ZEMLYa_uskor_2014

1 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