Практическая задача № 5

«Проектирование мероприятий по обеспечению прочности основной площадки и защите земляного полотна от морозного пучения грунтов»

1. Условие задачи и состав исходных данных

1. Район проектирования – г. Вилюйск.

2. Геологическое строение основания:

Глубина подошвы слоя от поверхности земли, м	Наименование грунта, его характеристика
0,0 – 0,51	Торф слаборазложившийся плотность в талом состоянии, ρ = 1,25 г/см3 суммарная влажность мерзлого грунта, Wtot = 340 %
0,51 – 1,86	Суглинок с числом пластичности, Ip = 16 плотность в талом состоянии, ρ = 1,79 г/см3 суммарная влажность мерзлого грунта, Wtot = 35 % влажность на границе раскатывания, WP = 21 %
Вскрыт скважиной глубиной до 10 м.	Супесь с числом пластичности, Ip = 5 плотность в талом состоянии, ρ = 1,87 г/см3 суммарная влажность мерзлого грунта, Wtot = 17,3 % влажность на границе раскатывания, WP = 15,2 %

3. Дорога проходит по склону южной экспозиции. Крутизна склона 1:10.

4. Глубина выемки – 5 м.

5. Железная дорога I категории по СП 119.13330.2017 «Железные дороги колеи 1520 мм».

6. Количество путей - 2.

7. Величина замены грунта основания 1,55 м.

5. Модуль деформации песка средней крупности – 50 МПа.

2. Решение

   1. Определение толщины слоя дренирующих грунтов из условия обеспечения несущей способности подстилающих грунтов.

В конструкции выемки предусматривается устройство верхнего защитного слоя из щебеночно-песчано-гравийной смеси (ЩПГС) и ниже слой песка средней крупности. Под подошвой слоя песка средней крупности будет залегать грунт выемки, представленный супесью. Таким образом, требуется проверить обеспечивается ли несущая способность супеси в оттаявшем состоянии в конструкции земляного полотна.

Учитывая исходные данные найдем показатель текучести супеси в оттаявшем состоянии :

В соответствии с ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация» супеси при оттаивании приобретают пластичную консистенцию.

Установим расчетную нагрузку на основную площадку земляного полотна. В соответствии с п.1.2 СП 238.1326000.2015 земляное полотно вновь строящихся железных дорог должно проектироваться под нагрузку на ось грузового вагона 30 тс и скорости движения до 120 км/ч. Конструкция верхнего строения пути назначается в соответствии с таблицей 6.1 СП 119.13330.2017:

• Рельсы Р65 новые термоупрочненные

• Шпалы железобетонные

• Балласт однослойный, щебень I категории

• Толщина щебеночного балласта под шпалой – 40 см

• Ширина плеча балластной призмы – 45 см, крутизна откосов – 1:1,5

Расчетная схема передачи нагрузок на основную площадку земляного полотна приведена на рис. 1, а значения параметров в таблице 1.

Рис. 1 Схема внешних нагрузок на основную площадку земляного полотна

(e – ширина междупутья)

Т а б л и ц а 5.1 - Характеристики для определения внешних нагрузок на основную площадку земляного полотна

, кПа	, м	, м
17	9,01	2,70

При данных условиях величину давления на основную площадку земляного полотна при конструкции верхнего строения пути можно определить по известной «Методике оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности». При решении данной задачи принимается значение равное 120 кПа.

Необходимо определить напряжения в земляном полотне по оси пути от действия всех нагрузок. Расчет выполняется через каждые 0,5 м. глубины до 3 м – нижней границы рабочей зоны земляного полотна.

Величина нормальных вертикальных напряжений определяется из соотношения:

Функция устанавливается с помощью таблицы 5.2. [1]

Напряжения от собственного веса грунтов земляного полотна определяются по формуле:

где

– плотность грунтов земляного полотна при отсутствии слоя дренирующего грунта, т/м³. В нашем случае, если бы защитные слои из дренирующих грунтов отсутствовали, то основная площадка была бы сложена супесью пластичной. Принимаем в соответствии с исходными данными. Для суглинка мягкопластичного ;

– глубина от поверхности основной площадки земляного полотна, м.

Суммарные вертикальные напряжения на рассматриваемой глубине от основной площадки земляного полотна определим, как сумму всех напряжений:

Все расчеты для удобства сведены в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты расчета вертикальных напряжений в земляном полотне

Глубина, hi, м	от подвижного состава						от верхнего строения пути						от собственного веса грунтов			Итого кПа
	кПа	b, м			кПа	кПа		b, м			кПа	т/м3		кПа
0,00	120	2,70	0,00	1,00	120,0	16		4,87	0,00	1,00	16,0	1,84		0,00	136,00
0,50		2,70	0,19	0,97	116,4			4,87	0,10	0,98	15,7			9,20	141,28
1,00		2,70	0,37	0,89	106,8			4,87	0,21	0,97	15,5			18,40	140,72
1,50		2,70	0,56	0,78	93,6			4,87	0,31	0,93	14,9			27,60	136,08
2,00		2,70	0,74	0,68	81,6			4,87	0,41	0,87	13,9			36,80	132,32
2,50		2,70	0,93	0,58	69,6			4,87	0,51	0,83	13,3			46,00	128,88
3,00		2,70	1,11	0,51	61,2			4,87	0,62	0,75	12,0			55,20	128,40

По данным таблицы 2 построен график зависимости изменения вертикальных напряжений в пределах глубины рабочей зоны земляного полотна (рис. 2)

Далее определяется величина критического давления . Ее значение вычисляют по формуле Пузыревского:

где

– удельное сцепление оттаявшего грунта, т/м²;

– угол внутреннего трения оттаявшего грунта, рад.;

– плотность грунта, т/м³;

- глубина рассматриваемого горизонта, м.

Расчетные значения прочностных характеристик определены по таблице 5.4 [1].

В нашем случае будем иметь для пластичной супеси с показателем текучести следующие значения нормативных прочностных свойств:

• удельное сцепление, ;

• угол внутреннего трения,

Расчетные значения прочностных свойств грунтов определяются путем деления нормативных значений на коэффициент надежности по грунту, принимаемый:

для удельного сцепления – 1,50;

для угла внутреннего трения песков – 1,11;

для угла внутреннего трения глинистых грунтов – 1,15.

Тогда расчётные значения прочностных свойств для нашего случая составят:

• удельное сцепление, ;

• угол внутреннего трения,

Критическая нагрузка для и :

на уровне основной площадки, :

на уровне основной площадки, :

Полученные результаты так же отложены на графике.

Рисунок 2 – график для определения глубины замены глинистого грунта в основании выемки

Точка пересечения прямой критических нагрузок с зависимостью суммарных напряжений определит требуемую толщину защитного слоя по условию обеспечения несущей способности пластичной супеси или необходимую глубину замены.

Таким образом, для нашего случая толщина слоя замены составляет 1,05 м.