Проектирование и расчет земляного полотна

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.

                                    = g_о-ср ´ h_бермы                                                       (16)

где h_бермы - разность отметок земли и бермы                       

                                    h_бермы =ОБ- ОЗ,          (17)

h_бермы = 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 (Р_ВС) и поездную нагрузку (Р_О)

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);

b_вс-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 36^о 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 К_дин:

                                    К_дин =                                          (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 g_к – объемный вес камня, g_к = 2,6 т/м³;

k_к – 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:

                                      d_р-1=1,2408´                                         (28)

d_р-1 =1,2408´

Расчетный размер камня в нижнем слое определяется по формуле:

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

d _р-2 =0,37´0,3132 = 0,1159 м

Толщина каждого  слоя каменной наброски t_i определяется по формуле:

                                       t =а´ d_p-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):    

      d_Ф = d_р-2 /5                  (31)

d_Ф = 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:

                                S_g = 0,5                                                          (32)

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

   S_g = 0,5

Полная осадка по оси насыпи определяется по формуле:                  

                                  S  = åDh_i + S_g,                                                    (33)

где Σ – сумма осадок слоёв грунта толщиной h_i (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;

в_вс – средняя ширина балластной призмы;

у – расстояние от подошвы откоса до оси насыпи;