МПС   РФ

Иркутский Государственный Университет

Путей сообщения 
 
 
 

Факультет: «  Строительство железных дорог » 
 

Кафедра: « Путь и путевое хозяйство » 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

" Проектирование и расчёт земляного полотна" 
 

                                     Выполнил:

 студент  гр. С-01-4у

                                      Байков В. О. 

                                     Проверил:

                                      Ковенькин Д. А.

Иркутск 2004 г.

Содержание

Введение

    Земляное  полотно - наиболее ответственный элемент  железнодорожного пути, его несущая конструкция. От его надежности зависят техническая скорость движения поездов и разрешающая статическая нагрузка на рельсы, передаваемая от колесных пар вагонов, а через них масса поезда, провозная и пропускная способность железнодорожной линии.

    Проектирование  земляного полотна, в основном, ведется  индивидуально.

    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.

Часть I.  Проектирование насыпи и расчет ее

устойчивости

1.  Составление расчетной схемы и определение нагрузок

1.1. Определение высоты  насыпи

    Определяется  высота насыпи как разность отметки  профильной бровки и отметки земли;

    Н_н=ОБ-03,                                                            (1)

    где ОБ - отметка профильной бровки = 230 м;

     0З - отметка земли = 210 м.

    Н_н = 230-210= 20 м  

    Грунт а) тело насыпи 6в – Супесь легкая крупная;

               б) основание насыпи 10а – суглинок легкий.

1.2. Нагрузки, действующие  на земляное полотно

    Силами,  вызывающими напряженное  состояние  грунтов, являются:

• нагрузка от подвижного состава (Рп);
• вес верхнего строения пути (Рвс);
• вес вышележащих слоев грунта.

    1.2.1. За внешнюю нагрузку Рп (кПа)  принимается наибольшее динамическое напряжение на основной площадке насыпи, определяемое для расчетной единицы подвижного состава в подрельсовом сечении по "Правилам производства расчетов верхнего строения пути на прочность"

    1.2.2. В качестве расчетных единиц  подвижного состава принимаются грузовые вагоны.

    1.2.3. Нагрузка от подвижного состава Рп(кПа) принимается по графикам  в зависимости от расчетной скорости движения V(км/ч)=100км/ч, типа вагонов, осевых нагрузок 4-х осных вагонов Р (Т/ось)=250 кН и типа верхнего строения пути (Р65 деревянные.).

    Рп= 74 кПа.

    1.2.4. Внешние нагрузки от веса верхнего строения пути Рвс (кПа) принимаются по таблице в зависимости от типа верхнего строения пути.

    1.2.5. Эпюры нагрузок Рп и Рвс  принимаются прямоугольной формы.  Величины a_н, а_в, b_вс, b_в, b_н, берутся из таблицы в зависимости от типа верхнего строения пути.

    Ширина  основной площадки зависит от категории  проектируемой линии и  рассчитывается с учетом уширения в кривой. По заданию  категория дороги – II, радиус кривой – 400 м. Данные берутся из таблиц 2,3,4. С учетом этих данных рассчитываем ширину основной площадки.

    b=11,7+0,50+4,1+0,24=16,54 м.                                              (2) 

    1.2.6 Динамическое состояние насыпи, возникающее при проходе поезда  и выражающееся в проявлении  динамических сил колеблющихся масс грунта, диссипативных сил и снижения сопротивления грунтов сдвигу, учитывается интегрально с помощью интегрального параметра J. Для данного варианта J не учитывается, т.к. по заданию насыпь сложена из мелких песков.

    2. Определение напряжений  и требуемой плотности грунта

    в теле насыпи

    Подсчеты напряжений и требуемой плотности грунта в теле насыпи целесообразно выполнить в табличной форме (табл.1).

    Объемный  вес грунта:

     ,                                                      (4)

    Если , необходимо произвести перерасчет, приняв за исходное для точки 1 значение γ_o-1. 

    В точке 2 напряжение от собственного веса грунта определяется, приняв .

    Расчеты ведутся аналогично расчетам для  точки 1. Если в результате

     , производят перерасчет, приняв  за исходное для точки 2 значение  γo-2. По аналогии ведутся расчеты  по определению плотности и  объемного веса грунта для остальных точек. По полученным величинам σbc-i, σp-I, σγ-I, σa-I, σo-I, εo-I, γск-I и γo-I  строим графики. Далее необходимо найти среднее значение величин εo-ср, γск-ср и γo-ср. 

    3. Проектирование поперечного  профиля насыпи

    3.1. Проектирование поперечного профиля  насыпи производится на основе  расчетов ее устойчивости.

    Ширина  земляного полотна поверху (основная площадка) новых железных дорог на прямых участках пути в пределах перегонов принимается по нормам, приведенным в таблице 2 методического указания №1.

    Ширина  земляного полотна на линиях всех категорий на участках, расположенных в кривых, следует увеличивать с наружной стороны кривой на величину, указанную в табл.3 методического указания №1.

    Габаритное  уширение междупутного расстояние м на кривых участках при равном возвышении наружных рельсовых плетей

    Земляное  полотно на подходах к большим  мостам должно быть уширено на 0,5м  в каждую сторону на протяжении 10м от задней грани устоев, а на последующих 25м постепенно сведено до нормальной ширины.

    3.2. Крутизна и форма откосов насыпей  зависят от их высоты и свойств  грунтов. Крутизна откосов не подтопляемой части насыпи и перелома крутизны назначаются по данным табл.5 СТН Ц-01-95 по методическому указанию №1. Подтопляемый откос запроектированных берм должен быть запроектирован 1:2

    3.3. Назначают ширину берм 4-5 м по  условиям производства укрепительных работ.

    Запроектированный поперечный профиль насыпи проверяется расчетом на устойчивость. Если есть поперечный уклон местности, то на устойчивость рассчитывается низовой откос. Конструкция насыпи считается устойчивой при коэффициенте устойчивости К> 1,5. Расчет устойчивости откосов целесообразно выполнять в табличной форме (табл.6) методического указания №1. 

    3.4. Расчет устойчивости откосов  выполняется в следующем порядке:

    3.4.1. Определяются расчетные характеристики  грунта насыпи и ее основания с учетом подтопления.

      Характеристики грунта тела насыпи  выше границы подтопления принимаются по данным расчета плотности из табл. 1:

    Где и углы внутреннего трения грунта и сцепления грунта берутся из табл.2 методического указания №1.

    Характеристики  грунта тела насыпи в зоне гравитационных вод.

                                             (5)

      кПа

    Характеристики  грунта основания насыпи.

                                          (6)

            Воздействие внешних нагрузок от верхнего строения пути Р_вс и поездных Р_п заменяется весом фиктивных столбов грунта.

                                                   (7)

     ;

    в_о=2,75 м. (длина шпалы);

    в_вс=4,53 м.

    Запроектированный поперечный профиль насыпи вычерчивается  на миллиметровой бумаге в масштабе 1:100 или 1:200 с нанесением всех отметок. 

    Коэффициент устойчивости  К подсчитывается по упрощенной формуле: 

                                      (8)

    Все расчёты сводятся в таблицу 2.

    3.4.2.Сопротивление       грунта       сдвигу      оценивается       коэффициентом устойчивости насыпи при динамическом состоянии грунта к _дин: 

    К_дин=К/а_д≥ η_п*η_t/η_c                                               (9) 

    где а_д    - коэффициент динамики, принимаемый по табл.7 методического указания №1. а_д=1,064

    η_п     - коэффициент ответственности сооружения принимаем 1,20;

    η_t -коэффициент сочетания нагрузок = 1,0;

    η_с     - коэффициент условий работы = 1,0 

    К_дин=0,686/1,064=0,645 

    (К)=1,20*1,0/1=1,20 

    т.к. 0,645<1,2 поперечный профиль корректируется в зависимости от величины . 
 

     %                           (10)

    т.к. >20% необходимо уполаживание откосов на 0.25 положе нормальной крутизны и уширение бермы до 10м.

4.Выбор  типа укрепления  откосов

    Укрепление  подтопляемой части насыпи производится при заданных параметрах волнового режима в пойме реки. Необходимо знать высоту волны h=1, среднюю длину волны n=10,95 и скорость течения воды вдоль откоса v=3,2 м/с.

4.1. Укрепления из  бетонных и железобетонных  плит

    В данном случае принимаем укрепление из бетонных плит по выше указанным параметрам (h,v). 

    Размеры плит в плане 1х1 м.

    Толщина плиты :20 см.

    Объём одной плиты : 0,30 м³

    Толщина плит по условию устойчивости определяется по формуле :

                         (11)

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

     _п - объемный вес плиты (2,4 ^т/ _м³);

     _в - объемный вес воды (1 ^т/ _м³);

    h - высота расчетной воды(1м);

     - длина расчетной волны (10,95м);

     - коэффициент для сборных плит ( 1,1);

    К_б - коэффициент запаса (1,2); 

    m - заложение откоса бермы или насыпи(2м) 

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

    где в- ширина открытого шва сборных  плит (в=1см);

     - поперечный размер части  фильтра, меньше которых по  весу i %;

    η- коэффициент неоднородности внутри слоя фильтра. 

                                          (12)

    где t₀ - толщина обратного однослойного фильтра d_ф и d_г – поперечный разрез частиц фильтра и грунта, меньше которых по весу i %

    d_г= 0,008 см;

     - параметр, принимается по таблице  9 методических указаний №1

    Вывод: Поскольку толщина плит по условию  устойчивости равна 37 см, больше того, которое мы выбираем в начале расчёта 20 см. Поэтому плиту можно взять таких же размеров в плане 1*1 , а толщину плиты увеличиваем до 37 см.

    Обратный  фильтр состоит из слоя щебня или  гравия с действующим диаметром частиц при коэффициенте неоднородности от 5 до 6, и его толщина должна быть равна t₀=37 см. 

4.2. Укрепление 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  укладывается  не  менее  двух  слоев  камня.  Более крупный камень располагается в верхнем слое.

    Расчетный вес Q камней  верхнего слоя  наброски  определяется  по формуле: 

                                                         (13) 

    где - объемный вес камня (2,6 т/м³);

    К_к – коэффициент (1,5);

     - коэффициент, учитывает форму камня (0,025);

      Расчетный размер камня верхнего слоя определяется по формуле:

                                                     (14) 

     м. 

    Расчетный размер камня второго слоя должен быть равен:

                                                (15)

    Толщина каждого слоя каменной наброски t_i , определяется по формуле:

                                                       (16)

    где d - коэффициент, принимаемый для двухслойной и многослойной наброски равный 2.

    Общая  толщина   наброски t = t₁+t₂

    Каменная   наброска  должна укладываться на слой обратного фильтра. 

    t = 0,726+0,269=0,995 м.

    При   однослойном   фильтре   крупности   частиц   определяются   по формуле:

                                                      (17) 

     =2,27 см.

    Укрепление  каменной наброской является более трудоёмким, чем укрепления бетон. плитами, также каменная наброска уступает бетонным плитам по ряду технико-экономическим показателям. Поэтому выбираем наиболее экономичное, рациональное, целесообразное укрепление откосов бетонными плитами. 

5. Определение отметки  бермы

    Отметка бермы определяется по формуле ОБ=ГВВ+Н_нак 

    где ГВВ - отметка горизонта высоких  вод;

    Н_нак - величина превышение отметки горизонта высоких вод. 

    H_нак= h_подп+ H+ h_нак+а                                                                                    (18) 

     Н- высота ветрового нагона ( Н= 0,1м);

    h_подп- высота подпора воды засчет сужения русла мостом(h_подп=0,4м)

    h_нак- высота наката волны на откос;

    а-запас (а=0,5м). 

    Высота  наката волны на откос определяется по формуле:

                                               (19)

                                                         (20)

    где К_ш- коэффициент шероховатости и проницаемости покрытия;

     - угол между направлением волны и линией уреза.

    К_ш=0,9     =51° 

    H_нак=0,4+0,1+1,701+0,5= 2,702м 

    ОБ= 220+2,702=222,702 м.

6. Определение ожидаемых осадок основания насыпи

    Расчет  осадок производится на основе теории компрессионного уплотнения фунтов, исходя из предпосылок о невозможности бокового расширения и выпора грунта при уплотнении.

    Определение осадки основания ведется в следующей  последовательности:

    1.   Вычерчиваем   поперечный   профиль   запроектированной   насыпи     в масштабе 1:200. При этом пренебрегаем уширением насыпи в кривой и поперечным уклоном местности из-за малости их влияния на результаты расчета осадки основания.

    2. Определяем суммарные вертикальные напряжения, действующие по основанию насыпи в точках 0,1,2,3,4 и 5. Расчеты ведутся в табличной форме.

    3. Строится эпюра суммарных напряжений  по основанию насыпи, которая  делится на элементарные фигуры (прямоугольники и треугольники).

    4. Определяются напряжения от каждой элементарной фигуры в точках, находящихся в створе оси земляного полотна на расстоянии 0; 2,0; 3,0; 5,0 м от основания насыпи. Считается, что каждая нагрузка приложена в плоскости основания насыпи. Результаты расчетов сводятся в табличной форме.

    В точке O, находящейся на контакте насыпи с основанием, вертикальные напряжения равны суммарной интенсивности нагрузки в данном сечении  . В точках 1,2,3  вертикальные напряжения от загрузки основания уменьшаются с увеличением глубины.

    Z_i - соответственно для точек 0,1,2,3 (0;2;3 и 5м);

    У_i - расстояние, замеряемое по горизонтали от оси земляного полотна до центра тяжести каждой элементарной фигуры;

    b_i - ширина основания каждой элементарной фигуры, м;

    J_i- доли ;

    P_i - максимальное значение ординаты каждой элементарной фигуры, м.

    В точке О, находящейся на контакте насыпи с основанием, вертикальные

    напряжения  равны суммарной интенсивности  нагрузки в данном сечении.

    5. Значение ε_пр-1 находят по ветви уплотнения компрессионной кривой грунта основания по значению напряжений от собственного веса грунта основания в каждой точке.

    6. Значение ε_о-i находят по ветви уплотнения компрессионной кривой грунта основания по значению суммарных напряжений.

    7. Объемный вес грунта в точке  О определяется по формуле:

     .                           (21)

    8. Для точки 1 задаемся объемным  весом грунта:

                                                  (22)

    Тогда                                                 (23)

    По  ветви нагрузки компрессионной кривой грунта основания по значению σ_γ-1 определяем ε_пр-1. Затем находим объемный вес грунта. Производим проверку:

     -  подбор   объемного   веса   грунта   основания  произведен правильно. Аналогично находим ε_пр-2 и т.д.

    9. Определяем ε_0-i. В точке О сразу после отсыпки насыпи действует напряжения σ_О-0. По ветви нагрузки компрессионной кривой определяем соответствующее ему расчетное значение ε_О-0 . Для остальных точек значение ε_О-i находим аналогично по ветви нагрузки компрессионной кривой грунта основания .

    Во  время сооружения насыпи и в период ее эксплуатации грунты 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. Полная осадка основания по оси насыпи определяется по формуле:

     ,                                                  (24) 

    где Δh_i - осадка 1-го слоя грунта толщиной h_i;

     ,                                            (25)

    где S_g - дополнительная осадка основания ниже расчетного слоя грунта (определяется по графику относительных осадок основания насыпи).

     ,                                                 (26)

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

    S_СТР=                                                        (27) 

    S_СТР=

    где   α  - доля    реализации    полной    осадки   основания    в    процессе строительства.

    Строительная   доля   осадки   компенсируется   дополнительным   объемом грунта, м³/100 м.

    V_гр=100*Sстр(0,5В + В +y),

    V_гр=100*0,614(0,5*11,7 +0,461 +55,9)=3846,19 м³/100 м. 

                                           (28)