Исследование несущей способности и деформаций железнодорожного земляного полотна убедительно свидетельствует о решающей роли вибродинамического воздействия от проходящих поездов.

В соответствии с планом развития скоростного и высокоскоростного движения в Республике Узбекистан к 2020 году намечено открытие скоростного движения поездов на линии Самарканд –Бухара и др. Изучение особенностей геологического строения этих участков показывает, что 50 – 60 % их длины предоставлено насыпями, сложенными лессовидными супесями [7, 8].

Абсолютно не ясно, как поведет себя лессовидная супесь, уложенная в тело земляного полотна, при повышенном вибродинамическом воздействии. Таким образом, актуальным вопросом является прогнозирование несущей способности и деформативности земляного полотна из лессовидных супесей при скоростном движении поездов. Это дает основание для разработки конструктивных решений насыпей, возведенных в таких условиях. Для решения поставленной задачи необходимо оценить влияние вибродинамической нагрузки на прочностные и деформативные свойства лессовидной супеси, в частности на сцепление, угол внутреннего трения и модуль общий деформации. Все это определяет необходимость проведения ряда лабораторных экспериментов, результаты которых приведены в данной работе.

Для проведения исследования прочностных и деформационных свойств лессовидной супеси были отобраны образцы грунтов на скоростном железнодорожном участке Боявут – Янги Янгиер в Республике Узбекистан [6]. Земляное полотно представлено насыпью высотой 2,2 метра, отсыпаннойлессовидной супесью. Образцы лессовидной супеси отбирались монолитаминенарушенного сложения в соответствии с [4]. Физико-механические характеристики этих образцов представленыв табл. 1.

Таблица 1. Основные физические свойства лессовидной супеси

усредненное значение по результатам серий экспериментов.

Фактический коэффициент уплотнения определен по методу стандартного уплотнения в соответствии с [3].Из таблицы видно, что грунт является лессовидной супесью, в полутвердом состоянии, и обладает высокой плотностью сложения.

Существует различные методики испытаний для определения прочностных и деформативных характеристик: компрессионные и стабилометрические. Компрессионные испытания не отображают реальную работу грунта в натурных условиях, поскольку проводятся в условиях невозможного бокового расширения.Стабилометрический метод дает более точно смоделировать напряженное состояние грунтов земляного полотна. Исходя из этого, исследования выполнялись в вибростабилометреЛИИЖТа, который создает сложное вибродинамическое воздействие на образец грунта в условиях трехосного напряженного состояния.

Вибродинамическая нагрузка в камере стабилометра моделировалось изменением гидравлических давлений от 0,3 до 0,9 кгс/см².

Для лессовидной супеси при скоростях до 200 км/ч на уровне основной площадки земляного полотна он составляет от 250 мкм до 500 мкм при изменении частоты от 1 Гц до 200 Гц в зависимости от состояния верхнего строения пути, земляного полотна и его основания[1, 2]. В связи с этим, максимальная вибродинамическая нагрузка в камере стабилометрабыла принята на уровне 500 мкм.

Прочностные и деформативные свойства лессовидной супеси были определены в соответствии с действующими требованиями к испытаниям[5].

Результаты исследований прочностных характеристик лессовидной супеси представлены в таблице 2.

Анализ табл.2 показывает, что относительное снижение прочностных характеристик лессовидной супеси под влиянием вибродинамического воздействия существенно зависит от влажности грунта. Лессовидные супеси в твердой консистенции мало чувствительны к вибродинамической нагрузке. Коэффициент снижения сцепления составляет всего 7% и соответственно коэффициент снижения угла внутреннего трения 6% при действии максимальной вибродинамической нагрузке.

Таблица 2. Прочностные характеристики лессовидной супеси при действии статической и вибродинамической нагрузке.

С увеличением влажности до 15% что соответствует пластичной консистенции,коэффициент снижения сцепления и коэффициент снижения угла внутреннего трения грунта увеличиваются и составляют соответственно17% и 10%.

Максимальная чувствительность лессовидной супеси к вибродинамической нагрузке лессовидной супеси достигается в пластичном состоянии. При этой консистенции коэффициент снижения сцепления составляет 28%, а коэффициент снижения угла внутреннего трения 17% при действии максимальной вибродинамической нагрузке.

Результаты исследований деформативных характеристик от показателя консистенции грунта представлены на рис. 1.

1 – Статические компрессионные испытания, 2 – усредненные значение статических испытаний при боковом давлении 0,08, 0,06, 0,04 МПа. 3 – усредненные значение вибродинамических испытаний при боковом давлении 0,08, 0,06, 0,04 МПа.

Анализ графиков (рис. 1.) показывает, что во всех испытаниях значения модуля деформации, получаемые при динамических условиях, оказались ниже, чем при статических испытаниях, однако, разница между этими величинами при разной консистенции разная. При консистенции -0,2, т.е. твердой консистенции, этот разница составляет 12%, при показателе консистенции 0, разница достигает до 38%, при консистенции 0,1 – 45%, а при показателе консистенции 0,3, разница между статическими и динамическими модулями деформации достигает 68%.С последующим увеличением влажности этот разница снижается.

Рис. 1 Изменение модуля деформации лессовидной супеси в зависимости от показателя консистенцииI_L.

Это обуславливается тем, что слабые водонасыщенные грунты обладают настолько низкими статическими деформативными характеристиками, что влияние вибродинамических нагрузок при высокой влажности несущественно.

Из (рис. 1) видно, что при испытаниибез возможности бокового расширения (компрессия) модуль деформации значительно превышает значения, полученные с возможностью частичного боковогорасширения.

Результаты относительного снижения модуля деформации лессовидной супеси представленына рис. 2. На рис. 2 также представлены данные по изменение К_Е, полученные И.В. Прокудиным, В.П. Великотным и др. для тяжелой пылеватой супеси и жирной глины.

Рис. 2 Изменение коэффициента относительного снижения модуля деформации К_Е в зависимости от консистенции.

1 – супесь тяжелая пылеватая; 2 – лессовидная супесь; 3 –глина жирная.

Зависимость К_Е=f(I_L), представленная на (рис. 2 кривая 2) показывает, что наибольшее влияние вибродинамическая нагрузкана Еоказывает при консистенцииот 0,2 до 0,4, а максимальный уровень коэффициента относительного снижения модуля деформации приходится к показателю консистенции 0,3 (пластичная консистенция) и составляет 68%. Для тяжелой пылеватой супеси и жирной глинысамый высокий уровень коэффициента относительного снижения приходится на консистенцию 0,3 и составляют соответственно 87% и 58%.Последующее увеличение влажности I_L˃ 0,4,не существенно сказывается на снижении модуля деформации при действии вибродинамической нагрузки.

По нормативным документам грунты,применяемые, в конструкции земляного полотна, ограничиваются показателем консистенции 0,5, а для высоких насыпей до 12 м показателем консистенции до 0,25. Лессовидная супесь максимально снижает свои деформативные характеристики именно в пластичном состоянии. Таким образом, те грунты, из которых отсыпается земляное полотно, подвержены наибольшему влиянию вибродинамической нагрузки. Это еще раз доказывает, что при возведении железнодорожного земляного полотна лессовидными супесями нужно учитывать влияния вибродинамического воздействия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализируя приведенные данные можно сделать вывод, что увеличение влажности лессовидной супесиземляного полотна приведет к резкому уменьшению сцепления, угла внутреннего трения и модуля деформации. При этом, очевидно, что вибродинамическое воздействие еще больше увеличивает это снижение особенно при пластичном состоянии. По результатам экспериментальных исследований установлено, что максимальное значение коэффициента относительного снижения сцепления, угла внутреннего трения и модуля деформации лессовидной супеси, достигается при показателе консистенции 0,3 и составляет соответственно 28%, 17% и 68%. Приведенные факты еще раз наглядно подтверждают необходимость учета действия вибродинамической нагрузки для прогнозирования несущей способности и деформативности земляного полотна из лессовидных супесей.