-
Определение осадки насыпи
Осадку насыпи устанавливают путём суммирования сжатия отдельных слоёв. При этом учитываем только вертикальное сжатие подстилающего грунта, полагая, что боковое выпирание учтено в модулях деформации слоёв грунта, которые определены пробными нагрузками.
Вертикальное сжатие слоёв в грунте толщиной h, определяем по формуле:
δ=h·σ/Eдеф (4)
где σ – сжимающие давления в рассматриваемом слое грунта;
Eдеф – модуль деформации грунта, мПа.
В точках, расположенных по оси симметрии земляного полотна, сжимающие напряжения i – го слоя вычисляем по формуле:
σi=Р/π·((2·α1i+ α2i)+(2·в/а)· α1i) (5)
где Р – давление средней части насыпи, Па.
Р=Y·Hн (6)
Y – удельный вес слоя грунта насыпи;
Hн – высота насфпи.
Р=16500·8.1=133.65 кПа
Углы α1 и α2, сторона а и в указаны на рисунке 3.
Также на рисунке 3 показан геометрический разрез в месте расчёта устойчивости, на котором указаны толщины слоёв грунта h и их модель деформации Е.
σ1=Р/π·((2·α11+ α21)+(2·в/а)· α11)= 133.65/3.14·((2·0+3.14)+(2·7.5/12.2)·0)=133.65 кПа
σ2=Р/π·((2·α12+α22)+(2·в/а)·α12)=133.65/3.14·((2·0.07+1.48)+(2·7.5/12.2)·0.07)=
=72.57 кПа
Σ3=Р/π·((2·α13+α23)+(2·в/а)·α13)=133.65/3.14·((2·0.157+1.31)+(2·7.5/12.2)·0.157)=
=77.38 кПа
Σ4=Р/π·((2·α14+α24)+(2·в/а)·α14)=133.65/3.14·((2·0.314+0.84)+(2·7.5/12.2)·0.314)=
=78.91 кПа
Р
езультаты
расчёта напряжений сводятся в таблицу
7.
Таблица 7 - Результаты расчёта напряжений
|
Z, м |
Углы, град |
Углы, град |
2·α1+ α2 |
(2·в/а)· α1 |
1/π·((2·α1+ α2)+(2·в/а)· α1) |
σ, кПа |
||
|
α1 |
α2 |
α1 |
α2 |
|||||
|
0 |
0 |
180 |
0 |
π |
3.14 |
0 |
1 |
133.65 |
|
1.5 |
4 |
85 |
0.07 |
1.48 |
1.62 |
0.086 |
0.543 |
72.57 |
|
4.2 |
9 |
75 |
0.157 |
1.31 |
1.624 |
0.193 |
0.579 |
77.38 |
|
14.2 |
18 |
48 |
0.314 |
0.84 |
1.468 |
0.386 |
0.59 |
78.91 |
Вычислив сжимающие напряжения σi, считаем сжатие каждого слоя по формуле 4. Расчёты сжатия отдельных слоёв заносим в таблицу 8.
Таблица 8 – Результаты расчёта сжатия отдельных слоёв
|
№ элементарного слоя |
Мощность слоя, м |
Давление на поверхностях выделенного слоя |
Среднее давление, кПа |
Модуль деформации, мПа |
Сжатие выделенного слоя, см |
|
1 |
0 |
133.65 |
103.11 |
14 |
1.105 |
|
2 |
1.5 |
72.57 |
|||
|
3 |
2.7 |
77.38 |
74.975 |
39 |
0.519 |
|
4 |
10.0 |
78.91 |
78.145 |
46 |
1.699 |
δ1=h1·σ1/Eдеф1=1.5·103.11·103/14·106=11.05·10-3 м=1.105 см
δ2=h2·σ2/Eдеф2=2.7·74.975·103/39·106=5.19·10-3 м=0.519 см
δ3=h3·σ3/Eдеф3=10·78.145·103/46·106=16.99·10-3 м=1.699 см
Общая осадка насыпи считается по формуле:
Δобщ=∑ hi·σi/Eдефi (7)
Δобщ=1.105+0.519+1.699=3.323 см
Дополнительный объём земляных работ, за счет просадки грунта, на 1 м насыпи считается по формуле:
Vдоп=2· Δобщ ·l/3 (8)
где l – ширина основания насыпи.
Vдоп=2· 3.323 ·39.4·10-2/3=0.873 м2
4
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
ВОДООТВОДНОЙ
ТРУБЫ
4.1 Определение максимального расхода от ливневых вод
Основным фактором формирования поверхностного стока являются условия выпадения и изменения во времени интенсивности дождевых осадков. Воздействие этих факторов должно рассматриваться с учётом метеорологических условий района строительства, требуемой вероятности превышения расчётных дождевых максимумов, времени формирования максимального поверхностного стока, величины уклонов и типов поверхности стекания.
Расход – это количество протекающей воды через сечение за единицу времени. При наличии в районе снегового, грунтового, ледникового, селевого стоков расчёты должны быть на все виды стоков. В данном случае считается расход от ливневых и талых вод.
Формула для определения ливневого стока:
Qл=16,7·арасч·F·φ (9)
где арасч – расчётная интенсивность ливня, мм/мин;
F – площадь водосбора, км2;
φ – коэффициент редукции.
Расчётная интенсивность определяется по формуле:
арасч=ачас·Kt мм/мин (10)
где ачас – интенсивность ливня часовой продолжительности, мм/мин;
Для данного района проектирования, при требуемой вероятности превышения дождевых максимуиов, принимаем ачас=0,74 мм/мин.
Kt – коэффициент перехода от интенсивности ливня часовой продолжительности к расчётной продолжительности.
Принимается для данного района Kt, в зависимости от длины водосбора, “скорости добегания” воды от наиболее удалённой точки водосбора до створа дороги и от шераховатости поверхности бассейна, на каждом пикете.
К
оэффициент
редукции вычисляем по формуле:
φ =1/(10·F)1/4 (11)
Объём стока ливневых вод определяется по формуле:
W=6000·ачас·φ·F/Kt1/2 (12)
Расчёт ведём для следующих пикетов:
-
ПК16+30
арасч=0,74·1,61=1,189 мм/мин
φ =1/(10·1,65)1/4=0,496
Qл=16,7·1,189·1,65·0,496=16,25 м3/с
W=60000·0,74·0,496·1,65/ 1,611/2=28637,6 м3
-
ПК20+40
арасч=0,74·2,476=1,832 мм/мин
φ =1/(10·1,12)1/4=0,547
Qл=16,7·1,832·1,12·0,547=18,74 м3/с
W=60000·0,74·0,547·1,12/ 2,4761/2=17286,7 м3
-
ПК25+55
арасч=0,74·5,24=3,878 мм/мин
φ =1/(10·0,65)1/4=0,626
Qл=16,7·3,878·0,65·0,626=26,35 м3/с
W=60000·0,74·0,626·0,65/ 5,241/2=78926,9 м3
-
Определение расхода от талых вод
Максимальный расход талых вод рассчитываем по формуле Государственного гидрологического института:
Qt=k0·hр·F· δ1· δ2/(F+1)n (13)
где k0 – коэффициент дружности половодья для района проложения дороги, для нашего района принимается k0=0,013.
h
р
– расчётный слой стока, вычисляемый по
формуле:
hр=Kр·h (14)
h – средний слой стока;
Kр – модульный коэффициент.
Значение Kр определяем в зависимости от расчётной вероятности превышения и коэффициента вариации Сν умноженного на 1,25, в соответствии с этим значением для вероятности превышения и Сs=2· Сν по графику кривых модульных коэффициентов слоёв определяем Kр.
δ1 и δ2 – коэффициенты, учитывающие снижение максимальных расходов.
При отсутствии на участке строительства болот δ2 принимают равным единице.
Коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода в залесённых бассейнах вычисляется по формуле:
δ1=1/Ал+1 (15)
где Ал – залесённость водосбора, %.
Залесённость водосбора принимается 50%.
Для всех пикетов hр=2,7·100=270 мм
По формуле 13 считаем расход талых вод:
Для ПК16+30
Qt=0,013·270·1,65· 0,667· 1/(1,65+1)0,25= 3,028 м3/с
Для ПК20+40
Qt=0,013·270·1,12· 0,667· 1/(1,12+1)0,25= 2,173 м3/с
Для ПК25+55
Qt=0,013·270·0,65· 0,667· 1/(0,65+1)0,25= 1,343 м3/с
4.3Расчет отверстия и геометрических размеров водопропускных труб
По принятым расчётным расходам, по таблице 15.12 [1], определяется размеры трубы, её вид, глубина перед трубой и скорость на выходе из трубы.
Н
а
ПК16+30:
Прямоугольная труба 3.0×2.5 м, глубина перед трубой равна 2.24 м, скорость на выходе из трубы 4.17 м/с.
На ПК20+40:
Прямоугольная труба 3.0×2.5 м, глубина перед трубой равна 2.48 м, скорость на выходе из трубы 4.59 м/с.
На ПК25+55:
Прямоугольная труба 4.0×2.5 м, глубина перед трубой равна 2.56 м, скорость на выходе из трубы 4.64 м/с.
4.3.1 Определение пропускной способности трубы при безнапорном режиме
Безнапорный режим характеризуется незатопленным входным отверстием и работой трубы неполным сечением, что отвечает условию:
H≤1.2·hтр (16)
где H – подпор перед трубой, м;
hтр – высота трубы в свету, м.
Рисунок 4 – Протекание воды в трубе при безнапорном режиме
П
ринимаем
по выбранному расходу на ПК 20+40 трубу с
размерами 3.0×2.5
м, и скоростью на выходе из трубы 4.59 м/с.
Критическая скорость Vкр, м/с, определяется по формуле:
Vкр=0,9·Vс (17)
где Vс – скорость в сжатом сечении, равная 4,59 м/с.
По формуле (17) определяем Vкр:
Vкр=0,9·Vс=0,9·4,59=4,131 м/с
Критическая глубина hкр м, определяется по формуле:
hкр= Vкр2/2·g (18)
где g – ускорение свободного падения, м/с.
По формуле (18) определяем hкр:
hкр=4,1312/2·9,81=0,87 м
Глубина воды в сжатом сечении hс, м, определяем по формуле:
hс=0,9·hкр (19)
По формуле (19) определяем hс:
hс=0,9·0,87=0,783 м
Подпор воды перед трубой определяется по формуле:
H=hc+Vс2/2·g·φ2 (20)
где φ – коэффициент скорости, принимаемый 0,97.
По формуле (20) определяем H:
H=0,783+4,592/2·9,81·0,972=1,924 м
Проведём проверку выбранной трубы на высоту подпора трубы по формуле (16):
1,924≤1.2·2,5
1,924≤3
Проверка удовлетворяет условию, считаем режим протекания безнапорным.
Проведём проверку пропускной способности выбранной трубы при безнапорном режиме. Пропускная способность трубы Qс, м3/с, при безнапорном режиме для прямоугольного сечения определяется по формуле:
Q
с=1,33·b·H3/2
(21)
где b – ширина трубы.
По формуле (21) определяем Qс:
Qс=1,33·3,0·1,9243/2=10,649 м3/с
4.3.2 Расчёт аккумуляции воды перед сооружением
При назначении отверстий необходимо учитывать аккумуляцию вод в трубу перед сооружением. При этом заранее нельзя назвать степень снижения расчётного значения расхода, так как глубина воды перед сооружением ещё неизвестна. Это осложняет расчёт и заставляет выполнять его либо путём последовательных приближений, либо графоаналитическим приёмом.
Малые искусственные сооружения почти всегда сильно стесняют поток и изменяют его бытовой режим. В результате временного накопления перед трубой части паводка гидрограф притока трансформируется в более растянутый во времени гидрограф сброса, что приводит к снижению расчётного сбросного расхода воды в сооружении Qc по сравнению с наибольшим секундным притоком с бассейна Q. Объём накопившейся воды Wпр при общем объёме стока W зависит от гидрографа притока, отверстия сооружения и рельефа участка местности, в пределах которого образуется временный водоём.
Расход воды в отверстии сооружения определяется высотой подпора воды над входным лотком, по сравнению с объёмом всего паводка оказывается незначительным и практически не влияет на работу сооружения. При определении отверстия сооружения в таких случаях в качестве расчётного расхода принимается наибольший расход водостока.
При относительно пологих или слабовыраженных логах образование подпора перед сооружением сопряжено с затоплением больших площадей и накоплением воды перед дорогой. Подпор воды перед трубой возрастает медленно и обычно не успевает достичь размера, обеспечивающего равенство сброса наибольшему притоку ливневого паводка. Расход воды в сооружении оказывается часто гораздо меньше расчётного расхода притока. В таких случаях аккумуляция воды должна учитываться при определении отверстия сооружения для пропуска ливневого стока.
Ч
асть
площади гидрографа притока, расположенная
выше кривой сбросных расходов (рисунок
5), представляет собой объём воды перед
трубой – объём пруда, Wпр.
отношение между Wпр
и суммарным притоком бассейна W
определяет степень трансформации
паводка и служит показателем регулируемой
способности лога перед сооружением.

Рисунок 5 – Трансформация графика притока воды к сооружению из-за аккумуляции.
Рассчитываем аккумуляцию воды при определении отверстия сооружения для трубы на ПК20+40.
Общий объём стока ливневых вод для трубы на ПК20+40 определяется по формуле (12):
W=60000·0,74·0,547·1,12/ 2,4761/2=17286,7 м3.
Объём пруда (м3) вычисляем по формуле:
Wпр=К0·H3 (22)
где К0 – коэффициент формы лога;
H – глубина воды перед трубой.
К
оэффициент
формы лога вычисляется по формуле:
К0=(m1+m2)/6·iл (23)
где m1, m2 и iл – средние уклоны склонов и лога(рисунок 6).
Рисунок 6 – Схема к определению объёма пруда
По формуле (23) вычисляем коэффициент формы лога:
m1 принимаем равным 30 %;
m2 принимаем равным 40 %;
