Проектирование пойменной насыпи

         1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЙМЕННОЙ  НАСЫПИ

         1.1 Проектирование основной  площадки

       Мощность  и надежность пути зависят от объема перевозок. Основной показатель технико-экономического характера – грузоподъемность. Согласно требованиям СТНЦ-Ц-01-95 по заданной грузонапряженности  Т=25 млн.ткм/км в год назначается II категория линии. Допускаемое минимальное значение радиуса круговой кривой для линии II категории в случае временного перехода применительно к особо трудным условиям принимается R=800 м. Физико-механические характеристики приведены в табл.1.1

     Таблица 1.1. Физико-механические характеристики грунтов.

       Ширина  основной площадки назначается из условия  размещения на ней верхнего строения и обочин земляного полотна. На двухпутных участках кривых вычисляется по формуле (1.1)

B_II=b+Δb+M+Δm,                                                                                               (1.1)

где b-ширина площадки на прямых однопутных участках, Δb-уширение основной площадки на кривых участках; M-расстояние между осями смежных путей на прямом участке; Δm-габаритное уширение межпутного расстояния кривых. Параметры для расчета назначены по таблицам (1.1)-(1.3) / /

B_II=6,6+0,4+4,1+0,19=11,29 м

       Для отвода атмосферной воды от верха  земляного полотна основная площадка проектируется в виде горизонтальной площадки, для земляного полотна из скальных, крупнообломочных и дренирующих песков.

Рис.1.1. Очертание  верха основной площадки земляного полотна.

         1.2 Проектирование откосного  укрепления.

         1.2.1 Выбор типа  укрепления.

       Откосы  пойменных насыпей необходимо защищать не только от вредного воздействия  природных факторов, но и от воздействия в период паводков. Выбор типа укреплений делают на основании технико-экономического расчета. Укрепление укладывается на слой обратного фильтра из щебня или геотекстиля с целью предотвращения вымывания и выноса частиц грунта из насыпи после схода паводка. Так как грунт относится к слабопучинистым и непучинистым то целесообразно укрепление откосов предусмотреть бетонными или железобетонными плитами (рисунок 1.2).

       Незатопляемая часть откосов (берма) укрепляется  крупнообломочной отсыпкой 10-15 см.  

         1.2.2 Назначение крутизны  откосов.

       Первоначально крутизна откосов назначается по нормативам для насыпей типового профиля и затем уточняется расчетом общей устойчивости насыпи с учетом ее подтопления.  Крутизна откосов назначена: в верхней части до отметки бермы - 1:1.5,  а крутизна откосов подтопляемых берм – 1:2.

         1.2.3 Размеры берм

Рисунок 1.2 Схема укрепления откоса бермы бетонными  свободно лежащими плитами на геотекстиле.

       Бермы пойменных насыпей предназначены  для обеспечения их общей устойчивости и защиты откосов от размыва. Отметка бровки бермы определяется по формуле:

Г_б = ГВВ + h_н + h_п + Δz + a,                                                                           (1.2)                                                      

где ГВВ- горизонт высоких вод; h_н- высота наката подходящих волн;   h_п и Δz – соответственно высота подпора воды у моста и высота ветрового нагона; а- величина запаса, принимаемая для средних и больших мостов 0,5 м.

       Если  применяется плитное покрытие то высота наката определяется:

h_н= ,                                                                                                            (1.3) 

где и h – длина и высота волны соответственно, м.   

h_н= =2,15 м                                                      

Г_б=224+2,15+0,15+0,25+0,5=227,05 м                                                                           

       Ширина  бермы поверху первоначально  принимается 5 м. Ее поверхности           

придается поперечный уклон 40 ‰ в сторону бровки бермы. Конструкция укрепления приведена на рисунке 1.2 с указанием всех размеров и отметок.

         1.3Требуемая плотность насыпи

         1.3.1 Методика расчета  плотности и напряжений грунта  насыпи

       Характеристикой плотности грунта является его плотность  в сухом состоянии, т.е. масса частиц в единице объема грунта:

ρ_g=                                                                                                                  (1.4)

где  - плотность частиц грунта, т/м³; - расчетное значение коэффициента пористости, при котором обеспечивается его работа упругой стадии.                                                                                    (1.5)

где  и определяются из компрессионной кривой (рисунок 1.3),  и - коэффициенты пористости грунта, определяемые, соответственно, по ветвям нагрузки и разгрузки при напряжении , e_он и e_ор  - коэффициенты пористости грунта при напряжении , σ_вс, σ_р и σ_γ  - напряжения от веса верхнего строения пути, подвижного состава и собственного веса  грунта; К – коэффициент, учитывающий многократность, продолжительность и способ приложения нагрузки, равный 1,1 – 1,6 в зависимости от положения расчетного слоя грунта.

       Расчет  требуемой плотности грунта сводится к определению напряжений в наиболее загруженном сечении насыпи, которым  является ось земляного полотна. Величины и вычисляются в соответствии с линейной теорией упругости.

       Напряжение  от собственного веса грунта определяется по формуле:

                                                                                                     (1.6)

где - средний удельный вес грунта i – го слоя насыпи, кН/м _,                             - толщина i – го слоя насыпи, м

,                                                                                                    (1.7)        

где  γ_i-1 и γ_i –удельный вес грунта соответственно в (i-1)-й и i-й точках, кН/м³. Удельный вес грунта определяется по формуле:

                                                                                                  _(1.8)                          где W – влажность грунта, доли единиц, g – ускорение свободного падения.

         1.3.2 Расчетная схема  и действующие нагрузки

       На  расчетной схеме (рисунок 1.4) расположена основная часть насыпи. На основной площадке показаны действующие давления в виде полосовых прямоугольных нагрузок от подвижного состава и верхнего строения пути.

       Высота  насыпи определяется как разность отметок  проектной бровки  Г_пр и земли Г_з. При дренирующих грунтах проектная бровка превышает профильную на двухпутном участке пути на 0,4 м.

Н=Г_пр-Г_з                                                                     (1.9)

       Для двухпутного участка пути Г_пр  определяется по формуле                               Г_пр=Г_бр+0,4=235+0,4=235,4 м                                                                                            Н=235,4-220,5=14,9 м

       Поперечный  уклон основания, не учитывается, т.к. грунты при возведении насыпи уплотняются  горизонтальными слоями.

       На  основной площадке показывается действующее  давление в виде полосовых прямоугольных напряжений от подвижного состава и верхнего строения пути.

       Интенсивность вибродинамической нагрузки от  подвижного состава определяется по формуле:

P₀=                                                                                                              (1.10)                      где P-осевая нагрузка, n-число осей в тележке, -длина жесткой базы тележки.

Рисунок 1.4 Расчетная схема к определению требуемой плотности грунта насыпи.

       Значения P, n и l_жб принимаются из приложения В /  / для пассажирского вагона.

Таблица 1.2 Характеристики подвижного состава.

       Длина железобетонных шпал составляет b_o=2,7 м                                             =69,21 кПа.                                                                                                              

В расчет принимается  как перспективная нагрузка.

       Давление P_вс от веса верхнего строения пути и ширину b_вс этой полосовой нагрузки можно назначать по таблице 1.5/   /, с учётом типа рельсов и рода шпал которые следует принимать для линий  II категории – Р65,шпалы железобетонные.

       Параметры полосовой нагрузки от веса строения верхнего пути для рельсов Р65 для двухпутного участка принимаем: среднюю ширину полосы нагрузки b_вс=9,1 м, и среднее давление на основную площадку при железобетонных шпалах P_вс=17 кПа.

         1.3.3 Расчет необходимой  плотности грунта насыпи.

       Расчет  необходимой плотности грунта ведется  по формулам (1.4)-(1.8).

       Для точки 0 (на основной площадке):

                      ;    

       Для значений и по компрессионной кривой  (рис. 1.4) принимаем:

 0,584;    ;   ;                                      ;   ;   ;

       К₀=1,6;  

    =0,584-1,6(0,089-0,061)=0,539 т/м³;           =т/м³;

      кН/м³;

       Для точки n (в уровне подошвы насыпи):

     ;       кН/м³;

      кПа

      кПа

       Из  графика компрессионной кривой (рис. 1.3) принимаем:

      т/м³

      т/м³

       При К=1,1:

  т/м³ /м³ 

=1,80*(1+0,10)*9,81=19,42 кН/м³

       Сравниваем  кН/м³

  кН/м³;

Проверка  не прошла, поэтому в расчет принимаем  значения =19,42 кН/м³

       Найдем  средние значения e,ρ,γ:

      = т/м³ 

      т/м³ 

      кН/м³

         1.4 Проектирование  поперечного профиля насыпи с  обеспечением устойчивости откосов  насыпи

         1.4.1 Цель и методика  расчета

       Цель  расчета – оценить сопротивление  сдвигу низового откоса насыпи и по величине этого сопротивления назначить  оптимальную крутизну откосов и  размеры берм.

       Расчет  ведется графоаналитическим методом  в предположении кругло-цилиндрической поверхности возможного смещения с  использованием формулы К. Терцаги  и (1.11) с учётом подтопления насыпи.

                                                                 (1.11)

 К- коэффициент  устойчивости при статическом  состоянии грунта в теле насыпи. n - суммарное количество отсеков блока смещения;

m - количество  отсеков блока смещения, в которых  действуют удерживающие касательные  составляющие силы веса;

C_i и f_i - соответственно удельное сцепление (кПа) и коэффициент внутреннего трения грунта в основании i-го отсека длиной l_i;

N_i и T_i - нормальная и касательная к основанию i-го отсека составляющие силы его веса, кН;

- гидродинамическая  сила, возникающая  при вытекании  воды из насыпи;

       Сопротивление грунта сдвигу оценивается коэффициентом  устойчивости насыпи при динамическом состоянии грунта K_дин, который должен быть не менее допускаемого значения |К|: 

                                                                                            _(1.12)   

где a_д - коэффициент динамики, назначаемый в зависимости от высоты насыпи и вида грунта, при Н=14,9 м, Р₀=80 кПа, по таблице 1.6/   /  a_д=1,08;

η_n  - коэффициент ответственности сооружения, для линий II категории, принимаемый равным 1,20;

η_{f -} коэффициент сочетания нагрузок, для обычного сочетания равный 1,0;

η_{c -} коэффициент условий работы, при использовании упрощенных методов                           расчета равный 0,95

         1.4.2 Расчетная схема  и исходные характеристики

       На  расчетной схеме (рисунок 1.5), изображенной в масштабе 1:100 показан поперечный контур низовой части насыпи. Для этого наносим поверхность основания с заданным уклоном местности 1:16, от нее вверх по оси откладываем высоту насыпи и проводим горизонтальную линию , на которой показываем бровки основной площадки на расстоянии от оси, равном 0,5(B- для двухпутного пути.

       На  уровне отметки ГВВ =224 м и Г_б =226,9 м проводим горизонтальные линии. От точки F в направлении откоса показываем депрессионную поверхность

с уклоном  J₀ = 0,005 для грунта насыпи.

       От  бровки Е проводим откос нормативной  крутизны 1:1,5 до пересечения с поверхностью бермы в уровне Г_б, поперечный уклон который на расчетной схеме не учитывается. От точки пересечения С откладываем ширину бермы равной 5м и от ее бровки B проводим откос крутизной 1:2 до пересечения в точке А с поверхностью основания.

       На  основной площадке по оси каждого  пути строим фиктивный столбик грунта, эквивалентный поездной нагрузке Р₀= 80 кН и весу верхнего строения пути P_вс = 17кН, шириной b₀ = 2,7м и высотой z_ф, определяемой по формуле (1.13):

                                                                                 (1.13)

где b_вс-1 –ширина полосовой нагрузки от веса верхнего строения пути.

       Полученный  блок смещения ABCDEL₃G необходимо разбить на отсеки, границы которых должны проходить через точки перелома поперечного контура насыпи и границу фиктивного столбика, точки пересечения кривой смещения с депрессионной поверхностью и поверхностью основания, а так же по вертикальному радиусу. В случае если ширина какого-либо отсека окажется более 5м, он разбивается на два отсека.

       Обозначим в блоке смещения:

           I слой – грунт, который не подвержен водонасыщению (выше кривой депрессии);

           II слой – грунт, который подвержен водонасыщению (ниже кривой депрессии);

           III слой – грунт основания насыпи.

       В верхнем, I слое характеристики грунта принимаются по результатам расчета  требуемой плотности.

                           (1.14)

                                                           (1.15)

                                               (1.16)

                           (1.17)

где φ_пр- угол внутреннего трения грунта насыпи, равный 39˚;

с_пр- удельное сцепление грунта природного сложения, равное 1 кПа;

1,15 – коэффициент,  учитывающий повышение прочностных  характеристик при отсыпке и  уплотнении грунта.

=18,96 кН/м3;                                          = т/м³;

·1=1,15 кПа,              1,15·tg39°=0,931;

       В среднем, II слое характеристики грунта насыпи определяются с учетом взвешивающего  действия воды и дополнительного увлажнения после подтопления:

                                     (1.18)  

где ρ_s - плотность частиц грунта насыпи, равная 2.64 т/м³;

ρ_w - плотность воды, равная 1 т/м³;         

                           (1.19)

                                                                                                       (1.20)

где 0,5 и 0,75 – коэффициенты учитывающие снижение прочности переувлажненного грунта.  

=10,7 кН/м³;

1,15=0,575 кПа;

·0,931=0,698;

       В нижнем, III слое грунта основания расчетные  характеристики определяются с учетом его насыщения водой:

                                                                                            (1.21)

           (1.22)

где φ_пр-осн - угол внутреннего трения основания насыпи, равный 24˚

с_пр-осн - удельное сцепление грунта основания насыпи, равное 2 кПа

                          (1.23)

где ρ_s-осн - плотность частиц грунта основания насыпи, равная 2,68 т/м³;

- коэффициент  пористости грунта основания,  принимаемый по ветке нагрузки  компрессионной кривой при напряжении  от веса бермы 

h_б - высота бермы в сечении по ее бровке, равная 8 м:

18,96=151,2 кПа

0,646 т/м³

= кН/м³;

  ;

         .3 Определение коэффициента  общей устойчивости.

       Коэффициент устойчивости определяется по формуле (1.11)  для участка насыпи длиной 1м с учетом удерживающих и сдвигающих сил для каждого i-го отсека. Нормальная и касательная составляющие силы веса отсека определяется по формулам:

                                       (1.24)

                                                                                                      (1.25)

где Q_i - вес i-го отсека, кН.

,                                       (1.26)

где F^I, F^II, F^III - площади частей отсека, находящиеся соответственно в I, II, III слоях блока смещения, м²;

- угол наклона основания отсека  к горизонту  определяется  по формуле:

,                                                                               (1.27)

где X_i - расстояние от середины основания отсека до вертикального радиуса R, м. Величина гидродинамической силы D₀ ,кH, определяется по формуле: ,                                                              (1.28)

где γ_w - удельный вес воды, равный 9,81 кН/м³;

J₀ - уклон депрессии;

       Расчет  устойчивости ведётся в форме  таблицы 1.3.

         1.4.4 Выводы

       Допустимое (нормативное) значение коэффициента устойчивости  устанавливается по формуле (1.12) и равно 1,26. Расчетный коэффициент устойчивости насыпи при динамическом состоянии грунта определяется по формуле :

                                                                                                        (1.29)

1,36>1,26+0,02

       По  результатам расчета К_дин сравненным с допустимым значением [К] необходимо сделать вывод: так как , принятый поперечный профиль насыпи считается не оптимальным, ширина берм ширина берм уменьшается с целью снижения объема земляных  работ и исключения неоправданного запаса устойчивости.

       Если , то принятый профиль следует скорректировать в зависимости от величины:

                                                                                 (1.30)                              

=

       При ширина берм уменьшается до 4 м. 

         1.5 Заключение к  проекту пойменной насыпи. 

       При отсыпке насыпи из дренирующих грунтов  проектная отметка бровок превышает  профильную на 0,4 м на двухпутном участке  пути, Г_пр =235,4м. Высота насыпи измеряется в сечении по её оси, Н=14,9м. Плотность грунта изменяется в пределах от =2,64 т/м³ на основной площадке, до =2,68 т/м³ в основании насыпи.