Размещено на http://www.allbest.ru/



ВВЕДЕНИЕ

Узбекистан до 2020 года направит около 10 миллиардов долларов на развитие транспортной инфраструктуры страны. Программа действий правительства на ближайшую и долгосрочную перспективу в области транспортной инфраструктуры предусматривает реализацию свыше 150 проектов по развитию автомобильных и железных дорог, центров логистики и коммуникаций. В частности, 13 инвестпроектов стоимостью более 3 миллиардов долларов будут направлены на модернизацию и электрификацию железнодорожных коммуникаций, в том числе в направлениях Ангрен-Пап, Мароканд-Карши, Карши-Термез, Мароканд-Бухара. Реализация Программы развития и модернизации инженерно-коммуникационной и дорожно-транспортной инфраструктуры на 2015-2019 годы, в конечном итоге, еще больше повысит промышленный потенциал нашей страны и благосостояние населения, послужит мощным импульсом для развития экономики. Создание современной дорожно-транспортной и инженерно-коммуникационной инфраструктуры создаст широкие возможности для структурных преобразований и технологического обновления экономики. Организуемые в результате этого новые рабочие места послужат важным фактором обеспечения занятости молодежи.

2015 году железнодорожная компания вложила в развитие и модернизацию железнодорожного транспорта 432,8 млрд. сумов собственных средств. Восемь инвестпроектов нынешнего года реализуются в тесной увязке с программами перспективного развития отраслей экономики и территорий.

В целом проделанная работа и реализация инвестиционных проектов позволит повысить уровень безопасности движения поездов, что повысить позицию АО «Узбекистонтемирйуллари» в мировом рейтинге.

Железнодорожный транспорт может выполнить свои задачи, только если будет обеспечен высокий уровень надежности железнодорожного пути; эксплуатационной стабильности его несущего основания - земляного полотна, которое представляет собой сложное техническое сооружение, возведенное из дисперсных анизотропных грунтов.

В целях обеспечения должного уровня безопасности движения поездов, особое внимание уделяют проектированию и расчету устойчивости откосов насыпи, а также обеспечению стабильной работы земляного полотна.

Земляное полотно является одним из самых ответственных элементов железнодорожного пути, его несущая конструкция. Обеспечение безопасности движения поездов, сокращение потерь пропускной и провозной способности дорог в значительной степени зависят от состояния земляного полотна.

Земляное полотно как долговременное сооружение примерно на 90% эксплуатационной длины сети железных дорог работает удовлетворительно, в целом обеспечивая требования перевозочного процесса. Опыт эксплуатации железных дорог свидетельствует о том, что к наиболее тяжелым последствиям приводят сплывы и разрушения откосов высоких насыпей из глинистых грунтов

Состояние основной площадки в значительной степени определяет стабильность земляного полотна и надежность железнодорожного пути для движения поездов.

Сезонные процессы промерзания и оттаивания, увлажнения и высыхания, пучения и другие изменяют состояние и прочностные характеристики грунтов земляного полотна.

Проявляемые в зимнее время неравномерное пучение (поднятие) пути, которое вызывает недопустимые искажения рельсовых нитей в вертикальной плоскости в виде горбов, впадин, перепадов. В весеннее время при оттаивании грунтов возникают деформации пластических сдвигов. Для предотвращения возможности возникновения этих деформаций необходимо умело проектировать противопучинные мероприятия.

Высокие насыпи проектируются индивидуально для конкретных объектов земляного полотна, обосновываются данными детальных инженерно-геологических обследований и необходимыми расчетами.

Проектирование земляного полотна базируется на ряде расчетов, включающих в себя определения:

напряженного состояния земляного полотна;

необходимой плотности грунта, деформаций уплотнения;

устойчивости земляного полотна и его элементов;

При правильном проектировании, тщательном исполнении и нормальной эксплуатации земляного полотна можно надежно обеспечить его стабильность даже в самых тяжелых условиях

Целью данной выпускной работы является обоснование размеров и требований при индивидуальном проектировании земляного полотна, в выпускной работе приведены расчеты требуемой плотности грунтов насыпи, ее устойчивости, обоснованы и запроектированы мероприятия по устранению деформаций земляного полотна.

В конце выпускной работы освещен раздел связной с охраной труда.



1. ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО

1.1 Назначение и типы земляного полотна

Земляное полотно является основным элементом нижнего строения железнодорожного пути. Оно представляет собой инженерную конструкцию в виде комплекса грунтовых сооружений, получаемых в результате обработки земной поверхности. Земляное полотно - наиболее ответственный элемент железнодорожного пути, его несущая конструкция. Оно является как бы фундаментом верхнего строения пути. Среди основных сооружений железнодорожного транспорта земляное полотно имеет по стоимости значительный удельный вес. Так, из общей стоимости 1 км строительной длины железной дороги на земляное полотно приходится более 25%. От состояния земляного полотна в значительной мере зависят техническая скорость движения поездов и разрешаемая статическая нагрузка на рельсы от колесных пар подвижного состава. От надежности земляного полотна непосредственно зависит выполнение планов перевозок и безопасность движения поездов.

Земляное полотно предназначено для укладки на него верхнего строения пути, восприятия динамических переменных нагрузок от подвижного состава и постоянных нагрузок - от веса верхнего строения пути и собственного веса грунта. Кроме того, на полотно воздействуют природные факторы: атмосферные (вода, температура, ветер), геологические (сейсмика), гидрогеологические (грунтовые воды) и др. Поэтому конструкция земляного полотна должна иметь водоотводные сооружения и надежно работать при любой температуре и воздействии всех динамических и статических нагрузок.

Земляное полотно железных дорог представляет собой инженерное сооружение и включает в себя в зависимости от положения основной площадки относительно поверхности земли: насыпи (рис. 1.1а), выемки (рис. 1.1б), нулевые места (рис. 1.1в), полунасыпи(рис. 1.1г), полувыемки (рис. 1.1д), полунасыпи-полувыемки (рис. 1.1е).

Рис. 1.1 Типы земляного полотна

1 - основная площадка; 2 - собственно земляное полотно; 3 - основание.

1.2 Основные требования, предъявляемые к земляному полотну принципы его проектирования

По устойчивости, прочности и своему техническому состоянию земляное полотно должно обеспечивать безопасное и плавное движение поездов с наибольшими конструкционными скоростями, установленными для всех обращающихся на дорогах типов вагонов и локомотивов.

Обеспечение надежности, устойчивости и прочности во все времена года, вне зависимости от сезонных неблагоприятных условий погоды, свойств отдельных грунтов, климатических и гидрогеологических условий, а также безопасности, срочности и непрерывности движения поездов есть основное эксплуатационное требование к земляному полотну. Оно должно быть неизменяемым от действия текущей и стоячей воды, ветра, колебаний температур и атмосферной влаги и пр.

На земляное полотно оказывают динамические воздействия осевые нагрузки от подвижного состава, которые тем больше, чем выше скорости движения поездов. Поддействием этих нагрузок земляное полотноне должно иметь значительных инеравномерных остаточных деформаций и осадок. Для нормальной работы необходимо,чтобы при максимальной грузонапряженности, наибольших скоростях движения поездови нагрузок от подвижного состава в земляном полотне возникали только упругиедеформации.

Земляное полотно должно быть правильно построено, уплотнено и должно иметьнеобходимые водоотводные, дренажно-осушительные, укрепительные и подпорныесооружения. При этом требуется учитывать большое разнообразие гидрогеологических,климатических, сейсмических и др. факторов, связанных с географическимрасположением дороги.

Проектировать, строить и содержать земляное полотно необходимо так, чтобы егоустойчивость была достаточной в любое время года, в т.ч. и тогда, когда грунты, изкоторых оно построено, подвергаются особо неблагоприятным воздействиям от затяжныхдождей, быстрого таяния снега, временного скопления и застоя воды у откосов, проходавесенних вод и других явлений природы.

Дефекты земляного полотна, связанные с неправильным проектированием,постройкой, плохим текущим содержанием, несвоевременным ремонтом, всегдаприводили к ограничению скоростей движения поездов, уменьшению пропускнойспособности линий, большим перерывам и даже к авариям и крушениям поездов счеловеческими жертвами и большими материальными убытками. Четкая работа железнодорожного транспорта играет особо важную роль. Совершенно недопустимо уменьшение скоростей, перерывы движения, а тем более авариии крушения поездов из-за плохого технического состояния земляного полотна. Нельзямириться с появлением неожиданных катастрофических деформаций земляного полотна, нередко случающихся со старыми высокими насыпями, насыпями на поймах рек и наболотах.

К земляному полотну, кроме того, предъявляется дополнительное требование -создать необходимые условия для ремонта и эксплуатации верхнего строения пути, обеспечить устойчивое его состояние при значительном уменьшении затрат.

Таким образом, основными требованиями, которым должно отвечать земляноеполотно являются следующие:

- земляное полотно должно быть прочным и устойчивым, надежным и долговечным;

- конструкции земляного полотна должны быть такими, чтобы расходы на егоустройство, ремонты и содержание былиминимальными при максимальной возможностимеханизации и автоматизации работ;

- все поверхности земляного полотна, устройств при нем и полосы отвода должныбыть спланированы и защищены так, чтобы атмосферная вода нигде не застаивалась ибыл бы обеспечен ее максимальный сток в стороны или в специальные водоотводныесооружения при минимальной впитываемости в грунт.

1.3Поперечные профили земляного полотна

Поперечные профили земляного полотна на перегонах и станциях. Поперечным профилем называется разрез земляного полотна плоскостью, перпендикулярной его продольной оси, выполненный на всю ширину полосы отвода. Поперечные профили по условиям их применения делят на типовые и индивидуальные.

Типовыми поперечными профилями земляного полотна называют профили,проверенные многолетним опытом, применяемые при высоте насыпей и глубине выемокдо 12 м при надежном основании с поперечным уклоном не круче 1:3 из наиболее частовстречающихся грунтов удовлетворительного качества в обычных геологических игидрогеологических условиях.

Поперечные профили земляного полотна, разработанные по отдельным проектам дляусловий, в которых типовые профили неприменимы,называютсяиндивидуальными. Такиепрофили разрабатывают при глубине выемок и высоте насыпей более 12 м на основеинженерно-геологических обследований и расчетов. Индивидуально проектируют такжеземляное полотно и при меньшей глубине выемок и высоте насыпей в следующихслучаях:

- насыпи в пределах болот I и III типов глубиной более 4 м и болот II типа глубинойболее 3 м, а также при поперечном уклоне дна болот I типа круче 1:10, II типа - 1:15, IIIтипа - 1:20;

- при разработке выемок массовым взрывом на выброс или способомгидромеханизации;

- при наличии пучинистых мест; насыпи, сооружаемые в неблагоприятныхинженерно-геологических условиях (на косогорах круче 1:5, на неустойчивых иоползневых косогорах, на слабых и мокрых основаниях, при воздействии волн, напересечении озер, болот глубиной 3-4м, староречий, пойм рек, крутых балок); насыпи,возводимые способом гидромеханизации; земляное полотно, устраиваемое в районахвечной мерзлоты, на участках с наличием подземных льдов, бугров пучения, наледей и др.неблагоприятных мерзлотных явлений, на участках с возможным развитием оползней,обвалов, осыпей, каменных россыпей, снежных лавин, селей, карстов, в районах землетрясений с сейсмичностью 7 баллов и более. Применение индивидуальных поперечныхпрофилей должно быть обосновано технико-экономическими показателями.

Групповые проекты(поперечные профили) земляного полотна разрабатываются для групп схожих объектов на участках со сложными, но многократно повторяющимися на данной линии инженерно-геологическими условиями; они требуют индивидуального обоснования на основе серийных расчетов, схожести параметров или интегральных характеристик, определяемых с привлечением теории подобия и инженерно - геологических аналогий.

Типовые поперечные профили земляного полотна, как и прочие, характеризуются шириной и формой основной площадки, крутизной откосов, расположением водоотводных устройств, высотой насыпи и глубиной выемки. Части основной площадки (по бокам), свободные от балластного слоя, называются обочинами, а пересечение основной площадки с откосами земляного полотна - бровками.

Основная площадка земляного полотнадолжна удовлетворять следующим требованиям:

- быть прочной и устойчивой; создавать условия устойчивого положения верхнего строения пути; позволять удобно и просто содержать, эксплуатировать и ремонтировать железнодорожный путь. Ширина основной площадки ранее построенного земляного полотна на прямых участках должно быть не менее: на однопутных линиях 5,5 м, двухпутных - 9,6 м, а в скальных и дренирующих грунтах соответственно 5,0 и 9,1 м. На кривых участках пути (радиусом менее 2000 м) основная площадка уширяется для обеспечения необходимой обочины в связи с возвышением наружного рельса: на новых линиях I - III категорий при радиусе кривой 3000 м и более - на 0,1 м; при радиусе 2500- 1800 - на 0,2; при радиусе 1500-700м - на 0,4 м при радиусе 600 м и менее - на 0,5 м. На двухпутных участках ширину основной площадки, кроме того, увеличивают на 4,1 м и в соответствии с нормами на уширение междупутья в кривых. Уширение земляного полотна у мостов устанавливается проектом моста. Ширина основной площадки земляного полотна вновь строящихся железных дорог для линий I категории в недренирующих грунтах 7,0 и в дренирующих 6,0 м.

На станциях и разъездах ширину основной площадки принимают по проекту взависимости от количества путей и расстояний между ними. Расстояние от оси крайнегостанционного пути до бровки земляного полотна должно быть не менее половиныширины основной площадки полотна, принимаемой для перегона, а на стрелочных улицахи вытяжках - не менее 3,25 мнормальные размеры ширины основной площадки земляного полотна наоднопутных и двухпутных линиях эксплуатируемой сетисогласно типовым поперечнымпрофилям балластной призмы установлены: для особо тяжелого типа с рельсами Р75 -7,5/11,6 м; для тяжелого типа с рельсами Р65- 7,0/11,1 м; для нормального типа срельсами Р50 - 6,5/10,5 м.Такая ширина основной площадки определяется необходимостью разместить на нейбалластную призму, имеющую размеры, установленные типизацией верхнего строенияпути, при достаточных обочинах.

При проектировании земляного полотнавновь строящихся линий его ширинупринимают (в не дренирующих в скальных и дренирующих грунтах), м: для дорог Iкатегории - 7,0/6,0; II категории - 6,5/5,8 м; III категории - 6,0/5,2 м; IV и V категории -5,5/5,0.

Обочинанужна для безопасного прохода путейцев, на ней размещаются сигналы ипутевые знаки, для складирования материалов и размещения инструмента или небольшихмеханизмов. С уширением обочин увеличивается устойчивость откосов земляногополотна. Как правило, ширина обочины должна быть 0,6 - 0,7 м, но не менее 0,4 м.

Поперечное очертание основной площадки проектируется в виде трапеции сшириной по верху 2,3 м и высотой 0,15 м для однопутного участка и треугольника, свысотой 0,20 м - для двухпутного. Трапецеидальную или треугольную призму, котораяполучается выше уровня бровок, называется сливной призмой; ее форму и размеры нанасыпях и в выемках делают одинаковыми. Необходимость придания указанных формдиктуется обеспечением стока атмосферных вод, стремлением избежать образованиябалластных корыт (замкнутых вдавленностей) в период строительства железных дорог. Вскальных и дренирующих грунтах основную площадку устраивают горизонтальной.

Очертание основной площадки земляного полотна станцийделают односкатным,двускатным или пилообразным в зависимости от количества путей и рода грунта.Поперечный уклон основной площадки устраивают: при супесях, песках и др.дренирующих грунтах - 0,008 - 0,01; при суглинках и глинистых - 0,01 - 0,02; в отдельныхслучаях в зависимости от интенсивности атмосферных осадков - 0,03.

Типовые поперечные профили насыпей приведены на рис. 4. На насыпи слева исправа от основной площадки расположены откосы. Для того чтобы они были устойчивы,выбирают (или рассчитывают) необходимую их крутизну. Крутизна обозначается,например, так: 1:1,5. Это значит, что основание откоса в 1,5 раза больше, чем его высота.

В зависимости от рода грунта и высоты насыпи с использованием опыта эксплуатацииустановлены значения крутизны откосов от 1:1,5 до 1:2.

С обеих сторон насыпи у подошвы откосов залегают бермы, отделяющие канавы илирезервы от тела насыпи. Ширина их, как правило, 3 м. При высоте насыпи до 2 мдопускают ширину бермы до 1 м, если построена насыпь лишь под один путь, то бермууширяют на 4,1 м со стороны будущего второго пути. Главное назначение бермы -отдалить от тела насыпи воду, текущую в канаве или резерве, и способствоватьповышению устойчивости откосов. Берма всегда планируется с уклоном 0,02-0,04 от теланасыпи, т.е. в полевую сторону.

В зависимости от условий возведения насыпей, поперечного уклона местности,количества стекающей после ливней или таяния снега воды за бермами закладывают либорезервы, либо продольные водоотводные канавы. Их назначение - перехватывать воду,текущую к насыпи. Размеры резервов устанавливают в зависимости от объема грунта,необходимого для насыпи, и способа производства работ. В период эксплуатации линиирезервы служат для отвода воды от земляного полотна в сторону или к ближайшемуискусственному сооружению. Устройство глухих резервов разрешается только вдренирующих грунтах. В равнинной местности с поперечным уклоном не круче 1/10резервы могут быть заложены с одной или с обеих сторон, а при уклоне круче 1/10 ихзакладывают с нагорной стороны. В местах расположения линейно-путевых зданий,переездов, в пределах раздельных пунктов и станций устройство резервов и кавальеров недопускается (резервы - это котловины). Полевой откос резерва 1:1 , а путевой 1:1,5. Еслиширина резерва по дну более 10 м, то его дну придают двускатное очертание с уклоном кего середине, чтобы быстрее стекала вода; при меньшей ширине по дну резервампридается поперечный уклон в сторону от полотна. Величина поперечного уклона неменее 0,02. Продольный уклон дна резервов должен обеспечивать сток воды без размывагрунта. Наибольший продольный уклон принимают равным 0,008, а для легкоразмы-ваемых - 0,005.

Размеры поперечного сечения водоотводных канав и продольные уклоны ихопределяют расчетом по расходу воды. При этом ширину дна канавы принимают не менее0,6 м, а на болотах I типа - не менее 0,8 м.

При поперечном уклоне местности круче 0,08 продольную водоотводную канаву унасыпей устраивают только с нагорной стороны.

Основание под насыпиготовят следующим образом. При поперечном уклонеместности до 1:10 на нулевых местах и под насыпями высотой до 0,5 м удаляют дерн воизбежание просадок при его гниении в дальнейшем.При крутизне уклона от 1:10 до 1:5 и высоте насыпи до 1 м во избежание оползаниянасыпи дерн снимают, а если насыпь будет высотой более 1 м, то вспахивают полосу впределах ее основания. При поперечном уклоне от 1:5 до 1:3 на всю ширину основаниянасыпи на поверхности земли делают уступы до 4 м, но не менее 1 м каждый с уклоном0,01 - 0,02 в направлении падения склона.



Рис. 2.3 Типовые поперечные профили насыпи

а) - насыпи высотой соответственно до 2, до 6 и до 12 м;

Бермы с нагорной стороны делают или срезкой грунта, или засыпкой пазухи между подошвой откоса насыпи и бровкой водоотвода в зависимости от местных условий.

Крутизна откосов канав, суглинках, супесях и песках должно быть более 1:1,5. В необходимых случаях откосы, дно канавы укрепляют от размыва. Продольные уклоны дна канав должно быть не менее 0,003, в исключительных случаях - 0,002.

На косогорах, сложенных из дренирующих грунтов (пески, гравий, галька, обломки слабо выветрившихся пород и т.д.), не покрытых растительностью, устройства уступов не требуется. при уклоне местности круче 1:3 насыпь проектируют по индивидуальным проектам с устройством поддерживающих сооружений: подпорные стены, контрбанкеты, контрфорсы.

Индивидуальные поперечные профили земляного полотнаопределяют расчетами дляконкретных местных условий. Профили высоких насыпей проектируют так, чтобыобеспечить устойчивость откосов при наименьших объемах работ. При этом добиваются,чтобы устойчивость была примерно одинаковой для любой части насыпи по ее высоте.Для обеспечения устойчивости откосов при необходимости устраивают бермы.

Структура земляного полотна характеризуется преимущественно насыпями (> 80% ).Насыпи и выемки имеют значительные рабочие отметки. Новые линии проектируютсяпреимущественно насыпями (> 70%), в т.ч. от 6 до 12 м - 26%, > 12 м - 8%; выемки > 12 - 11%.

В соответствии с нормативными условиями объекты земляного полотнапроектируются в основном по типовым поперечным профилям.

В отличие от элементов верхнего строения, по которым принимаются, как правило,утвержденные типы, конструкции и нормы, отступления от которых могут быть лишь с разрешения ОА «Узбекистонтемирйуллари», земляное полотно в своей значительнойчасти исполняется по индивидуальным проектам.

В сложных климатических и инженерно-геологических условиях 50-70% общегопротяжения земляного полотна и даже более выполняется по индивидуальным проектам.

Влияние поездных нагрузок и природных факторов на работу земляного полотна. В земляном полотне под воздействием поездных нагрузок и факторов окружающей среды, в т.ч. хозяйственной деятельности людей, происходят физико-химические процессы, изменяющие свойства грунтов - основного материала насыпей и выемок. Эти процессы могут вызывать как положительные изменения свойств грунта (повышение прочности при уплотнении, увеличение меж частичных связей при уменьшении влажности), так и снижение его строительных характеристик (структурные изменения при пульсирующих нагрузках, разупрочнение в периоды сезонного промерзания и оттаивания, появление разрывов сплошности при усадке и набухании, связанных с динамикой влажности). Процессы, влияющие отрицательно на свойства грунтов, могут привести к повреждениям и даже к разрушениям, как отдельных элементов земляного полотна, так и сооружений в целом. Как правило, физико-химические процессы развиваются медленно и их отрицательные последствия могут проявиться через длительные периоды эксплуатации дорог, поэтому при строительстве новых линий следует учитывать опыт совершенствования конструкций земляного полотна, эксплуатируемого в течение многих десятилетий.

Создание "вечного" земляного полотна, не подверженного деформациям, весьма желательно с точки зрения эксплуатационников, однако практически недостижимо по экономическим соображениям.

Земляное полотно - одно из самых сложных инженерных сооружений

железнодорожного транспорта. Оно сооружается из грунтов и основывается на грунтах. Поэтому указанная сложность обусловливается в первую очередь характерными особенностями основного материала земляного полотна - грунта.

В связи с этим любой объект земляного полотна характеризуется сезонной и многолетней изменчивостью своего состояния. Изменение этого состояния во времени, если его описывать некоторой интегральной характеристикой, выражается случайной функцией, а фактически случайным процессом, т.к. многие параметры, от которых зависят показатели состояния грунта, сами являются случайными величинами и их изменение во времени случайными функциями (например, влажность поверхностных слоев грунта зависит от случайных изменений величин атмосферных осадков и других факторов).

Все это необходимо учитывать при проектировании, строительстве и эксплуатации земляного полотна, рассматривая любой его составляющий объект как открытую динамическую систему.



2. ТРЕБОВАНИЯ К ГРУНТАМ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

Грунты для насыпей следует применять с учетом их свойств и состояния,особенностей природных условий в пределах участкаразмещенияпроектируемогообъекта, а также места нахождения запасов грунта (см.табл.2.1).Не допускается, как правило, применять для насыпей следующие грунты:

- глинистые избыточно засоленные (табл. 2.4);

- глинистые грунты с влажностью, превышающей допустимую (табл.2.3);

- торф, ил, мелкий песок и глинистые грунты с примесью ила и органическихвеществ;

- верхний почвенный слой, содержащий в большом количестве корни растений,

- длянасыпей высотой до 1 м;

- грунты, содержащие гипс в количестве, превышающем нормы, приведенные в табл.2.2

Грунты, перечисленные только что, разрешается применять в исключительныхслучаях для дорог III-IV категорий при обязательном осуществлении дополнительныхмер, направленных на обеспечение требуемой прочности и устойчивости земляногополотна.

Для насыпей, возводимых средствами гидромеханизации, следует применятьдренирующие грунты. Использование мелких, пылеватых песков и супесей разрешаетсяпри условии, что в теле возводимой насыпи будет не более 15% частиц размером менее0,1 мм.

Для нижней части постоянно подтопляемых насыпей, при сооружении которыхтребуется отсыпка грунта в воду, необходимо применять скальные иликрупнообломочные грунты, песок крупный или средней крупности, а также супесь легкуюкрупную с содержанием в ней глинистых частиц не более 6%.

К засоленным грунтам относятся грунты, содержащие в количестве более 0,3% весасухого грунта легкорастворимые соли (хлористый натрий, хлористый кальций, хлористыймагний, сернокислый магний, углекислый натрий и двууглекислый натрий), а также - вбольших количествах трудно растворимый сернокислый кальций (гипс), практическинерастворимый углекислый кальций. Засоленные грунты при увлажнении резко снижаютпрочность на сжатие.

Засоленные грунты следует разделять по степени засоления, с учетом его качественного характера (табл.2.4). Степень и качественный характер засоленияопределяют в период наибольшего накопления солей в верхних слоях грунтов.

Таблица 2.1

Грунты, применяемые для насыпей

Вид грунта	Ограничения для применения	Примечание
Скальные, крупно об ломочные, дренирую- щие песчаные, а также супеси легкие крупные	Без ограничения по условиям обеспечения устойчивости земляного полотна	Во всех случаях
Недренирующие мелкие и пылеватые пески и супеси мелкие	Ограничено примене- ние по условиям производства работ (при отсыпке в воду)	При всех условиях, в т.ч. на болотах I и II типов, за исключением случаев, когда требуется отсыпка грунта в воду при пересечении водотоков и водоемов, а такжеболот III типа
Все глинистые грунты за исключением перечисленных ниже, которые не допуска- ется применять для насыпей	Ограничено примене- ние по условиям ув- лажнения грунтов основания и состоя- нию грунта, исполь- зуемого для насыпи, в период производства земляных работ	Во всех случаях при влажности, не превышающей установленные нормы, при которой будет обеспечена требуемая плотность грунта; на сухом основании - длянасыпейвысотой до 12 м*; на сыром и мокром основаниях - для насыпей не менее установленных высот отуровня поверхностных или грунтовых вод

Таблица 2.2

Допускаемое содержание гипса в грунтах насыпей

Условия применения	Предельноесодержание гипса, %
1. В пределах II-IV дорожно-климатических зон для насыпей на участках с основаниями: а) сухими и сырыми б) мокрыми	30 20
2. В пределах V дорожно-климатической зоны для насыпей на участках с основаниями: а) сухими и сырыми б) мокрыми	40 30
3. Для нижней части пойменных и подтопляемых насыпей железных дорог во всех дорожноклиматических зонах	5

Таблица 2.3

Допускаемый коэффициент переувлажнения для различных грунтов

Разновидность грунтов	Ку при требуемом коэффициенте уплотнения грунта в теле насыпи
пески пылеватые; супеси крупныесупеси легкие и пылеватыесупеси тяжелые пылеватые; суглинки легкие и легкие пылеватыесуглинки тяжелые и тяжелыепылеватые	> 0,98	К = 0,95
	1,35 1,25 1,15 1,05	1,6 1,35 1,30 1,20



Таблица 2.4

Степень засоленности грунтов

Г р у н т ы	Среднее суммарное содержание легкорастворимых солей, %,от веса сухого грунта
	Хлоридное и сульфатно- хлоридное засоление	Сульфатное, хлоридно - сульфатное и содовоезасоление
	V дорожно- Климатическая зона	Остальные зоны	V дорожно- климатическая зона	Остальные зоны
Слабозасоленные Среднезасоленные Сильнозасоленные Избыточнозасоленные	0,5-2 2-5 5-10 > 10	0,3-1 1-5 5-8 > 8	0,5-1 1-3 3-8 > 8	0,3-0,5 0,5-2 2-5 > 5



3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫСОКОЙ ПОЙМЕННОЙ НАСЫПИ

Высокие (более 12 м) насыпи проектируются индивидуально для конкретных объектов земляного полотна, обосновываются данными детальных инженерно-геологических обследований и необходимыми расчетами.

Проектирование земляного полотна базируется на ряде расчетов, включающих в себя определения:

напряженного состояния земляного полотна;

необходимой плотности грунта, деформаций уплотнения;

устойчивости земляного полотна и его элементов;

необходимого регулирования поверхностного стока и защиты от его вредных воздействий (размывного действия текущей воды или волноприбоя).

3.1 Расчет тела насыпи на недопущение остаточных деформаций уплотнения

Для того, чтобы насыпи имели минимальную деформативность, предъявляются специальные требования к плотности грунтов, из которых они сооружаются. Грунты насыпей должны послойно уплотняться до достижения нормируемой минимальной плотности сложения сухого грунта с_d, г/см³.

При надлежащем уплотнении грунта можно достигнуть следующего эффекта:

исключить недопустимые остаточные деформации грунта и обеспечить практически упругую работу грунта под воздействием динамических поездных нагрузок;

создать практическую водопроницаемость или существенно снизить инфильтрацию поверхностной воды в грунт;

обеспечить достаточное сопротивление грунтов сдвигу;

предупредить тиксотропные явления (разжижение грунтов под воздействием волн).

3.1.1 Проектирование поперечного профиля насыпи

Поперечный профиль насыпи запроектирован на основании данных в соответствии с требованиями [1] и представлен на рис. 3.1.

рис.3.1. поперечный профиль пойменной насыпи

3.2 Определение временной нагрузки от заданного локомотива и постоянной - от веса верхнего строения пути на земляное полотно

В расчетных моделях, используемых в современных условиях, рассматриваются внешние нагрузки от проходящих поездов и от веса верхнего строения пути (и те и другие считаются статическими).

За внешние нагрузки принимаются эпюры вертикальных составляющих нормальных напряжений, действующих на горизонтальную (расчетную) плоскость, проходящую через бровки основной площадки (сливная призма для упрощения модели не учитывается).

Поездные нагрузки передаются через шпалы и балластный слой на расчетную плоскость в виде эпюры напряжений прямоугольной формы (рис. 3.2).

рис.3.2. схема внешних нагрузок на расчетную плоскость

Так как земляное полотно и верхнее строение пути являются протяженными (вытянутыми в длину) сооружениями, загруженным поездом, то внешние нагрузки рассматриваются как полосовые.

Интенсивность поездной нагрузки (высота эпюры р_п) может определяться несколькими способами [2].

В выпускной работе величина распределенной поверхностной нагрузки от подвижной нагрузки определяется методом, представленным в [2] по формуле:

р_п= , кПа

где, b_ш - длина шпалы,\

вш=2,75м;

q_hi- погонная нагрузка (распределенная линейная нагрузка), определяемая по формуле:

q_hi= , кН/м

где, УР_i- суммарная статическая нагрузка на путь от группы осей, размещающих на длине участка l , Кн;

ДL_hi- длина участка пути, дополнительная к l , на которую распространяется влияние нагрузки от группы осей УР_i, м.

Для насыпей h< 3 м (или верхней части более высокой насыпи в нашем случае) ДL = 2,2 м; для насыпей при 9 м ? h ? 3 м ДL_h= 4,5 м; для насыпей при h> 9 м ДL_hi= 6,0 м.

В группу осей включаются все оси, расстояние между которыми не превышает ДL_hi. Группами осей могут быть оси отдельных тележек, двух ближайших тележек и т.д.

В случаях, когда расстояние между любыми соседними осями в поезде (или части его) не превышает размер ДL_hi, интенсивность погонной статической нагрузки определяется как отношение веса поезда к его длине (или полного веса вагона к его длине по осям сцепок).

Напряжения и погонные нагрузки определяют с учетом динамического характера и поездных воздействий. При вычислении поездных воздействий вводится коэффициент к_д, ориентировочно равный к_д = 1,5-1,7.

Для данного локомотива ВЛ-80 Схема осевых поездных нагрузок принята согласно данным и представлена на рис. 3.1.3

Рст-115кн

L1-26720

Рис. 3.3схема осевых нагрузок для заданного локомотива

(ВЛ-80к)

Погонная нагрузка (распределенная линейная нагрузка) будет равна:

приh< 3 q_h1 = , кН/м

при 9 м ? h? 3 q_h2 = , кН/м

приh> 9 м q_h3 = , кН/м

Следовательно, распределенная поверхностная нагрузка от подвижной нагрузки будет равна:

р_п1 = , кПа

р_п2 = , кПа

р_п3 = , кПа

Внешняя нагрузка от веса верхнего строения пути выражается эпюрой вертикальных составляющих нормальных напряжений от собственного веса элементов верхнего строения пути, действующих на расчетную плоскость. Так как основную часть этого веса создает балластный слой, то эпюра имеет трапециидальную форму балластного слоя; для уширения задачи она может быть принята прямоугольной формы, эквивалентной по площади. Для заданного типа верхнего строения пути интенсивность постоянной нагрузки Р_вс =19кПа; ширина эпюры В_вс=4,6 м приняты в зависимости от рода шпал, количества путей, на участке по приложению 1 [4].

3.3 Составляющие схемы расчета напряжений при полосовой нагрузке

На основании данных данной выпускной работы составлена расчетная схема для определения напряжений и плотности грунта в теле насыпи и представлена на рис. 3,4.Расчет напряжений произведен по оси земляного полотна, где они будут наибольшими.

Рис. 3.4. расчетная схема для определения напряжений и плотности грунта насыпи.

3.4 Определение напряжений в теле земляного полотна от действия временной нагрузки и верхнего строения пути

Определение напряжений в теле земляного полотна от действия временной поездной нагрузки и постоянной - от веса верхнего строения пути и собственного веса грунта тела насыпи

Расчеты напряжений производятся для определения требуемой плотности грунтов насыпей, осадок насыпей и оснований, стабильности (сопротивляемости выпиранию) грунтов основной площадки выемок и оснований насыпей. В отдельных случаях расчеты могут явиться основой для оценки устойчивости откосов и склонов. Напряжения необходимо так же знать при проектировании некоторых защитных и укрепительных сооружений земляного полотна.

Земляное полотно насыпей, а также верхние слои грунтов под основной площадкой выемок в настоящее время специально уплотняются до степени, обеспечивающей практически упругую работу грунтов под нагрузкой. Поэтому для расчета напряжения в земляном полотне и его основании можно использовать некоторые решения задач теории упругости.

Любые внешние воздействия на земляное полотно или его основание можно представить в виде совокупности отдельных полосовых нагрузок прямоугольной и треугольной формы и затем суммировать напряжения от каждой элементарной нагрузки. В нашем случае от двух нагрузок: временной от локомотива и постоянной от веса верхнего строения пути.

Из теории упругости известно, что для равномерной полосовой нагрузки (рис. 3,5) напряжение в любой точке «М» определяются по формуле [5,4] :

у_i= -[в₁ + sin2 в₁- в₂ - sin2 в₂], кПа

Рис. 3.5. схема действия на полупространство внешней прямоугольной нагрузки

Знак «минус» показывает, что напряжения сжимающие. Углы в₁ и в₂ считают положительными, если отсчитывают их от вертикалей, ограничивающих нагрузку, по часовой стрелке.

Тогда искомое:

у_i= - J₂ * P_i ; J_z = f ( y_i / b_i , J_i / b_i)

Здесь J_z- доля вертикальной составляющей напряжения, приходящаяся на единицу интенсивности равномерно распределенной нагрузки;

Y_i - расстояние по горизонтали, от центра тяжести прямоугольной полосовой нагрузки до точки, в которой определяется напряжение.

Напряжения от собственного веса грунта земляного полотна у_г определяется в полупространстве по формуле

у_г = -г h_i , кПа

где: г - удельный вес грунта, кН/м³;

h_i- толщина слоя грунта, м.

В нашем случае, при послойном (многослойном массиве) определении:

у_гЯ= - Уг_ih_i

Таким образом, сжимающие напряжения в любой точке насыпи

Определяется по формуле:

у_пЯ= у_ni + у_bci+ у_гЯ

где у_bc - напряжение от веса верхнего строения пути, кПа;

у_ni - напряжения от локомотивной нагрузки, кПа;

у_гЯ - напряжение от собственного веса грунта насыпи, кПа.

Расчет напряжений у_ni и у_bc определен в табл. 1

Расчет напряжений ?bc и ?n в теле земляного полотна
Расчетные точки	Zi, м	Характеристики постоянной нагрузки от веса верхнего строения пути	Характеристики временной нагрузки от локомотива	?ni=Pni*Jzn, кПа
		Zi/BBC	Yi/BBC	JZBC	?BCi=PBCJZBC кПа	Pni, кПа	Zi/Bш	Yi/Bш	Jzn
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
0	0,00	0,00	0,00	1,00	19,00	32,21	0,00	0,00	1,00	32,21
1	3,00	0,65	0,00	0,73	13,87	32,21	1,09	0,00	0,51	16,43
2	6,00	1,30	0,00	0,45	8,55	18,95	2,18	0,00	0,28	5,31
3	9,00	1,96	0,00	0,31	5,89	18,95	3,27	0,00	0,20	3,79
4	12,00	2,61	0,00	0,23	4,37	17,38	4,36	0,00	0,15	2,61
5	15,00	3,26	0,00	0,20	3,80	17,38	5,45	0,00	0,12	2,09
6	16,50	3,59	0,00	0,18	3,42	17,38	6,00	0,00	0,11	1,91

3.5 Расчет тела насыпи на уплотнение

При возведении насыпей по индивидуальным проектам плотность их грунтов принимается в соответствии с установленными нормами [7]. Однако, в некоторых случаях при индивидуальном проектировании и особенно при разработке проектов высоких насыпей или возводимых из переувлажненных или других специфических грунтов плотность грунтов может приниматься по расчету как функция действующих в насыпи сжимающихся напряжений. Требуется минимальная плотность сложения сухого грунта с_d, т/м_3., в любом слое уплотняемой насыпи (рис. ) может быть определена как [4]:

с_d =

с_d=

с = с_d(1+W) = (1+W)

где с_s - плотность частиц грунта, т/м³ ;

с - плотность сложения грунта, т/м³;

W - весовая влажность грунта в долях единицы, согласно заданию;

e_oi- расчетный коэффициент пористости грунта в данной точке.

Существуют следующие соотношения [5]:



с_d =

гдеg - ускорение свободного падения, м/с²;

г - удельный вес грунта, кн/м³;

г_d - удельный вес сухого грунта, кН/м³;

г_s- удельный вес частиц грунта, кН/м³; согласно заданию.

При расчете требуемой послойной плотности грунта насыпи предварительно определяются напряжения от собственного веса грунта насыпи в зависимости от удельного веса грунта:

г_i= , кН/м³

Расчетные значения е_oi и г_i принимаются одинаковыми по всей ширине уплотняемого слоя насыпи для простоты и удобства производства работ по уплотнению и контролю плотности. Расчетное значение е_oiнаходится приближенно по компрессионной кривой грунта

е_oi= e_анi - к_е (? е_аi- ? е_oi)

гдеe_анi- коэффициент пористости грунта на ветви загрузки от постоянного давления у_аiв данной точке насыпи. При этом у_аi= у_всi+ у_гi , кПа

Де_а- разница ординат ветвей нагрузки и разгрузки при у = у_аi ;

Де_о - разница ординат ветвей нагрузки и разгрузки при у = у_оi ;

к_е- коэффициент, учитывающий влияние многократности, продолжительности и способа приложения временной нагрузки, к_е = 1,1-1,6. принято к_е = 1,5

При определении е_oiи г_iнаходятся такие их значения, при которых грунты насыпи под воздействием временной поездной нагрузки будут работать практически (с известным приближением) в упругой стадии.

Расчет требуемой плотности произведем по напряжениям, действующим по оси земляного полотна, т.е. та, где ранее были определены напряжения. Расчет выполнен в табл. 3.2

Рис. 3.5.1. компрессионные кривые грунтов насыпи и основания

Для выполнения расчетов по устойчивости насыпи необходимо знать среднее значение удельного веса пористости грунта тела насыпи.

, кН/м³

кН/м³

,

кН/м³

гдеН_н- высота насыпи, м; согласно заданию Н_Н = 16,5 м;

е_оо, е_о1…е_оп-1 - пористость грунта в верхней плоскости каждого расчетного слоя грунта насыпи; (см. табл. 2).

Следовательно, среднее значение удельного веса и пористости грунта тела насыпи будут соответственно равны:

г_ср = 19,06 кН/м³ ;

е_оср= 0,695 кН/м³

Для наглядного анализа нагрузок напряжений, удельного веса и пористости грунта насыпи по данным табл. 1 и 2 построены эпюры этих характеристик (рис. 3.7).

Рис. 3.7.



3.6 Графоаналитический расчет устойчивости откосов высокой насыпи

Пойменные насыпи относятся к инженерным сооружениям, работающим в сложных природных и эксплуатационных условиях, к которым относятся воздействие паводковых вод, сил сейсма и динамики проходящих поездов, поэтому запрос о влиянии паводка и динамического состояния на устойчивость пойменных насыпей играет большую роль в правильной оценке возможных результатов их воздействия и принятия мер для обеспечения устойчивости насыпи. Опыт эксплуатации железнодорожного земляного полотна показывает, что его устойчивость в значительной степени зависит от плотности и влажности слагающих его грунтов.

Факторы, обусловленные подтоплением насыпей, можно разделить на два вида:

а) гидрогеологические - гидрографы паводков (максимальные уровни воды, время спада паводков), гидростатическое давление на откосы насыпи;

б) гидрогеологический - капиллярный подъем воды в теле насыпи, фильтрационное давление.

Фильтрационное и гидростатическое давления оказывают удерживающее влияние на устойчивость насыпи.

При динамическом состоянии, насыпь существенно снижает свою устойчивость [4].

3.7 Сбор исходных данных и составление расчетной схемы

Считается, что обрушение связных грунтов при потере устойчивости насыпи происходит по кругло цилиндрической поверхности.

При построении возможных кривых обрушения, учитывают действие временной нагрузки и веса верхнего строения пути с учетом водосливной призмы. Эти нагрузки заменяют фиктивными столбиками грунта на основной площадке земляного полотна.

Высота фиктивного столбика грунта от веса верхнего строения пути, определяется по формуле:

, м

м

где Р_вс- интенсивность равномерно распределенной нагрузки от верхнего строения пути, кПа;

Р_вс= 19 кПа [4];

г_ср - среднее значение удельного веса грунта, кН/м³; согласно расчету

= 19,06 кН/м³.

Следовательно, высота фиктивного столбика грунта от веса верхнего строения пути будет равна

0,996 м

Высота фиктивного столбика грунта от подвижной нагрузки определена по формуле [4]:

, м

, м

где: Р_п - равномерно распределенная погонная нагрузка от заданного локомотива для верхней части насыпи до 3 м, кПа; согласно расчету

Р_п= 32,31кПа.

Действующая на основную площадку насыпи поездная нагрузка Р_п представляет собой расчетное динамическое напряжение. Значение Р_п учитывает действие динамических сил, возникающих при колебаниях обрессоренных и необрессоренных масс экипажа при прохождении по пути. Таким образом, динамический характер поездных нагрузок учитывается только как бы «до уровня основной площадки» и отражается только на величине Р_п..

J - интегральный параметр, зависящий от высоты насыпи, рода и состояния грунта, типа основания (прочное или слабое) и равен заданной высоты насыпи Н_н = 16,5М возведенной из того или иного грунта согласно рис. [4] J = 1,7…. Этот параметр учитывает сложный колебательный процесс, который происходит в теле насыпи при проходе по ней поезда. Колебательный процесс характеризуется кратковременным (1-2 мин) силовым «обжатием» всей насыпи весом поезда, возникновением низкочастотных колебаний грунтов и высокочастотных вибраций. Все это вызывает колебания масс грунта и виброперемещение частиц. При этом появляются инерционные (динамические) силы колеблющихся масс грунта (пропорциональные ускорению колебания), диссипативные силы (силы сопротивления, пропорциональные скорости колебаний и параметрам вязкого трения), а также происходит снижение сопротивления грунтов сдвигу, обусловленное в основном вибро-перемещенем частиц и агрегатов грунта.

Следовательно, высота фиктивного столбика грунта от подвижной нагрузки будет равна:

h_п= 2,872 м

Специфика работы пойменной насыпи состоит в том, что она подтопляется водами в период затопления поймы. В теле насыпи появляются дополнительные силы, оказывающие влияние на устойчивость насыпи: силы взвешивания, направленные вертикально вверх и гидродинамические силы, действующие в направлении движения воды из тела насыпи при внезапном спаде воды. Кроме того, при обводнении грунта снижаются его сдвиговые характеристики: коэффициент трения и удельное сцепление. Считают, что при паводке происходит полное обводнение насыпи по всему поперечному сечению до максимального внешнего горизонта. В соответствии с этим уровень воды в осевом сечении насыпи принимают равным внешнему максимальному. Далее предполагают, что вода в пойме после достижения максимального уровня внезапно спала.

Действительную кривую депрессии заменяют двумя прямыми линиями, проведенными от оси насыпи к откосам со средним уклоном J_о. Так как проектируемая пойменная насыпь высотой более 10 м находится в сейсмическом районе, то при расчете ее устойчивости необходимо учесть влияние сил сейсма. Существует два способа учета сил сейсма: отдельно в каждом отсеке и в целом в блоке возможного смещения. Более точным считается первый способ. В выпускной рпботе в учебных целях принят второй способ, как более простой и менее трудоемкий. Сила сейсма, действующая в блоке равна:

Q_c= м_c * Q_g= 0,015*8388,84=125,83 кН

Где Q_g- вес блока обрушения , кН;

Q_g = УQ_i = УУ=8388,84

м_c- коэффициент динамической сейсмичности

м_c = п_с? м = 1,133*0,014=0,015

где м = с / g - коэффициент сейсмичности, или коэффициент сотрясения;

Согласно заданию на курсовой проект м = 0,014;

с - ускорение сейсмической волны; м/с²;

g - ускорение силы тяжести. g = 9,81 м/с²;

п_с = п_кп_гп_д - коэффициент, учитывающий категорию линии (п_к), характеристику грунта (п_г) и высоту насыпи (п_д), возвышающуюся более 10 м над уровнем земной поверхности;

п_к - 1,1 - для линий I и II категорий;

п_г - 1,0 - для суглинков и супесей;

п_д - 1,03 - динамическийкоэффициент насыпи:

Пс= 1,1*1,0*1,03=1,133

п_д = 1 + б ;

б = 0,01 (Н_н - 10),

п_д = 1 + 0,065 =1,03 ;

б = 0,01 (16,5 - 10) = 0,065

Н_н - высота насыпи, согласно заданию

Н_н= 16,5 м;

Н_ц- вертикальное расстояние центра тяжести всей насыпи с учетом верхнего строения и подвижного состава до ее проекции на основание;

Н_ц=12,6М

h_c - аналогичное расстояние для блока возможного смещения.

h_c=7.6М

коэффициент п_с равен: п_с= 1,133;

коэффициент динамической сейсмичности будет равен: м_с = 0,015

Сила сейсма приложена к центру тяжести сползающего блока, угол ее наклона к горизонту при его неизвестности принимается равным нулю, т.е. принимается направление наиболее неблагоприятное, дающее минимальное значение коэффициента устойчивости. Для практических расчетов считают, что сила сейсма приложена к поверхности скольжения сползающего блока, что несколько уменьшает расчетный коэффициент устойчивости против его фактического значения.

Фильтрация (гидродинамическая) сила, действующая в блоке в условиях сейсма, равна:

Д_с = г_е (J_o + м_c) ? ,

Д_с = 10*(0,05+0,026)*404.37=307.32

где: г_е - объемный вес воды; г_е = 10.

J_o - средний уклон кривой дипрессииэксфильтрующихся вод, J_o= 0,05 [6].

? - часть площади блока возможного смещения. Через которую вода эксфильтрует (вытекает) из насыпи, м²; ? = 404.37 м².

Сила Д_с приложена в центре тяжести площади части сползающего клина, насыщенной водой. Однако в практических расчетах принимают, что сила Д_с находится на поверхности скольжения.

Согласно принятой расчетной модели Н.С. Ордуянца [4], грунт в теле пойменной насыпи может быть:

природной влажности, на который не влияет пойменная вода, его удельный вес г_ср. Этот грунт находится в верхней зоне насыпи г_ср = 19.06 кН/м³;

сплошного капиллярного насыщения водой, которая является дополнительной нагрузкой, поэтому удельный вес грунта брутто:

г_бр = , кН/м³

г_бр = , кН/м³

где г_s- удельный вес частиц грунта насыпи, согласно заданию г_s = 26,7 КН/м³ ;

г_в- удельный вес воды, г_в = 10 кН/м³ ;

е_оср - средний коэффициент пористости насыпи, е_оср= 0,695см..