Експериментально-аналітичні дослідження технічного стану залізничних протизсувних споруд під дією динамічних навантажень

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Експериментально-аналітичні дослідження технічного стану залізничних протизсувних споруд під дією динамічних навантажень

Ю.І. Калюх, В.А. Дунін, Я.О. Берчун, С.М. Самойленко

Пропонується нова прикладна методика системного аналізу технічного стану залізничних протизсувних споруд (ЗПС). Методика включає і наступні етапи: вібродинамічне обстеження ЗПС; побудову математичної та розрахункової моделей об'єкта дослідження; виконання розрахунків напружено-деформованого стану ЗПС за допомогою відомих програмних засобів будівельної механіки, які сертифіковані та використовуються ; в будівельній галузі України; порівняльний аналіз експериментальних та розрахункових даних; рекомендації щодо ремонту, відновлення (в разі потреби) та подальшої експлуатації. З'ясовано, що ЗПС в середній частині на час проведення віброметричних досліджень має зменшений показник жорсткості в горизонтальному напрямку. Це може бути спричинено як конструктивними особливостями ЗПС, так і внутрішніми дефектами, що накопичились за час експлуатації стінки. Максимальні зареєстровані амплітуди віброприскорень ЗПС при дії мікросейсмічних коливань і русі залізничних поїздів не перевищують по осі Х 0,25 см/с2, по осі Z - 0,8 см/с2.

Міцність бетону відповідає класу В25. Для подальшої експлуатації необхідно ліквідувати наявні дефекти. Експериментально зареєстрована максимальна амплітуда поперечних коливань виникає при частоті 8 Гц. Різниця з розрахунковою частотою коливань становить 1,46 Гц, що відповідає відхиленню ~ 18%.

Ключові слова: системний аналіз, технічний стан, протизсувна споруда, неруйнівні методи, чисельне моделювання.

Протягом останніх 20-30 років швидкість руху на залізницях збільшилася до 500-600 км/год. Це вимагає підвищеного рівня надійності всіх елементів ланцюжка «локомотив - потяг - залізничні колії - огороджувальні залізобетонні будівельні конструкції». Підпірні стіни знаходяться під безперервним динамічним впливом техногенних і природних факторів (сейсмічні навантаження) [1]. Для підтримки на належному технічному рівні підпірних споруд та безперебійної роботи залізниці необхідне визначення деформацій ЗПС на початковому етапі, без аварійних ситуацій і припинення проходження залізничних потягів [2]. Основна тенденція в розвитку технічних засобів для реалізації методів неруйнівного контролю в порівнянні з візуальним обстеженням - створення складного багатофункціонального програмно-технічного обладнання для комплексної оцінки стану будівельних конструкцій за результатами аналізу хвильових процесів [3-5].

Пропонується нова прикладна методика системного аналізу технічного стану залізничних протизсувних споруд (ЗПС). Методика включає наступні етапи:

1. Вібродинамічне обстеження ЗПС.

2. Побудова математичної та розрахункової моделей об'єкта дослідження. Виконання розрахунків напружено-деформованого стану (НДС) ЗПС за допомогою відомих програмних засобів будівельної механіки, які сертифіковані та використовуються в будівельній галузі України.

3. Порівняльний аналіз експериментальних та розрахункових даних.

4. Рекомендації щодо ремонту та відновлення (в разі потреби), а також для подальшої експлуатації.

Етап 1 включає наступний порядок виконання робіт при вібродинамічних обстеженнях ЗПС. Методика віброметричних (інструментальних) обстежень передбачає вимірювання віброприскорень підпірних стінок протизсувної споруди та прилеглого ґрунту в горизонтальній та вертикальній площині по напрямках Х та Z відповідно до [6, 7]. Для попереднього ознайомлення з об'єктом обстеження була розглянута схема ЗПС із зазначенням основних розмірів. Підпірна стінка утримує насипаний під колійну основу ґрунт завдяки перерізу, що за формою близький до прямокутної трапеції з довжиною верхньої основи 4,5 м, нижньої - 1,5 м та висотою 5 м. На насипному ґрунті розміщена основа для одноколійної залізниці. Конструктивно підпірна стінка зібрана з окремих однотипних елементів «стіна в ґрунті» шириною 130 см, встановлених на фундамент з пальовим ростверком. У верхній частині підпірна стінка має монолітний залізобетонний пояс площею перерізу 600х600 мм. Зовнішніми чинниками динамічного впливу на підпірну стінку є такі: знакоперемінні мікросейсмічні коливання природного характеру, зумовлені розташуванням досліджуваного об'єкта в сейсмічній зоні передгір'я Карпат; рух залізничних потягів по певній ділянці залізничної колії.

Мікросейсмічні коливання ґрунту відбуваються постійно і мають змінний характер як за напрямком, так і за інтенсивністю. Вплив рухомих залізничних потягів на ґрунтову основу залізничної колії та протизсувну споруду є нерегулярним. Як показали візуальні спостереження, швидкість руху пасажирських залізничних потягів на ділянці, що прилягає до протизсувної споруди, не перевищує 50-80 км/год.

У рамках розробленої методики були реалізовані наступні схеми (див. рис. 1) розміщення вібродатчиків на верхньому майданчику ЗПС:

Схема 1. Розміщення датчиків №5, №6 та №7 на верхньому майданчику стіни в т. 1, т. 2 та 3 та для вимірювання горизонтальних віброприскорень в напрямку Х.

Схема 2. Розміщення датчиків №5, №6 та №7 на верхньому майданчику стіни в т. 1, т. 2 та 3 та для вимірювання вертикальних віброприскорень в напрямку Z.

На положення осей X та Z на рис. 1 вказують напрямки вимірювання віброприскорень. Рух потяга вздовж залізничної колії здійснювався в напрямку від т. 1 до т. 3 (рис. 1). Для виконання всього обсягу запланованих вібродинамічних обстежень записи коливань проводились протягом 3 хв, двічі повторюючись по кожній схемі розміщення вібродатчиків, хоча безпосередньо динамічний вплив від потяга на підпірну стінку здійснювався протягом 20 с при його швидкості близько 50 км/год.

Рис. 1 - Місця розташування вібродатчиків під час дослідження підпірної стінки

На рис. 2 представлений графік часового сигналу горизонтальних віброприскорень в напрямку Х (перпендикулярному до залізничної колії) при русі пасажирського потяга. Горизонтальні віброприскорення зафіксовані в діапазоні 0,21-0,42 м/с² на кінцевих ділянках підпірної стінки та 0.63 м/с² на середній ділянці підпірної стінки. Запис часових сигналів віброприскорень проводився в діапазоні частот від 0,3 Гц до 100,0 Гц.

Рис. 2. - Часовий сигнал горизонтальних віброприскорень ЗПС (напрямок Х) при проїзді пасажирського потяга в напрямку від т. 1 до т. 3

Діапазон переважаючих частот при русі потяга для крайніх та середньої ділянок близький - в діапазоні 0,3-25,0 Гц. Для оцінки динамічних властивостей вказаних ділянок підпірної стінки наведено амплітудні спектри коливань в т.1 - т.3 при проїзді пасажирського потяга. На рис. 3 представлені амплітудні спектри горизонтальних коливань по Х відповідно для т. 1 - т. 3.

Рис. 3. - Часовий сигнал горизонтальних віброприскорень ЗПС (напрямок Х) при проїзді пасажирського потяга в напрямку від т. 1 до т. 3

Перша переважаюча частота амплітудного спектру горизонтальних коливань на крайніх ділянках ЗПС по напрямку Х складає 6,8 Гц (рис. 3, верхній та нижній рисунки). Ділянка в середній частині підпірної стінки такого явного піку переважаючих частот не має (рис. 3, середній рисунок). Це свідчить про те, що підпірна стінка в середній частині на час проведення віброметричних досліджень має зменшений показник жорсткості в горизонтальному напрямку. Це може бути спричинено як конструктивними особливостями ЗПС, так і внутрішніми дефектами, що накопичились за час експлуатації стінки. В якості пояснення звернемо увагу на конструктивні особливості стінки після її зведення. В результаті візуального обстеження встановлено, що верхні розподільчі балки на окремих ділянках ЗПС тільки прилягають до елементів "стіна в ґрунті" під "власною вагою", а не зав'язані з ними, як це спостерігається на інших ділянках та повинно бути за проектом.

Важливим фактором негативного динамічного впливу на ЗПС є можлива наявність з'єднувального стику колій на даній ділянці залізничного полотна. Таким чином, споруда підпірної стінки відповідає класу стійкості С, а допустимі значення віброприскорень при періодичних коливаннях складають 380 мм/с² (38,0 см/с²). Для ґрунту допустимий рівень віброприскорень, при яких виключене осідання фундаментів будівлі або споруди, згідно з рекомендаціями Савінова О.А. та Кудрявцева І.А. [8, 9], не може перевищувати 15 см/с².

Етап 2. Побудова математичної та розрахункової моделей об'єкта дослідження. Виконання розрахунків напружено-деформованого стану ЗПС за допомогою відомих програмних засобів будівельної механіки.

Для чисельного моделювання НДС ЗПС нами був використаний програмний комплекс «Ліра» 9.6. [10]. При чисельному моделюванні НДС ЗПС враховувалося від 5 до 15 секцій шириною 1,3 м кожна. Для ЗПС була розроблена графічна модель у програмно-розрахунковому комплексі ЛІРА 9.6 (рис. 4).

а) б) в)

Рис. 4 - Різні графічні моделі ЗПС, що використовувалися при числовому моделюванні (а-в) ЗПС у комплексі ЛІРА 9.6

Відсутність достатньої кількості вихідної інформації щодо конструкції стіни, пальового фундаменту, складу ґрунтів і їх ФМХ, акселерограм динамічних дій на конструкцію ЗПС від потягів, що проходять, дала підстави задати наступні окремі параметри: масу транспортного засобу взяти такою, що дорівнює 70 т; ґрунти взяти суглинні (суглинки напівтверді з нормативними характеристиками відповідно до табл. В.2 і В.3 [11]): р = 1,8-1,9 т/м³, I_L = 0-0,3, е = 0,6-0,7, Е = 1900~2000 т/м², ф = 15-25°, С = 0,25-30 т/м², ц = 0,15-0,2. Розрахункові характеристики ґрунту визначалися за положенням додатка до [11] (фі = 20°-25°, Сі = 0,75-0,85 т/м²); розрахунковий кут фі для варіанта із сейсмічними навантаженнями 7 балів був взятий таким, що дорівнює 20°-25°; крок паль дорівнює 1,0 м; кут нахилу дорівнює 10°; модуль деформації залізобетонних конструкцій дорівнює 306х10^-4 т/м²; горизонтальні звіси фундаменту ЗПС дорівнюють 0,8 і 1,5 м при товщині 0,2 м; прив'язка вертикальної палі - 1,2 м; прив'язка верху по похилій палі - 0,8 м. Напруги, що передаються на стіну, на рівні її верху і низу обчислювалися за формулами граничної рівноваги, наведеними в роботі [12]. У розрахунках на динамічні впливи враховувалася жорсткість ґрунтової основи під підошвою ростверку. Жорсткісні характеристики ґрунтової основи для ростверку і паль визначалися відповідно до положень [13]. Жорсткість ґрунту по боковій поверхні вертикальної стінки обчислювалася за формулою (9.20) [12] і формулами (5) і (7) [14].

При чисельному моделюванні були проведені розрахунки по 12 варіантах навантажень ЗПС: власна вага залізобетонних конструкцій; власна вага ґрунту на лівому краї горизонтальної ділянки підпірної стіни - 3,105 т/м²; власна вага ґрунту на лівому краї ростверку - 1,242 т/м²; власна вага ґрунту і навантаження від транспортного засобу на правому краї горизонтальної ділянки підпірної стіни - 19,18 т/м²; активний тиск ґрунту на стінку (праворуч) з урахуванням пригрузу транспортним засобом 02'= 2,65 т/м², 02 = 5,94 т/м²; тиск ґрунту на стінку (зліва) 02'= 0 т/м², 02 = 1,2 т/м²; снігове навантаження для регіону Чернівців Р = 0,1534 т/м²; сейсмічний вплив - 7 балів (а = 0,1, Кі = 0,25, К = 0,5, К = 1, Кгр = 1).

Окремі результати динамічного розрахунку системи "ґрунтова основа - пальовий фундамент - конструкція ЗПС" на вібраційні і сейсмічні впливи наведено на рис. 5.

Результати обчислення показують, що період власних коливань за першою формою дорівнює 0,157с; відповідна власна частота коливань - 9,46 Гц.

Рис. 5 - Ізополя горизонтальних напружень підпірної стінки по осі Х

Етап 3. Порівняльний аналіз експериментальних та розрахункових даних.

На основі експериментальних досліджень будівлі підпірної стіни на перегоні Завалля - Неполоківці Чернівецької дільниці колії Львівської залізниці зроблені такі висновки:

1. Максимальні амплітуди віброприскорень підпірної стінки при дії мікросейсмічних коливань та русі залізничних потягів не перевищують по осі Х 0,25.см/с², по осі Z - 0,8 см/с². Порівняно з мікросейсмічними коливаннями, рівень віброприскорень під час руху залізничних потягів поблизу підпірної стіни збільшується в 4 рази. Зареєстровані віброприскорення на рівні верхнього майданчика підпірної стіни нижчі від допустимих.

2. Споруда підпірної стіни при коливаннях має діапазон переважаючих частот 5,0-8,0 Гц по напрямку осі Х та 9,0-12,0 Гц - по напрямку осі Z. Зареєстровані максимальні віброприскорення основи стіни 0,80 см/с² менші від допустимих (15,0 см/с²). При такому рівні віброприскорень основи стіни та відсутності умов її замочування, осідання підпірної стіни в процесі подальшої експлуатації малоймовірне.

3. Міцність бетону підпірної стінки відповідає класу В25.

На основі математичного моделювання залізничної підпірної стінки на перегоні Завалля-Неполоківці Чернівецької ділянки колії Львівської залізниці зроблені наступні висновки:

1. Розрахункові значення НДС ЗПС відповідають проектним з урахуванням зареєстрованих деформацій та часом її тривалої експлуатації (погіршення характеристик в залежності від часу експлуатації).

2. Результати обчислення показують, що: період власних коливань за першою формою дорівнює 0,157 с; відповідна власна частота коливань - 9,46 Гц.

3. Слід відзначити, що експериментально зареєстрована максимальна амплітуда поперечних коливань виникає при частоті 8 Гц. Різниця з розрахунковою частотою коливань становить 1,46 Гц, що відповідає відхиленню ~ 18%.

залізничний протизсувний споруда ремонт

Висновки

1. Візуальний огляд ЗПС дає змогу констатувати, що її стан задовільний. Для її подальшої експлуатації бажано ліквідувати наявні дефекти у вигляді тріщин та роз'єднання у місті стиків, окремі осідання та кутові деформації.

2. Відомо, що зменшення власної частоти коливань конструкції свідчить про наявність руйнувань у самій конструкції, а її збільшення - про її підсилення та проведені ремонтно-відновлювальні роботи. Необхідно відзначити достатню точність розрахункової моделі, а також наявність тріщин в тілі ЗПС при проведенні обстежень. З досліджень випливає, що експериментальні методи неруйнівного контролю та математичного моделювання можуть бути використані для визначення поточного технічного стану ЗПС [15]. При цьому слід відзначити, що експериментальні методи вібраційної діагностики допоможуть при визначенні навіть незначних змін в напружено-деформованому стані ЗПС.

Список літератури

1. Trofymchuk O., Kaliukh I., Berchun V. (2017) Landslide stabilization in building practice: methodology and case study from autonomic Republic of Crimea. 4th World Landslide Forum, Ljubljana Slovenia EU, 29 May-2 June 2017. - [s.l.: s.n.], 2017. Workshop on World Landslide Forum. Springer, Cham: 587-595.

2. Nakajima S., Shinoda V., Abe K. Inspection of structural health of existing railway retaining walls [S. Nakajima, V. Shinoda, K. Abe] // Proceedings of the 18thInternational Conference on Soil mechanics and Geotechnical Engineering "Challenges and innovations in geotechnical". - Paris 2013. - P. 2059-2062.

3. Глуховский В.П. Опыт применения ультразвукового метода для определения прочности кирпича [В.П. Глуховский, Ю.И. Калюх] // Світ геотехніки, 2007. - №1. - С. 13-16.

4. Experimental and theoretical diagnostics of ferroconcrete piles base on reflection of longitudinal and transverse waves) / G. Farenyuk, I. Kaliukh, E. Farenyuk, T. Kaliukh, Y. Berchun, V. Berchun / International fib symposium “High tech concrete: Where technology and engineering meet!”, Maastricht, The Netherlands, 12-14 June, 2017. - [s.l.: s.n.], 2017. - P. 1307-1317.

5. Експериментально-теоретичне обґрунтування необхідності віброзахисту будинків при впливах потягів метрополітену / М.Г. Мар'єнков, Ю.І. Калюх, В.А. Дунін, А.М. Мар'єнков // Огроительство, материаловедение, машиностроение. Вып. 91 - 2016. - C. 77-89.

6. ДСТУ ГОСТ12.1.012-2008. ССБТ. Вибрационная безопасность.

7. Настанова щодо науково-технічного моніторингу будівель і споруд: ДСТУ-Н Б В.1.2-17:2016 / Ю. Калюх (науковий керівник розробки), О. Трофимчук, Я. Берчун та ін. // [Чинні від 01 квітня 2017 року]. - К.: Мінрегіонбуд, 2017. - 42 с.

8. Кудрявцев И.А. Влияние вибрации на основания сооружений. - Гомель.: БелГУТ, 1999.

9. Савинов О.А. Современные конструкции фундаментов под машины и их расчет. - Л.: Стройиздат. - 1979. - 200 с.

10. Программный комплекс для расчета и проектирования конструкций LIRA, версия 9.0. Руководство пользователя. - К., 2002. - 147 с.

11. ДБН В.2.1-10: 2009. Основания и фундаменты сооружений. Основные положения проектирования. - Киев, 2009.

12. Цытович Н.А. Механика грунтов / Н.А. Цытович. - М.: ГСИ, 1963. - 636 с.

13. Справочник по механике и динамике грунтов / Л.К. Гинзбург [и др.]; ред. А.Б. Швец. - Киев: Будивельник, 1987. - 230 с.

14. СНиП 2.02.05:87. Строительные нормы и правила Фундаменты машин с динамическими нагрузками. - Москва, 1988.

15. Хавкін К.О. Теоретичні і прикладні питання динамічної паспортизації протизсувних споруд у сейсмонебезпечних регіонах України / К.О. Хавкін, Ю.І. Калюх // Современное промышленное и гражданское строительство: cб.науч.тр. - Донецк: ДонНАСА, 2014. - Вып. 1 - С. 5-14.

Размещено на Allbest.ru