Проект земляного полотна

Содержание ВВЕДЕНИЕ

1. ПРОЕКТ ПОЙМЕННОЙ НАСЫПИ

1.1 Определение требуемой плотности грунта насыпи и проектирование защитного слоя

1.2 Проектирование поперечного профиля насыпи. Расчеты устойчивости

1.3 Определение осадки основания насыпи и требуемого уширения основной площадки

1.4 Проектирование конструкции укрепления откосов

2. ПРОЕКТ ВЫЕМКИ

2.1 Проектирование нагорной канавы и ее укреплений

2.2 Проектирование противопучинных мероприятий в выемке СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ насыпь земляной откос выемка

ВВЕДЕНИЕ

Земляное полотно — это инженерное сооружение из грунта, на котором размещается верхнее строение железнодорожного пути. Земляное полотно воспринимает статические нагрузки от верхнего строения пути и динамические от подвижного состава и упруго передает их на основание. Земляное полотно предназначено также для выравнивания земной поверхности в пределах железнодорожной трассы и придания пути необходимого плана и профиля.

Земляное полотно — наиболее ответственный элемент железнодорожного пути, его несущая конструкция.

От надежности земляного полотна зависят техническая скорость движения поездов и разрешаемая статическая нагрузка на рельсы, провозная и пропускная способность линии.

К земляному полотну предъявляются следующие основные требования:

— оно должно быть прочным (грунт должен иметь достаточное сопротивление воздействию нормальных напряжений), устойчивым (грунт должен иметь достаточное сопротивление воздействию касательных напряжений), надежным (работать без отказов), долговечным (иметь неопределенно долгий срок службы);

— вся поверхность земляного полотна, устройства при нем и полосы отвода должны быть спланированы и защищены так, чтобы атмосферная вода нигде не застаивалась, и был обеспечен ее максимальный сток в стороны или в специальные водоотводные сооружения при минимальной впитываемости в грунт, а текущая вода не размывала бы откосы и основание;

— конструкции земляного полотна должны обеспечивать минимальные расходы на их устройство, ремонты и содержание при максимальной возможности механизации и автоматизации работ.

Для защиты земляного полотна от неблагоприятных природных воздействий оно имеет также комплекс различных водоотводных, защитных и укрепительных сооружений и устройств.

При проектировании необходимо обеспечить заданный уровень надежности земляного полотна по прочности, устойчивости и стабильности с учетом опыта эксплуатации дорог и вибродинамического воздействия поездов при минимальных приведенных затратах, а также максимальном сохранении ценных земель и наименьшем ущербе природной среде.

Проектирование конструкций земляного полотна и необходимых укрепительных, защитных и водоотводных сооружений, как правило, производится вариантно, с последующим выбором путем технико-экономических расчетов наиболее рационального варианта.

1. ПРОЕКТ ПОЙМЕННОЙ НАСЫПИ Насыпи, располагаемые в поймах рек, на мостовых переходах через водотоки называются пойменными. При их проектировании необходимо учитывать ряд специфических требований, которые отсутствуют в случае проектирования суходольных насыпей. Земляное полотно (насыпь) на участках подтопления (берега морей, озер, водохранилищ, пересечения водотоков, прижимные участки трассы и пр.) проектируется с учетом постоянного или периодического воздействия водных масс водотоков или водоемов, которое выражается в виде обводнения грунтов тела насыпи, размывающего воздействия, вызываемого течением постоянного потока или волнением, разрушения и загромождения откосов земляного полотна льдом.

1.1 Определение требуемой плотности грунта насыпи и проектирование защитного слоя Требуемая минимальная плотность сложения сухого грунта d, г/см3, т/м3, должна быть такой, чтобы грунт насыпи при воздействии временных поездных нагрузок работал практически в упругой стадии.

Требуемую в земляном полотне для песчаных и глинистых грунтов плотность сложения сухого грунта d определяют по формуле:

(1.1.1)

где k — минимальный коэффициент уплотнения, для верхней и для нижней частей, см. табл.5.4 стр. 297 [1];

— максимальная плотность сухого грунта, т/м3.

Таким образом:

т/м3;

т/м3.

Плотность грунта насыпи с учётом влажности определяется по формуле:

(1.1.2)

где: — оптимальная влажность.

т/м3;

т/м3.

Удельный вес грунта насыпи определяется по формуле:

; (1.3)

кН/м3;

кН/м3.

Защитный слой — слой дренирующего грунта, который должен иметь соответствующий коэффициент уплотнения и толщину такую, чтобы под ним не возникали пластические деформации. Защитный слой укладывается под основную площадку для предотвращения пучения.

Согласно СТН Ц-01−95 толщина защитного верхнего слоя hзащ для насыпи, отсыпанной супесью составляет 0,5−0,7 м. К расчету принята величина hзащ =0,5 м. Защитный слой отсыпается из песчано-гравийной смеси с параметрами: с = 1 кПа; ц=33є.

1.2 Проектирование поперечного профиля насыпи. Расчеты устойчивости По СТН Ц-01−95 для 1 категории дороги однопутной линии и для насыпей из супеси ширина основной площадки земляного полотна (ОПЗП) равна 7,6 м.

Допустим следующую расчетную схему (рисунок 1.1):

Нагрузки от верхнего строения пути (ВСП) Рвс и от подвижного состава Рр заменяются фиктивными столбами грунта высотой Z.

, (1.4)

где — интенсивность действия нагрузки, от верхнего строения пути;

— интенсивность действия нагрузки от подвижного состава;

— удельный вес нижележащего слоя.

Предполагая, что сдвиг грунта произойдет по траектории А-Б определены границы массива сползающего грунта (рисунок 1.2). Для удобства этот массив был разделен на десять отсеков. Для каждого отсека определены площадь щ, длина поверхности сползания l, угол сползания б, удельный вес грунта (защитного и нижнего слоев), параметры сцепления по границе А-Б. Расчет выполнен на 1 погонный метр насыпи.

Вес каждого отсека грунта определяется по формуле 1.5.

(кН), (1.5)

где: щi — площадь i-го отсека, м2 ;

гi — удельный вес грунта в i-том отсеке, кН/м3.

Сдвигающая сила Тi равна: (кН), (1.6)

где: бi — угол наклона i-го отсека к горизонтали, град.

Прижимающая сила Ni равна: (кН) (1.7) Коэффициент устойчивости определяется по формуле 1.8.

(1.8)

где: n — количество отсеков, шт;

сi — сцепление грунта по границе потери устойчивости i-го отсека, кПа;

liдлина поверхности сцепления i-го отсека, м.

Условие устойчивости:

Коэффициент устойчивости должен быть больше допускаемого значения этого коэффициента, который определяется согласно приложению П. 2 СТН Ц-01−95 по формуле:

(1.9)

где: gfc = 1 — коэффициент надежности по нагрузке;

gn = 1,2 — коэффициент надежности по назначению сооружения;

gc = 0,95 — коэффициент условий работы.

Расчеты сведены в таблицу 1.1

Вывод: Условие устойчивости выполнено.

Расчет устойчивости насыпи при наличии подтопления.

Предполагая, что сдвиг грунта произойдет по траектории А-Б определены границы массива сползающего грунта (рисунок 1.3). Для удобства этот массив был разделен на 12 отсеков. В этом случае весь грунт можно разделить на 5 слоев: защитный, тело насыпи, зона капиллярного поднятия, зона сплошного водонасыщения и грунт основания.

Удельный вес грунта в зоне капиллярного поднятия г2:

(кН/м3), (1.10)

где: гs — удельный вес частиц грунта насыпи, кН/м3 ;

е — коэффициент пористости грунта насыпи;

гw — удельный вес воды, принимаемый 10 кН/м3.

Коэффициент пористости определяется по формуле 1.11.

(1.11)

где: г1 — удельный вес грунта насыпи.

Удельный вес грунта в зоне сплошного водонасыщения г3 в случае водонепроницаемого основания (глина) определяется по формуле 1.11.

г3 = г2 = 20,53 кН/м3

Удельный вес грунта основания определяется по формуле 1.11, но коэффициент пористости и удельный вес частиц грунта берутся для основания. В исходных данных коэффициент пористости грунта основания задан в виде компрессионной кривой. Для его определения найдено напряжение на основании по оси насыпи по формуле 1.12.

(кПа), (1.12)

где: hi — мощность i-го слоя, м.

На компрессионной кривой этому значению напряжения соответствует коэффициент пористости грунта основания еосн = 0,575.

Коэффициент устойчивости насыпи с учетом подтопления определяется по формуле 1.13.

(1.13)

где: n — число отсеков;

Туд — удерживающая сила, кН;

D — дополнительная сила, учитывающая эксфильтрацию воды из тела насыпи.

(1.14)

где: I — средний уклон кривой депрессии;

щ3, щосн — площади слоев грунта в зоне насыщения и основания, м2.

Коэффициент устойчивости должен быть больше допускаемого значения этого коэффициента, посчитанного по формуле 1.9.

Расчет выполнен в системе Excel и представлен в таблице 1.2.

Вывод: Условие устойчивости выполнено.

1.3 Определение осадки основания насыпи и требуемого уширения основной площадки Рассмотрим случай, когда основание стабильно, но за счет нагрузки от отсыпанного грунта насыпи, поездной нагрузки и веса ВСП будут происходить осадки основания за счет его уплотнения. Значение величины осадок основания необходимо учесть при строительстве земляного полотна для установленного запаса на ширину высоты насыпи, чтобы после осадки его ось находилась в проектном положении.

Для упрощения расчетов вводятся следующие допущения:

осадки определяются для насыпей, находящихся в незатопляемом состоянии (т.к. строительство во время паводка невозможно);

в качестве расчетного сечения принимается ось насыпи, относительно которой поперечное сечение насыпи является симметричным;

грунт основания насыпи является однородным на значительной глубине;

поперечным уклоном поверхности земляного полотна пренебрегаем.

задача плоская, статическая.

Расчет осадок производится в следующей последовательности:

1. Определяют напряжения от веса насыпи по подошве :

(1.15)

В точке д :

В точках а, б :

В точках в, г :

2. Определяют напряжения в точках а, б, в, г от нагрузок ВСП и подвижного состава с учетом рассеивания напряжений. Эти нагрузки заданы в виде прямоугольных нагрузок.

Напряжения от прямоугольной нагрузки определяется по формуле:

где — углы видимости, рад;

— интенсивность нагрузки, кН/м2.

3. Определяют суммарные напряжения в точках а, б, в, г, д от внешних нагрузок и собственного веса насыпи. Строят эпюру суммарных напряжений (см. рисунок 1.4). Расчет выполнен в таблице 1.3.

4. Эпюра суммарных напряжений разбивается на 6 элементарных

прямоугольных и треугольных нагрузок. От каждой из них по формулам 1.16 и 1.17 определяются сжимающие напряжения в расчетных точках по оси

насыпи (а, 1ґ, 2ґ, 3ґ). Определяют суммарные напряжения от каждой элементарной нагрузки.

Напряжения от треугольной нагрузки определяется по формуле:

(1.17)

где d — ширина треугольной нагрузки, м.

Результаты расчёта сведены в таблицу 1.4.

3. Строится эпюра напряжений в точках а, 1,2,3 с учетом собственного веса грунта основания. Напряжения от собственного веса грунта основания определяется при следующих исходных данных: грунт — глина, удельный вес частиц грунта

=26,8 кН/м3, влажность грунта Wосн=25%. Характеристики ветви нагрузки компрессионной кривой грунта основания приведены в таблице 1.5.

Компрессионная кривая изображена на рисунке 1.5.

Таблица 1.5 — Характеристики компрессионной кривой

Рис. 1.5 Компрессионная кривая Суммарные напряжения в точках а, 1,2,3 :

Точка, а (h=0). Напряжение ;

коэффициент пористости ;

удельный вес грунта

Точка 1ґ (h1=1м).

Напряжение

Удельный вес определяется методом последовательных приближений.

Задаемся значением

Этому значению соответствует

Пересчитываем удельный вес грунта:

Проверяем, выполняется ли условие:

— условие выполняется Точка 2ґ (h2=2м).

Этому значению соответствует

Удельный вес грунта:

Проверяем, выполняется ли условие: 21,07−21,19= -0,12 — условие не

выполняется, делаем перерасчет:

Этому значению соответствует

Удельный вес грунта:

Точка 3 (h3=7м).

Этому значению соответствует

Удельный вес грунта:

Проверяем, выполняется ли условие: 21,21−21,47= -0,26 — условие не

выполняется, делаем перерасчет:

Этому значению соответствует

Удельный вес грунта:

4. Определяют напряжения в точках а, 1,2,3 от веса грунта основания в природном состоянии.

Напряжения в основании насыпи в природном состоянии определяются с использованием компрессионной кривой грунта в следующих расчетных точках:

Точка, а (h=0). Напряжение ;

коэффициент пористости ;

удельный вес грунта

Точка 1ґ (h1=1м).

Напряжение

Удельный вес определяется методом последовательных приближений.

Задаемся значением

Этому значению соответствует

Пересчитываем удельный вес грунта:

Проверяем, выполняется ли условие:

— условие не выполняется,

следовательно, пересчитаем напряжения:

Точка 2ґ (h2=2м).

Напряжения определяются как сумма напряжений в точке 1ґ и

напряжений от веса грунта между 1ґи 2ґ точкой.

Этому значению соответствует

Удельный вес грунта:

Проверяем, выполняется ли условие: 19,56−19,92=-0,36 — условие не

выполняется, делаем перерасчет:

Этому значению соответствует

Удельный вес грунта:

Точка 3 (h3=7м).

Напряжения определяются как сумма напряжений в точке 2 плюс

напряжения от веса грунта между 2 и 3 точками.

Этому значению соответствует

Удельный вес грунта:

Проверяем, выполняется ли условие: 19,94−20,67=-0,73- условие не

выполняется, делаем перерасчет.

5. Строят эпюры коэффициентов пористости для природного состояния и для состояния после строительства сооружения.

т. а

т. 1

т. 2

т. 3

6. Определяется осадка основания.

Расчет ведется методом послойного суммирования. Относительная осадка основания определяется по формуле:

Таблица 1.

Определяем полную осадку основания по формуле:

где Sожидаемая осадка расчетных слоев основания определяется по формуле:

— дополнительная осадка толщи основания определяется по формуле:

При известном значении можно определить запас на осадку, необходимое уширение основной площадки .

Запас на осадку насыпи:

где: — осадка основной площадки из-за сжатия основания

где — доля осадки основания, реализуемая после сдачи насыпи в эксплуатацию, ;

— коэффициент погашения осадки основания в теле насыпи за счет

разуплотнения, ;

— высота насыпи, ;

— осадка грунтов насыпи, для линий I категории можно принять .

Величина уширения основной площадки насыпи определяется по формуле:

где: — показатель крутизны откоса балластной призмы, m=1,5.

В этом случае проектная ширина основной площадки будет:

где: — нормируемая ширина основной площадки в обычных условиях,

Рисунок 1. Схема к определению требуемого уширения основной площадки

2ю ПРОЕКТ ВЫЕМКИ

2.1 Проектирование противопучинных мероприятий в выемке. Подкюветный дренаж, оценка его эффективности Будем рассматривать двухсторонний подкюветный дренаж для выведения уровня грунтовых вод из зоны промерзания. Его проектирование состоит из следующих этапов:

определение технической эффективности дренажа;

определение глубины заложения дренажа;

определение притока воды в дренажах;

гидравлический расчёт дренажа;

гидравлический расчёт дренажных труб;

Определение технической эффективности дренажа Техническая эффективность дренажа определяется коэффициентом водоотдачи м>0,20. Порядок определения коэффициента следующий:

Вычислим коэффициент пористости по формуле:

(2.1)

где: nг — пористость грунта выемки, nг=0,44

Вычислим дельный вес грунта:, (2.2)

где: — удельный вес частиц грунта выемки, .

Определим водоотдачу по формуле 2.3:

(2.3)

где: — величина капиллярно связанной воды, ;

— максимальная молекулярная влагоемкость, ;

— удельный вес воды, .

Коэффициент водоотдачи определяется по формуле 2.4:

(2.4)

Следовательно дренаж эффективен.

Определение глубины заложения дренажа Рисунок 2.1 Расчетная схема к определению глубины заложения дренажа h

Здесь приняты следующие обозначения:

I0 — средний уклон кривой депрессии = 72‰ = 0,072;

2Lm — длина междудренажного пространства;

(2.5)

B0 — ширина основной площадки выемки (принимается по таблице 9 СТНЦ-01−95, для линии 1 категории для однопутной выемки Во = 7,6 м) ;

hk — глубина кювета = 0,6 м;

m — заложение откоса кювета, m = 1,5.

;

L0 — длина горизонтальной проекции кривой депрессии до места пересечения несниженного уровня грунтовых вод (НУГВ) и сниженного уровня грунтовых вод (СУГВ);

Н — глубина от НУГВ до дна дренажа;

h0 — расстояние от дна дренажа до верха трубы;

h0 = d + 0,15, (2.6)

где d — диаметр трубы, принят = 0,2 м;

h0 = 0,2 + 0,15 = 0,35 м ;

Z — глубина промерзания (из задания Z = 1,76 м);

е — конструктивный запас, принимается = 0,2 м;

f0 — стрела кривой депрессии:

для однопутной выемки определяется по формуле 2.7 :

(2.7)

ак — высота капиллярного поднятия (из задания ак = 0,76 м);

2а — ширина дренажной траншеи, зависит от искомой глубины заложения дренажа. Принимается:

2а = 0,8 м при h? 2,5 м;

2а = 0,8−1,0, при 2,5 < h? 6,0 м;

2а = 1,0−1,5 м, при h > 6,0 м.

В курсовом проекте принимаем для однопутной выемки 2а = 0,8 м ;

Т — расстояние от дна дренажа до водоупора (из задания Т = 3,13 м);

е0 — высота высачивания.

Из геометрических соображений глубина заложения дренажа h будет:

(2.8)

Глубина от НУГВ до дна дренажа определяется по формуле:

H = h + hk — (Aбр — Агв), (2.9)

где величина (Aбр — Агв) берется из задания; (Aбр — Агв) = 0,87 м;

Н = 2,81 + 0,6 — 0,87 = 2,54 м.

Определение притока воды в дренаже Рисунок 2.2 Расчётная схема к определению притока воды в дренаж В этой схеме приняты следующие допущения:

— запасы воды в области питания считаются неограниченными, т. е. приток воды на 1 п.м. дренажа постоянен;

— до устройства дренажа зеркало грунтовых вод и поверхность водоупора горизонтальные;

— до устройства дренажа скорость воды равна нулю;

— движение воды равномерное, т. е. применим закон Дарси.

Приток воды в дренаже будет равен:

(2.10)

где — притоки воды соответственно из зон А, Б, В;

— притоки воды из междудренажного пространства.

Высота высачивания кривой депрессии определяется по формуле 2.11 :

(2.11)

Длина проекции кривой депрессии определяется по формуле 2.12 :

(2.12)

.

Приток воды из зоны, А и Б равен:

(2.13)

где Кf = 48*10−7 м/с — коэффициент фильрации

.

Приток из зоны В равен:

(2.14)

где qL — приведенный расход со дна; определяется по графикам в зависимос ти от б и в, которые равны:

; (2.15)

Величину, а = 0,4 м принимаем при h, находящемся в пределах h? 2,5 м;

Т — расстояние от дна дренажа до водоупора берется равным 3,13 м.

;

В случае в > 3:

(2.16)

берется с графика при в = 3 и

;

Общий приток с полевой стороны равен:

(2.17)

Боковой приток из междудренажного пространства:

(2.18)

(2.19)

(2.20)

(по данным ранее выполненных расчетов);

Донный приток из междудренажного пространства:

(2.21)

;

;

По значениям и определяем

Суммарный приток из междудренажного пространства:

(2.22)

qм = 4,16*10−7 + 5,87*10−7 = 10,03*10−7 м2/с.

Общий приток воды в дренаже будет равен по формуле 2.10 :

Расход воды определяется по формуле 2.23:

Q = q Lдр, (2.23)

где Lдр — длина водосборной части дренажа (Lдр — из задания равна 540 м) Гидравлический расчет дренажа Для предупреждения механической суффозии (выноса) мелких частиц из грунта в дренирующий заполнитель или из дренирующего заполнителя в трубу, входная скорость фильтрации должна быть меньше допускаемой.

(2.24)

где ;

При двухстороннем подкюветном дренаже входные скорости равны:

; (2.25); (2.26)

С полевой стороны:

м/с ;

м/с .

Со стороны междудренажного пространства:

м/с;

м/с .

Таким образом, скорость вытекания воды в отверстия трубы на порядок меньше допускаемой скорости, т. е. условие соблюдено.

Гидравлический расчет дренажных труб Транзитный расход воды, подходящей к верхнему сечению данного участка:

(2.27)

где: щтр — площадь поперечного сечения круглой трубы:

;

V — скорость движения воды,; (2.28)

где: С — коэффициент Шези;

R — гидравлический радиус; (2.30)

ч — смоченный периметр;. (2.31)

Принимаем коэффициент шероховатости стенок трубы n = 0,012; у = 0,142

;

;

;

где IV =0,006 — уклон выемки.

Следовательно, по формуле 2.27:

Необходимо соблюдение условия Qmp? 1.5Qдоп, (2.32)

где Qдоп — допустимый расход воды (был определен ранее).

0,03 > 1,5*12,96*10−4 = 0,0019

Таким образом, необходимое условие соблюдается.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Железнодорожный путь. Под ред. Т. Г. Яковлевой — М.: Транспорт, 2001

2. Расчеты и проектирование железнодорожного пути. Под ред. В. В. Виноградова и А. М. Никонова — М.: Маршрут, 2003

3. Железные дороги колеи 1520 мм, СТН Ц-01−95 МПС РФ, 1995