Телефон: +7 (383)-235-94-57

ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО ПРИ БЕЗБАЛЛАСТНОЙ КОНСТРУКЦИИ ПУТИ МЕТОДОМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Опубликовано в журнале: Инженерные решения №6(7)

Автор(ы): Уланов Иван Сергеевич, Горлов Александр Вячеславович

Рубрика журнала: Строительство и архитектура

Статус статьи: Опубликована 18 августа

DOI статьи: 10.32743/2658-6479.2019.6.7.144

Библиографическое описание

Уланов И.С., Горлов А.В. ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО ПРИ БЕЗБАЛЛАСТНОЙ КОНСТРУКЦИИ ПУТИ МЕТОДОМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ // Инженерные решения: эл.научный журнал. –2019 – №6(7). URL: https://journaltech.ru/archive/7/144 (дата обращения: 19.10.2019). DOI: 10.32743/2658-6479.2019.6.7.144

Уланов Иван Сергеевич

первый заместитель главного инженера ООО Китайская Инженерная Железнодорожная Корпорация «ЭР ЮАНЬ»,

РФ, г. Москва

Горлов Александр Вячеславович

ведущий инженер-геотехник ООО Китайская Инженерная Железнодорожная Корпорация «ЭР ЮАНЬ»,

РФ, г. Москва

 

ASSESSMENT OF THE IMPACT OF HIGH-SPEED TRAIN ON SUBGRADE WITH BALLASTLESS TRACK USING METHOD OF NUMERICAL SIMULATION

 

Ivan Ulanov

first vice chief engineer «China Railway Eryuan Engineering Group» Co.Ltd,

Russia, Moscow

Aleksandr Gorlov

lead engineer-geotechnical «China Railway Eryuan Engineering Group» Co.Ltd,

Russia, Moscow

 

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена оценке воздействия высокоскоростного подвижного состава на земляное полотно при безбалластной конструкции верхнего строения пути типа CRTS III RUS для участка проектирования высокоскоростной магистрали ВСМ-2 «Москва-Казань-Екатеринбург» (далее ВСМ). Расчеты выполнены численным методом в программном комплексе Plaxis с учетом взаимодействия нагрузки, элементов верхнего строения пути и земляного полотна. Рассмотрены различные типы подвижного состава - высокоскоростной подвижной состав  типа CRH380 со скоростью движения до 400км/ч; локомотив ЭП20 со скоростью движения до 200 км/ч, принятые для обращения на линии проектируемой ВСМ. Приведены результаты моделирования, затухания вертикальных напряжений в конструкции земляного полотна при различных типах подвижного состав. На основе исследований даны рекомендации по принятию величины поездной нагрузки, при выполнении расчетов земляного полотна ВСМ по 1 и 2 группам предельных состояний.

ABSTRACT

The article is about the assessment of the impact of high-speed train on the subgrade with a ballast-less track CRTS III RUS type designed for high-speed railway VSM-2 "Moscow-Kazan-Yekaterinburg" (HSR). The calculations are performed by the numerical method in the Plaxis software package taking into account the interaction of the load, the elements of the track and the roadbed. Learn about the various types in train loads - high-speed train type CRH380 with speed up to 400km/h; ЭП20 locomotive with a speed of up to 200 km/h, adopted for operation on the line of the designed HSR. The results of modeling, attenuation of vertical stresses in the structure of the roadbed for different types of trains are presented. Research-based recommendations made to identify the train load when designing and calculating HSR subgrade with 1 and 2 groups of limit conditions.

 

Ключевые слова: высокоскоростная магистраль, поездная нагрузка, напряжения на основной площадке, земляное полотно, численное моделирование.

Keywords: Highspeed railway, train load, stress on subgrade, roadbed, numerical simulation.

 

Постановка проблемы: Земляное полотно вновь строящихся железнодорожных линий для грузового и смешанного движения поездов рассчитывается под нагрузку на ось грузового вагона 294 кН (30 тс/ось), что регламентировано СП 238.1326000.2015 [6]. На ВСМ планируется обращение мотор-вагонного подвижного состава с нагрузкой на ось 17 тонн и скоростных электровозов типа ЭП20 с нагрузкой до 21.5 тонн/ось, поэтому актуальной задачей является определение расчетной нагрузки от подвижного состава, обращающегося на проектируемой высокоскоростной магистрали в уровне основной площадки земляного полотна для выполнения расчетов при разработке проектной документации.

Анализ последних исследований в области изучения влияния высокоскоростного подвижного состава на земляное полотно.

Большая работа по исследованию влияния динамической нагрузки на путь высокоскоросной железной дороги при безбалластной конструкции верхнего строения пути (БВСП) была выполнена в Чжэцзянском университете в г. Ханчжоу (КНР) [7]. В данной работе проводился анализ влияния скорости движения высокоскоростного поезда, на возникающую динамическую нагрузку системы «поезд-ВСП-земляное полотно». В этом исследовании, было выполнено полномасштабное физическое моделирование безбалластной конструкции скоростной железнодорожной линии Шанхай-Нанкин. Получено значение напряжения под плитой и давление в грунте. В Российской Федерации исследованиями безбалластных конструкций и их влиянием на основную площадку земляного полотна занимались А.В. Савин и А.Ф.Колос. В работе [5] А.Ф. Колосом были выполнены исследования напряженного состояния грунтов подплитного основания при безбалластной конструкции верхнего строения пути типа Rheda 2000 на участке Саблино-Тосно.

Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. В настоящей работе исследовалось влияние высокоскоростного подвижного состава на специально-разработанную для условий Российской Федерации плитную безбалластную конструкцию пути CRTS III RUS cо стандартной шириной колеи 1520мм.

Важной задачей поставленной в данной работе являлось моделирование воздействия высокоскоростного подвижного состава на основную площадку земляного полотна, который должен обращаться на проектируемой линии ВСМ Москва – Казань – Екатеринбург при максимальном диапазоне скоростей движения, предусмотренном проектом.

Цель работы. Исходя из вышеупомянутых положений, целью настоящей работы является определение напряжений, возникающих на основной площадке земляного полотна от высокоскоростного подвижного состава с учетом взаимодействия с безбалластной конструкцией верхнего строения пути CRTS III RUS.

Для определения вертикальных напряжений в уровне основной площадки земляного полотна и по глубине земляного полотна при безбалластной конструкции верхнего строения пути было проведено численное моделирование нагружения конструкции земляного полотна участке Москва – Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва – Казань – Екатеринбург временной поездной нагрузкой.

Моделирование проводилось при различных типах подвижного состава - высокоскоростной подвижной состав типа CRH380 в диапазоне скоростей 200-400км/ч; локомотив ЭП20 со скоростью 200 км/ч. В статье приведены результаты моделирования, затухания вертикальных напряжений в конструкции земляного полотна при различных типах подвижного состава.

Для оценки воздействия подвижного состава на земляное полотно ВСМ, был построен типовой поперечный профиль насыпи с учетом требований СТУ «Земляное полотно участка Москва – Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва – Казань – Екатеринбург. Технические нормы и требования к проектированию и строительству» [1]. Геометрические параметры насыпи, принятые для расчетного поперечного профиля и поперечный профиль, принятый для расчета упругих осадок земляного полотна приведены на рисунке 1. При этом расчеты проводились с учетом демпфирующего действия упругих скреплений и без. Поперечный профиль, принятый для расчета упругих осадок земляного полотна приведен на рисунке 1 [8].

 

Рисунок 1. Расчетный поперечный профиль земляного полотна ВСМ

 

В аналитических методах расчетов предлагается задавать поездную нагрузку путем перевода ее в фиктивный столб грунта или задавая величины распределенных нагрузок от ВСП и поездов.

Определение вертикальных напряжений в уровне основной площадки земляного полотна и по глубине земляного полотна при безбалластной конструкции верхнего строения поможет определить искомую величину распределенных нагрузок от ВСП и поездов при задании исходных данных в расчетах конструкции земляного полотна ВСМ.

Для этого была построена математическая модель БВСП с приложенной к ней нагрузкой от подвижного состава.  

Конструкция БВСП приведена на рисунке 2.

 

Рисунок 2. Конструкция БВСП

 

Асфальтобетон в конструкции БВСП выполняет две функции – равномерное распределение нагрузки от безбалластной конструкции ВСП на верхний защитный слой ЗП и гидроизоляция грунтов основной площадки земляного полотна [8]. При построении модели земляного полотна был учтен данный слой.

При создании модели нагрузки от верхнего строения пути (Рисунок 3) приняты следующие параметры материалов:

- плотность бетона (ρ) – 2,5т/м3;

- удельный вес бетона (γ) = g ∙ ρ  = 9,8 ∙ 2,5т/м3 = 24,5кН/м3;

- модуль упругости рельсовой стали Е = 210 ГПа = 2,1∙105 МПа;

- модуль упругости плотного асфальтобетона, при марке вязкого битума 60/90 Е =1100 МПа, при температуре покрытия +30° С (согласно ОДН 218.046-01. Таблица П.3.2).

 

Рисунок 3. Геометрическая модель конструкции БВСП

 

Проектом на участке ВСМ предусмотрено промежуточное рельсовое скрепление типа WJ-8RUS, которое имеет упругие элементы и узлы скреплений (подрельсовая подкладка, упругая прокладка). В ходе выполнения расчетов было выполнено моделирование промежуточного рельсового скрепления WJ-8RUS. Схема сборки и конструкция скрепления WJ-8RUS приведены на рисунке 4. Суммарная толщина упругих резиновых элементов - 16 мм. Их наличие предполагает демпфирующий эффект от передачи динамических нагрузок.

При моделировании учитывались упругие свойства промежуточных рельсовых скреплений. Модуль упругости узла скрепления 50 кН/м.

Узел скрепления моделировался сплошным материалом с жесткостными характеристиками, соответствующими всей сборке (модуль упругости материала модели 50 кН/м). Модель рельса не имеет степени свободы по оси х.

Геометрическая модель узла скрепления, принятая в расчете приведена на схеме передачи поездной нагрузки на БВСП (Рисунок 5) [2].

 

Рисунок 4. Схема сборки и конструкция промежуточного рельсового скрепления WJ-8RUS

 

Рисунок 5. Схема передачи нагрузки на БВСП

 

Расчеты выполнялись при двух вариантах нагружения временной нагрузкой:

  • Нагружение расчетной динамической нагрузкой от колеса высокоскоростного подвижного состава типа CRH380 (17 тс/ось).
  • Нагружение условной динамической нагрузкой от локомотива ЭП20 (21,5 тс/ось).

В качестве расчетной динамической нагрузки от колеса (высокоскоростной подвижной состав) на рельс принята сосредоточенная нагрузка равная 160 кН, согласно СТУ «Земляное полотно участка Москва – Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва – Казань – Екатеринбург. Технические нормы и требования к проектированию и строительству» [1]. В качестве условной динамической нагрузки от колеса локомотива ЭП20 на рельс принята сосредоточенная нагрузка равная 105,42 кН (нагрузка от оси на рельс – 21,5 тс), с учетом коэффициента динамики – 137,05 кН.

 

Рисунок 6. Схема передачи нагрузок от высокоскоростного подвижного состава (слева) и от колес локомотива ЭП20 на рельс (справа) 

 

В программном комплексе Plaxis нагрузка от колес подвижного состава на рельс передается посредством приведенной полосовой равномерно распределенной нагрузки, с учетом геометрических параметров колесной базы, осевой формулы и величины нагрузки от колеса подвижного состава. Расчетная схема передачи поездной нагрузки, реализованная в Plaxis приведена на рисунке 7.

 

Рисунок 7. Расчетная схема приведенной передачи поездной нагрузки 

 

Параметры нагружения, принятые при моделировании приведены в таблице 1. 

Таблица 1.

Поездная нагрузка

Тип подвижного состава

Нагрузка на ось, тс

Нагрузка рельс от колеса, кН

Нагрузка рельс от колеса с учетом коэффициента динамики, кН

Приведенная распределенная нагрузка на рельс, кН/м

CRH380

17,0

83,38

160,00

26,12

ЭП20

21,5

105,42

137,05

36,49

 

В качестве основания земляного полотна принят суглинок. По классификации оснований земляного полотна по [1], основание прочное.

Характеристики грунтов земляного полотна и защитных слоев приведены в таблице 2. При назначении параметров грунтов конструкции земляного полотна учитывались требования СТУ [1]. 

Таблица 2.

Физико-механические характеристики грунтов земляного полотна и защитных слоев

Наименование грунта

Удель-ный вес грунта

Удельный вес водонасы-щенного грунта

Коэффициент фильтрации

Модуль дефор-мации

Коэффи-циент Пуассона

Удельное сцепление

Угол внутрен-него трения

Коэффи-циент уплотнеия

γunsat, кН/м³

γsat, кН/м³

K, м/сут

E, кН/м²

ν

c, кН/м²

ϕ, °

e

Насыпной грунт, песок средней крупности (НАСЫПЬ)

17,64

18,44

50

50000

0,3

3

40

0,98

Насыпной грунт, песок средней крупности (ЗАЩИТНЫЙ СЛОЙ №2)

17,64

18,31

50

80000

0,3

3

40

1,0

Насыпной грунт, ЩПГС (ЗАЩИТНЫЙ СЛОЙ №1)

18,62

18,62

80

120000

0,3

2

43

1,0

Асфальтобетон

20,00

-

-

1100000

0,3

-

-

-

Примечания: расчетные характеристики грунтов (угол внутреннего трения,  сцепление) приняты как нормативные по СП 22.13330.2011 [3].

 

На рисунке 8 представлена геометрическая модель земляного полотна (схема для проведения расчетов).

 

Рисунок 8. Геометрическая модель насыпи

 

Для моделирования нелинейных деформаций было принято решение использовать модель упрочняющегося грунта Hardening Soil (HS), соответствующая цели выполняемых расчетов. Модель HS может применяться для всех видов дисперсных грунтов, как песчаных, так и глинистых [3].

Результаты расчетов при нагружении расчетной динамической нагрузкой от высокоскоростного подвижного состава  типа CRH380 приведены на рисунке 9. Так как максимальные напряжения, развивающиеся в головке рельса превышают напряжения в уровне основной площадки земляного полотна на два порядка, то для наглядности, распределение напряжений показаны в 4 этапа с изменением максимального значения шкалы на каждом этапе.

 

Рисунок 9. Изолинии эффективных напряжений. Распределение напряжений в рельсе (вверху слева). Передача напряжений от подошвы рельса (вверху справа). Распределение напряжений от БВСП (внизу слева). Распределение напряжений в насыпи (внизу справа)

 

Максимальные напряжения от безбалластного верхнего строения пути в уровне основной площадки земляного полотна составляют 16,89 кН/ми концентрируются по краям БВСП (Рисунок 10).

 

Рисунок 10. Эпюра эффективных напряжений в уровне основной площадки земляного полотна от собственного веса БВСП 

 

Усредненное значение напряжений составляет 13,71 кН/м2.

Максимальные суммарные напряжения в уровне основной площадки земляного полотна от поездной нагрузки и БВСП составляют 35,63 кН/м2. При этом эпюра распределения напряжений в уровне основной площадки земляного полотна (Рисунок 11) относительно равномерна, максимальные суммарные напряжения под подошвой рельс, напряжения по оси пути составляют 29 кН/м2.

 

Рисунок 11. Эпюра суммарных эффективных напряжений в уровне основной площадки земляного полотна (с учетом БВСП)

 

Усредненное значение суммарных напряжений составляет 32,3 кН/м2.

Усредненная величина напряжений, возникающих в уровне основной площадки от поездной нагрузки (динамической нагрузки от высокоскоростного подвижного состава  типа CRH380) без учета собственного веса БВСП составляет 18,59 кН/м2.

Результаты расчетов напряжений при нагружении условной динамической нагрузкой от локомотива ЭП20 приведены на рисунке 12.

Максимальные суммарные напряжения в уровне основной площадки земляного полотна от поездной нагрузки и БВСП составляют  48,33 кН/м2. При этом эпюра распределения напряжений в уровне основной площадки земляного полотна (Рисунок 13) относительно равномерна, максимальные суммарные напряжения под подошвой рельс, напряжения по оси пути составляют  31,2 кН/м2.

Усредненное значение суммарных напряжений составляет 42,43 кН/м2.

Усредненная величина напряжений, возникающих в уровне основной площадки от поездной нагрузки (динамической нагрузки от локомотива ЭП20) без учета собственного веса БВСП составляет 28,71 кН/м2.

 

Рисунок 12. Изолинии эффективных напряжений. Распределение напряжений в рельсе (вверху слева). Передача напряжений от подошвы рельса (вверху справа). Распределение напряжений от БВСП (внизу слева). Распределение напряжений в насыпи (внизу справа)

 

Рисунок 13. Эпюра эффективных напряжений в уровне основной площадки земляного полотна 

 

По результатам численного моделирования были получены нормативные значения напряжений на основной площадке земляного полотна от временных и постоянных нагрузок. 

Согласно СП 20.143330.2016 [3], расчетные значение нагрузок от веса бетонных конструкций заводского изготовления следует определять с учетом коэффициента надежности по нагрузке для веса строительных конструкций и грунтов γf  = 1,1; коэффициент надежности по нагрузке для равномерно-распределенных нагрузок  γf  = 1,2.

Сводная ведомость результатов расчетов приведена в Таблице 3.

Таблица 3.

Сводная ведомость результатов расчетов напряжений, возникающих на основной площадке от действия нагрузок

Показатель

Нормативные значения, кН/м2

Расчетные значения, кН/м2

Усредненные значения напряжений, возникающих на ОПЗП от собственного веса БВСП

13,7

15,1

Максимальные значения напряжений, возникающих на ОПЗП от собственного веса БВСП

16,9

18,6

Усредненные значения напряжений, возникающие на ОПЗП от поезной нагрузки (CRH380)

32,3

38,8

Максимальные значения напряжений, возникающие на ОПЗП от поезной нагрузки (CRH380)

35,6

42,7

Усредненные значения напряжений, возникающие на ОПЗП от поезной нагрузки (ЭП20)

42,4

50,9

Максимальные значения напряжений, возникающие на ОПЗП от поезной нагрузки (ЭП20)

48,3

57,9

 

Полученные в ходе моделирования нормативные значения максимальных суммарных напряжений  в уровне основной площадки земляного полотна сравнивались с экспериментальными значениями напряжений на основной площадке под БВСП при различных видах подвижного состава, полученными в работе А.Ф.Колоса, А.А.Сидоренко, С.В.Соловьева [5].

Так например, при движении поезда «Сапсан» со скоростью 200 км/ч экспериментальные значения вертикальных напряжений на основной площадке составили 36 кПа (Рисунок 14), что сопоставимо с результатами, полученными в ходе моделирования.

 

Рисунок 14. Вертикальные напряжения на основной площадке в подрельсовой зоне при различных видах подвижного состава:  1 – «Сапсан»; 2 – ЧС-2т; 3 – ВЛ-10. [5] 

 

Однако в исследованиях А.Ф. Колоса [5] диапазон скоростей ограничен 200 км/ч. Учитывая, что полученная зависимость вертикальных напряжений от скорости линейна, можно предположить и спрогнозировать линию тренда (Рисунок 15). 

Таким образом, при скорости движения высокоскоростного подвижного состава 400 км/ч, напряжения на основной площадке в подрельсовой зоне составят 42,5 кН/м2, что сопоставимо с результатами численного моделирования.

 

Рисунок 15. Зависимость вертикальных напряжений на основной площадке в подрельсовой зоне от скорости движения высокоскоростного подвижного состава 

 

Расчетные значения максимальных суммарных напряжений в уровне основной площадки земляного полотна, полученные в ходе моделирования сопоставимы с данными натурных наблюдений А.Ф. Колоса и с величиной нагрузки от подвижного состава (40.4 кН/м2), регламентированной в Китайских нормах TB 10001-2016.

Для оценки затухания напряжений, возникающих от поездной нагрузки с глубиной, были построены эпюры вертикальных напряжений в различных по глубине сечениях численной модели.

Результаты затухания вертикальных напряжений от действия поездной нагрузки при различных типах подвижного состава представлены в виде графика на рисунке 16.

 

Рисунок 16. Затухание вертикальных напряжений от действия поездной нагрузки с учетом собственного веса БВСП при различных типах подвижного состава 

 

Выводы:

Проблема правильности задания нагрузки требует проведения дополнительных научных исследований и натурных испытаний для скоростей движения 350-400 км/час на построенной высокоскоростной магистрали с конкретными параметрами безбалластной конструкции верхнего строения пути и подвижного состава. Необходимо учитывать жесткость элементов БВСП и их распределяющую способность.

В настоящей работе выполнено моделирование взаимодействия поездной нагрузки с элементами пути с учетом их демпфирующих свойств и получены результаты, которые имеют хорошую сходимость с натурными исследованиями российских ученых. Полученные величины нормативных и расчетных напряжений, возникающих от действия подвижного состава, могут быть использованы при выполнении расчетов земляного полотна ВСМ по 1 и 2 группе предельных состояний. При проектировании и расчетах конструкций земляного полотна ВСМ рекомендуется принимать нормативную поездную нагрузку, как равномерно распределенная шириной 3,2 м и интенсивностью 42,4 кПа, расчетную – 50,9кПа.

 

Список литературы:

  1. Голубев А.И., Селецкий А.В., «Выбор модели грунта и её параметров в расчётах геотехнических объектов», [Электронный ресурс] N 4. URL: http://www.nipinfor.ru/publications/10063/ (дата обращения: 07.06.2010). 
  2. Колос А.Ф. Особенности напряженного состояния грунтов подплитного основания при безбалластной конструкции верхнего строения пути [Текст] / А.Ф. Колос, А.А. Сидоренко, С.В. Соловьев.
  3. Свод правил. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* (с Изменениями N 1, 2).
  4. Свод правил. СП 238.1326000.2015. Железнодорожный путь.
  5. Специальные технические условия «Земляное полотно участка Москва – Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва – Казань – Екатеринбург. Технические нормы и требования к проектированию и строительству»
  6. Проектная документация «Участок Москва – Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали «Москва – Казань – Екатеринбург» (ВСМ 2)»
  7. Уланов И.С., Филиппов Ю.И. Земляное полотно высокоскоростных магистралей // Транспортное строительство. -2017.-№10-11. – С.17-19.
  8. Chen R. , Zhao X. , Bian X. , Jiang H. , Wang Z. Experimental study on dynamic load magnification factor for ballastless track-subgrade of high-speed railway (2013). Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 5 (2013) 306–31