Проектирование и расчет земляного полотна

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

g_уд – плотность частиц грунта;

W_м - максимальная молекулярная влагоемкость;

W_р - влажность на границе раскатывания;

W_L - влажность на границе текучести;

J_p - число пластичности;

a_кп - высота капиллярного поднятия воды;

J₀ - средний уклон кривой депрессии;

К_ф - 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);

Н_нак - величина превышения отметки горизонта высоких вод,

,        (4)

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

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

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

h_нак - высота наката воды на откос определяется по формуле:

,                     (5)

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

m – заложение откоса, m = 2;

λ - длина волны (по заданию λ=10,20);

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

                              k_b= ,                                                        (6)

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

                              k_b= = 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 (Р_п);

- вес верхнего строения пути (Р_вс);

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

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

Эпюры нагрузок Р_п и Р_вс 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 s_о в данной точке от всех давлений определяют по формуле:

                                   ,                                             (7)

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

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

σ_γ – 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;

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

l_а - 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)