Сопротивление сдвигу несвязных грунтов при статических и вибрационных нагрузках

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Сопротивление сдвигу несвязных грунтов при статических и вибрационных нагрузках

Высокие темпы развития промышленного производства и сельского хозяйства в республиках Средней Азии и Казахстане вызывают интенсивный рост перевозок грузов и пассажиров. Для освоения существующих и ожидаемых в перспективе грузопотоков и пассажиропотоков в этом регионе предусматривается дальнейшее развитие и усиление сети существующих железных дорог.

Специфические природные условия районов с жарким, засушливым климатом требуют от проектировщиков и строителей решения ряда новых сложных задач в условиях распространения мелкозернистых барханных песков. Эти пески распространены, главным образом, на территориях пустынь и полупустынь, которые занимают значительную часть площади республик Средней Азии и Казахстана и характеризуются относительно небольшими прочностными характеристиками, монофракционным составом и значительным содержанием пылеватых частиц.

Ситуация осложняется тем, что в этом районе нет качественных материалов для сооружения земляного полотна в виде крупно- и среднезернистых песков и скальных грунтов, а завоз их из других районов существенно увеличивает сметную стоимость строительства. При проектировании и строительстве насыпей из барханных песков, требуется решать задачи, связанные с их недостаточной несущей способностью через разработку таких конструктивных решений земляного полотна, которые обеспечат длительную, стабильную и надежную работу железнодорожного пути.

Оценка несущей способности земляного полотна имеет одно из первостепенных значений при проектировании конструкции железнодорожного пути. Учет вибродинамического воздействия при расчетах несущей способности земляного полотна определяет эксплуатационную надежность пути и безопасность движения поездов [1,2]. Современные условия эксплуатации железнодорожного пути с большегрузными составами и высокоскоростными пассажирскими поездами обуславливают возникновение повышенной вибрационной нагрузки на конструкции пути в целом и на земляное полотно в частности.

В настоящее время в республиках Средней Азии и Казахстане появилась объективная необходимость в решении важнейшей проблемы обеспечения прочности железнодорожного земляного полотна, отсыпанного барханными песками, воспринимающими вибродинамическую нагрузку от проходящих поездов.

Актуальность проблемы для железнодорожного пути возросла из-за повышения скоростей движения пассажирских поездов и введения в оборот большегрузных вагонов с мощными локомотивами. В данной работе представлены результаты исследований прочностных характеристик песчаного грунта с участка железнодорожной линии Жетыген-Хоргос.

Лабораторные испытания по изучению влияния величины вибрационной нагрузки на прочностные свойства барханных песков выполнены на модернизированном сдвиговом приборе ВСВ-25, общий вид которого показан на рисунке 1.

Изменения в конструкции прибора позволяют проводить испытания в кинематическом режиме нагружения со скоростью от 0,01 до 0,5 мм/мин. Конструкция обойм позволяет получать величину относительной деформации образца более 27%. Характерной особенностью прибора является возможность выполнять сдвиг образца грунта несколько раз при постоянном значении нормального напряжения уn. В этом случае без изменения вертикальной нагрузки обойма прибора принудительно возвращается в начальное положение, и сдвиг образца повторяется заново. Это позволяет наиболее точно сформировать площадку скольжения и определить значение остаточного сопротивления сдвигу, а, следовательно, и остаточной прочности грунта.

Рисунок 1 - Общий вид сдвигового прибора

Работа прибора организована также в динамическом режиме. Вибрационное воздействие на образец грунта передаётся за счёт наложения на нормальное напряжение вертикального действия вращательного вибратора (рисунок 2).

Рисунок 2 - Общий вид вращательного вибратора

Вибратором служат эксцентрики, посаженные на вал, позволяющие изменять во времени значение вертикального напряжения. Численное значение вертикального напряжения регистрируется мессдозой, встроенной в штамп нижней обоймы. Работа прибора происходит в автоматическом режиме и позволяет регистрировать на ленте осциллографа периодическое изменение нормального напряжения, перемещение нижней обоймы прибора и изменяющееся во времени значение сдвигающего усилия. Общая схема прибора и регистрирующей аппаратуры приведена в [3].

Преимущество данного прибора перед другими отечественными аналогами заключается в следующем:

а) технические возможности прибора позволяют подобрать такую скорость сдвига, при которой не происходит концентрации касательных напряжений у краев образцов, вследствие чего напряженное состояние грунта в процессе сдвига в обойме прибора моделирует напряженное состояние грунта при сдвиге в природных условиях (оползания природных склонов, потеря прочности и устойчивости высоких насыпей земляного полотна железных и автомобильных дорог);

б) нормальное напряжение регистрируется в нижней части образца, то есть измеряется «фактическое» напряжение.

Экспериментальные и расчетные показатели состояния исследованного песка представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Экспериментальные и расчетные показатели состояния

исследованного песка

Испытания на сдвиг производились в соответствии с [4] в кинематическом режиме нагружения со скоростью перемещения подвижной обоймы прибора 0,15 мм/мин. Данная скорость выдерживалась, как при статических, так и при динамических испытаниях. Было испытано по три образца-близнеца при заданной плотности (1, 64 г/см3) для ступеней нормального (вертикального) нагружения, соответственно, 100, 200 и 300 кПа. При обработке результатов учитывались сила трения между обоймой и грунтом и переменность площади контактной поверхности сдвига. Методика учета силы трения между обоймой прибора и грунтом и переменности площади контактной поверхности сдвига подробно изложена в работе [5]. Результаты сдвиговых испытаний мелкого барханного песка при статической и динамической нормальной нагрузке приведены на рисунках 3-6.

Рисунок 3 - Диаграмма сдвига в статике

Рисунок 4 - Диаграмма предельного равновесия в статике

Рисунок 5 - Диаграмма сдвига в динамике

Рисунок 6 -Диаграмма предельного равновесия в динамике

В результате статических и динамических сдвиговых испытаний мелкого песка получены следующие параметры прочности:

- параметр (угол внутреннего трения) для пиковой прочности при статических испытаниях составил - =29°46, для остаточной =18°28; параметр С (сцепление) для пиковой прочности С = 30,62 кПа, для остаточной - С =19,29 кПа;

- параметр для пиковой прочности при динамических испытаниях составил - = 31°03, для остаточной - = 24°25; параметр С для пиковой прочности С = 18,59 кПа, для остаточной - С = 16,11 кПа.

На основании выполненных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

- исследованный песок согласно [6] классифицируется как «Песок мелкий, однородный, маловлажный, средней плотности сложения»;

- вибрационное воздействие на барханный песок приводит к изменению угла внутреннего трения и практически не влияет на сцепление-зацепление;

- наиболее стабильными прочностными характеристиками грунта являются параметры остаточной прочности;

- в расчетах устойчивости откосов железнодорожных насыпей, сложенных из данного вида грунта, в качестве расчетных характеристик угла внутреннего трения и удельного сцепления рекомендуется принимать наименьшие параметры остаточной проч-ности, полученные по результатам статических и вибрационных испытаний.

Литература

сдвиг грунт нагрузка песок

Яковлева Г.Г., Иванов Д.И. Моделирование прочности и устойчивости земляного полотна. - М.: Транспорт, 1980. ? 255 с.

Коншин Г.Г. Вибросейсмическая диагностика эксплуатируемого земляного полотна. -М., Транспорт, 1994. - 216с.

Хомяков В. А., Исаханов Е. А., Квашнин М. Я. Некоторые особенности про-ведения испытаний грунтов в срезных приборах. Труды Международного геотехнического симпозиума. Санкт-Петербург, 2003, С. 235 - 237.

ГОСТ 12248-96 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости ? М.: Изд-во стандартов, 1996.

Квашнин М.Я. Экспериментальные исследования прочностных характеристик глинистых грунтов для прогноза устойчивости транспортных сооружений. Дисс. на соиск. уч. степени канд.тех.наук, Алматы, 2005.

Размещено на Allbest.ru