1 Проект земляного полотна Земляное полотно насыпь на

1. Проект земляного полотна Земляное полотно (насыпь) на участках подтопления (берега морей, озер, водохранилищ, пересечения водотоков, прижимные участки трассы и пр. ) проектируется с учетом постоянного или периодического воздействия водных масс водотоков или водоемов, которое выражается в виде обводнения грунтов тела насыпи, размывающего воздействия, вызываемого течением постоянного потока или волнением, разрушения и загромождения откосов земляного полотна льдом.

1. 1 Определение требуемой плотности грунта и проектирование защитного слоя В случае применения групповых поперечных профилей насыпей и разработки индивидуальных проектов плотность сложения грунтов принимается по нормам регламентированным в СТН Ц-01 -95 и СП 32 – 104 -98. Однако в некоторых ответственных случаях при индивидуальном проектировании (разработка проектов высоких насыпей, насыпей из переувлажненных грунтов) плотность сложения грунтов может приниматься по расчету как функция действующих в насыпи сжимающих напряжений.

Требуемая минимальная плотность сложения сухого грунта d, г/см 3, т/м 3, должна быть такой, чтобы грунт насыпи при воздействии временных поездных нагрузок работал практически в упругой стадии. Требуемую в земляном полотне для песчаных и глинистых грунтов плотность сложения сухого грунта dн определяют по формуле: Ку - коэффициент уплотнения грунта в зависимости от категории линии, принимается по таблице 5. 4. [2], верхний слой Ку=0, 98, нижний слой Ку=0, 95; d-max – максимальная плотность грунта при оптимальной влажности. Плотность сложения грунта насыпи определяется по формуле:

Удельный вес грунта: 1) зона природной влажности: Сцепление Угол внутреннего трения

2) зона капиллярного поднятия: - удельный вес частиц грунта насыпи; - удельный вес воды; е 2 – коэффициент пористости W – оптимальная влажность Сцепление Угол внутреннего трения

3) зона водонасыщения: Сцепление Угол внутреннего трения

4) зона грунта основания: Сцепление Угол внутреннего трения

n При проектировании защитных слоев из дренирующего грунта без применения геотекстиля в основании толщина его должна назначаться расчетом, но не менее в зависимости от климатических условий 0, 8 -1, 0 м для суглинков и глин и 0, 5 -0, 7 м для супесей. n Принимаем: - для суглинков и глин: hпром≤ 1, 5 м hзащ=0, 8 м hпром >1, 5 м hзащ=1, 0 м - для супесей: hпром≤ 1, 5 м hзащ=0, 5 м hпром >1, 5 м hзащ=0, 7 м

1. 2 Проектирование поперечного профиля насыпи, расчет на устойчивость ее низового откоса (с учетом его подтопления паводковыми водами) n n 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 во время максимального подъема паводковых вод.

n n При расчетах устойчивости пойменных насыпей должны также приниматься 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 расчетного уровня воды (НРУВ), очень быстро уходит из поймы. Расчет насыпи на устойчивость проводится на компьютере по программе ДКУ-4. 0. Для этого необходимо определить координаты точек перелома.

n n где Учет влияния на устойчивость откосов и склонов поездных нагрузок и и х динамического характера производится следующим образом. При расчетах устойчивости откосов и склонов используется статическая расчетная схема, в которой внешние поездные нагрузки и нагрузки от ВСП заменяются фиктивными столбами грунта высотою - интенсивность действия нагрузки от подвижного состава; - интенсивность действия нагрузки, от верхнего строения пути; - удельный вес нижележащего слоя; - ширина приложения нагрузки от ВСП; - длина шпалы.

Расчетная схема для определения фиктивного столба грунта b р=2, 70 м bвс=4, 33 м Значения Рр, Рвс, bр и bвс принимаются по табл. П 5. 4 в зависимости от типа ВСП

Рвс = 15 к. Па (Р 65, деревянные шпалы) 16 к. Па (Р 75, деревянные шпалы) Рп =80 к. Па (Р 65, деревянные шпалы) Ширина приложения нагрузки: Ввс 4, 53 м (Однопутный участок) 8, 68 м (Двухпутный участок) Вп 2, 7 м (ж/б шпалы) 2, 75 м (Деревянные шпалы)

Расчет устойчивости верхней части насыпи Верхняя часть насыпи должна иметь заложение откоса 1: 1, 5 на участке высотой 6 м. Далее идет заложение 1: 1, 75 до уровня незатопляемой бермы. Расчет устойчивости начинается с этого участка насыпи. Построение расчетной схемы: 1. На листе бумаги наносят поперечный уклон земли и ось земляного полотна . 2. Вверх откладывают величину Ннас (высота насыпи) и на этом уровне проводят горизонтальную линию размером, равным ширине основной площадке В (согласно СТН Ц 01 95) 3. Вверх от той же точки откладывается высота незатопляемой бермы (Нб) 4. От бровки зем. полотна откладывается линия откоса на высоту 6 м. с заложением откоса 1: 1, 5 Н 1. Далее до уровня незатопляемой бермы откладывается откос с заложением 1: 1, 75. 5. Откладывается ширина бермы С 6. Откладывается высота защитного слоя

Построение кривой обрушения откоса: Принимается, что круглоцилиндрическая поверхность обрушения проходит через точку А 1. (основание откоса) и точку М 1 (дальний конец шпалы). Точки А 1 и М 1 соединяют прямой линией, которую делят попалам и в этой точке восстанавливают перпендикуляр к линии А 1 М 1, а из угла фиктивного столба грунта проводят линию под углом 36 градусов к горизонту. Точка пересечения укзанных линий О 1 является приближенным центром кривой обрушения А 1 М 1. Далее стрится дуга с центром в точке О 1, соединяющая Точки А 1 и М 1

Сползающий массив грунта делится на отсеки не более 2 м. в ширину, в каждом отсеке определяются длины их оснований li, площади ωi, центры тяжести, углы βi, а так же удерживающие и сдигающие силы. Определение коэффициента устойчивости ведется в табличной форме. Для кривой обрушения, проходящей через точки А 1 М 1 с центром О 1, коэффиент устойчивости определяется по формуле: При Д 0=0

где n – число отсеков, на которые разбивается блок возможного смещения; fi. Ni сила трения, к. Н/м, действующая по поверхности возможного смещения в отсеке; Ni нормальная составляющая силы веса отсека с учетом внешней нагрузки на него, к. Н/м; Cili сила сцепления, к. Н/м, действующая по поверхности возможного смещения в отсеке; li длина поверхности смещения в пределах отсека, м; Туд-i и Тсдв-i соответственно удерживающая и сдвигающая тангенциальные составляющие силы веса отсека с учетом внешней нагрузки, к. Н/м; Д 0 гидродинамическая сила, к. Н/м.

Пример определения ширины каждого отсека

Пример определения центров тяжести отсеков

Пример шапки таблицы для определения коэффициента устойчивости № отсека xi, м Ri, м 1 2 3 cos αi sin αi 4 5 αi cosϕi ϕi αi ϕi сos*(αi ϕi) cosϕi/(cos(αi ϕi)) 6 7 8 9 10 11 ω Qi Ti Ni fi Ni*fi li ci 12 13 14 15 16 17 18 19 li*ci Ni*fi+ci*li 20 21 Ni*fi+ci*li/ Ti/cosϕi/ (cosϕi/cos(αi ϕi)) (cos(αi ϕi)) 22 23

Пример таблицы Для определения коэффициента устойчивости № отсека xi, м Ri, м cos αi sin αi αi cosϕi ϕi ϕi αi-ϕi cos(αi-ϕi) cosϕi/cos( αi-ϕi) ω Qi Ti Ni fi Nifi li ci lici Nifi+cili/cosϕi/ Ti/cosϕi/c cos(αi-ϕi) 1(1) 15. 720 22. 14 0. 704 0. 710 45. 238 0. 809 36 9. 238 0. 987 0. 820 7. 570 146. 179 103. 791 102. 974 0. 726 74. 765 1. 375 2. 0 2. 750 77. 515 63. 549 85. 091 1(2) 15. 250 22. 14 0. 725 0. 689 43. 536 0. 951 18 25. 536 0. 902 1. 054 0. 180 3. 369 2. 321 2. 444 0. 325 0. 794 1. 375 22. 5 30. 938 31. 731 33. 443 2. 446 2(1) 14. 360 22. 14 0. 761 0. 649 40. 437 0. 809 36 4. 437 0. 997 0. 812 7. 870 151. 972 98. 569 115. 704 0. 726 84. 007 1. 375 2. 0 2. 750 86. 757 70. 415 80. 002 2(2) 14. 250 22. 14 0. 766 0. 644 40. 064 0. 951 18 22. 064 0. 927 1. 026 1. 640 30. 699 19. 759 23. 502 0. 325 7. 632 1. 375 22. 5 30. 938 38. 570 39. 580 20. 277 3(1) 13. 210 22. 14 0. 803 0. 597 36. 632 0. 809 36 0. 632 1. 000 0. 809 1. 440 27. 807 16. 591 22. 320 0. 726 16. 206 0. 915 2. 0 1. 830 18. 036 14. 595 13. 426 3(2) 13. 190 22. 14 0. 803 0. 596 36. 568 0. 951 18 18. 568 0. 948 1. 003 1. 930 36. 128 21. 523 29. 023 0. 325 9. 425 0. 915 22. 5 20. 588 30. 013 30. 111 21. 594 4(1) 12. 000 22. 14 0. 841 0. 542 32. 821 0. 809 36 -3. 179 0. 998 0. 810 1. 210 23. 365 12. 664 19. 639 0. 726 14. 259 1. 510 2. 0 3. 020 17. 279 14. 004 10. 264 4(2) 11. 960 22. 14 0. 842 0. 540 32. 698 0. 951 18 14. 698 0. 967 0. 983 4. 450 83. 300 44. 999 70. 113 0. 325 22. 769 1. 510 22. 5 33. 975 56. 744 55. 793 44. 245 5(1) 10. 850 22. 14 0. 872 0. 490 29. 346 0. 809 36 -6. 654 0. 993 0. 815 0. 480 9. 269 4. 542 8. 081 0. 726 5. 867 1. 200 2. 400 8. 267 6. 735 3. 701 5(2) 10. 630 22. 14 0. 877 0. 480 28. 695 0. 951 18 10. 695 0. 983 0. 968 4. 510 84. 423 40. 534 74. 066 0. 325 24. 052 1. 200 22. 5 27. 000 51. 052 49. 414 39. 233 6 9. 160 22. 14 0. 910 0. 414 24. 440 0. 951 18 6. 440 0. 994 0. 957 7. 030 131. 596 54. 445 119. 816 0. 325 38. 909 1. 800 22. 5 40. 500 79. 409 76. 006 52. 112 7 7. 510 22. 14 0. 941 0. 339 19. 829 0. 951 18 1. 829 0. 999 0. 952 5. 220 97. 714 33. 145 91. 926 0. 325 29. 852 1. 500 22. 5 33. 750 63. 602 60. 523 31. 541 8 6. 020 22. 14 0. 962 0. 272 15. 778 0. 951 18 -2. 222 0. 999 0. 952 4. 440 83. 113 22. 599 79. 985 0. 325 25. 974 1. 500 22. 5 33. 750 59. 724 56. 847 21. 510 9 4. 540 22. 14 0. 979 0. 205 11. 833 0. 951 18 -6. 167 0. 994 0. 957 3. 490 65. 330 13. 396 63. 943 0. 325 20. 765 1. 500 22. 5 33. 750 54. 515 52. 151 12. 816 10 3. 060 22. 14 0. 990 0. 138 7. 945 0. 951 18 -10. 055 0. 985 0. 966 2. 380 44. 552 6. 158 44. 124 0. 325 14. 329 1. 500 22. 5 33. 750 48. 079 46. 441 5. 948 11 1. 500 22. 14 0. 998 0. 068 3. 885 0. 951 18 -14. 115 0. 970 0. 981 1. 370 25. 645 1. 737 25. 586 0. 325 8. 309 2. 250 22. 5 50. 625 58. 934 57. 796 1. 704 727. 403 445. 907 к 1. 631

Основные расчетные формулы и обозначения: xi Линейное расстояние от центра тяжести каждого отсека до точки М 1 R Радиус кривой обрушения Угол внутреннего трения грунта i того отсека Площадь i того отсека , где удельный вес грунта i того отсека Ширина основания i того отсека Сцепление частиц грунта i того отсека

n При расчете применяется статический метод, следовательно, необходимо учесть влияние динамических нагрузок: где – коэффициент динамики для насыпи, принимаемые в зависимости от величины поездной нагрузки (80 к. Па), грунта слагающего насыпь, полной высоты насыпи и расстояния от верха насыпи до рассматриваемой точки. Определяется по табл. п. 5. 3 стр. 347 [1]. n

Рассчитанный коэффициент устойчивости Куст сравнивают с допустимым [Куст] и делают выводы о состоянии устойчивости откоса или склона. Допускаемое значение находят в соответствии с СТН Ц 01 95 по формуле: где aдин – коэффициент динамики принимается, зависящий от высоты насыпи и части зем. Полотна, для которой ведется расчет

Рассчитанный коэффициент устойчивости К сравнивают с допускаемым [К] и делают выводы о состоянии устойчивости откоса или склона и достаточности или дефицита ее. Допускаемые значения [К] находят для новых линий в соответствии с СТН Ц-01 -95 Категория линии Скоростные и особогрузона пряженные I и II категория IV категория [К] 1, 25 1, 2 1, 15 1, 10

Примечание к таблице После разделения сползающего массива образуется 2 типа отсеков: 1. С физико механическими свойствами грунта защитного слоя 2. С физико механическими свойствами грунта тела насыпи. В таблице ячейки отсеков 1 типа (находящиеся выше линии разделяющей защитный слой и остальное тело насыпи) окрашены в голубой цвет, 2 типа белый цвет. Соответственно, 5(1) (например) будет означать, что рассматривается часть пятого отсека, имеющая физико механическими свойства грунта защитного слоя.

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. Возможные осадки оснований насыпей Sосн могут быть учтены двумя способами. По первому способу запас осадки закладывается за счет увеличения высоты S 0 0 основной площадки. По второму способу предусматриваются ежегодные (пока осадки основания полностью не реализуется) подъемки пути на балласт на суммарную величину S 0 0 . В этом случае необходимо зараннее, при сооружении насыпи, уширить основную площадку. Этот способ применяется в случаях, когда насыпь сооружается на подходах к большому мосту, или когда запас по высоте насыпи невозможно реализовать на электрических линиях из за наличия контактного провода.

Определяем полную осадку основания: По первому способу: где: осадка основной площадки насыпи из за сжатия основания, м; осадка насыпи из за недоуплотнения ее грунтов в процессе строительства, м. Осадка S 0 равна: Где: – доля осадки основания, реализуемая после сдачи насыпи в эксплуатацию (из задания); коэффициент погашения осадки основания в теле насыпи, являющимся не совсем упругим телом, – высота насыпи. Величина Sнас в зависимости от рода грунта и достигнутого минимального коэффициента уплотнения k изменяется от 0, 5 до 3, 0%, т. е. Sнас =(0, 005 0, 030)H.

По второму способу: Величина уширения основной площадки насыпи определяется по формуле: где: – показатель крутизны откоса балластной призмы В этом случае проектная ширина основной площадки будет: где: – нормируемая ширина основной площадки в обычных условиях,

Мероприятия по устранению последствий осадок основания насыпи : 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 особогрузонапряженных линиях.

Основные предпосылки: применяется метод послойного суммирования; основание насыпи по глубине произвольно делится на ряд слоев при однородном сложении 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 составляющей 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.

Схема для определения осадки насыпи

Расчетная схема для определения осадки насыпи

Расчет осадок производится в следующей последовательности: 1. Строится эпюра напряжений от веса насыпи по подошве : В точках а и к : В точках б, в, з, и : В точках г, ж : В точках д, е : Вертикальный составляющие:

2. Строится эпюра напряжений в расчетном сечении основания насыпи от элементарных нагрузок Напряжения от прямоугольной нагрузки определяется по формуле: Знак минус показывает, что напряжения сжимающие и в расчетах не учитывается. Напряжения от треугольной нагрузки определяется по формуле: где угол видимости, интенсивность нагрузки, к. Па. Результаты расчётов сводим в таблицу.

Таблица. Расчет эпюры напряжений от элементарных нагрузок

3. Строится эпюра напряжений от собственного веса грунта Напряжения от собственного веса грунта основания определяется при следующих исходных данных: грунт – суглинок, удельный вес грунта =27, 0 к. Н/м 3, влажность грунта Wосн=16%. Характеристики ветви нагрузки компрессионной кривой грунта основания приведены в таблице

Компрессионная кривая грунта основания

Напряжения в основании насыпи в природном состоянии определяются с использованием компрессионной кривой грунта в следующих расчетных точках: Точка 0 (h 0=0) Напряжение , коэффициент пористости , удельный вес грунта :

Точка 1 (h 1=2 м). Удельный вес определяется методом последовательных приближений. Задаемся значением: . Тогда: Этому значению соответствует: Удельный вес грунта: Этому значению соответствует Удельный вес грунта: Проверяем, выполняется ли условие: Если условие выполняется, то принимаем Если условие не выполняется, делается перерасчет.

Точка 2 (h 2=3 м). Напряжения определяются как сумма напряжений в точке 1 плюс напряжения от веса грунта между 1 и 2 точками. Этому значению соответствует Удельный вес грунта: Этому значению соответствует Удельный вес грунта: Проверяем, выполняется ли условие: Если условие выполняется, то принимаем Если условие не выполняется, делается перерасчет.

Точка 3 (h 3=10 м). Напряжения определяются как сумма напряжений в точке 2 плюс напряжения от веса грунта между 2 и 3 точками. Этому значению соответствует Удельный вес грунта: Проверяем, выполняется ли условие: Если условие выполняется, то принимаем Если условие не выполняется, делается перерасчет.

Сводные расчетные характеристики от веса грунта основания насыпи в природном состоянии приведены в таблице.

4. Строится суммарная эпюра напряжений : т. 0 т. 1 т. 2 т. 3 5. Строится эпюра : По компрессионной кривой в зависимости от определяем т. 0 т. 1 т. 2 т. 3

6. Определяем осадку основания: Расчет ведется методом послойного суммирования. Относительная осадка основания определяется по формуле:

Полная осадка основания определяется по формуле: где S ожидаемая осадка расчетных слоев основания дополнительная осадка толщи основания

1. 4 Проектирование конструкции укрепления откосов Размывы земляного полотна являются одним из распространенных видов деформаций и наносят существенный ущерб перевозочному процессу на железных дорогах. Основными источниками и видами воздействий на объекты земляного полотна, вызывающими размывы, являются атмосферные осадки (течение ливневых вод или вод при снеготаянии), течение паводковых вод ручьев и рек, вдоль береговых течений на озерах, водохранилищах и морях, воздействие волн и льда. Наиболее часто подвергаются размывам периодически подтопляемые насыпи на пересечении логов и оврагов (в зонах труб), пойменные насыпи на мостовых переходах и на прижимных участках, под топленные насыпи на прижимных участках, у берегов озер, водохранилищ, морей, регуляционные сооружения, мостовые опоры, конусы мостов, буны, шпоры и пр. В настоящее время наиболее эффективными типами защиты от размывов считаются плиты из железобетона, каменные наброски и габионные структуры.

Применяют различные типы укрепительных устройств: n засев травой, применяется при расчетной скорости и высоте волны (расчетной обеспеченностью 1%); укрепление плитами: бетонные при ; железобетонные омоноличенные по контуру и ; монолитные железобетонные при ; n n каменная наброска при ; n в остальных случаях габионные укрепления.

Укрепление откосов насыпи с помощью плит. Защита от размывов в виде плитных покрытий требует значительных расходов дорогого железобетона, устройства специальных подготовок или обратных фильтров и весьма уязвима при воздействии волноприбоя. В данном курсовом проекте при высоте волны (в задании) для укрепления откосов целесообразно применять железобетонные плиты. Плитные покрытия — это надежные укрепления индустриального типа, для которых имеется широкая возможность комплексной механи зации производства работ. Они представляют собой конструкции, выпол ненные из сборных свободно лежащих бетонных плит, железобетонных разрезных плит и плит, омоноличенных по контуру; монолитных карт.

Расчет необходимой толщины укрепления. Тип плит и их размеры подбираются по данным в зависимости от параметров волнового воздействия: скорости течения волны и расчетной высоты волны. При применении бетонного покрытия толщина плиты определяется, исходя из требования обеспечения плиты от всплытия (из за противодавления воды), сдвига и опрокидывания расчетной волной:

Определяется количество плит, укладываемых по образующей укрепляемого откоса длиной l: где: l – длина образующей укрепляемого откоса, высотой , м Между плитами устраиваются швы шириной 0, 01 м.

Проектирование обратного фильтра. При устройстве обратного фильтра из зернистого материала технологически более прост и надежен однослойный фильтр – специальную подготовку, на которую укладываются плиты. При проектировании обратного фильтра необходимо установить пригодность местного материала по зерновому составу, исходя из степени неоднородности, соотношения размеров частиц материалов с размерами открытых швов и сквозных отверстий в конструкции плитного покрытия, чтобы была обеспечена невымываемость материала фильтра из под покрытия. При выполнении проверок должны выполняться условия: 1. Коэффициент неоднородности должен быть где: и размеры зерен фильтра, меньше которых по массе в материале фильтра содержится соответственно 60% и 10%, снимаются с кривой гранулометрического состава.

2) Условие 3) Условие где: и размеры зерен фильтра и частиц грунта откоса соответственно, меньше которых по массе в материале фильтра и грунта содержится 50%. 4) Условие без геотекстиля или С геотекстилем. По исходным данным п. 12 строится график гранулометрического состава материала фильтра, по которому определяются , , , .

График гранулометрического состава материала фильтра

Пример расчета конструкции укрепления откосов: Определим необходимую толщину укрепления: Расчетные данные: В=2, 5 м пл= 24 к. Н/м 3 в= 10 к. Н/м 3 Принимаем плиты из обычного железобетона омоноличенные по контуру размерами . Определяется количество плит, укладываемых по образующей укрепляемого откоса длиной l: Принимаем 7 плиты размерами. Между плитами устраиваются швы шириной 0, 01 м.

Пример проектирования обратного фильтра: Гранулометрический состав материала фильтра (из задания): условие не выполняется, следовательно, обогащаем смесь путём отсева мелких фракций. Исключаем 3 последние фракции: 6+7+11=24% условие не выполняется, следовательно, обогащаем смесь путём отсева мелких фракций. Исключаем 2 последние фракции: 30+31=61%

b=10 мм 0, 6 =0, 6· 16, 8=10, 08 мм – условие выполняется. условие не выполняется, следовательно, укладывается прослойка из геотекстиля. Толщина фильтра =0, 1 м

2. ПРОЕКТ ВЫЕМКИ 2. 1. Проектирование нагорной канавы и ее укрепления при заданных уклонах продольного профиля по оси канавы и расхода воды Нагорные канавы предназначены для перехвата поступающей из прилегающего водосборного бассейна поверхностной воды на подходе к выемке и последующего ее отвода к ближайшему водопропускному сооружению во избежание размыва откосов и балластной призмы. При проектировании канав необходимо выполнять следующие условия: n канава должна пропускать весь расчетный расход воды без переполнения. Чтобы канава не переполнялась, ее сечению придается запас по глубине не менее 0, 20 м, ; n строительные расходы должны быть минимальными; n эксплуатационные расходы (содержание и ремонт) должны быть минимальными.

Для выполнения этих условий необходимо, чтобы: где: и допускаемые скорости воды в канаве соответственно по условиям размыва и заиливания. Значение зависит от рода грунта или от типа укрепления канавы, а также от глубины воды в канаве. Наименьший уклон дна канавы должен быть не менее 3‰. Допускаемые скорости размыва должны быть: n при одерновке ; n при каменной наброске ; n при железобетонных плитах Проектирование канав ведется по участкам с соблюдением всех требований. При их выполнении для каждого участка расчетом подбирается такое сечение канавы и такой уклон дна, при которых фактический расход воды Qф отличался бы от расчетного Qр не более, чем на 5%:

Определение расчетного расхода Qр выполняется по зависимостям, описывающим движение воды в открытых руслах. Расход определяем по следующим формулам: где: V средняя скорость потока при равномерном движении, м/с; С коэффициент Шези; n коэффициент шероховатости дна и откосов канавы; при одерновке, при каменной наброске, при бетонных укреплениях; площадь живого сечения, м 2; R гидравлический радиус, м; смоченный периметр, м; b ширина канавы по дну, м; m показатель крутизны откосов, m=1, 5; h – глубина живого сечения.

Расчет канавы начинаем с верхового сечения. Сечение 0: Задаемся типовыми размерами канавы: H 0= =0, 6 м, b=0, 6 м. Сечение 1: Расчет начинаем с укрепления канавы одерновкой. Принимаем Н 0=0, 6 м, тогда h 0=0, 4 м, а уклон дна канавы равен уклону местности первого участка . Если проверка не выполняется, необходимо выполнить перерасчет, изменив тип укрепления канавы или глубину канавы. Сечение 2: производят расчеты как для сечения 1. Сечение 3: производят расчеты как для сечения 1 и 2. По результатам проведенных расчетов приводится продольный и поперечный профиль канавы.

Пример расчета канавы Сечение 0: Задаемся типовыми размерами канавы: H 0= =0, 6 м, b=0, 6 м. Сечение 1: 1 попытка Расчет начинаем с укрепления канавы одерновкой. Принимаем Н 0=0, 6 м, тогда h =0, 4 м, а уклон дна канавы равен уклону местности первого участка 0 Следовательно, увеличиваем глубину канавы Н 1=0, 7 м и делаем перерасчет:

2 попытка

3 попытка Принимаем м Условие выполняется, укрепление первого участка производится одерновкой.

2. 2 Проектирование противопучинных мероприятий в выемке. Подкюветный дренаж, оценка его эффективности и сроков осушения грунта С целью перехвата или понижения уровня подземных вод и их отвода в заранее установленные места применяют дренажи. Для земляного полотна наибольшую опасность представляют свободная гравитационная вода и, особенно, напорная вода, которые в зимнее время создают условия для морозного пучения грунта. При значительном количестве связанной воды так же существенно ослабляется сопротивление грунта сдвигу. Наиболее эффективными для повышения стабильности выемки являются подкюветные дренажи. Рассматривается двухсторонний подкюветный дренаж для выведения уровня грунтовых вод из зоны промерзания. Его проектирование состоит из следующих этапов: определение глубины заложения дренажа; определение притока воды в дренажах; гидравлический расчет дренажа; гидравлический расчет дренажных труб (расчет пропускной способности труб); определение технической эффективности дренажа и срока его осушения.

Определение эффективности дренажа. Техническая эффективность дренажа определяется коэффициентом водоотдачи μ>0, 20. Порядок определения коэффициента следующий: Вычислим коэффициент пористости по формуле: где: nг – пористость грунта выемки. Удельный вес грунта: где: удельный вес частиц грунта выемки.

Определим водоотдачу: где: величина капиллярно связанной воды; максимальная молекулярная влагоемкость; удельный вес воды. Коэффициент водоотдачи: Если проверка выполняется, следовательно дренаж эффективен. Определение степени весовой влажности:

Пример определения эффективности дренажа Вычислим коэффициент пористости по формуле: Удельный вес грунта: Определим водоотдачу: Коэффициент водоотдачи: Следовательно, дренаж эффективен. Определение степени весовой влажности:

Определение глубины заложения дренажа Расчетная схема для определения глубины заложения дренажа h: h – глубина заложения дренажа; Н – глубина от УГВ до дна дренажа; h 0 – расстояние от дна дренажа до верха трубы; hк – глубина кювета, hк = 0, 6 м; 2 а – ширина дренажной траншеи, зависит от искомой глубины заложения дренажа; z – глубина промерзания; е – интервал колебаний зон промерзания и капиллярного поднятия, е =0, 2 м; ак – высота капиллярного поднятия; f 0 – стрела кривой депрессии; L 0 – длина проекции кривой депрессии; 2 Lm – длина междудренажного пространства; m – заложение откоса кювета m=1. 5 м; d – диаметр дренажной трубы.

2 a ширина дренажной траншеи, зависит от искомой глубины заложения дренажа, принимается: 2 a= 0, 8 м при h≤ 2, 5 м. 2 a= 0, 8… 1, 0 м при 2, 52, 5 м. Глубина заложения дренажа: Стрела кривой депрессии: где: I 0 – средний уклон кривой депрессии. Длина междудренажного пространства где: В 0 – ширина основной площадки выемки, зависит от категории дороги.

Определение расстояния от дна дренажа до верха трубы где: 0, 15 – толщина дренирующего грунта под дренажной трубой, м. Определение расстояния от УГВ до дна дренажа где: АБР – отметка уровня бровки основной площадки земляного полотна; АГВ – отметка уровня грунтовых вод.

Пример определения глубины заложения дренажа Для проектирования дренажей глубина заложения от верха дренажа будет равна: где: р глубина промерзания грунта от уровня бровки, р=2, 04 м; e конструктивный запас, принимаемый с учетом колебания уровня грунтовых вод, е=0, 20; aкап высота капиллярного поднятия, ; f 0. стрела кривой депрессии; J 0 средний уклон кривой депрессии, J 0 =57 = 0, 057 Lм-i – половина длины междренажного пространства = 6, 45 м

h 0 расстояние от дна дренажа до верха трубы h 0= 0. 35 м, Ko глубина кювета, равна 0, 6 м. Следовательно величина 2 а=1, 0 м. Определяем высоту Н несниженного горизонта грунтовых вод над дном дренажа по формуле: где: 1, 11 разница в уровнях бровки и горизонта грунтовых вод,

Определение сроков осушения Срок осушения грунта определяется: где: m 0 водоотдача; L 0= Lм-i, В – коэффициент, определяемый по формуле: а полуширина траншеи дренажа Т-расстояние от дна дренажа до водоупора К коэффициент фильтрации

η 1 η 2 некоторые функции осушения, зависящие от вида дренажа Формула, определяющая время от начала осушения до смыкания кривых депрессий Формула, определяющая время от начала смыкания кривых депрессий до стационарного положения

значения А по величине отношений определяются по таблице 0 0, 05 0, 10 0, 20 0, 30 0, 40 0, 862 0, 861 0, 857 0, 842 0, 817 0, 781 0, 50 0, 60 0, 70 0, 80 0, 90 0, 734 0, 674 0, 597 0, 497 0, 357

Пример определения сроков осушения Срок осушения грунта t 0 – это время, за которое найденная эффективность дренажа будет реализована, определяется: В – коэффициент, определяемый по формуле: а полуширина траншеи дренажа, а=0, 5 м Т-расстояние от дна дренажа до водоупора, Т=3, 41 м; К коэффициент фильтрации, равен 58· 10 -7 м/с,

Время от начала осушения до смыкания кривых депрессий Значения А по величине отношений определяются по таблице 6. 6. [2], А=0, 851. Время от начала смыкания кривых депрессий до стационарного положения

Следовательно сроки осушения приемлемы и запроектированный дренаж эффективен.

Определение притока воды в дренаже Для расчета приняты следующие допущения: n запасы воды в области питания считаются неограниченными, т. е. приток воды на 1 п. м. постоянен; n до устройства дренажа зеркало грунтовых вод и поверхность водоупора горизонтальные, а скорость воды равна нулю; n после устройства дренажа движение воды равномерное, т. е. применим закон Дарси. Общий приток воды в дренаже равен: где: притоки воды соответственно из зон А, Б, В; приток воды из междудренажного пространства.

Расчетная схема

где К коэффициент фильтрации J 0 средний уклон кривой депрессии; Н- высота несниженного горизонта грунтовых вод над дном дренажа h 0 - высота от дна траншеи до верха трубы. высота высачивания воды на стенках траншеи. Приток воды из зоны В: где qч расход воды по Чугаеву Р. Р. , находится по графику на рис. 6. 20 [2] в зависимости от α и , β которые равны:

α и , β которые равны: L 0 длина проекции кривой депрессии: T расстояние от дна дренажа до водоупора, Если β>3 то делаем перерасчет: берется с графика при β=3 и

График для определения приведенного расхода воды q со дна в зависимости от α и β параметры, характеризующие приток воды в междренажное пространство. gr длина притока воды, м 2/с

Определяем общий приток с полевой стороны: Определяем боковой приток в один дренаж из междудренажного пространства: где: приведенный расход со дна, определяется по графикам в зависимости от α и , β которые равны: Тогда общий приток воды в дренаже равен:

Определяем расход воды по формуле: где: длина водосборной части дренажа

Пример расчета притока воды в дренаж Высота высачивания воды на стенках траншеи К коэффициент фильтрации =58· 10 7 м/с J 0 средний уклон кривой депрессии=0, 057 Н- высота несниженного горизонта грунтовых вод над дном дренажа=2, 5 м. h 0 - высота от дна траншеи до верха трубы=0, 35 м. Длина проекции кривой депрессии:

Так как то делаем перерасчет: Следовательно Приток воды из зоны В:

общий приток с полевой стороны: Следовательно Боковой приток в один дренаж из междудренажного пространства: Общий приток воды в дренаже равен: Определяем расход воды по формуле:

Гидравлический расчет дренажа а) Для предотвращения механической суффозии мелких частиц из грунта выемки в дренирующий заполнитель или из дренирующего заполнителя в щели или зазоры труб входная скорость фильтрации должна быть меньше допустимой: коэффициент фильтрации б) Условие устойчивого сводообразования: где: – расчетный линейный размер поры в дренирующем заполнителе с – коэффициент, с=3 для круглых труб размер частиц грунта, менее которых по массе содержится 90%, получаем по графику гранулометрического состава грунта выемки,

n Расчетный линейный размер поры в дренирующем заполнителе где: коэффициент неоднородности, размер частиц дренажного заполнителя, менее которых по массе содержится 17%, получаем по графику гранулометрического состава дренирующего заполнителя Контакт грунт – дренирующий заполнитель 1) Расход из междудренажной стороны через стенку траншеи Расход со дна траншеи

2) Условие устойчивого сводообразования: Для исключения проскакивания частиц дренажной засыпки через водоприемные отверстия в трубу необходимо соблюдать условие, чтобы размеры этих отверстий и частиц заполнителя находились в таком соотношении, при котором обеспечивается устойчивое сводообразование из наиболее крупных зерен заполнителя на границе 2, т. е. должно выполняться условие Для дренирующего заполнителя коэффициент неоднородности Если словие не выполняется, то производится отсев мелких фракций Условие не выполняется, производим отсев мелких фракций. Отбрасываются фракции d<0, 10.

Контакт дренирующий заполнитель – труба 1) где: етрубы – линейный размер водоприемного отверстия; с коэффициент запаса, с = 2÷ 4; d 90 -зап размер частиц заполнителя меньше которых по массе содержится 90%, 2) где ζ коэффициент неравномерности и неоднородности использования всех отверстий ζ=0, 25 0, 5 n количество отверстий где: коэффициент фильтрации заполнителя, которым является песок,

: где: Кз коэффициент фильтрации заполнителя, которым является песок, Коэффициенты фильтрации заполнителя: Песок м/сутки Песок м/сутки Исходя из условия Получаем:

Пример гидравлического расчета дренажа Контакт грунт – дренирующий заполнитель 1) Расход через стенку траншеи с полевой стороны Расход из междудренажной стороны через стенку траншеи Расход со дна траншеи

Условие выполняется 2) Для дренирующего заполнителя коэффициент неоднородности Условие не выполняется, производим отсев мелких фракций. Отбрасываем фракции d<0, 10. Тогда условие выполняется.

Контакт дренирующий заполнитель – труба 1) где размер частиц грунта, менее которых по массе содержится 90%, получаем по графику гранулометрического состава дренирующего заполнителя Принимаем 2)

где коэффициент неравномерности и неоднородности использования всех отверстий; n количество отверстий где: коэффициент фильтрации заполнителя, которым является песок, Количество отверстий

Гидравлический расчет дренажных труб Транзитный расход воды, подходящий к верхнему сечению данного участка: Для круглой трубы где: d – диаметр трубы Определим скорость движения воды смоченный периметр: гидравлический радиус: коэффициент Шези: где: n – коэффициент шероховатости стенок трубы, равен 0, 012.

где: уклон выемки. Необходимо выполне где: расход воды, был определен ранее. (Определение притока воды в дренаж)

Пример гидравлического расчета дренажных труб Транзитный расход воды, подходящий к верхнему сечению данного участка: Для круглой трубы где: d – диаметр трубы, d= 200 мм Определим скорость движения воды смоченный периметр: гидравлический радиус: коэффициент Шези:

где: уклон выемки, равен 8‰. Следовательно, Необходимо выполнение условия: Условие выполняется.

Теплоизоляционное покрытие (подушка) или защитный слой Теплозащитные устройства и покрытия применяют для предотвращения деформаций морозного пучения грунтов земляного полотна, а защитные слои основной площадки, кроме того, и для обеспечения необходимой прочности грунтов. При проектировании нового земляного полотна в соответствии с СТН Ц 01 95 ограничивается величина равномерного пучения h 0, которая для линии II категории не должна превышать допустимой величины в 20 мм. Теплозащитные устройства и покрытия выполняются из теплоизоляционных материалов, к которым относятся материалы, имеющие коэффициент теплопроводности ниже коэффициента теплопроводности грунта. Примерами таких материалов являются шлак, асбоотходы, пенопласт, торф и др. Теплозащитными устройствами считаются подушки из сыпучих теплоизолирующих материалов, толщина которых превышает 0, 2 м. К теплоизолирующим покрытиям относят подушки и покрытия из плит, толщина которых не более 0, 2 м.

Наибольшее распространение в теплозащитных конструкциях земляного полотна железных дорог во многих странах в последние годы получили плиты экструдированного полистирола. Для участков земляного полотна, где величина равномерного пучения оказалась больше допустимой, проводят противодеформационные мероприятия, в качестве которых рассматривают теплозащитные устройства и покрытия либо защитные слои. Основным параметром, который рассчитывается, является толщина m. Т теплоизоляция либо толщина mзащ защитного слоя из дренирующих материалов. Расчёт ведут из условия снижения общей толщины промерзания пучинистых слоёв, чтобы суммарная высота пучения в результате их промерзания уменьшилась до допустимой. С этой целью выбирают материал для противодеформационного мероприятия и назначают его толщину.

При новом литологическом строении земляного полотна определяют изменившуюся глубину промерзания и вычисляют соответствующую ей высоту пучения. Если высота пучения осталась больше допустимой, то толщину материала увеличивают и, наоборот, если оказалась меньше допустимой, то уменьшают. Расчёт ведут до выполнения равенства расчётной высоты пучения величине допустимого пучения. Расчёт глубин промерзания с противодеформационными мероприятиями может выполняться с применением уравнений эквивалентности промерзания где mсн – средняя за зиму толщина снежного покрова по оси пути; nсн – коэффициент эквивалентности снежного покрова; mi – толщина промерзшего слоя грунта или балласта; ni – коэффициент эквивалентности промерзшего слоя грунта или балласта.

Требуется рассчитать необходимую толщину теплоизоляции и защитного слоя для обеспечения допускаемой величины пучения. В качестве теплоизоляции принимаем ПГС, укладываемое под щебень с уменьшением толщины песчаной подушки. Интенсивность пучения грунта насыпи (суглинок) определяется: где h 0 – высота равномерного пучения , Z – глубина промерзания. Отсюда, фактическая глубина промерзания при теплоизоляции где – высота равномерного пучения по СТН Ц 01 95

Далее при помощи уравнения эквивалентного промерзания найдем толщину теплоизоляционного слоя:

Коэффициенты эквивалентности промерзания грунтов, балластов и шлака Разновидность грунта или балласта Суглинки и глины Супесь Пески гравелистые, крупные, средней крупности Полутвердые (0≤IL<0. 25) Тугопластичные (0. 25≤IL<0. 50) Мягкопластичные (0. 50≤IL<0. 75) Текучепластичные и пластичные(IL≥ 0. 75) Твердая (IL<0) Пластичная (0≤IL<1) Пластичная (IL>0) Малой степени водонасыщения Средней степени водонасыщения Насыщенные водой Малой степени водонасыщения Пески мелкие и пылеватые Средней степени водонасыщения Насыщенные водой Коэффициент n 1. 10 1. 00 0. 90 0. 85 1. 25 1. 10 1. 05 1. 30 1. 25 1. 10

Разновидность грунта или балласта Малой степени водонасыщения Пески мелкие и пылеватые Средней степени водонасыщения Насыщенные водой при ж/б шпалах чистый загрязненный Щебеночный балласт При деревянных чистый шпалах загрязненный Асбестовый балласт Песчанно гравийный балласт Асбоотходы Шлак котельный Шлак доменный гранулированный при ж/б шпалах При деревянных шпалах Коэффициент n 1. 25 1. 10 1. 50 1. 30 1. 20 1. 00 0. 90 1. 40 1. 20 0. 90 0. 80 0. 75

Пример определение толщины теплоизоляционного слоя Расчёт глубин промерзания с противодеформационными мероприятиями может выполняться с применением уравнений эквивалентности промерзания Требуется рассчитать необходимую толщину теплоизоляции и защитного слоя для обеспечения допускаемой величины пучения. В качестве теплоизоляции принимаем ПГС, укладываемое под щебень с уменьшением толщины песчаной подушки. Интенсивность пучения грунта насыпи (суглинок) определяется:

Отсюда, фактическая глубина промерзания при теплоизоляции где – высота равномерного пучения по СТН Ц 01 95 Определим толщину теплоизоляционного слоя: Отсюда Принимаем окончательно толщину теплоизоляционного слоя из ПГС 91 см.