19869

۱۹۸۶۹

بررسي رفتار سازه اي تراورس متاثر از شرايط آلودگي بالاست

دكتري

خط و سازه هاي ريلي

۱۳۹۱-۱۳۹۷

۱۳۹۷/۸/۲

دكتر جبارعلي ذاكري - دكتر سيد جواد ميرمحمدصادقي

راه آهن

بخش قابل ملاحظه اي از راه آهن ايران، از خطوط بالاستي تشكيل شده است. در اين خطوط تراورس هاي بتني بعلت داشتن مشخصات مكانيكي مناسب تر در مقايسه با تراورس هاي چوبي و فلزي بطور گسترده اي مورد استفاده قرار گرفته اند. پاسخ تراورس بطور قابل ملاحظه اي تحت تاثير شرايط تكيه گاهي آن مي باشد. بدليل اينكه تراورس مستقيما روي بالاست تكيه دارد، خصوصيات لايه بالاست بطور قابل توجهي روي رفتار تراورس اثر مي گذارد. يكي از مشكلات راه آهن ايران در مناطق شرقي، آلوده شدن خط با ماسه است. در صحرا و مناطق ماسه اي لايه بالاست در اثر طوفان هاي متعدد بشدت آلوده به ماسه مي شود. در اين مناطق با نفوذ ذرات ريز دانه ماسه در بالاست، مشخصات مكانيكي اين لايه و نيز سختي خط آهن تغيير يافته و در نتيجه نيروي اندركنش چرخ-ريل و همچنين توزيع نيروي چرخ بين تراورس ها تغيير مي يابد. گزارش ها نشان مي دهد زوال اجزاي خط آهن و در نتيجه خرابي هندسه خط موجب تحميل هزينه هاي سنگين تعمير و نگهداري به شركت راه آهن شده است. مرور بر ادبيات موضوع نشان مي دهد كه تغيير مشخصات مكانيكي بالاست متاثر از آلوده شدن با ماسه و نيز بررسي رفتار تراورس بعلت آلودگي بالاست مورد توجه قرار نگرفته است. با توجه به اين مسئله كه در ايران بيش از 400 كيلومتر خط آهن بالاستي از مناطقي ماسه اي عبور كرده است، ضرورت دارد تغيير ويژگي هاي بالاست بعلت آلودگي با ماسه و در پي آن تغيير پاسخ تراورس بررسي شود. در راستاي پاسخگويي به اين ضرورت، در اين پژوهش رفتار تراورس بتني پيش تنيده در وضعيتي كه بالاست با ماسه خشك آلوده شده، بررسي شده است. براي بررسي پاسخ تراورس، مدل سه بعدي اجزاي محدود خط آهن بالاستي در نرم افزار ABAQUS ساخته شد. محدوديت هاي موجود در تحقيقات عددي ديگران در اين مدل جديد برطرف شده است. شبيه سازي هندسه دقيق تراورس، در نظر گرفتن مفتول هاي پيش تنيدگي و اثر نيروي پيش تنيدگي و نيز مدل سازي نزديك به واقعيت اندركنش تراورس-بالاست از ويژگي هاي نوين مدل ساخته شده مي باشد. براي اعتبار سنجي اين مدل، يك بار تست ميداني در خط تميز بالاستي (بدون آلودگي) و بار ديگر در خط آلوده با ماسه انجام شد. تست ميداني روي خط تميز در خط بالاستي متروي تهران-كرج و تست ميداني خط آلوده در راه آهن محور بافق-مشهد محدوده كال شور انجام شد. مقايسه نتايج بدست آمده از مدل و اندازه گيري هاي تست ميداني نشان داد كه اختلاف بين نتايج بصورت رضايت بخش كم مي باشد و نشان مي دهد نتايج مدل قابل اطمينان است. در اين پژوهش با استفاده از تست هاي گسترده آزمايشگاهي خصوصيات مكانيكي بالاست متاثر از آلوده شدن با ماسه بررسي شده است. براي اين منظور آزمايش برش مستقيم و آزمايش بارگذاري صفحه (PLT) روي بالاست تميز و آلوده شده با ماسه خشك انجام شد. بررسي تغييرات ويژگي هاي مكانيكي بالاست در اثر آلودگي با ماسه خشك يكي از نوآوري هاي اين پژوهش مي باشد. در اين پژوهش دستگاه برش مستقيم بزرگ مقياس براي آزمودن مصالح بالاست كه از دانه هاي سنگي درشت تشكيل شده، طراحي و ساخته شد. از آزمايش برش مستقيم پارامترهاي مدل رفتاري موهر-كولمب كه شامل ضريب چسبندگي و زاويه اصطكاك مصالح است، بدست آمده است. همچنين از چرخه دوم آزمايش بارگذاري صفحه مدول كرنشي (EV2) كه متناسب با مدول الاستيسيته است بدست آمده است. با داشتن پارامترهاي مورد نياز مدل رفتاري بالاست، اثر آلودگي با ماسه بر مشخصات مكانيكي بالاست بدست آمد و همچنين با وارد كردن اين پارامترها در مدل اعتبارسنجي شده خط آهن، پاسخ تراورس متاثر از آلودگي بالاست بدست آمد. نتايج نشان داد وقتي شاخص درصد آلودگي بالاست بيش از 24% (متناظر با پر شدن تمامي فضاهاي خالي بالاست با ماسه) مي شود، تغييرات قابل ملاحظه اي در ويژگي هاي بالاست و در پي آن در پاسخ تراورس رخ مي دهد. افزايش آلودگي بالاست با ماسه خشك صحرا موجب كاهش زاويه اصطكاك و كاهش درگيري دانه هاي بالاست با يكديگر مي شود و در نتيجه موجب كم شدن مقاومت برشي و مدول كرنشي (سختي) بالاست مي شود؛ همچنين منجر به افزايش تغييرمكان تراورس و لنگر خمشي در مركز دهانه تراورس مي شود. كاهش قابل ملاحظه مقاومت برشي لايه بالاست مي تواند موجب به خطر افتادن پايداري جانبي خط آهن شود. كاهش چشمگير مقاومت و سختي بالاست بعلت آلودگي موجب تغييرشكل دائمي در لايه بالاست و نشست غيريكنواخت خط مي شود؛ از اينرو ضروري است عملياتي مانند سرند نمودن و يا تعويض بالاست انجام شود تا مانع از خرابي تراورس و در پي آن زوال خط شود.

1397/10/03

Investigation of Influences of Ballast Contamination Conditions on Sleeper Structural Behavior

12/24/2018 12:00:00 AM

Sleeper and ballast have key roles in ballasted railway tracks. There are many scenarios for supporting conditions of sleeper during life services of track. In the Middle East countries and some of the Asian ones, considerable parts of railway lines pass through deserts. In these areas, tracks contaminated with sand due to frequent sand storms. Mechanical properties of ballast, ballast-sleeper interaction and in turn sleeper behavior influenced importantly with sand contamination. Review of the literature indicates that in spite of critical challenges of railway industries in sandy areas, there are not sufficient studies into the effect of sand contamination of ballast on the behavior of the sleepers. In response to this need, influences of sand contamination of ballast on the behavior of pre-stressed concrete sleeper investigated. For this purpose, mechanical characteristics of ballast contaminated with different dosages of sand investigated through large-scale direct shear tests and repetitive plate load tests. The results of experimental tests used as inputs for the model developed in this study. In this study the effects of ballast sand contamination on the dynamic behavior of railway track have been investigated, using an improved three-dimensional numerical model of track developed here. The validity of the model is evaluated by comparing the results obtained from the model with experimental results. Important factors such as prestressing forces, variations of the sleeper cross section along its length, loosing or recovering contact between the sleeper and the ballast layer have been addressed in this research. Results of analysis indicate that ballast contamination influences on the sleeper-ballast contact forces, displacement and bending moment of sleeper. By discussing the results guidelines for improvement of current track maintenance operations presented.