3. Методические указания к выполнению курсового проекта

1. Проектирование поперечного профиля пойменной насыпи

1. Назначение предварительного очертания поперечного профиля насыпи

Проектирование пойменной насыпи в соответствии с действующими нормативными документами (студент в пояснительной записке должен привести в библиографии нормативные источники и дать по тексту записки ссылки на соответствующие пункты этих документов при обосновании своих решений) относится к случаям индивидуального проектирования. Таким образом, для того чтобы запроектировать земляное полотно, удовлетворяющее эксплуатационным требованиям, необходимо, чтобы были соблюдены основные условия стабильности: устойчивость откосов; устойчивость (прочность) основания; безосадочность насыпей; прогнозированная осадка основания и мероприятия, обеспечивающие нормальную эксплуатацию земляного полотна с учетом осадки.

Выполнение этих условий достигается проектированием земляного полотна на основании специальных расчетов.

Расчеты стабильности земляного полотна как всякого инженерного сооружения производятся:

а) по первому предельному состоянию, т.е. по несущей способности; в нашем случае – это расчеты устойчивости откосов;

б) по второму предельному состоянию, т.е. по деформации.

Расчеты стабильности земляного полотна начинаются с расчетов его устойчивости и затем, в случае необходимости, дополняются другими расчетами.

Таким образом, прежде всего для обоснования принимаемого конструктивного решения необходимо доказать, что устойчивость земляного полотна обеспечивается.

При проектировании обычно используется следующий подход: вначале задаются очертанием поперечного профиля (при этом используется опыт и знания проектировщика), а затем его проверяют на устойчивость. Если условие обеспечения устойчивости при принятом решении не выполняется, производят корректировку очертания поперечного сечения насыпи и расчет устойчивости повторяют. Так поступают до тех пор, пока не будет найдено конструктивное решение, удовлетворяющее условию устойчивости.

Для облегчения работы, студенту в рамках исходных данных предложены основные конструктивные решения насыпи, т.е. с использованием исходных данных назначается предварительное очертание поперечного профиля пойменной насыпи. Задача студента - проверить его на устойчивость.

Для этих целей на бумаге или с использование средств автоматизации проектирования (например, AutoCad, СREDO и др.) в масштабе 1:100 (допускается 1:200) вычерчивают поперечный профиль заданной насыпи (рис. 3.1).

Рис. 3.1

Исходные данные (высота насыпи, число путей, поперечный уклон местности, род грунта, ширина бермы и т.д.) приведены в задании (таблица 3.1). Ширина основной площадки принимается в соответствии с СП 119.13330.2011 «Железные дороги колеи 1520 мм».

Крутизна откосов насыпи устраивается: в верхней 6-ти метровой части 1:1,5, от 6-12 м – 1:1,75, ниже 1:2. Крутизну откосов берм следует назначать не круче 1:2.

Отметку верха бермы следует определить из условия:

где

- отметка основания по оси земляного полотна;

- высота набега волны, м

- запас из условия незатопления верха бермы, м

1. Определение нормативных и расчетных характеристик грунтов

К основным физическим характеристикам дисперсных грунтов относятся: плотность, плотность частиц грунта, плотность сухого грунта, пористость, коэффициент фильтрации, степень водонасыщения, влажность, консистенция и др. Рассмотрим основные из них.

Плотность частиц грунт _s ,т/м³:

где:

Q_ск – вес скелета грунта, т;

V_ск – объем, занимаемый частицами грунта (скелета), м³.

Плотность грунта, , т/м³ :

где:

Q_в – вес поровой воды, т;

V – общий объем грунта, м³;

Q – общий вес грунта, т.

Природная влажность грунта, w,%:

Плотность сухого грунта, _d , т/м³:

или

Величина _d характеризует плотность¹ грунта и меняется в среднем для разных грунтов в пределах от 0,9 до 1,9 т/м³.

Пористость грунта, %

или

где:

V_П – общий объем пор в грунте, м³.

Однако чаще объем пор грунта оценивают коэффициентом пористости, e:

или

Числом пластичности глинистого грунта, I_P называется разность весовых влажностей (выраженных в процентах), соответствующих двум состояниям грунта: на границе текучести (w_L) и на границе раскатывания (w_P), т.е.

Показатель консистенции глинистого грунта, I_L характеризует состояние глинистого грунта (густоту, вязкость), линейно зависит от естественной влажности, может быть как отрицательным (твердые грунты), так и положительным, в том числе и более единицы (грунты текучей консистенции). Коэффициент консистенции I_L определяется в долях единицы по формуле:

Коэффициент фильтрации, K_ф, представляет собой скорость фильтрации воды через грунт и измеряется см/ч (м/сутки).

Механические характеристики грунтов делятся на прочностные и деформативные. Прочностные характеристики грунтов используются при расчетах устойчивости и прочности, а деформативные - при расчетах деформаций как земляного полотна, так и его основания.

Основными прочностными характеристиками являются: угол внутреннего трения, , коэффициент трения, f=tg, а так же удельное сцепление, с. Для расчетах остаточных и упругих деформаций используются следующие показатели деформируемости грунтов: модуль общей деформации, Е, модуль упругости, Е_упр , коэффициент сжимаемости, а_сж, коэффициент относительной сжимаемости, а_отн и др.

При расчетах устойчивости откосов основными расчетными характеристиками грунтов являются: плотность грунта, , коэффициент трения, f, а так же удельное сцепление, с. Значения расчетных характеристик грунтов не остаются постоянными для одного и того же грунта. Они меняются в зависимости от влажности грунта и его структуры.

Влажность грунтов может меняться в течение года вследствие инфильтрации дождевых вод, поднятия уровней грунтовых вод, таяния снегов и.т.д. Повышение влажности всегда ухудшает характеристики грунтов в том смысле, что стабильность их может быть нарушена. Поэтому при проектировании земляного полотна следует предусматривать сооружения и устройства, которые защитили его грунты от опасного воздействия влаги и температуры.

Если грунт находится в обводненном состоянии (рис. 3.1 – грунты насыпи ниже ГГВ), тогда в расчетах учитывают эффект взвешивающего воздействия. В этом случае характеристик грунта рассчитываются следующим образом.

Плотность грунта определяется формулой:

где

1,0 – плотность воды, т/м³.

Коэффициент трения грунта во взвешенном состоянии:

Удельное сцепление грунта во взвешенном состоянии:

Расчеты земляного полотна по двум группам предельных состояний (по прочности и деформативности) должны выполняться с использованием достоверных значений свойств грунтов. В инженерной практике выделяют два понятия: нормативные и расчетные характеристики грунта. Все расчеты должны выполняться с использованием расчетных значений показателей свойств грунтов, Х, определяемых по формуле:

где Х_n - нормативное значение данной характеристики;

_g - коэффициент надежности по грунту.

Нормативные и расчетные значения характеристик грунтов устанавливаются на основе статистической обработки результатов испытаний по методике, изложенной в ГОСТ 20522-2012 «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний». Нормативные значения характеристик определяют как среднестатистические, получаемые осреднением их частных значений.

Для предварительных расчетов оснований зданий и сооружений повышенного и нормального уровня ответственности, а также для окончательных расчетов оснований зданий и сооружений пониженного уровней ответственности допускается определять нормативные и расчетные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по их физическим свойствам. В соответствии с «Техническим регламентом о безопасности зданий и сооружений», ФЗ №384-ФЗ от 30.12.2009 автомобильная дорога относится к нормальному уровню ответственности, следовательно, нормативные и расчетные характеристики грунтов должны определяться на основе полевых и лабораторных испытаний.

В рамках курсового проектирования нормативные прочностные и деформативные характеристики грунтов земляного полотна и его основания можно принять по СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений». Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*.

Коэффициент надежности по грунту _g при вычислении расчетных значений прочностных характеристик (удельного сцепления с, угла внутреннего трения  нескальных грунтов, а также плотности грунта ) устанавливается в зависимости от изменчивости этих характеристик, числа определений и значения доверительной вероятности . Для прочих характеристик грунта допускается принимать _g = 1.

Расчетные значения характеристик грунтов с,  и  для расчетов по устойчивости (несущей способности) обозначаются с_I, _I и _I, а по деформациям с_II, _II и _II.

При использовании нормативных характеристик механических свойств, определенных по таблицам СП 22.13330.2011, расчетные значения характеристик принимаются при следующих значениях коэффициента надежности по грунту:

• в расчетах земляного полотна по деформациям - _g=1,0;

• в расчетах оснований по несущей способности:

для удельного сцепления - _g=1,5;

для угла внутреннего трения песчаных грунтов - _g=1,1;

для угла внутреннего трения глинистых грунтов - _g=1,15;

При курсовом и дипломном проектировании при определении расчетного значения плотности грунта в перовом приближении можно применять следующие значения коэффициента надежности по грунту:

• в расчетах земляного полотна по деформациям - _g=1,1;

• в расчетах оснований по несущей способности - _g=1,05;

При реальном проектировании коэффициент надежности по грунту при вычислении расчетного значения плотности устанавливается по ГОСТ 20522-2012 «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний».Результаты вычислений сводят в итоговую таблицу физико-механических свойств (табл. 3.2).

Т а б л и ц а 3.2 – Нормативные и расчетные характеристики грунтов земляного полотна и его основания

Наименование грунта	Плотность частиц грунта, s, т/м3	Плотность грунта, , т/м3				Плотность сухого грунта, d, т/м3		Природная влажность, w, %		Показатель текучести, IL		Коэффициент пористости, е		Удельное сцепление, С, т/м2				Угол внутреннего трения, , град.				Коэффицент трения, f=tg
			I	II	С									СI	CII			I	II	f		fI	fII
1	2	3	4	5	6		7		8		9		10		11	12	13		14	15	16		17	18
Защитный слой при естественной влажности (например, песок гравелистый)
Грунты насыпи при естественной влажности (например, суглинок)
Грунты насыпи во взвешенном состоянии (например, суглинок)
Грунты основания при естественной влажности (например, суглинок)
Грунты основания во взвешенном состоянии (например, суглинок)

При движении подвижного состава в грунтах земляного полотна возникают пульсации напряжений, приводящие к появлению колебаний, которые будут снижать прочностные характеристики грунтов земляного полотна и его основания.

Для грунтов земляного полотна вибродинамическое воздействие следует измерять расчетной амплитудой результирующих колебаний, возникающих при движении поездов с максимально допускаемой скоростью.

Расчетную результирующую амплитуду колебаний грунтов земляного полотна на основной площадке земляного полотна в пределах длины шпалы допускается определять по формуле:

где

	для пассажирских поездов при скорости 50-180 км/ч
	для грузовых поездов при скорости 35-115 км/ч

, – амплитуды соответственно вертикальных и горизонтальных колебаний грунтов основной площадки в пределах длины шпалы, мкм;

 - коэффициент затухания напряжений в балластной призме;

при скорости поезда 40-180 км/ч

v – скорость движения поездов, км/ч;

- средние напряжения, передающиеся от шпалы на балласт, МПа, приближенно принимаются по таблице 3.3.

Т а б л и ц а 3.3 Средние напряжения под шпалой

Средние напряжения, , МПа
при скорости 60 км/ч	при скорости 80 км/ч	при скорости 100 км/ч
0,18	0,22	0,25

– коэффициент Пуассона, принимаемый по таблице 3.4.

Т а б л и ц а 3.4 Коэффициент Пуассона

Г р у н т ы		Г р у н т ы
Крупнообломочные	0,27	Легкие суглинки	0,35
Пески кроме пылеватых	0,28	Суглинки	0,37
Пылеватые пески	0,30	Глины	0,41
Супеси	0,31	Жирные глины	0,42

Е – модуль упругости грунта земляного полотна, МПа, принимается по таблице 3.5.

Т а б л и ц а 3.5 Модули упругости грунтов при максимальной плотности

Г р у н т ы	E, МПа	Г р у н т ы	E, МПа
Крупнообломочные	>1000	Суглинок легкий	60
Песок крупный и гравелистый	130	Суглинок легкий пылеватый	50
Песок средней крупности	120	Суглинок тяжелый	40
Песок мелкий	110	Глина песчанистая	50
Песок пылеватый	50	Глина пылеватая	40
Супесь легкая крупная	60	Глина жирная	30
Супесь легкая пылеватая	45
Супесь тяжелая пылеватая	40

При подсчетах амплитуд вертикальных колебаний принимаются средневзвешенные значения модуля упругости E и коэффициента Пуассона . Например:

где

– толщина щебня под шпалой, принимается в соответствии с СП 119.13330.2011 «Железные дороги колеи 1520 мм» в зависимости от категории железной дороги, определяемой также в соответствии с указанным документом по заданной грузонапряженности железнодорожной линии;

– толщина защитного слоя, м, определяется заданием;

3,0 м –глубина от поверхности основной площадки земляного полотна, на которые распространяются динамические воздействия.

– модуль упругости щебня, МПа;

– модуль упругости защитного слоя, МПа;

– модуль упругости грунта тела насыпи, МПа.

Аналогично определяется и коэффициент Пуассона.

Распространение колебаний в теле земляного полотна и за его пределами происходит одновременно в вертикальном и горизонтальном направлениях. Расчетные амплитуды колебаний грунтов в любой точке земляного полотна и его основания определяются по формуле:

где

A_zy – результирующая амплитуда колебаний грунта в точке на глубине z, м от уровня основной площадки и на расстоянии y, м от оси рассматриваемого пути, мкм;

A_o – результирующая амплитуда колебаний грунтов основной площадки в пределах длины шпалы, мкм;

– ширина основной площадки земляного полотна, м, определяется по СП 119.13330.2011 «Железные дороги колеи 1520 мм»;

9,0 – размер зоны интенсивного затухания колебаний в поперечном оси пути направлении, считая от края шпалы, м;

- угол наклона откоса насыпи или выемки, определяемый крутизной заложения;

– коэффициент затухания колебаний в вертикальной плоскости, 1/м;

, – коэффициенты затухания колебаний в горизонтальной плоскости, 1/м; в пределах принимается

– коэффициент затухания колебаний в откосной части, 1/м, определяется формулой:

Коэффициенты затухания колебаний следует определять по данным таблицы 3.6.

Т а б л и ц а 3.6 – Коэффициенты затухания колебаний в грунтах земляного полотна и за его пределами

Наименование грунта	Показатель текучести,	Коэффициенты затухания колебаний, 1/м
		в вертикальной плоскости,		в горизонтальной плоскости
		выемка	насыпь
Пески	-	0,18 - 0,21	0,22 - 0,24		0,10	0,008
Супеси	< 0,0	0,21 – 0,24	0,23 – 0,26		0,105	0,008
	0-1,0	0,25 – 0,36	0,27 – 0,32		0,083	0,005
Суглинки	0-0,25	0,27 – 0,31	0,30 – 0,32		0,084	0,004
	0,25 – 0,50	0,32 – 0,33	0,33 – 0,35		0,078	0,002
Глина	0-0,25	0,24 – 0,27	0,26 – 0,29		0,096	0,006
	0,25-0,50	0,28 – 0,30	0,30 – 0,32		0,085	0,005

Примечание. Грунтам с повышенной влажностью соответствуют большие значения коэффициента . Для промежуточных значений показателя текучести коэффициенты определяются интерполяцией.

Параметры, характеризующие сопротивление сдвигу в зависимости от расчетной амплитуды колебаний, возникающих при движении поезда, определяются соотношениями:

где

– максимальное относительное снижение удельного сцепления грунта при действии транспортной динамической нагрузки;

– максимальное относительное снижение угла внутреннего трения грунта при действии транспортной динамической нагрузки;

портной динамической нагрузки;

, , – расчетные значения удельного сцепления и угла внутреннего трения грунта при статических нагрузках;

, , – расчетные значения удельного сцепления и угла внутреннего трения грунта при динамическом воздействии;

А – амплитуда колебаний, мкм;

- амплитуда колебаний, вызывающая снижение механических характеристик грунтов не более чем на 3-5%. В расчетах допускается принимать 10 мкм;

K, –коэффициент виброразрушения грунтов в условиях трехосного сжатия, могут приниматься в соответствии с таблицами 3.7-3.8.

Т а б л и ц а 3.7 – Коэффициенты виброразрушения глинистых грунтов

Показатели	Наименование грунта
	Супеси c		Суглинки c			Глины c
	< 0.0	0,0-0,6	0-0,15	0,16-0,45	>0,45	0-0,15	0,16-0,45	>0,45
K	0,006	0,025	0,006	0,011	0,02	0,005	0,010	0,015

Т а б л и ц а 3.8 – Коэффициенты виброразрушения песчаных грунтов

Показатели	Наименование грунта
	Пески гравелистые, крупные, средней крупности	Пески мелкие	Пески пылеватые
K	0,006	0,012	0,019

Основными показателями, определяющими чувствительность механических свойств грунтов земляного полотна и его основания к действию динамических транспортных нагрузок, являются:

• максимальное относительное снижение удельного сцепления грунта при действии транспортной динамической нагрузки, ;

• максимальное относительное снижение угла внутреннего трения грунта при действии транспортной динамической нагрузки, ;

Допускается на стадии разработки проектной документации для предварительных расчетов при отсутствии или недостаточности опытных данных использовать показатели , , приведенные в таблицах 3.9-3.10.

Т а б л и ц а 3.9 – Показатели чувствительности механических свойств глинистых грунтов к динамическому воздействию

Показатели	Наименование грунта
	Супеси c		Суглинки c			Глины c
	< 0.0	0,0-0,6	0-0,15	0,16-0,45	>0,45	0-0,15	0,16-0,45	>0,45
	0,10	0,60	0,20	0,50	0,15	0,15	0,55	0,13
	0,07	0,40	0,10	0,40	0,08	0,09	0,45	0,10

Т а б л и ц а 3.10 – Показатели чувствительности механических свойств песчаных грунтов к динамическому воздействию

Показатели	Наименование грунта
	Пески гравелистые, крупные, средней крупности	Пески мелкие	Пески пылеватые
	0,10	0,20	0,30
	0,15	0,18	0,20