Проектирование и расчет земляного полотна - Курсовая работа

Общее напряжение so в данной точке от всех давлений определяют по формуле: (2) где sp - напряжение в теле насыпи от поездной (временной) нагрузки; 1.5.1 Определяем расчетные характеристики грунта насыпи и основания с учетом водонасыщения и подтопления При этом учитывают, 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. 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. hбермы = 12,49 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.

Земляное полотно - наиболее ответственный элемент железнодорожного пути, его несущая конструкция. От его надежности зависит техническая скорость движения поездов и разрешающая статическая нагрузка на рельсы, передаваемая от колесных пар вагонов, а через них масса поезда, 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.

Часть I. Проектирование пойменной насыпи

1.1 Исходные данные

Грунт тела насыпи - песок крупный.

Грунт основания насыпи - суглинок тяжелый.

Таблица 1.

№ п/п Виды грунтов Nгрунта W,% Характеристики

С, КП j, град gуд , т/м3 Wm, Wp, % WL, % Jp, % акп, см J0, доли Кф, м/с

1 Песок крупный 2б 10 1 39 2,64 5 - - 0,1 0,005 1*10-3

2 Суглинок тяжелый 12в 26 10 17 2,71 20 33 13 1,4 0,09 1*10-9

Примечание: В таблице 1 приняты следующие обозначения: W - природная влажность;

с - удельное сцепление грунта;

j - угол внутреннего трения грунта gуд - плотность частиц грунта;

Wm - максимальная молекулярная влагоемкость;

Wp - влажность на границе раскатывания;

WL - влажность на границе текучести;

Jp - число пластичности;

акп - высота капиллярного поднятия воды;

J0 - средний уклон кривой депрессии;

Кф - коэффициент фильтрации.

Таблица 2 Данные для построения компрессионных кривых.

№ грунта Вид грунта Ветви компрессионной кривой Значение коэффициентов пористости при давлениях, КПА

0 100 200 300 400 500 600

2б Песок крупный Нагрузки 0,600 0,535 0,495 0,467 0,452 0,448 0,447

Разгрузки 0,500 0,474 0,458 0,452 0,450 0,448 0,447

12в Суглнок 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

По данным табл. 2 строим компрессионные кривые для грунтов 2б и 12в

1.2 Проектирование основной площадки

Определение основных конструктивных элементов выемки. При проектировании поперечного профиля насыпи, прежде всего: а) определяют высоту насыпи Нн : Нн =ОБ - ОЗ (1) где ОЗ - отметка поверхности земли по оси насыпи.

ОБ - отметка профильной бровки основной площадки.

Нн = 120-100=20 м б) затем, в зависимости от количества путей, категории дороги и др. по СТНЦ определяют ширину основной площадки, назначают ее конфигурацию. (II категория, двухпутный участок, радиус кривой = 900 м., песок крупный): - ширина основной площадки = 6,6 м, - уширение основной площадки в наружную сторону для обеспечения необходимой ширины обочин при устройстве возвышения наружной рельсовой нити = 0,40 м, - габаритное уширение = 0,19 м

В = 6,6 4,1 0,40 0,19=11,29 м

1.3 Определение нагрузки в теле насыпи

Силами, вызывающими напряженное состояние грунтов, являются: · нагрузка от подвижного состава (Рп);

· вес верхнего строения пути (Рвс);

Нагрузка от подвижного состава принимается в зависимости от скорости движения, типа вагонов, осевых нагрузок вагонов и типа верхнего строения пути, Рп = 58 КПА.

Внешние нагрузки от веса верхнего строения пути принимаются в зависимости от типа верхнего строения пути, Рвс = 16 КПА.

1.4 Определение требуемой плотности грунтов в теле насыпи

Общее напряжение so в данной точке от всех давлений определяют по формуле:

(2) где sp - напряжение в теле насыпи от поездной (временной) нагрузки;

?вс - напряжение в теле насыпи от веса верхнего строения пути;

?? - напряжение в теле насыпи от веса столба грунта под рассматриваемым сечением;

По компрессионной кривой определяются значения

Расчетное значение коэффициента пористости грунта определяется для грунта тела насыпи по формуле: (3) где К - коэффициент многократности приложения нагрузки, К (т.0) = 1,6; К (т.1) = 1,4; К (т.2, 3, 4, 5) = 1,25.

Далее определяется требуемая плотность грунта: (4)

Объемный вес грунта находится по формуле: (5) где W - природная влажность.

Затем находятся значения нормальных напряжений: (6)

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 (табл.3).

По полученным величинам и строим графики.

Далее определяем среднее значение величин и .

Таблица 3. Определение напряжений в теле насыпи и требуемой плотности грунта

№ точки Подсчет напряжений от подвижного состава и веса верхнего строения пути Напряжения от веса грунта Суммарные напряжения Требуемая плотность и объемный вес грунта грунта

Нагр. Zi, м bi, м yi, м zi/bi yi/bi Ji, доли Pi, т/м2 ?i, т/м2 hi, м ?0i, т/м3 ??i, т/м2 ?pi, т/м2 ?аі, т/м2 ?0i, т/м2 ?ані еаі е0i ?0i ? ск, т/м3 ? 0i, т/м3

По компр-нной кривой

0 Рп-1 0 3,51 0 0 0 1 58 58 0 18,83 0 58 16 74 0,585 0,09 0,063 0,542 17,121 18,83

Рп-2 3,51 4,19 0 1,19 0 58 0

Рвс 10,00 2,1 0 0,21 1 16 16

1 Рп-1 5 3,51 0 1,42 0 0,42 58 24,4 5 18,85 94,25 107,21 141,51 0,532 0,06 0,05 0,518 17,391 19,13

Рп-2 3,51 4,19 1,42 1,19 0,17 58 9,9

Рвс 10,00 2,1 0,5 0,21 0,81 16 12,96

19,13 95,65 34,3 108,61 142,91

2 Рп-1 10 3,51 0 2,85 0 0,3 58 17,4 5 19,15 191,5 26,7 200,14 226,84 0,495 0,037 0,031 0,488 17,741 19,516

Рп-2 3,51 4,19 2,85 1,19 0,16 58 9,28

Рвс 10,00 2,1 1 0,21 0,54 16 8,64

19,516 195,16 26,7 203,8 230,5

3 Рп-1 15 3,51 0 4,27 0 0,14 58 8,12 5 19,536 293,04 15,08 300,99 316,07 0,467 0,015 0,013 0,464 18,026 19,829

Рп-2 3,51 4,19 4,27 1,19 0,12 58 6,96

Рвс 10,00 2,1 1,5 0,21 0,497 16 7,95

19,829 297,438 15,08 305,388 320,468

4 Рп-1 20 3,51 0 5,7 0 0,13 58 7,54 5 19,849 396,98 13,94 401,94 415,88 0,452 0,002 0,002 0,452 18,181 19,999

Рп-2 3,51 4,19 5,7 1,19 0,11 58 6,4

Рвс 10,00 2,1 2 0,21 0,31 16 4,96

19,999 399,98 13,94 404,94 318,88

0,493 19,4608

1.5 Проектирование поперечного профиля насыпи на основе расчета ее устойчивости

Ширина земляного полотна поверху новых железных дорог на прямых участках пути принимается, для второй категории дороги при крупных песках, равна 6,6 м.

В кривых участках пути ширину земляного полотна необходимо увеличивать с наружной стороны кривой на величину в зависимости от радиуса, при R = 900 м, уширение основной площадки = 0,40.

Крутизна и форма откосов насыпей зависят от их высоты и свойств грунтов. При крупных песках как в верхней части до 6 м так и в нижней части от 6 до 12 м крутизна откосов 1:1,5. Подтопляемый откос берм должен быть запроектирован 1:2.

Назначаем ширину берм 5 м.

Запроектированный поперечный профиль насыпи проверяется расчетом на устойчивость.

Расчет устойчивости откосов целесообразно выполнять в табличной форме (табл.4).

Таблица 4 Расчет устойчивости откоса насыпи

№ отсека xi, м. Sin?i = xi/R i Cos?i i,м2 Qi = i*i*1м ,т ? Qi = Q" Q" Q""", т Ni = ?Qi*cos?i ,т Ti = ?Qi*sin?i ,т fi = tg?i Ni?fi, т Ci, т/м2 li, м Ci?li, т D0 К i i i Qi Qi Qi

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

1 48,07 0,76567 49,967 0,6432 4,343 - - 84,524 - - 84,524 54,37 64,72 0,809 43,98 1 4,2 4,2 12,3 1,18

2 45,65 0,72705 46,639 0,6866 9,367 - - 182,295 - - 182,295 125,16 132,54 0,809 101,25 1 3,1 3,1

3 42,07 0,67011 42,076 0,7423 30,469 - - 592,969 - - 592,968 440,16 397,35 0,809 356,09 1 6,7 6,7

4 37,57 0,59842 36,757 0,8012 21,549 5,863 - 419,376 55,468 - 474,843 380,44 284,16 0,607 230,93 0,5 5,03 2,5

5 34,25 0,54553 33,061 0,8381 8,782 10,027 - 170,916 94,859 - 265,775 222,75 144,99 0,607 135,21 0,5 3,2 1,6

6 30,43 0,48465 28,989 0,8747 12,449 30,066 - 242,277 284,432 - 526,709 460,71 255,27 0,607 279,65 0,5 5,7 2,85

7 25,43 0,40500 23,891 0,9143 5,770 42,409 - 112,288 401,196 - 513,484 469,48 207,96 0,607 284,97 0,5 5,5 2,75

8 20,43 0,32537 18,988 0,9456 - 45,638 - - 431,735 - 431,735 408,25 140,47 0,607 247,81 0,5 5,3 2,65

9 15,43 0,24574 14,226 0,9693 - 40,643 0,011 - 384,487 0,105 384,592 372,79 94,51 0,306 114,07 5 5,2 26

10 10,43 0,16610 9,561 0,9861 - 31,905 1,489 - 301,826 14,698 316,524 312,12 52,57 0,306 95,51 5 5,1 25,5

11 5,43 0,0865 4,962 0,9963 - 21,191 2,897 - 200,469 28,592 229,061 228,21 19,81 0,306 69,83 5 5,02 25,1

12 1,46 0,02332 1,336 0,9997 - 7,438 1,604 - 70,369 15,833 86,202 86,18 2,01 0,306 26,37 5 2,9 14,5

13 2,23 0,0355 2,034 0,9994 - 4,261 1,056 - 40,314 10,419 50,733 50,7 1,8 0,306 15,50 5 4,5 22,5

? 239,44 7,05 Туд = 1,8 2001,17 139,95

Тсдвиг = 1796,4

1.5.1 Определяем расчетные характеристики грунта насыпи и основания с учетом водонасыщения и подтопления

Определяют расчетные характеристики грунтов насыпи с учетом водонасыщения их в зоне подтопления. При этом учитывают, 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.

(7) где и - данные угла внутреннего трения грунта и сцепления грунта для тела насыпи из песка средней крупности, соответственно равны 39 и 1 т/м2. б) характеристики грунта тела насыпи в зоне гравитационных вод (слой 2).

(8)

(9)

(10)

в) характеристики грунта основания насыпи (слой 3) берем из исходных данных с учетом водонасыщения в зоне затопления.

(11)

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. hбермы = 12,49 м

= go-ср ? hбермы (12)

= 19,4608?12,49 = 243,07 КПА находим e??? по компрессионной кривой (ветвь нагрузки)

(13)

(14)

1.5.2 Определяем высоту столбика грунта заменяющего вес верхнего строения пути ( РВС ) и поездную нагрузку ( РО )

(15)

1.5.3 Определение коэффициента устойчивости откоса насыпи

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 соединяют точки А и Б прямой АБ и из середины отрезка середины отрезка восстанавливаем перпендикуляр, являющийся линией центра кривой обрушения. Затем проводят вспомогательную прямую под углом 36о к поверхности фиктивного столбика грунта. Точка О является точкой центра кривой обрушения. Из этого центра проводят дугу АБ радиусом R.

Полученный блок разбивают на отсеки шириной 5 м. В каждом отсеке определяют 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: (16)

Коэффициент устойчивости 1< К < 1,5 следовательно, насыпь находится в зоне предельного равновесия. Расчеты проводятся в табличной форме (табл.4).

Сопротивление грунта сдвигу оценивается коэффициентом устойчивости насыпи при динамическом состоянии грунта Кдин: Кдин = (17) где - коэффициент динамики, принимаемый 1,07;

- коэффициент ответственности сооружения, для линии I категории = 1,20;

- коэффициент сочетания нагрузок в обычных условиях = 0,95;

- коэффициент условий работы = 0,95.

Так , то поперечный профиль корректируется в зависимости от величины :

, то крутизна откосов выше берм принимается на 0,25 положе нормативной крутизны.

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.

В данном курсовом проекте принимаем укрепление из железобетонных плит размером: 1,0Ч1,0 м, толщина плиты = 10-20 см, допускаемая скорость течения воды = 6 м/с, допускаемая высота волны = 0,8-1,5 м (по заданию высота волны = 0,77 м), объем одной плиты = 0,15-0,30 м3.

Толщина плит по условию устойчивости определяется по формуле: (18) где В - длина ребра плиты в направлении нормальном урезу воды В = 0,75;

- объемный вес плиты, = 2,4 т/м3;

- объемный вес воды, = 1 т/м3;

h - высота расчетной волны, h = 0,86 м;

- длина расчетной волны, = 9,8 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: (19)

= 2 0,01 = 0,02 м где в - ширина открытого шва сборных плит, в = 1 см.

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 .

(20) где и - поперечный разрез частиц фильтра и грунта, - для песка 0,004;

- параметр, принимается в зависимости от высоты волны и от заложения откоса бермы, = 0,1664;

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.

Расчетный вес камней верхнего слоя наброски определяется по формуле: (21) где gk - объемный вес камня, gk = 2,6 т/м3;

кк - 1,5 для сортированных камней;

m - коэффициент, учитывающий форму камня, m = 0,025;

h - высота расчетной волны h = 0,86 м;

? - длина расчетной волны ? = 9,8 м.

Расчетный размер камня верхнего слоя определяется по формуле:

dp-1=1,2408? (22) dp-1 =1,2408?

Расчетный размер камня в нижнем слое определяется по формуле: dp-2 = 0,37? dp-1 (23) d р-2 =0,37?0,143 = 0,05291 м

Толщина каждого слоя каменной наброски ti определяется по формуле: t =а? dm-i, (24) где а - коэффициент, принимаемый равным 2. для первого слоя t1= 2?0,143 = 0,286 м для второго слоя t2= 2?0,05291 = 0,106 м общая толщина наброски: t = t1 t2 = 0,286 0,106 = 0,39 м

Наброска укладывается на слой обратного фильтра.

Определяем толщину обратного фильтра: = 0,1664

DФ = dp-2 /5 = 0,05291/5 = 0,01058 м;

1.6.3 Определение отметки бермы

Бермы на пойменной насыпи предназначены для защиты ее от разрушения водой, а также для усиления общей устойчивости. Отметка верхней границы укрепления откоса (отметка бермы) определяется по формуле: ОБ= ГВВ Ннак, (25) где ГВВ - отметка горизонта высоких вод, ГВВ = 110,0 м;

Ннак - величина превышения отметки горизонта высоких вод, Ннак=hподп DH hнак а, (26) где hподп - высота подпора за счет сужения русла мостом, hподп = 0,43 м;

DH - высота ветрового нагона, DH = 0,1 м;

а = 0,5 м

Ннак= 0,48 0,1 1,46 0,5 = 2,49 м

Высота наката воды на откос определяется по формуле: hнак = (27) где КШ - коэффициент шероховатости и проницаемости, КШ = 0,9;

m - заложение откоса, m = 2;

kb = (28) где угол между направлением волны и линией уреза, = 30

kb= = 0,84

Определяем высоту наката волны на откос: hнак =

Отметка верхней границы укрепления откоса

ОБ = 110,0 2,49 = 112,49 м.

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. При этом не учитывается уклон поверхности земли, т.е. основание насыпи считается расположенным горизонтально.

Определяем суммарные вертикальные напряжения, действующие по основанию насыпи в точках 0,1,2,3,4 и 5

Расчеты ведем в табличной форме (табл.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 (табл.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.

Для определения осадки Sg слоев грунта, расположенных ниже точки 3, строим график относительных осадок, экстраполируем его до пересечения с осью Z. Величина осадки этих слоев равна площади заштрихованной части графика.

Дополнительная осадка определяется по формуле

Sg = 0,5 (29) где hi - величина относительной осадки в i-той точке.

Sg = 0,5

Полная осадка по оси насыпи определяется по формуле: S = ADHI Sg (30) где - осадка i - го слоя грунта толщиной hi. Определяется по формуле: (31)

S = 0,850964 0,851 = 1,702

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.

(32) где - доля реализации полной осадки основания в процессе строительства

(33)

Строительная доля осадки компенсируется дополнительным объемом грунта, м3/100м и определяется по формуле: (34)

Эксплуатационная доля осадки компенсируется подъемками пути на балласт, дополнительный объем которого определяется по формуле: (35)

где В - нормативная ширина основной площадки;

ввс - средняя ширина балластной призмы;

у - расстояние от подошвы откоса до оси насыпи;

- уширение основной площадки для размещения балластной призмы увеличенной толщины, которая определяется по формуле: (36) где - заложение откоса балластной призмы, =1,5.

Таблица 5. Подсчет напряжений по основанию насыпи

№ точек Напряжения от подвижного состава и веса всп0 напряжения от веса грунта ? напряжения

Нагрузки zi, м bi, м Yi, м zi/bi yi/bi Ji,доли Pi, т/м2 ?i, т/м2 hi, м ??0ср, т/м3 ??-i, т/м2 ?0-i

0 Рпр 20 3,51 2,145 5,70 0,61 0,106 58,00 17,3 20,0 19,461 389,216 406,472

Рпр 3,51 2,145 5,70 0,61 0,106 58,00

Рвс 10,00 0 2,00 0,00 0,310 16,00

1 Рпр 20 3,51 3,5 5,70 1,00 0,106 58,00 16,6 20,0 19,461 389,216 405,832

Рпр 3,51 3,5 5,70 1,00 0,106 58,00

Рвс 10,00 5,645 2,00 0,56 0,270 16,00

2 Рпр 20 3,51 12,501 5,70 3,56 0,000 58,00 2,2 15,7 19,461 305,535 307,711

Рпр 3,51 12,501 5,70 3,56 0,000 58,00

Рвс 10,00 14,646 2,00 1,46 0,136 16,00

3 Рпр 20 3,51 15,142 5,70 4,31 0,000 58,00 1,7 14,2 19,461 276,343 278,055

Рпр 3,51 15,142 5,70 4,31 0,000 58,00

Рвс 10,00 17,287 2,00 1,73 0,107 16,00

4 Рпр 20 3,51 20,142 5,70 5,74 0,000 58,00 0,0 13,9 19,461 270,505 270,505

Рпр 3,51 20,142 5,70 5,74 0,000 58,00

Рвс 10,00 22,289 2,00 2,23 0,000 16,00

5 Рпр 20 3,51 48,132 5,70 13,71 0,000 58,00 0,0 0,0 19,461 0 0

Рпр 3,51 48,132 5,70 13,71 0,000 58,00

Рвс 10,00 50,277 2,00 5,03 0,000 16,00

Таблица 6. Подсчет напряжений в основании насыпи и осадки основания.

№ точек Подсчет напряжений в основании насыпи элементарных фигур эпюры загрузки основания Подсчет напряжений от собств-го веса грунта 0-i т/м2 Подсчет осадки

№ zi, yi, bi, zi /bi, yi/bi, Ji , Pi, i i, ПР-i, т/м3 hi, м -i, т/м2 ?пр-i ?0-i ?i ?hi

Фигур м м м доли т/м2 т/м2

0 0 - - - - - - 406,472 18,24 0 0 406,472 0,872 0,685 0,099 0

1 1 2 1,88 5,65 0,35 0,33 0,246114 1,30 0,320 18,26 2 36,52 439,083 0,845 0,676 0,0916 0,190599

2 2 1,88 5,65 0,35 0,33 0,246114 1,30 0,319948

3 2 8,65 9 0,22 0,96 0,005041 98,14 0,494724

4 2 0 11,29 0,18 0,00 0,999712 98,14 98,11174

5 2 8,65 9 0,22 0,96 0,005041 98,14 0,494724

6 2 15,53 2,64 0,76 5,88 0 28,86 0

7 2 0 29,29 0,07 0,00 0,999888 28,86 28,85677

8 2 15,53 2,64 0,76 5,88 0 28,86 0

9 2 18,95 5 0,40 3,79 0,000188 8,38 0,001575

10 2 0 34,58 0,06 0,00 0,999904 8,38 8,379196

11 2 18,95 5 0,40 3,79 0,000188 8,38 0,001575

12 2 31,59 27,99 0,07 1,13 0,000868 270,51 0,234803

13 2 0 44,58 0,04 0,00 0,999936 270,51 270,4927

14 2 31,59 27,99 0,07 1,13 0,000868 270,51 0,234803

сумма 402,563

2 1 5 1,88 5,65 0,88 0,33 0,277169 1,30 0,360 18,28 3 54,84 449,709 0,833 0,675 0,086197 0,266695

2 5 1,88 5,65 0,88 0,33 0,277169 1,30 0,360

3 5 8,65 9 0,56 0,96 0,041356 98,14 4,059

4 5 0 11,29 0,44 0,00 0,8436 98,14 82,791

5 5 8,65 9 0,56 0,96 0,041356 98,14 4,059

6 5 15,53 2,64 1,89 5,88 0 28,86 0,000

7 5 0 29,29 0,17 0,00 0,9728 28,86 28,075

8 5 15,53 2,64 1,89 5,88 0 28,86 0,000

9 5 18,95 5 1,00 3,79 0,000974 8,38 0,008

10 5 0 34,58 0,14 0,00 0,9776 8,38 8,192

11 5 18,95 5 1,00 3,79 0,000974 8,38 0,008

12 5 31,59 27,99 0,18 1,13 0,002232 270,51 0,604

13 5 0 44,58 0,11 0,00 0,9824 270,51 265,749

14 5 31,59 27,99 0,18 1,13 0,002232 270,51 0,604

сумма 394,869

3 1 10 1,88 5,65 1,77 0,33 0,167175 1,30 0,217 18,3 5 91,5 460,060 0,81 0,681 0,071271 0,393671

2 10 1,88 5,65 1,77 0,33 0,167175 1,30 0,217

3 10 8,65 9 1,11 0,96 0,0252 98,14 2,473

4 10 0 11,29 0,89 0,00 0,277258 98,14 27,210

5 10 8,65 9 1,11 0,96 0,0252 98,14 2,473

6 10 15,53 2,64 3,79 5,88 0 28,86 0,000

7 10 0 29,29 0,34 0,00 0,7696 28,86 22,211

8 10 15,53 2,64 3,79 5,88 0 28,86 0,000

9 10 18,95 5 2,00 3,79 0,007744 8,38 0,065

10 10 0 34,58 0,29 0,00 0,7976 8,38 6,684

11 10 18,95 5 2,00 3,79 0,007744 8,38 0,065

12 10 31,59 27,99 0,36 1,13 0,011635 270,51 3,147

13 10 0 44,58 0,22 0,00 0,9648 270,51 260,988

14 10 31,59 27,99 0,36 1,13 0,011635 270,51 3,147

сумма 368,560 0,850964

Часть II. Проектирование выемки и расчет ее на устойчивость

2.1 Определение основных конструктивных элементов выемки

При проектировании поперечного профиля выемки, прежде всего: а) определяют глубину выемки НВ : НВ =ОЗ - ОВ hсл.пр hпесч.под (37) где ОЗ - отметка поверхности земли по оси выемки.

ОВ - отметка профильной бровки. hсл.пр - высота сливной призмы hпесч.под - толщина песчаной подушки

НВ = 207,8- 193,6 0,2 0,7 =15,1 м б) затем, в зависимости от количества путей, категории дороги и др. по СТНЦ определяют ширину основной площадки, назначают ее конфигурацию. (I категория, двухпутный участок, радиус кривой = 2600 м., супесь легкая): - ширина основной площадки = 7,6 м, - уширение основной площадки в наружную сторону для обеспечения необходимой ширины обочин при устройстве возвышения наружной рельсовой нити = 0,2 м, - габаритное уширение = 0,02 м

В = 7,6 0,2 4,1 0,02 = 11,92 м в) от основной площадки по обе стороны проектируют кюветы с типовыми размерами: шириной по дну - 0,4 м и глубиной - 0,6 м. Откосы кюветов назначают 1:1,5 г) крутизну откоса выемки назначают в соответствии с указаниями СТНЦ. После расчета общей устойчивости откоса выемки принимают окончательное решение относительно крутизны откосов;

д) после этого проектируют с нагорной стороны выемки банкетный вал, забанкетную канаву, кавальер и нагорную канаву в соответствии с указаниями СТНЦ. С низовой стороны предусматривают второй кавальер, водоотводную канаву (при поперечном уклоне местности менее 0,04).

Назначают границы полосы отвода земли под железную дорогу не ближе 2,0 м от границы земляных и водоотводных устройств.

2.2 Проектирование нагорной канавы

2.2.1 Основные положения

При проектировании канав необходимо выполнять следующие требования: - Канавы должны пропускать весь расчетный расход воды без переполнения.

- 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.

В результате расчета определяется: а) площадь поперечного сечения, достаточная для пропуска расчетного расхода воды;

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

2.2.2 Проектирование плана и продольного профиля

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 ? = 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)

2.2.3 Проектирование поперечного сечения

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 и принимается 1 м. Крутизна откосов назначается в зависимости от рода грунта, в супесях - 1:1,5.

Расчет начинают с низового участка, способом гидравлически наивыгоднейшего сечения. Затем, сохраняя ширину канавы по дну неизменной, переходят к расчету верховых участков способом подбора основных параметров, проверяя скорость.

Если условие не выполняется, то меняют размеры дна канавы, т.е. окончательное сечение канавы на всех последующих участках определяется варьированием размеров.

2.2.4 Гидравлический расчет

Длина канавы - 210 м;

Q1 = 3,5 м3/сек - расход воды на низовом участке

Q 2 =2,0 м3/сек - расход воды на верховом участке грунт - супеси легкие;

крутизна откосов 1 : m = 1: 1,5;

i 1= 0,0026 - уклон местности на низовом участке. i 2= 0,0011 - уклон местности на верховом участке.

Разобьем канаву по длине на два участка по 175 м. На низовом участке принимаем укрепление русла каменной наброской, при этом n = 1/45= 0,0222

Находим площадь живого сечения русла канавы

(38)

(39)

(40)

(41)

Определяем глубину живого сечения русла канавы

(42)

Ширина канавы по дну

(43)

Полная глубина канавы

(45)

Находим смоченный периметр канавы

(46)

Определяем гидравлический радиус канавы насыпь грунт поездной нагрузка

(47)

Находим значение коэффициента Павловского

(48)

Определяем скорость течения воды в канаве по формуле Шези

(49)

условия выполняются

Расчетный расход воды в канаве

(50)

Проверка

(51)

Условие выполнено. Пропуск заданного расхода обеспечен.

За счет изменения уклона измениться глубина воды в низовом сечении при постоянной ширине по дну = 1,1 м.

(52)

(53)

, у = 0,273

(54)

условия выполняются

Проверка

Пропуск заданного расхода обеспечен.

Затем находим величину сопряжения ширины верховой и низовой канавы:

2.3 Расчет устойчивости откосов выемки

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

При определении возможности сплыва откосов необходимо определить коэффициент местной устойчивости по формуле: (55) где ? - объемный вес грунта, КН/м3 ?b - объемный вес воды (10 КН/м3 ) n - заложение откоса выемки (1,5 ) ?р - расчетное значение угла внутреннего трения (220 )

Ср - расчетное значение удельного сцепления оттаивающего грунта (0КПА )

А и В - коэффициенты определяемые по номограмме в зависимости от отношения z/h, z - расчетная глубина сезонного промерзания, м h - высота откоса, в пределах которой возможен сплыв грунта, м

(56)

Г3 - отметка земли

Ггр - отметка границы разнородных грунтов

Н - глубина выемки n - заложение откоса выемки т - заложение поперечного уклона местности

L - расстояние (L =4,2 м. т.к. есть закюветная полка 2 м.)

В - ширина основной площадки земляного полотна

?b - уширение основной площадки земляного полотна

Объемный вес грунта в верхней части откоса определяется как среднее значение ?0 и ?1 (точки 0 и 1): (57)

В точке 0 ??-0 = 0 . По ветви нагрузки компрессионной кривой грунта первого слоя находим ?0 при ??-0 = 0 и определяем: (58) ?0 =0,796

Ps- плотность частиц грунта (Ps=26,9 КПА )

W - природная влажность

В точке 1 ?1/ = ?0 0,05h = 18,99 0,05·8,89=19,43 КН/м3 (59)

Находим: (60)

По ветви нагрузки компрессионной кривой находим ?1 при ??-1 = 170,78 (?1 =0,647) и определяем:

Сплывы откосов выемок происходят при оттаивании мерзлого слоя грунта. При этом резко снижаются прочностные его свойства. Сплыв обычно происходит постепенно по мере приближения плоскости оттаивания к границе максимального сезонного промерзания грунта, глубина которой z определяется:

(61) где ?- сумма морозоградусосуток за зимний период (?=26590 ) ? - коэффициент теплопроводности мерзлого слоя ?=1,163·К(Pd 10W-1,1)-10W (62)

К- коэффициент (К=1,5 для супеси )

Pd- плотность сухого грунта, т/м3

?=1,163·1,5(1,532 10·0,24-1,1)-10·0,24=2,54 Вт/(м/с) (63)

-теплота плавления льда

Q=1000· L· Pd· W=1000·335·1,532·0,24=123172,8 КДЖ/м3 (64)

L- удельная теплота плавления льда (335 КДЖ/м3 )

S- толщина слоя грунта, м

(65) lсн- средняя за зиму толщина снежного покрова на откосе ( 0,73 м ) ?сн- коэффициент теплопроводности снега ( 0,28 ВТ/МС0 )

z/h=0,67/8,89=0,075

По номограмме определяем коэффициенты А и В: А=35

В=1,07

Так как Км=0,41<1,5 , то местная устойчивость откосов выемки недостаточна.

Нужно уположить откосы выемки, или укрепить откосы крупнообломочной обсыпкой щебнем или гравием, посадкой кустарников.

2.4 Проектирование и расчет дренажа

2.4.1 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: оценка технической эффективности устройств дренажа;

выбор типа дренажа и его места расположение в плане и профиле;

определение глубины заложения дренажа;

подсчет расходов воды в дренаже;

гидравлический расчет дренажа;

определение числа смотровых колодцев;

разработка конструкций элементов дренажа.

2.4.2 Оценка технической эффективности дренажа

Эффективность устройства дренажа оценивается коэффициентом водоотдачи ? и величиной снижения его весовой влажности ?W, определяемыми по формуле: (66)

?W= (67) где Мо - активная пористость грунта или водоотвода;

n - пористость грунта водоносного слоя под основной площадкой ;

? - доля от WM капиллярно застрявшей воды (? =0,1);

WM - максимальная молекулярная влагоемкость (0,13);

?У - удельный вес сухого грунта (по исходным данным) ;

?В - удельный вес воды (?В =10 кн/м3) ;

(68)

Коэффициент пористости ? определяется по ветви нагрузки компрессионной кривой для грунта выемки при ?=Ро-Рвс. ? =80 17= 97 КПА ;

e = 0,682; ;

?W=

(69)

(70)

Дренаж считается эффективным, если ? ?0,20. В данном курсовом проекте это условие выполняется, следовательно, можно применять дренаж в качестве понизителя уровня грунтовых вод.

Эффективность осушения для повышения несущей способности основания оценивается допустимым давлением на основную площадку: (71) где с и ? - прочностные характеристики грунта;

Рвс - нагрузка от верхнего строения пути, КПА.

Дренаж считается не эффективным, так как Рдоп <Ро Рвс

58 <97

19,1<97

2.4.3 Выбор типа дренажа

В выемках значительного протяжения для перехвата или понижения уровня грунтовых вод под основной площадкой обычно применяют горизонтальные дренажи траншейного типа. При длине дренажа более 50м по дну укладывают трубы, при глубине дренажа более 1,0ч1,65м его делают закрытым.

2.4.4 Проектирование трассы и продольного профиля дренажа

Трасса дренажа проектируется по конкретным данным геологического и гидрологического обследований.

При проектировании продольного профиля учитывают: 1 - продольный профиль дна дренажа должен быть равен уклону дна кювета в выемке;

2 - оптимальным продольным уклоном считается уклон 5-7‰;

3 - дренажи большого протяжения проектируются с однообразным продольным уклоном или с постепенным его возрастанием в низовой части;

4 - концы входящие и выходящие труб в смотровом колодце размещаются в разных уровнях с перепадом не менее 10 см

Тип дренажа по расположению его дна относительно водоупора может быть совершенным и несовершенным.

Продольный профиль дренажа проектируют в зависимости от местных условий.

2.4.5 Глубина заложения дренажа

Глубина заложения дренажа определяется по формуле:

(72) где Z10 - максимальная глубина промерзания грунта основания выемки. Z10=1,9м е - величина изменения уровня капиллярных вод; е =0,2 м;

а кп - высота подъема капиллярной воды над кривой депрессии а кп=0,6м;

f-стрела изгиба кривой депрессии: для одностороннего дренажа f = 0,5( В 1)Io= 0,5(11,92 1) ·0,04=0,2584м; где В- ширина основной площади выемки, м;

I0- средний уклон кривой депрессии ;

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

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

в=h6 0,6;

h6-суммарная толщина балласта, м; h6=hщ 0,15=0,40 0,15=0,55;

hщ - толщина однослойной балластной призмы.

Отметка дна дренажа равна 193,6-0,6-2,21=190,79 м. Т. к. это выше водоупорного слоя (189,6 м) то глубину дренажа принимаем равной h = 2,21 м

Не совершенный дренаж

2.4.6 Расчет расхода воды в дренаж

При не совершенном дренаже возможны 4 зоны втекания: с полевой стороны из зон А и Б, с полевой стороны дна из зоны В, с междренажной стороны дна Г и с междренажного пространства зон Д и Е.

Расход воды из междренажного пространства зон А и Б определяют из выражения: (73) где

- коэффициент фильтрации осушаемого грунта; (0,5 м/с);

- бытовая толщина бытового потока.

Н=ГВВ-ОДД, (74) где ГВВ- отметка горизонта высоких вод, ОДД- отметка дна дренажа;

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

H=192,6-190,79=1,81м,

Ширину траншеи 2d назначают в зависимости от глубины h: d=0,4

Расход воды из зоны В с полевой стороны дна дренажа определяется;

(75) где I0- средний уклон кривой в депрессии;

Kj-коэффициент фильтрации (м/сутки)- , для супеси тяжелой;

Kj =0,5 м/сутки, H-бытовая толщина грунтового потока, м, Расход воды для дренажа рассчитывают по формуле Чугаева: (76) где значение определяют по графику в зависимости от параметра;

, (77)

Т=ОДД-ОВ=190,79-189,6=1,19 м (78) где

- толщина подстилающего водоносного пласта;

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

;

;

Так как , Т<Тр то сначала надо определить некоторое промежуточное значение , приняв и определив по формуле

(79) qч1 = 0,22

Считаем коэффициент qч м3/с.

Расход воды из зоны Г определяют из выражения;

. м3/с. (80) м3/с.

Расход воды из междренажного пространства зон Д и Е определяют из выражения: . (81) м3/с.

Полный суммарный расход воды в дренаж: (82)

2.4.7 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

(83) где QT - транзитный расход воды, притекающий из сопряженных дренажей, м3/ час; QT=0 QП - полный расход воды в дренаж на единицу длины, м3/ час;

l- длина дренажа как водосбора, м l=250 м;

ТТ - коэффициент, учитывающий возможность постепенного загрязнения трубы, ТТ=1.5.

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. 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 5-6м 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.

Для наблюдения за работой дренажа , а также возможности по прочистке в трубопроводе через 50-60м 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. 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. Труба наблюдательной скважины должна иметь по всему сечению свободное отверстие входа в дренажную трубу. Длина наблюдательной скважины принимается такой, чтобы верх ее из условия сохранности располагался на 0,2-0,25м ниже дневной поверхности грунта над дренажной. Наблюдательная скважина сверху закрывается крышкой. На рис. показан пример конструкций фасонных деталей.

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: (84) где Qnp - предельный расход воды, пропускаемый трубой данного диаметра при заданном уклоне;

QP- расчетный расход притока воды к дренажу в низовом его сечении. Qp = Qд.

(85) где WT- площадь трубы;

V - скорость движения воды .

Труба из ПНД, d=150мм, толщина стенки 3,9 мм., внутренний диаметр

150 мм, уклон трубы 0,005,

м м/с

2.4.8 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

1. Методические указания к курсовому проектированию “Проектирование и расчет пойменной насыпи”, О.В. Григорьева, Иркутск 2003 г.

2. Методические указания к курсовому проектированию “Проектирование и расчет предпортальной выемки ”, О.В. Григорьева, Иркутск 2006 г.

3. Справочник по земляному полотну эксплуатируемых железных дорог. М: Транспорт, 1978.-766с.

4. Железнодорожный путь. /Под ред. проф. Т.Г. Яковлевой. М.: Транспорт, 1990.-405с.

5. Грицык В.А. Расчеты земляного полотна железных дорог. М.: УМК МПС, 1998.-520 с.

Размещено на .ru