Индивидуальный проект земляного полотна

Содержание
1. Проект пойменной насыпи 7
1.1 Определение требуемого уплотнения грунта насыпи 7
1.2 Расчёт толщины защитного слоя 9
1.2.1 Определение напряжений по глубине под основной площадкой от поездной нагрузки, веса ВСП и вышележащего грунта 9
1.2.2 Определение критических нагрузок и толщины защитного слоя 11
1.3 Проектирование поперечного профиля насыпи и расчет на устойчивость 14
1.4 Расчет осадки насыпи 19
1.4.1 Построение эпюр природных напряжений в основании насыпи и коэффициента пористости грунта 19
1.4.2 Построение эпюры напряжений по подошве насыпи 28
1.4.3 Построение эпюр напряжений в основании насыпи после сооружения насыпи и коэффициента пористости грунта 30
1.4.4 Определение относительных осадок слоёв и суммарной осадки насыпи 31
1.5 Проектирование конструкции укрепления откосов 34
1.5.1 Выбор типа укрепления откосов бермы. 34
1.5.2 Расчет необходимой толщины укрепления 35
1.5.3 Проектирование обратного фильтра 36
2. Проект выемки 39
2.1 Проектирование нагорной канавы и ее укрепление при заданных уклонах продольного профиля по оси канавы и расхода воды в канаву 39
2.2 Проектирование дренажных устройств 42
2.2.1 Определение технической эффективности дренажа 42
2.2.2 Определение глубины заложения дренажа 43
2.2.3 Определение притока воды в дренаж 44
2.2.4 Гидравлический расчет дренажных труб 48
2.2.5 Гидравлический расчет дренажа 49
2.3 Проектирование противопучинных покрытий 53
2.3.1 Определение допустимой величины пучения 53
2.3.2 Определение глубины промерзания и расчетной величины пучения 53
Список литературы 56

1.1 Определение требуемого уплотнения грунта насыпи
В случае применения групповых поперечных профилей насыпей и разработки индивидуальных проектов плотность сложения грунтов принимается по нормам, регламентированным в [3] и [4]. 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,г/см3, должна быть такой, чтобы грунт насыпи при воздействии поездной нагрузки и нагрузки от веса верхнего строения пути работал практически в упругой стадии.

Рисунок 1.1 Эпюры внешних нагрузок и прямоугольной формы

Требуемую в земляном полотне для песчаных и глинистых грунтов плотность сложения сухого грунта d определяют по формуле:
, (1.
...

1.2 Расчёт толщины защитного слоя
Защитный слой – слой дренирующего грунта, который должен иметь соответствующий коэффициент уплотнения и толщину такую, чтобы под ним не возникали пластические деформации.
Подбалластный защитный слой (ПЗС) должен выполнять следующие функции:
1. Распределять и снижать поездную нагрузку на грунты земляного полотна;
2. Отводить атмосферные воды от основной площадки;
3. Распределять (не допускать перемешивание части балластной призмы и грунта земляного полотна);
4. Защищать от промерзания пучинистые грунты земляного полотна;
5. Гасить колебания от поездов (виброзащитная функция)
Подбалластный слой устраивается из щебеночно-гравийно-песчаной смеси и при необходимости дополняется покрытием из геотекстиля, георешеток и пенополистирола.
поездная нагрузка (по заданию)
нагрузка от ВСП (по заданию)
Таблица 1.1 – Параметры нагрузки от веса верхнего строения пути

1.2.
...

1.2.1 Определение напряжений по глубине под основной площадкой от поездной нагрузки, веса ВСП и вышележащего грунта
Для определения толщины защитного слоя, необходимо найти точку пересечения зависимостей по глубине: величины критической нагрузки и суммарных действующих сжимающих напряжений .
Напряжения от веса верхнего строения пути, веса подвижного состава определяются по формулам:

где интенсивность нагрузки от веса подвижного состава и верхнего строения пути соответственно:
углы “видимости”;
Расчет напряжений производится в следующих точках: точка 1 – точка смены слоев грунта, точка 2 – величина защитного слоя, точка 3 – глубина промерзания.
Схема определения напряжений от полосовой нагрузки представлена на рисунке 1.0

Рисунок 1.0 – Схема полосовой нагрузки, приложенной к полуплоскости
Определение суммарных сжимающих напряжений.
, ; (1.
...

1.2.2 Определение критических нагрузок и толщины защитного слоя
Для предотвращения возможности возникновения в грунтах на глубине h деформаций пластических сдвигов суммарные напряжения от поездной нагрузки, веса верхнего строения пути и собственного веса грунта не должны превышать критической для данного грунта нагрузки , которая определяется по формуле Пузыревского.
При условии, что :
. (1.7)
где: - расчетное сцепление грунта в период оттаивания, кПа;
- угол внутреннего трения (из задания рад);
- удельный вес i-го слоя грунта;
- глубина залегания расчетной точки.
Величина является полным напряжением, действующим на глубине h.
Прочностные характеристики грунта принимают минимально возможными с учетом снижения сцепления в период оттаивания.
Расчетное сцепление грунта рассчитываем по формуле:
, (1.
...

1.3 Проектирование поперечного профиля насыпи и расчет на устойчивость
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 [3], 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 приниматься в расчет те соображения, которые относятся к воздействию воды на грунты насыпей.
...

1.4.1 Построение эпюр природных напряжений в основании насыпи и коэффициента пористости грунта
Грунты насыпей должны послойно уп­лотняться до степени, обеспечивающей практически упругую работу их под поездной нагрузкой. Однако, несмотря на требование уплотнять верхние слои оснований толщиной 0,5 до плотности, соответствующейК = 0,98...0,95, осадка оснований насыпей неизбежна, и при разработке индивидуальных проектов необходимо ее рассчитывать, так как при ее реализации воз­никают необратимые дефор­мации основной площадки (она опускается на некоторую величину S00, м).

Рисунок 1.5 Схемы к определению запаса на осадку насыпей:
а – поперечный профиль насыпи;
б – продольный профиль.

Расчет осадок оснований Sосн, м производится в следу­ющих случаях:
• при необходимости на­значения запаса на осадку в размере S0-0 (рисунок 1.5, а); за­пас на осадку возможен, если сочетание продольных укло­нов пути i1 и i2 является допу­стимым (рисунок 1.
...

1.4.2 Построение эпюры напряжений по подошве насыпи
Часто на длительно эксплуатируемых насыпях на слабых основаниях при их малой высоте наблюдаются значительные упругие осадки. Это приводит к образованию продольных трещин на обочинах земляного полотна и в междупутье, угону пути и т.д. Как правило, на таких участках действуют длительные ограничения скорости. Для правильного назначение и проектирования мероприятий по устранению указанного вида деформаций необходимо знать величину упругих осадок слабого основания. Ее можно определить следующим образом:
Для упрощения расчета напряжений от веса насыпи нам необходимо разбить саму насыпь на элементарные фигуры, а именно прямоугольники и треугольники. Опустив линии границ фигур на основание насыпи, мы получим десять точек в которых нам необходимо найти напряжение .

Рисунок 1.6 Расчетная схема для определения вертикальных нормальных напряжений

(1.
...

1.4.4 Определение относительных осадок слоёв и суммарной осадки насыпи
Для оценки величины общей осадки S0-0 необходимо выполнять расчеты по определению ожидаемых осадок основания Sосн, для этого применяется метод послойного суммирования осадок, который заключается в следующем:
Осадка слоя в любом вертикальном сечении основания под воздействием нагрузки определяется по формуле
= ; (1.34)
Где - средние величины коэффициента пористости i-го грунта основания в природном состоянии;
- средние величины коэффициента пористости, полученные расчетом;
- толщина расчетного слоя грунта в метрах.
– абсолютная осадка i–го слоя грунта
(1.35)
– относительная осадка i–го слоя грунта

(1.36)

Результаты расчетов приведены в таблице 1.6:

Таблица 1.
...

1.5.1 Выбор типа укрепления откосов бермы.
С целью сохранения откосов земляного полотна от разрушающего воздействия природных факторов применяют укрепительные защитные устройства.Тип укрепления земляного полотна и вид защиты назначают в зависимости от конкретных условий: топографии, климата, гидрологии и тд. Они уменьшают и предотвращают инфильтрацию атмосферных осадков в грунт и защищают земляное полотно от размыва текущей водой или волноприбоем.
Укреплению подлежат:
• откосы насыпи, выемок и защитного слоя при всех видах грунта, кроме скальных слабовыветриваемых и выветривающихся, крупнообломочных грунтах.
...

1.5.2 Расчет необходимой толщины укрепления
Укрепление железобетонными омоноличенными плитами, так как высота волны 1,07 м. Тип плит и их размеры подбираются по данным П6.1.[2] в зависимости от параметров волнового воздействия: скорости течения волны и расчетной высоты волны.
При применении всех бетонных и железобетонных покрытий их толщина определяется исходя из требований обеспечения плиты мот всплытия (из-за противодавления воды), сдвига и опрокидывания ее расчетной волной по формуле:

где, – коэффициент запаса (для линии I категории - 1,25)
–коэффициент, учитывающий тип плит (1,00 – при монолитныхплитах)
- высота волны i%-й обеспеченности, м
– размер плиты, перпендикулярный урезу воды, м
–удельный вес материала плиты и воды соответственно, кН/м3
m- показатель заложение откоса

Определим количество плит укладываемых на откос бермы длинной

Принимаем 5 плит размером 2,5х3,0м.
Между плитами делают швы толщиной 0,01 м.
...

1.5.3 Проектирование обратного фильтра
Для предотвращения суффозии (вымывания и выноса) мелких частиц грунта защищаемого откоса насыпи из-под покрытия при волновом воздействии и эксфильтрации воды из насыпи при понижении уровня подтопления, спаде паводковых вод плитные покрытия должны укладываться на специальную подготовку, которая выполняет роль сопрягающего слоя между грунтом и плитным покрытием и одновременно служит обратным фильтром. В качестве материала фильтра используются щебенисто-гравийно-песчаные грунты, а также геотекстильные материалы, укладываемые в слое гравийно-песчаного грунта.
По технологическим соображениям целесообразно устраивать однослойные фильтры.
При проектировании обратных фильтров устанавливается пригодность материала по зерновому составу, исходя из коэффициента его неоднородности h, а также соотношений размеров частиц материала фильтра с размерами швов и сквозных отверстий в конструкциях плитных покрытий.
...

2.1 Проектирование нагорной канавы и ее укрепление при заданных уклонах продольного профиля по оси канавы и расхода воды в канаву
Исходные данные:
• Линия I категории;
• Грунт выемок – суглинок;
• Средний уклон кривой депрессии I0=65%о=0,065;
• Глубина промерзания грунта выемки Z=1,74;
• Высота капиллярного поднятия aк=0,72м;
• Расстояние от дна дренажа до водоупора Т=2,5м;
• Разность в уровне бровки и горизонтальном уровне грунтовых вод (Абр – Агв)=0,88м;
• Коэффициент фильтрации Kf=56*10-7м/с;
• Длина водосборной части дренажа Lдр=530м;
• Пористость дренирующего заполнителя nз=0,37;
• Уклон выемки Iv=5%о=0,005;
• Пористость грунта выемки n=0,23;
• Удельные вес частиц грунта выемки γб=27,4 кН/м3;
• Максимальная молекулярная влагостойкость Wм=0,11
При проектировании канав необходимо выполнять следующие условия:
• канава должна пропускать весь расчетный расход воды без переполнения.
...

2.2.3 Определение притока воды в дренаж
Для расчета приняты следующие допущения:
• запас воды в области питания считаются неограниченными, т.е. приток воды на 1 м дренажа постоянный;
• до устройства дренажа зеркало грунтовых вод и поверхность водоупора горизонтальные, а скорость воды равна нулю;
• после устройства дренажа движение воды равномерное, т.е. применим закон Дарси.

Рисунок 2.3 - Расчетная схема для определения притока воды в дренаж

Общий приток воды в дренаже:

где,

Высота высачивания кривой депрессии:

Длина проекции кривой депрессии

Приток воды из зоны А и Б:

где,

Приток воды из зоны В:

Рисунок 2.4 –График для определения приведенного расхода воды

В случае >3

где, берется с графика. При

Боковой приток воды из междудренажного пространства:

Общий приток воды в дренаж:

Расход воды определяется по формуле:

где, (

2.2.
...

2.2.5 Гидравлический расчет дренажа
Условия механической суффозии:
1) Для предотвращения механической суффозии (выноса) мелких частиц из грунта выемки в дренирующий заполнитель или из дренирующего заполнителя в щели или зазоры труб входная скорость фильтрации должна быть меньше допустимой:

где, - входная скорость втекания воды из слоя с более мелкими частицами в слой с более крупными частицами (из грунта в дренирующий заполнитель или из заполнителя в дренажную трубу); - допускаемая скорость, при превышении которой начинается процесс суффозии, а, следовательно, и засорения дренажной обсыпки или дрены.
2) Для того, чтобы дренирующий грунт не заполнял водоприемные отверстия в дренажной требу, наиболее крупные его частицы (размером d90)должны образовывать вокруг отверстий устойчивый свод, предотвращающий вылавливание более мелких частиц в отверстия и их засорение.
...

Список литературы
1. Расчеты и проектирование железнодорожного пути: Учебное пособие для студентов вузов ж.-д. трансп./ В.В. Виноградов, А.М. Никонов, Т.Г. Яковлева и др.; Под ред. В.В. Виноградова и А.М. Никонова. – М.: Маршрут, 2003. – 486 с.
2. Железнодорожный путь: учебник./ Е.С.Ашпиз, А.И.Гасанов, Б.Э.Глюзберг и др. ; под редакцией Е.С.Ашпиза – М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2013.-544 с..
3. СП 238.1326000.2015 «Железнодорожный путь»
4. СП 32-104-98 «Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм»