nguyên lý cơ bản động lực học nền đường sắt dưới tác dụng của tải trọng trục lớn vμ tốc độ cao PGs.. Trong quá trình truyền tải trọng đó, lớp mặt nền đường có tác dụng “đỡ trên-truyền dư
Trang 1nguyên lý cơ bản động lực học nền đường sắt dưới tác dụng của tải trọng trục lớn vμ tốc độ cao
PGs TS nguyễn thanh tùng
ths trần quốc đạt
Bộ môn Đường sắt - ĐH GTVT
Tóm tắt: Bμi báo đề cập đến những quan điểm mới trong tính toán nền đường sắt khi
đoμn tμu chạy với tốc độ cao, tải trọng trục lớn Theo quan điểm tính toán trước đây khi tính toán tác dụng của đoμn tμu đối với nền đường người ta coi tải trọng tác dụng lμ tải trọng trục (*), nghĩa lμ mới chỉ xét đến tác dụng tĩnh của đoμn tμu Thực tế nền đường phải chịu lực tác dụng lớn hơn do ảnh hưởng của sự chuyển động của đoμn tμu bên trên ảnh hưởng nμy lμ không
đáng kể khi tốc độ đoμn tμu thấp, tải trọng nhỏ; nhưng ảnh hưởng trên sẽ rất lớn nếu đoμn tμu chạy tốc độ cao, tải trọng lớn ảnh hưởng nμy chính lμ tác dụng động lực của đoμn tμu đối với lớp mặt nền đường
Summary: The article refers to new views in calculating rail ground when train is running
at high speed with big axial load In former views, when calculating train's effect to the ground, affecting load is considered as axial load (*) it mean only static effect of train is taken in to account In practice, the ground has to bear bigger load due to train's movement above Such effect is not remarkable if train runs at high speed with big load This effect is the very train's to the ground's wearing course
Việc hiện đại hóa các công cụ vận tải,
đặc biệt là sự phát triển mau lẹ của ngành
hàng không và ngành vận tải cao tốc trên
đường bộ đã khiến cho vận tải đường sắt phải
đối mặt với một cuộc cạnh tranh khốc liệt; để
đương đầu với thách thức này ngành đường
sắt rất bức thiết phải có được những mô hình
và phương thức vận tải mới
Việc phát triển các tuyến chạy tàu nặng,
chạy tàu tốc độ cao đã đánh dấu một thời kỳ
phát triển mới của ngành đường sắt, nó không
những thúc đẩy việc cải tiến đổi mới các thiết
bị di động trên đường sắt (như đầu máy, toa
xe, một số thiết bị thông tin, tín hiệu ) mà còn
làm thay đổi sâu sắc cả những quan niệm
truyền thống về thiết kế, thi công các công
trình cố định, đồng thời đặt ra nhiều thách thức mới Đối với công trình nền đường, các nội dung trên thể hiện ở chỗ:
- Phương pháp thiết kế nền đường đã phát triển từ chỗ chỉ đơn thuần phân tích tải tĩnh tới chỗ xem xét tác dụng động lực của tải trọng đoàn tàu - tức là đã bước đầu tiếp cận vấn đề phương pháp thiết kế động lực trên nền đường
- Trong thiết kế nền đường, ngoài yêu cầu thoả mãn điều kiện cường độ, còn bắt buộc phải khống chế được mức biến dạng
1 Khái niệm
ở đây chúng ta quan niệm nền đường sắt gồm có 2 phần chính: lớp mặt nền đường và
Trang 2lớp móng Lớp mặt nền đường tính từ đáy lớp
đá ba lát xuống đến một chiều sâu tính toán
nào đó, còn lớp móng là phần còn lại bên dưới
của nền đường
Khi đoàn tàu chạy trên ray, tải trọng bánh
xe qua ray, tà vẹt, nền đá tác dụng lên lớp
mặt nền đường, sau đó từ lớp mặt nền đường
truyền xuống phần bên dưới và tới móng nền
đường Trong quá trình truyền tải trọng đó, lớp
mặt nền đường có tác dụng “đỡ trên-truyền
dưới”, là một lớp chịu lực, đỡ tải của kiến trúc
tầng trên và của đoàn tàu Mức độ tác dụng
động lực của tải trọng đoàn tàu với lớp mặt
nền đường được biểu thị bằng ứng suất động
(lực nén động) trên lớp mặt nền đường
Hình 1 là dạng hình sóng của ứng suất
động đo được tại thực địa ở một điểm A trên
lớp mặt nền đường Khi tải trọng bánh xe từ xa
tiến gần đến điểm đo, ứng suất động lớp mặt
nền đường tăng dần, khi hai bánh xe đến
đúng phía trên điểm đo - tức là đúng lúc bánh
xe thông qua vị trí đo, ứng suất động đạt tới
giá trị cực đại (xem đỉnh nhọn trong hình vẽ),
tiếp đó bánh xe chuyển động xa dần điểm đo
- ứng suất động giảm dần Từ đó có thể thấy
rõ tác dụng của bánh xe trên lớp mặt nền
đường bao gồm quá trình tăng tải và quá trình
giảm tải, tức là mặt nền đường đã chịu động
lực trùng lặp của tải trọng bánh xe Số lượng
trùng lặp này là số trục bánh xe qua điểm đo
Tuyến đường có cường độ hóa vận càng cao
thì số lần xuất hiện tác dụng trùng lặp càng
lớn
Hình 1 Hình dạng sóng của ứng suất động đo
được trên mặt nền đường
Trong hình 1, sau khi bánh xe thứ nhất của giá chuyển hướng chạy qua, ứng suất
động trên lớp mặt nền đường giảm đến một mức nhất định, nhưng chưa phải bằng không, rồi lại bắt đầu tăng lên do tác dụng của giá chuyển hướng toa xe tiếp sau tiến dần đến
điểm đo A
Nếu lấy:
P tương ứng với đỉnh cao của sóng
PP
’ tương ứng với đỉnh thấp của sóng
Ta có P’/P là tỉ số giảm tải
chuyển hướng sẽ tương đương với hai lần tăng giảm tải trên lớp mặt nền đường, khi P’/P → 0 (tiếp cận đến 0) hoặc < 0 thì ở những nơi trạng thái lớp mặt nền đường kém (như bị đọng nước, mềm yếu, phọt bùn) sẽ khiến cho tình trạng mặt nền đường càng thêm xấu
Nếu P’/P → 1, một giá chuyển hướng chỉ tương đương với một lần tăng tải, số lần trùng (phi) lặp của tải trọng đoàn tàu đối với lớp mặt nền đường giảm đi một nửa, do đó có thể kéo dài chu kì duy tu bảo dưỡng đường Trị số P’/P không những chỉ có quan hệ với số trục và khoảng cách trục của đầu máy toa xe mà còn liên quan mật thiết với kết cấu đường như độ cứng của nền đá, mặt nền đường, loại hình ray, tà vẹt
2 ứng suất động ở lớp mặt nền đường
Dùng trị số đỉnh của hình dạng sóng ứng suất động để biểu thị trị số ứng suất động lớp mặt nền đường, trị số ứng suất động này thường tập trung trong phạm vi 50 - 70 kPa (0,5 - 0,7 kg/cm2), trị số lớn nhất có thể đạt
110 kPa (1,1 kg/cm2)
Trị số ứng suất động chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: loại hình toa xe, tốc độ chạy tàu, loại kết cấu đường, trạng thái không êm thuận
Trang 3của đường Tại Nhật Bản, người ta đã đo ứng
suất động ở lớp mặt nền đường với các điều
kiện tải trọng trục và tốc độ chạy tàu khác
nhau, từ đó thông qua phân tích lý luận đã đi
đến kết luận: “Thông thường, tải trọng 1 bánh
xe được truyền xuống cho 5 thanh tà vẹt chịu
theo các tỉ lệ 10%, 20%, 40%, 20% và 10%”
Viện khoa học và trường Đại học giao thông
Tây Nam cũng thu được kết quả đo thử tương
tự tại hiện trường và cũng có kết luận tương tự
Dựa vào cơ sở nêu trên, người ta đã xây
dựng công thức thực nghiệm để tính ứng suất
động lớp mặt nền đường như sau:
- Đường sắt thường:
σd = α.PS (1 + 0,3V/100)/A (1)
- Đường sắt cao tốc:
σd = α.PS (1 + 0,5V/100)/A (2)
trong đó:
PS - tải trọng tĩnh của trục (kN);
V - tốc độ chạy tàu (km/h), nếu V > 300
vẫn tính với V = 300;
A - một nửa diện tích phân bố lực nén
của lớp đá ba lát;
α - Hệ số phân bố lực trên tà vẹt, α = 0,4
Dưới tác động của tải trọng động, ứng
suất động sẽ giảm dần theo chiều sâu Nói
chung, ở phạm vi 0,6 m dưới mặt nền đường,
ứng suất động sẽ suy giảm rất nhanh Theo
kết quả đo được của trường Đại học giao
thông Tây Nam cho biết ở chiều sâu 0,6 m
dưới bề mặt nền đường, ứng suất động bằng
40% trị số trên mặt nền đường Khi chiều sâu
tính từ mặt nền đường đạt tới một mức nhất
định (theo số liệu đo ở Trung Quốc và một số
nước thì thông thường mức độ này là khoảng
3m), tỉ số giữa ứng suất động và ứng suất do
trọng lượng bản thân đất đắp nền đường tạo
ra nhỏ hơn 20% Do đo, ứng suất động của
nền đường ở phần dưới độ sâu này có thể bỏ
qua không xét đến
Khoảng cách từ độ sâu này tới bề mặt nền đường được coi là phạm vi của lớp mặt nền đường
3 Biến dạng của nền đường
Như trên đã nói, dưới tác dụng của ứng suất động do tải trọng đoàn tàu gây ra được lặp lại nhiều lần, lớp mặt nền đường sẽ có biến dạng dư, sự lặp lại của ứng suất động qua số lần tác động trùng phục làm tăng sự tích luỹ của biến dạng dư Do đó, sự phá hoại của đất thuộc lớp mặt nền đường hoặc sự biến dạng quá lớn của nó, không phải là phát sinh trong một thời gian ngắn mà là kết quả của sự tích lũy lâu dài
Theo kết quả nghiên cứu của Health ở London, dưới điều kiện các ứng suất động khác nhau thì sự biến đổi của biến dạng có thể chia thành 2 nhóm:
Hình 2 Quan hệ giữa biến dạng tương đối
tích luỹ vμ số lần chịu tải tác dụng N
- ở nhóm thứ nhất, tốc độ biến đổi của biến dạng dư tích lũy sẽ chậm dần theo số lần cho tải tác dụng và cuối cùng có xu hướng ổn
định - ta xếp nhóm này vào loại hình suy giảm
- ở nhóm thứ hai, tốc độ biến đổi của biến dạng dư tích lũy sẽ tăng dần theo số lần cho tải tác dụng, khi số lần tác dụng của tải không ngừng tăng lên thì sẽ xảy ra hiện tượng phá hoại Ta xếp nhóm này vào loại hình phá hoại
Trang 4Như vậy, nếu ứng suất động ở lớp mặt
nền đường < ứng suất động giới hạn (cường
độ động) của đất lớp mặt nền đường thì ta có
thể khống chế biến dạng dẻo của lớp mặt nền
đường
Một số công trình nghiên cứu đã nêu rõ:
trong điều kiện ứng suất động ở mức thấp thì
quan hệ giữa biến dạng tương đối tích luỹ
thuộc loại hình suy giảm với số lần đặt tải N
có thể biểu thị như sau:
εp = α + βlogN (3)
trong đó: α, β là các hệ số liên quan đến mức
ứng suất và tính chất của đất
Đối với loại hình phá hoại, quan hệ giữa
biến dạng tương ứng tích luỹ và số lần đặt tải
N như sau:
A, b - các hệ số liên quan mức ứng suất
và tính chất đất
4 Môđun đμn hồi động của lớp
mặt nền đường E d
Khi chúng ta coi nền đường là một kết
cấu phân tầng, gồm nhiều lớp khác nhau, thì
có thể dùng lý thuyết đàn hồi để phân tích ứng
suất động và biến dạng tương ứng của chúng
Do đó, có thể dùng môđun đàn hồi như là một
tham số quan trọng để phân tích kết cấu nền
đường Việc khống chế trị số môđun đàn hồi
đường
Ed =
d
d
ε
σ
trong đó:
σd - ứng suất động;
εd - biến dạng đàn hồi tương ứng với σd
ngoài, không liên quan đến tính chất cơ lý của
đất Biến dạng đàn hồi εd là kết quả của phản ứng động của đất, trị số εd phụ thuộc loại đất,
σd, N Như vậy Ed là một biến trị (không phải
là một trị số nhất định)
- Khi σd > σd giới hạn của đất (loại hình phá hoại) sẽ xuất hiện biến dạng dư Sau một
số lần đặt tải nhất định, mẫu đất tiếp cận đến trạng thái phá hoại cắt Khi đó không còn tồn tại Ed
- Khi σd < σd giới hạn của đất (loại hình suy giảm): N càng tăng thì biến dạng dư càng giảm Sau một số lần đặt tải nhất định, mẫu
đất tiếp cận trạng thái đàn hồi Ed hướng về một trị nhất định
Để nền đường làm việc bình thường, ta chỉ xét trường hợp sau, tức là chỉ xét trường hợp nền đường làm việc trong giai đoạn đàn hồi với một giá trị Ed không đổi
5 Kết luận
Như vậy đối với nền đường sắt dùng cho tàu tốc độ cao, tải trọng lớn thì quan điểm tính toán mới khác với quan điểm tính toán cũ ở hai vấn đề cơ bản:
- Xét đến tác dụng động lực của đoàn tàu thông qua giá trị ứng suất động σd và khống chế mức độ biến dạng của nền đường thông qua giá trị môđun đàn hồi Ed
- Mô hình tính toán nền đường ở đây thường là mô hình đa tầng Tức là chia nền
đường thành các lớp khác nhau với các vật liệu đắp khác nhau Lớp trên cùng gọi là lớp mặt nền đường Từ các giá trị Ed, σd để tính toán ra chiều dày lớp mặt nền đường hợp lý, sao cho có thể chịu được tải trọng động của
đoàn tàu bên trên và độ biến dạng đàn hồi của lớp mặt nền đường nằm trong phạm vi cho phép
(*) Tải trọng trục được xác định theo công thức:
Trang 5P =
cn
trục
L
P
Σ
, T/m
trong đó:
cứng nhắc của đầu máy;
trong quá trình chuyển động
Tài liệu tham khảo
[1] Tần Anh, Tμo Tân Văn Nghiên cứu bước đầu
về ứng suất động giới hạn và biến dạng vĩnh cửu của đất đắp nền đường dưới điều kiện chịu tải lặp Học báo đại học giao thông Tây-Nam Vol 31 (2),1996
[2] Lư Vĩnh Quý vμ các tác giả Đặc tính động thái
của đất sét vàng vùng Thành Đô và đất vôi Công trình nền đường Số 3, 1988
[3] Li DQ Cumulative plastic deformation of fine-grained subgrade soils.J of Geo Engrg - Vol
122 No 12 Dec, 1996
[4] Li D L Method for railroad foundation design development J of Geotechnical and Geoen-vironment Engineering, Vol 124 No 4 April,
1998
[5] Vương Kỳ Xương Công trình đường sắt cao tốc
NXB Đường sắt Tây Nam - Trung Quốc năm
2000 Ă
