Условие задачи и состав исходных данных для решения практической задачи.

Требуется запроектировать рабочую зону земляного полотна на участке выемки из условия обеспечения несущей способности основной площадки земляного полотна и из условия ограничения деформаций морозного пучения грунтов.

Исходные данные принять по результатам решения задачи № 4 при этом учесть, что штамповый модуль деформации песка средней крупности, уплотненного до нормативной плотности, составляет 48 МПа. Глубина сезонного промерзания дренирующих грунтов земляного полотна и балластного слоя составляет 2,60 м.

Порядок решения задачи

1. Общие сведения

Для удовлетворения условий, обозначенных в условии данной задачи, необходимо произвести замену грунтов в основании выемки на дренирующие грунты, имеющих хорошие фильтрационные и прочностные характеристики. В задаче № 4 определялась толщина замены из условия регулирования поверхности верхней границы вечномерзлого грунта. Теперь необходимо установить, является ли полученная толщина слоя дренирующих грунтов достаточной для выполнения условий прочности основной площадки земляного полотна, т.е. обеспечивается ли несущая способность подстилающих слоев – песка средней крупности и суглинка мягкопластичного при оттаивании, а также проверить обеспечение требований по величине допустимых деформаций морозного пучения.

Таким образом, ход решения данной задачи сводится к следующему: определяют по отдельности необходимую толщину слоя дренирующего грунта из условия прочности подстилающего слоя и исключения появления сверхнормативных деформаций морозного пучения грунтов. Из трех значений, полученных из условия несущей способности основной площадки, из условия исключения деформаций морозного пучения и из условия регулирования верхней границы вечномерзлых грунтов на требуемом уровне, принимают наибольшую величину.

2. Определение глубины замены из условия регулирования верхней границы многолетнемерзлых грунтов в основании земляного полотна

Требуемая глубина замены, исходя из данного условия определена при решении задачи № 4 и составляет 1,55 м.

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

В нашей конструкции 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 суглинком, который в оттаявшем состоянии приобретает мягкопластичную консистенцию. Таким образом, требуется проверить обеспечивается ли несущая способность суглинка в оттаявшем состоянии в конструкции земляного полотна.

Расчет величины замены с целью обеспечения требуемой прочности основной площадки выполняют в такой последовательности:

1. Устанавливают величину нормативного давления на основной площадке земляного полотна от воздействия поездной нагрузки, и верхнего строения пути .

2. Производят расчет и составляют график распределения нормальных вертикальных напряжений по глубине земляного полотна от действия постоянных нагрузок от собственного веса грунтов земляного полотна , веса верхнего строения пути и поездной нагрузки .

3. Определяют величину критического давления для двух значений глубины 0,0 м и 1,0 м.

4. По полученному графику устанавливают критическую глубину , на которой величина действующих напряжений равна величине критического давления для данного грунта.

На этой и большей глубине возможность возникновения остаточных деформаций грунта в пределах основной площадки земляного полотна при действии расчетной нагрузки исключается. Поэтому толщину слоя замены назначают по условию:

Решим данную задачу при наших исходных условиях. Прежде всего 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 балластного слоя назначается в соответствии с таблицей 6.1 СП 119.13330.2012.

Рельсы – Р65 новые термоупрочненные, шпалы – железобетонные, в соответствии с примечанием к табл. 6.1 принимаем балластную призму однослойную из щебеночного балласта, поскольку основная площадка выемки будет сформирована из ЩПГС (защитный слой). Толщину щебня под шпалой принимаем в соответствии с СП 238.1326000.2015. Толщина балласта под подошвой железобетонной шпалы – 0,40 м, ширина плеча балластной призмы – 0,45 м, крутизна откосов балластной призмы 1:1,5.

Расчетная схема передачи нагрузок на основную площадку земляного полотна приведена на рис. 5.1, а значения параметров в таблице 5.1.

Рис. 5.1 Схемы внешних нагрузок на основную площадку земляного полотна

(e – ширина междупутья)

А) – однопутный участок; Б) – двухпутный участок.

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

Тип шпал	, кПа	, м	, м	, м
деревянные	16	4,81	8,97	2,75
железобетонные	17	4,87	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 можно принять значение равное 120 кПа. Таким образом, в нашем случае:

Определим напряжения в земляном полотне по оси пути от действия всех нагрузок. Расчет выполним через каждые 0,5 м глубины. Максимальную глубину, до которой проведем расчет примем 3,0 м, что определяет так называемую рабочую зону земляного полотна, в пределах которой регистрируются напряжения от воздействия подвижного состава.

Для определения напряжений от подвижного состава и верхнего строения пути используем простые теоретические решения для элементарных нагрузок (рис. 5.2).

Рис. 5.2 – Расчетная схема к определению напряжений в земляном полотне от прямоугольной нагрузки

Величину нормальных вертикальных напряжений найдем из соотношения:

Функция устанавливается с помощью таблицы 5.2.

Т а б л и ц а 5.2 – Значение параметра для прямоугольной нагрузки

Напряжения от собственного веса грунтов земляного полотна определим 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 суглинком мягкопластичным. 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 сведем в таблицу 5.3.

Т а б л и ц а 5.3 – Результаты расчета вертикальных напряжений в земляном полотне

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

По данным таблицы 5.3 строим графики зависимости изменения вертикальных напряжений в пределах глубины рабочей зоны земляного полотна (рис. 5.3).

Определим теперь величину 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 определяются по данным лабораторных испытаний с учетом путем деления нормативных значений на коэффициенты надежности по грунту. При предварительных расчетах их значения можно устанавливать по СП 25.13330.2012 или по данным таблицы 5.4.

Т а б л и ц а 5.4 – Прочностные характеристики оттаявших вечномерзлых грунтов

В нашем случае будем иметь для мягкопластичного суглинка 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,

Рис. 5.3 – График для определения глубины замены глинистого грунта в основании выемки

Определим критическую нагрузку для двух горизонтов и . Получим:

на уровне основной площадки, :

на уровне основной площадки, :

Полученные результаты также откладываем на рис. 5.3. Поскольку зависимость критической нагрузки от глубины носит в данном случае линейный характер проведем через эти две точки прямую. Точка пересечения прямой критических нагрузок с зависимостью суммарных напряжений определит требуемую толщину защитного слоя по условию обеспечения несущей способности мягкопластичного суглинка или необходимую глубину замены.

Таким образом, для нашего случая толщина слоя замены составляет 1,70 м.