1.2. Проектирование поперечного профиля насыпи, расчет на устойчивость ее низового откоса (с учетом подтопления насыпи паводковыми водами).

Насыпи, располагаемые в поймах рек, на мостовых переходах через водотоки называются пойменными. При их проектировании необходимо учитывать ряд специфических требований, которые отсутствуют в случае проектирования суходольных насыпей.

В первую очередь необходимо определить расчетную отметку бровок таких насыпей или незатопляемых берм, если последние необходимы. Эти отметки рассчитывают с учетом требований СТН Ц-01-95 таким образом, чтобы бровки или незатопляемые бермы были надежно защищены от воздействия ветровых волн с учетом их наката, которые могут возникать при ветреной погоде во время максимального подъема паводковых вод.

При расчетах устойчивости пойменных насыпей должны также принима-ться в расчет те соображения, которые относятся к воздействию воды на грунты насыпей. Это воздействие разнообразно, а наихудшие условия создаются тогда, когда паводковая вода, полностью насыщая грунты насыпи до наивысшего рас-четного уровня воды (НРУВ), очень быстро уходит из поймы.

В результате расчета в программа ДКУ 4.0 (см. прил.1) были получены значения коэффициента устойчивости:

- для верхней части насыпи К_min=1,435;

- для нижней части насыпи К_min=1,342.

При расчете применялся статический метод, следовательно, необходимо учесть влияние динамических нагрузок:

. (1.2.1)

где – коэффициент динамики для насыпи, принимаемые в зависимости от

величины поездной нагрузки (80 кПа), грунта слагающего насыпь

(супесь), полной высоты насыпи (14,1м) и расстояния от верха насыпи до

рассматриваемой точки (7,87м). Определяется по табл.п.5.3 стр.347 [1].

Коэффициент динамического воздействия принимается равным:

- для верхней части насыпи а_д= 1,165;

- для нижней части насыпи а_д= 1,07.

Таким образом:

; .

Полученные значения коэффициентов устойчивости удовлетворяют нормам для I категории железной дороги. Запроектированную насыпь оставляем без изменений. Поперечный профиль насыпи см. прил.2.

1.3. Определение осадки основания насыпи и требуемого

уширения основной площадки.

При индивидуальном проектировании производится расчет осадок основания насыпи и предусматриваются мероприятия по устроению их последствий, либо по предотвращению их появлений.

К таким мероприятиям относятся:

- назначение запаса на осадку применяется, если есть возможность обеспечить временное повышение отметок без нарушения требований по уклону;

- уширение основной площадки земляного полотна с последующей в период эксплуатации пути подъемкой на балласт;

- мелиорация грунтов основания для предотвращения осадки; устройство свайных оснований и мероприятия по ускорению консолидации грунтов. Применяется при больших величинах осадок (слабые грунты) на скоростных и особогрузонапряжен-ных линиях.

Основные предпосылки:

- применяется метод послойного суммирования;

- основание насыпи по глубине произвольно делится на ряд слоев при однород-ном сложении см. рис.1.3.1 и по границам литологических слоев при многослойном. Минимальное количество слоев 3, а верхний из них желательно принимать меньшей толщины;

- основание считается весомым, напряжения в котором определяются от внешних нагрузок и собственного веса грунта;

- внешние нагрузки на основание заменяются эпюрой вертикальной составляю-щей нормальных напряжений действующих по подошве насыпи;

- задача решается плоская (статическая);

- осадка определяется по оси насыпи;

- используется метод компрессионных кривых.

При расчете осадки подтопление паводковыми водами учитываться не будет, так как это уменьшит осадку.

Рис. 1.3.1 Расчетная схема для определения осадки насыпи.

Определение напряжения в природном состоянии в основании насыпи. Расчет производится методом последовательных приближений.

Напряжение в основании насыпи в природном состоянии, в зависимости от коэффициента пористости е_пр-i , определяются с использованием компрессионной кривой грунта (рис.1.3.2), в следующих расчетных точках:

Точка 0 (h=0 м):

Напряжения =0, коэффициент пористости е_пр-0 = 0,712.

Удельный вес грунта:

; (1.3.1)

Кн/м³.

Точка l (h = 2 м):

1-ое приближение:

кН/м³;

кПа.

По компрессионной кривой грунта основания этому значению соответствует е_пр-1 = 0,685.

Удельный вес грунта:

кН/м³.

Произведем проверку:

/γ₁' - γ₁/ ≤ Δγ_доп, Δγ_доп = 0,05 кН/м³ (1.3.2)

Тогда:

/18,98 – 18,89/ = 0,10 > 0,05 кН/м³.

Следовательно, условие проверки не выполнено. Необходимо произвести пересчет, приняв за исходное значение γ_пр-2 = 18,98 кН/м³.

2-ое приближение:

кПа

По компрессионной кривой грунта основания этому значению соответствует е_пр-1 = 0,683.

кН/м³

Произведем проверку:

/19 – 18.98/ = 0.2 < 0,05 кН/м³

Следовательно, условие выполнено и удельный вес грунта в точке 1

γ_пр-1 = 19 кН/м³.

Точка 2 (h = 3 м):

Напряжения определяются как сумма напряжений в точке 1 (σ_пр-1) плюс напряжения от веса грунта между 1 и 2 точками.

1-ое приближение:

кН/м³.

; (1.3.3)

кПа.

По компрессионной кривой грунта основания этому значению соответствует е_пр-2 = 0,658.

Удельный вес грунта:

кН/м³.

Произведем проверку:

/19,2 – 19,28/ = 0,8 > 0,05 кН/м³.

Следовательно, условие проверки не выполнено. Необходимо произвести пересчет, приняв за исходное значение γ_пр-2 = 19,28 кН/м³.

2-ое приближение:

кПа.

По компрессионной кривой грунта основания этому значению соответствует е_пр-2 = 0,655.

кН/м³.

Произведем проверку:

/19,32 – 19,28/ = 0,04  0,05 кН/м³.

Следовательно, условие выполнено и удельный вес грунта в точке 2

γ_пр-2 = 19.32 кН/м³.

Точка 3 (h=10 м):

Напряжения определяются как сумма напряжений в точке 2 (σ_пр-2) плюс напряжения от веса грунта между точками 2 и 3.

1-ое приближение:

кН/м³.

; (1.3.4)

кПа.

По компрессионной кривой грунта основания этому значению соответствует е_пр-3 = 0,580.

Удельный вес грунта:

кН/м³.

Произведем проверку:

/20,23 – 19.52/ = 0,71 > 0,05 кН/м³.

Следовательно, условие проверки не выполнено. Необходимо произвести пересчет, приняв за исходное значение γ_пр-3 = 20,23 кН/м³.

2-ое приближение:

кПа.

По компрессионной кривой грунта основания этому значению соответствует е_пр-3 = 0,578.

кН/м³.

Произведем проверку:

/20,26 – 20,23/ = 0,03  0,05 кН/м³.

Следовательно, условие выполнено и удельный вес грунта в точке 3

γ_пр-3 = 20,26 кН/м³.

Рис. 1.3.2. График компрессионной кривой.

На основании предыдущих расчетов напряжений в основании насыпи в природном состоянии строятся эпюры и е_пр см. прил.3.

Определение вертикальных нормальных напряжений , действу-ющих по подошве насыпи.

Рис.1.3.3. Расчетная схема для определения вертикальных нормальных напряжений

Из рис.1.3.3 следует, что

кПа;

кПа;

кПа;

По данным расчета строится эпюра вертикальных составляющих норма-льных напряжений , действующих по подошве насыпи (эпюра от внешних нагрузок) см. прил.3.

Эпюра от внешних нагрузок разбивается на 6 треугольных и 3 прямоу-гольных элементарных нагрузок см. прил.3.

Определение интенсивности (Р_j) элементарных нагрузок.

кПа;

кПа;

кПа.

Определение величины суммарных напряжений от внешней нагрузки.

Величина суммарных напряжений от внешней нагрузки определяется суммированием вертикальных составляющих нормальных напряжений от каждой элементарной нагрузки по оси насыпи на глубину границ выделенных слоев (в точках 0,1,2,3).

(1.3.5)

Вертикальные составляющие нормальных напряжений от каждой элементарной нагрузки по оси насыпи на глубину границ выделенных слоев (в точках 0,1,2,3) определяются по формуле:

- для прямоугольной нагрузки

; (1.3.6)

- для треугольной нагрузки (1.3.7)

.

где: - интенсивность j-ой элементарной нагрузки;

, - углы видимости;

- длина опорной части j-ой элементарной нагрузки;

- расстояние от оси y до границы расчетного слоя;

- расстояние от земляного полотна до центра тяжести j-ой элемен-тарной нагрузки.

Результаты расчетов сведены в табл.1.3.1.

Таблица 1.3.1

Определение величины суммарных напряжений от внешней нагрузки.

№ (.)	№ эл-та	b, м	z, м	y, м	,град	,град	Рj, кПа	,кПа	,кПа
0	I II III IV V VI VII VIII IX	12,46 39,44 12,46 3,27 24,90 3,27 9,00 6,90 9,00	0	-23,87 0 23,87 -13,54 0 13,54 -6,45 0 6,45	-90 90 90 -90 90 90 -90 90 90	-90 -90 90 -90 -90 90 -90 -90 90	118,2 118,2 118,2 35,48 35,48 35,48 113,84 113,84 113,84	0 118,2 0 0 35,48 0 0 113,84 0	267,52
1	I II III IV V VI VII VIII IX	12,46 39,44 12,46 3,27 24,90 3,27 9,00 6,90 9,00	2	-23,87 0 23,87 -13,54 0 13,54 -6,45 0 6,45	-86,44 84,21 86,44 -82,75 80,87 82,75 -80,87 59,90 80,87	-84,21 -84,21 84,21 -80,87 -80,87 80,87 -59,90 -59,90 59,90	118,2 118,2 118,2 35,48 35,48 35,48 113,84 113,84 113,84	0,04 118,15 0,04 0,06 35,42 0,06 2,29 107,21 2,29	265,56
2	I II III IV V VI VII VIII IX	12,46 39,44 12,46 3,27 24,90 3,27 9,00 6,90 9,00	5	-23,87 0 23,87 -13,54 0 13,54 -6,45 0 6,45	-81,17 75,77 81,17 -72,36 68,12 75,36 -68,12 34,61 68,12	-75,77 -75,77 75,77 -68,12 -68,12 68,12 -34,61 -34,61 34,61	118,2 118,2 118,2 35,48 35,48 35,48 113,84 113,84 113,84	0,55 117,44 0,55 0,79 34,67 0,79 11,9 77,66 11,9	256,25
3	I II III IV V VI VII VIII IX	12,46 39,44 12,46 3,27 24,90 3,27 9,00 6,90 9,00	10	-23,87 0 23,87 -13,54 0 13,54 -6,45 0 6,45	-65,01 52,74 65,01 -46,34 39,69 46,34 -39,69 12,95 39,69	-52,74 -52,74 52,74 -39,69 -39,69 39,69 -12,95 -12,95 12,95	118,2 118,2 118,2 35,48 35,48 35,48 113,84 113,84 113,84	8,22 105,52 8,22 5,73 26,75 5,73 18,77 32,21 18,77	229,92

На основании расчетов, приведенных в табл.1.3.1 строится эпюра суммар-ных напряжений от внешней нагрузки см. прил.3.

Определение суммарных напряжений от внешней нагрузки и собственного веса грунта.

Суммарные напряжения от внешней нагрузки и собственного веса грунта определяются по формуле

, (1.3.8)

где: - величина суммарных напряжений от внешней нагрузки на глубину границ выделенных слоев (в точках 0,1,2,3);

- напряжения в природном состоянии в основании насыпи.

Точка 0.

кПа;

Точка 1.

кПа;

Точка 2.

кПа;

Точка 3.

кПа.

По компрессионной кривой (рис.1.3.2) определяем коэффициент пористо-сти е₀ при приведенных выше суммарных напряжениях расчетных точек 0,1,2 и 3.

Точка 0. ;

Точка 1. ;

Точка 2. ;

Точка 3. .

На основании расчетов строятся: эпюра суммарного напряжения от внешней нагрузки и собственного веса грунта и эпюра коэффициента пористо-сти е₀ см. прил.3.

Определение осадки каждого расчетного слоя.

Осадка каждого расчетного слоя основания вычисляется по формуле:

, (1.3.9)

где: - абсолютная осадка i-го слоя грунта;

и - соответственно средние природные и расчетные в слое величины коэффициентов пористости;

- толщина расчетного слоя в метрах.

, (1.3.10)

где: - относительная осадка i-го слоя грунта.

(1.3.11)

Результаты расчетов приведены в табл.1.3.2.

Табл.1.3.2

Расчет относительной и абсолютной осадки слоя грунта.

№ точ-ки	z, м			Номера слоев				м	м
0 1 2 3	0 2 5 15	0,720 0,677 0,645 0,579	0,585 0,578 0,567 0,538	1 2 3	0,699 0,661 0,612	0,582 0,573 0,553	0,069 0,053 0,037	1,0 3,5 10,0	0,069 0,186 0,370

Таким образом, ожидаемая осадка расчетных слоев основания будет равна:

, м.

Определение осадки основания.

Сжатие основания может происходить и ниже нижней границы последнего расчетного слоя. В связи с этим полная осадка основания

, (1.3.12)

где: - дополнительная осадка толщи основания, реализуемая ниже нижней границы последнего расчетного слоя.

Для определения дополнительной осадки строится кривая относительной осадки см. прил.3.

, (1.3.13)

где: - ордината кривой относительной осадки на нижней границе нижнего расчетного слоя;

- глубина, на которую распространяется осадка ниже нижнего расчетного слоя.

Глубину, на которую распространяется осадка ниже нижнего расчетного слоя можно выразить из пропорции

, (1.3.14)

, (1.3.15)

где: и - относительная осадка 2-го и 3-го расчетных слоев;

- расстояние между ординатами и .

;

м.

Дополнительная осадка толщи основания составит

м.

Тогда

м.

Определение уширения основной площадки.

Так как данная насыпь является пойменной и примыкающей к мостовому переходу, то на подходах к нему, согласно требованиям СТН Ц-01-95, необхо-димо устройство уширения основной площадки в каждую сторону на расстоя-нии 10м от задней грани устоев.

Уширение основной площадки определяется по формуле

, (1.3.16)

где: m- показатель крутизны откоса, m=1.5;

- величина запаса на осадку.

Величина запаса на садку определяется по формуле

, (1.3.17)

где: - осадка основной площадки из-за сжатия основания;

- осадка грунта насыпи, при соблюдении норм по уплотнению слоев грунта .

Осадка основной площадки из-за сжатия основания

, (1.3.18)

где: - доля осадки основания, реализуемая после сдачи насыпи в эксплуатацию;

- коэффициент погашения осадки основания в теле насыпи, являющимся не совсем упругим телом, ;

м.

Запас на осадку составит

м.

Уширение основной площадки составит

м

Так как получившееся уширение основной площадки 0,398 м меньше

нормативного 0,5 м, то принимаю равным 0,5 м.

Следовательно, проектная ширина основной площадки составит

, (1.3.19)

где: - нормируемая ширина основной площадки в обычных условиях.

м.

Таким образом, нормальная работа насыпи в эксплуатационных условиях будет обеспечена, если при проектировании предусмотреть: или увеличение высоты основной площадки на S₀₀ = 0,265 м, или уширение обочины с каждой стороны на b_уш = 0,5 м.