Роектирование пойменной насыпи. 1 страница

роектирование типовых поперечных профилей.

Исходными данными для проектирования типовых поперечных профилей являются действующие нормы проектирования и данные из задания на курсовой проект.

1.1. Проектирование типовой насыпи.

Согласно задания, требуется запроектировать насыпь состоящую из песка на местности с поперечным уклоном 13 ‰

Т.к. насыпь состоит из песка, то при проектировании следует обязательно предусмотреть сливную призму шириной 2.3 м поверху и толщиной 0.15 м в следствии того что участок однопутный. Ширину основной площадки выбираем из СНиП 32-01-95 «Железные дороги колеи 1520 мм.» которая для железной дороги III категории и однопутного участка составляет 7.3 м так же от вида грунта. Т.к насыпь больше 6 м,то делается 2 уположения: 1:1.5 и 1:1.75.Водоотводную канаву разбиваем на расстоянии 3.0 м от подножия насыпи. Канава представляет собой трапецию в сечении, проведенном перпендикулярно ее продольной оси. Глубина и ширина понизу канавы составляют 0.6 м, уклон стенок также 1:1.5. сток атмосферных осадков в водоотводную канаву осуществляется по берме которая начинается у подножия насыпи и заканчивается у края канавы. Уклон необходимый для отвода вод составляет 20-40 ‰ и направлен в полевую сторону. По другую сторону от оси насыпи на расстоянии 7.0 м от ее подошвы располагается резерв. Он сооружается в целях укладки разработанного грунта в насыпь и одновременно выполняет роль водоотводного сооружения. Уклоны стенок сооружения принимаются как и во всех других случаях 1:1.5, а уклон дна в пределах 20-40 ‰.

1.2. Проектирование типовой выемки.

По заданию требуется запроектировать выемку в глинистых грунтах с рабочей отметкой 9,3 м, поперечным уклоном местности 12 ‰.

В выемке так же предусматривается сливная призма шириной поверху 2.3 м и высотой 0.15 м для однопутного участка. Ширина основной площадки составляет 7.3 м. У подножия основной площадки нарезаются трапециевидные кюветы глубиной 0.6 м и шириной понизу 0.4 м. С обеих сторон от оси пути предусматривается устройство закюветных полок длинной 2 м с продольным уклоном 20-40 ‰ с целью предупреждения преждевременного загрязнения водоотводных канав. Крутизну откосов выемки назначаем согласно СНиП равной 1:1.5 т.к. грунты не скальные. С верховой стороны выемки на расстоянии 5.0 м от края выемки предусматривается устройство водоотводной канавы глубиной 0,6м и шириной понизу 0.4 м и уклоном стенок 1:1.5. Между забанкетной канавой и краем выемки устраивается банкетный валик который удаляет воду от края выемки в забанкетную канаву.

С низовой стороны ни какие водоотводные сооружения не предусматриваются т.к. вода там удаляется самотеком и ее застоя быть не может.

роектирование пойменной насыпи.

2.1. Основные положения проектирования.

Прежде чем начать проектирование пойменной насыпи следует определиться с терминологией используемой при вычислениях:

Высота волны h_i% − расстояние от гребня до подошвы волны с заданной вероятностью превышения i %.

Длина волны λ − горизонтальное расстояние между двумя соседними вершинами (впадинами) волны.

Период волны Т − время в течении которого волна пройдет расстояние λ.

Крутизна волны отношение высоты волны к ее длине.

Пологость волныотношение длины волны к ее высоте.

Разгон волныL − это протяженность по направлению ветра водной поверхности охваченной ветром вызывающим волну.

Проектирование условно можно разделить на три части:

− определение высоты присыпной бермы, которая устраивается в целях поддержания откосов в силу того, что их протяженность слишком велика, чтобы быть самоустойчивой;

− определение толщины щебеночной (песчаной) подготовки которая устраивается в целях предотвращения суффозии грунта насыпи при обратной фильтрации воды в период прекращения половодья и толщины защитного покрытия откоса насыпи каменным мощением;

− определение обратной фильтрации воды из тела насыпи;

Рис. 1 Схема к определению отметок верха укрепления.

2.2. Определение глубинной зоны водоема.

В основе расчета лежит сравнение средней глубины водоема у подножия насыпи с половиной длинны волны. При это можно выделить 4 зоны вблизи насыпи в которых формирование прибойных волн будет происходить по разному:

I − глубоководная зона, если d_l > λ/2;

II − мелководная зона, если λ/2 < d_l > 2h_i

III − зона прибойных волн;

IV − приурезная зона.

В каждом водоеме выделяют минимально 3 зоны. Количество зон для конкретного водоема выполняется специальным расчетом:

где g=9.81 м/с² − ускорение свободного падения;

L=0,65 км − разгон волны;

V₁=20,1 м/с − скорость ветра на высоте 10 над поверхностью воды.

По полученному в выражении (2.1) значению определим с помощью графика 5.2 приведенному в пособии следующие выражения:

Выразив из данных выражений средние высоту и период волн получим:

Длина волны определится как:

Сравнивая глубину водоема у подножия насыпи в период половодья с половиной средней длины волны делаем вывод о глубинной зоне водоема:

Следовательно зона у подножия насыпи является глубоководной.

2.3. Определение вероятностных характеристик волны для глубоководной зоны.

Определение вероятностных характеристик волны производят для ее высоты по формуле:

Для расчета высоты укрепления принимается вероятность превышения средней высоты 1% (1 раз в 100 лет), а для толщины крепления откоса 2% (1 раз в 50 лет). При этом значения коэффициентов принимаются по графику 5.3 для глубоководной зоны, следующими:

Тогда по формуле:

2.4. Определение высоты наката волны.

При ударе волны о крепление откоса вода за счет кинетической энергии которую она приобрела при разгоне волны поднимается по откосу. При этом кинетическая энергия расходуется на удар волны об откос, преодоление сил трения по поверхности откоса и на преодоление потенциальной энергии на поднятие по откосу.

В общем виде, высоту наката воды можно выразить как:

где k_r=0,95 и k_p=0.85 − коэффициенты определенные по табл. 5.5. в зависимости от , которые характеризуют материал и шероховатость поверхности откоса.

k_sp=1,403 − коэффициент зависящий от скорости ветра и крутизны откоса насыпи, определяется по табл. 5.6 интерполяцией для скорости ветра 20,1 м/с.

k_run1%=2.498 − коэффициент учитывающий пологость волны и крутизну откоса определяется по табл. 5.7 интерполяцией при:

k_β − коэффициент учитывающий изменение высоты наката в зависимости от угла подхода фронта волны к сооружению. При угле подхода в 50⁰:

Подставив эти величины в выражение имеем:

2.5. Определение высоты ветрового нагона воды.

Высота ветрового нагона воды, как правило, принимается по данным натурных наблюдений, а при их отсутствии, без учета конфигурации береговой линии и при постоянной глубине воды по направлению ветрового нагона, определяется методом последовательных приближений по формуле:

где L=650 м – расчетный разгон волны;

d_l=4,8 м – средняя глубина водоема;

– предыдущее значение;

α=40⁰ – угол между направлением ветра и потоком воды.

k_b=3.0·10^-6 − коэффициент учитывающий параметры ветрового потока, принимается по таблице 5.4. для ветра со скоростью 20.1 м/с;

В первом приближении принимаем =0:

Во-втором, приближении принимаем =0.0128:

Т.к. в результате итераций полученные значения различаются менее чем на 5% считаем, что расчет ветрового нагона волн выполнен правильно.

2.6. Определение высоты бермы.

Определение высоты присыпной бермы которая делается для поддержания откосов насыпи для придания им большей устойчивости производится исходя из условия чтобы площадка бермы была на 0.25 м выше уровня вод в самом неблагоприятном случае:

где a=0.25 м − запас по высоте;

h_подп=0.19 − высота подпора воды в период половодья.

Тогда высота бермы:

Берма делается высотой согласно расчета и шириной 6 м. Ширина бермы определяется по условию возможности прохода строительных машин.

2.7. Расчет защитных укреплений.

Тип укрепления – каменное мощение.

mk=0.17*ρ_k/( ρ_k-ρв)³(1/m-0.8 -0.15)h³_2%

ρ_k=2.5т/м³

ρв=1,0т/м³

m=2

d_k=1.2408√m_k/ ρ_k

_Vдоп=2√g*d_k

V_{фактич.}=0,85*V_р

V_р-скорость воды в русле реки

m_k=0,17*2,5/(2,5-1,0)³(1/2-0,8 – 0,15)1,026³=0,092

d_k=1,2408√0,092/2,5=0,413

V_доп=2√9,81*0,413=8,1

V_фактич=0,85*0,85=0,72

V_доп> V_фактич – условие выполняется.

2.8. Расчет обратного фильтра.

Обратный фильтр необходим для предотвращения механической суффозии мелких частиц грунта в швы плит при понижении уровня воды, откате и накате волн на откос.

При применении каменного мощения в качестве защитного слоя от волноприбоя необходимо их устраивать на под­готовке, работающей как обратный фильтр. Для его устройства применяют щебенисто-гравийно-песчаные грунты, а также геотекстиль в слое гравийно-песчаного грунта. Обратный фильтр предотвращает механическую суффо­зию мелких частиц грунта откоса в поры каменных набросок или швы и сквозные отверстия плит при пониже­нии уровня подтопления, спаде пой­менных вод и накате и откате волны на откос.

При устройстве обратного фильтра из зернистого материала технологичес­ки более прост и надежен однослойный фильтр. При его проектировании долж­на устанавливаться пригодность мест­ного материала, по зерновому составу исходя из степени неоднородности, со­отношения размеров частиц материалов с размерами открытых швов и сквозных отверстий в конструкциях плитных по­крытий, а также соотношений размеров d_к при устройстве набросок с размерами частиц грунта откоса.

Опыт проектирования и эксплуата­ции укреплений с обратными фильтра­ми позволил выявить следующие требования, к зерновому составу фильтров исходя из их назначения. При одно­слойном фильтре должно быть:

− диаметр частиц мельче которых в данном грунте содержится 50 % от общего веса:

- - диаметр частиц мельче которых в данном грунте содержится 30 % от общего веса:

− коэффициент разнозернистости:

Толщину обратного фильтра принимаем как:

где в свою очередь коэффициент зависящий от крутизны откоса и пологости волны можно определить как:

Коэффициент φ_от принимаем равным 0.193 по таблице справочника в зависимости от его показателя и высоты волны интерполяцией.

Коэффициент междуслойности принимаем равным:

Подставив полученные значения получаем:

Должны соблюдаться условия:

-условие соблюдается.

2.9. Расчет напряжений в теле насыпи.

2.9.1. Определение необходимого веса грунта.

При разработке некоторых особо ответственных индивидуальных проек­тов требуемая плотность грунтов рассчитывается как функция действующих |в грунтах сжимающих напряжений.

В этих расчетах используются компрессионные кривые грунтов. При этом применяется приближенный метод расчета, сущность которого в следующем.

Известно, что в любом слое насыпи действуют постоянные сжимающие напряжения σ_а, складывающиеся из напряжений от собственного веса грунта σ_γ и напряжений от веса верхнего строения пути σ_вс. При проходе поезда возникают временные напряжения от поездной нагрузки σ_пс.

Рассмотрим компрессионную кривую, полученную при испытаниях грунта в одометре при многократном приложении нагрузки σ_п (рис. 2), при этом достигается такая его плотность, при которой ветви нагрузки и разгрузки на участке действия σ_п прак­тически совпадают.

Очевидно, что величина коэффици­ента пористости e₀ на компрессионной кривой соответствует такой плотности грунта, при которой грунт практически будет работать в упругой стадии.

Из рис. 2 следует, что:

где а₁, а₂, … - остаточные деформации грунта после первого, второго и т. д. нагружения нагрузкой .

Примем, что

а₂=μ·а₁, а₃=μ·а₂=μ²·а₁ и т. д.,

при этом предположим что μ const. Тогда

очевидно, что μ<1, поэтому

1+μ+μ²+…

.

Коэффициент k_е учитывает многократность приложения нагрузки. Экспериментально установлено, что μ 0.1 0.4; k_е=1.1 1.67, при этом меньшие величины относятся к супесям, а больше – к суглинкам.

В курсовом проекте принимаем среднее значение 1.3.

Однако при рассмотренном методе определения е₀ необходимо получать для каждого слоя насыпи свою компрессионную кривую, соответствующую действующим в насыпи (обычно расчет ведется для осевого сечения) напряжениям

σ_а и σ_п.

Это практически неосуществимо. Поэтому в расчете используют лишь

одну компрессионную кривую (при однородном грунте), полученную при σ_max, соответствующему наибольшему напряжению, действующему в насыпи , а для каждого слоя ее перестраивают (аналитически по уравнениям ветвей нагрузки и разгрузки или графически).

Тогда для каждого слоя:

При известном значении е₀ требуемые плотность сложения сухого грунта ρ_d, т/м³, плотность сложения грунта ρ, т/м³, удельный вес сухого грунта γ_d,кН/м³, и удельный вес грунта γ, кН/м³, определяются по известным зависимостям механики грунтов:

Рис. 3

или

Согласно задания, для данного типа верхнего строения пути табл. 5.1 методического пособия:

− интенсивность нагрузки:

− ширина полосовой нагрузки:

Ширина временной нагрузки от подвижного состава принимается равной длине шпалы и составляет для деревянных шпал 2.75 м. Интенсивность нагрузки принимается равной 80 кПа или 80 кН/м².

1. Выполняем расчет для точки А, лежащей в уровне бровки земляного полотна:

Рис. 4

где I − коэффициент рассеяния напряжений принимаемый по таблице для прямоугольной нагрузки.

Знак «–» не несет в себе математического смысла и в расчетах не учитывается, а лишь указывает, что

происходит сжатее грунта.

где y и z − координаты точки в выбранной системе, в данном случае раны нулю т.к. точка находится на пересечении оси и основной площадки земляного полотна, тогда:

Напряжение на основной площадке от верхнего строения пути:

Коэффициент I для подвижного состава:

Напряжение на основной площадке от подвижного состава:

Напряжения от постоянно действующей нагрузки:

где σ_γ – напряжения возникающие от собственного веса грунта, в данном случае равны нулю т.к. точка находится на основной площадке земляного полотна.

Напряжения, в пределах которого грунт должен работать упруго:

По компрессионным кривым определяем коэффициент пористости соответствующий вычисленным напряжениям по ветви разгрузки:

Тогда

По кривой начальный коэффициент пористости:

Учитывая, что влажность грунта W=23%, а k_n=1,0 т.к. точка находится на основной площадке, получаем:

Удельный вес грунта при удельном весе его частиц γ_s=26.6кН/м³ составит:

2. Выполняем аналогичный расчет для точки В лежащей на глубине 2/3 высоты насыпи от основной площадки:

Предполагаем, что удельный вес грунта, при условии его однородности, с глубиной увеличивается в среднем на 0.05 кН/м³, тогда вес грунта на

глубине 2/3 высоты насыпи:

или

За γ₁ принимаем удельный вес грунта в точке лежащей на основной площадке, а за γ₂ удельный вес грунта лежащего в точек на глубине 2/3 высоты насыпи, тогда:

Производим проверку предположения о таком изменении удельного веса грунта от глубины залегания.

Напряжения от собственного веса грунта в точке В:

Вследствие того, что точка находится ниже основной площадки грунт рассеивает напряжения. Тогда напряжения от верхнего строения пути в точке В составит:

Напряжения от подвижной нагрузки:

Напряжения от постоянно действующей нагрузки:

Напряжения, в пределах которого грунт должен работать упруго:

Коэффициент пористости соответствующий вычисленным напряжениям по ветви разгрузки:

Тогда

По кривой начальный коэффициент пористости:

При той же влажности грунта т.к. глубина больше 5 м получаем:

Удельный вес грунта составит:

Вычислим разность, по которой можно будет судить о правильности выдвинутого предположения о нарастании удельного веса грунта с глубиной:

не верно

Производим перерасчет.

Т.к. проверка выполнена, то в дальнейший расчет принимаем значение удельного веса 18,91 кН/м².

2.9.2. Расчет напряжений по подошве насыпи.

Напряжения по подошве насыпи рассчитываются от действия нагрузки от подвижного состава, верхнего строения пути и собственного веса грунта слагающего насыпь. Расчет производим в табличной форме по таблице 1.

Таблица 1. Расчет напряжений по подошве насыпи.

Точка	Характеристики	Нагрузки	h, м	σγ, кН/м2	∑σ, кН/м2
Рпс=80 кН/м2	Рвс=17 кН/м2
а	y	0,00	0,00	10,8	204.23	221.37
z	10.8	10.8
b	2,75	4,25
y/b	0,00	0,00
z/b	3.93	2.54
I	0,1635	0,239
σ=IP	13.08	4.06
b	y	3,65	3,65	10.8	204.23	212.38
z	10.8	10.8
b	2,75	4,25
y/b	1,33	0,86
z/b	3.93	2.54
I	0,074	0,131
σ=IP	5.92	2,23
c	y	12,65	12,65	8.3	156.95	165.78
z	8,3	8,3
b	2,75	4,25
y/b	4,6	2,98
z/b	3,02	1,95
I	0.098	0.057
σ=IP	7.84	0.986
d	y	12.70	12.70	8.2	155.06	156.28
z	8.2	8.2
b	2,75	4,25
y/b	4.62	2.99
z/b	2.98	1.93
I	0.005	0.048
σ=IP	0.4	0.82
e	y	18.70	18.70	8.1	153.17	154.09
z	8.1	8.1
b	2,75	4,25
y/b	6.8	4.4
z/b	2.95	0.97
I	0.003	0.04
σ=IP	0.24	0.68