совпадают максимум среднего значения силы от колебаний надрессорного строения с зоной наибольшего динамического эффекта от изолированной неровности пути, которая находится у выхода из неровности, при этом:
P_{\text{р}}^{\text{ср}} = 0,75 \cdot P_{\text{р}} , (2.2.3.2)
где: Pр — максимальное дополнительное вертикальное воздействие на путь от колебаний рессор Pр определяется в зависимости от максимальной дополнительной просадки рессор zmax (сверх статического прогиба) и приходящейся на колесо жесткости рессор Ж по формуле:
Для электровозов и тепловозов с двухступенчатым подвешиванием величину Pр рекомендуется определять исходя из коэффициента динамики подрессорной части локомотива Кд и статического прогиба рессорного подвешивания fст по формуле:
где: \text{К}_{\text{д}} = 0,1 + 0,2* \frac{v}{f_{\text{ст}}} ;
q — отнесенный к колесу вес неподрессоренных частей, (кг);
v — расчетная скорость движения локомотива, (км/ч);
fст — общий статический прогиб; при двуступенчатом рессорном подвешивании fI — статический прогиб подвешивания первой ступени (между тележкой и буксами), fII — то же второй ступени (между кузовом и тележкой).
2.2.4 Эквивалентная сила для давления на шпалу и для прогиба PIIэкв, (Н):
P_{\text{экв}}^{II} = (P_{\text{ст}} + 2,6S_{\text{нп}} + \sum P_{\text{ср}}\eta) (2.2.4)
В случаях, когда не требуется большая точность можно использовать более приближенные формулы:
P_{\text{экв}}^{I} = (P_{\text{ст}} + 2,6S_{\text{нп}} + \sum P_{\text{ср}}\mu) (2.2.4.1)
P_{\text{экв}}^{II} = (P_{\text{ст}} + 2,6S_{\text{нп}} + \sum P_{\text{ср}}\eta) (2.2.4.2)
2.2.5 Величина суммарного среднеквадратического отклонения S:
S = \sqrt{S_{p}^{2} + S_{\text{н}.\text{п}.}^{2} + \frac{q_{1}}{100} S_{\text{и}.\text{н}.\text{к}.}^{2} + (1 - \frac{q_{1}}{100})S_{\text{н}.\text{н}.\text{к}.}^{2}} , (2.2.5)
где: Sр — среднеквадратическое отклонение дополнительного вертикального воздействия на путь Pр от работы рессор Sр = 0,08 Pр;
q1 — процент колес в поезде, имеющих изолированные неровности на колесе. Если нет специально установленных данных, то при расчетах принимаются обычно q1 равным 5%, то есть считают, что остальные 95% колес имеют лишь непрерывные неровности на поверхности катания колес.
Другие, входящие в формулу (2.2.5) среднеквадратические отклонения (S) определяются по формулам:
2.2.6. Среднеквадратическое отклонение дополнительного инерционного вертикального давления от неровности пути Sн.п., (Н):
При расчетах пути на деревянных шпалах используют формулу:
S_{\text{н}.\text{п}.} = 0,565 \cdot 10^{- 8}\beta\gamma lP_{\text{ст}} \sqrt{\frac{u}{k}} \cdot \sqrt{q} \cdot v , (2.2.6.1)
где: \beta — коэффициент, учитывающий тип рельса, принимаемая для рельсов типов:
\gamma — коэффициент, учитывающий род балласта, составляющий следующие величины при балласте:
щебень и сортированный гравий — 1,0;
карьерный гравий и ракушки — 1,1;
При расчетах пути на железобетонных шпалах
S_{\text{н}.\text{п}.} = \frac{9,1*10^{- 3}P_{\text{ср}}v \sqrt{q}}{(EI)^{\frac{1}{8}} *u^{\frac{3}{8}}} (2.2.6.2)
2.2.7. Среднеквадратическое отклонение дополнительного инерционного вертикального усилия на рельсы от влияния непрерывной неровности на колесе Sн.н.к, (Н) определяется по формуле:
S_{\text{н}.\text{н}.\text{к}.} = \frac{0,052 \cdot \alpha_{0} \cdot U \cdot V \sqrt[2]{q}}{d \sqrt[2]{k \cdot U - 3,26k^{2}q}} , (2.2.7)
где: \alpha_{0} — коэффициент, характеризующий отношение необрессоренной массы колеса и участвующей во взаимодействии массы пути;
U — модуль упругости рельсового основания, (кг/см2);
q — отнесенный к колесу вес необрессоренных частей, (кг);
k — коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса, (см-1);
2.2.8. Среднеквадратическое отклонение дополнительного инерционного вертикального усилия на рельсы от влияния изолированной неровности на колесе Sи.н.к., (Н) определяется по формуле:
S_{\text{и}.\text{н}.\text{к}.} = 0.25 \cdot y_{max} \frac{2u}{k} a_{1} (2.2.8)
2.2.9 Давление на шпалу Qдин, (МПа)
Q_{\text{дин}} = \frac{kl}{2} \cdot P_{\text{экв}}^{II} (2.2.9)
2.2.10. Максимальные напряжения в подошве рельса \sigma_{0} , (МПа) от его изгиба под действием момента M:
¡_{o} = \frac{¡}{¡} \overline{à} = \frac{àP_{\text{экв}}^{I}}{à4kW} (2.2.10)
Максимальные напряжения в кромках подошвы рельса \sigma_{\text{к}} , (МПа):
\sigma_{\text{к}} = f \cdot \sigma_{o} (2.2.10.1)
2.2.11. Максимальные напряжения в шпале на смятие под подкладкой (при деревянной шпале) и в прокладке при железобетонной шпале \sigma_{\text{ш}} , (МПа):
\sigma_{\text{ш}} = \frac{Q}{\omega} = \frac{k*l_{\text{ш}}}{2\omega} \cdot P_{\text{экв}}^{II} (2.2.11)
2.2.12 Максимальные напряжения в балласте под шпалой \sigma_{\text{б}} , (МПа):
\sigma_{\text{б}} = \frac{Q_{\text{дин}}}{\Omega_{\alpha}} = \frac{k*l_{\text{ш}}}{2\Omega_{\alpha}} \cdot P_{\text{экв}}^{II} (2.2.12)
2.2.13. Нормальные напряжения на глубине h от подошвы шпалы (в том числе и на основной площадке земляного полотна) по расчетной вертикали \sigma_{h} , (МПа):
\sigma_{h} = \sigma_{h}\prime + \sigma_{h}\prime_{c} + \sigma_{h}\prime\prime_{c} , (2.2.13)
где: \sigma\prime_{h} — напряжения на основной площадке, вызванные давлением основной расчетной шпалы (под ее рельсовым сечением);
\sigma\prime_{hc} и \sigma\prime_{h}\prime_{c} — напряжения, обусловленные давлением смежных шпал (с одной и другой стороны — то же под подрельсовым сечением).
Расшифровка и размерность параметров в формулах, приведенных выше:
U — модуль упругости рельсового основания (МПа);
k — коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса (м-1);
\Omega_{\alpha} — опорная площадь полушпалы с поправкой на изгиб (м2);
\alpha — коэффициент изгиба шпалы;
\omega — площадь рельсовой подкладки (м2);
W — момент сопротивления по низу подошвы рельса (м3);
lш — расстояние между осями шпал (м);
I — момент инерции рельса относительно его горизонтальной оси (м4);
E — модуль упругости рельсовой стали (МПа);
\alpha_{0} — коэффициент, учитывающий отношение необрессоренной массы колеса и участвующей во взаимодействии массы пути.
Исходные данные для расчетов приведены в Приложении А.
2.3. Допускаемые напряжения и деформации в элементах пути по условиям обеспечения надежности.
2.3.1. Динамические напряжения растяжения в кромках подошвы рельсов в прямых и кривых участках, в переднем вылете и переводных кривых стрелочных переводов — 240 МПа.
2.3.2 Напряжения в кромках остряков стрелочных переводов — 275 МПа.
2.3.3 Напряжения на верхней постели деревянных шпал на смятие под подкладкой при отсутствии прокладок амортизаторов:
Напряжения на верхней постели железобетонных шпал на смятие под подкладкой при отсутствии прокладок амортизаторов:
2.3.4. Допускаемая остаточная деформация прокладок — амортизаторов на деревянных шпалах. Принимается равной 20% согласно ГОСТ 56291-2014 «Прокладки рельсовых скреплений железнодорожного пути».
2.3.5. Допускаемая остаточная деформация упругих прокладок в промежуточных скреплениях на железобетонных шпалах. Принимается равной 20% согласно ГОСТ 56291-2014 «Прокладки рельсовых скреплений железнодорожного пути».
2.3.6 Допускаемые напряжения в балласте под шпалой.
Расчетный показатель принимается:
0,5 МПа — при щебеночном балласте;
0,3 МПа — при гравийном или песчаном балласте.
В зависимости от характеристики грунтов основной площадки земляного полотна могут приниматься:
для локомотивов — 0,5 — 0,6 МПа;
для вагонов — 0,325 — 0,45 МПа.
2.3.7 Допускаемые напряжения на основной площадке земляного полотна.
Расчетный показатель принимается:
В конкретных условиях с учетом характеристик грунтов основной площадки земляного полотна и степени их увлажнения, наличия защитного или разделительного слоя, высоты насыпи и характеристик грунтов основания:
для локомотивов — 0,12 — 0,15 МПа;
2.3.8. Боковая нагрузка колеса на рельс по условиям прочности рельсовых скреплений на перегонах и стрелочных переводах. Принимается равная 100 кН согласно Нормам допускаемых скоростей движения подвижного состава.
2.3.9. Максимальная вертикальная нагрузка колеса на рельс по условиям длительной стабильности положения пути для осевых нагрузок до 250 кН включительно.
где: Q0 — статическая нагрузка на колесо, (кН).
ЧАСТЬ III. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СТАБИЛЬНОСТИ ПУТИ
Введение
Анализ результатов расчетов и экспериментов по испытаниям подвижного состава с повышенными осевыми нагрузками до 27 тс показывает, что по показателям прочности элементов верхнего строения пути — по первому предельному состоянию — при осевых нагрузках до 27 тс ограничений на пропуск такого подвижного состава по путям ОАО «РЖД» нет.
В то же время повышение осевых нагрузок, масс поездов и интенсивности движения имеет непосредственную связь с накоплением расстройств пути, при несвоевременном устранении которых может возникнуть необходимость в ограничении скоростей движения поездов.
Поскольку повышение масс поездов и осевых нагрузок является объективной реальностью, обусловленной несоответствием пропускных и провозных способностей отдельных участков сети потребностям перевозочного процесса, вопрос нормирования расстройств пути приобретает в настоящее время несомненную актуальность, однако, в нормативной документации критериев оценки стабильности пути, до настоящего времени практически не было.
Данный раздел Методики посвящен разработке критериев оценки стабильности пути. Надежность работы конструкции (пути) обеспечивается при нахождении показателей напряженно-деформативного состояния пути в установленных Методикой пределах.
3.1. Состав критериев оценки стабильности пути
3.1.1 Стабильность геометрии рельсовой колеи оценивается по:
динамике изменения статистических характеристик геометрии рельсовой колеи;
динамике изменения количества и параметров отдельных неровностей в диапазоне длин 1 — 3 м и 3 — 25 м.
3.1.2. Стабильность состояния элементов верхнего строения пути оценивается по результатам комплексной оценки состояния пути (далее — КОСП) по следующим критериям:
отличная оценка — стабильное состояние;
хорошая оценка — состояние стабильное, но требует внимания;
удовлетворительная оценка — состояние стабильное, но требуется проведение плановых работ;
неудовлетворительная оценка — состояние нестабильное, требуется проведение неотложных ремонтных работ.
3.1.3 Стабильность состояния основной площадки земляного полотна оценивается по:
изменению высотного положения маркеров, забитых в основную площадку земляного полотна;
изменению параметров неровностей в продольном профиле в диапазоне длин 25 — 60 м.
3.1.4 Стабильность состояния земляного полотна оценивается по:
изменению параметров длинных неровностей в диапазоне длин 60 — 125 м;
абсолютным деформациям пути относительно внешних реперов.
3.2. Методы получения информации
Диагностика положения пути по статистическим характеристикам производится по:
динамике изменения статистических характеристик геометрии рельсовой колеи на отрезке стандартной длины, в т.ч. методом скользящей хорды;
динамике изменения параметров коротких неровностей в диапазоне длин 1 — 3 м, получаемых на основе измерения буксовых ускорений в вертикальной плоскости или с помощью короткобазных измерительных тележек.
Стабильность состояния элементов верхнего строения пути оценивается:
по результатам визуальных осмотров в ходе комплексных проверок состояния пути;
по результатам работы средств диагностики;
по результатам расшифровки видеоинформации получаемой со средств диагностики.
Стабильность состояния основной площадки земляного полотна и земляного полотна в целом оценивается:
по результатам нивелировки или тахеометрической съемки по маркерам от внешних реперов приборами с классом точности не ниже III;
по изменению параметров длинных неровностей, получаемых на базе информации вагонов-путеизмерителей с помощью передаточных функций или двойным интегрированием буксовых ускорений.
3.3. Методы оценки стабильности
3.3.1 Оценка стабильности геометрии рельсовой колеи осуществляется следующими способами:
3.3.1.1 По программе Stabway.
В настоящее время на сети железных дорог ОАО «РЖД» для оценки стабильности пути используется программа Stabway, разработанная НПЦ Инфотранс, которая позволяет следить за состоянием пути.
Источниками получения исходных данных являются путеизмерительные вагоны КВЛ-П. Путеизмерительные вагоны, в процессе контроля и оценки технического состояния рельсовой колеи, получают результаты измерений основных геометрических параметров рельсовой колеи.
Программа позволяет определять следующие параметры:
ПРОС — сигналы параметров «Просадка»;
ССКО — скользящее средне-квадратическое отклонение (СКО) на длине 50 м с шагом смещения 0,185 м;
ППССКО — сигналы по параметрам ППССКО (положительное приращение ССКО — разность ССКО по текущему и предыдущему месяцам, отрицательные значения при этом игнорируются);
Sппсско — сигнал Sппсско (сумма положительных приращений ССКО — от начала периода обработки до текущего месяца).
На рисунках 3.3.1. - 3.3.3. ССКО, ППССКО, Sппсско отмечаются пороговые значения амплитуды (горизонтальные пунктирные линии), показаны участки сигнала, на которых превышается это пороговое значение, на графиках ППССКО и Sппсско показаны нестабильные участки (горизонтальные двухсотметровые участки, выделенные серым цветом).
Рисунок 3.3.1. ССКО — скользящее средне-квадратическое отклонение (СКО) на длине 50 м с шагом смещения 0,185 м
Рисунок 3.3.2. ППССКО — сигналы по параметрам ППССКО (положительное приращение ССКО — разность ССКО по текущему и предыдущему месяцам).
Рисунок 3.3.3. Сигнал Sппсско (сумма положительных приращений ССКО — от начала периода обработки до текущего месяца).
Обнаруженные участки нестабильности (полученные по критериям ППССКО и Sппсско), являются отступлениями. Нестабильным считается участок, где величины Sппсско для последнего обработанного месяца, или ППССКО хотя бы для одного из обрабатываемых месяцев превышают значения, приведенные в таблице 3.3.1.
Предельные значения ППССКО и Sппсско
3.3.1.2. Для анализа следует выбрать необходимый участок (прямая, кривая). Для более корректного анализа следует разделить участки на три типа из-за того, что единый анализ всех трех участков приведет к большому разбросу значений \sigma_{\sigma} , что не даст истиной картины:
Для этого участка подбираем ленты штатных проходов вагонов-путеизмерителей КВЛ-П за год, но не менее 3 месяцев.
По каждому проходу путеизмерителя КВЛ-П в пределах выбранного участка определяем среднеквадратическое отклонение по отдельным параметрам геометрии рельсовой колеи на отрезке заданной длины в данном месяце.
Определяем начальную точку для расчетов определения стабильности пути.
Для этого берем среднеквадратические отклонения по отдельным параметрам геометрии рельсовой колеи на отрезке заданной длины за первые 3 месяца рассматриваемого периода и определяем для них:
\overline{\sigma_{S_{0}}} = \frac{\sigma_{1} + \sigma_{2} + \sigma_{3}}{3} (3.3.1.2.1)
\sigma_{\sigma_{S0}}^{t} = \sqrt{\frac{\sum_{i}^{3} = \sum_{1} (\sigma_{S_{i}} - \overline{\sigma_{S0}})^{2}}{3 - 1}} , (3.3.1.2.2)
Далее с нарастающим итогом рассчитываем среднеквадратическое отклонение по времени среднеквадратических отклонений по отдельным параметрам геометрии рельсовой колеи с добавлением каждого последующего месяца:
\sigma_{\sigma_{S}}^{t} = \sqrt{\frac{\sum (\sigma_{S_{i}} - \overline{\sigma_{Si}})^{2}}{n - 1}} , (3.3.1.2.3)
где: \sigma_{\sigma_{S}}^{t} — среднеквадратическое отклонение по времени среднеквадратических отклонений по отдельным параметрам геометрии рельсовой колеи;
\sigma_{S_{i}} — среднеквадратическое отклонение по отдельным параметрам геометрии рельсовой колеи на отрезке заданной длины в данном месяце;
\overline{\sigma_{S_{i}}} — среднее значение, рассчитанное по среднеквадратическим отклонениям по отдельным параметрам геометрии рельсовой колеи на отрезке заданной длины с учетом i-того месяца
Для полученных данных \sigma_{\sigma_{s}}^{t} для каждого параметра геометрии рельсовой колеи на отрезке заданной длины за начальный период определяется среднеарифметическое значение.
\sigma_{\sigma_{S\text{ср}}}^{t} = \frac{\sum_{n}^{i} {}^{= 1}\sigma_{\sigma_{Si}}^{t}}{n} (3.3.1.2.4)
После этого, каждое полученное значение \sigma_{\sigma_{s}i}^{t} сравнивается с \sigma_{\sigma_{s}\text{ср}}^{t} и если разница в значениях находится в пределах 10%, то состояние пути оценивается как стабильное, если больше 10% — то состояние пути нестабильно и требует принятия управленческих решений.
После определения значений \sigma_{\sigma_{s}}^{t} за весь рассматриваемый период, необходимо построить график изменения каждого параметра \sigma_{\sigma_{s}}^{t} во времени.
По характеру изменения линии видно, как изменяется стабильность. Если линия резко идет вверх, необходимо назначать ремонтные работы.
На рисунке 3.3.4 приведен пример применения параметра \sigma_{\sigma_{s}}^{t} по положению пути в плане (рихтовка) и по ширине колеи (шаблон) после введения в обращения вагонов с повышенной осевой нагрузкой. Стоит помнить, что \sigma_{\sigma\text{пл}} рассчитывается минимум по 3 значениям, поэтому на рисунке 3.3.4 первое значение обозначено тремя месяцами, а последующая точка, это добавление к предыдущему значению следующего месяца, и так далее.
Рисунок 3.3.4. Изменение значений \sigma_{\sigma\text{пл}} за 11 месяцев 2015 года на участке круговой кривой
3.3.1.3 Синтетическая оценка состояния пути
Критерием синтетической оценки является показатель:
\text{У } = \frac{S_{\text{В}_{\text{л}}} + S_{\text{В}_{\text{пр}}} + S_{\text{Г}_{\text{л}}} + S_{\text{Г}_{\text{пр}}} + S_{\text{У}} + 0,5S_{\text{шк}}}{5,5} , (3.3.1.2.2)
где: S_{\text{В}_{\text{л}}} и S_{\text{В}_{\text{пр}}} — среднеквадратическое отклонение по вертикали (просадки) по левой и правой нити;
S_{\text{Г}_{\text{л}}} и S_{\text{Г}_{\text{пр}}} — среднеквадратическое отклонение по горизонтали (рихтовка) по левой и правой нити;
Sу — среднеквадратическое отклонение по уровню;
Sшк — среднеквадратическое отклонение по ширине колеи.
Показатель определяется для участка длиной 1 км или отдельного элемента плана (круговой кривой) с шагом 0,185 м.
Граничные значения показателя принимаются:
У <= 3 мм — отличное состояние;
3 < У <= 4 мм — хорошее состояние;
4 < У <= 5 мм — удовлетворительное состояние;
У > 5 мм — неудовлетворительное состояние.
3.3.1.4. Укрупненная оценка стабильности пути по изменению количества отступлений II степени за годичный период.
Оценка производится по анализу тренда изменения разностей смежных по месяцам оценок количества отступлений на километре.
Чем больше разброс смежных оценок, тем ниже стабильность пути:
при разбросе количества смежных по месяцам оценок количества отступлений в пределах +/- 10% путь может считаться стабильным;
при нарастании количества смежных отступлений по месяцам или разброс более +/- 10% путь может считаться недостаточно стабильным.
3.3.2 Оценка стабильности основной площадки земляного полотна
менее 0,1 мм на 10 млн. т — стабильное;
0,1 — 0,15 мм на 10 млн. т — требует наблюдения;
более 0,15 мм на 10 млн. т — недостаточно стабильное.
Изменение параметров длинных неровностей в диапазоне 25 — 60 м:
изменение в пределах 10% — стабильное;
изменение > 10 — 20% — требует наблюдения;
изменение > 20% — недостаточно стабильное.
3.3.3 Оценка стабильности земляного полотна
Интенсивность осадки отрезка пути длиной 200 м относительно внешнего репера:
до 0,2 мм на 10 млн. т — стабильное;
от 0,2 до 0,3 мм на 10 млн. т — требует наблюдения;
0,3 мм на 10 млн. т — недостаточно стабильное.
Изменение параметров длинных неровностей в диапазоне 60 — 125 м:
от 10 до 20% — требует наблюдения;
более 20% — недостаточно стабильное.
3.3.4 Оценка состояния элементов верхнего строения пути
Оценка состояния элементов верхнего строения пути производится согласно Руководству по комплексной оценке состояния участка пути (километра) на основе данных средств диагностики и генеральных осмотров пути, утвержденному распоряжением ОАО «РЖД» от 14 декабря 2009 г. № 2536р (далее — Руководство по комплексной оценке).
Пример комплексной оценки состояния пути по балласту приведен в табл. 3.3.2.
Комплексная оценка состояния пути. Балласт
| Уровень оценки | Параметры оценки |
| Балласт | |
| 1 | 2 |
| Отличная | Шпальные ящики полностью засыпаны щебнем, плечо балластной призмы и обочин сформированы по нормам, отсутствие выплесков. |
| Хорошая | Типовые размеры балластной призмы и обочин; протяженность пути с одиночным выплеском не более 2 м; протяженность пути с выплеском на километре не более 30% норматива для установленной скорости движения. При этом протяженность пути с выплесками — до 1,5% при 140 км/ч, до 2,1% при 120 км/ч, до 3% при 100 км/ч, до 4,5% при 80 км/ч, до 6% при 60 км/ч, до 9% при 40 км/ч, до 12% при 25 км/ч. Количество шпальных ящиков, не полностью засыпанных щебнем, не превышает 3% на километр. |
| Удовлетворительная, требующая повышенного внимания | Нарушение типовых размеров плеча балластной призмы и ширины обочин. Протяженности пути с одиночными выплесками до 5 м. Общая протяженность пути с выплесками на километре более 30% от норматива для установленной скорости движения. При этом протяженность пути с выплесками превышает: 1,5% — при скорости 121 — 140 км/ч, 2,1% — при скорости 101 — 120 км/ч, 3% — при скорости 81 — 100 км/ч, 4,5% — при скорости 61 — 80 км/ч, 6% — при скорости 41 — 60 км/ч, 9% — при скорости 26 — 40 км/ч, 12% — при скорости 15 — 25 км/ч. Количество шпальных ящиков, не полностью засыпанных щебнем, находится в пределах от 3,1 до 5%. |
| Неудовлетворительная | Профиль и толщина балластной призмы требуют ограничения скорости движения согласно п. 3.3.3. «Инструкции по текущему содержанию железнодорожного пути». Требуется ограничение установленной скорости движения по протяженности пути с выплесками на километре. Количество шпальных ящиков, не полностью засыпанных щебнем более 5%. |
3.4. Порядок использования показателей стабильности пути
3.4.1. Показатели стабильности геометрии рельсовой колеи используются при планировании работ по текущему содержанию пути, а вместе с данными по состоянию скреплений — для планирования планово-предупредительных ремонтов.
3.4.2. Показатели стабильности элементов верхнего строения по Комплексной оценке в сочетании с показателями стабильности геометрии рельсовой колеи используются при планировании ремонтных работ.
3.4.3. Показатели стабильности основной площадки земляного полотна и земляного полотна в целом используются при разработке проектов модернизации пути.
ЧАСТЬ IV. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО
4.1. Оценка воздействия подвижного состава на основную площадку земляного полотна по условиям обеспечения надежности.
4.1.1. Оценка воздействия подвижного состава на основную площадку земляного полотна по условиям обеспечения надежности определяется по двум предельным условиям:
условие 1 группы предельного состояния — обеспечение несущей способности грунтов земляного полотна под основной площадкой;
условие 2 группы предельного состояния — ограничение накопления остаточных деформаций.
4.1.2. Условие обеспечения несущей способности грунтов основной площадки определяется сравнением действующих от подвижного состава напряжений на основной площадке и на разных глубинах под ней в пределах рабочей зоны земляного полотна с критерием прочности грунтов.
При этом за рабочую зону принимается зона земляного полотна глубиной до 2 м от поверхности основной площадки.
4.1.3. Действующие напряжения от подвижного состава при испытаниях нового и модернизированного подвижного состава или при разработке новых конструкций верхнего строения пути определяют в уровне основной площадки экспериментально при испытаниях или расчетным путем при известных характеристиках подвижного состава и верхнего строения пути.
При изменении условий эксплуатации на эксплуатируемом пути напряжения от действия подвижного состава определяют расчетным путем.
4.1.4. Экспериментальное определение напряжений в уровне основной площадки состоит в определении вертикального давления на грунты \sigma_{0} на глубине 0,40 м под подошвой шпалы в точке под пересечением осей рельса и шпалы (далее — подрельсовое сечение основной площадки).
Порядок испытаний и полигоны для испытаний должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 55050-2012 «Железнодорожный подвижной состав. Нормы допустимого воздействия на железнодорожный путь и методы испытаний».
При этом для измерения напряжений выбирают прямой участок пути на насыпи высотой 2 — 4 м, не имеющей дефектов и деформаций земляного полотна.
Измерения производят под обеими рельсовыми нитями не менее чем в 3-х поперечных сечениях вдоль пути. Измерения производят с применением датчиков давлений (месдоз <7>). Применяемые при испытаниях средства измерения должны быть утвержденного типа и поверены, а испытательное оборудование аттестовано.
<7> Месдоза — сило-измерительное устройство, основанное на использовании тензометрических или манометрических датчиков
4.1.5. Скорость движения подвижного состава во время испытаний должна быть максимально разрешенной. Допускается во время испытаний отклонение скорости движения от максимального значения на 10%.
Всего должно быть выполнено не менее 6 заездов испытательного состава стандартной длины.
4.1.6. В качестве результата испытаний принимают максимальное значение напряжения \sigma_{0} с вероятностью не превышения 0,994.
4.1.7 Расчет напряжений на основной площадке и в теле земляного полотна выполняют в следующей последовательности:
определяют расчетные силы, действующие на рельс от колес подвижного состава;
определяют силы, действующие на шпалы;
определяют напряжения в балласте под шпалой;
определяют напряжения на основной площадке земляного полотна и в нижележащих слоях.
4.1.8. Расчетные и средние силы (Pрасч и Pср), действующие на рельс от колес подвижного состава, определяют в соответствии с требованиями раздела II Методики.
4.1.9. Силы, действующие на шпалы, определяют через эквивалентную силу (рисунок 4.1.1.), действующую в расчетном сечении, которую вычисляют по формуле:
P_{\text{экв}i} = P_{\text{расч}}\eta_{i} + P_{\text{ср}} \cdot \sum \eta_{i} , (4.1.9.1)
где — \eta_{i} — ординаты линии влияния прогибов рельса в сечениях пути, расположенных под колесными нагрузками от осей экипажа, смежных с расчетной шпалой.
\eta_{i} = e^{- kl_{i}}(cos(k \cdot l_{i}) + sin(k \cdot l_{i})) , (4.1.9.2)
где: li — расстояние между смежными осями в тележке;
k — коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса (см. часть II).
Рисунок 4.1.1. — Расчетная схема определения сил, действующих на шпалы
Силы, действующие на соседние шпалы (полушпалы), определяют в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 4.1.1., по формуле:
Q_{i} = \frac{k \cdot l_{\text{ш}}}{2} \cdot P_{\text{экв}i} (4.1.9.3)
4.1.10 Напряжение в балласте под шпалой \sigma_{\text{б}} определяют по формуле:
\sigma_{\text{б}i} = \frac{Q_{i}}{\Omega} , (4.1.10.1)
где: Qi — нагрузка, действующая на i-ую полушпалу, (кН);
\Omega — площадь полушпалы с учетом поправки на изгиб, для железобетонной шпалы \Omega = 0,2975\text{м}^{2} .
4.1.11. Напряжения на основной площадке земляного полотна определяют по следующим формулам.
Вертикальную составляющую нормальных напряжений (давление) от временной поездной нагрузки на глубине z от подошвы расчетной шпалы определяют с учетом воздействия двух соседних шпал по формуле:
\sigma_{z} = \sigma_{z}^{p} + \sigma\prime_{z} + \sigma\prime_{z}\prime , (4.1.11.1)
где: \sigma_{z}^{p} — напряжения от расчетной шпалы;
\sigma\prime_{z} — напряжения от шпалы, находящейся слева от расчетной;
\sigma\prime_{z}\prime — напряжения от шпалы, находящейся справа от расчетной.
Напряжения от расчетной шпалы определяют по формуле:
\sigma_{z} = - \frac{2\sigma_{\text{б}}}{\pi} \cdot [arctg(\frac{b}{2 \cdot z}) + \frac{2 \cdot b \cdot z}{b^{2} + 4 \cdot z^{2}}] , (4.1.11.2)
где: b — ширина подошвы шпалы. Для железобетонной шпалы принимают 30 см;
z — глубина от подошвы расчетной шпалы.
Напряжения от шпалы, находящейся слева (\sigma\prime_{z}) и справа (\sigma\prime_{z}\prime) от расчетной, определяют соответственно по формулам:
\sigma\prime_{z} = - \frac{\sigma\prime_{\text{б}}}{\pi} \cdot [\alpha_{2} - \alpha_{1} - \frac{Sin(2 \cdot \alpha_{2}) - Sin(2 \cdot \alpha_{1})}{2}] (4.1.11.3)
\sigma\prime_{z}\prime = - \frac{\sigma\prime_{\text{б}}\prime}{\pi} \cdot [\alpha_{2} - \alpha_{1} - \frac{Sin(2 \cdot \alpha_{2}) - Sin(2 \cdot \alpha_{1})}{2}] , (4.1.11.4)
где \sigma\prime_{\text{б}} и \sigma\prime_{\text{б}}\prime — напряжения под шпалами слева и справа от расчетной, соответственно;
\alpha_{1} и \alpha_{2} — углы видимости (рад), определяемые в соответствии с рисунком 4.1.2.
Рисунок 4.1.2 — Влияние соседних шпал на напряжения под расчетной шпалой
4.1.12. В качестве критериев допускаемых напряжений по условию несущей способности в уровне основной площадки [ 0] при испытании нового и модернизированного подвижного состава или при разработке новых конструкций верхнего строения пути принимают значения напряжений в соответствии с ГОСТ 55050-2012 «Железнодорожный подвижной состав. Нормы допустимого воздействия на железнодорожный путь и методы испытаний», приведенные в таблице 4.1.1.
Допускаемые напряжения на основной площадке земляного полотна, (МПа)
| Тип железнодорожного подвижного состава | Допускаемые напряжения на основной площадке земляного полотна | |
| Тяговый подвижной состав | локомотивы | 0,12 |
| мотор-вагонный | 0,08 | |
| Вагоны | грузовые | |
| пассажирские | ||
4.1.13. Проверка несущей способности основной площадки при испытании нового и модернизированного подвижного состава или при разработке новых конструкций верхнего строения пути осуществляется сравнением измеренных или расчетных нормальных напряжений \sigma_{z} с допускаемыми [\sigma_{0}] по формуле:
\sigma_{z} \leq [\sigma_{0}] (4.1.13.1)
Если условие (4.1.13.1) выполняется, то новый и модернизированный подвижной состав, в том числе с повышенными осевыми нагрузками, или новые конструкции верхнего строения пути разрешаются к допуску на сеть без ограничения.
Если условие (4.1.13.1) не выполняется, то производят проверку возможности допуска нового и модернизированного подвижного состава, в том числе с повышенными осевыми нагрузками или укладки новых конструкций верхнего строения пути на конкретных направлениях сети сравнением касательных напряжений \tau с допускаемыми касательными напряжениями [\tau] , определяемыми прочностными характеристиками грунтов земляного полотна данного направления.
4.1.14. Касательные напряжения от подвижного состава \tau определяют по всей глубине рабочей зоны от основной площадки до глубины 2 м по формуле:
\tau = \frac{\sigma}{2} , (4.1.14.1)
где: \sigma — суммарные вертикальные напряжения от поездной нагрузки, веса верхнего строения и веса грунта земляного полотна, определяемые по формуле:
\sigma = \sigma_{z} + \sigma_{\text{всп}} + \gamma z , (4.1.14.2)
где: \sigma_{\text{всп}} — напряжения от веса верхнего строения пути, (кПа);
\gamma — удельный вес грунта земляного полотна, (кН/м3);
z — глубина от основной площадки земляного полотна, (м).
Расчет выполняют не менее чем для трех точек по глубине, при многослойном земляном полотне в качестве расчетных точек принимают все границы литологических слоев.
4.1.15 Допускаемые касательные напряжения находят в зависимости от прочностных характеристик грунта по формуле:
[\tau] = f\sigma + c , (4.1.15.1)
где: f — коэффициент внутреннего трения ( f = tg\phi , где \phi — угол внутреннего трения (рад.));
\sigma_{z} — нормальное напряжение на расчетной глубине z, определяемое по формуле (4.1.11.2), (кПа);
c — удельное сцепление грунта, (кПа).
Значения \phi и c определяют согласно п. 5.3 СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений».
4.1.16. Прочностные характеристики грунта рабочей зоны земляного полотна определяют в ходе обследования выбранного направления, исходя из определения литологического строения и характеристик грунтов земляного полотна не менее чем в трех поперечных сечениях на километр в соответствии с требованиями Положения о проведении реконструкции (модернизации) железнодорожного пути, утвержденного распоряжением ОАО «РЖД» от 18 января 2013 г. № 75р.
В качестве обязательных сечений для определения литологического строения рабочей зоны земляного полотна выбираются сечения, где по данным диагностических комплексов имеются деформации основной площадки земляного полотна, выплески, нестабильное состояние пути, определяемые согласно Инструкции по оценке деформативности подрельсового основания нагрузочным поездом, утвержденной распоряжением ОАО «РЖД» от 15 августа 2012 г. № 1648р.
При отсутствии данных о фактических значениях прочностных характеристик грунтов земляного полотна допускается их определение по наименованию грунта в соответствии с ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация» и основным физико-механическим параметрам в соответствии с рекомендациями Руководства по определению физико-механических характеристик балластных материалов и грунтов земляного полотна, утвержденного ОАО «РЖД» 30 января 2004 г. № ЦПИ-36. Значения нормативных прочностных характеристик для основных типов грунтов приведены в Приложении Б.
Расчетные значения удельного сцепления для глинистых грунтов в зоне сезонного промерзания-оттаивания принимаются для наиболее неблагоприятного случая оттаивающих грунтов в соответствии с Руководством по определению физико-механических характеристик балластных материалов и грунтов земляного полотна.
4.1.17. Расчетные касательные напряжения, полученные по формуле (4.1.14.1), сравнивают с допускаемыми напряжениями, полученными по формуле (4.1.15.1):
Если условие (4.1.17.1) выполняется на всем протяжении выбранного направления, то несущая способность грунтов рабочей зоны земляного полотна обеспечена и возможен допуск нового и модернизированного подвижного состава, в том числе с повышенными осевыми нагрузками или укладка новых конструкций верхнего строения пути.
Если условие (4.1.17.1) не выполняется на каких-то участках выбранного направления сети, то на этих участках для допуска нового и модернизированного подвижного состава, в том числе с повышенными осевыми нагрузками, или для укладки новых конструкций верхнего строения пути требуется усиление рабочей зоны земляного полотна устройством защитных слоев, имеющих повышенные прочностные и деформационные свойства в соответствии с Инструкцией по устройству подбалластных защитных слоев при реконструкции (модернизации) железнодорожного пути.
4.1.18. Условие второй группы предельного состояния по ограничению накопления остаточных деформаций проверяют при оценке воздействия подвижного состава на путь на конкретных полигонах эксплуатируемых линий при изменении конструкции ВСП, или введении нового (сертифицированного) подвижного состава, в том числе с повышенной осевой нагрузкой, или изменении скоростей его движения.
4.1.19. Условие ограничения накопления остаточных деформаций грунтов основной площадки определяют сравнением фактических характеристик деформативности основной площадки земляного полотна выбранного участка пути с нормативными значениями этих характеристик, определяемых категорией линии.
4.1.20. В качестве характеристики деформативности грунтов основной площадки принят модуль деформации подбалластного основания EV2. Модуль деформации подбалластного основания определяют по результатам нагружения его поверхности (на глубине 0,4 м от подошвы шпалы) вертикальной нагрузкой с помощью штампа (штамповые испытания). Методика определения модуля деформации подбалластного основания принята в соответствии с Инструкцией по устройству подбалластных защитных слоев при реконструкции (модернизации) железнодорожного пути, приведена в Приложении В.
4.1.21. Штамповые испытания для определения модуля выполняют в подрельсовом сечении на уровне основной площадки не менее чем в трех поперечных сечениях на километр в соответствии с Инструкцией по устройству подбалластных защитных слоев при реконструкции (модернизации) железнодорожного пути.
В качестве обязательных сечений для проведения штамповых испытаний выбирают сечения, где по данным диагностических комплексов имеются деформации основной площадки земляного полотна, выплески, нестабильное состояние пути, определяемые согласно Инструкции по оценке деформативности подрельсового основания нагрузочным поездом.
4.1.22. Участками, где не выполняется условие накопления остаточных деформаций основной площадки земляного полотна, считаются участки, на которых:
где: EV2факт — измеренное в ходе штамповых испытаний значение модуля деформации подбалластного основания, (МПа);
[EV2] — нормативное значение модуля деформации подбалластного основания, (МПа).
Величина нормативного модуля [EV2] находится в зависимости от категории линии, определяемой по СП 237.1326000.2015 «Инфраструктура железнодорожного транспорта. Общие требования», в соответствии с требованиями СП 238.1326000.2015. «Железнодорожный путь» и приведена в таблице 4.1.2.
Нормативные значения модуля деформации [EV2], (МПа)
| Категория линии | Модуль деформации [EV2] |
|---|---|
| Скоростная, пассажирская и особогрузонапряженная | 80 |
| I и II | 60 |
| III и IV | 50 |
4.2. Оценка воздействия подвижного состава на насыпи, расположенной на слабых основаниях
4.2.1. Оценка воздействия подвижного состава на насыпи, расположенные на слабых основаниях по условиям обеспечения надежности определяется по двум предельным условиям:
условие 1 группы предельного состояния — обеспечение несущей способности грунтов основания насыпи;
условие 2 группы предельного состояния — ограничение накопления остаточных деформаций в грунтах основания.
4.2.2. Оценка воздействия подвижного состава по условиям обеспечения надежности насыпей, расположенных на слабых основаниях, выполняется на конкретных полигонах эксплуатируемых линий при введении нового (сертифицированного) подвижного состава, в том числе с повышенной осевой нагрузкой, или изменении скоростей его движения.
Участки насыпей на слабых основаниях выделяются в соответствии с требованиями Технологического регламента диагностики и режимных наблюдений объектов земляного полотна для постоянной эксплуатации.
4.2.3. Условие 1 группы предельного состояния по обеспечению несущей способности грунтов основания насыпи выполняется в соответствии с требованиями СП 238.1326000.2015 «Железнодорожный путь», исходя из не превышения предельного сопротивления грунтов основания, определяемого условием (4.11).
4.2.4. Величины напряжений в основании насыпи находят расчетами по сертифицированным программам, основанным на методе конечных элементов, с заданием в качестве поездной нагрузки эпюры нормальных напряжений на основной площадке в виде полосовой нагрузки шириной равной длине шпалы и интенсивностью равной напряжениям в подрельсовом сечении, получаемым в соответствии с п. 3.1.11 Методики оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения надежности.
Расчеты выполняют для наиболее опасных поперечных сечений насыпей на слабом основании, определяемых в соответствии с рекомендациями Технологического регламента диагностики и режимных наблюдений объектов земляного полотна для постоянной эксплуатации.
4.2.5. Условие 2 группы предельного состояния по накоплению остаточных деформаций в грунтах слабого основания насыпи определяют по результатам режимных наблюдений за стабильностью геометрии рельсовой колеи по программе Stabway, разработанной НПЦ Инфотранс (см. часть III Методики).
4.2.6. К участкам насыпей на слабых основаниях, имеющим повышенное накопление остаточных деформаций относят участки, где имеется превышение предельных значений приращений |\Delta_{\text{ССКО}}| (таблица 4.2.1.), определяемых по программе Stabway и отмечается при спектральном анализе рост отдельных гармоник в диапазоне длинноволновых просадок (более 25 м).
Предельные значения приращения ССКО (|\Delta_{\text{ССКО}}|)
4.2.7. Оценку воздействия подвижного состава на земляное полотно на слабых основаниях также выполняют методом вибродиагностики.
Вибродиагностика земляного полотна на слабых основаниях заключается в измерении виброскоростей колебаний грунта на бровке насыпи и у нее основания и последующей оценке амплитуды виброскорости, затухания по длине откоса и распределения спектральной плотности мощности виброскорости в диапазоне частот от 0 до 100 Гц.
4.2.8. На каждом объекте, выбранном для вибродиагностики, определяют поперечные сечения, в которых выполняются измерения колебаний от поездов. В качестве таких сечений принимают поперечники, где по данным наблюдений зафиксированы максимальные величины деформаций или нестабильности геометрии рельсовой колеи. Кроме этого, для вибродиагностики могут быть приняты сечения, где имеются какие либо характерные особенности насыпи (например, максимальная или минимальная высота насыпи, крутые откосы, бермы и т.д.).
Количество таких сечений должно быть не менее чем одно на пикет.
4.2.9. В каждом измерительном сечении на каждом откосе выбирают две наблюдательные точки: одна на бровке насыпи и другая на откосе у подошвы (рисунок 4.2.1). Расстояние между наблюдательными точками по откосу L должно быть не менее 2 м.
Для насыпей с бермами вторая наблюдательная точка принимается в точке пересечения откоса насыпи с полкой бермы (рисунок 4.2.1.б).
а — насыпь без бермы; б — насыпь с бермой
Рисунок 4.2.1 — Схема наблюдательных точек
В каждой наблюдательной точке производят измерение виброскоростей по трем направлениям: z — вертикальному; y — горизонтальному поперек пути; x — горизонтальному вдоль пути.
4.2.10. Измерения виброскоростей осуществляют под графиковыми поездами. Измерения могут также проводиться под опытными поездами, если необходима оценка возможности пропуска поездов с повышенными нагрузками, весом или требуется повышение скоростей движения.
Измерения выполняется для однородных групп поездов в количестве 3 — 5 поездов. Однородной считается группа поездов, имеющих однотипные вагоны, вес поезда в группе должен отличаться не более чем на +/- 150 т, а скорости не более чем на +/- 10 км/ч.
4.2.11 В качестве критериев состояния насыпей на слабом основании для вибродиагностики принимаются следующие критерии:
амплитуды скорости колебаний (виброскорость) в диапазоне частот 0,1 — 10 Гц — Vz,y,x (0 — 10), (мм/сек);
амплитуды скорости колебаний (виброскорость) в диапазоне частот 10 — 100 Гц — Vz,y,x (10 — 100), (мм/сек);
коэффициент затухания колебаний по откосу насыпи — \beta , (1/м);
4.2.12. Размах амплитуды (двойная амплитуда колебания (пик-пик), регистрируемый датчиком под каждой осью подвижного состава) скорости колебаний принимают средней величины из измерений для однородной записи по каждому направлению, регистрируемому датчиком:
Vz — вертикальная составляющая виброскорости;
Vy — горизонтальная составляющая виброскорости поперек пути;
Vx — горизонтальная составляющая виброскорости вдоль пути.
4.2.13. Коэффициент затухания колебаний по откосу насыпи \beta определяют по каждому направлению регистрации колебаний, исходя из экспоненциальной зависимости, по формуле
\beta = - \frac{ln \frac{v_{1}}{v_{0}}}{L} , (4.2.13.1)
где: v1 и v0 — виброскорости соответственно на подошве откоса и на бровке насыпи;
L — расстояние между датчиками по откосу.
4.2.14. Все диагностируемые насыпи на слабом основании по результатам проведения вибродиагностики классифицируются на три категории:
Оценка делается отдельно для каждого откоса насыпи (однопутной или многопутной) каждого измерительного сечения под каждой группой однородных поездов. Величины критериев, по которым выполняется классификация, приведены в таблице 4.2.2.
Критерии оценки состояния насыпи на слабом основании
Оценку насыпей на слабом основании рекомендуется выполнять в соответствии с Инструкцией по вибродиагностике насыпей на слабых основаниях, утвержденной распоряжением ОАО «РЖД» от 12 декабря 2012 г. № 2541р.
4.3. Оценка воздействия подвижного состава на высокие насыпи
4.3.1. Оценка воздействия подвижного состава на высокие насыпи по условиям обеспечения надежности определяется по двум предельным условиям:
условие 1 группы предельного состояния — обеспечение общей и местной устойчивости насыпи;
условие 2 группы предельного состояния — ограничение накопления остаточных деформаций в грунтах насыпи.
4.3.2. Оценка воздействия подвижного состава по условиям обеспечения надежности высоких насыпей выполняется на конкретных полигонах эксплуатируемых линий при введении нового (сертифицированного) подвижного состава, в том числе с повышенной осевой нагрузкой, или изменении скоростей его движения.
К участкам высоких насыпей в соответствии с требованиями Технологического регламента диагностики и режимных наблюдений объектов земляного полотна для постоянной эксплуатации относят насыпи с высотой 6 м и более.
4.3.3. Условие 1 группы предельного состояния по обеспечению устойчивости насыпи выполняется в соответствии с требованиями СП 238.1326000.2015 «Железнодорожный путь», исходя из условия обеспечения для наиболее опасной призмы обрушения, характеризуемой минимальным отношением обобщенных предельных реактивных сил сопротивления к активным сдвигающим силам, неравенства
\gamma_{fs}T \leq \frac{\gamma_{c}}{\gamma_{n}} R , (4.3.3.1)
где: \gamma_{fs} — коэффициент сочетания нагрузок, учитывающий уменьшение вероятности одновременного появления расчетных нагрузок;
T — расчетное значение обобщенной активной сдвигающей силы, (кН);
\gamma_{c} — коэффициент условий работы;
\gamma_{\text{п}} — коэффициент надежности по назначению сооружения (коэффициент ответственности сооружения);
R — расчетное значение обобщенной силы предельного сопротивления сдвигу, (кН).
4.3.4. Расчеты устойчивости высоких насыпей выполняют в соответствии с приложением Б СП 238.1326000.2015 «Железнодорожный путь» с заданием в качестве поездной нагрузки эпюры нормальных напряжений на основной площадке, в виде полосовой нагрузки шириной равной длине шпалы и интенсивностью равной напряжениям в подрельсовом сечении, получаемым в соответствии с п. 4.1.11 Методики.
Расчеты выполняются для наиболее опасных поперечных сечений насыпей, определяемых в соответствии с рекомендациями Технологического регламента диагностики и режимных наблюдений объектов земляного полотна для постоянной эксплуатации.
4.3.5. Условие 2 группы предельного состояния по накоплению остаточных деформаций в грунтах насыпи определяют по результатам режимных наблюдений за стабильностью геометрии рельсовой колеи, например, по программе Stabway, разработанной НПЦ Инфотранс (см. часть II Методики).
4.3.6. К участкам насыпей на слабых основаниях, имеющим повышенное накопление остаточных деформаций относят участки, где имеется превышение предельных значений приращений |\Delta_{\text{ССКО}}| (таблица 4.2.1), определяемых по программе Stabway и отмечается при спектральном анализе рост отдельных гармоник в диапазоне длин просадок от 6 м до 12 м.
4.3.7. Оценка воздействия подвижного состава на земляное полотно на высоких насыпях также выполняется методом вибродиагностики аналогично оценке земляного полотна на слабых основаниях.
Вибродиагностика земляного полотна высоких насыпей заключается в измерении виброскоростей колебаний грунта на бровке насыпи и у ее основания и последующей оценке амплитуды виброскорости, затухания по длине откоса и распределения спектральной плотности мощности виброскорости в диапазоне частот от 0 до 100 Гц.
Величины критериев согласно Инструкции по вибродиагностике высоких насыпей на железных дорогах ОАО «РЖД», утвержденной распоряжением ОАО «РЖД» от 29 октября 2014 г. № 2561р, по которым выполняется классификация высоких насыпей, приведены в таблице 4.3.1.
Величины критериев для оценки состояния высокой насыпи
ЧАСТЬ V. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К МЕТОДИКЕ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО
Введение
Настоящая пояснительная записка разработана к части IV. «Методика оценки воздействия подвижного состава на земляное полотно» (далее — Методика) для пояснения принятых в Методике положений, касающихся оценки влияния подвижного состава на земляное полотно.
В пояснительной записке приведены обоснования по следующим разделам:
1. Анализ влияния горизонтальных сжимающих напряжений грунта на величину касательных напряжений Обоснование определения значений касательных напряжений.
2. Обоснование расчета напряженного состояния пути от трех шпал.
3. Оценка прочности земляного полотна.
4. Пример оценки прочности земляного полотна.
Все расчеты выполнены для типового пути на прямом участке с рельсами Р65, промежуточными рельсовыми скреплениями КБ, железобетонными шпалами и щебеночным балластным слоем толщиной 30 см. Модуль упругости такого пути принят 100 МПа. Поездная нагрузка представлена в виде 4-хосного полувагона с тележками 18-100 и осевыми нагрузками 23,5 и 25 тс. Скорость движения принята равной установленной на сети железных дорог 80 км/ч.
5.1 Анализ влияния горизонтальных сжимающих напряжений грунта на величину касательных напряжений
Известно, что деформации грунтов под основной площадкой земляного полотна обусловлены нарушениями прочности грунтов. Это происходит, когда в грунтах под воздействием нагрузок касательные напряжения превышают сопротивление сдвигу. Поэтому, чтобы таких деформаций не происходило, в любой точке грунтового массива должно быть выполнено условие
\tau \leq f\sigma_{z} + c , (5.1.1)
где: \sigma_{z} — нормальное напряжение, действующее на некоторой площадке, включающей рассматриваемую точку, (кПа);
f — коэффициент внутреннего трения ( f = tg\varphi , где \varphi — угол внутреннего трения, (рад));
c — удельное сцепление грунта, (кПа).
Максимальные касательные напряжения \tau определяют как половину разности вертикальных и горизонтальных сжимающих напряжений грунта:
\tau = \frac{\sigma_{z} - \sigma_{x}}{2} , (5.1.2)
где: \sigma_{x} — горизонтальные сжимающие напряжения грунта
Вертикальные сжимающие напряжения грунта \sigma_{z} определяют в соответствии с п. 5.3.1 настоящей пояснительной записки.
Горизонтальные сжимающие напряжения грунта \sigma_{x} определяют по следующей формуле:
\sigma_{x} = - \frac{2\sigma_{\text{б}}}{\pi} \cdot [arctg(\frac{b}{2 \cdot z}) - \frac{2 \cdot b \cdot z}{b^{2} + 4 \cdot z^{2}}] , (5.1.3)
\sigma\prime_{x} = \frac{\sigma_{\text{б}}}{\pi} \cdot [\alpha_{2} - \alpha_{1} + \frac{Sin(2 \cdot \alpha_{2}) - Sin(2 \cdot \alpha_{1})}{2}] , (5.1.4)
где: \sigma_{\text{б}} — давление на балласт под шпалой, определяют в соответствии с п. 5.3.2 настоящей пояснительной записки;
\alpha_{1} и \alpha_{2} — углы видимости (рад), определяемые в соответствии с рисунком 5.1.1.
Рисунок 5.1.1 — Влияние соседних шпал на деформации сжатия грунтов
Далее проведен анализ влияния горизонтальных сжимающих напряжений грунта на величину касательных напряжений. Для этого проведено сравнение значений касательных напряжений \tau , определенных по формуле (5.1.2) с учетом горизонтальных напряжений и без них. Результаты сравнения приведены в таблице 5.1.1
Значения касательных напряжений \tau и \sigma_{z}/2
В результате сравнения получено, что для грунта в уровне основной площадки земляного полотна (z >= 0,4 м) касательные напряжения \tau отличаются от половины значения вертикальных сжимающих напряжений \sigma_{z}/2 не более чем на 6% в большую сторону. Основываясь на полученных результатах, приведенных в таблице 1.1, условие прочности грунтового массива (5.1.1) приняло следующий вид:
\frac{\sigma_{z}}{2} \leq f \cdot \sigma_{z} + c (5.1.5)
Графически полученные результаты приведены на рисунках 5.1.2. а) и б).
Рисунок 5.1.2. — Распределение давления по глубине:
а) нагрузка 23,5 тс/ось; б) нагрузка 25 т/ось
5.2. Обоснование расчета напряженного состояния пути от трех шпал
Традиционно, в отечественной практике, принято считать напряжения на основной площадке земляного полотна от 3 шпал: шпалы, над которой расположена расчетная сила, и двух соседних.
За рубежом принят расчет от 5 шпал.
Выполним сравнение результатов определения напряжений от 3 и 5 шпал. Сравнение выполним на основе расчета напряжений в рабочей зоне земляного полотна
Расчет вертикальных сжимающих напряжений грунта \sigma_{z} определяли по двум расчетным схемам, представленным на рисунке 3.2 (от трех шпал) и на рисунке 5.2.1 (от пяти шпал).
Рисунок 5.2.1 — Расчетная схема
Расчет вертикальных сжимающих напряжений грунта \sigma_{z} выполнен в соответствии с п. 5.1 настоящей пояснительной записки.
Эквивалентные нагрузки под двумя дополнительными шпалами определяют по формулам:
для второй слева от расчетной шпалы
P_{\text{э}}\prime\prime_{\text{к}}\prime_{\text{в с}} = P_{max\text{дин}} \cdot \eta(k,2l_{\text{ш}}) + P_{\text{ср}} \cdot \eta(k,1,85 - 2l_{\text{ш}}) ;
для второй справа от расчетной шпалы
P_{\text{э}}\prime\prime_{\text{к}}\prime_{\text{в с}} = P_{max\text{дин}} \cdot \eta(k,2l_{\text{ш}}) + P_{\text{ср}} \cdot \eta(k,1,85 - 2l_{\text{ш}}) .
Расчет выполнен до глубины 2,0 м, поскольку на этой глубине давление от подвижного состава составляет, как правило, не более 10% от собственного веса грунта. Результаты расчета представлены в таблице 5.2.1.
Значения вертикальных сжимающих напряжений \sigma_{z} , (кПа)
Как видно из таблицы 5.2.1, учет четырех соседних шпал не оказывает существенного влияния на значения вертикальных напряжений по сравнению с учетом двух соседних шпал. Так, в уровне основной площадки земляного полотна (z = 0,4 м) значения вертикальных напряжений при нагрузке 23,5 и 25 т/ось отличаются на 1,0%.
Поскольку учет двух дополнительных шпал (вторых от расчетной) незначительно влияет на вертикальные напряжения \tau , дальнейшие расчеты проведены с учетом расчетной и двух соседних шпал (от 3 шпал).
5.3. Оценка прочности земляного полотна
Проверку несущей способности основной площадки по 1 группе предельного состояния выполняют сравнением измеренных или расчетных нормальных напряжений \sigma_{z} с допускаемыми [\sigma_{0}] по формуле:
\sigma_{z} \leq [\sigma_{0}] , (5.3.1)
где \sigma_{z} — напряжение на основной площадке земляного полотна от временной поездной нагрузки, определяемое в соответствии с п. 5.1 Методики;
[\sigma_{0}] — допускаемые напряжения по условию несущей способности в уровне основной площадки в соответствии с ГОСТ 55050-2012 «Железнодорожный подвижной состав». Нормы допустимого воздействия на железнодорожный путь и методы испытаний.
Если условие (5.3.1) выполняется, то новый и модернизированный подвижной состав, в том числе с повышенными осевыми нагрузками, или новые конструкции верхнего строения пути разрешаются к допуску на сеть без ограничения.
Если условие (5.3.1) не выполняется, то проводят сравнение касательных напряжений \tau с допускаемыми касательными напряжениями [\tau] , определяемыми прочностными характеристиками грунтов земляного полотна данного направления.
Как уже отмечено выше, деформаций не происходит, если в любой точке грунтового массива выполнено условие (5.1.5)
\frac{\sigma}{2} \leq f\sigma + c ,
где: \sigma — суммарные вертикальные напряжения от поездной нагрузки, веса верхнего строения и веса грунта земляного полотна, определяемые по формуле:
\sigma = \sigma_{z} + \sigma_{\text{всп}} + \gamma z , (5.3.2)
где: \sigma_{\text{всп}} — напряжение от веса верхнего строения пути;
\gamma — удельный вес грунта земляного полотна;
z — глубина от основной площадки земляного полотна.
5.3.1. Определение вертикальных сжимающих напряжений в грунте
Вертикальные сжимающие напряжения грунта под расчетной шпалой определяют по следующей формуле:
\sigma_{z} = - \frac{2\sigma_{\text{б}}}{\pi} \cdot [arctg(\frac{b}{2 \cdot z}) + \frac{2 \cdot b \cdot z}{b^{2} + 4 \cdot z^{2}}] , (5.3.1.1)
где: b — ширина шпалы, для железобетонной шпалы 0,3 м;
z — глубина от нижней поверхности шпалы;
\sigma_{\text{б}} — напряжение в балласте под шпалой определяемое в соответствии с п. 5.3.2 настоящей пояснительной записки.
Вертикальные сжимающие напряжения грунта от соседних шпал определяют по формуле:
\sigma_{z} = - \frac{\sigma_{\text{б}}}{\pi} \cdot [\alpha_{2} - \alpha_{1} - \frac{Sin(2 \cdot \alpha_{2}) - Sin(2 \cdot \alpha_{1})}{2}] (5.3.1.2)
5.3.2. Определение напряжений в балласте под шпалами
Напряжение в балласте под шпалой \sigma_{\text{б}} определяют по формуле:
\sigma_{\text{б}} = \frac{Q}{\Omega} , (5.3.2.1)
где: Q — максимальная нагрузка, действующая на полушпалу, (кН);
\Omega — площадь полушпалы с учетом поправки на изгиб, для железобетонной шпалы.
Максимальную нагрузку, действующую на полушпалу, определяют по формуле:
Q = \frac{k \cdot l_{\text{ш}}}{2} \cdot P_{\text{экв}} . (5.3.2.2)
Расчетная схема определения напряжений в балласте под шпалами представлена на рисунке 5.3.2.
Рисунок 5.3.2. — Расчетная схема
Эквивалентные нагрузки под соседними шпалами определяют по формулам:
P_{\text{экв}} = P_{\text{расч}} + P_{\text{ср}} \cdot \sum \eta_{i} ; (5.3.2.3)
P_{\text{экв с}}\prime = P_{\text{расч}} \cdot \eta(k,l_{\text{ш}}) + P_{\text{ср}} \cdot \eta(k,1,85 - l_{\text{ш}}) ;
P_{\text{экв с}}\prime\prime = P_{\text{расч}} \cdot \eta(k,l_{\text{ш}}) + P_{\text{ср}} \cdot \eta(k,1,85 + l_{\text{ш}}) ,
где: \eta — ординаты линий влияния изгибающих моментов;
lш — расстояние между осями шпал;
k — коэффициент относительной жесткости рельсового основания;
Pср — среднее значение вертикальной нагрузки колеса на рельс;
Pрасч — максимальная расчетная нагрузка от колеса на рельс.
Ординаты линии влияния изгибающих моментов определяют по формуле:
\eta_{i} = e^{- k \cdot l_{i}} \cdot (cos(k \cdot l_{i}) + sin(k \cdot l_{i})) , (5.3.2.4)
где: li — расстояние от расчетного колеса до i-той ординаты линий влияния \eta .
Коэффициент относительной жесткости рельсового основания k определяют по формуле:
k = \sqrt[4]{\frac{U}{4EI}} , (5.3.2.5)
где: U — модуль упругости рельсового основания, 100 МПа;
E — модуль упругости рельсовой стали, 2,1 x 105 МПа;
I — момент инерции поперечного сечения рельса в вертикальном направлении, для Р65 — 3208 x 10-8 м4.
Среднее значение вертикальной нагрузки колеса на рельс Pср определяют по формуле:
где: Pст — статическая нагрузка от расчетного колеса на рельс, (кН);
Pрср — среднее значение динамической нагрузки колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения экипажа составляет 75% от динамической максимальной нагрузки колеса на рельс Pрmax.
Динамическую максимальную нагрузку колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения экипажа Pрmax, определяют по формуле:
Pрmax = kд(Pст — q), (5.3.2.7)
где: q — отнесенный к колесу вес необрессоренных частей;
kд — коэффициент динамических добавок (вертикальной динамики).
Значение коэффициента динамических добавок (вертикальной динамики) kд определяют по формуле (5.3.2.8):
k_{\text{д}} = 0,1 + 0,2 \times \frac{V}{f_{\text{ст}}} , (5.3.2.8)
fст — статический прогиб рессорного подвешивания.
Максимальную расчетную нагрузку от колеса на рельс Pрасч определяют по формуле:
где: S — среднее квадратическое отклонение динамической вертикальной нагрузки колеса на рельс, определяют по формуле:
S = \sqrt{S_{\text{р}}^{2} + S_{\text{нп}}^{2} + (1 - \frac{t}{100})S_{\text{ннк}}^{2} + \frac{t}{100} S_{\text{инк}}^{2}} , (5.3.2.10)
где: t — количество колес, имеющих изолированные плавные неровности на поверхности катания, (%);
Sр, Sнп, Sннк, Sинк — средние квадратические отклонения динамической вертикальной нагрузки колеса на рельс от вертикальных колебаний надрессорного строения, сил инерции необрессоренных масс, сил инерции необрессоренных масс при движении колеса с плавной непрерывной неровностью на поверхности катания; сил инерции необрессоренных масс, возникающих из-за наличия на поверхности катания плавных изолированных неровностей соответственно.
Расчет среднего квадратического отклонения динамической вертикальной нагрузки колеса на рельс, производится в соответствии с Методикой (см. главу II).
5.4. Пример оценки прочности земляного полотна из характерных грунтов
Оценка прочности была проведена для земляного полотна сложенного из тугопластичного суглинка. Физико-механические характеристики представлены в таблице 5.4.1.
Физико-механические характеристики характерных грунтов
Результаты расчетов по определению напряжений в балласте под шпалой представлены в таблице 5.4.2.
Результаты определения напряжений в балласте под шпалой
Вертикальные сжимающие напряжения грунта от временной поездной нагрузки \sigma_{z} рассчитаны в соответствии с п. 5.3.1 настоящей пояснительной записки. В результате получено, что в уровне основной площадки земляного полотна вертикальные сжимающие напряжения \sigma_{z} составили 147,83 и 157,44 кПа соответственно для 23,5 и 25 т/ось.
Полученные напряжения на основной площадке земляного полотна превышают допускаемые напряжения по условию несущей способности в уровне основной площадки 80 кПа.
Поскольку условие (5.3.1) не выполняется, необходимо провести сравнение касательных напряжений \tau с допускаемыми касательными напряжениями [\tau] по условию (5.1.5).
\frac{\sigma}{2} \leq f\sigma + c
Суммарные вертикальные напряжения от поездной нагрузки \sigma определяют по формуле (5.3.2).
Напряжение от веса верхнего строения пути \sigma_{\text{всп}} в уровне основной площадки земляного полотна принято 17 кПа в соответствии с СП 32-104-98 «Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм».
Внешняя нагрузка на земляное полотно от веса верхнего строения пути представляют в виде полосовой нагрузки прямоугольной формы.
Вертикальные составляющие нормальных напряжений от веса ВСП, действующие на горизонтальную площадку будут определяться по формуле:
\sigma_{\text{всп}} = - \frac{17}{\pi} (¡_{1} + \frac{1}{2} à¡à¡à¡2à¡_{1} - à¡_{2} - \frac{1}{2} à¡à¡à¡2à¡_{2})à ,
где — \beta_{1} , \beta_{2} — углы видимости в рад.
Расчетная схема к определению напряжений \sigma_{\text{всп}} представлена на рисунке 5.4.1.
Рисунок 5.4.1. — Расчетная схема к определению напряжений \sigma_{\text{всп}} где b — длина железобетонной шпалы 2,7 м
Расчет выполнен до глубины 1,0 м, результаты представлены в таблице 5.4.3
В результате анализа результатов расчета получено, что условие (5.1.5) выполняется, из чего следует, что земляное полотно, сложенное из тугопластичного суглинка с коэффициентом пористости 0,55 обладает достаточной прочностью и не требует усиления защитными слоями.
Нормативные документы и стандарты
В настоящей Методике использованы ссылки на следующие нормативные документы и стандарты:
1. Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности, утвержденная МПС России 16 июня 2000 г. № ЦПТ-52/14;
2. Нормы допускаемых скоростей движения подвижного состава по железнодорожным путям колеи 1520 мм (1524) мм федерального железнодорожного транспорта, утвержденные приказом от 12 ноября 2001 г. № 41;
3. СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*», утвержденный приказом Минрегиона России от 28 декабря 2010 г. № 823 и введенный в действие с 20 мая 2011 г.;
4. СП 237.1326000.2015 «Инфраструктура железнодорожного транспорта. Общие требования», утвержденный и введенный в действие приказом Минтранса России от 6 июля 2015 г. № 208;
5. СП 238.1326000.2015 «Железнодорожный путь», утвержденный и введенный в действие приказом Минтранса России от 6 июля 2015 г. № 209;
6. ГОСТ Р 55050-2012 «Железнодорожный подвижной состав. Нормы допустимого воздействия на железнодорожный путь и методы испытаний», утвержденный приказом Росстандарта от 8 ноября 2012 г. № 703-ст;
7. ГОСТ 32192-2013 «Надежность в железнодорожной технике. Основные понятия. Термины и определения», утвержденный приказом Росстандарта от 30 декабря 2013 г. № 2420-ст и введен в действие с 1 июля 2014 г.;
8. ГОСТ 33433-2015 «Безопасность функциональная. Управление рисками на железнодорожном транспорте», утвержденный приказом Росстандарта от 4 декабря 2015 г. № 2108-ст и введенный в действие с 1 сентября 2016 г.;
9. ГОСТ Р 55443-2013 «Железнодорожный путь. Номенклатура показателей надежности и функциональной безопасности», утвержденный и введенный в действие приказом Росстандарта от 25 июня 2013 г. № 186-ст;
10. ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация», утвержденный приказом Росстандарта от 12 июля 2012 г. № 190-ст и введенный в действие с 1 января 2013 г.;
11. ГОСТ 56291-2014 «Прокладки рельсовых скреплений железнодорожного пути. Технические условия», утвержденный и введенный в действие приказом Росстандарта от 26 ноября 2014 г. № 1941-ст;
12. СП 32-104-98 «Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм»;
13. Инструкция по устройству подбалластных защитных слоев при реконструкции (модернизации) железнодорожного пути, утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» от 12 декабря 2012 г. № 2544р;
14. Руководство по комплексной оценке участка пути (километра) на основе данных средств диагностики и генеральных осмотров пути, утвержденное распоряжением ОАО «РЖД» от 14 декабря 2009 г. № 2536р;
15. Инструкция по оценке деформативности подрельсового основания нагрузочным поездом, утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» от 15 августа 2012 г. № 1648р;
16. Инструкция по вибродиагностике насыпей на слабых основаниях, утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» от 12 декабря 2012 г. № 2541р;
17. Инструкция по проведению вибродиагностики высоких насыпей на железных дорогах ОАО «РЖД», утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 29 октября 2014 г. № 2561р;
18. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути, утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» от 29 декабря 2012 г. № 2791р
Список использованных источников
1. Сергеев Б.Н. Пересмотр действующих правил расчета пути. Пересмотр путевых расчетов: сборник Центрального института научных исследований и реконструкций железнодорожного пути НКПС. Выпуск 11. М.: Гострансиздат, 1931 г. С. 7 — 29.
2. Вериго М.Ф. Расчеты пути. Их прошлое, настоящее и будущее. Путь и путевое хозяйство, 1997. № 8. С. 25 — 30.
3. Правила производства расчетов верхнего строения железнодорожного пути на прочность, МПС СССР, ВНИИЖТ, 1954.
4. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. Всесоюзное издательско-полиграфическое объединение Министерства путей сообщения, М., 1961, 615 с.
5. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь, Издание третье переработанное и дополненное. — Учебник для студентов и аспирантов вузов железнодорожного транспорта. — Москва: Транспорт, 1987 — 479 с.
6. Положение о проведении реконструкции (модернизации) железнодорожного пути, утверждено ОАО «РЖД» 22.05.2009.
7. Руководство по определению физико-механических характеристик балластных материалов и грунтов земляного полотна. Утверждено ОАО «РЖД» 30 января 2004 г. № ЦПИ-36.
8. Технологический регламент диагностики и режимных наблюдений объектов земляного полотна для постоянной эксплуатации, утвержден ОАО «РЖД» 4 декабря 2006 г. МИИТ. — М.: НИИТКД, 2007 — 92 с.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение А
ИСХОДНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ДАННЫЕ ПАРАМЕТРОВ ПУТИ
Для расчетов принимается следующие данные по конструкции пути (Таблица А1):
Матрица исходных расчетных данных параметров пути
| № п/п | Характеристика конструкции пути <*> | Значения характеристик пути <**> | ||||||||||
| U, кг/см2 | k, см-1 | lш, см | L | W(6), см3 | \alpha_{o} | \omega , см2 | \Omega_{\alpha} , см2 | b, см | \text{ж} | h, см | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| 1 | Р75(6)1840(ЖБ)Щ | 1500 | 0,01438 | 55 | 0,246 | 492 | 0,403 | 518 | 3092 | 27,6 | 0,7 | 60 |
| 2 | Р75(6)2000(ЖБ)Щ | 1670 | 0,01477 | 51 | ||||||||
| 3 | Р65(6)1840(ЖБ)Щ КБ65 | 1000 | 0,01338 | 55 | 0,261 | 417 | 55 | |||||
| 4 | Р65(6)1840(ЖБ)Щ АРС | 1450 | 0,01486 | 55 | ||||||||
| 5 | Р65(6)1840(ЖБ)Щ ЖБР-65 | 940 | 0,01334 | 55 | ||||||||
| 6 | Р65(6)1840(ЖБ)Щ ЖБР-65Ш | 1020 | 0,01359 | 55 | ||||||||
| 7 | Р65(6)2000(ЖБ)Щ КБ65 | 1100 | 0,01421 | 51 | ||||||||
| 8 | Р65(6)2000(ЖБ)Щ АРС | 1550 | 0,01511 | 51 | ||||||||
| 9 | Р65(6)2000(ЖБ)Щ ЖБР-65 | 1000 | 0,01354 | 51 | ||||||||
| 10 | Р65(6)2000(ЖБ)Щ ЖБР-65Ш | 1100 | 0,01387 | 51 | ||||||||
| 11 | Р50(6)1840(ЖБ)Щ | 1500 | 0,01772 | 55 | 0,300 | 273 | 50 | |||||
| 12 | Р50(6)2000(ЖБ)Щ | 1670 | 0,01820 | 51 | ||||||||
| 13 | Р75(6)1840(ЖБ)Щ | 1000 | 0,01299 | 55 | 0,246 | 492 | 60 | |||||
| 14 | Р75(6)2000(ЖБ)Щ | 1100 | 0,01330 | 51 | ||||||||
| 15 | Р65(6)1840(ЖБ)Щ | 1000 | 0,01338 | 55 | 0,261 | 417 | 55 | |||||
| 16 | Р65(6)2000(ЖБ)Щ | 1100 | 0,01421 | 51 | ||||||||
| 17 | Р50(6)1840(ЖБ)Щ | 1000 | 0,01600 | 55 | 0,300 | 273 | 50 | |||||
| 18 | Р50(6)2000(ЖБ)Щ | 1100 | 0,01638 | 51 | ||||||||
| 19 | Р75(6)1840(I)Щ | 270 | 0,00936 | 55 | 0,820 | 492 | 0,433 | 612 | 2853 | 25,0 | 0,8 | 55 |
| 20 | Р75(6)2000(I)Щ | 295 | 0,00957 | 51 | ||||||||
| 21 | Р65(6)1600(I)Щ | 230 | 0,00961 | 63 | 0,870 | 417 | 50 | |||||
| 22 | Р65(6)1840(I)Щ | 270 | 0,01000 | 55 | ||||||||
| 23 | Р65(6)2000(I)Щ | 295 | 0,01023 | 51 | ||||||||
| 24 | Р65(6)1600(II)Гр | 180 | 0,00904 | 63 | 0,957 | 2561 | 23,0 | 50 | ||||
| 25 | Р65(6)1840(II)Гр | 210 | 0,00939 | 55 | ||||||||
| 26 | Р65(6)2000(II)Гр | 230 | 0,00961 | 51 | ||||||||
| 27 | Р50(6)1600(II)Щ | 230 | 0,01110 | 63 | 1,000 | 273 | 527 | 2466 | 45 | |||
| 28 | Р50(6)1840(II)Щ | 260 | 0,01145 | 55 | ||||||||
| 29 | Р50(6)2000(II)Щ | 290 | 0,01176 | 51 | ||||||||
| 30 | Р50(6)1600(II)Гр | 180 | 0,01044 | 63 | 1,100 | 2561 | 45 | |||||
| 31 | Р50(6)1840(II)Гр | 210 | 0,01085 | 55 | ||||||||
| 32 | Р50(6)2000(II)Гр | 230 | 0,01110 | 51 | ||||||||
| 33 | Р50(6)1600(II)П | 180 | 0,01044 | 63 | 1,500 | 45 | ||||||
| 34 | Р50(6)1840(II)П | 210 | 0,01085 | 55 | ||||||||
| 35 | Р50(6)2000(II)П | 230 | 0,01110 | 51 | ||||||||
<*> Р50, Р65 — тип рельсов; (6) — рельс с приведенным износом 6 мм;
2000, 1840, 1600 — количество шпал на 1 км пути;
ЖБ — железобетонные шпалы, I, II — деревянные шпалы I и II типа;
Щ — щебеночный балласт; Гр — гравийный балласт; П — песчаный балласт.
<**> Обозначения, принятые в таблице:
U — модуль упругости рельсового основания;
k — коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса;
lш — расстояние между осями шпал;
L — коэффициент, учитывающий влияние на образование динамической неровности пути типа рельса и шпал, рода балласта, масс пути и колеса, участвующих во взаимодействии;
W(6) — момент сопротивления рельса по низу подошвы при износе головки 6 мм;
\alpha_{0} — коэффициент, учитывающий отношение необрессоренной массы колеса и участвующей во взаимодействии массы пути;
\omega , см2 — площадь рельсовой подкладки;
\Omega_{\alpha} — площадь полушпалы с учетом поправки на изгиб;
b — ширина нижней постели шпалы;
\text{ж} — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения давления вдоль шпалы и пространственность приложения нагрузки;
h — толщина балластного слоя под шпалой.
В п.п. 1 - 12 модуль упругости U и коэффициент k приведены для пути на железобетонных шпалах с типовыми рельсовыми прокладками, в п.п. 13 - 18 - с прокладками повышенной упругости.
Впервые расчеты проводятся для следующих элементов верхнего строения пути:
Рельсы — тип Р65. Для расчетов принимаются рельсы без износа, а также с износом 3, 6, 9 мм.
Скрепления — АРС, ЖБР-Ш, ЖБР-3, КБ-65.
Для расчетов принимается жесткость скреплений 5, 10, 15, 20 т/мм;
Шпалы железобетонные под скрепления АРС, ЖБР-Ш, ЖБР-3 (Ш3-Д, Ш3-Д750, Ш-3, Ш-3К), изготовленные в соответствии с действующими ТУ. Эпюра шпал 1600, 1840, 2000 шт/км.
Балласт — щебень с толщиной под шпалой 0,4, 0,3, 0,2 м.
Модуль упругости подрельсового основания принимается для расчетов в диапазоне U = 250 — 1500 кгс/см2.
Коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса k на пути с деревянными шпалами принимается по таблице А.2.
Коэффициент относительной жесткости рельсового основания и рельса k на пути с деревянными шпалами
Для пути с железобетонными шпалами коэффициент относительной жесткости k определяется с учетом жесткости нашпальных (подрельсовых) прокладок по таблицам А.3 - А.6
Коэффициент относительной жесткости k для прокладок с жесткостью 5 т/мм
Коэффициент относительной жесткости k для прокладок с жесткостью 10 т/мм
Коэффициент относительной жесткости k для прокладок с жесткостью 15 т/мм
Коэффициент относительной жесткости k для прокладок с жесткостью 20 т/мм
Расчеты проводятся для пути в хорошем и удовлетворительном состоянии.
ИСХОДНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ДАННЫЕ НОВЫХ ЛОКОМОТИВОВ
Матрица исходных расчетных данных для локомотивов приведена в таблицах А.7 и А.8.
Матрица исходных расчетных данных для локомотивов
Коэффициенты перехода от осевых напряжений в подошве рельса к кромочным f
Кроме того, расчеты проводятся для новых локомотивов ЭП20, 2ЭС6, 2ЭС7, 2ЭС5К.
Для расчетов пути на прочность принимаются следующие основные характеристики локомотивов:
неподрессоренная масса q, (кН);
статическая нагрузка на ось P (тс);
расстояние между осями тележек 2l, (м).
обрессоренная масса Q = 99,28 кН;
неподрессоренная масса q = 28,9 кН;
статическая нагрузка на ось P = 22,5 тс;
расстояние между осями тележек 2l = 2,9 м.
обрессоренная масса Q = 93,10 кН;
неподрессоренная масса q = 58,8 кН;
статическая нагрузка на ось P = 25 тс;
расстояние между осями тележек 2l = 3,0 м.
обрессоренная масса Q = 90,10 кН;
неподрессоренная масса q = 54,11 кН;
статическая нагрузка на ось P = 25 тс;
расстояние между осями тележек 2l = 3,0 м.
обрессоренная масса Q = 90,80 кН;
неподрессоренная масса q = 56,07 кН;
статическая нагрузка на ось P = 24 тс;
расстояние между осями тележек 2l = 2,9 м.
ИСХОДНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ДАННЫЕ ВАГОНОВ
Матрица исходных расчетных данных для вагонов приведена в таблицах А.9 и А.10.
Матрица исходных расчетных данных для вагонов
Коэффициенты перехода от осевых напряжений в подошве рельса к кромочным f
Кроме того, расчеты проводятся для вагонов производства АО «Тихвинский вагоностроительный завод», АО «Уралвагонзавод», а также для вагонов габарита ТПР на тележках 18-9800.
Вагоны производства акционерного общества «Тихвинский вагоностроительный завод» (АО «ТВСЗ») со следующими характеристиками:
Полувагон с глухим кузовом с нагрузкой от оси колесной пары на рельсы 23,5 тс и 25 тс
| Наименование параметра | Модель 12-9833-01 | Модель 12-9869 |
|---|---|---|
| Грузоподъемность, (т) | 71,5 | 77 |
| Объем кузова, (м3) | 92 | 92 |
| Масса тары, (т) не более | 22,5 | 23 |
| Расчетная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы, кН (тс) | 230,5 (23,5) | 245 (25) |
| Пробег до первого деповского ремонта, (тыс. км) | 500 | 500 |
| Срок службы, (лет) | 32 | 32 |
| Длина по осям сцепления автосцепок, (мм) | 13920 | 13920 |
| База вагона, (мм) | 8650 | 8650 |
| Габарит по ГОСТ 9238-83 | ||
| кузова | 1-ВМ | 1-ВМ |
| тележки | 02-ВМ | 02-ВМ |
| Внутренние размеры кузова, (мм) | ||
| длина | 12780 | 12780 |
| ширина | 2986 | 2986 |
| высота | 2425 | 2425 |
| Модель тележки | 18-9810 | 18-9855 |
Универсальный полувагон с разгрузочными люками с нагрузкой от оси колесной пары на рельсы 23,5 тс и 25 тс
| Наименование параметра | Модель 12-9761-02 | Модель 12-9853 | Модель 12-9937 |
|---|---|---|---|
| Грузоподъемность, (т) | 69,5 | 75 | 75 |
| Объем кузова, (м3) | 88 | 88 | 92 |
| Масса тары, (т) не более | 24,5 | 25 | 25 |
| Расчетная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы, кН (тс) | 230,5 (23,5) | 245 (25) | 245,25 (25) |
| Пробег до первого деповского ремонта, (тыс. км) | 500 (6) | 500 (6) | 500 (6) |
| Срок службы, (лет) | 32 | 32 | 32 |
| Длина по осям сцепления автосцепок, (мм) | 13920 | 13920 | 13920 |
| База вагона, (мм) | 8650 | 8650 | 8650 |
| Габарит по ГОСТ 9238-83 | |||
| кузова | 1-ВМ | 1-ВМ | 1-Т |
| тележки | 02-ВМ | 02-ВМ | 02-ВМ |
| Количество разгрузочных люков | 14 | 14 | 14 |
| Внутренние размеры кузова, (мм) | |||
| длина | 12771 | 12771 | 13025 |
| ширина | 2922 | 2922 | 2946 |
| высота | 2360 | 2360 | 2398 |
| Модель тележки | 18-9810 | 18-9855 | 18-9855 |
Универсальный полувагон с разгрузочными люками с нагрузкой от оси колесной пары на рельсы 23,5 тс и 25 тс
Вагоны производства Уральского вагонного завода (УВЗ) со следующими характеристиками:
Полувагон четырехосный универсальный цельнометаллический с торцевыми стенами и люками в полу модели 12-132
Предназначен для перевозки массовых неагрессивных насыпных непылевидных, навалочных, штабельных и штучных грузов, не требующих защиты от атмосферных осадков при общесетевом использовании на железных дорогах РФ, стран СНГ и Балтии колеи 1520 мм.
Полувагон четырехосный универсальный цельнометаллический с торцевыми стенами и люками в полу модели 12-132-02.
Предназначен для перевозки массовых неагрессивных насыпных непылевидных, навалочных, штабельных и штучных грузов, не требующих защиты от атмосферных осадков при общесетевом использовании на железных дорогах РФ, стран СНГ и Балтии колеи 1520 мм.
Полувагон четырехосный универсальный цельнометаллический с торцевыми стенами и люками в полу модели 12-132-03
Предназначен для перевозки массовых неагрессивных насыпных непылевидных, навалочных, штабельных и штучных грузов, не требующих защиты от атмосферных осадков при общесетевом использовании на железных дорогах РФ, стран СНГ и Балтии колеи 1520 мм.
Полувагон четырехосный универсальный цельнометаллический с торцевыми стенами и люками в полу модели 12-196-01
Предназначен для перевозки массовых неагрессивных насыпных непылевидных, навалочных, штабельных и штучных грузов, не требующих защиты от атмосферных осадков при общесетевом использовании на железных дорогах РФ, стран СНГ и Балтии колеи 1520 мм.
Полувагон с разгрузочными люками модели 12-196-02
Предназначен для перевозки по железным дорогам колеи 1520 государств СНГ, Эстонии, Латвии, Литвы, Грузии массовых неагрессивных грузов, не требующих защиты от атмосферных осадков: насыпных не пылевидных, навалочных, штабельных, и штучных с креплением их в соответствии с требованиями правил погрузки.
Вагоны габарита ТПР на тележках модели 18-9800 производства «Алтайвагонзавод»
| Максимальная расчетная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы, тс (кН) | 245 кН (25 тс) |
|---|---|
| Конструкционная скорость, (км/ч) | 120 |
| База тележки, (мм) | 1850 |
| Масса одной тележки в сборе, (кг) | 5300 |
| Расстояние от уровня головок рельсов до уровня опорной поверхности подпятникового места в свободном состоянии, (мм) | 813 |
| Расстояние между продольными осями боковых скользунов, (мм) | 1524 |
| Расстояние между продольными осями рессорных комплектов, (мм) | 2036 |
| Статический прогиб рессорного подвешивания под максимально допустимой нагрузкой брутто, (мм) | 65 |
| Статический прогиб рессорного подвешивания под тарой (при нагрузке колесной пары на рельсы 60 кН), (мм) | 17 |
| Расчетный коэффициент относительного трения фрикционных гасителей колебаний в рессорном подвешивании максимальной нагрузкой брутто | 0,08 |
| Коэффициент относительного трения фрикционных гасителей колебаний в рессорном подвешивании под тарой | 0,1 |
| Диаметр подпятникового места, (мм) | 352 |
| Глубина подпятникового места, (мм) | 35 |
| Габарит вписывания по ГОСТ 9238 | 02-ВМ |
| Назначенный срок службы тележки (по боковой раме и надрессорной балке), (лет) | 32 |
| Назначенный срок службы тележки до первого капитального ремонта, (лет) | 16 |
| Назначенный ресурс по пробегу от постройки до первого деповского ремонта, (тыс. км) | 500 |
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ ТИПОВ ГРУНТОВ
Физико-механические характеристики основных типов грунтов
В.1. Испытание грунта штампом проводят для определения модуля деформации подбалластного основания EV2. Модуль деформации подбалластного основания определяют по результатам нагружения его поверхности (на глубине 0,4 м от подошвы шпалы) вертикальной нагрузкой с помощью штампа. Результаты испытаний оформляют в виде графиков зависимости осадки штампа от нагрузки.
В.2. В состав установки для испытания штампом должны входить:
устройство для создания и измерения нагрузки на штамп (домкрат);
устройство для измерения осадок штампа.
В.3. Конструкция установки должна обеспечивать:
возможность нагружения штампа 6 ступенями давления по 0,1 МПа до максимального давления 0,6 МПа;
центрированную передачу нагрузки на штамп;
постоянство давления на каждой ступени нагружения и разгрузки.
В.4. Штамп должен быть жестким, круглой формы с плоской подошвой площадью 706,85 см2 (диаметр штампа 300 мм).
В.5. Нагружение штампа осуществляют домкратом. Домкрат (манометр, силоизмеритель) должен быть предварительно откалиброван. Нагрузку измеряют с погрешностью не более 1% от максимальной нагрузки при испытании.
В.6. Датчик перемещения штампа или стрелочный индикатор для измерения осадки штампа должны быть закреплены на реперной системе. Штамп должен быть соединен с датчиком перемещения недеформируемой связью. Измерительная система должна обеспечивать измерение осадок штампа с погрешностью не более 0,01 мм. Конструкция, на которой крепят датчик перемещения, должна обеспечивать неподвижность системы в процессе испытания. Для измерения осадки штампа допускается применять другие приборы, обеспечивающие измерение осадок с погрешностью не более 0,01 мм, например индикаторы часового типа.
Отрывают шурф в шпальном ящике на глубину 0,4 м от нижней поверхности шпалы.
Штамп устанавливают на подготовленную поверхность грунта в точке измерения и добиваются плотного контакта штампа с грунтом не менее чем двумя поворотами штампа вокруг оси. По поверхности грунта под штампом не должно быть зерен щебня размером более 60 мм. Для выравнивания неровностей при необходимости наносится слой толщиной до 3 сантиметров из сухого песка средней зернистости.
После установки штампа монтируют устройство для нагружения штампа и реперную систему.
После монтажа всех устройств и реперной системы записывают начальные показания приборов.
Допускается упирать домкрат в подошву рельса. В этом случае необходимо пригружать путь любой подвижной единицей.
Перед началом испытания датчик перемещения или стрелочный индикатор устанавливают на нуль. Затем штамп предварительно нагружают примерно на 30 с нагрузкой 0,01 МН/м2.
Нагрузку на штамп следует прилагать в шесть ступеней нагружения с интервалами равными 0,1 МПа. Изменение нагрузки от одной ступени до другой должно происходить в течение 1 мин. При нагружении или разгружении грунта нагрузка следующей ступени должна быть приложена в каждом случае через 2 мин после достижения предыдущей ступени нагрузки. На каждой ступени необходимо поддерживать постоянную нагрузку.
Если при нагружении ошибочно была приложена нагрузка больше предусмотренной, то ее больше нельзя снижать, а следует оставить и отметить в протоколе испытаний. Данные измерений осадки штампа заносятся в протокол испытаний рядом с соответствующей нагрузкой.
Разгрузка штампа производится в три ступени: 50, 25 и 0% от максимальной нагрузки. После полной разгрузки выполняют следующий цикл нагружения, но только до предпоследней ступени нагружения первого цикла, чтобы остаться в преднагрузочном диапазоне.
В процессе испытания ведут протокол.
Обработка результатов испытаний по определению статического модуля деформации производится следующим образом.
Данные испытаний обрабатываются с целью получения зависимости осадки штампа от давления. Эти данные представляются в табличной форме.
По данным испытаний строят график зависимости осадки штампа от давления S = f(\sigma) .
Полученные данные обрабатывают методом наименьших квадратов для получения зависимости
s = a_{0} + a_{1} \cdot \sigma_{0} + a_{2} \cdot \sigma_{0}^{2} , (В.1)
где: \sigma_{0} — среднее нормальное напряжение под штампом (плитой), (МПа);
s — осадка в центре плиты, (мм);
a0, a1, a2 — константы многочлена второй степени.
На основании этой зависимости расчетным путем определяют модуль деформации основания
E_{\gamma} = 1,5 \cdot r \frac{1}{a_{1} + a_{2} \cdot \sigma_{1max}} , (В.2)
где: r — радиус нагрузочной плиты, (мм);
\sigma_{1max} — максимальное среднее нормальное напряжение первичного нагружения, (МПа).
Модуль деформации ветви первичного нагружения обозначается индексом 1, а ветви вторичного нагружения — индексом 2.
Для определения констант ветви первичного уплотнения точка s = 0 не учитывается.
В.10. Пример расчета модуля деформации
Пример данных, полученных в процессе штамповых испытаний, представлен в таблице В.1, а кривая осадки на рисунке В.1.
Результаты штамповых испытаний
Рисунок В.1. График зависимости осадки штампа от давления S = f(p)
Далее по формуле (В.2) определяют EV1 и EV2, подставляя соответствующие коэффициенты a1 и a2. Для приведенных данных получим EV1 = 70 МПа и EV2 = 112 МПа.
При отсутствии возможности вычисления параметров сглаживающей линии a0, a1 и a2 для вычисления модуля деформации можно воспользоваться следующим соотношением:
E_{V} = 0,8 \cdot d(1 - \mu^{2}) \cdot \frac{\Delta\sigma}{\Delta s} , (В.3)
где: 0,8 — коэффициент для жестких круглых штампов;
d — диаметр штампа (в данном примере 300 мм);
\Delta\sigma — интервал давления под штампом, на котором вычисляют модуль деформации; в качестве этого интервала принимают интервал между 30% и 70% от \sigma_{max} ;
\Delta s — перемещение штампа, соответствующее интервалу \Delta\sigma .
Из графы 6 таблицы В.1. определим осадку штампа, соответствующую значениям давления под штампом 0,15 и 0,35 МПа. Значения осадки получим интерполяцией между двумя ближайшими значениями давления под штампом.
осадка штампа, соответствующая давлению 0,15 МПа, для ветви 2 составит s_{2}^{0,15} = (1,65 + 1,40)/2 = 1,52\text{мм} ;
осадка штампа, соответствующая давлению 0,35 МПа, для ветви 2 составит s_{2}^{0,35} = (2,02 + 1,85)/2 = 1,94\text{мм} ;
2. По формуле (В.3.) получим:
E_{V^{2}} = 0,8 \cdot 300 \cdot (1 - 0,25^{2}) \cdot \frac{0,35 - 0,15}{1,94 - 1,52} = 107,\text{МПа}
ПРИМЕР ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ИЗ ХАРАКТЕРНЫХ ГРУНТОВ
Оценка прочности была проведена для земляного полотна сложенного из тугопластичного суглинка. Физико-механические характеристики представлены в таблице Б.1.
Результаты расчетов по определению напряжений в балласте под шпалой представлены в таблице Г.1.
Результаты определения напряжений в балласте под шпалой
Вертикальные сжимающие напряжения грунта от временной поездной нагрузки \sigma_{z} рассчитаны по формуле (5.1.4) настоящей методики. В результате получено, что в уровне основной площадки земляного полотна вертикальные сжимающие напряжения \sigma_{z} составили 147,83 и 157,44 кПа соответственно для 23,5 и 25 т/ось.
Полученные напряжения на основной площадке земляного полотна превышают допускаемые напряжения по условию несущей способности в уровне основной площадки 80 кПа.
Поскольку условие (5.3.1) не выполняется, необходимо провести сравнение касательных напряжений \tau с допускаемыми касательными напряжениями [\tau] по условию (4.1.17.1), которое с учетом (4.1.14.1) и (4.1.15.1) примет вид:
\frac{\sigma}{2} \leq f\sigma + c
Суммарные вертикальные напряжения от поездной нагрузки \sigma определяют по формуле
\sigma = \sigma_{z} + \sigma_{\text{всп}} + \gamma z
Напряжение от веса верхнего строения пути \sigma_{\text{всп}} в уровне основной площадки земляного полотна принято 17 кПа в соответствии с СП 32-104.98.
Внешняя нагрузка на земляное полотно от веса верхнего строения пути представляют в виде полосовой нагрузки прямоугольной формы.
Вертикальные составляющие нормальных напряжений от веса ВСП, действующие на горизонтальную площадку будут определяться по формуле:
\sigma_{\text{всп}} = - \frac{17}{\pi} (\beta_{1} + \frac{1}{2} sin2\beta_{1} - \beta_{2} - \frac{1}{2} sin2\beta_{2}) ,
где \beta_{1} , \beta_{2} — углы видимости в рад.
Расчетная схема к определению напряжений \sigma_{\text{всп}} представлена на рисунке Г.1.
Рисунок Г.1. — Расчетная схема к определению напряжений \sigma_{\text{всп}} , где b — длина железобетонной шпалы 2,7 м
Расчет выполнен до глубины 1,0 м, результаты представлены в таблице Г.2.
В результате анализа результатов расчета получено, что условие (4.1.17.1) выполняется, из чего следует, что земляное полотно, сложенное из тугопластичного суглинка с коэффициентом пористости 0,55 обладает достаточной прочностью и не требует усиления защитными слоями.