Проектирование индивидуальной конструкции ЗП на болоте

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I»

(ФГБОУ ВО ПГУПС)

Факультет «Транспортное строительство» Кафедра «Строительство дорог транспортного комплекса»

Специальность - 23.05.06 «Строительство железных дорог, мостов и

транспортных тоннелей»

Специализация – «Строительство магистральных железных дорог»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

тема: «Проектирование индивидуальной конструкции земляного полотна на

болоте»

Санкт-Петербург

2017

3

Введение

Цель курсовой работы – запроектировать конструкцию земляного полотна в особых условиях, то есть на болоте.

Основными задачами являются расчет несущей способности слабого основания, осадки основания, прогноз ее протекания во времени. расчет устойчивости откосов.

Земляное полотно – один из основных элементов конструкции железнодорожного пути, представляющий собой инженерное сооружение из грунта. Земляное полотно является несущей конструкцией железнодорожного пути, которая, воспринимая статические нагрузки от верхнего строения пути и динамические от подвижного состава, должна упруго передавать их на основание.

Под строительством земляного полотна в особых условиях понимается комплекс работ, связанных с проектированием и сооружением земляного полотна на слабых грунтах – с избыточным увлажнением, с низкими прочностными и деформативными свойствами (высокая пористость, сжимаемость, повышенная чувствительность к вибрационным и другим факторам, связанными со строительным производством). Такие грунты принято называть молодыми, так они не получили в естественных условиях достаточного уплотнения.

Различают следующие три типа болот:

I – заполненные торфом и другими болотными грунтами устойчивой консистенции, сжимающимися под нагрузкой от насыпи высотой до 3 м;

II – заполненные торфом и другими болотными грунтами разной консистенции, в том числе выдавливающимися под нагрузкой от насыпи высотой 3 м;

III – заполненные болотными грунтами в разжиженном состоянии, выдавливающимися под нагрузкой, с торфяной коркой (сплавиной) или без

нее.

Земляное полотно на болотах и слабых основаниях возводят на основании инженерно-геологических обследований болот в наиболее узком и неглубоком месте, где поверхность дна имеет наименьший уклон. Конструкцию насыпи принимают в зависимости от типа болота. Применяют типовые поперечные профили, групповые конструкции, индивидуальные проектные решения, обоснованные расчетами по двум группам предельных состояний.

Таким образом в курсовом проекте требуется разработать насыпь в пределах болота I типа глубиной более 4 м, поэтому требуется индивидуальное проектирование.

4

1. Описание района строительства

1.1.Рельеф

Вологодская область расположена на северо-востоке Восточно-Европейской равнины, рельеф здесь холмистый — чередуются низменности (Прионежская, Молого-Шекснинская), гряды (Андогская, Белозерская, Кирилловская) и возвышенности (Андомская, Вепсовская, Вологодская, Галичская, Верхневажская). Высота области над уровнем моря 150—200 метров. Поверхность

— низменная равнина с множеством озёр, болот, рек и многочисленными невысокими грядами и возвышенностями. На территории области водораздел Евразии между бассейнами Северного Ледовитого, Атлантического океанов и бассейном внутреннего стока (Каспийское море). На юго-востоке области — Северные Увалы.

1.2.Климат

Климат умеренно континентальный с продолжительной умеренно холодной зимой и относительно коротким тёплым летом. Суровость климата возрастает с запада на восток. Средняя температура января от −11 °C на западе области до −14 °C на востоке, средняя температура июля соответственно от +16 °C до +18 °C. Осадков довольно много — 500—650 мм в год (максимум в летние месяцы), испаряемость гораздо меньше, поэтому область богата реками, озёрами и болотами. Снежный покров лежит 165—170 дней. Продолжительность вегетационного периода составляет около 130 дней.

1.3.Внутренние воды

Вологодская область богата водными ресурсами. Характерна густая речная сеть. В области протекают крупные реки: Сухона с притоками Вологда и Двиница, Юг с Лузой, Молога с Чагодощей, Шексна, Суда, верховья Унжи, Андома. Реки области имеют смешанное снежно-дождевое питание. На сезон апрель — июнь приходится половина годового стока рек. Ледостав длится 160—170 дней.

В области около 4 тысяч озёр. На юго-западе расположены Шекснинское и крупное Рыбинское водохранилище, на западе озёра: Белое, Кубенское и Воже. Онежское озеро на севере области соединяет с Волгой Волго-Балтийский водный путь. Широко распространены болота (12 % территории области), сосредоточены преимущественно в западных районах.

1.4.Геологические условия

На территории области распространены грунты ледникового комплекса (морены, озерно-ледниковые), аллювиальные, озерные и болотные. Общая мощность четвертичных отложений колеблется от 3-х до 80-ти метров на водоразделах (иногда они могут отсутствовать) и до 150...260-ти метров в древних долинах.

5

Наибольшим площадным распространением пользуются морены. Они представлены суглинками, супесями и глинами, содержащими в среднем от 5-ти до 40% крупнообломочного материала. В моренной толще нередко встречаются прослои и линзы песка с гравием и галькой. Отличительная черта морен – отсутствие сортировки и большая неоднородность гранулометрического состава.

Озерно-ледниковые грунты сформировались из осадков, накопившихся в приледниковых озёрах. В современном рельефе они слагают плоские низменные равнины. Озерно-ледниковые отложения часто представлены «ленточными глинами», получившими своё название за горизонтальную (ленточную) слоистость, которая объясняется неравномерным таянием льда по сезонам года.

Крупные торфяные бассейны образуются в обширных понижениях рельефа, приуроченных к долинам рек или низменностям. На водораздельных пространствах с плоским рельефом, вследствие затрудненности стока, формируются верховые болота. Промежуточное положение занимают переходные. Средняя мощность торфа в болотах лесной зоны колеблется от 2-х до 3-х, но на крупных торфяниках может достигать 8…10 метров.

1.5.Характеристика болота

Проектируемая насыпь располагается на болоте I типа, заполненном торфом мощностью 5 м и другими болотными отложениями устойчивой консистенции, сжимающимися под воздействием насыпи. Торф подстилается 5 – метровым слоем суглинка текучего. Минеральное дно – песок пылеватый. Глубина залегания грунтовых вод совпадает с поверхностью болота.

На болотах I типа насыпи высотой 3 м и более (высота равна 7 м) проектируются с таким расчетом, что торф будет использоваться как естественное основание земляного полотна. В этом случае обязательной является проверка расчетом упругой осадки насыпей. При превышении допустимых значений величин осадки насыпь усиливается за счет увеличения ее высоты или путем частичной замены торфа в основании насыпи минеральным грунтом.

2. Назначение конструктивного решения

При назначении конструктивного решения объекта проектирования необходимо учесть ряд возникающих деформаций:

1.деформации, связанные с увеличением касательных напряжений;

2.деформации, связанные с воздействием на грунт сжимающих напряжений;

3.упругие деформации, возникающие при воздействии на основание насыпи транспорта.

Чтобы обеспечить учет деформаций, необходимо соблюсти ряд требований:

1.обеспечить устойчивость основания;

2.установить величину конечной осадки насыпи и, по возможности, снизить ее;

3.обеспечить завершение интенсивной части осадки в заданный срок;

6

4. исключить недопустимые упругие деформации при движении транспорта. Необходимо запроектировать конструкцию насыпи на двухпутной железной

дороге III категории с осевой нагрузкой грузового подвижного состава 23 т/ось. Основание насыпи: верхний 5-метровый слой торфа подстилается 5-метровым

слоем текучего суглинка; глубина залегания грунтовых вод совпадает с поверхностью болота.

Всоответствии с [4] проектируемая конструкция насыпи относится к объекту индивидуального проектирования, т.к. располагается в пределах болота I типа глубиной более 4 м.

Всоответствии с исходными данными и согласно [2] принимаем к расчету конструкцию насыпи, представленную в приложении А.

3. Расчет конечной осадки насыпи на слабом основании

Врасчете учитываем осадку за счет сжатия торфа и суглинка, и общая осадка определится как сумма этих составляющих.

Проведем расчет, используя формулу:

− мощность выделенного слоя, м;

Для определения глубины активной зоны вычисляются вертикальные нормальные напряжения в основании по оси земляного полотна. Учитывая, что высота насыпи равна 7 м, действием нагрузки от подвижного состава пренебрегаем, учитываем только нагрузку от веса верхнего строения пути. Разобьем слабую толщу на слои, мощностью 1 м и определим вертикальные напряжения в нижних и верхних точках каждого слоя, расположенных на оси пути.

Вычислим нагрузки от ВСП в точке 0, распределенные равномерно:

8,987 0,78; 8,980 0

По таблицам, приведенным в [6] находим:

0,654

Тогда:

7

Рассмотрим точку 1. Аналогичным образом вычисляем:

Для определения напряжения в точке 1 от собственного веса грунта насыпи

воспользуемся номограммой Остерберга.

1 7 ∙ 1,5 10,5 м; 10,4 м; 1 м 1 10,51 10,5; 10,41 10,4; 2 н 13,3 т/м&

Тогда α = 0,56, следовательно,

Суммарные напряжения в точке 1 составят:

н - всп 7,45 - 1,02 8,47 т/м&

Аналогичным образом находятся напряжения в остальных точках (таблицы 1 и 2). По данным этих таблиц в приложении Б построена зависимость изменения суммарных вертикальных напряжений в основании насыпи от внешней нагрузки по глубине.

Для определения глубина активной зоны определяем также напряжения в основании насыпи от собственного веса грунта основания σρ.

Таблица 1. – Напряжения от внешней нагрузки (от веса ВСП и насыпи)

8

Таблица 1. – Напряжения от внешней нагрузки и собственного веса грунтов основания

Глубина активной зоны находится из условия: 0,2 ∙ σρ = σ. На глубинах, где 0,2 ∙ σρ < σ, величина внешней нагрузки настолько незначительна, что ею можно пренебречь при определении осадки. На схеме в приложении Б построена линия, отражающая изменение величины 0,2 ∙ σρ с глубиной. Из рисунка видно, что условие, при котором нагрузкой пренебрегают, выполняется по всей толще, следовательно, мощность активной зоны определяется глубиной залегания песка пылеватого и составляет 7 метров.

Таким образом, в данном случае слои предопределены, прежде всего, геологическим строением толщи. Однако и в пределах однородного слоя может возникнуть необходимость выделить слои, однородные с точки зрения напряженного состояния.

Проверим, есть ли необходимость делить слой торфа на несколько слоев, отличающихся по величине вертикальных нормальных напряжений. С этой целью найдем по соответствующим данным приложения 8 [1] значение относительной величины напряжения на нижней грани слоя торфа.

При ширине насыпи поверху 10,4 м, высоте 7 м и откосах 1:1,5

1 10,5 м и 216 2.02

Для низа слоя торфа:

9

для 216 3,0 3 0,97 для 216 2,02 3 0,95

Возьмем три различные нагрузки: соответствующую половине нагрузки от насыпи заданной высоты, полную и в два раза большую. Нагрузка от насыпи заданной высоты (7 м) составит:

Соответственно в два раза меньшая и в два раза большая нагрузки будут равны 6,65 т/м2 и 26,6 т/м2.

Если на поверхности слоя торфа приложить нагрузку 6,65 т/м2, на нижней грани

Отсюда видно, что модули осадки для поверхностных и нижних частей слоя торфа в принятом диапазоне нагрузок практически не меняются, различие менее 10%, т.е. слой можно не разделять на отдельные слои.

Аналогично для слоя суглинка: для верхней грани слоя: 3 0,95, для нижней грани:

Различие в модулях осадки для верха и низа слоя не превышает 10%, т.е. нижний слой также может считаться однородным по деформируемости с учетом напряженного состояния.

Определим теперь осадку верхнего S1, нижнего S2 слоя и общую осадку Sобщ при принятых выше трех нагрузках: 6,65; 13,3 и 26,6 т/м2.

Например, при нагрузке 13,3 кг/см2: