Уч. пособие для курсового проектирования пойменной насыпи и оздоровления выемки

I41 = f (13,83 / 1,0; 15,68 / 1,0) = f (13,83; 15,68) = 0,5;

41 = 2 0,5 153,26 = 153,26 кПа.

Напряжения от пятой нагрузки: а5 = 15,8 м; b5 = 23,68 м;

I51 = f (15,8 / 1,0; 23,68 / 1,0) = f (15,8; 23,68) = 0,5;

51 = 2 0,5 153,26 = 153,26 кПа.

От всех нагрузок j1 = 310,40 – 194,00 + 194,00 – 153,26 + 153,26 =

310,40 кПа.

Определение напряжений для других точек выполняют аналогично (таб-

лица 2.4).

Определение еоi выполняется в следующем порядке (см. таблицу 2.3):

В точке О для оо по компрессионной кривой определяется еоо, вычисля-

ется

оо = [γsос / (1 + еоо)](1 +W), кН/м3.

По компрессионной кривой для о1 определяются ео1, вычисляется

о1 = [γsос / (1 + ео1)](1 +W), кН/м3.

Аналогично еоi определяются и для других точек:

i = (i-1) + 0,5( оi + оi-1) hi; оi = ji + i.

Вычерчивается график относительных осадок по глубине i = f(y), который экстраполируется до пересечения с осью ординат на уровне уm. Определяются осадки по слоям Si = 0,5 ( i-1 + i )hi;

добавочная осадка (ниже рассмотренных слоев) Sдб = 0,5 n (уm – уn); осадка основания Sос =ΣSi+ Sдб;

осадка основной площадки насыпи Sоп = по Sо– Кпо Нн,

где по – доля полной осадки насыпи, реализуемой после ее сооружения; Кпо = 0,001 – коэффициент погашения осадки основания в теле насыпи. П р и м е р 3 . Известны ji (см. таблицу 2.4); sос = 26,8 кН/м3;

Wос = 20 %; по = 60 % .

Расчетная схема показана на рисунке 2.4 у1 = 1,0; у2 = 5,0; у3 = 10,0;

у4 = 15,0 м.

Компрессионная кривая приведена на рисунке 2.5.

Р е ш е н и е. В точке О для оо = 310,4 кН/м2 по компрессионной кривой находим еоо = 0,625.

Вычисляем оо = [26,8 / (1 + 0,625)](1 + 0,20) = 19,79 кН/м3.

В точке 1 принимаем 'о1 = оо = 19,79 кН/м3.

Тогда 1 = 0,00 + 0,5 (19,79 + 19,79) 1,0 = 19,79 кПа;

о1 = 310,40 + 19,79 = 330,19 кПа; по компрессионной кривой ео1 = 0,622

вычисляем о1 = [26,8 / (1 + 0,622)] (1,0 + 0,20) = 19,83 кН/м3.

В точке 2 принимаем 'о2 = о1 = 19,83 кН/м3.

21

По полученным данным вычисляем относительные осадки

о = (0,720 – 0,625) / (1 + 0,720) = 0,056;

i – в таблице 2.3; осадки по слоям S1 = 0,5 (0,056 + 0,048) 2,0 = 0,104 м;

Si – в таблице 2.4; Si = 0,510 м.

Строим график i = f (y) (см. рисунок 2.4), измеряем, ym = 22,6 м.

Определяем Sдб = 0,5 0,018 (22,6 – 15,0) = 0,068 м.

Полная осадка основания насыпи по оси пути Sо = 0,510 + 0,068 = 0,578 м; осадка основной площадки насыпи Sоп = 0,6 0,578 – 0,001 16,0 = 0,331 м.

Для компенсации осадки, обеспечения проектного положения пути (у моста) принимается подъемка пути на балласт на величину осадки основной площадки. Тогда величина необходимого уширения основной площадки насыпи при показателе крутизны откоса балластной призмы mб равна:

bуш = 2 mбSоп = 2 1,5 0,331 = 0,993 м.

Полная ширина основной площадки насыпи

Вуш = Воп + bуш = 6,0 + 0,993 = 6,993 7,0 м.

22

2.4 Расчеты укрепления откосов

Для укрепления откосов от волнового воздействия воды можно применять покрытия из бетонных плит, каменную наброску из местных материалов, коробчатые габионы, плоские матрацы Рено /9/ и другие виды крепления

/1, 2, 8, 10/.

В конструкциях укреплений рассчитываются толщина покрытия, наброски, обратный фильтр для предупреждения суффозии грунта и материала фильтра (при эксфильтрации воды) из насыпи.

2.4.1 Вариант каменной наброски

Конструкция каменной наброски состоит из верхнего (первого 1), нижнего (второго 2) слоев камня и обратного фильтра ф . Расчетная схема показана на рисунке 2.6.

Толщина каменной наброски кн = 1 + 2 + ф. Толщина первого слоя 1 = Ксdш1, второго 2 = Ксdш2,

где коэффициент Кс принимается равным 2,0 при многослойной (двухслойной) наброске; 2,5 – при наброске из сортированных камней; 3,0 – при несортированной горной массе.

Расчетный размер камня (приведенный к шару): верхнего (первого) слоя dш1 = 1,2408(Qк/γк)1/3; нижнего (второго) слоя dш2 = 0,37 dш1.

Вес камня верхнего слоя в зоне обрушения волны

Qk = ( К fr к hв 22% в ) / ( к / в 1)3 1 ctg 3 от ,

где Кfr – коэффициент, учитывающий форму материала наброски, равный 0,025…0,020 – для крупного камня; 0,017 – для массивов; 0,008 – для тетраподов; γк, γв – удельный вес камня, воды, кН/м3;

hв 2% 0,9hв1% – высота волны с обеспеченностью 2 %, м;

от – угол крутизны откоса.

Зерновой состав материала однослойного обратного фильтра для каменной наброски принимается по размеру частиц, составляющих 50 % от веса d50ф = 0,2dш2; d30ф = (5/6)d50ф; при коэффициенте неоднородности материала Uнф = d60ф / d10ф = 5…20. Толщина обратного фильтра из песчано-гравийного материала принимается не менее 0,35 м.

П р и м е р . Известно: в = 9,3 м; hв1% = 0,81 м; γк = 25,0 кН/м3; m = 2,0.

Расчетная схема показана на рисунке 2.6.

Р е ш е н и е. Принимаем Кfr = 0,025.

Вычисляем hв 2% = 0,9 · 0,81 = 0,73 м; вес камня верхнего слоя:

Qк = (0,025 · 25 · 0,732 · 9,30) / [(25/10 – 1)3 · 1 23 ] = 0,306 т.

Расчетный размер камня первого слоя dш1 = 1,2408 3 0,066 / 25,0 = 0,296 м;

23

второго слоя dш2 = 0,37 · 0,296 = 0,106 м. Определяем толщину каменной наброски: первого слоя 1 = 2 · 0,296 = 0,572 м; второго слоя 2 = 2 · 0,106 = 0,212 м.

Толщину однослойного обратного фильтра из песчано-гравийного материала принимаем ф = 0,35 м, или принимаем, что откос покрыт геотекстилем (в качестве обратного фильтра).

Общая толщина каменной наброски: кн = 0,13 + 0,05 + 0,35 = 1,134 м.

Рисунок 2.6 – Укрепление откоса каменной наброской

2.4.2 Вариант плитного покрытия

Конструкция покрытия сборная из железобетонных плит размером А × В толщиной δпл. Под плитами расположен слой обратного фильтра толщиной δф. В основании покрытия – бордюрный упор с рисбермой (рисунок 2.7).

Толщина железобетонной плиты определяется по формуле

где Кз = 1,1…1,2 – коэффициент запаса; Кп – коэффициент, учитывающий тип покрытия и принимаемый для

сборного покрытия – 1,1; монолитного – 1,0; Впл – размер (длина ребра) плиты нормально урезу воды.

Количество плит nп на откосе определяется по длине низового откоса lот:

Зерновой состав материала однослойного обратного фильтра принимается d50ф = 2 bш, где bш – ширина шва между плитами.

В качестве фильтра можно применять слой геотекстиля, укладываемого на слое (подушке) из песка или каменной мелочи, толщиной 0,2 м (рисунок

2.7).

24

П р и м е р . Известно: в = 9,3 м; hв1% = 0,81 м; п = 26,0 кН/м3; m = 2,0.

Расчетная схема показана на рисунке 2.7. Верхняя граница укрепления находится на уровне Ннк = 7,9 м.

Р е ш е н и е. Выбираем плиты размером А × В = 2,5 × 2,0 м; вш = 0,01 м,

[1, 2, 3].

Определяем толщину бетонной плиты:

пл = 0,07 ∙ 1,2 ∙ 1,1 ∙ 0,81 3 9,3 / 2,0 [9,81/(26,0 9,81)] (2,02 1) / 2,0 = 0,085 м;

принимаем δпл = 0,15 м (или 0,12 м из предварительно напряженного железобетона).

Определяем количество плит на откосе: nпл = 7,9 1 22 / 2,0 = 8,83. Прини-

аем nпл = 9 шт.

В качестве обратного фильтра принимаем слой геотекстиля, укладываемого на слое песка или каменной мелочи, толщиной 0,2 м.

3 Проектирование оздоровления выемки

3.1 Исходные данные для проектирования оздоровления выемки

3.1.1 Исходные данные

Выемка расположена на двухпутном участке. Исходные данные принимаются по планшету (приложение Л) или по приложению И, где приведены размерные характеристики – отметки земли Оз, Об, необходимые для проектирования поперечного профиля; отметки Овр, Ов, Ос, Он и расходы воды по участкам qi – для расчета водоотводной (нагорной) канавы; отметки Оу, Ог, i,

25

Lв и характеристики грунта, необходимые для проектирования дренажа; размерные характеристики пучин hп, lп – для проектирования противопучинных конструкций. Исходные данные следует рассматривать как материалы обследования выемки и лабораторных испытаний грунтов.

Другие необходимые данные для проектирования и оздоровления выемки студент может принимать по справочникам, литературным источникам.

Справочный материал для проектирования: коэффициенты гидравлической шероховатости; допустимые (неразмывающие) средние скорости течения воды для искусственных укреплений; характеристики дренажных труб; классификация пучин, допустимые уклоны (крутизна) отводов рельсовых плетей на пучинах, размеры балластной призмы и противопучинных подушек и др. /1/. Следует пользоваться также нормативными документами, научно-техническими журналами, справочниками, учебниками /2–5/.

3.1.2 Принятые обозначения

Оз, Об, Ог, Оу – отметки земли, бровки, грунтовых вод, водоупора, м; Нв – глубина выемки, м;

Воп, Вм – ширина основной площадки, междупутья земляного полотна, м;

qj – расход воды в канаву, в дренаж (на 1 пог. м, на участке), м3/с;

Qр – расчетный расход воды, м3/с;

Vв – скорость течения воды, м/с;

hв – глубина воды в водоотводной канаве, м; Hк – полная глубина водоотводной канавы, м; вк – ширина водоотводной канавы понизу, м;– площадь живого сечения водоотвода, м2;

Овр, Ов, Ос, Он – отметки водораздельной, верхней, средней, нижней частей выемки;

Lв, Lк – длина выемки, водоотводной канавы;

m, mк – показатель крутизны откоса водоотводной канавы;

iγ, iк, iм, iд – уклон продольного профиля пути, дна канавы, местности, дренажа;

Кш – коэффициент шероховатости;

Rв, в – гидравлический радиус водоотвода, смоченный периметр водоотвода, м;

nг, nп, nз, na – пористость грунта, песка, заполнителя (дренажа), активная пористость, %;

e – коэффициент пористости грунта;

γг, γd, γв – удельный вес грунта, cухого, воды, кН/м3;

W, Wм – влажность естественная, максимальная молекулярная, %; mо – водоотдача (объем осушения пор);

to – срок осушения грунта дренажем, сут.; Кф – коэффициент фильтрации воды, м/с;

26

Io – средний уклон кривой депрессии;

акп – высота капиллярного поднятия воды, м; hд – глубина заложения дренажа, м;

ад – полуширина траншеи дренажа, м; Нд – высота бытового горизонта грунтовых вод (над дном

дренажа), м;

dт – диаметр дренажной трубы (дрены), м;

hо – расстояние по вертикали от верха трубы до дна дренажной траншеи, м;

δб, δс, δн – толщина балластного слоя (балластной призмы), существующего (старого), нового, м;

bв, bн – ширина балластной призмы по верху, по низу, м; Zпр – глубина промерзания, м;

Км, Кб – коэффициент промерзаемости материала (противопучинной конструкции), балласта;

Lм – половина длины междренажного пространства (от оси выемки до ближней стенки траншеи), м;

Lо – длина проекции кривой депрессии на горизонталь (с полевой стороны), м;

hк – глубина кювета, м;

bкв, bкн – ширина кювета по верху, по низу, м;

hп, hр, hг – величины пучения полного, равномерного (за пределами пучины), величина пучинного горба, мм;

lп, lпу – длина пучины, пучинного участка, м;

iд – допустимый уклон отводов рельсовых нитей пути на пучине, %;

lо – длина отвода рельсовых нитей на пучине, мм;

Пв, Пн, Птп – толщина врезной, накладной противопучинных подушек, термопокрытия, м;

Впв, Впн, Втп – ширина подушки по верху, по низу, термопокрытия, м; Dс – длина сопряжения противопучинной подушки,

термопокрытия, м;

Dв – длина врезной противопучинной подушки, термопокрытия (с сопряжениями), м;

Vп – скорость движения поездов, км/ч.

3.2 Проектирование поперечного профиля выемки второго пути

Поперечный профиль выемки второго пути проектируется в соответствии с требованиями СНиП, СТН, технических указаний, альбома типовых поперечных профилей земляного полотна вторых путей, а также справочной и учебной литературы. Глубина выемки Hв = Оз – Об

Ширина основной площадки выемки существующего первого пути

27

Вс = 5,8 м, крутизна путевого откоса кювета 1 : 1,0. Ширина основной площадки выемки второго пути Вн принимается согласно приложениям 1, 2 /1/ в зависимости от категории дороги, типа верхнего строения пути.

Полная ширина основной площадки выемки Воп = 0,5 Вс + Вм + 0,5 Вн. Геометрические очертания выемки в глинистых грунтах должны соот-

ветствовать нормальным типовым поперечным профилям. При проектировании поперечного профиля следует в принятом масштабе (1 : 100 или 1 : 200) вычертить все конструктивные элементы выемки: основную площадку (со сливной) призмой, кюветы, откосы; с нагорной стороны банкет, забанкетную канаву, кавальер, нагорную канаву. Поперечные размеры определяют расчетом.

Для оздоровления выемки существующего (первого) пути в курсовом проекте разрабатывается комплекс мероприятий с расчетом водоотводной (нагорной) канавы, дренажа и противопучинных конструкций.

3.3 Расчет водоотводной канавы

Для сбора и отвода поверхностных вод проектируется водоотводная (нагорная) канава по известному расходу паводкового и ливневого стока. При гидравлическом расчете определяются размеры поперечного профиля водоотводной канавы: глубина hк, ширина по дну bк, уклон продольного профиля iк, вид укрепления для каждого из трех (или более) j-x участков длиной lк (с однообразными уклонами), на которые разделяется канава по длине. Длину каждого из трех участков можно принять примерно равной lj ≈ (1/3)Lк

.

Предварительно определяются уклоны местности iмj на каждом участке по уклонам продольного профиля; принимается крутизна откосов 1 : mj по виду грунта (для глины, суглинка – 1 : 1,5; супеси – 1 : 2,0); уклоны дна канавы iкj по iмj; выбирается вид укрепления, соответственно коэффициент шероховатости Kшj и допустимая скорость течения воды Vдj .

Продольный уклон местности на участках

iмj = (Оj – Оj-1) : lкj .

По известным расходам воды для каждого участка qj определяются об-

n

щие расходы (с учетом транзита) Q j q j q j . Затем вычисляются коэффи-

j 1

циенты

Km 21 m2 ; К а (2К m m ) 1 ; y 1,5К m .

Для каждого участка канавы определяется площадь наивыгоднейшего

гидравлического сечения min j 0,5 y 1,25 Q j Kшj /(K ay 0,5 iк0j,5 ) . Вычисляются hкj min j /(Km m) ; bкj hкj (K m 2m) 0,6 м.

Если bкj < 0,6 м (в случае min j < 2,1 м2; hкj < 1,0 м), то принимают bкj = 0,6 м и для определения hкj вычисляют корни уравнения

min j 0,6hкj mhк2j , mhк2j 0,6hкj min j 0 ;

28

Расчетный расход воды Qрj = jVj. Должно быть 100 (Qj Qкj ) / Qj 5 %.

Если погрешность ∆ > 5 %, изменяют hкj и повторяют проверочный расчет итерационно до соблюдения принятой погрешности (сходимости результатов).

П р и м е р . Известно: q1 = 1,5 м3/c; q2 = 1,7 м3/с; q3 = 1,6 м3/с.

Грунт – супесь пылеватая, отметки на продольном профиле (рису-

нок 3.1).

Определяем iм1 = (108,05 – 102,58) / 150 = 0,0365; iм2 = 0,0174;

iм3 = 0,0035. Принимаем mк = 2,0; iк1 = 0,036; iк2 = 0,017; iк3 = 0,004.

Определяем общие расходы воды по участкам

Q3 = 1,6 м3/с; Q2 = 1,7 + 1,6 = 3,3 м3/с; Q1 = 1,5 + 3,3 = 4,8 м3/с.

Вычисляем коэффициенты

укрепление железобетонными лотковыми секциями: Кш1 = 0,014; Vд1 = 8,0 м/с; (приложение 5 /1/).

Определяем y1 1,50,014 0,177 ; площадь гидравлически наивыгоднейшего сечения

min 0,5 0,177 1,25 4,8 0,014 /(0,3180,177 0,5 0,0360,5 ) 0,822 м2;

глубину канавы h 0,822 /(4,472 2,0) 0,58 м;

к1

ширину по дну bк1' = 0,58(4,472 – 2 ∙ 2,0) = 0,27 < 0,6 м.

Принимаем ширину канавы по дну вк1 = 0,6 м.

Тогда 0,822 = 0,6hк1 + 2,0 h2к1; 2,0 h2к1 + 0,6hк1 – 0,822 = 0,

глубина канавы hк1 ( 0,3 0,09 2,0 0,822) / 2,0 0,51 м;

Нк1 = 0,51 + 0,2 = 0,71 м.

Вычисляем Rк1 0,822 /(0,6 4,472 0,51) 0,285 м.

Выполним проверку. Скорость течения воды

Vр1 = (1 / 0,014)0,2850,177+0,5 ∙ 0,0360,5 = 5,79 < 8,0 м/с. Расход воды Qр1 = 0,822 ∙ 5,79 = 4,76 м3/с.

Погрешность 100(4,80 4,76) / 4,80 0,8% 5,0 % .

Гидравлический расчет среднего и верхового участка выполняют аналогично. Примем, что укрепление на среднем участке будет выполнено одиночным мощением камнем, на верхнем – одерновкой плашмя. Результаты расчета приведены в таблице 3.1.

29

Вычерчивают продольный профиль нагорной канавы (рисунок 3.1), поперечные профили для участков (рисунок 3.2), можно с проекцией (планом) укрепления.

Рисунок 3.1 – Продольный профиль водоотводной канавы

Рисунок 3.2 – Варианты укрепления канавы:

1 – железобетонными лотковыми секциями; 2 – каменным мощением; 3 – одерновкой откосов с щебневанием дна

30