Уч. пособие для курсового проектирования пойменной насыпи и оздоровления выемки

Таблица 2.1 – Определение плотности грунта по оси насыпи

2.2 Проектирование поперечного профиля насыпи

2.2.1 Определение высоты наката волны

Пойменные насыпи проектируются обычно с бермами для повышения устойчивости и укрепления покрытиями низовых частей откосов от волнового воздействия.

11

ны разгона ветровых волн Lвв, параметров волны: длины λв, высоты hв, периода Tв по /1/.

Для курсового проекта λв, hв, dпд, hset указаны в задании; hrun1% (0,8 1,0) hв.

При проектировании пойменной насыпи предварительно определяется Ннк и соответственно положение бермы.

П р и м е р . Известно: уровень статического горизонта воды Овв = 201,40;

отметка основания Оос = 196,00; dпд = 0,2 м; hset = 0,1 м; λв = 9,9 м; hв = 0,9 м.

Расчетная схема приведена на рисунке 2.3.

Ре ш е н и е. df = 201,40 – 196,00 = 5,4 м; hrun1% = 1,0 · 0,9 = 0,9 м;

а= 0,3 м.

Hнк = 5,4 + 0,2 + 0,1 + 0,9 + 0,3 = 6,9 м;

Онк = 196,0 + 6,9 = 202,90.

На поперечном профиле пойменной насыпи, на уровне Ннк , положение бермы принимается по высоте.

Ширина бермы Вб определяется при проектировании поперечного профиля по условию устойчивости насыпи (Вб 4,0 м) и технологии работ.

2.2.2 Расчет устойчивости насыпи

Поперечный профиль пойменной насыпи проектируется по условию обеспечения ее устойчивости. Коэффициент устойчивости насыпи из глинистых грунтов определяется графоаналитическим способом при круглоциллиндрической поверхности смещения /1, 2, 3, 9/. Графически определяют размерные параметры bi, hi-1, hi площадей ωi отсеков; частей отсеков насыпи неувлажненных ωн (выше кривой депрессии), увлажненных ωнв (ниже кривой депрессии), увлажненного основания ωосв .

Вычисляют:

удельный вес грунта увлажненной части насыпи

вес отсеков неувлажненной зоны Qнi = γнωнi; γ = ρg; неувлажненной и увлажненной зоны насыпи Qнвi = γнωнi + γнвωнвi;

то же с учетом увлажненной части основания Qосвi = γнωнi + γнвωнвi + γосвωосвi. Измеряют радиус R, проекции радиуса хi для каждого отсека, определя-

ют синусы, косинусы углов βi между направлениями вертикальных векторов веса и радиуса для каждого отсека.

12

Измеряют центральные углы αн , αнв ,αосв; длины основания отсеков li или вычисляют длины кривых lαi = π R αi / 180 = ∑li .

Определяют гидродинамическую силу: Ргд = Iоγв (∑ωнвi + ∑ωосвi). Коэффициент устойчивости рассчитывается по формуле

Кус = Муд /Мсд = Руд i / Рсд i ,

где Муд, Мсд – моменты удельного сдвига сил.

В развернутом виде вычислительная формула имеет следующий вид:

Kус = [fн (Qнi ∙ cos i) + fнв (Qнвi ∙ cos i) + fосв (Qосвi ∙ cos i) + сн lнi + снв lнвi +

сосв lосвi + (Qосвi ∙ sin i) уд] /

[ (Qнi ∙ sin i) + (Qнвi ∙ sin i) + (Qocвi ∙ sin i)cд + Ргд].

Должно быть Кус ≥ Кзд =1,2.

П р и м е р . Известно: Нн = 16,0 м; Вб = 6,0 м; Оос = 194,00 м; Онк = 203,0 м.

Характеристики грунта насыпи: γsн = 27,0 кН/м3; γн = 19,45 кН/м3;

W = 21 %; ен = 0,680; сн = 22 кПа; φн = 24о; Iо = 0,05;

грунта основания: γsос = 26,0 кН/м3; сос = 24 кПа; φос = 26о, W = 20 %. Нагрузки: рп = 60 кПа; bп = 2,75 м; верхнее строение пути тяжелого типа,

шпалы деревянные, рвс = 14,0 кПа; bвс = 4,30 м, зажанный коэффициент устойчивости Кзд = 1,2.

Графические построения расчетной схемы. Поперечный профиль насы-

пи (рисунок 2.3) вычерчиваем (на миллиметровной бумаге в масштабе 1:100 или 1:200) по типовым очертаниям /1, 2, 3, 4/ m1 = 1,5; m2 = 1,75; m3 = 2,0. Берма размещается на уровне Ннк. Нагрузки рп, рвс заменяем эквивалентным (фиктивным) столбиком грунта шириной bэ = bп = 2,75 м, высотой hэ:

hэ = (рп + рвс bвс / bп) / γн = (60,0 + 14,0 · 4,3 / 2,75) / 19,45 = 4,2 м.

Устанавливаем точки (подошвы откоса А, удаленного конца шпалы В), через которые пройдет возможная кривая смещения. Соединяем точки хордой АВ, к середине восстанавливаем перпендикуляр (линия центров ОМ), проводим вспомогательную линию под углом 30…360 к горизонтальной нижней грани фиктивного столбика грунта до пересечения с линией центров в точке О. Радиусом R = ОА = ОВ = 40,6 м описываем кривую возможного смещения, опускаем вертикаль ОС. Проводим кривую депрессии от точки пересечения линии Овв с осью пути с уклоном Iо.

Разбиваем массив смещения на отсеки с учетом переломов профиля, сухой BE и обводненной ЕF частей насыпи и основания FA с площадями ωi и их частями: ωн – в неувлажненных зонах отсеков насыпи; ωнв – увлажненных; ωосв – увлажненных зонах основания насыпи.

Проводим лучи из точки О к границам сред обводнения ОЕ, ОF. Определяем центральные углы α1 = 24,50, α2 = 21,00, α3 = 16,00, измеряя транспортиром.

13

Измеряем в масштабе расчетной схемы горизонтальные расстояния хi от вертикали (из центра О) до середины каждого отсека – проекции радиуса Ri; размеры отсеков: высоту hi, ширину bi (и, возможно, длину основания li).

Таблица 2.2 – Расчетные показатели Кус (R = 40,6 м)

Ширина бермы Вб определяется из условия устойчивости. Принимаем Вб = 6…8 м, вычерчиваем низовую часть откоса насыпи с крутизной откоса

1:2,0.

n 1

Следует проверять xi, вычисляя xn = bi + 0,5bi+1.

i 1

Ре ш е н и е. Определяем расчетные параметры для грунта насыпи: γнв = (γsн – γв) / (1 + ен) = (27,0 – 9,81) / (1 + 0,680) = 10,2 кН/м3;

коэффициент трения fн = tg 24о = 0,445; fнв = 0,75 · 0,445 = 0,334;

удельное сцепление снв = 0,5 · 22 = 11 кПа.

Для грунта основания при нагрузке σос = γнНн = 19,4 · 16,0 = 310,4 кПа (после возведения насыпи) еос = 0,624 находят по компрессионной кривой (рисунок 2.4).

γос = [γsос / (1 + еос)] · (1 + W), кН/м3.

γос = [26,0 / (1 + 0,624)] · (1 + 0,2) = 19,21 кН/м3;

γосв = (26,0 – 9,81) / (1 + 0,624) =9,97 кН/м3;

15

fос = tg 26о = 0,488; fосв = 0,75 · 0,488 = 0,366; сосв = 0,5 · 24 = 12 кПа.

Расчетные показатели Кус (хi, sin i, cos i, bi, h i-1, hi, i, Qi) приведены в таблице 2.2.

Для контроля ∑li вычисляем

Используя полученные расчетные показатели (таблица 2.2) определяем гидродинамическую силу Pгд = 0,05 · 9,81 · (62,23 + 2,86) = 31,93 кН; коэф-

фициент устойчивости:

Kус = (0,445 · 1087,6 + 0,334 · 1105,9 + 0,336 · 365,2 + 22 · 17,4 + 11 ∙ 14,9 + 12 · 11,3 + 6,5) / (889,6 + 359,7 + 19,6 + 31,93) = (1675,8 / 1300,9) = 1,29

Поскольку Кус = 1,29 > Кзд = 1,20, принимаем поперечный профиль пойменной насыпи типовых очертаний с бермой шириной 6,0 м (см. рисунок 2.3). Если Кус < Кзд , следует увеличить ширину бермы и определить Кус (до соблюдения условия устойчивости).

2.3 Определение возможных осадок насыпи

Для обеспечения стабильности насыпи следует определить величины возможных осадок ее основания, основной площадки насыпи и предусматреть необходимые инженерные мероприятия /1, 2, 5/.

Вертикальная осадка основания Sос, вызываемая возведением насыпи, определяется на основе теории компрессионного уплотнения как сумма осадок ∑Si слоев грунта основания в зоне разбивки его на слои hi и, возможно, дополнительной Sдб в ниже расположенной зоне:

Sос = ∑Si + Sдб.

Величина осадки каждого слоя равна Si = ηihi ,

где ηi – относительная осадка слоя; ηi = (епрi – еоi) / (1+епрi) ; hi – толщина слоя (основания); hi = yi – yi-1.

Значения коэффициентов пористости:

епрi – природные (до возведения насыпи), определяются по компрессионной кривой грунта основания при известных напряжениях от собственного веса массива основания σпрi;

еоi – расчетные (после возведения насыпи) при известных суммарных напряжениях от собственного веса грунта основания σγi и воздействия (элементарных рj нагрузок) насыпи ∑рji. Влиянием временной поездной нагрузки рп на основание высокой насыпи и от верхнего строения пути рвс можно пренебречь (ввиду их малости).

Величина вертикальной осадки основной площадки насыпи

Sоп = αпоSос – КпоНн,

где αпо – доля полной осадки, реализуемой после возведения насыпи; Кпо – коэффициент погашения осадки основания в теле насыпи.

Последовательность определения So и Sоп по оси пути

16

На расчетной схеме – поперечном профиле (рисунок 2.4) основание насыпи разбивается горизонталями в уровнях yi на несколько слоев hi.

Сначала определяется епрi в точке Оо (xо = 0,0; yo = 0,0) hо = 0,0 м;

σпро = 0,0 кПа.

По компрессионной кривой (грунт основания) для σпро принимается епро.

Удельный вес γпр о = [γsос / (1 + епро)](1 + W).

В точке 1 (x1 = 0,0; y1 = 1,0) h1 = 1,0 принимается: γ/пр1 = γпро, кН/м3 ;

тогда σпр1 = σпр0 + 0,5(γ′про + γ/пр1)h1 = σпр1 .

По компрессионной кривой (рисунок 2.5) для σпр 1

Удельный вес γпр1 = [γsос / (1 + епр1)](1 + W). Аналогично определяются епрi в других точках (по σ

σпрi = σпр(i-1) + 0,5(γ′прi + γ′пр(i-1))hi .

П р и м е р 1 . Известно: sос = 26,8 кН/м3, Wос = 20 %.

Расчетная схема показана на рисунке 2.4, компрессионная кривая приведена на рисунке 2.5. Горизонтальные слои на уровнях y1 = 1,0 м; y2 = 5,0 м; y3

=10,0 м; y4 = 15,0 м.

Ре ш е н и е. Определяем напряжения прi и епрi.

В точке О (xо = 0,0 ; yо = 0,0) hо = 0,0 м; про = 0,0 кПа. По компрессионной кривой епр о = 0,720.

γпр0 = [26,8 / (1 + 0,720)](1 + 0,20) = 18,70 кН/м3.

Принимаем γ′пр1 = γпр0 = 18,70 кН/м3.

В точке 1 (0,0; 1,0) h1 = 1,0 м.

пр1 = 0,5(18,70 + 18,70) 1,0 = 18,70 кПа.

По компрессионной кривой епр1 = 0,713.

Вычисляем пр1 = (26,8 / 1,0 + 0,713) (1,0 + 0,20) = 18,77 кН/м3.

Принимаем γ′пр2 = γпр1 = 18,77 кН/м3.

Определение епрi для других точек выполняется аналогично (таблица 2.3). Далее для определения еоi необходимо рассчитать напряжения в основа-

нии насыпи:

оi = ji + i ,

где ji – сумма напряжений от комплекса элементарных рj – трапецеидальных нагрузок, эквивалентная нагрузке от насыпи в i–й точке;

i – напряжение от собственного веса грунта основания в i–й точке. Напряжения ji в i-х точках основания на глубинах yi можно опреде-

лить, пользуясь значениями Iji по графику (приложение Г) с разбивкой эпюр нагрузок насыпи на полутрапеции таким образом, чтобы каждая нагрузка была приложена к поверхности основания (рисунок 2.4). Интенсивность нагрузок рj; координаты: aj – для треугольной, bj – для прямоугольной частей трапеции.

Напряжения в точке О (уо = 0,0 м) оо = нсрНн.

В точке 1(у1 = h1) напряжения от симметричных трапецеидальных нагру-

зок j1 = 2Ij1pj,

где Ij1 = f (аj/y1; bj/y1) определяются по графику (приложение Г).

17