5. Расчет противопучинной подушки

5.1. Расчет толщины подушки

В процессе эксплуатации земляного полотна железных дорог (и не только железных) в зимний период наблюдается постепенное поднятие грунта, которое увлекает за собой всю конструкцию верхнего строения пути. Этот процесс продолжается в течение всей зимы пока грунт не промерзнет до максимальных для данного региона глубин. Но наибольшие трудности в эксплуатации вызывает не собственно само пучение, а неравномерное вспучивание отдельных участков земляного полотна. Как правило, такие процессы наиболее интенсивно наблюдаются в выемках большой глубины в силу близости поверхности грунтовых вод и использовании в качестве основания для верхнего строения пути грунтов в природном состоянии. В предыдущем разделе был рассмотрен один из способов устранения явления пучинистости путем устройства дренажа, однако эффективность этого способа ограничена удельной молекулярной влагоемкостью грунта.

При устройстве противопучинной подушки исходят из тех соображений, что грунт подверженный морозному пучению в течение всей зимы не должен промерзать, т.е. градиент температур должен быть достаточно высок за счет устройства именно противопучинной подушки.

Запроектируем противопучинную подушку при следующих начальных условиях:

− район строительства: Свердловская область;

− высота равномерного пучения: h₀=20 мм;

− материал подушки: доменный шлак (врезная);

Рассчитываем врезную подушку.

Глубина промерзания эталонного грунта в данном районе определяется как:

, (5.1)

где: M_t − абсолютная среднемесячная суммарная отрицательная температура в данном регионе за год;

По СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология» для Свердловской области среднемесячные отрицательные температуры составят:

Январь(-15,3); февраль(-13,4); март(-7,3); ноябрь(-7,1); декабрь(-13,3) С⁰

Тогда:

.

.

Исходя из уравнения эквивалентности:

, (5.2)

где: m_щ ,m_п ,m_гр − толщины, промерзающих щебня, песка, грунта;

n_щ ,n_п ,n_гр − коэффициенты эквивалентности соответственно щебня, песка, грунта.

В расчетах принимают по таблице 4.17(методичка): - отношение толщины снега после уборки снегоуборочной машиной к коэффициенту плотного снега.

Для однопутного участка железной дороги I категории с деревянными шпалами (таблица 4.16, методичка):

m_щ =0,35 м n_щ =1,3

m_п =0,15 м n_п =1,2.

Коэффициент эквивалентности супесчаного грунта при влажности 20 составляет (таблица 4.15, методичка):

n_гр =1,08.

Из уравнения эквивалентности выразим глубину промерзания грунта:

. (5.3)

Определим толщину подушки :

, (5.4)

По таблице 4.16 (методичка) находится значение :

. (5.5)

5.2. Расчет сопряжения подушки

В расчете сопряжения подушки считается, что эпюра промерзания грунта имеет прямоугольный вид.

Длина сопряжения:

. (5.6)

где: [i]=0,0015 − допускаемый отвод возвышения.

Всю длину сопряжения делим на четыре части: первые три по 3,25 м и четвертая 3,58 м.

Высота равномерного поднятия в пределах сопряжения:

(5.7)

где: l_i − длина от начала сопряжения;

Рассчитаем высоты поднятия для всех точек:

,

,

,

.

Величина пучения при промерзании грунта толщиной m_i:

(5.8)

. (5.9)

Откуда:

. (5.10)

Рассчитается глубину промерзания для всех точек:

,

,

,

.

Определяем толщину подушки под каждой точкой сопряжения, используя формулу:

.

Отсюда:

, (5.11)

,

,

,

.

Схема сопряжения подушки показана на рис. 18.

Так как в качестве противопучинной подушки используется врезная подушка, то ее ширина должна быть такой, чтобы зона бокового промерзания грунта со стороны кювета не доходила до конца шпалы на 0,25 м.

Для этого определяются мощности промерзших слоев грунта под точками А,В,С и Д (рис.19).

Для точек С и Д:

, (5.12)

, (5.13)

где: − радиус промерзшего грунта со стороны j-ой точки.

При : .

. (5.14)

Для точки В:

: .

.

Над точкой А находится только слой снега толщиной 10 см.

Для точки А:

: .

.

Из точки А проводится дуга радиуса до совпадения ее с направлением АОК торца подушки. После этого из точки О как из центра проводится дуга радиуса ОК. Боковое промораживание под подушкой на участке ОN. Точка N отстоит от ближайшего торца подрельсового основания на расстоянии 0,29 м, что больше допустимого значения, равного 0,25 м. Следовательно, в результате бокового промерзания под подушкой не будет выпучивания верхнего строения пути.

Расчетные параметры подушки наносятся на расчетную схему в масштабе и показаны на рисунке 19.

Проектирование мероприятий по стабилизации земляного полотна закончено.