Báo cáo khoa học: "nguyên lý cơ bản động lực học nền đ-ờng sắt d-ới tác dụng của tải trọng trục lớn và tốc độ cao" docx

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