Деформируемость подрельсового основания

Непосредственная оценка интенсивности накопления необратимых деформаций в подрельсовом основании требует серьезного изменения расчетных моделей рельсового пути, что, как уже отмечалось, является делом будущего. Однако некоторые качественные стороны развития этих сложных процессов, неявно заключающих в себе критерии целесообразного нагружения пути, можно исследовать с помощью моделей с непрерывно дискретным основанием, а именно уравнения (14) упругой осадки рельса под нагрузкой на одиночной опоре. Это уравнение позволяет определить жесткость пути по линии действия нагрузки и разделяется на два слагаемых, одно из которых выражает вертикальную жесткость опоры, другое - жесткость изгибаемого рельса при отсутствии отдельной опоры.

Такое разделение позволяет учесть обособленно влияние на деформируемость пути под нагрузкой рельса, опирающегося уходящими в бесконечность частями на однородное основание с осредненными характеристиками упругого отпора, и свойств опоры, которые, вообще говоря, могут быть любыми. Рассматривая движение колеса в моменты нахождения над опорой как многократное повторение расчетной схемы нагружения при случайных значениях жесткости опоры, можно удачно моделировать методом статистических испытаний (Монте-Карло) наличие продольной неравноупругости опор [120]. Однако в данном случае интерес представляет качественная оценка поведения опор при многократном нагружении, предпринимаемая в порядке ориентировочного прогноза исследовательской проблематики в изучении несущей способности подрельсового основания.

Рельсовую опору можно представить как систему последовательно соединенных упругих элементов, имитирующих, например, шпалу или прокладки в промежуточных скреплениях железобетонных шпал, балластный слой, земляное полотно. Задаваясь характеристиками жесткости составляющих элементов в соответствии с их свойствами и состоянием, можно получить жесткость опоры в целом. При этом, как показывают расчеты, достигается вполне удовлетворительное согласование величин поэлементных и общей жесткостей с экспериментальными данными. Однако такой результат, строго говоря, получается только при однократном нагружении опоры, так как жесткости элементов сами зависят от числа циклов нагружения или от пропущенного тоннажа. Изменение жесткостей связано с необратимыми процессами накопления остаточных деформаций, которые при хорошем состоянии элементов верхнего строения относятся главным образом к балластному слою.

Щебеночный балласт под шпалами при многоцикловом нагружении претерпевает вибрационную переупаковку, в результате которой происходит в наиболее существенном размере по сравнению с другими процессами изменение пористости. Балластный слой в определенном объеме под шпалами постепенно уплотняется и упрочняется, значительно увеличивается его жесткость, что сопровождается накоплением остаточных осадок. Последнее напоминает в общих чертах грунтовую компрессию и может быть численно выражено закономерным уменьшением коэффициента пористости. Предпосылка линейной деформируемости опор заставляет предполагать наличие линейной пропорциональности между изменением коэффициента пористости Δε и давления на балластный слой Δσ. Их отношение λ, называемое в механике грунтов коэффициентом уплотнения или коэффициентом сжимаемости, оказывается в каждом цикле нагружения постоянным, но уменьшается от цикла к циклу, в результате чего компрессионная диаграмма многократного нагружения приобретает своеобразный вид (рис. 47).

Рис. 47. Идеализированная диаграмма уплотнения балласта под шпалами

Подобная схематизация процесса уплотнения позволяет выразить упругую осадку балластного слоя под нагрузкой как линейную функцию λ, а остаточную - как аналогичную функцию разности Δλ, коэффициентов сжимаемости при уплотнении и разуплотнении балласта в цикле нагружение-разгрузка. Линейной оказывается и зависимость между упругой и остаточной осадками: чем больше упругая осадка, тем больше и остаточная, обнаруживающаяся после разгрузки. Предполагая подходящее по характеру процесса уменьшение λ и Δλ, в зависимости от числа циклов нагружения или прошедших над опорой колес, можно получить хорошо известные из прямых экспериментов степенные зависимости увеличения остаточных осадок от тоннажа [121].

Предложенная схема при всей простоте исходных посылок дает качественно верное представление о процессе уплотнения балласта с накоплением остаточных осадок, что позволяет дополнить сформировавшиеся ранее представления о деформируемости подрельсового основания и подойти к более полному пониманию существа критериев, определяющих его целесообразное нагружение.

Наличие связи между упругими и остаточными осадками позволяет объяснить многие особенности поведения эксплуатируемого пути. Если шпала гибкая и под нагрузкой упругая линия ее изгиба имеет определенную форму, то поверхность балластного слоя приобретает по мере накопления остаточных осадок примерно такую же форму. Однако поскольку при этом меняется характер реактивного отпора, а следовательно, и упругая линия, очертания поверхности балласта, воспринявшей необратимые деформации, тоже не остаются постоянными. В результате остаточные осадки накапливаются неравномерно по длине гибкой шпалы.

В начале процесса циклического нагружения равномерно опирающейся гибкой шпалы максимум остаточных осадок образуется в подрельсовых сечениях, где постепенно формируются неисчезающие под нагрузкой полости. Это способствует перемещению зон наибольшего давления к середине и концевым частям шпал. Последние вызывают интенсивную деформацию балластного слоя и поверхность его под шпалой приобретает специфическую выпуклую форму, установленную экспериментальными исследованиями ЦНИИ МПС. Полагают [94], что при этом давление на балласт в значительной мере выравнивается, в результате чего начинается стадия более или менее равномерных остаточных осадок всей шпалы в целом.

Таким образом, гибкие шпалы, а к ним практически следует относить деревянные поперечины, имеют упругую осадку в подрельсовом сечении не только за счет сжатия и смятия древесины, но и за счет изгиба обусловленного существованием полостей под шпалами, что способствует упоминавшемуся снижению жесткости верхнего элемента опоры и скрывает увеличение жесткости уплотняющегося балласта. Следовательно низкий уровень жесткости пути на деревянных шпалах, который обычно по ряду причин считают положительным фактором, приобретается достаточно дорогой ценой.

При деревянных шпалах остаточные осадки вначале накапливаются весьма интенсивно, однако вследствие быстрого уплотнения балласта начинают затем скорее и затухать. При железобетонных шпалах, имеющих намного меньшую гибкость и равномернее нагружающих балластный слой, поверхность искажается необратимыми деформациями в меньшей степени, величины остаточных осадок убывают от цикла к циклу слабее т. е. процесс уплотнения оказывается длительнее. Но поцикловые необратимые деформации по мере роста жесткости опор увеличиваются. Средние значения упругих осадок на более жестком пути с железобетонными шпалами снижаются, а остаточных, напротив, увеличиваются. В еще большей степени способствует этому слабее демпфированная передача вибраций на балластный слои. Таким образом, преимущества более высокой изгибной жесткости железобетонных шпал теряются из-за более высокой жесткости всей деформируемой системы по линии действия нагрузки. Устранение этого недостатка представляет собой один из путей рационального конструирования верхнего строения с железобетонными шпалами.

Опора как система последовательно соединенных упругих элементов изменяет свою жесткость по закону гармонической суммы. В такой системе деформации элементов соотносятся между собой как обратные величины их жесткостей. Наибольшую долю общей осадки воспринимает наименее жесткий элемент, причем если разница в жесткости этого и остальных элементов велика, упомянутая доля по существу определяет размер общей осадки. Указанная особенность четко проявляется в длительно эксплуатируемом пути на деревянных шпалах, средняя жесткость которого остается устойчиво низкой почти независимо от степени уплотнения балластного слоя и жесткости земляного полотна, хотя характеристики их деформируемости могут колебаться в очень широких пределах. Наиболее податливым элементом опоры является в этом случае изгибаемая шпала, а балласт и земляное полотно деформируются в неизмеримо меньшей степени.

Иное положение в пути на железобетонных шпалах. Жесткость верхнего элемента опоры обычно весьма высокая. Жесткость балластного слоя тоже по мере уплотнения приобретает большую величину. Следовательно, наиболее деформируемым элементом может оказаться земляное полотно. Это чревато весьма неблагоприятными последствиями. Известно, что высокая жесткость пути с железобетонными шпалами понижает эксплуатационную стойкость рельсов. Следовательно, снижение вертикальной жесткости пути на железобетонных шпалах является, помимо прочего, также весьма актуальной задачей конструирования.

Нагружение балласта шпалами должно происходить возможно более равномерно по площади, чего нельзя достичь при использовании гибких, в частности деревянных, шпал. Железобетонные шпалы в этом отношении гораздо благоприятнее деревянных, но преимущество пока достигается за счет слишком резкого увеличения жесткости пути. Уменьшить жесткость с сохранением равномерности нагружения основания шпалы возможно применением упругих амортизаторов и в этом направлении ведутся интенсивные поиски. Основной амортизирующий элемент рельсовой опоры должен располагаться над железобетонной шпалой. Такое решение способствует резкому уменьшению деформаций балластного слоя, но предъявляет ряд осложняющих требований к конструкции промежуточного скрепления, в котором оказывается основной деформируемый элемент. Скрепление из элементарного крепежного узла превращается в механизм, причем, исходя из современной практики содержания пути, требуется, чтобы этот механизм был еще и регулируемым и позволял изменять в известных пределах положение рельса по высоте и в плане. Конечно, это желательное качество скрепления, но обеспечить его без ущерба для других важных качеств практически невозможно. От. скрепления нужно требовать прежде всего, чтобы оно создавало надежную долговременную связь соединяемых элементов и обеспечивало необходимое снижение жесткости своими амортизаторами.

Если удастся передать на амортизаторы соответствующую часть упругой осадки опоры, то расстройство балласта будет сведено к минимуму и регулировка положения рельса по высоте, как массовая работа, вероятно, вообще не понадобится. Однако все соединения в амортизирующем скреплении должны быть упругими. В противном случае неизбежны их расстройства и необходимость восстановления натяга, что связано с проведением дополнительных путевых работ.

Степень нагружения подрельсового основания зависит, конечно, от мощности рельса. Чем мощнее рельс и больше его погонная масса, тем меньше при данной действующей силе упругие и остаточные осадки опор, меньше искажение профиля пути необратимыми деформациями. Этим свойством более тяжелых рельсов пользуются давно. Выбор их массы сводится, как известно, к установлению такого увеличения капитальных затрат на рельсы, которое целесообразно компенсируется экономией на эксплуатационных расходах. В последних же - весьма существенную часть составляют расходы по различным видам выправки пути, обусловленные необратимыми деформациями подрельсового основания. Ясно, что при необходимости сокращения эксплуатационных E расходов без дальнейшего увеличения массы рельса остается одно средство - повышение несущей способности подрельсового основания.

Важнейшей мерой снижения остаточных осадок t опор и главное их неравномерности является предэксплуатационное уплотнение балласта. Оно должно проводиться при том же общем направлении перемещений переупаковывающихся частиц, которое имеется под воздействием поездов, когда преобладают облегченные вибрацией перемещения в гравитационном поле. Важно также, чтобы уплотнение происходило по всему объему балласта. Тщательное уплотнение резко увеличивает тоннаж, после пропуска которого в пути возникают расстройства типа потайных толчков, а также снижает степень местных искажений необратимыми деформациями профиля пути и уменьшает объем выправки. Оно также помогает нормальному выполнению одной из важнейших функций балласта - распределяющей способности.

Распределяющая способность балласта может проявить себя в полной мере, если отсутствуют перемещения частиц, составляющих несущий каркас балластного слоя, если он работает как упругое тело. Когда же перемещения имеют пластический характер, что бывает при начале движения поездов на пути со слабо уплотненным балластом, должного распределения давления в теле балласта не происходит, что может способствовать очень значительной, хотя и временной, концентрации нагрузок на земляное полотно. Увеличение толщины балластного слоя, как мероприятие по снижению давления на земляное полотно, должно сопровождаться соответственным усилением уплотнения балласта.

Увеличение толщины балластного слоя способствует в некоторой мере росту остаточных осадок под воздействием поездов. Хотя со временем этот процесс затухает, его длительность вполне достаточна, чтобы из-за неравномерности остаточных осадок произошло существенное искажение профиля пути, которому часто не может воспрепятствовать даже применение более мощного рельса, и качество пути ухудшается. Это положение подтверждается непосредственными экспериментальными исследованиями. Таким образом открывается еще одна причина, в соответствии с которой при увеличении толщины балластного слоя необходимо усиливать его уплотнение.

Приведенное обобщение современных исследований деформируемости подрельсового основания свидетельствует о том, что в этой области за многими недостаточно изученными вопросами скрываются определенные возможности дальнейшего совершенствования верхнего строения. Следовательно, развитие, начавшееся в далеком прошлом, имеет перспективу продолжения. Это не означает, что нет необходимости в поисках принципиально новых конструкций пути. Разнообразные условия работы пути на дорогах СССР открывают области эффективного применения как традиционных, так и новых путевых конструкций, разработка которых должна быть активизирована. Это зависит в основном от размеров перевозочной работы и грузонапряженности линий, в изменении которой тоже удается проследить некоторые закономерности.