ZEMLYa_uskor_2014
.pdf1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
1.1 Проектирование поперечного профиля пойменной насыпи
Перед выполнением работы по проектированию поперечного профиля пойменной насыпи необходимо ознакомится с наиболее полным вариантом расчета конструкции земляного полотна по предлагаемым авторами источникам и нормативным документам, действующим в ОАО
«РЖД» /1,2,3/.
В масштабе 1:100 или 1:200 необходимо вычертить поперечный профиль насыпи с учетом ее высоты, категории железной дороги, рода грунта, поперечного уклона местности, высоты подтопления и др.
Ширина основной площадки земляного полотна ,Во.п , на прямых и кривых участках пути в зависимости от категории железной дороги и рода грунтов определяется по /4/. В курсовой работе можно принимать ширину основной площадки для однопутного участка 6,5 м, для двухпутного—10,6 м.
Ширину насыпей поверху на расстоянии 10 м от задней грани устоев больших мостов необходимо увеличить не менее чем на 0,5 м в каждую сторону от оси полотна с переходом на нормальную ширину на последующих 15 м.
Крутизну откосов насыпи, проверяемой расчетом на устойчивость, рекомендуется установить, исходя из следующих соображений: верхняя часть высотой до 6 м – крутизна откосов 1:1,5; средняя часть высотой 6-8 м
– с крутизной откосов 1:1,75 и нижняя часть – с крутизной откосов 1:2. Для связных грунтов, в зависимости от высоты насыпи и условий ее
работы, выбирается либо поперечный профиль с последовательным уположением откосов, либо профиль с присыпкой бермы (рис.1.1). Последний вариант может быть рекомендован для пойменных насыпей. При этом ширина бермы поверху колеблется от 2 до 13 м, что зависит от отметки горизонта высоких вод (ГВВ), обшей высоты насыпи и других факторов. Поперечный уклон бермы 2-4% в полевую сторону.
Далее необходимо убедиться, удовлетворяет ли техническим требованиям положение низовой бровки бермы относительно ГВВ. Для этого определяется величина запаса на незатопление hз, м, по формуле
|
hэ hнв hпод aв |
h , |
(1.1) |
где hнв |
– высота набега волны, м; |
|
|
hпод |
– высота подпора воды, вызываемая стеснением русла водотока, |
||
|
м; |
|
|
ан |
– запас по высоте насыпи, м (для насыпей у мостов через |
|
|
|
большие и средине реки ан = 0,50 м; для насыпей у мостов на |
малых водотоках ан = 0,25 м).
∆h – ветровой нагон, м (∆h+hпод может быть принят в курсовой работе равным, 0,1 – 0,3 м;
1.2 Определение расчётных характеристик грунта
К расчетным характеристикам грунта, влияющим на устойчивость земляного полотна, относятся: влажность грунта, Wi, %, объемный вес, i , т/м3 , удельное сцепление, Сi, т/м2, коэффициент пористости, o , угол внутреннего трения, i , град.,
Расчётные характеристики грунта части пойменной насыпи, находящейся при естественной влажности
Объемный вес грунта сухой насыпи, , т/м3, при котором будут возникать лишь упругие деформации, может быть определен по формуле
где н
W/
/
н
/ |
|
|
н |
1 |
|
W / |
, |
(1.2) |
|
|
|
|
|||||
н |
1 |
/ |
100 |
|||||
|
н |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
–удельный вес грунта насыпи при естественной влажности, т/м3;
–влажность грунта в процентах от веса скелета (весовая влажность грунта в теле насыпи), в курсовой работе W/ , %, задаѐтся;
–коэффициент пористости грунта насыпи, который при упрощенных расчетах определяется из выражения как
/
н
n
|
, |
(1.3) |
|
100 n |
|||
|
|
где n |
– пористость грунта насыпи, %. |
|
||
Удельное сцепление грунта насыпи C /, т/м2. |
|
|||
Коэффициент трения грунта насыпи при естественной влажности |
||||
|
fн/ |
tg н/ |
, |
(1.4) |
где |
н – угол внутреннего |
трения грунта при |
естественной |
|
|
/ |
|
|
|
влажности, град.
2
Рис.1.1
3
Расчётные характеристики грунта низовой обводненной части пойменной насыпи
В период затопления поймы насыпь подтопляется паводковыми водами, что сказывается на еѐ работе под вибродинамическим воздействием подвижного состава В зоне фильтрующего потока появляются дополнительная гидродинамическая сила, направление которой связано с периодом работы насыпи: подтопление, постоянство ГВВ, спад воды, влияющая на устойчивость насыпи. При обводнении грунта снижаются его сдвиговые характеристики – угол внутреннего трения и удельное сцепление.
Объемный вес обводненного грунта насыпи (влажная насыпь), н// , т/м3, определяется по формуле
|
|
// |
|
у |
|
в |
|
|
|
|
|
н |
1 |
|
/ |
|
, |
(1.5) |
|
|
|
|
|
н |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
у – удельный вес скелета грунта насыпи, т/м3; |
|
|||||||
|
в |
– удельный вес воды, т/м3 ( |
|
=1). |
|
|
|||
|
|
|
|
в |
|
|
|||
|
Коэффициент трения |
грунта |
в |
зоне обводнения |
в расчѐтах |
||||
принимается равным: |
|
|
|
|
|
|
|
|
fн// |
0,75 fн / |
0,75 tg |
н / |
, |
(1.6) |
где |
/ – угол |
внутреннего трения |
грунта при |
естественной |
||
|
влажности, град. |
|
|
|
|
Удельное сцепление обводнѐнного грунта насыпи в расчѐтах
принимается: |
|
|
Сн // |
0,5 Сн / |
(1.7) |
Характеристики грунта обводненного основания пойменной насыпи.
Объемный вес грунта обводнѐнного основания насыпи, т/м3, взвешенного водой, определяется зависимостью
|
|
// |
|
у |
в |
|
|
о.н |
1 |
/ |
(1.8) |
|
|
|
о.н |
||
|
|
|
|
||
где |
/ |
– расчетный коэффициент пористости грунта основания |
|||
|
|
|
|
|
о.н
насыпи.
Коэффициент пористости грунта обводнѐнного основания насыпи
4
определяется по формуле
|
|
// |
у |
1 |
|
Wо/.н |
1 |
|
(1.9) |
||
|
|
о.н |
// |
|
|
100 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
о.н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
о.н |
– объемный вес грунта обводнѐнного основания насыпи при |
|||||||||
|
/// |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
определенной влажности, т/м3; |
|
|
|
||||||
|
W о/ .н |
– влажность грунта основания насыпи, %. |
|
||||||||
|
Сдвиговые характеристики грунтов в обводненном состоянии |
||||||||||
принимаются равными: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
коэффициент трения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f // |
0,75 |
f / |
|
0,75 tg |
/ |
(1.10) |
|||
где |
|
о.н |
|
|
о.н |
|
|
|
о.н |
естествен- |
|
о.н – угол внутреннего трения грунта основания насыпи в |
|||||||||||
|
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ном состоянии, град.; |
|
|
удельное сцепление грунта |
|
|
С// |
0,5 С/ |
(1.11) |
о.н |
о.н |
|
где С о/ .н – удельное сцепление грунта основания насыпи (в состоянии
естественной влажности), т/м2.
По условиям работы пойменных насыпей период подтоплении можно разделить на два этапа: во время подъема внешних горизонтов поток воды направлен внутрь насыпи, во время спада – из насыпи в сторону откосов. Этот период является наиболее опасным, так как к снижению сдвиговых характеристик добавляется отрицательное влияние гидродинамической силы, действующей в направлении движения воды.
Гидродинамическая сила D – сила давления, т, определяется по формуле
D в I0V |
(1.12) |
где |
в – объемный вес воды, т/м3 ( в = l); |
I0 – средний уклон кривой депрессии для данного грунта или средний гидравлический градиент;
V – объем грунта, в котором действует гидродинамическая сила D, м3.
Так как все расчеты ведутся на один м длины откоса насыпи, можно принять, что
V 1
где – площадь части сползающего объѐма грунта, насыщенного водой, м2 (см. табл. 1),
5
в н вон
Тогда
D I0 |
(1.13) |
В курсовой работе для упрощения расчетов физико-механические характеристики грунта в зоне капиллярного подъема воды в насыпи можно приравнять к характеристикам с естественной влажностью.
При дипломном проектировании расчѐт устойчивости откосов следует выполнять с учѐтом специфики каждой зоны.
1.3 Расчёт устойчивости откосов пойменной насыпи
Из многих методик расчѐта устойчивости откосов широкое практическое применение нашел графо - аналитический метод расчета. Установлено, что в однородных связных грунтах поверхность смещения земляных масс близка к круглоцилиндрической и этот факт позволяет значительно упростить расчѐты.
Устойчивость откосов насыпи принято оценивать коэффициентом устойчивости, K у , который представляет собой отношение моментов сил,
удерживающих откос от смещения, к моменту сил, сдвигающих его относительно центра кривой смещения:
K |
|
М уд |
[K у |
] |
|
у |
М |
|
|||
|
|
сд |
|
|
где [ K у ] – значение коэффициента, при котором насыпь считается устойчивой ( в расчѐтах принято [ K у ] = 1,2-1,5.
При расчете устойчивости предполагается, что обрушение произойдет по кругло-цилиндрической поверхности и сползающий массив грунта является монолитом.
Коэффициент устойчивости определяется по формуле
|
|
|
Ку |
fiNi |
Cili |
Tуд |
(1.14) |
|
|
|
|
|
Tсдв D |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
fi |
– |
коэффициент внутреннего трения грунта; |
|
||||
|
Ni |
– |
нормальная составляющая веса i-го отсека, т; |
|
||||
|
Сi |
– |
удельное сцепление грунта, т/м2; |
|
|
|
||
|
li |
– длина кривой смешения i-го отсека, м, |
|
|||||
|
Tуд(сдв) |
– |
касательная (тангенциальная) составляющая веса i-го |
|
||||
|
|
|
отсека, т. |
|
|
|
|
|
|
D |
– гидродинамическая сила, т; |
|
|
|
|||
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
При этом
|
Ni |
Q cos |
i |
i cos |
i |
|
Ti |
Q sin i |
i |
i sin |
i |
где |
i – объемный вес грунта, т/м3 |
|
|
i– площадь отсека, м2;
i– угол, образуемый радиусом-перпендикуляром и вектором, соединяющим центр кривой обрушения с точкой приложения сил на поверхности скольжения i-го отсека;
Длина кривой смещения i-го отсека, м, определяется как:
|
li |
R i |
(1.15) |
|
|
1800 |
|
||
|
|
|
||
где |
i – центральный угол, соответствующий дуге li (см.рис.1.1). |
|
В отсеках, расположенных левее вертикального радиуса тангенциальные составляющие веса Тi, направлены в сторону, противоположную смещению грунта и являются удерживающими.
Таким образом, одна часть тангенциальных составляющих веса отсеков относится к удерживающим силам Туд, другая – к сдвигающим
силам Тсдв.
В пойменных насыпях в одних отсеках грунты окажутся сухими, в других – частично сухими и частично насыщенными водой (под сухими грунтами условно понимают грунты, находящиеся в состоянии естественной влажности). Следовательно, подтопленной насыпи имеют разные сдвиговые характеристики.
Для оценки устойчивости необходимо найти такую поверхность смещения грунта, при которой коэффициент устойчивости K уд имеет
наименьшее значение.
Для этого рассматриваются несколько вариантов возможных кривых обрушения, для каждой из которых определяется коэффициент устойчивости насыпи. Учѐт действия временной нагрузки и веса верхнего строения пути с водосливной призмой насыпи выполняется заменой нагрузок фиктивными столбиками грунта с высотой соответственно hвр и hвс.
Временную нагрузку от подвижного состава заменяют фиктивным столбиком с высотой, hвр, м, которая определяется зависимостью
7
hв р |
pв р |
(1.16) |
|
н
где pвр – интенсивность приложения временной нагрузки от локомотива, т/м2;
н – расчетный объемный вес грунта насыпи при естественной влажности, т/м3.
Высота фиктивных столбиков заменяющего массу верхнего строения пути, hвс , м определяется аналогично:
hвс |
pвс |
(1.17) |
|
н
где pв с – интенсивность приложения полосовой прямоугольной нагрузки от веса верхнего строения пути, т/м2.
Интенсивность приложения полосовой прямоугольной нагрузки от веса верхнего строения пути на основную площадку земляного полотна можно принять для однопутного участка 1,41 т/м2, двухпутного – 1,54 т/м2 (тип верхнего строения пути на обходе: рельсы – Р65, шпалы – деревянные, балласт – щебѐночный).
Ширина фиктивных столбиков грунта от временной нагрузки равна длине шпалы bвр = 2,75 м, от верхнего строения пути bвс (при принятом типе верхнего строения пути) для однопутного участка – 4,70 м, двухпутного – 8,70 м. Временную нагрузку на двухпутных участках пути учитывают двумя фиктивными столбиками грунта с междупутным расстоянием l = 4,1 м.
Прежде чем строить возможные кривые обрушения для поиска минимального значения K уд , необходимо провести линию центров этих
кривых. Профессор Г.М. Шахунянц предложил способ еѐ нахождения, который сводится к проведению из точки S линии SC (см. рис.1.1) под углом 36° к горизонту (определен па основе многолетнего опыта проектирования). После проведения линии SC необходимо построить несколько предполагаемых кривых смещения и для каждой из них вычислить коэффициент устойчивости откоса.
Анализ случаев потери устойчивости откосов земляного полотна, а также моделирование этих процессов показывает, что наиболее вероятно кривые смещения пройдут через точки на подошве откоса (точка А) и одну из точек расположенную: по оси земляного полотна, под концами шпал, на бровке земляного полотна и т.п.
Проведя из полухорды АВ, соединяющей эти две точки, перпендикуляр получим точку пересечения О, которая и будет центром
8
возможной кривой обрушения с соответствующим радиусом R. Вычисление коэффициента устойчивости Ку по формуле (1.14) для любой кривой возможного обрушения начинается с разбивки сползающего массива на отдельные отсеки.
При делении сползающего массива грунта на отсеки границы их должны, в первую очередь, проходить через:
точки перелома поперечного очертания сползающего массива грунта с учѐтов фиктивной нагрузки от подвижного состава и верхнего строения пути;
точки на кривой скольжения, где изменяются характеристики грунтов;
точку пересечения вертикального радиуса с кривой скольжения; После проведения границ отсеков, если ширина отдельных окажется
больше 6 м (в масштабе чертежа) их необходимо разделить.
Площади отсеков вычисляют как площади простых фигур, а углы i определяют по значениям их синусов. Зная точку на кривой, которая является проекцией центра тяжести данного отсека, измеряют по горизонтали расстояние xi (от указанной точки до вертикального радиуса, а затем вычисляют синусы соответствующих углов:
sin i |
xi |
|
(1.18) |
|
R |
||||
|
|
|||
Зная значение sin i , находим угол |
i и cos i. |
|
Необходимо обратить внимание на тангенциальные составляющие веса отсеков Тi , которые расположены левее или правее вертикального направления радиуса кривой, так как они могут относится к удерживающим силам Туд или к сдвигающим силам Тсдв.
П р и м е р. Примем следующие исходные данные: высота однопутной насыпи H=13,0 м, грунт – супесь; временная нагрузка от локомотива Pвр = 5,3 т/м2; тип верхнего строения : рельсы Р65, с деревянными шпалами; удельный вес скелета грунта у = 2,71 т/м3; угол
внутреннего трения грунта насыпи (при естественной влажности) |
н = 25°; |
угол внутреннего трения грунта основания насыпи он = 27°; |
удельное |
сцепление грунта насыпи (в состоянии естественной влажности) Сн = 1,2 т/м2; удельное сцепление грунта основания насыпи Сон = 1,5 т/м2; влажность грунта насыпи W = 23%; пористость грунта насыпи n = 34%; объемный вес грунта основания насыпи он = 2,1 т/м3 (при влажности Wон = 20%); средний уклон кривой депрессии I0 = 0,08; отметка основания насыпи 60,0 м; отметка горизонта высоких вод (ГВВ) 64,0 м; высота набега волны hвн = 0,5 м.
Проектирование и расчет устойчивости откосов пойменной насыпи производится в следующем порядке.
9
1. Определяем расчетные характеристики грунта насыпи и основания насыпи:
а) для сухой части насыпи – по формулам (1.2), (1.3), (1.4)
/
п
34
100 34
0,51
/
н
|
2,71 |
1 |
|
23 |
2,20 т/м3 |
|
1 |
0,51 |
100 |
||||
|
|
fн/ tg250 0,47
Cн/ 1,2 т/м2
б) для обводнѐнной части насыпи по формулам (1.5), (1.6), (1.7)
//
н
2,71 1 |
1,13 т/м3 |
||
1 |
0,51 |
|
|
|
|
f // |
0,75 0,47 |
0,350 |
н |
|
|
Сн// |
0,5 1,2 0,6 |
т/м2 |
в) для обводнѐнного грунта основания насыпи – по формулам (1.8),
(1.9), (1.10), (1.11)
//
о.н
2,71 |
1 |
|
20 |
1 |
0,55 |
|
2,1 |
100 |
|||||
|
|
|
// |
|
2,71 1 |
1,10 т/м |
3 |
||
о.н |
|
|
|
|
|
|
1 |
0,55 |
|
|
|||
|
|
|
|
|||
С// |
0,5 1,5 |
|
0,75 т/м2 |
|
||
о.н |
|
|
|
|
|
|
2. Определяем размеры фиктивных столбиков грунта для временной нагрузки и нагрузки от веса верхнего строения пути:
а) высота столбика грунта, заменяющего временную постоянную нагрузку от локомотива, определяется по формуле (1.16)
hв р |
5,3 |
2,41 |
м |
|
|
||||
2,2 |
||||
|
|
|
Основание столбика принимается равным длине шпалы bвр = 2,75 м. б) высота столбика грунта, заменяющего давление верхнего строения
пути, определяется по формуле (1.17)
hв с |
1,41 |
0,64 |
м |
||
|
|
||||
2,2 |
|||||
|
|
|
Ширина столбика грунта, заменяющего давление верхнего строения
10