Уч. пособие для курсового проектирования пойменной насыпи и оздоровления выемки
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»
(ФГБОУ ВО РГУПС)
М.В. Окост, В.Л. Шаповалов
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЙМЕННОЙ НАСЫПИ И ОЗДОРОВЛЕНИЯ ВЫЕМКИ
Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования
Ростов-на-Дону
2023
1
УДК 625.12
Окост М.В., Шаповалов В.Л.
Проектирование пойменной насыпи и оздоровления выемки: Учеб. пособие. – Ростов н/Д: Рост. гос. ун-т путей сообщения, 2023. – 67 с.
Изложены рекомендации по проектированию и расчетам земляного полотна: определению необходимой плотности грунтов и возможных осадок насыпей, устойчивости, укреплений от волнового воздействия пойменной насыпи, проектированию поверхностных водоотводов и дренажных устройств в выемке, противопучинных и других конструкций. Представлены примеры решений.
Учебное пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения специальности 23.05.06 Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей, выполняющих курсовое и дипломное проектирование.
Табл. 5. Ил. 13. Библиогр.: 14 назв.
Рецензенты:
заместитель директора КАВЖЕЛДОРПРОЕКТ Е.К. Нечаева; заведующий кафедрой «Изыскание, проектированеи и строительство
железных дорог ФГБОУ ВО РГУПС А.А. Ревякин
©Ростовский государственный университет путей сообщения, 2023
2
Оглавление
Введение ………….……….…………………………………..………… 3 1 Задание на курсовой проект …………………………….…….……..….. 5
1.1Общие положения ……………………………………………….…… 5
1.2Состав и содержание курсового проекта …………………………… 5
1.3Исходные данные по проектированию пойменной насыпи ……….. 6 2 Проектирование пойменной насыпи …………………………..………... 8
2.1Определение необходимой плотности грунта ……….……………... 8
2.2Проектирование поперечного профиля насыпи………...……………11
2.3Определение возможных осадок насыпи ……………...……………. 16
2.4Расчеты укрепления откосов …………...………………...………….. 23 3 Проектирование оздоровления выемки .…………………………….…. 25
3.1Исходные данные по проектированию оздоровления выемки ….… 25
3.2Проектирование поперечного профиля выемки второго пути ……. 27
3.3Расчет водоотводной канавы ………………………………………... 28
3.4Проектирование дренажа ……………………………………………. 31
3.5Проектирование противопучинных конструкций …………………. 37 4 Учебно-исследовательская работа (УИРС) …………………………….. 41
Заключение ………………..…………………………………….……… 43 Приложения ……………..……………………………………….……... 44 Литература …………………………….…………………….………….. 63
3
Введение
Земляное полотно железной дороги является сложным грунтовым инженерным сооружением, которое служит основанием для верхнего строения пути, и от стабильности насыпей и выемок зависит надежность и безопасность движения поездов. Следовательно, при изучении железнодорожного пути целесообразно выполнить проектирование сложного объекта земляного полотна, например, высокой подтопляемой пойменной насыпи второго пути (у раздельного мостового перехода) и оздоровления выемки эксплуатируемого первого пути.
Для обеспечения стабильности пойменной насыпи следует выполнять расчеты необходимой плотности грунта, устойчивости откосных зон насыпи от смещений, укрепления их от размывов, прогнозных осадок основания насыпи. Для оздоровления выемки может быть разработан комплекс мероприятий по регулированию поверхностного стока нагорной канавой, подземных (грунтовых) вод дренажем, сооружению противопучинных конструкций.
В данном учебном пособии представлены методики проектирования и расчетов пойменной насыпи, проектирования противодеформационных конструкций в выемке. Кроме того, при работе над курсовым проектом следует пользоваться учебниками, учебными пособиями, нормативными документами и справочниками, указанными в библиографическом списке. Исходные данные и вспомогательные материалы приведены в приложениях Ж, И, К.
Для каждого раздела проекта изложены принципы проектирования и расчетов, приведены расчетные схемы, даны примеры расчетов по вариантам, преимущественно в табличной форме, что позволяет представить их в виде электронных таблиц (Excel и др.).
Содержание проекта может быть изменено для конкретных объектов и природных условий, дополнено разделами исследовательской работы, элементами компьютерного программирования и др.
Проект является техническим документом, разрабатываемым по теме на основании задания и исходных данных, состоит из пояснительной записки и чертежа и должен быть оформлен в соответствии с ГОСТами и ЕСКД.
4
1. Общие положения
При проектировании пойменной насыпи у мостового перехода (часть 1) для обеспечения ее стабильности выполняются расчеты необходимой плотности грунта, устойчивости, укрепления откосов, прогнозируемых осадок насыпи. Оздоровление выемки (часть 2) включает комплекс мероприятий с расчетами нагорной канавы, дренажа, противопучинных конструкций. Рекомендуется выполнить раздел учебно-исследовательской работы (УИРС).
При работе над проектом следует пользоваться учебниками, учебными пособиями, нормативными документами, справочниками /1–12/ и данным учебным пособием.
В учебном пособии для каждого раздела проекта изложены принципы проектирования, приведены расчетные схемы, примеры расчетов по вариантам (в табличной форме). Значения символов, используемых в формулах, указаны в пп. 1.3.2, 3.1.2. В приложениях (А–М) приведены необходимые справочные материалы. Проект является техническим документом, разрабатываемым студентом по теме самостоятельно на основании задания и исходных данных. Текст записки и чертежи должны быть выполнены согласно ГОСТам ЕСКД (см. приложение Л).
1.2 Состав и содержание проекта
Проект состоит из пояснительной записки и графической части.
Cодержание проекта:
Титульный лист Введение
1Проектирование пойменной насыпи
1.1Определение необходимой плотности грунта насыпи
1.2Определение высоты наката волны
1.3Проектирование поперечного профиля насыпи
1.4Определение возможных осадок насыпи
1.5Расчеты укрепления откосов
1.5.1Каменная наброска (вариант)
1.5.2Плитное покрытие (вариант)
2Проектирование оздоровления выемки
2.1Проектирование поперечного профиля выемки второго пути
2.2Расчет водоотводной канавы
2.3Проектирование дренажа
2.4Проектирование противопучинных конструкций
2.4.1Противопучинная подушка (вариант)
2.4.2Термоизолирующее покрытие (вариант)
3Учебно-исследовательская работа (УИРС) Заключение Приложения Литература
5
1.3 Исходные данные по проектированию пойменной насыпи
1.3.1 Исходные данные
Пойменная насыпь у раздельного мостового перехода однопутная. Ширина основной площадки земляного полотна (насыпи) Воп принима-
ется в соответствии с категорией железной дороги /1–5/.
Высота насыпи Нн определяется по расчетному поперечнику (ПК +) на продольном профиле (приложение А) Нн = Обр – Оос.
Поперечным уклоном местности ввиду его малости можно пренебречь. На продольном профиле пойменной насыпи указан статический гори-
зонт воды Овв = ГВВ.
Глубину водоема ориентировочно можно принять: Нвд = Ост – Оос = df. Категория дороги по вариантам задания, характеристики верхнего стро-
ения пути, грунта насыпи, ее основания, параметры волнового воздействия и другие исходные данные приведены в приложениях Ж, И.
Компрессионные характеристики (коэффициенты пористости) для грунта насыпи представлены на рисунке 2.1, для грунта основания – на рисунке 2.5 (по вариантам – в приложени К).
Интенсивность поездной нагрузки следует принимать максимально допустимой рп = 80 кПа (для четных вариантов) и рп = 70 кПа (для нечетных вариантов) на ширине bп, равной длине шпалы (2,75 м).
Интенсивность полосовой нагрузки от вернего строения пути рвс, среднюю ширину балластной призмы bвс принимают в зависимости от типа верх-
него строения пути (приложение Б). |
|
||
|
|
1.3.2 Принятые обозначения |
|
Нн, Нв |
– |
высота насыпи, глубина выемки, м; |
|
Обр, Оос, Овв, Онк – |
отметки бровки, основания насыпи земли, статического |
||
|
|
горизонта воды, наката; |
|
Воп, Вм, Вб |
– ширина основной площадки земляного полотна, |
меж- |
|
|
|
дупутья, бермы, м; |
|
m |
– |
показатель крутизны откоса; |
|
xi, yi |
– |
координаты точек в поперечном сечении земляного полот- |
|
|
|
на, м; |
|
hi |
– |
толщина слоя, м; |
|
, d , s |
– |
плотность, плотность сухого грунта, частиц грунта, |
т/м3 |
|
|
(г/см3); |
|
γ, γs , γd |
– |
удельный вес грунта, частиц, скелета грунта, кН/м3; |
|
γн, γос, γв |
– |
удельный вес грунта насыпи, основания, воды, кН/м3; |
|
рп , рвс |
– |
интенсивность поездной нагрузки, верхнего строения пу- |
|
|
|
ти, кПа; |
|
bп, bвс |
– |
ширина полосовой поездной нагрузки, верхнего строения |
|
|
|
пути, м; |
|
6
bj , аj |
– |
ширина прямоугольного, треугольного элементов полосо- |
|
|
вой рj нагрузки, м; |
Ij |
– |
вертикальная составляющая напряжений от единичной j-й |
|
|
(удельной) нагрузки (коэффициент рассеяния напряжений), |
|
|
кПа; |
σп, σвс, σγ |
– |
напряжения от нагрузок: поездной, верхнего строения пу- |
|
|
ти, от собственного веса (грунта), кПа; |
σj i , σо i |
– |
напряжения от элементарных (прямоугольных, треуголь- |
|
|
ных, трапецеидальных) рj нагрузок в i-х точках, суммарные |
|
|
от всех нагрузок, кПа; |
ρнd |
– |
необходимая (нормативная) плотность грунта, т/м3; |
W |
– |
влажность грунта, %; |
е, есн , еск, |
– |
коэффициенты пористости, начальное и конечное его |
еон , еок |
|
значения при статической нагрузке σс; то же при полной |
|
|
нагрузке σо; |
с, снв , сосв |
– |
удельное сцепление грунта, увлажненных частей насыпи, |
|
|
увлажненных частей основания, кПа; |
φ, φнв, φосв |
– угол внутреннего трения грунта, увлажненных частей |
|
|
|
насыпи, увлажненных частей основания, град; |
λв, hв |
– |
параметры волны: длина, высота, м; |
hrun1%, hsеt |
– высота наката волны, ветрового нагона волны, м; |
|
нв, осв |
– |
удельный вес грунта увлажненной части насыпи, увлаж- |
|
|
ненной части основания, кН/м3; |
Qi, Ni , Ti , Ргд |
– |
сила (вес) части (отсека, блока) грунтового массива; ее |
|
|
нормальная, тангенциальная (касательная) составляющие; |
|
|
гидродинамическая сила, кН; |
ωi |
– |
площадь части (отсека, блока) грунтового массива, м2; |
Iо |
– средний угол кривой депрессии, ‰; |
|
Ri |
– |
радиус кривой смещения (обрушения), м; |
βi |
– угол наклона плоскости смещения (отсека, блока), град; |
|
li |
– длина основания отсека (дуги смещения), м; |
|
σпрi , σоi |
– |
напряжения в природном состоянии, нагруженном (после |
|
|
сооружения насыпи), кПа; |
γпрi , γоi |
– |
объемный вес грунта (основания) природного состояния, |
|
|
нагруженного (после возведения насыпи), кПа; |
ηi |
– |
относительная осадка слоя (основания); |
Si , Sос , Sоп |
– |
величина полной осадки слоя, основания, основной пло- |
|
|
щадки насыпи, м; |
Мк |
– |
масса камня, т; |
γк , γп |
– удельный вес камня, железобетонной плиты, кН/м3; |
|
dсрi |
– |
средний размер камня, м; |
δк, δп, δф |
– толщина слоя каменной наброски, плиты сборного покры- |
|
|
|
тия, слоя обратного фильтра, м; |
вш |
– |
ширина шва (между плитами), м; |
dфi |
– размер зерен (частиц материала фильтра), мм; |
|
7
Uн, Kмс – коэффициент неоднородности материала, коэффициент междуслойности.
2Проектирование пойменной насыпи
2.1Определение необходимой плотности грунта
Необходимая (нормативная) плотность грунта ρнd, которая обеспечивает прочность насыпи, т. е. ее работу в период эксплуатации в упругой стадии (без остаточных деформаций), определяется расчетом как функция напряженного состояния грунта насыпи ρнd = f(σ) по формуле
ρнd = ρs /(1 + ео); γо = ρнd (1 + W)g,
где g – ускорение силы тяжести, м/с2.
Расчетный коэффициент пористости (показатель состояния грунта насыпи в упругой стадии), характеризующий необходимую плотность грунта, вычисляется по формуле
ео = есн – Ке (Δеc – ео), ec = ecн – ecк, ео = еон – еок,
где Ке = 1,65 – коэффициент многократности приложения нагрузки. Значения есн, еcк определяются по ветвям нагрузки и разгрузки компрес-
сионной кривой (рисунок 2.1) при статической нагрузке σс = σвc + σγ (постоянные напряжения от верхнего строения пути и собственного веса грунта насыпи), еон, еок определяются при полной нагрузке σо = σс + σп (общие напряжения с учетом временной поездной нагрузки).
Напряжения в насыпи от прямоугольных полосовых нагрузок рп, рвс можно рассчитать по формуле
σji = Iji рj,
где Iji – коэффициент рассеяния напряжений, табличные значения доли напряжений σji вертикальной составляющей, соответствующей интенсивности нагрузки рj = 1,0 кПа в i-й точке.
При координатах точки Мi (yi, xi) Iji = f(yi / bj ; xi / bj). Напряжения от собственного веса грунта σγ = γi (yi – yi-1).
8
e |
|
|
|
|
|
0,760 |
|
|
|
|
|
0,740 |
|
|
|
|
|
0,720 |
|
|
|
|
|
0,700 |
|
|
|
|
|
0,680 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,660 |
|
|
|
|
|
0,640 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,620 |
|
|
|
|
|
0,600 |
|
|
|
|
кПа |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
|
Рисунок 2.1 – Компрессионная кривая грунта насыпи e = f (σ): |
|||||
1 – ветвь нагрузки; 2 – ветвь разгрузки |
|
||||
Напряжения, кПа |
||
п вс |
|
0 |
|
bп |
|
|
|
|
bвс |
|
|
п |
|
|
|
p |
|
|
0 |
|
|
e0 dн,т/м3 0,кН/м3 |
|
B |
оп |
вс |
|
|
|
|
p |
|
|
1 |
|
|
|
|
y |
|
|
|
2 |
1 |
|
|
|
y |
|
|
||
3 |
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
H |
|
2 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
y |
|
|
|
Рисунок 2.2 – Расчетная схема для определения плотности ρнd однопутной насыпи
Определение ρнd следует выполнять для пяти точек по оси насыпи.
П р и м е р . Известно: Насыпь однопутная ПК 1753 + 80. Обр = 212,94; Оос = 196,00 на ПК 1753 и Оос = 197,2 на ПК 1754 (приложение А); верхнее
9
строение легкого типа; шпалы деревянные; грунт глинистый: ρs = 2,7 т/м3; W
= 21 %; рп = 60 кПа; bп= 2,75 м; рвс = 14,0 кПа; bвс= 4,30 м (приложение Б).
Расчетная схема для определения ρнd показана на рисунке 2.2, компрессионная кривая грунта насыпи – на рисунке 2.1.
Нн = 212,94 – 196,0 + 80(196,0 – 197,2) / 100 = 15,98 м. Принимаем Нн = 16,0 м
Р е ш е н и е . В точке О (xо = 0,0; yо = 0,0).
Iпо = f (0,0/2,75; 0,0/2,75) = f (0,0; 0,0) = 1,00 (приложение В).
Iвсо = f (0,0/4,30; 0,0/4,30) = f (0,0; 0,0) = 1,00.
Тогда σп = 1,00 · 60,0 = 60,0 кПа; σвс = 1,00 · 14,0 = 14,0 кПа;
σс = σвс + σγ = 14,0 + 0 = 14 кПа; σо = σс + σп = 14,0 + 60,0 = 74,0 кПа.
По компрессионной кривой (см. рисунок 2.1) находим:
при σс = 14,0 кПа |
есн = 0,752; |
еск = 0,644; |
|||
при σо = 74,0 кПа |
еон = 0,719; |
еок = 0,635. |
|||
Вычисляем |
еc = есн – еск = 0,752 |
– 0,644 |
= 0,108; |
||
|
ео = еон – еок = 0,719 |
– 0,635 |
= 0,084. |
||
Коэффициент пористости ео = 0,752 – 1,65 · (0,108 – 0,084) = 0,712. Необходимая плотность грунта ρнd = 2,70 / (1 + 0,712) = 1,577 т/м3.
Объемный вес грунта γо = 1,577 · (1 + 0,21) · 9,81 = 18,72 кН/м3.
При (x = 0,0; y = 4,0 м) Iп1 = f (0,0/2,75; 4,0/2,75) = f (0,00; 1,45).
Линейно интерполируя по приложению В, определяем:
Iп1 = 0,46 – ((0,46 – 0,40) / (1,50 – 1,25))(1,45 – 1,25) = 0,412;
σп1 = 0,412 · 60= 24,72 кПа.
Iвс1 = f (;0,0/4,3;4,0/4,3) = f (0,00; 0,93;) =
= 0,67 – [(0,67 – 0,54) / (1,00 – 0,75)](0,93 – 0,75) = 0,576;
σвс1 = 0,576 · 14,0 = 8,06 кПа.
Принимаем γо1 = 18,72 кН/м3, тогда
σγ1 = 0 + 0,5(18,72 + 18,72) · 4,0 = 74,88 кПа. Вычисляем σс1 = 8,06 + 74,88 = 82,94 кПа;
σо1 = 82,94 + 24,72 =107,66 кПа.
По компрессионной кривой (см. рисунок 2.1) находим:
при σс1 = 82,94 кПа есн1 = 0,714; еск1 = 0,634; при σо1 = 107,66 кПа есн1 = 0,701; еск1 = 0,631.
Вычисляем ес = 0,714 – 0,634 = 0,080; ео = 0,701 – 0,631 = 0,070;
ео1 = 0,714 – 1,65 · (0,080 – 0,070 ) = 0,698.
Необходимая плотность грунта ρнd2 = 2,70 / (1 + 0,698) = 1,590 т/м3.
Объемный вес грунта γо1 = 1,590 · (1 + 0,21) · 9,81 = 18,87 кН/м3.
Дальнейший расчет для точек 2, 3, 4 приведен в табличной форме (таб-
лица 2.1).
По результатам расчета вычерчиваются эпюры сжимающих напряже-
ний σi, а также еоi, ρнdi, γi (см. рисунок 2.1). Находим средние значения:
еср = (0,712 + 0,698 + 0,677 + 0,659 + 0,641) / 5 = 0,677;
нdср = (1,577 + 1,590 + 1,610 + 1,627 + 1,645) / 5 = 1,610 т/м3. γоср = (18,72 + 18,87 + 19,11 + 19,31 + 19,53) / 5 = 19,11 кН/м3.
10