Проектирование и расчет земляного полотна

λ=1,163*1,4*(1,42+10*0,37–1,1)–10*0,37=2,85 Вт/м/с;                                

м;

м;

;

По соотношению z/h=0,04 по номограмме для определения коэффициентов А и В находим коэффициенты: А=40, В=1,15.

Вывод: Местная устойчивость откосов не обеспечивается т.к. коэффициент местной устойчивости К_m <1.5, необходимо предусмотреть мероприятия по укреплению откосов.

 

 

2.5. Проектирование  и расчет дренажа

2.5.1 Общие положения

При наличии  в зоне основной площадки грунтовых  вод возникает вопрос о повышении стабильности земляного полотна, в данном курсовом проекте это решается с помощью применения дренажных устройств. При проектировании дренажа решают вопросы:

1. оценка технической  эффективности устройств дренажа;
2. выбор типа дренажа и его места расположение в плане и профиле;
3. определение глубины заложения дренажа;
4. подсчет расходов воды в дренаже;
5. гидравлический расчет дренажа;
6. разработка конструкций элементов дренажа.

2.5.2 Оценка технической эффективности дренажа

Эффективность устройства дренажа оценивается  коэффициентом водоотдачи μ и  величиной снижения его весовой влажности ΔW, определяемыми по формуле:

           (54)

                                  (55)

ΔW=                                   (56)

где   m₀ – объем пор, содержащих вытекающую в дренаж воду;

n - пористость грунта водоносного слоя под основной площадкой ;

α - доля капиллярно застрявшей воды (α =0,1);

W_М - максимальная молекулярная влагоёмкость (0,22);

- удельный вес сухого грунта;

- удельный вес воды  ( =10 кПа);

,                                             (57)

где γ_s - удельный вес грунта в естественном состоянии;

,         (58)

где ε - коэффициент пористости, определяется по ветви нагрузки компрессионной кривой грунта основания выемки по σ=P₀+P_вс=75+15=90 кПа, ε=0,837.

;

кПа;

ΔW=

;

;

.

Дренаж считается эффективным, если μ≥0,20.  В данном случае это условие не  выполняется.

Эффективность осушения для повышения несущей  способности основания оценивается допустимым давлением на основную площадку:

                                   (59)

где  с и φ – прочностные характеристики грунта;

Р_вс – нагрузка от верхнего строения пути, кПа.

Дренаж считается неэффективным, т.к. P_доп<P₀+P_вс (37,91кПа<90кПа). Не меры повышению несущей способности основания после устройства дренажа.

Принимаем односторонний  дренаж т.к. однопутная линия.

2.5.3 Глубина заложения  дренажа

Глубина заложения  дренажа определяется по формуле:

                        (60)

      где Z₁₀ - максимальная глубина промерзания грунта основания выемки (Z₁₀=2,1 м по заданию);

е - величина изменения уровня капиллярных вод; е =0,2 м;

а _кп - высота подъема капиллярной воды над кривой депрессии а _кп=1м;

f – стрела изгиба кривой депрессии:   м;

I₀ - средний уклон кривой депрессии (0,1);

h_o- расстояние от верха дренажной трубы до дна траншеи, h_o= 0,4 м;

b-расстояние от верха балластной призмы до верха дренажной траншеи, м;

в=h₆+0,6+0,2+0,15,       (61)

где h₆—толщина балласта, м;

h₆=0,35+0,15=0,5м;

в=0,5+0,6+0,2+0,15=1,45 м;

.

Определим отметку дна  дренажа:

Т= ОДД-ОВС =329,83-329,1=0,73

      Так как отметка дна дренажа выше отметки водоупорного слоя, то дренаж считается несовершенным. (Чертеж 8).

Чертеж 8 (дренаж)

 

2.5.4 Расчет расхода  воды в дренаж

При  несовершенном одностороннем дренаже возможны 2 зоны втекания: с полевой стороны из зон А и Б, и с полевой стороны дна из зоны В, полевые стороны расположены слева и справа от дренажа.

Расход воды из междренажного пространства зон  А и Б определяют из выражения:

                                           (62)

где  - коэффициент фильтрации осушаемого грунта; (5*10^-10 м/с);

I₀ - уклон кривой депрессии;

h₀  - расстояние от дна дренажа до верха трубы, h₀ =0,4м;

- бытовая толщина бытового потока, определяемая по формуле:

Н=УГВ-ОДД,                                                (63)

где УГВ - отметка уровня грунтовых вод (по заданию УГВ=331,3);

ОДД - отметка дна дренажа;

H=331,3-329,83=1,47 м

;

Расход воды из зоны  В  с полевой стороны дна дренажа определяем по формуле профессора Р.Р. Чугаева:

;                                       (64)

где  значение    определяют по графику 1.5 в источнике [2] на странице 29, в зависимости от параметров α и β:

                                        (65)

                                                                  (66)

где - толщина подстилающего водоносного пласта, определяемая по формуле:

       Т=ОДД-ОВС;                                  (67)

  - длина проекции кривой депрессии на горизонталь, определяемая по формуле:

                             (68)

 

где I₀- средний уклон кривой депрессии;

H-бытовая толщина грунтового потока, м,

Т=329,83-329,1=0,73;     

                           (69)

;

;

Расчетная толщина  подстилающего слоя определяется по формуле:

     

,                        (70)

где β₀ - определяется по таблице 7  источника [2], в зависимости от α (β₀=0,8375).

Ширину траншеи 2d назначаем в зависимости от глубины h=2,87>2,5., поэтому   2d=1 м.

Так как β>3 и Т<Т_р, следовательно принимаем β=3 и рассчитываем α по следующей формуле:

                                                         (71)

,

 

далее по графику при α=0,593 и β=3 определяем промежуточный q_ч^’=0,25 и рассчитываем q_ч по формуле:

                        (72)

 

;

 

.

Полный суммарный  расход воды в дренаж для одностороннего несовершенного дренажа определяется по формуле:

               (73)

м³/с.

2.5.5 Подбор  дренажа

При расчете  пропускной способности дренажной  трубы-дрены определяют расход на протяжении всей длины рассматриваемого дренажа, а в случае дренажной сети учитывают приток воды из других подземных водоотводов. Тогда суммарный расчетный расход воды в дренаже

                                      (74)

где Q_T - транзитный расход воды, притекающий из сопряженных дренажей,  м³/ час; Q_T=0

q_П   - полный расход воды в дренаж на единицу длины, м³/ с;

l- длина дренажа как водосбора, l=480 м;

m_т - коэффициент, учитывающий возможность постепенного загрязнения трубы, m_т=1,5.

 м³/ с;

 л/с.

Конструкция трубчатого дренажа  для отвода воды от основной площадки земляного полотна выполняется из полимерных материалов и состоит из дренажного трубопровода, наблюдательных скважин, дренажного фильтра и конструкции выпуска дренажа. Конструкция дренажной трубы показана на рисунке 8. Трубы работают в безнапорном режиме. Диаметр дренажного трубопровода определяется в зависимости от расчетного расхода воды в дренаже и его уклона. Минимальный внешний диаметр труб принимается 160мм. Для отвода воды от основной площадки коротких участков (250-300м) на нулевых местах и в неглубоких выемках допускается внешний диаметр труб уменьшать до 110мм. Длина труб принимается 10м при доставке железнодорожным транспортом и 5-6 м при доставке автомобильным транспортом. Дренажные водоприемные отверстия выполняются в верхней половине контура труб. По форме отверстия выполняются круглыми или щелевидными. Диаметр отверстия или ширина щели и их количество, а также шаг в продольном направлении должны соответствовать расчетным значениям. При этом их суммарная площадь должна быть не менее 0,5 % поверхности трубы. Обычно диаметр отверстия или ширина щели принимается 5-10мм, длина щели 30-50мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8 -Дренажная  труба

Для наблюдения за работой  дренажа, а также возможности  по прочистке в трубопроводе через 50-60 м устраивают наблюдательные скважины. Скважины располагаются также во всех местах изменения профиля и плана трассы дренажа. Скважины выполняются из таких же полимерных труб, что и трубопровод, но без дренажных отверстий.

Фасонные  детали к дренажным трубам состоят  из соединительных муфт, тройников к наблюдательным скважинам и отводов, применяемых при повороте трассы дренажа. Муфты предназначены для соединения элементов труб в трубопровод.

 

Рисунок 9 - Соединительная муфта. Тройник с наблюдательной скважиной

Вместо муфтового соединения элементов труб могут применяться трубы с раструбом или же полимерные трубы соединяются в полевых условиях в единый трубопровод с помощью сварки. Наблюдательная скважина соединяется с трубопроводом тройником (Рисунок 9).

Труба наблюдательной скважины должна иметь по всему сечению свободное отверстие входа в дренажную трубу. Длина наблюдательной скважины принимается такой, чтобы верх её из условия сохранности располагался на 0,2-0,25м ниже дневной поверхности грунта над дренажной. Наблюдательная скважина сверху закрывается крышкой.Труба и фасонные детали к ним изготавливаются из термопластов: полиэтилена низкого и высокого давления (ПНД и ПВД), непластифицированного поливинилхлорида (НПВХ) и полипропилена (ПЛ).

Диаметр дренажного трубопровода определяется в зависимости от расчетного расхода воды в конце участка дренажа:

,                                        (75)

где Q_np – предельный расход воды, пропускаемый трубой данного диаметра при заданном уклоне;

Q_P - расчетный расход притока воды к дренажу в низовом его сечении, Q_р=Q_д.

По таблице 9 источника [2] подбираем трубу. Назначаем уклон 0,005 и для трубы с внутренним диаметром 150 мм проверяем условие (75):

 

Q_np=14,8 л/с больше чем Q_д=1,165·10^-4 л/с. Скорость движения воды в трубе V=0,8 м/с.

Принимаем диаметр дренажного трубопровода 160 мм.

2.5.6 Проектирование  дренажного фильтра и отверстий  трубопровода

Вокруг дренажного трубопровода устраивается фильтр. Конструкция фильтра  проектируется из условий недопущения  вываливания и выноса мелких частиц по границам фильтра с грунтом и дренажной трубой, приводящих к засорению дренажа. В качестве материала фильтра используют щебень, гравий, а также крупно или среднезернистый песок. Допускается в качестве фильтра применять продукты очистки старого щебеночного балласта. При применении щебня или гравия в качестве дренирующего заполнителя вокруг трубы их устраивают в обойме из геотекстиля. Конструкция дренажа представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Конструкция дренажа

Подбираем размер частиц из условия предотвращения вываливания  частиц заполнителя:

Д₇₀=е/с        (76)

где е - размер принятого  отверстия ( принимаем 10 мм);

с=2,5 при круглых  отверстиях;

Д₇₀=10/2,5=4 мм,

следовательно диаметр частиц заполнителя принимаем 4 мм.

Предотвращение  выноса (суффозии) частиц заполнителя  в трубу рассчитывается по следующей  формуле:

,       (77)

где V_доп - допускаемая скорость втекания воды в отверстия дренажной трубы, м/с;

К_ф - коэффициент фильтрации дренажного заполнителя, для щебеночного заполнителя К_ф=0,66 м/с;

м/с

Выпуск дренажа  устраивают таким образом, чтобы  обеспечить достаточную скорость вытекания воды и невозможность ее замерзания и наледообразования в концевой части дренажа (рисунок 11).

Рисунок 11 - Выпуск дренажа

2.6 Противопучинные  мероприятия

В выемках, особенно на концевых участках, нередко возникают  пучинные деформации земляного полотна. В последнее время большое  распространение получили врезные подушки из непучинистых материалов и теплоизоляция грунта покрытиями из пенополистирола.