Роектирование пойменной насыпи. 4 страница

4. Определение уровня воды в дренаже (гидравлический расчет).

Гидравлический расчет двухстороннего дренажа заключается в определении расхода воды через проектируемый дренаж с целью подбора конструктивного исполнения.

Для данного несовершенного дренажа расход на 1 погонный метр составит:

,

где q_А+Б и q_В, q_г, q_Д+Е – расходы из соответствующих зон;

Расход из зоны А+Б:

где h₀ – уровень стояния воды в траншее;

Расход в зоне В составит:

где q_r – расход с данной зоны, определяемый по формуле:

где q_r’ – расход, определяемый по графику в зависимости от коэффициентов α и β, определяемых по формулам:

Т.к. β>3, то α определим как:

По графику определяем расход q_r^’ :

Тогда:

Расход в зоне Г:

f – стрела изгиба;

Т.к. β<3, то α определим как:

q_r^’=0,2

Расход из зоны Е+Д:

Расход на 1 погонный метр дренажа:

Полный расход через дренаж:

,

l = 560м – длина дренажа, принимаемая равной длине нагорной водоотводной канавы.

где m=1,5 – коэффициент, учитывающий возможность заиливания дренажа.

5. Подбор дрены.

В ходе предыдущего расчета было установлено, какой расход воды должен обеспечивать дренаж при понижении уровня грунтовых вод до отметки ниже сезонного горизонта промерзания грунта. Для того чтобы отвести расчетный расход воды из грунта следует предусмотреть дрену (дренажную трубу). Ее диаметр подбирается на отвод расхода воды полученного в результате предыдущего расчета. При этом придерживаются следующих условий:

− труба работает полным сечением;

− минимальный диаметр трубы 150 мм по условию удобства проведения работ по чистке трубы в период эксплуатации;

Расчет является проверкой на то справится ли труба принятого диаметра с расчетным расходом воды из грунта.

В первом приближении принимаем диаметр трубы равным d=150 мм.

Площадь живого сечения:

Смоченный периметр:

Гидравлический радиус трубы:

По вычисленному гидравлическому радиусу подбираем коэффициент формулы для вычисления показателя степени y:

где n=0.012 − шероховатость керамической дренажной трубы.

Коэффициент C:

На протяжении трубы следует предусмотреть смотровые колодцы для обслуживания дренажа. Конструкция колодца предусматривает устройство водобойного колодца предназначенного для гашения скорости воды и отстоя органических и механических частиц грунта.

В этом случае кулон трубы составит:

i_д = i_р= 0,006 − продольный уклон местности (принятый равным руководящему уклону в курсовом проекте «Новая линия»);

a = 0,25 м − перепад в водобойном колодце между впуском и выпуском;

l = 50-100 м − расстояние между колодцами.

Скорость потока в трубе:

Расход воды в трубу:

Проверяем условие пропуска расчетного расхода в трубу данного диаметра:

Т.е. условие выполнено с большим запасом и увеличивать диаметр трубы не требуется. Уменьшать значение диаметра так же не целесообразно в силу сложностей в текущем содержании трубы.

6. Подбор дренажного заполнителя.

Направленность тока воды создается в дренаже за счет увеличения пористости заполнителя на пути от грунта к дренажной трубе. Правильность подбора дренажного заполнителя обеспечивает осушение дренажа в расчетные сроки и гарантирует продолжительность работы всей конструкции без заиливания в течение всего срока эксплуатации.

Расчет производится по двум условиям:

− исключена суффозия мелких частиц грунта в поры дренажного заполнителя и частиц заполнителя в отверстия трубы;

− дренирующий заполнитель не должен механический проникать в отверстия трубы.

Эти расчеты производятся для контактов грунт-заполнитель и заполнитель-труба.

Контакт грунт-заполнитель:

Выполнение первого условия обеспечивается соотношением:

где V_вх − скорость на входе в заполнитель (трубу);

[V] − допускаемая скорость на входе в заполнитель (трубу).

Допускаемую скорость на входе в трубу можно найти как:

где k_ф-г=7∙10^-6 м/с − коэффициент фильтрации грунта выемки.

Определим скорости притока воды в дренаж из различных зон сбора воды:

− полевая сторона:

− междудренажная сторона:

В предыдущем расчете было известно q_m которое учитывало расход из междудренажной стороны и расход снизу дренажа. Расход из зоны Г можно получить из зависимости:

Скорость воды в этой зоне:

− приток воды снизу:

Из проведенного расчета видно, что ни одна из полученных скоростей на входе в дренаж не превышает максимально допустимую скорость, следовательно суффозии частиц грунта не происходит.

Выполнение второго условия выражается соотношением:

где с = (2-2,5) − коэффициент пропорциональности;

Делаем проверку:

0.052<2∙2

0.052<4

Проверка выполнена, следовательно грунт не проникает в дренажный заполнитель и далее в дренажную трубу.

Контакт заполнитель-труба:

В расчете так же проводится проверка двух условий изложенных выше:

− первое условие:

В конструкции дренажа используется керамическая труба диаметра 150 мм без отверстий. Вода в такую трубу проникает через щели, предусмотренные в стыках секций трубы. Ширина щели 2 мм.

Скорость на входе в дренаж:

(4.47)

где ζ − коэффициент использования площади щелей (0,25-0,5)

∑F_т − суммарная площадь щелей трубы приходящаяся на 1 погонный метр:

(4.48)

Допускаемая скорость на входе в щель дренажа:

(4.49)

Коэффициент фильтрации заполнителя в данном случае можно рассчитать по формуле:

(4.50)

где d_п − приведенный диаметр частиц заполнителя, который в свою очередь составит:

(4.51)

где g_i − доля по весу той фракции, у которой средний линейный размер равен d_i.

В свою очередь:

(4.52)

Формула (4.52) рассчитывается для каждой крупности частиц:

Суммируя полученные значения, имеем:

(4.53)

Из расчета видно, что условие выполняется, и при таком размере щелей дренажной трубы в неё не будет происходить вынос частиц грунта. Т.е. принимаем размер щели равным 2 мм.

− второе условие:

По графику гранулометрического состава грунта дренажного заполнителя определяем d_90-з:

Условие выполняется, этот заполнитель на контакте с трубой в щели между трубами попадать не будет.

3.1. График гранулометрического состава дренажного заполнителя

3.2.1. Проектирование теплоизоляционной подушки

Расчет толщины подушки

В процессе эксплуатации земляного полотна железных дорог в зимний период наблюдается постепенное поднятие грунта, которое увлекает за собой всю конструкцию верхнего строения пути. Этот процесс продолжается в течение всей зимы пока грунт не промерзнет до максимальных для данного региона глубин. Но наибольшие трудности в эксплуатации вызывает не собственно само пучение, а неравномерное вспучивание отдельных участков земляного полотна. Как правило, такие процессы наиболее интенсивно наблюдаются в выемках большой глубины в силу близости поверхности грунтовых вод и использовании в качестве основания для верхнего строения пути грунтов в природном состоянии. В предыдущем разделе был рассмотрен один из способов устранения явления пучинистости путем устройства дренажа, однако эффективность этого способа ограничена удельной молекулярной влагоемкостью грунта.

При устройстве противопучинной подушки исходят из тех соображений, что грунт подверженный морозному пучению в течение всей зимы не должен промерзать, т.е. градиент температур должен быть достаточно высок за счет устройства именно противопучинной подушки.

Запроектируем противопучинную подушку при следующих начальных условиях:

− район строительства: Иркутская область;

− высота равномерного пучения: h₀ = 55 мм;

− материал подушки: асбестовый балласт.

Рассчитываем накладную подушку.

Глубина промерзания грунта в данном районе определяется как:

где M_t − абсолютная среднемесячная суммарная отрицательная температура в данном регионе за год;

В расчетах противопучинных подушек рассматриваю не местный грунт, а некий эталонный грунт, который является некой гипотезой и в свою очередь дает упрощение расчета.

Глубина промерзания эталонного грунта:

По СНиП 23-01-99 «Строительная климатология» для Свердловской области абсолютная минимальная температура составят: М_t = – 47⁰ С.

Исходя из уравнения эквивалентности:

где m_сн − толщина снега после уборки снегоуборочной машиной;

n_сн − коэффициент эквивалентности плотного снега;

m_щ ,m_п ,m_гр − толщины промерзающих щебня, песка, грунта;

n_щ ,n_п ,n_гр − коэффициенты эквивалентности соответственно щебня, песка, грунта.

В расчетах принимают: m_сн / n_сн = 0,18 м

Для однопутного участка железной дороги III категории с деревянными шпалами:

m_щ = 0,40 м n_щ =1,30

m_п = 0,20 м n_п =1,20

Коэффициент эквивалентности супеси грунта составляет:

n_гр = 1,136

Из уравнения эквивалентности выразим глубину промерзания грунта:

Выразим из (5.5) отношение толщины подушки к ее коэффициенту эквивалентности:

По таблице находим ближайшее значение и соответствующее ему значение толщины асбестового балласта m_под = 0,10 м.

Подушка перекрывает место пучинообразования на 5–10 м, далее устраивается сопряжение.

Ширина подушки принимается раной 5 м т.к. m_гр = 1÷1,5 м

Расчет сопряжения подушки

Т.к. под противопучинной подушкой грунт не промерзает вообще, а вне ее вспучивание происходит равномерно, то перепад отметок головки рельса устраняют устройством сопряжения в виде прорезей в пределах сопряжения.

В расчете сопряжения подушки считаем, что эпюра промерзания грунта имеет прямоугольный вид.

Длина сопряжения:

где [i]=0,0015 − допускаемый отвод возвышения.

Всю длину сопряжения делим на три части длинами:

l₁ =12,223 м

l₂ =12,223 м

l₃ =12,223 м

Высота равномерного поднятия в пределах сопряжен

где l_i − длина от начала сопряжения;

Рассчитаем высоты поднятия для всех точек:

Величина пучения при промерзании грунта толщиной m_i:

Откуда:

Рассчитаем глубину промерзания для всех точек: