nguyên lý cơ bản động lực học nền đờng sắt dới tác dụng của tải trọng trục lớn v tốc độ cao PGs. TS. nguyễn thanh tùng ths. trần quốc đạt Bộ môn Đờng sắt - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo đề cập đến những quan điểm mới trong tính toán nền đờng sắt khi đon tu chạy với tốc độ cao, tải trọng trục lớn. Theo quan điểm tính toán trớc đây khi tính toán tác dụng của đon tu đối với nền đờng ngời ta coi tải trọng tác dụng l tải trọng trục (*), nghĩa l mới chỉ xét đến tác dụng tĩnh của đon tu. Thực tế nền đờng phải chịu lực tác dụng lớn hơn do ảnh hởng của sự chuyển động của đon tu bên trên. ảnh hởng ny l không đáng kể khi tốc độ đon tu thấp, tải trọng nhỏ; nhng ảnh hởng trên sẽ rất lớn nếu đon tu chạy tốc độ cao, tải trọng lớn. ảnh hởng ny chính l tác dụng động lực của đon tu đối với lớp mặt nền đờng. 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 đờng bộ đã khiến cho vận tải đờng sắt phải đối mặt với một cuộc cạnh tranh khốc liệt; để đơng đầu với thách thức này ngành đờng sắt rất bức thiết phải có đợc những mô hình và phơng 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 đờng sắt, nó không những thúc đẩy việc cải tiến đổi mới các thiết bị di động trên đờng sắt (nh 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 đờng, các nội dung trên thể hiện ở chỗ: - Phơng pháp thiết kế nền đờng 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 bớc đầu tiếp cận vấn đề phơng pháp thiết kế động lực trên nền đờng. - Trong thiết kế nền đờng, ngoài yêu cầu thoả mãn điều kiện cờng độ, còn bắt buộc phải khống chế đợc mức biến dạng. 1. Khái niệm ở đây chúng ta quan niệm nền đờng sắt gồm có 2 phần chính: lớp mặt nền đờng và lớp móng. Lớp mặt nền đờng tính từ đáy lớp đá ba lát xuống đến một chiều sâu tính toán nào đó, còn lớp móng là phần còn lại bên dới của nền đờng. Khi đoàn tàu chạy trên ray, tải trọng bánh xe qua ray, tà vẹt, nền đá tác dụng lên lớp mặt nền đờng, sau đó từ lớp mặt nền đờng truyền xuống phần bên dới và tới móng nền đờng. Trong quá trình truyền tải trọng đó, lớp mặt nền đờng có tác dụng đỡ trên-truyền dới, 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 đờng đợc biểu thị bằng ứng suất động (lực nén động) trên lớp mặt nền đờng. Hình 1 là dạng hình sóng của ứng suất động đo đợc tại thực địa ở một điểm A trên lớp mặt nền đờng. Khi tải trọng bánh xe từ xa tiến gần đến điểm đo, ứng suất động lớp mặt nền đờng 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 đờng bao gồm quá trình tăng tải và quá trình giảm tải, tức là mặt nền đờng đã chịu động lực trùng lặp của tải trọng bánh xe. Số lợng trùng lặp này là số trục bánh xe qua điểm đo. Tuyến đờng có cờng 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 đợc trên mặt nền đờng. Trong hình 1, sau khi bánh xe thứ nhất của giá chuyển hớng chạy qua, ứng suất động trên lớp mặt nền đờng giảm đến một mức nhất định, nhng cha phải bằng không, rồi lại bắt đầu tăng lên do tác dụng của giá chuyển hớng toa xe tiếp sau tiến dần đến điểm đo A. Nếu lấy: P tơng ứng với đỉnh cao của sóng P P tơng ứng với đỉnh thấp của sóng Ta có P /P là tỉ số giảm tải. Nếu P /P tơng đối nhỏ thì một giá chuyển hớng sẽ tơng đơng với hai lần tăng giảm tải trên lớp mặt nền đờng, khi P /P 0 (tiếp cận đến 0) hoặc < 0 thì ở những nơi trạng thái lớp mặt nền đờng kém (nh bị đọng nớc, mềm yếu, phọt bùn) sẽ khiến cho tình trạng mặt nền đờng càng thêm xấu. Nếu P /P 1, một giá chuyển hớng chỉ tơng đơng với một lần tăng tải, số lần trùng (phi) lặp của tải trọng đoàn tàu đối với lớp mặt nền đờng giảm đi một nửa, do đó có thể kéo dài chu kì duy tu bảo dỡng đờng. 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 đờng nh độ cứng của nền đá, mặt nền đờng, loại hình ray, tà vẹt 2. ứng suất động ở lớp mặt nền đờng Dùng trị số đỉnh của hình dạng sóng ứng suất động để biểu thị trị số ứng suất động lớp mặt nền đờng, trị số ứng suất động này thờng tập trung trong phạm vi 50 - 70 kPa (0,5 - 0,7 kg/cm 2 ), trị số lớn nhất có thể đạt 110 kPa (1,1 kg/cm 2 ). Trị số ứng suất động chịu ảnh hởng của nhiều yếu tố: loại hình toa xe, tốc độ chạy tàu, loại kết cấu đờng, trạng thái không êm thuận của đờng. Tại Nhật Bản, ngời ta đã đo ứng suất động ở lớp mặt nền đờng 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 thờng, tải trọng 1 bánh xe đợc truyền xuống cho 5 thanh tà vẹt chịu theo các tỉ lệ 10%, 20%, 40%, 20% và 10%. Viện khoa học và trờng Đại học giao thông Tây Nam cũng thu đợc kết quả đo thử tơng tự tại hiện trờng và cũng có kết luận tơng tự. Dựa vào cơ sở nêu trên, ngời ta đã xây dựng công thức thực nghiệm để tính ứng suất động lớp mặt nền đờng nh sau: - Đờng sắt thờng: d = .P S (1 + 0,3V/100)/A (1) - Đờng sắt cao tốc: d = .P S (1 + 0,5V/100)/A (2) trong đó: P S - 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; - Hệ số phân bố lực trên tà vẹt, = 0,4. Dới tác động của tải trọng động, ứng suất động sẽ giảm dần theo chiều sâu. Nói chung, ở phạm vi 0,6 m dới mặt nền đờng, ứng suất động sẽ suy giảm rất nhanh. Theo kết quả đo đợc của trờng Đại học giao thông Tây Nam cho biết ở chiều sâu 0,6 m dới bề mặt nền đờng, ứng suất động bằng 40% trị số trên mặt nền đờng. Khi chiều sâu tính từ mặt nền đờng đạt tới một mức nhất định (theo số liệu đo ở Trung Quốc và một số nớc thì thông thờng mức độ này là khoảng 3m), tỉ số giữa ứng suất động và ứng suất do trọng lợng bản thân đất đắp nền đờng tạo ra nhỏ hơn 20%. Do đo, ứng suất động của nền đờng ở phần dới độ sâu này có thể bỏ qua không xét đến. Khoảng cách từ độ sâu này tới bề mặt nền đờng đợc coi là phạm vi của lớp mặt nền đờng. 3. Biến dạng của nền đờng Nh trên đã nói, dới tác dụng của ứng suất động do tải trọng đoàn tàu gây ra đợc lặp lại nhiều lần, lớp mặt nền đờng sẽ có biến dạng d, sự lặp lại của ứng suất động qua số lần tác động trùng phục làm tăng sự tích luỹ của biến dạng d. Do đó, sự phá hoại của đất thuộc lớp mặt nền đờng 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, dới 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 tơng đối tích luỹ v số lần chịu tải tác dụng N. - ở nhóm thứ nhất, tốc độ biến đổi của biến dạng d tích lũy sẽ chậm dần theo số lần cho tải tác dụng và cuối cùng có xu hớng ổn định - ta xếp nhóm này vào loại hình suy giảm. - ở nhóm thứ hai, tốc độ biến đổi của biến dạng d 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 tợng phá hoại. Ta xếp nhóm này vào loại hình phá hoại. Nh vậy, nếu ứng suất động ở lớp mặt nền đờng < ứng suất động giới hạn (cờng độ động) của đất lớp mặt nền đờng thì ta có thể khống chế biến dạng dẻo của lớp mặt nền đờng. Một số công trình nghiên cứu đã nêu rõ: trong điều kiện ứng suất động ở mức thấp thì quan hệ giữa biến dạng tơng đối tích luỹ thuộc loại hình suy giảm với số lần đặt tải N có thể biểu thị nh sau: p = + logN (3) trong đó: , 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 tơng ứng tích luỹ và số lần đặt tải N nh sau: p = AN b (4) A, b - các hệ số liên quan mức ứng suất và tính chất đất. 4. Môđun đn hồi động của lớp mặt nền đờng E d Khi chúng ta coi nền đờng 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 tơng ứng của chúng. Do đó, có thể dùng môđun đàn hồi nh là một tham số quan trọng để phân tích kết cấu nền đờng. Việc khống chế trị số môđun đàn hồi E d sẽ khống chế đợc độ biến dạng của nền đờng. E d = d d , MPa (5) trong đó: d - ứng suất động; d - biến dạng đàn hồi tơng ứng với d . - ứng suất động d là tác động bên ngoài, không liên quan đến tính chất cơ lý của đất. Biến dạng đàn hồi d là kết quả của phản ứng động của đất, trị số d phụ thuộc loại đất, d , N. Nh vậy E d là một biến trị (không phải là một trị số nhất định). - Khi d > d giới hạn của đất (loại hình phá hoại) sẽ xuất hiện biến dạng d. Sau một số lần đặt tải nhất định, mẫu đất tiếp cận đến trạng thái phá hoại cắt. Khi đó không còn tồn tại E d . - Khi d < d giới hạn của đất (loại hình suy giảm): N càng tăng thì biến dạng d càng giảm. Sau một số lần đặt tải nhất định, mẫu đất tiếp cận trạng thái đàn hồi E d hớng về một trị nhất định. Để nền đờng làm việc bình thờng, ta chỉ xét trờng hợp sau, tức là chỉ xét trờng hợp nền đờng làm việc trong giai đoạn đàn hồi với một giá trị E d không đổi. 5. Kết luận Nh vậy đối với nền đờng 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 d và khống chế mức độ biến dạng của nền đờng thông qua giá trị môđun đàn hồi E d . - Mô hình tính toán nền đờng ở đây thờng là mô hình đa tầng. Tức là chia nền đờng thành các lớp khác nhau với các vật liệu đắp khác nhau. Lớp trên cùng gọi là lớp mặt nền đờng. Từ các giá trị E d , d để tính toán ra chiều dày lớp mặt nền đờng hợp lý, sao cho có thể chịu đợc tải trọng động của đoàn tàu bên trên và độ biến dạng đàn hồi của lớp mặt nền đờng nằm trong phạm vi cho phép. (*) Tải trọng trục đợc xác định theo công thức: P = cn trục L P , T/m trong đó: P trục - tổng tải trọng trục trong cự ly cứng nhắc của đầu máy; L cn - cự ly giữa 2 trục ngoi cùng m trong quá trình chuyển động chúng luôn song song với nhau . Tài liệu tham khảo [1] Tần Anh, To Tân Văn. Nghiên cứu bớc đầu về ứng suất động giới hạn và biến dạng vĩnh cửu của đất đắp nền đờng dới điều kiện chịu tải lặp. Học báo đại học giao thông Tây-Nam. Vol 31 (2),1996. [2] L Vĩnh Quý v các tác giả. Đặc tính động thái của đất sét vàng vùng Thành Đô và đất vôi. Công trình nền đờng 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] Vơng Kỳ Xơng. Công trình đờng sắt cao tốc. NXB Đờng sắt Tây Nam - Trung Quốc năm 2000 Ă . nguyên lý cơ bản động lực học nền đờng sắt dới tác dụng của tải trọng trục lớn v tốc độ cao PGs. TS. nguyễn thanh tùng ths. trần quốc đạt Bộ môn Đờng sắt - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo đề. toán nền đờng sắt khi đon tu chạy với tốc độ cao, tải trọng trục lớn. Theo quan điểm tính toán trớc đây khi tính toán tác dụng của đon tu đối với nền đờng ngời ta coi tải trọng tác dụng l tải trọng. lớp mặt nền đờng có tác dụng đỡ trên-truyền dới, 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 đờng