Проектирование и расчет земляного полотна. 2

Титул

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Земляное полотно  – наиболее ответственный элемент железнодорожного пути, оно является несущей конструкцией, воспринимающей нагрузки от подвижного состава и веса верхнего строения пути и упруго передающей её на основание. Земляное полотно должно быть надёжной конструкцией, то есть обеспечивать устойчивость земляных масс, прочность и стабильность. От надёжности земляного полотна зависят технические скорости движения поездов и разрешающая статическая нагрузка на рельсы, передаваемая от колесных пар вагонов, провозная и пропускная способность железнодорожных линий.

В данном курсовом проекте решаются следующие вопросы:

- проектируется поперечный профиль пойменной насыпи;

- определяются напряжения и требуемая плотность грунта пойменной         

насыпи;

- выбирается укрепление откосов и определяется отметка бермы;

- производится расчет тела насыпи на устойчивость;

- определяются ожидаемые осадки основания насыпи;

- проектируется поперечный профиль выемки;

- производится расчет устойчивости грунтовых масс;

- проектируются противопучинные мероприятия;

- проектируются мероприятия по отводу грунтовых и паводковых вод.

 

Часть I. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЙМЕННОЙ НАСЫПИ

1.1 Исходные данные

Грунт тела насыпи – песок средней крупности.

Грунт основания  насыпи - суглинок тяжелый.

Таблица 1 - Физико-технические характеристики грунтов

№ п/п

Вид

грунта

Nгрунта

W,%

Характеристики грунта

С, кПа

j, град

gуд , кПа

Wм, Wр, %

WL, %

Jp, %

aкп, м

J0, доли

Kф, м/с

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1

Песок средней  крупности

3в

18

3

36

26,5

6

-

-

0,2

0,007

1×10-4

2

Суглинок тяжелый

12в

26

10

17

27,1

20

33

13

1,4

0,009

1×10-9


 

Примечание: В  таблице 1 приняты следующие обозначения:

W – природная влажность;

с – удельное сцепление грунта;

j - угол внутреннего трения грунта

gуд – плотность частиц грунта;

Wм - максимальная молекулярная влагоемкость;

Wр - влажность на границе раскатывания;

WL - влажность на границе текучести;

Jp - число пластичности;

aкп - высота капиллярного поднятия воды;

J0 - средний уклон кривой депрессии;

Кф - коэффициент фильтрации.

№ грунта

Вид грунта

Ветвь компрес-сионной кривой

Значение коэффициента пористости ε при давлении, кПа

0

100

200

300

400

500

600

3в

Песок мелкий

Нагрузки

0,630

0,578

0,550

0,528

0,510

0,494

0,482

Разгрузки

0,540

0,520

0,506

0,496

0,490

0,485

0,482

12а

Суглинок тяжелый

Нагрузки

0,872

0,806

0,748

0,712

0,686

0,666

0,650

Разгрузки

0,736

0,708

0,690

0,675

0,663

0,655

0,650




Таблица 2- Данные для построения компрессионных кривых.

 

По данным таблицы 2 строим компрессионные кривые для грунтов 3в и 12в.

  Рисунок 1 - Компрессионные кривые для грунта тела насыпи (песок средней крупности)

Рисунок 2 - Компрессионные кривые для грунта основания (суглинок тяжелый)

 

 

1.2 Проектирование поперечного профиля насыпи

Определяем  высоту пойменной насыпи:

,              (1)

где ОПБ - отметка профильной бровки земляного полотна (по заданию ОПБ=579,4 м);

ОЗ - отметка земли (по заданию ОЗ=560,9 м).

 м.

Ширина основной площадки земляного полотна зависит  от категории дороги и количества путей. Для двухпутной линии 3 категории  в кривом участке пути (радиус кривой 1550 м) ширина основной площадки будет равна:

,         (2)

где  В - ширина основной площадки по СТН для однопутной линии (6,4 м);

М - величина нормального междупутья (4,1 м);

Δгу - габаритное уширение междупутья в кривой (0,08 м);

Δот кривой - уширение земляного полотна с наружной стороны в кривой (0,4 м).

 м.

Основная площадка имеет горизонтальную поверхность, т.к. для тела насыпи используется дренирующий  грунт - песок средней крупности. Крутизна откосов назначается по СТН Ц-01-95 в зависимости от грунта тела насыпи. Для песка средней крупности откос 1:1,5 до отметки бермы. Подтопляемый откос берм должен быть  запроектирован 1:2. Ширину берм назначаем равной 4 м.

 Бермы на пойменной насыпи предназначены для защиты её от разрушения водой, а также для усиления общей устойчивости. Отметка верхней границы укрепления  откоса (отметка бермы) определяется по формуле:

,        (3)

где  ГВВ - отметка горизонта высоких вод (по заданию ГВВ=567,6 м);

Ннак - величина превышения отметки горизонта высоких вод,

,        (4)

где hпод - высота подпора воды под мостом (по заданию hпод=0,28);

ΔH - высота ветрового нагона ( ΔH=0,1);

а - запас для насыпей у больших и средних мостов (а=0,5 м);

hнак - высота наката воды на откос определяется по формуле:

,                     (5)

где kШ – коэффициент шероховатости и проницаемости, kШ = 0,9;

m – заложение откоса, m = 2;

λ - длина волны (по заданию λ=10,20);

h - высота волны (по заданию h=0,83) ;

                              kb= ,                                                        (6)

где угол между направлением волны и линией уреза, = 54 ;

                              kb= = 0,873;

Определяем высоту наката волны на откос:

                     ;

 

Определяем  величину превышения отметки горизонта высоких вод:

м;

Определяем  отметку бермы:

 

м.

Поперечный  профиль насыпи вычерчивается в масштабе 1:100 (Чертёж 1).

1.3 Определение  нагрузки в теле насыпи

Силами, вызывающими  напряженное состояние грунтов, являются:

- нагрузка от подвижного состава (Рп);

- вес верхнего строения пути (Рвс);

Нагрузка от подвижного состава принимается  в зависимости от скорости движения, типа вагонов, осевых нагрузок вагонов и типа верхнего строения пути, Рп = 75 кПа.

Внешние нагрузки от веса верхнего строения пути принимаются  в зависимости от типа верхнего строения пути, Рвс = 15 кПа.

Эпюры нагрузок Рп и Рвс принимаются трапецеидальной формы, для упрощения расчетов они могут быть приняты прямоугольной формы.

 

Чертеж 1 
Рисунок 3 - Эпюра нагрузок от подвижного состава(Рп) и ВСП (Рвс)

1.4 Определение требуемой плотности грунтов в теле насыпи

Разбиваем насыпь на слои. 1 слой толщиной 2,5 м, 2-5 слои по 4 м. Точка 0 - отметка профильной бровки, точка 5 - отметка земли.

Общее напряжение sо в данной точке от всех давлений определяют по формуле:

                                   ,                                             (7)

где sр – напряжение в теле насыпи от поездной (временной) нагрузки;

  σвс – напряжение в теле насыпи от веса верхнего строения пути;

σγ – напряжение в теле насыпи от веса столба грунта под рассматриваемым сечением;

Расчетное значение коэффициента пористости грунта определяется для грунта тела насыпи по формуле:

                                 ,                                            (8)

где k – коэффициент многократности приложения нагрузки, k (т.0) = 1,6;    k (т.1) = 1,4; k (т.2, 3, 4, 5) = 1,25;

εан - коэффициент пористости грунта тела насыпи по компрессионной кривой от действия постоянных нагрузок;

lа - разность между коэффициентами пористости по ветвям нагрузки и разгрузки для грунта тела насыпи от действия постоянных нагрузок ( по компрессионной кривой);

l0 - разность между коэффициентами пористости по ветвям нагрузки и разгрузки для грунта тела насыпи от действия общих нагрузок (по компрессионной кривой).

Далее определяется требуемая плотность грунта:

                                                                                                 (9)

Объемный вес  грунта находится по формуле:

                                  ,       (10)

где W – природная влажность грунта.

Затем находятся  значения нормальных напряжений:

                                                                                          (11)

По аналогии ведутся расчеты для точек 1, 2, 3, 4 и 5.

Подсчеты напряжений и требуемой плотности грунта в теле насыпи выполнены в табличной форме (таблица 3).

По полученным величинам  и строим графики (рисунок 4).

 

Таблица 3 

Рисунок 4 - Графики напряжений и требуемой плотности грунта в теле насыпи

Далее определяем среднее значение величин  и .

.

1.5 Расчет устойчивости откоса насыпи графоаналитическим методом

Расчет устойчивости откосов целесообразно выполнять в табличной форме (таблица 4).

Таблица 4

 

1.5.1 Опредение  расчетных характеристик грунта насыпи и основания с учетом водонасыщения и подтопления

Определяем расчетные характеристики грунтов насыпи с учетом водонасыщения их в зоне подтопления. При этом учитываем, что при водонасыщении грунты существенно снижают прочностные характеристики и взвешиваются водой в затопленной зоне насыпи.

а) характеристики грунта тела насыпи выше границы подтопления, то есть выше кривой депрессии (слой 1) принимается по данным расчета плотности и по исходным данным.

где и – данные угла внутреннего трения грунта и сцепления грунта для тела насыпи из песка средней, соответственно равны 36 и 3 кПа.

       б) характеристики грунта тела  насыпи в зоне гравитационных  вод (слой 2).

                                                                     (12)

                                                                                    (13)

                                                                                      (14)

в) характеристики грунта основания насыпи (слой 3) берем  из исходных данных с учетом водонасыщения  в зоне затопления.

                                                                                (15)

Значение коэффициента пористости грунта основания берется по ветви нагрузки компрессионной кривой грунта основания при нагрузке от собственного веса грунта насыпи под бермой низового откоса :

Для этого определяем напряжения от грунта бермы.

                                    = gо-ср ´ hбермы                                                       (16)

где hбермы - разность отметок земли и бермы                       

                                    hбермы =ОБ- ОЗ,          (17)

hбермы = 569,98-560,9=9,08 м

                                 = 20,08´9,08 = 182,33

Находим e¢¢¢ по компрессионной кривой (ветвь нагрузки)

                                                                                       (18)

                                                                                        (19)

 

1.5.2 Определение  высоты столбика грунта заменяющего вес верхнего строения пути (РВС) и поездную нагрузку (РО)

Воздействие внешних  нагрузок от ВСП и поездных (с  учетом динамического состояния  насыпей) заменяется весом фиктивного столбика грунта. Высота фиктивного столбика грунта определяется по формуле:

                              ,                            (20)

где b0 – длина шпалы (2,75м);

bвс-1 - ширина полосовой нагрузки от веса верхнего строения пути на однопутном участке.

                                    

1.5.3 Определение  коэффициента устойчивости откоса насыпи

Поперечный  профиль насыпи вычерчивается в AutoCAD масштабом 1:100 с нанесением всех отметок – отметки земли, отметки бровки земляного полотна, отметки горизонта высоких вод, отметки бермы (Чертеж 2).

Намечаются  точки, через которые пройдут  возможные кривые обрушения. Подошва насыпи т.А и точка на основной площадке Б. Расчет ведется по кривой АБ .Находим центр кривой обрушения. Для этого соединяем точки А и Б прямой АБ и из середины отрезка середины отрезка восстанавливаем перпендикуляр, являющийся линией центра кривой обрушения. Затем проводим вспомогательную прямую под углом 36о к поверхности фиктивного столбика грунта. Точка О является точкой центра кривой обрушения. Из этого центра проводим дугу АБ радиусом R.

 

Чертеж 2

 

Полученный блок разбиваем на отсеки шириной 3 – 5 м. В каждом отсеке определяем длины их оснований l, площади частей отсека угла и их синусы и косинусы. В площади включается эквивалентный столбик грунта. При определении синуса угла sin необходимо иметь ввиду, что Х – это расстояние, замеряемое по горизонтали от середины основания отсека до вертикального радиуса R.

Коэффициент устойчивости К подсчитывается по формуле:

                                              (21)

Коэффициент устойчивости К<1,3   следовательно, насыпь находится в состоянии предельного равновесия, необходимо проводить дополнительные мероприятия по улучшению устойчивости откосов.

Сопротивление грунта сдвигу оценивается коэффициентом  устойчивости насыпи при динамическом состоянии грунта Кдин:

                                    Кдин =                                          (22)

где  – коэффициент динамики, принимаемый 1,0675;

 – коэффициент ответственности сооружения (для железнодорожной линии III категории = 1,15);

 – коэффициент сочетания нагрузок в сейсмических районах = 0,9;

 – коэффициент условий  работы  = 1.

 

 

Так как  < -0,02 (1,033<1,015), корректируем поперечный профиль в зависимости от величины  δ:

                                    (23)

Вывод: Так как  , крутизна откосов выше берм принимается на 0,25 положе нормативной крутизны (1:1,75).

1.6 Определение  границ укрепления откосов, проектирование типа и конструкции укрепления

С целью предохранения  откосов земляного полотна от разрушающего воздействия природных  факторов применяют укрепительные и защитные устройства. Укрепления подтопляемых откосов выбирается в зависимости от расчетной скорости течения водотока V и от расчетной высоты волны h. Для укрепления подтопляемых откосов, как правило, применяют бетонные и железобетонные плиты, каменную наброску и др.

1.6.1 Укрепление  из бетонных и железобетонных плит

Большое достоинство этого вида укрепления в возможности комплексной механизации строительно-монтажных работ и снижении трудоемкости, а так же сроков строительства (Чертеж 3).

В данном курсовом проекте принимаем укрепление из бетонных плит размером: 1×1 м, толщина плиты = 13–18 см, допускаемая скорость течения воды = 6 м/с, допускаемая высота волны h= 1,0–1,2 м (по заданию высота волны = 0,83 м), объем одной плиты = 0,15-0,20 м3.

Толщина плит по условию устойчивости определяется по формуле:

                  ,                                  (24)

где В – длина ребра плиты в направлении нормальном урезу воды В = 1 м;

– объемный вес плиты, = 2,4 т/м3;

– объемный вес воды, = 1 т/м3;

h – высота расчетной волны, h =0,83 м;

– длина расчетной волны, = 10,20 м;

– коэффициент для сборных  плит, =1,1;

– коэффициент запаса, = 1,2;

m – заложение откоса бермы, m = 2.

               

Зерновой состав и толщина обратного однослойного фильтра, препятствующего выносу частиц грунта насыпи, определяются по формуле:

                                                                                              (25)

где в – ширина открытого шва сборных плит, в = 1 см.

= 2
1 = 2 см.

 

чертеж 3

 

Определяем толщину обратного фильтра. Обратный фильтр состоит из слоя щебня или гравия с действующим диаметром частиц при коэффициенте неоднородности от 5 до 6, и его толщина должна быть равной .

                           ,                                           (26)

где и – поперечный разрез частиц фильтра и грунта, для песка       = 0,004 см;

– параметр, принимается в зависимости  от высоты волны и от заложения откоса бермы, = 0,16295;

                          .

1.6.2 Укрепление  откосов каменной наброской.

Укрепление  откосов насыпей каменной наброской  не требует ручного труда и  может быть механизировано, что дает возможность укреплять таким  способом большие поверхности откосов  насыпей, дамб и берегов. В каменной наброске укладываются не менее двух слоев камня. Более крупный камень располагается в верхнем слое (Чертеж 4).

Расчетный вес  камней верхнего слоя наброски определяется по формуле:

,                                            (27)

где gк – объемный вес камня, gк = 2,6 т/м3;

kк – 1,5 для сортированных камней;

m – коэффициент, учитывающий форму камня, m = 0,025;

h – высота расчетной волны h =0,83 м;

λ – длина расчетной волны λ = 10,2 м.                

Расчетный размер камня верхнего слоя определяется по формуле:

                                      dр-1=1,2408´                                         (28)

dр-1 =1,2408´

Расчетный размер камня в нижнем слое определяется по формуле:

                                    dр-2 = 0,37´ dр-1                                             (29)

d р-2 =0,37´0,3132 = 0,1159 м

Толщина каждого  слоя каменной наброски ti определяется по формуле:

                                       t =а´ dp-i,                                                       (30)

где а – коэффициент, принимаемый равным 2.

для первого  слоя                       t1= 2´0,3132 = 62,64 см;

для второго  слоя                      t2= 2´0,1159 = 23,18 см;

общая толщина  наброски:  t = t1+t2 = 62,64+23,18=85,82 см.

Наброска укладывается на слой обратного фильтра.

Определяем  толщину обратного фильтра по формуле (26):    

      dФ = dр-2 /5                  (31)

dФ = 0,1159/5 = 2,318 см;

чертеж 4

 

.

           Вывод: На основании расчетов выбираем вариант с меньшей толщиной обратного фильтра, то есть укрепление железобетонными плитами.

1.7 Определение  ожидаемых осадок основания насыпи

 Расчет осадок  производится на основе компрессионного  уплотнения грунтов исходя из  предпосылок о невозможности  бокового уширения и выпирания грунта при уплотнении.

Для расчета  ожидаемых осадок используем ветвь  нагрузки компрессионной кривой грунта основания насыпи. Вычерчивается поперечный профиль запроектированной насыпи в масштабе 1:200 (Чертеж 5). При этом не учитывается уклон поверхности земли, т.е. основание насыпи считается расположенным горизонтально.

Определяем  суммарные вертикальные напряжения, действующие по основанию насыпи  в точках 0,1,2,3 и 4.

Расчеты ведем в табличной форме (таблица 5).

Строим эпюру суммарных напряжений по основанию насыпи, которую делим на элементарные фигуры. Далее определяем напряжения от каждой элементарной фигуры в точках, находящихся в створе оси земляного полотна.

Расчеты ведем в табличной  форме (таблица 6).

Во время  сооружения насыпи и в период ее эксплуатации грунта основания уплотняются. Компенсация осадок осуществляется дополнительным объемом грунта, который идет на заполнения строительной доли осадки и увеличением толщины балласта по мере реализации эксплуатационной доли осадки.

 

Чертеж 5 
Таблица 5

 

таблица 6

 

 

Для определения дополнительной осадки Sg основания ниже расчетного слоя грунта, строим график относительных осадок, экстраполируем его до пересечения с осью Z. Величина осадки этих слоев равна площади заштрихованной части графика (Рисунок 5).

Рисунок 5 - График относительных осадок основания  насыпи

Дополнительная  осадка определяется по формуле:

                                Sg = 0,5                                                          (32)

где hi – величина относительной осадки в i-той точке.

   Sg = 0,5

Полная осадка по оси насыпи определяется по формуле:                  

                                  S  = åDhi + Sg,                                                    (33)

где Σ – сумма осадок слоёв грунта толщиной hi (сумма значений 18 столбца таблицы 6).

                          S  = 0,766+0,332 = 1,098 м.

Необходимо  определить строительную и эксплуатационную доли полной осадки, в зависимости от которых определяют требуемое уширение основной площадки и необходимые объемы грунта и балласта для компенсации осадки основания в расчете на 100 м длины насыпи.

                                    ,                                                                (34)

где – доля реализации полной осадки основания в процессе строительства.         

                               

Эксплуатационная  доля осадки рассчитывается по формуле:

                                                                                             (35)

                          

Строительная  доля осадки компенсируется дополнительным объемом грунта, м3/100м и определяется по формуле:

                                                                  (36)

Эксплуатационная  доля осадки компенсируется подъемками пути на балласт, дополнительный объем  которого определяется по формуле:

                                                                                      (37)

где В – нормативная ширина основной площадки;

ввс – средняя ширина балластной призмы;

у – расстояние от подошвы откоса до оси насыпи;

Проектирование и расчет земляного полотна. 2