WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

На правах рукописи

Сычева Анна Вячеславовна

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ С

УЧЕТОМ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И РАЗЛИЧНЫХ

СВОЙСТВ ГРУНТА И НАСЫПИ

Специальность 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ).

Научный руководитель: д.ф.-м.н., доц. Локтев Алексей Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник Дементьев Вячеслав Борисович (ФГБУН Институт механики Уральского отделения Российской академии наук, директор) доктор технических наук, профессор Смирнов Владимир Игоревич (ФГБОУ ВПО Петербургский университет путей сообщения, профессор)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет».

Защита состоится 26 декабря 2013 года в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 002.075.01 при Институте проблем машиноведения РАН по адресу: 199178, Санкт-Петербург, Большой пр. В.О., 61.

С диссертацией можно ознакомиться в ОНТИ ФГБУН Институт проблем машиноведения Российской академии наук.

Автореферат разослан 25 ноября 2013 года.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу Института проблем машиноведения РАН на имя ученого секретаря совета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук В.В. Дубаренко Общая характеристика диссертационной работы Актуальность исследования.

Увеличение протяженности путей транспортных коммуникаций, увеличение грузооборота и пассажирских перевозок между отдельными населенными пунктами, регионами, государствами и целыми континентами приводит к формированию новых требований, предъявляемых к средствам перевозки и непосредственно к дорогам, по которым эти средства перемещаются.





Железнодорожный путь сложная система, включающая ряд структурных объектов: геоподоснова земляного полотна, конструкция земляного полотна, балластный слой и верхнее строение пути, на каждый из которых воздействуют силы от подвижного состава. При этом исследователи разрабатывают математические модели для каждого из объектов на основе прямых аналитических исследований по оценке влияния подвижного состава на эксплуатационные качества земляного полотна с учетом факторов прочности подбалластного основания, общей и местной устойчивости откосов и склонов, стабильности слабых грунтов в основании насыпей, инженерногеологических факторов местности, по которой проложена железная дорога. Создание совокупности моделей работы железнодорожного пути с учетом динамического воздействия и различных свойств грунтов для каждого из объекта, входящего в систему железнодорожный путь приводит к сложным вычислительным процедурам, исключающим возможность использования этих моделей для практического применения. Причем при создании таких моделей, как правило, не учитываются особенности геологического строения местности, по которой проходит железная дорога. Поэтому моделирование работы напряженно-деформированного состояния при реальном спектре воздействия на основе исследования волновых полей в системе геоподснова земляного полотна, грунтовая среда земляного полотна, подбалластный и балластный слой, верхнее строение пути при динамических воздействиях на них является актуальной задачей. Актуальность подтверждается также тем, что практически нет исследований применительно к оценке стабильности работы железнодорожного пути с учетом влияния инженерно геологических факторов и генезиса.

Цель исследования состоит в моделировании работы железнодорожного пути с учетом комплекса факторов: динамического воздействия, качества грунтов земляного полотна, особенностей конструкции подшпального основания, подбалластного и балластного слоя и влияния инженерно-геологических факторов на стабильную работу железнодорожного пути.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Типизация и классификация инженерно-геологических условий местности для оценки их влияния на стабильность работы железнодорожного пути;

2. Разработка методики оценки влияния инженерно-геологических факторов на качество эксплуатации железнодорожного пути;

3. Разработка методики расчета на динамические воздействия железнодорожного полотна, с учетом различных свойств насыпи, рельсового пути и подстилающего слоя грунта;

4. Разработка методики определения характеристик грунта основания и насыпи;

5. Изучение влияния анизотропных свойств насыпи в различных направлениях на конечные характеристики динамического воздействия Методы исследования. В работе использованы методы дисперсионного анализа, теории генезиса и основные положения теории грунтов и методы расчета поведения тел после динамического воздействия на них с учетом реологических свойств и волновых процессов.





Достоверность базируется на корректной математической постановке задач, сопоставлении теоретических решений с экспериментальными данными, применении современных программных вычислительных средств. Правильность полученных результатов определяется корректностью математических выкладок и сопоставлением с известными результатами других авторов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведена типизация и разработана классификация инженерногеологических условий местности для оценки их влияния на стабильность работы железнодорожного пути 2. Разработана методика оценки влияния каждого инженерно геологического фактора на качество эксплуатации работы железнодорожного пути;

3. Проведено обоснование возможности применения теории генезиса при оценки качества грунтов при строительстве и реконструкции железнодорожного пути;

4. Разработана методика определения характеристик грунта основания и насыпи;

5. Разработана и применена методика определения динамических характеристик пути при действии динамической нагрузки с учетом различных свойств насыпи и основания, полученные результаты сравнены с экспериментальными данными путеизмерителей;

6. Подробно изучено влияние механических свойств насыпи в различных направлениях на конечные характеристики поведения пути при динамическом воздействии.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации методики позволяют:

1. Выявить факторы, влияющие на стабильность и качество работы железнодорожного пути;

2. Повысить надежность и устойчивость работы земляного полотна за счет повышения качества выбора грунтов для строительства и реконструкции железнодорожного пути.

Результаты работы использованы при разработке технологических процессов ремонта и реконструкции железнодорожного пути, а также могут использоваться при проектировании высокоскоростных магистралей.

Реализация результатов работы.

На основе результатов работы разработаны и утверждены МПС:

-Методические указания по инженерно-геологическому обследованию рабочей зоны земляного полотна;

-Методические указания по проектированию и сооружению земляного полотна на обходах эксплуатируемого пути;

Методические указания по проектированию и сооружению дренажей с уменьшенным продольным уклоном.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

Классификация инженерно-геологических факторов для оценки стабильности и качества эксплуатации железнодорожного пути;

Методика оценки факторов, влияющих на работу железнодорожного пути;

Методика определения характеристик грунта основания и насыпи;

Методика определения кинематических и силовых характеристик железнодорожного полотна с учетом различных свойств основания и парамет ров динамической нагрузки;

Результаты исследования влияния анизотропных свойств насыпи на динамическую осадку верхнего строения пути и на силу взаимодействия.

Апробация результатов. Основные положения диссертации были доложены на Научно-практических конференциях с международным участием «Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство» в 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 и 2013 гг., на заседаниях секций Ученого совета Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ОАО ВНИИЖТ) в 2000, 2005, 2009, 2012 г.г., на городских семинарах по механике и акустике в г. Санкт-Петербурге в 2013 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них 4 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, пять главы, заключение и изложена на 138 страницах машинописного текста, в том числе 18 таблиц, 36 рисунка. Список использованных источников насчитывает 129 наименований.

Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определена цель работы, ее научная новизна и практическая ценность, сформулирована цель и задачи исследования.

В первой главе проведен аналитический обзор проведенных исследований, проведена типизация, разработана классификация инженерно-геологических условий местности для оценки их влияния на стабильность работы железнодорожного пути, а также методика оценки влияния каждого инженерно геологического фактора на качество эксплуатации работы железнодорожного пути с учетом действия динамической нагрузки от проходящих составов. Среди наиболее фундаментальных работ в области типизации и классификации инженерно геологических факторов местности, влияющих на устойчивость и качество строительства и последующей эксплуатации объекта можно отметить работы Фролова В.Т, Сваренского Ф.П, Трофимова В.Т., Андрусова Н.И.

Голодковской Г.А, Ломтадзе В.Д, Страхова Н.М., Романовской С.И., Тимофеева П.П., Гриффит Д.С., Буша Д. А., Петтиджона Ф. В области исследований земляного полотна при строительстве и эксплуатации железных дорог можно отметить труды таких ученых, как Ашпиз Е.С., Виноградов В.В., Вериго М.Ф., Дедышко П.И., Коган А.Я., Певзнер В.О., Першин С.П., Шахунянц Г.М., Щепотин Г.К. Теория динамического нагружения элементов через их контакт с другими телами развивалась Тимошенко С.П., Crook А.W., Yamamoto S.A., Mindlin R.D., Conway H.D, Lee H.C., Кильчевским Н.А., Филлиповым А.П., Филлиповым И.Г. Горшковым А.Г., Россихиным Ю.А., Kenner V.N., Yang J. C. S., Сеницким Ю.Э., Кадомцевым И.Г., Локтевым А.А. и др.

учеными.

Задача исследования устойчивости железнодорожного пути под действием динамической нагрузки формулируется следующим образом. Имеется группа факторов (Xi), определяющих инженерно-геологические особенности местности. Требуется определить в какой мере существенно влияние того или иного фактора Xi на стабильность и устойчивость железнодорожного пути под поездными динамическими нагрузками. Систематизацию инженерно-геологических факторов по критерию возможности их формализацию для составления матрицы Фишера. А затем выбранные параметры использовать в качестве динамических констант в методике определения просадок полотна и напряжений в нем от действия колесных пар состава.

В отличие от известных методов изучения геологических, преимущественно экзогенных процессов, способных повлиять на железнодорожное полотно в данной местности, в работе исследование инженерно-геологических свойств местности осуществлялось с формализацией, обеспечивающей устойчивое формирование матрицы Фишера и подходящее для методики расчета полотна с учетом динамических процессов.

Под стабильной работой железнодорожного пути будем понимать отсутствие динамики оценки содержания железнодорожного пути в сторону увеличения и непревышение динамическими величинами просадки и напряжений допустимых значений по нормативным документам. Предложена следующая классификация факторов Хi, которые могут оказать влияние на условия эксплуатации земляного полотна (таблица 1). В качестве оценки содержания пути участка принималась средняя на участке балльная оценка по показаниям вагона путеизмерителя Бср. Принято допущение, что функция, характеризующая динамику изменения балльной оценки, генерируется детерминированной функцией:

где A и B коэффициенты модели, а N число проходов вагона путеизмерителя, причем Б является случайной нормально распределенной величиной с центром распределения М[ Б]=F(x1 x2 xi xu) = const.

Число проходов вагона путеизмерителя для построения модели принималось равной 6 и более. Оценка инженерно-геологических условий местности производилась на участках протяженностью 10 км, шириной по 5 км в обе стороны от железнодорожной линии. Принималось, что дисперсии 2 [Б] равны друг другу при j=1,2…..u, а их выборочные оценки S2 (Б) однородны. Показатель Б зависит от u и независимых факторов х1, х2, …,хi,…, хn, не имеющих количественного описания, и их парных взаимодействий при этом каждый фактор х i варьируется на уровнях j и i.

Для решения задачи на геологической карте России нанесли основные главные направления железнодорожного сообщения, (Рис 1) на основе анализа инженерногеологических факторов местности были выбраны инженерно геологические факторы Xj, выделив на карте приблизительно равные участки протяженностью порядка сто километров, на которых по данным проходов вагона путеизмерителя из отчетов ПУ 32 (рис 2) выбирали суммарную балльную оценку выбранного участка пути, а затем вычисляли Бсрот числа проходов вагона путеизмерителя. Тот или иной фактор Xj принадлежал разным участкам и потому для каждого инженерно геологического фактора имели u значений Бср, что позволило составить матрицу Фишера.

Проверку значимости каждого фактора Xi определяли по критерию Фишера: F= S0 \ S2(Бср). Если вычисленное по результатам наблюдений дисперсионное отношение F превосходит табличное Fq (µ0, µx) по распределению Фишера для выбранного уровня значимости q при соответствующих степенях свободы µ0 и µx, то влияние фактора х считали значимым, и наоборот незначимым, если F Fq (µ0, µx). Результаты с учетом возможности получения информации сведены в таблицу 1. Также в этой главе были рассмотрены основные подходы для расчета различных конструкций и их элементов на динамическое воздействие от других тел, на основе которых была разработана методика расчета конструкций железнодорожного полотна при движении состава.

Рис.1 Геологическая карта России с основными железнодорожными сообщениями.

Рис. 2 Пример графика изменения балльной оценки на различных участках Таблица 1 Оценка значимости инженерно-геологических факторов при q=5%.

ложений Проведенные исследования позволили сделать вывод, что к числу инженерногеологических факторов (значимых), влияющих на оценку состояния железнодорожного пути, относятся факторы, определяющие тектонику, наличие специфических грунтов, литологический состав коренных пород. Фактор Х5 - свойства пород не анализировался и по нашему мнению требует более детального анализа по составу грунтов, используемых при строительстве и ремонте земляного полотна и отражены в последующих главах работы.

Во второй главе описывается общая постановка задач приложения динамической нагрузки на железнодорожное полотно, используемые методы решения динамических задач с точки зрения фундаментальных исследований по механике деформируемого твердого тела и инженерных приложений в железнодорожном строительстве.

Динамическая нагрузка, передаваемая от состава элементам конструкции пути моделируется с помощью временной зависимости, которая учитывает скорость передвижения железнодорожного состава. Динамическая нагрузка раскладывается на вертикальную и горизонтальную компоненты. Целью исследования является изучение влияния параметров конструкции пути, скорости движения и свойств материала насыпи на силу взаимодействия и просадки характерных точек пути.

Рис. 3 Схема действия нагрузки на конструкцию железнодорожного полотна фронт квазипродольной Рис. 4. Схема динамического взаимодействия колесной пары и конструкцией верхнего пути посредством буфера, моделирующего контакт.

Система уравнений, описывающих движение колеса, контактной области и учитывающая условие горизонтальности касательной к срединной поверхности рельса в граничных точках области контакта с колесом пары записывается следующим образом Здесь l - приведенный вес перемещающейся части конструкции верхнего пути, S – площадь опирания шпалы, kl - коэффициент, учитывающий совместность работы соседних шпал, w – осадка верхнего строения пути, a - местное смятие в зоне контакта, точка над величиной означает производную по времени, P(t) зависит от вида модели взаимодействия:

k pl – наименьшая из пластических констант, взаимодействующих тел, 1, E1 – коэффициент Пуассона и модуль упругости для колесной пары соответственно, 1 1 E1, 1 – время релаксации в случае вязкоупругой модели, t - переменная интегрирования, 1 – коэффициент вязкости, пружины.

Система уравнений (2) решается с использованием начальных условий Для решения системы уравнений (2) нужно представить функции w(t), w(t ), & wt, Q(t), a, a& &входящие в нее, в виде степенных рядов по времени t. С этой целью разложение для местного смятия рельса:

где i (i = 0, 1, 2, 3, 4, 5) – пока неизвестные константы.

Для представления перемещения w предлагается щебеночную насыпь моделировать квазиупругим ортотропным слоем, обладающим цилиндрической анизотропией, в полярной системе координат описывается волновыми уравнениями, учитывающими инерцию вращения поперечных сечений и деформации поперечного сдвига, что в свою очередь позволит выявить влияние на конечные характеристики поведения полотна волновых эффектов и колебательных процессов:

Dr Dr 2Dk, Br Er 1 r, B E 1 r, Bk Gr, Er r E, (последнее значение, ровно как и модули упругости-сдвига можно определять для разных типов грунтов по результатам следующих глав), Dr, D и Сr, С - соответственно жесткости изгиба и растяжения-сжатия для направлений r, ; Dk – жесткость кручения; Сk – жесткость сдвига; Еr, Е и r, - модуль упругости и коэффициент Пуассона для направлений r, ; Grz, Gz – модуль сдвига в плоскостях rz и z соответственно; w(r,) – нормальное перемещение срединной плоскости, u(r,) и v(r,) – тангенциальные перемещения срединной поверхности соответственно по координатам r, ; (r,) и (r,) – произвольные искомые функции координат r,.

Поведение подстилающего слоя может описываться как поведение отдельного элемента, так и представление в виде граничных условий. Для определения неизвестных функций, входящих в (6) – (10) предлагается использовать разложения в степенные ряды по пространственной координате и времени:

где Z – искомая функция, Z,(k) = kZ/tk, Z, k Z,k Z,k, знаки «+» и «-» относятся к значениям производной Z,(k), подсчитанным перед волновой поверхностью и за ней соответственно, G – нормальная скорость волны, Н(t-s/G) – единичная функция Хевисайда, s – длина дуги, отсчитываемая вдоль луча, t – время.

Для определения коэффициентов ряда (10) для искомых функций необходимо продифференцировать определяющие волновые уравнения (6-10) для мишени k раз по времени, взять их разность на различных сторонах волновой поверхности и применить условие совместности для перехода от скачка производной от функции Z по координате к скачку производной от искомой функции по времени более высокого порядка:

где /t - -производная по времени на поверхности волнового фронта.

Поскольку сама конструкция железнодорожного пути обладает достаточно выраженной симметрией, за исключением некоторых дефектов, появляющихся на этапе строительства (неточности монтажные) и эксплуатации (замачивание грунта, сезонное увеличение интенсивности движения составов), но в общем случае можно рассмотреть осесимметричную задачу, в которой волновые характеристики не зависят от угла, при этом уравнения (6-10) принимают упрощенный вид.

Для определения силы, передаваемой на грунт и динамического перемещения конструкций верхнего пути необходимо найти поперечное перемещение w(t), которое входит в систему уравнений (6) и (7). Остальные уравнения в случае осесимметричной задачи представляют собой независимые подсистемы, из-за чего неизвестные функции перемещений, определяемые из соотношений (8) – (10), не влияют на исследуемые динамические характеристики, поэтому в дальнейшем ограничимся рассмотрением только уравнений (6) и (7). Коэффициенты лучевого ряда (11) для искомой функции найдем, воспользовавшись методикой сращивания двух решений, полученных в зоне взаимодействия колеса и рельса и вне ее.

В результате из уравнений движения (6), (7) для определения скачков искомых величин с точностью до произвольных констант получим систему рекуррентных дифференциальных уравнений:

Ограничимся в дальнейшем пятью членами лучевого ряда для искомых функций, что позволит определить их с необходимой точностью. Полагая в (13) - (14) k = -1, 0, 1, 2, 3, получим скачки соответствующего порядка на первой волне:

Аналогичным образом на второй волне находим Найденные скачки позволяют записать выражения для искомых функций прогиба и поперечной силы в виде отрезков лучевых рядов с точностью до произвольных постоянных сi ( = 1,2) (i=0,1,…4), которые находятся из граничных условий.

где y = t (r r0)G()-1, X k, и их - производные подсчитываются при y=0.

Взаимодействие подвижного состава и конструкций пути, моделируется буфером, который может обладать упругими, вязкоупругими и упругопластическими свойствами в зависимости от свойств насыпи и грунта под ней и тех инженерно-геологических условий (рис.3). В условиях движения по одному и тому же пути пассажирских и грузовых составов, имеющих различный вес и скоростной режим важно выбрать правильное соотношение параметров всех элементов пути и выделить среди них управляемые, то есть те, которые могут изменяться под внешним воздействием.

Искомые функции, являющиеся характеристиками динамического взаимодействия, представляются в виде (23), а коэффициенты этих лучевых рядов определяются выражениями (15) – (22) с точностью до постоянных интегрирования. Для определения постоянных интегрирования необходимо решить систему уравнений (2). С этой целью необходимо записать лучевые ряды (23) на границе области контакта, т.е. при r = r0.

В начальный момент времени рельс не деформирован, т.е. 0 = 0. Подставляя выражения (3), (6), (23) в уравнения (2) и приравнивая коэффициенты в полученных выражениях при одинаковых степенях t, получим на каждом шаге три алгебраических уравнения для определения трх неизвестных констант: ci(1), ci( 2) и i.

Из начальных условий находим: 1=V0, X w0 c0 0. Решая систему алгебраических уравнений, составленную из коэффициентов при t0, получим:

На втором шаге из коэффициентов при t1 определяем:

Зная постоянные интегрирования, можно записать обезразмеренный динамический прогиб w(t) в виде ряда, в котором коэффициенты при t известны В третьей главе определяются основные показатели грунта и насыпи посредством выполнения инженерно-геологического обследования рабочей зоны земляного полотна на основании разработанной в рамках данного исследования методики.

Для оценки насыпи вводится понятие - показатель качества основания, который По этому показателю ранжируется каждый пикет по категории качества основания, определяется необходимы объем инженерно-геологического обследования и вычисляется уровень упругой расчетной осадки где – коэффициент штампа, - приведенный радиус полушпалы с площадью F, - напряжения на подошве шпалы при осевой нагрузке Р, тс, - приведенный коэффициент Пуассона для многослойной толщи грунтов подшпального основания до границы рабочей зоны Z=3м.

Приведенный модуль деформации основания пути определяется суммой модулей деформации грунтов и материалов каждого выделенного слоя в пределах глубины до 3 м от подошвы шпалы с учетом их доли в зависимости от глубины залегания Z где,,,,, -значения коэффициентов, определяемые глубиной залегания подошвы балластного и других выделенных слоев,,,,, – модуль деформации балласта, слоя 1, слоя 2, песка, песчано-глинистого основания до глубины 3 м, соответственно.

Размещение инженерно-геологических выработок по длине пути осуществляется по комплексу показателей в местах максимальных значений упругих осадок, определения лимитирующих скорость мест на основе анализа эксплуатационной документации и комиссионных осмотров пути. В данной главе проведено исследование по оценке свойств подбалластных материалов железнодорожного пути, рассматривается зона земляного полотна до 3 м от подошвы шпалы. В процессе исследования определено, что под балластом накапливаются песчано-щебенисто-гравийные смеси, гранулометрический состав которых определяется техногенным происхождением. Смесь песчаного подбалластного материала разделяется по гранулометрическому составу, а глинистого по влажности предела текучести (таблица 4).

Песчаный грунт разделяется на скелетообразующую и заполняющую компоненты, что также учитывается при определении модуля деформации. Плотность склетообразующей компоненты np определять зависимостью где 60 / 10 - коэффициент неоднородности песка, А и В – расчетные коэффициенты.

грунта По соотношениям веса песчаной Aп и гравийной Aг компонент смеси п / г из анализа гранулометрического состава смеси и np / s определяется доля песчаной компоненты в единице объема и ее плотность соответственно Модуль деформации песка n определяется по плотности n с учетом его вида и плотности np, а модуль деформации смеси – по выражению cм np / Vn.

Указанные предпосылки проверены сравнением натурных данных по плотности песков и смесей, полученных на Горьковской железной дороге, с расчетными показателями, определенными по данным о гранулометрическом составе. Плотность песка в отсутствие гравийных фракций и песчано-пылеватой компоненты песчано-гравийных смесей определяется с учетом коэффициента неоднородности гранулометрического состава C u = d 6 0 / d 1 0. Здесь d 6 0, d l 0 - значения диаметров фракций, весовое содержание которых менее соответственно 60 % и 10 % от веса пробы. Значения d 6 0, d l 0 могут быть определены с использованием графика гранулометрического состава или аналитически с использованием таблицы гранулометрического состава. Прогнозируемые плотности песчано-пылеватой компоненты смеси максимальная при стандартном уплотнении p d ma x и бытовая р d б определяются с учетом коэффициента неоднородности гранулометрического состава Сu по эмпирической зависимости, подлежащей уточнению по результатам опытного применения: ;.

Для уточнения указанных зависимостей при инженерно-геологическом обследовании грунтов должно быть предусмотрено стандартное уплотнение характерных разновидностей песков. На графиках рис. 5 аппроксимируется таблица СНиП и аналитическая зависимость Еn = А + 90{pd6 —1.5). МПа, где А = 20, 15, 10 для крупно- и среднезернистого песка, для мелкого песка и для пылеватого песка соответственно.

Рис. 5 График для определения модуля Рис. 6 Приближенные зависимости модуля деформации песков и супесей в зависимости деформации песчано-гравийных смесей от бытовой плотности (1- пески средние, от содержания гравия и показателя 2 - мелкие, 3 - пылеватые, 4 – супеси) неоднородности Cи pn =pmax Для оценки модуля деформации песчано-гравийной (песчано-щебенистой) смеси определяется объемная доля песчано-пылеватой компоненты в смеси Vn Vm, здесь An 100 An, db s, Аn— содержание частиц диаметром менее 2 мм в смеси. Прогнозируемое значение модуля деформации смеси определяется по формуле Vcm = En/Vn.

При выборе карьеров песчано-гравийной смеси для сооружения защитного слоя рабочей зоны земляного полотна, если имеются данные о гранулометрическом составе грунтов, ориентировочные значения модуля деформации возможно определить по графикам рис. 6. Полученные ориентировочные значения плотности и модулей деформации грунтов выбранных карьеров уточняются лабораторными испытаниями грунтов стандартным уплотнением песчано-пылеватой компоненты, с последующими штамповыми испытаниями уплотненной смеси для уточнения значения модуля деформации.

По данным гранулометрического состава подбалластных песчано-гравийных смесей выделение песчаной компоненты в качестве скелето- и свойствообразующей возможно повысить точность определения плотности смеси и ее модуля деформации.

Значения модулей деформации для супесей и суглинков зависят от влажности предела текучести Wl и определяются с учетом их нахождения в зоне влияния погодно-климатических факторов.

В четвертой главе проведен сравнительный анализ данных математического моделирования, в основе которого лежал метод представления неизвестных величин в виде разложений в степенные ряды по пространственной координате вдоль пути и времени, отсчитываемого с момента приложения динамической нагрузки на рассматриваемые элементы полотна. Исследуем полученные соотношения и построим графические зависимости осадки в месте действия динамической нагрузки от времени для различных соотношений модулей упругости, сдвига и скорости движения (рис. 7,8).

На рис.7а,б,в приведены зависимости динамического прогиба верхнего пути от времени для различных значений соотношения E Er, Grz Er, Gr Er, которые указаны цифрами у кривых, другие параметры в расчетах принимают следующие значения:

m =25, h =1, E =1.110-6, V =8.510-3. Рассматривается влияние анизотропных свойств насыпи на характеристики динамического воздействия: при уменьшении соотношения E Er происходит увеличение прогиба-просадки до некоторого значения; при увеличении E Er происходит уменьшение прогиба, поскольку последний член отрезка ряда (29) уменьшается при росте соотношения E Er 1. Из рис.7б видно, что увеличение значения соотношения модулей Grz Er приводит к уменьшению прогиба-осадки. Модуль сдвига Gr меньше влияет на величину динамической осадки, чем модули сдвига в других плоскостях, но вместе с тем, это влияние достаточно заметно и при проектировании железнодорожного полотна с маленькими осадками можно рекомендовать, в том числе, и вертикальное армирование, для увеличения модуля сдвига в плоскости r.

На рис. 7г приведены зависимости динамического прогиба от времени, и исследуется влияние безразмерной скорости воздействия V на величину просадки насыпи с ортотропными свойствами: кривая 1 построена для скорости движения около км/ч, кривая 2 - 120 км/ч, кривая 3 - 90 км/ч, кривая 4 - 60 км/ч, кривая 5 - 40 км/ч.

Полученные прогибы можно сравнить с предельно допустимым прогибом, показанным горизонтальной прямой. Видно, что при некоторых скоростях осадка превышает нормативную, и условие устойчивости не выполняется. На рис. 8а у кривых цифрами в МПа указаны значения Er и E, модули сдвига принимают следующие значения:

Gr, Grz, G z соответственно. Пунктирной линией на рис. 7 и рис.8 показаны результаты обработки экспериментальных данных, полученных с помощью путеизмерителя.

Динамический прогиб Динамический прогиб На рис. 8а видно, что при уменьшении модулей упругости Er и E максимальное значение динамического прогиба увеличивается, причем Er оказывает более заметное влияние на прогиб. При уменьшении значений модулей сдвига прогиб увеличивается, причем, G z больше остальных характеристик влияет на динамическую осадку полотна.

При уменьшении Grz, G z максимальный прогиб и время, при котором прогиб будет равен нулю, увеличиваются пропорционально, а при уменьшении Gr время, соответствующее нулевому прогибу, увеличивается интенсивнее, т.е. насыпь будет дольше находиться в деформированном состоянии.

а) 0. w w Рис.8 Зависимость динамической осадки полотна от времени для различных значений: а) модулей упругости, б) модулей сдвига Для получения полной картины работы железнодорожного пути необходимо определить не только перемещения определенных точек насыпи, но и силовые факторы, например, усилие, возникающее между колесной парой и рельсом. Рис. 9а иллюстрирует зависимость силы взаимодействия между колесом и рельсом от времени для различных приведенных значений E Er пути: кривая 1 соответствует E Er =4, кривая 2 - 2, кривая 3 - 1 (трансверсально-изотропная пластинка), кривая 4 – 0.5, кривая 5 – 0.3. Из этого рисунка видно, что при увеличении E Er контактная сила увеличивается. Пунктирная линия построена при пересчете перемещений, полученных из данных вагонапутеизмерителя. Видно хорошее совпадение результатов эксперимента и аналитического расчета по максимальному значению силы и по продолжительности, только в начале экспериментальная зависимость ведет себя менее линейно, чем теоретическая. На рис.

9б показаны зависимости контактной силы от времени для различных моделей взаимодействия: кривая 1 – упругий контакт, кривая 2 – вязкоупругий контакт, кривая 3 – упруго-пластический контакт. Видно, что упругая модель дает наилучшее приближение к результату обработки экспериментальных данных по максимальной величине силы, по времени контакта и по характеру самой графической зависимости. Путем правильного подбора жесткостных характеристик (модулей деформации и сдвига) верхнего строения пути и основного тела насыпи можно достаточно точно определить поведение железнодорожного пути при динамическом нагружении.

Контактная сила Рис. 9 Зависимость силы взаимодействия от времени для различных: а) значений соотношения E Er, б) моделей контакта Таким образом, сравнивая полученные теоретические зависимости для различных значений механических характеристик насыпи с экспериментальными данными, видно, что варьируя некоторые параметры можно существенно уменьшить просадку железнодорожного пути. Хорошее совпадение результатов математического моделирования и экспериментальных исследований позволяет говорить о применимости представленных методик в реальных задачах обеспечения стабильности эксплуатации железнодорожных путей.

1) Проведена классификация по девяти критериям инженерно-геологических условий местности для оценки их влияния на стабильность работы железнодорожного пути. Приведенная типизация хорошо подходит для структурирования, формализации и матричного представления всех значимых характеристик грунта, а также определения их влияния на конечные характеристики нагруженного полотна.

2) В рамках волновой теории деформирования доработана методика расчета на динамические воздействия железнодорожного полотна, с учетом различных свойств насыпи, рельсового пути и подстилающего слоя грунта.

3) Обоснована возможность применения теории генезиса при оценке качества грунтов при строительстве и реконструкции земляного полотна железнодорожного пути.

4) Разработана методика определения механических характеристик подбалластных материалов и грунтов рабочей зоны земляного полотна.

5) Оперируя кинематическим параметром (прогиб) и силовым (сила взаимодействия) можно подобрать такой скоростной и грузовой режим проезда состава при котором полотно меньше бы разрушалось. Или, наоборот, задаваясь параметрами скорости и давления на ось можно подобрать материал для насыпи и подстилающего слоя, а также параметры армирования земляного полотна, при котором бы появляющиеся осадки и напряжения не превосходили допустимых значений.

6) Численный анализ полученных зависимостей показал, что при увеличении плотности, модуля упругости и модуля сдвига материала насыпи максимальная контактная сила увеличивается, а максимальный динамический прогиб уменьшается.

7) Показано, что анизотропные свойства в плоскости полотна влияют на динамические характеристики нагружения значительнее, чем в перпендикулярной плоскости.

Увеличение упругих характеристик материала мишени в перпендикулярном к оси дороги и нормальном к срединной поверхности полотна направлениях существенно влияет на передаваемую на грунт нагрузку и нормальное перемещения точек насыпи.

8) Модуль деформации оказывает большее влияние на значение силы, вместе с тем, в отличие от динамической осадки, поведение контактной силы в первые моменты времени практически не зависит от отношения упругих характеристик насыпи, а определяется только контактными характеристиками пары колесо – верхний путь.

9) Модуль сдвига в горизонтальной плоскости влияет на динамические характеристики воздействия, т.е. при вертикальном армировании насыпи осадка уменьшается.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Сычева А.В., Смоляницкий Л.А. Оценка пригодности грунтов придорожных карьеров для возведения насыпи // Путь и путевое хозяйство. 2011. №5. С. 23- 2.. Сычева А.В. Теория генезиса и оценка качества грунтов для строительства земляного полотна // Путь и путевое хозяйство. 2011. №9. С. 32-33.

3. Сычева А.В., Смоляницкий Л.А. Влияние капиллярных процессов в земляном полотне на развитие дефектов // Путь и путевое хозяйство. 2012. №4. С. 20-22.

4. Сычева А.В. Оценка влияния инженерно-геологических условий местности на стабильную эксплуатацию железнодорожного пути // Наука и техника транспорта.

2012. №4. С. 37- 5. Пешков П.Г., Сычева А.В. Методические указания по усилению основания пути при подготовке его к пропуску пассажирских поездов с повышенными скоростями. М.: Изд-во Транспорт. 90 с.

Сычева А.В. Влияние генезиса и геологического развития местности на стабильность пути// Путь и путевое хозяйство. 2013.№ 8, стр. 22- 7. Сычева А.В., Локтев А.А., Залетдинов А.В. Расчет осадки полотна железнодорожного пути от действия динамической нагрузки с помощью лучевого метода.// Нелинейный мир. 2013. №11. С.67-76.

8. Сычева А.В. Моделирование взаимодействия колесной пары и железнодорожного пути с учетом механических свойств грунта // Путь и путевое хозяйство.

2013. №12. С.75-82.

9. Сычева А.В., Локтев А.А. Исследование динамических характеристик верхнего строения железнодорожного пути при динамическом воздействии // Наука и техника транспорта. 2013. №4. С.64- Специальность 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Формат бумаги 60х84 1/16. Объем 1,5 п.л. Заказ -., УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д.9, стр. 9.



 
Похожие работы:

«Розенблат Григорий Маркович Сухое трение и односторонние связи в механике твердого тела 01.02.01 Теоретическая механика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Москва 2011 Работа выполнена в Московском государственном автомобильно-дорожном техническом университете (МАДИ) Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук, профессор Самсонов Виталий Александрович; доктор физико-математических наук, профессор Кобрин...»

«Сутырин Олег Георгиевич РАСПРОСТРАНЕНИЕ УДАРНЫХ ВОЛН В НЕОДНОРОДНЫХ ГАЗОВЫХ СРЕДАХ 01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2011 Работа выполнена на кафедре гидромеханики механико-математического факультета и в лаборатории газодинамики взрыва и реагирующих систем Института механики Московского государственного...»

«Козин Александр Васильевич ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ РАЗВИТИЯ ВИХРЕВЫХ ДВИЖЕНИЙ И ТЕПЛОВОЙ КОНВЕКЦИИ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ СЛОЕ ЖИДКОСТИ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ЗАРЯЖЕННОЙ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2011 Работа выполнена в Ярославском государственном университете им. П.Г. Демидова Научный...»

«Перминов Валерий Афанасьевич МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВЕРХОВЫХ И МАССОВЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Томск-2010 2 Работа выполнена на кафедре физической и вычислительной механики механико-математического факультета государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Томский государственный университет Научный...»

«Голдобин Денис Сергеевич ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ, ЛОКАЛИЗАЦИЯ И СИНХРОНИЗАЦИЯ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМАХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ТИПА 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Пермь – 2007 Работа выполнена на кафедре теоретической физики Пермского государственного университета. Научный руководитель : доктор физ.-мат. наук, профессор Любимов Дмитрий Викторович Официальные...»

«Волгин Александр Владимирович ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДИСКОВ КОМПРЕССОРОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЗГОННЫХ ИСПЫТАНИЙ 01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Рыбинск – 2012 2 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Рыбинский государственный...»

«Колесников Алексей Михайлович БОЛЬШИЕ ДЕФОРМАЦИИ ВЫСОКОЭЛАСТИЧНЫХ ОБОЛОЧЕК Специальность 01.02.04 – механика деформируемого твердого тела АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Ростов-на-Дону 2006 Работа выполнена на кафедре теории упругости Ростовского государственного университета. Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Зубов Леонид Михайлович Официальные оппоненты доктор физико-математических...»

«Ткаченко Олег Павлович ВНЕШНЯЯ И ВНУТРЕННЯЯ ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ ИЗОГНУТОГО ТРУБОПРОВОДА: ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И ПРИБЛИЖЕННОЕ РЕШЕНИЕ ИХ УРАВНЕНИЙ 01.02.04 – механика деформируемого твердого тела АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Хабаровск 2012 Работа выполнена в Вычислительном центре Дальневосточного отделения РАН (ВЦ ДВО РАН) Научный консультант : доктор физико-математических наук, профессор Виктор Анатольевич...»

«Валиев Харис Фаритович РЕШЕНИЕ АВТОМОДЕЛЬНЫХ И НЕАВТОМОДЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ О СИЛЬНОМ СЖАТИИ СФЕРИЧЕСКИХ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБЪЕМОВ ГАЗА 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва 2011 Работа выполнена в Центральном институте авиационного моторостроения имени П.И. Баранова Научный руководитель : доктор физико-математических наук, профессор Крайко Александр Николаевич Официальные оппоненты...»

«ГЛУШНЕВА Александра Владимировна ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА С ИНТЕНСИВНЫМ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕМ Специальность 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2014 Работа выполнена в Московском физико-технический институте (гу). Научный руководитель : Сон Э.Е. доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, Объединенный институт высоких температур...»

«НУРУЛЛИН РУСТЕМ ФАРИТОВИЧ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАВОДНЕНИЯ НЕФТЯНОГО ПЛАСТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОГЕЛЕЙ Специальность 01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Тюмень – 2010 Работа выполнена в лаборатории математического моделирования процессов фильтрации Института механики и машиностроения Казанского научного центра РАН. Научный руководитель : доктор физико-математических наук Никифоров...»

«ЯРУЛЛИН РУСТАМ РАИСОВИЧ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ И ОСТАТОЧНАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ НАСАДНОГО ДИСКА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ С ПОВРЕЖДЕНИЕМ В ШПОНОЧНОМ ПАЗУ 01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Саратов – 2009 Работа выполнена в лаборатории Вычислительная механика деформирования и разрушения Исследовательского центра проблем энергетики Учреждения Российской академии наук Казанского...»

«Осипов Юрий Викторович МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТЬЮ АППАРАТА ВНЕШНЕЙ ФИКСАЦИИ УНИВЕРСАЛ Специальность 01.02.06 – динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Томск 2000 Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Люкшин Б.А. Официальные оппоненты : доктор технических наук, Реутов Ю.И....»

«ТЕРЕГУЛОВА Евгения Александровна УДК 532.529:534.2 АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ДВУХФРАКЦИОННЫХ ГАЗОВЗВЕСЯХ С ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ В ОДНОЙ ИЗ ФРАКЦИЙ 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук КАЗАНЬ - 2011 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте механики и машиностроения Казанского научного центра РАН. Научный руководитель : доктор физико-математических наук,...»

«Строкатов Антон Анатольевич ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОГНЕННЫХ И ТЕПЛОВЫХ СМЕРЧЕЙ 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Томск – 2007 Диссертация выполнена на кафедре физической и вычислительной механики государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Томского государственного университета и в лаборатории распространения волн Института оптики...»

«РЕУТОВ АНАТОЛИЙ ИЛЬИЧ НАДЕЖНОСТЬ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С УЧЕТОМ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК Специальности 01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры 01.02.04 - механика деформируемого твердого тела АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук ТОМСК 2011 www.sp-department.ru 2 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Томский...»

«РАТАУШКО ЯН ЮРЬЕВИЧ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ УПРУГИХ И ПОРОУПРУГИХ ТРЁХМЕРНЫХ ТЕЛ НА ОСНОВЕ СОВМЕСТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ ГРАНИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И РУНГЕ-КУТТЫ Специальность 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Нижний Новгород – 2014 Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования Нижегородский государственный...»

«АСЕЕВА Наталья Владимировна ЧИСЛЕНОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ТЕЧЕНИЙ И ВОЛН В СРЕДАХ СО СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ 01.02.05 – МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ, ГАЗА И ПЛАЗМЫ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Нижний Новгород, 2007 1 Работа выполнена на кафедре Информационные системы и технологии Нижегородского филиала Государственного университета – Высшая школа экономики, г. Нижний Новгород и на кафедре Прикладная математика...»

«ИЛЬИН Илья Юрьевич МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ КОЛЕННОГО СУСТАВА ЧЕЛОВЕКА ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ (Специальность 01.02.08 - биомеханика) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2001 Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете Научные руководители: доктор технических наук, профессор Шолуха В.А. доктор биологических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ Зинковский А.В....»

«ДАНИЛОВ НИКИТА АЛЕКСАНДРОВИЧ СОСТОЯНИЕ КОЛЛАГЕНА В ТКАНЯХ ГЛАЗА И ЕГО ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННАЯ МОДИФИКАЦИЯ 02.00.04 – физическая химия 01.02.08 - биомеханика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учной степени кандидата химических наук Москва – 2011 г. Работа выполнена в лаборатории катализа и газовой электрохимии кафедры физической химии Химического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова. Научные руководители: кандидат химических наук, доцент...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.