 Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разным специальностям
На правах рукописи КОРНЕЕВ ДЕНИС АЛЕКСАНДРОВИЧ ОЦЕНКА НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ НАСЫПЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОБЪЁМНЫХ ГЕОМОДЕЛЕЙ Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Новосибирск - 2009 Работа выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщения (СГУПС). Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Исаков Александр Леонидович Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Смолин Юрий Петрович кандидат технических наук Тенирядко Надежда Ивановна Ведущая организация Дальневосточный университет путей сообщения (ДвГУПС) Защита состоится л 10 марта 2009 года в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 218.012.01 при Сибирском государственном университете путей сообщения по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191, в ауд. 224. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС) Автореферат разослан л 09 февраля 2009 года. Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Соловьёв Л. Ю. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Железнодорожные насыпи являются одним из самых сложных и подверженных деформациям типов земляного полотна. Сплывы откосов насыпей наиболее опасный вид деформаций, приводящий к отказам железнодорожного пути (перерывам в движении поездов) и большим затратам на ликвидацию их последствий. Ежегодно на сети железных дорог РФ происходит до десятка, а в неблагоприятные годы и более, сплывов откосов. По оценке, выполненной институтом Гипротранстэи, стоимость ликвидации последствий сплывов откосов насыпей в среднем на один объект составляет около 7,05 млн. руб. В настоящее время основным методом диагностики состояния железнодорожных насыпей является их визуальный осмотр, а в начальной фазе деформирования проведение инженерно-геологического обследования совместно с инженерно-геодезическими наблюдениями. Стоимость такого обследования в расчете на одну насыпь составляет около 750 тыс. руб. При этом сроки обследования оказываются продолжительными, и приходится в аварийном порядке проводить противодеформационные мероприятия, за счет чего их стоимость возрастает в 2-3 раза. Проведение своевременного обследования высоких насыпей с применением современных геофизических методов, детальный анализ физико-механических характеристик грунтов тела насыпи и основания, расчёт трёхмерного напряжённо-деформированного состояния (НДС) земляного полотна с прогнозом возможных деформаций существенно повысит эффективность их контроля, увеличит достоверность получения информации при одновременном сокращении объёма дорогостоящих инженерно-геологических работ. Целью работы является повышение точности оценки устойчивости новых и длительно эксплуатируемых железнодорожных насыпей. Основные задачи исследований: 1. Обосновать выбор моделей деформирования и свойств материалов для элементов железнодорожного пути при построении трёхмерной математической модели. 2. Подтвердить достоверность результатов расчётов по трёхмерной математической модели путём их сравнения с экспериментальными данными других авторов. 3. Учесть низкочастотную динамику при моделировании поездной нагрузки в расчётной схеме деформирования земляного полотна. 4. Разработать методику подготовки данных сейсмотомографии железнодорожных насыпей для их адаптации к конечно-элементному расчёту НДС земляного полотна. 5. Обосновать применение деформационного критерия к оценке устойчивости железнодорожных насыпей. Объектом исследования являются новые и длительно эксплуатируемые железнодорожные насыпи. Предметом исследования являются процессы деформирования и потери устойчивости земляного полотна под воздействием внешних нагрузок. Идея работы заключается в комплексном подходе к получению научно обоснованных рекомендаций по прогнозной оценке состояния железнодорожных насыпей, объединяющем в себе вопросы сейсмотомографии, трехмерного расчета и компьютерного анализа НДС земляного полотна с применением деформационного критерия. Научная новизна работы заключается: - в постановке трёхмерной задачи с реальным распределением поездной нагрузки и учётом нелинейного деформирования балластной призмы и земляного полотна; - в методе построения объёмной геомодели обследованного участка по данным сейсмотомографии; - в учете низкочастотной составляющей поездной нагрузки при моделировании деформирования земляного полотна; - в обосновании и применении деформационного критерия при оценке устойчивости железнодорожных насыпей. Практическую ценность работы составляют: - получение более детальной информации о распределении свойств грунта в земляном полотне с помощью сейсмотомографии; - выявление потенциально опасных зон в земляном полотне по интенсивности сдвиговых деформаций с учётом поездных нагрузок; - выбор наиболее эффективного способа усиления земляного полотна путём компьютерного анализа возможных вариантов. На защиту выносятся: 1. Трёхмерная математическая модель деформирования земляного полотна. 2. Алгоритм построения объёмной геомодели по данным сейсмотомографии. 3. Деформационный подход к оценке устойчивости железнодорожных насыпей. Достоверность полученных результатов определяется применением апробированных моделей деформирования грунта, сравнением результатов математического моделирования с экспериментальными данными других авторов. Реализация исследований. Результаты исследований диссертационной работы использованы при разработке Методики диагностики состояния высоких насыпей с прогнозом возможности деформаций (утверждена ОАО РЖД 20.12.2005 г.); проекта Капитальный ремонт земляного полотна на ст. Жеребцово Западно-Сибирской железной дороги и экспертного заключения Оценка состояния земляного полотна на левобережном подходе к мосту на участке ПК 6025+70 - ПК 6026+64 линии Омск-Алтайская Западно-Сибирской железной дороги (2007-2008 г.г.). Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на конференциях Наука и молодёжь XXI века (Новосибирск, 2005 и 2006 г.г.), Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна и искусственных сооружений (Москва, 2005, 2007 г.г.), региональный семинар по земляному полотну (Новосибирск, 2008), научный семинар СГУПС при диссертационном совете (Новосибирск, 2008). Публикации: по теме диссертации опубликовано 9 научных работ. Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и 3 приложений. Общий объём работы составляет 156 страниц, включая 64 рисунка и 4 таблицы. Список использованных источников включает 123 наименования. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформирована цель исследований, определены задачи для достижения цели, представлена научная новизна и практическая ценность результатов. В первой главе выполнен анализ существующих инженерных подходов к расчётам насыпей (Г.М. Шахунянц, Т.Г. Яковлева, И.В. Прокудин, В.В. Виноградов, С.А. Войтов, М.Н. Гольдштейн, А.Л. Исаков, Ю.И. Соловьёв, А.М. Караулов, Ю.П. Смолин, Fellenius W, Terzaghi K., Janbu N, Spenser E.A., Taylor D.W., Huang Y.H., Bishop A.W. и др.) и публикаций по математическому моделированию деформирования земляного полотна (М.Ф. Вериго, А.Ф. Ким, С.П. Васильев, В.И. Ангелейко, Э.П. Исаенко, И.Н. Журавлёв, Г.Н. Гаврилов, Hwang Seon-Keun, Yoshitsugu Momoya, Etsuo Sekine и др.). Проведённый анализ показал, что: 1) в инженерных расчетах применяются две модели деформирования грунтов тела насыпи и основания - упругая (расчёты на прочность) и жёстко-пластическая (расчёты устойчивости и стабильности); 2) расчёт устойчивости, используемый в инженерной практике, проводится по линиям скольжения изначально заданной формы; 3) применение двухмерных расчётных схем не позволяет учесть распределение характеристик грунта и поездной нагрузки вдоль оси пути; 4) поездная нагрузка в большинстве случаев принимается как полосовая прямоугольная нагрузка, распределённая по ширине шпал и длине жёсткой базы вагона; 5) учёт динамики осуществляется введением динамических характеристик грунтов, интегрального параметра или добавлением к статическому решению экспериментально определяемых инерционных массовых сил; 6) трёхмерные модели распределения напряжений и деформаций в земляном полотне мало изучены; 7) оценка НДС земляного полотна в основном выполняется по напряжениям с использованием критерия по первому предельному состоянию. Таким образом, для достижения цели диссертационной работы необходимо: - разработать трёхмерную математическую модель земляного полотна с возможным учетом динамики подвижного состава; - учесть объёмное распределение характеристик грунта в теле насыпи и ее основании; - разработать подход к прогнозированию потенциально опасных ситуаций и определению возможных поверхностей смещения грунта вдоль слабых откосов по рассчитанному НДС. Вторая глава посвящена разработке трёхмерной математической модели деформирования земляного полотна. В настоящее время имеется ряд мощных вычислительных комплексов (ANSYS, MSC/NASTRAN, MSC/PATRAN, COSMOS/M, ABAQUS, ADINA и др.) позволяющих сформировать не расчетную схему, а виртуальный прототип заданного участка железнодорожного пути, с полным соответствием реальным геометрическим размерам и физико-механическим свойствам. Виртуальный прототип является основой трёхмерной математической модели деформирования элементов рельсошпальной решётки, балластной призмы и земляного полотна. Вычислительные процедуры расчётных комплексов основаны на численном методе конечных элементов и отличаются лишь PRE и POST процессорами. По вычислительным возможностям перечисленные пакеты примерно одинаковы. В данной работе использовался универсальный конечно-элементный пакет COSMOS/M. Для проведения тестовых расчетов был выбран участок пути, равный длине стандартного вагона 14,73 м (рисунок 1). Земляное полотно представлено насыпью из лёгкой супеси высотой 6 м с крутизной откосов 1:1,5. Расчетная область ограничена двумя поперечными сечениями, проходящими через геометрические центры двух соседних вагонов. Вес вагона в модели заменён четырьмя парами вертикально направленных внешних сил величиной 114 кН (осевая нагрузка 23 т), приложенных к рельсам в местах контакта с колесами. Такая постановка, когда нагрузка сосредоточена в средней части участка, а концы ненагружены, удобна для задания краевых условий. Рисунок 1 - Схема участка железнодорожного пути Исходное поле гравитационных сил задается весом объёмных конечных элементов, на которые разбивается геометрическая модель участка пути. Краевые условия заданы в виде нулевых продольных перемещений на торцах и нулевых вертикальных перемещений в основании земляного полотна. Трёхмерная конечно-элементная модель (рисунок 2) сформирована из объемных элементов типа SOLID. По поверхностям соприкосновения шпал и щебёночного балласта введены контактные элементы node-to-node - с их помощью моделируется отрыв подошвы ненагруженной шпалы от балласта. Рисунок 2 - Схема конечно-элементного разбиения участка пути Каждому конечному элементу построенной математической модели присвоены соответствующие физико-механические характеристики. Характеристики материалов рельсошпальной решётки приняты в соответствии с ГОСТами. Свойства материалов балластной призмы и грунта земляного полотна взяты по СНиП 2.02.01Ц83 и инструкции ЦПИ-36. Для выяснения особенностей деформирования балластной призмы (как сыпучей среды) и передачи напряжений на основную площадку земляного полотна были проведены тестовые расчёты в соответствии с таблицей 1. Таблица 1 - Характеристики материалов модели
|  |
Blog
Home - Blog