Проектирование и расчет земляного полотна

Часть II. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПРЕДПОРТАЛЬНОЙ ВЫЕМКИ

2.1 Исходные  данные

Грунт откосов  насыпи и под основной площадкой  – суглинок тяжелый пылеватый.

Таблица 7 - Физико-технические характеристики грунта

№ п/п	Вид грунта	Nгрунта	W,%	Характеристики грунта
				С, кПа	j, град	gs , 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	Суглинок тяжелый  пылеватый	13г	37	2	12	27,2	22	38	16	1,5	0,1	5×10-10

 

№ грунта	Вид грунта	Ветвь компрес-сионной кривой	Значение коэффициента пористости ε при давлении, кПа
			0	100	200	300	400	500	600
13г	Суглинок тяжелый  пылеватый	Нагрузки	0,91	0,83	0,78	0,742	0,716	0,695	0,682
		Разгрузки	0,77	0,744	0,725	0,71	0,698	0,688	0,682

Таблица 8- Данные для построения компрессионных кривых.

По данным таблицы 8 строим компрессионные кривые для грунта 13г.

 

Рисунок 6 -Компрессионные кривые для грунта под основной площадкой и откосов выемки

2.2 Определение основных конструктивных элементов выемки

Определяем глубину выемки Н_В :

Н_В =ОЗ – ОПБ                                                (39)

где ОЗ – отметка поверхности земли по оси выемки;

ОПБ – отметка профильной бровки.

Н_В = 350,6– 333,3= 17,3 м.

В зависимости от количества путей, категории дороги и др. по СТН Ц-01-95 определяем ширину основной площадки, назначают ее конфигурацию.

,                 (40)

где В - ширина основной площадки по СТН Ц -01-95 для однопутной линии II категории, радиус кривой R=1047 м, суглинок тяжелый пылеватый (В=7,6 м);

Δот кривой - уширение основной площадки в наружную сторону для обеспечения необходимой ширины обочин при устройстве возвышения наружной рельсовой нити (Δот кривой = 0,4 м).

Очертание основной площадки для грунта под основной площадкой -суглинок тяжелый пылеватый (недренирующий грунт) на однопутной линии имеет трапециевидную форму с высотой трапеции 0,15 м., шириной поверху 2,3 м. и с основанием, равным ширине земляного полотна.

От основной площадки по обе стороны проектируем кюветы с типовыми размерами: шириной по дну – 0,4 м и глубиной – 0,6 м. Откосы кюветов назначаем 1:1,5.

Крутизну откоса выемки назначаем в соответствии с указаниями СТН Ц -01-95.(до 6 м - 1:1,5, выше - 1:1,75). С нагорной стороны проектируем банкетный вал, забанкетную канаву, кавальер и нагорную канаву в соответствии с указаниями СТН Ц-01-95. Назначаем границы полосы отвода земли под железную дорогу не ближе 2,0 м от границы земляных и водоотводных устройств. Поперечный профиль выемки вычерчиваем в AutoCAD в масштабе 1:100 (Чертеж 6).

2.3 Проектирование нагорной канавы

2.3.1 Общие положения

При проектировании канав необходимо выполнять следующие требования:

1) Канавы должны пропускать весь расчетный расход воды без переполнения.

2) Строительные расходы на сооружение канав должны быть минимальны. Для этого канаву необходимо запроектировать с гидравлическим наивыгоднейшим поперечным сечением и минимально возможными уклонами для удешевления укрепления.  Эксплуатационные расходы на прочистку канавы и ремонт одежды канав должны быть минимальны.

 

Чертеж 6

 

В результате расчета определяется:

1)площадь поперечного сечения, достаточная для пропуска расчетного расхода воды;

2)продольный уклон и скорость течения воды, исключающие возможность заиливания канав или размыва их при данном грунте или принятом типе укрепления дна и откосов канав.

2.3.2 Проектирование  плана и продольного профиля  канавы

Заданную длину  канавы необходимо разбить на участки. Продольный уклон и размеры поперечного сечения канавы будут постоянными на протяжении каждого участка.

На поворотах  трассы канавы в плане сопряжения прямых участков осуществляется плавными кривыми радиуса не менее 10 м, а на участках подходов к перепадам, быстротокам, искусственным сооружениям – не менее 20м.

Угол примыкания одной канавы к другой должен быть не более α = 45 ° Продольный уклон канав желательно назначать, следуя топографии местности. Минимальный продольный уклон канав рекомендуется принимать не менее 3 ‰, в исключительных случаях 2 ‰., на болотах, поймах рек и в других равнинных условиях 1 ‰.

Наивыгоднейшие  уклоны должны быть выбраны так, чтобы  скорость течения воды в канавах не превышала допускаемые (не размывающие) для данного грунта, в противном случае подбирается соответствующий тип укрепления, а по условиям недопущения заиливания минимальная допускаемая скорость течения воды 0,25-0,30 м/с (для канав, не имеющих укрепления и не покрытых растительностью).

 

 

2.3.3 Проектирование поперечного профиля канавы

Размеры поперечного  сечения канавы устанавливаются  гидравлическим расчетом, исходя из расчетного расхода воды. Причем размеры находят в начале каждого участка по расходу воды, притекающей к концу участка.

Минимальная ширина дна канавы должна быть – 0,6 м; на болотах  – 0,8 м. Полная глубина канавы назначается  на 0,2 м больше расчетной. Крутизна откосов назначается в зависимости от рода грунта, в суглинках – 1:1,5.

Расчет начинаем с низового участка, способом подбора основных параметров. Затем, сохраняя высоту канавы неизменной, переходим к расчету верхового участка.

Если условие не выполняется, то меняем размеры дна канавы, т.е. окончательное сечение канавы на всех следующем участке определяется  варьированием размеров.

2.3.4. Гидравлический расчет

Длина нагорной канавы – 440 м;

Q₁ = 3,5 м³/сек – расход воды общий

Q ₂ =1,5 м³/сек – расход воды на верховом участке

грунт – супесь тяжелая пылеватая;

крутизна откосов: m =  1,5;

Продольный  уклон местности:

i ₁=0,0028 – уклон на низовом участке.

i ₂= 0,0025 – уклон на верховом участке.

Разобьем канаву по длине на два участка по 220 м (Чертеж 7).

На низовом участке принимаем укрепление русла монолитным железобетоном. Принимаем размеры канавы: h=0.7 м, b=1.1 м, уклон дна канавы принимаем равным i = 0,004. При принятых размерах поперечного сечения канавы производим расчет скорости воды в канаве и расхода.

 

Чертеж 7

 

Определяем гидравлический радиус канавы:

 ,                                     (41)

где ω - площадь живого сечения;

ψ - смоченный периметр.

        (42)

м;

        (43)

м²;

м.

Определяем коэффициент Шези:

,                    (44)

где n - коэффициент шероховатости дна и откосов канавы ( - при грунтовых и одернованных откосах и дне; - при мощении камнем; - при бетонном укреплении);

y - значение показателя степени ( , м; , м);

;

;

Определение средней скорости потока:

        (45)

м/с;

 

 

Определяем расчетный  расход воды:

               (46)

м³/с.

Фактический расход воды на низовом участке (по заданию =3,5 м³/с) отличается от расчетного на 3,3%. Скорость воды в канаве на низовом участке не превышает скорость размыва (для бетонных плит м/с) и больше скорости заиливания ( м/с).

На верховом участке принимаем укрепление русла каменной наброской. Принимаем размеры канавы: h=0,7 м, b=0,7 м, уклон дна канавы принимаем равным i = 0,003. При принятых размерах поперечного сечения канавы производим расчет скорости и расхода.

м;

м²;

м.

;

.

м/с

м³/с

Фактический расход воды на верховом участке (по заданию =1,5 м³/с) отличается от расчетного на 0,1%. Скорость воды в канаве на верховом участке не превышает скорость размыва (для каменной наброски м/с) и больше скорости заиливания ( м/с).

2.4 Расчет  устойчивости откосов выемки

Нарушение местной  устойчивости проявляется в виде смыва или сплыва грунта откоса, насыщенного водой, имеющего низкие прочностные характеристики.

Рисунок 7 - Расчетная схема к оценке местной  устойчивости откоса выемки

При определении  возможности сплыва откосов необходимо определить коэффициент местной устойчивости по формуле:

                                   (47)

где γ - объёмный вес грунта, кПа;

γ_b - объёмный вес воды (10 кПа );

n – заложение откоса выемки (n=1,75 );

φ_р – расчётное значение угла внутреннего трения (12⁰ );

С_р - расчётное значение удельного сцепления оттаивающего грунта (2 кПа);

А и В – коэффициенты определяемые по номограмме в зависимости от отношения z/h;

h – высота откоса, в пределах которой возможен сплыв грунта определяется по формуле

,                      (48)

где Г₃ – отметка земли (350,6 м);

  Г_гр – отметка границы разнородных грунтов (342,0 м);

Н – глубина выемки (17,3 м);

n – заложение откоса выемки (n=1,75);

т – заложение поперечного уклона местности (m=22);

L – расстояние (L =2,2+0,6*1.75=3.25 м. т.к. нет закюветной полки);

В – ширина основной площадки земляного полотна;

∆b – уширение основной площадки земляного полотна.

Расчётная глубина сезонного промерзания Z определяется по формуле:

,       (49)

где Ω- сумма морозоградусосуток за зимний период (Ω=2743⁰ )

S - толщина слоя грунта, эквивалентного термическому сопротивлению на поверхности, м;

λ – коэффициент теплопроводности мёрзлого слоя, Вт/(м/с);

                                          λ=1,163·К(γ_d+10W–1,1)–10W ,                              (50)

где К- коэффициент (К=1,4 для суглинков);

W -влажность грунта;

γ_d- плотность сухого грунта, кПа:

,          (51)

где ε₀ -коэффициент пористости грунта по ветви нагрузки при σ=0.

Q - теплота плавления льда, КДж/м³, определяется по формуле:

,         (52)

где L - удельная теплота плавления льда (L=335 КДж/кг);

,         (53)

где l_сн- средняя за зиму толщина снежного покрова на откосе ( 0,9 м);

λ_сн- коэффициент теплопроводности снега (0,28 вТ/мС⁰).

кПа;

КДж/м³;