Разработка программы для проведения мониторинга учебного процесса
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное бюджетное общеобразовательное учреждение
высшего профессионального образования
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Путь и железнодорожное строительство»
Курсовой проект
на тему: «Земляное полотно в сложных природных условиях»
Проверил:
Скутин Д.А.
Выполнил:
Янабаев Б.А.
Екатеринбург 2015
Оглавление
Введение
1. Проектирование типовых поперечных профилей
1.1 Проектирование типовой насыпи
1.2 Проектирование типовой выемки
2. Проектирование пойменной насыпи
2.1 Расчет потребной плотности грунтов земляного полотна
2.2 Расчет осадки основания насыпи
2.3 Расчет устойчивости откосов
2.4 Расчет защитных укреплений откосов пойменной насыпи
3. Проектирование мероприятий по стабилизации выемки
3.1 Расчет нагорной канавы
3.2 Расчет под кюветного дренажа
3.3 Определение эффективности дренажа
3.4 Определение глубины заложения дренажа
3.5 Определение сроков осушения грунта
3.6 Определение уровня воды в дренаже (гидравлический расчет)
3.7 Подбор дренажного заполнителя
3.8 Расчет противопучинной подушки
Литература
Введение
В связи с тяжелой экономической обстановкой на железных дорогах России, в последние 10 лет руководство дистанций пути и путевых машинных станций стало мало уделять внимания вопросам ремонта и текущего содержания земляного полотна железных дорог. А между тем корнем проблемы нестабильности рельсошпальной решетки является нарушения в работе земляного полотна. В особенности это заметно в трудных геологических, гидрогеологических и гидрологических условиях где проходит трасса.
Целью данного курсового проекта является оценить степень влияния того или иного природного фактора на стабильность земляного полотна и научится подбирать наиболее целесообразные меры по предотвращению вредных воздействий окружающей среды на путь.
В процессе выполнения курсового проекта следует изучить теоретическую подоплеку методов стабилизации земляного полотна, а так же расчетные методы позволяющие точно описать природные процессы происходящие в грунте, а также воздействие на эти процессы тех или иных мероприятий.
. Проектирование 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 суглинка, высотой 8,6 м на местности с поперечным уклоном 16 ‰ .
В насыпе так же предусматривается сливная призма шириной поверху 2.3 м и высотой 0.15 м. Ширина основной площадки составляет 7.6 м. Уположение откоса принимаем равным 1:1,5 для насыпи до 6 м или равной 6 м, свыше 6 м устраиваем уположение равное 1:1,75 так как это рекомендует СНиП. Водоотводную канаву разбиваем на расстоянии 3.0 м от подножия насыпи. Канава представляет собой в сечении трапецию, 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. Уклон бермы необходимый для отвода воды составляет 4 ‰ и направлен в полевую сторону. По другую сторону также имеется берма с уклоном 4 ‰. Её ширина может быть от 3 до 8 м, но не менее. Заканчивается берма у начала канавы. Канава аналогична той, что устроена с другой стороны насыпи.
.2 Проектирование типовой выемки
По заданию требуется запроектировать выемку в глинистом грунте с рабочей отметкой 6,1м, поперечным уклоном местности 18 ‰.
Выемка состоит из глинистого грунта. Ширину основной площадки выбираем из СНиП 32-01-95 «Железные дороги колеи 1520 мм.» которая для железной дороги II категории составляет 7.6 м так же от вида грунта. 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 40 ‰ с целью предупреждения преждевременного загрязнения водоотводных канав. Крутизну откосов выемки принимаем равной 1:1.5 согласно СНиП. Между забанкетной канавой и краем выемки устраивается банкетный валик, который удаляет воду от края выемки в забанкетную канаву. С низовой стороны никакие водоотводные сооружения не предусматриваются т.к. вода там удаляется самотеком и ее застоя быть не может.
2. Проектирование пойменной насыпи
Исходные данные:
Категория дороги - II;
Участок пути - однопутный;
Тип рельсов - Р50;
Шпалы - деревянные;
Высота пойменной насыпи - Н=15,6+1,6=17,2 м;
Тип укрепления откосов - каменное мощение;
Скорость течения воды в русле - 0,9 м/с;
;
;
;
;
;
;
;
;
Уклон основной насыпи - 50;
Характеристики грунта насыпи:
- Суглинок;
Номер компрессионной кривой - 15;
;
;
;
;
;
.
Характеристики грунта основания:
- Супесь
- Номер компрессионной кривой - 37;
;
;
;
;
Реализация полной осадки основания в процессе строительства - 70%
2.1 Расчет потребной плотности грунтов земляного полотна
В этих расчетах используются компрессионные кривые грунтов, которые должны во всем возможно ближе отражать условия и характер работы будущего объекта и, в частности, особенности работы грунта в различных точках грунтового массива. При действии в грунте напряжений, как от постоянной, так и от временной нагрузки многократно прикладываемой. Характеристика упругой компрессии должна строится с учетом многократности приложения и снятия нагрузки.
Для расчета необходимой плотности грунта воспользуемся компрессионной кривой, полученной при smax, соответствующей наибольшему напряжению.
Приложение 1 - Компрессионная кривая №1
Приложение 2 - Компрессионная кривая №2
Тогда для каждого слоя:
Величина коэффициента пористости e0 на компрессионной кривой соответствует такой плотности грунта, при которой грунт практически будет работать в упругой стадии.
sа - напряжение от постоянно действующих нагрузок (sа = sвс + sg);
sп - напряжение от переменной нагрузки (подвижной состав);
еан - начальная пористость под подвижным составом
Коэффициент kе учитывает многократность приложения нагрузки; kе=1.11.6, в зависимости от грунта.
В курсовом проекте принимаем kе =1.1.
кн- коэффициент учитывающий изменение ке в зависимости от глубины расположения точки от места приложения нагрузки
На основной площадке кн = 1
На глубине < 5 м кн = 0,85
> 5 м кн = 0,75
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.
. Выполняем расчет для точки 0, лежащей в уровне бровки земляного полотна:
где I − коэффициент рассеяния напряжений принимаемый по таблице для прямоугольной нагрузки.
где y и z − координаты точки в выбранной системе, в данном случае равны 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 σγ - 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:
По кривой начальный коэффициент пористости:
Учитывая, что влажность грунта W=18%, а kn=1 т.к. точка находится на основной площадке, получаем:
Удельный вес грунта при удельном весе его частиц γs=26.6 кН/м3 составит:
. Выполняем аналогичный расчет для точки 1 лежащей на глубине 2/3Н от основной площадки:
Предполагаем, что удельный вес грунта, при условии его однородности, с глубиной увеличивается в среднем на 0.01 кН/м, тогда вес грунта на глубине 2/3Н высоты насыпи:
γ - удельный вес грунта в точке лежащей на основной площадке,
γ1 - удельный вес грунта лежащего в точке 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 1:
Вследствие того, что точка находится ниже основной площадки, грунт рассеивает напряжения. Тогда напряжения от верхнего строения пути в точке О¢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 и коэффициенте kn=1 получаем:
Удельный вес грунта составит:
Вычислим разность, по которой можно будет судить о правильности выдвинутого предположения о нарастании удельного веса грунта с глубиной:
Проверка не выполняется, делаем перерасчет.
Проверка выполняется, то в дальнейшем расчете принимаем значение удельного веса 18,485
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
Расчет напряжений по подошве насыпи Таблица 1
ТочкаХарактиристикиНагрузкаh, мσγ, кН/м2∑σ, кН/м2Рпс=80 кН/м2Рвс=15 кН/м20y0017,4321,639332,344z17,417,4b2,74,25y/b00z/b6,444,09I0,1040,159σ=IP8,322,385Бy12,814,8511,4210,729214,829z17,417,4b2,74,25y/b4,743,49z/b6,444,09I0,040,06σ=IP3,20,9
Расчет напряжений грунта основания
В качестве нагрузки на основание принимают эпюру напряжений на подошве насыпи.
За основание принимаем линию, проведенную по дну кювета.
Эпюра учитывает нагрузку от подвижного состава, верхнего строения пути и собственного веса грунта.
Эпюра разбивается на элементарные нагрузки (треугольные и прямоугольные) и напряжения грунта основания вычисляются для каждой нагрузки по отдельности. При этом считают, что элементарные нагрузки приложены к подошве насыпи.
Напряжения в грунте определяются на глубинах в 0 (точка а), 2, 5, 10 м. - названия точек соответствуют их глубине.
.2 Расчет осадки основания насыпи
Расчеты осадок оснований производятся:
в случае необходимости назначения запаса на осадку в размере Sдоб при разработке индивидуальных проектов насыпей. Придание насыпи при сдаче в эксплуатацию полного или частичного запаса на осадку Sосн.пл;
в случае необходимости определения требуемого уширения основной площадки.
в случае необходимости определения дополнительного объема земляных работ, производимых при сооружении насыпей в слое толщиной αSOCH, где α - доля осадки основания нереализованного в процессе строительства;
Для расчета Sосн.пл применяется известный метод послойного суммирования осадок.
Основание насыпи по глубине делится на ряд слоев горизонтальными плоскостями. Разделим, для расчета, основание на несколько точек через 2,5 и 10 м от поверхности. В верхней части принимаем толщину слоя меньше, чем в нижней, т.к. осадка формируется в большей степени в верхних слоях. Далее для каждой точки от внешней нагрузки (эпюры напряжений) рассчитывается по формуле:
где åsi- напряжение от каждой элементарной нагрузки.
Величина осадки слоя основания мощностью h определяется по формуле:
где ео- коэффициентов пористости грунта оснований под воздействием внешних нагрузок (нагрузкой является только эпюра); h - толщина слоя, м.
епр - природный коэффициент пористости.
До возведения насыпи величины enp находятся по компрессионной кривой основания по напряжениям от собственного веса грунта в основании уплотнившегося под действием внешней нагрузки. Введем понятие относительной осадки h. Осадка любого i-го слоя:
или абсолютная осадка i-го слоя:
Дополнительную осадку основания определяют графическим путем:
строят график зависимости η=f(z) в определенном масштабе по осям;
отрезок между точками с глубиной 5 и 10 м делят пополам, на оси z, и строят перпендикуляр до пересечения с графиком и продолжают выше;
- точки 2 и 5 м графика продляют до пересечения с перпендикуляром;
полученную точку пересечения отрезков соединяют с точкой графика, которая соответствует глубине 10 м и продляют до пересечения с осью z;
точка пересечения даст глубину, на которой закончится осадка основания;
таким образом, мы получили треугольник, площадь которого и будет равна добавочной площади, определим по формуле:
В итоге полная осадка основания определится как:
Осадка основной площадки с учетом доли осадки основания нереализованного в процессе строительства:
где α - доля осадки основания, нереализованного в процессе строительства, a=0,72;
i - коэффициент погашения осадки телом насыпи принимаем i=0.001;
H=17,4 м - высота насыпи
В процессе эксплуатации насыпи в нормальном режиме нереализованная осадка в процессе строительства компенсируется деформациями тела земляного полотна т.е. проектная отметка головки рельса изменяется. Постановку головки рельса в проектное положения проводят путем досыпки балласта под подошву шпалы с последующей его подбивкой. В итоге балласт начинает скапливаться у откоса насыпи и в конечном итоге ссыпаться с него. Для предотвращения всего вышеперечисленного основную площадку следует уширять на расстояние:
где mб=1.5 - показатель откоса балластной призмы.
Расчет осадки основания производим в табличной форме (таблица 3).
После таблицы приводится поясняющий расчет.
Расчет осадки основания Таблица 3
№ п\пzσпрeпрγпрσγƩσiσoγoeo𝜼Δh1000,72017,970328,38328,3819,640,5740,0850,16 0,183 0,18752236,620,69718,2239,38326,84366,2219,70,5690,0753593,530,64218,8359,67316,27375,9419,750,5650,047410195,180,60819,23101,4288,46389,8619,780,5630,028
Расчет первой части таблицы - природных характеристик грунта:
Точка 1:
Удельный вес грунта природного сложения в точке 0:
Здесь подразумевается, что грунт на поверхности не нагружен.
Точка 2:
Предположим, что нарастание удельного веса с глубиной для данного слоя составит:
Тогда, удельный вес грунта на нижней границе слоя составит:
Напряжения от собственного веса грунта по подошве слоя составят:
По компрессионной кривой для грунта основания:
Тогда удельный вес грунта по подошве слоя:
Расхождения предположения с фактическим поведением грунта при данных условиях:
Следовательно, проверка не сходится, предположение не верно. Продолжаем расчет:
Проверка сходится, предположение верно.
Точка 3:
Предполагаем, что:
Следовательно, проверка не сходится, предположение не верно. Продолжаем расчет:
Проверка сходится, предположение верно.
Точка 4:
Предполагаем, что:
Проверка не сходится предположение неверно, продолжаем расчет:
Проверка сходится, предположение верно.
Значения колонки ∑σ берем из таблицы 2.
Расчет второй части таблицы - характеристик грунта под нагрузкой и осадки слоев основания:
Расчет проводится так же методом приближения по той же методике.
Точка 1:
Напряжения в данной точке:
Коэффициент пористости при данном напряжении определим по компрессионной кривой:
Удельный вес грунта с учетом, что он уплотнился под нагрузкой:
Точка 2:
Предполагаем, что:
Проверка сходится, предположение верно.
Точка 3:
Предполагаем, что:
Проверка не сходится предположение неверно, продолжаем расчет:
Проверка сходится, предположение верно.
Точка 4:
Проверка не сходится предположение неверно, продолжаем расчет:
Проверка сходится предположение верно.
Рассчитываем осадку и добавочную осадку:
Полная осадка основания:
Осадка основной площадки:
Требуемое по расчету уширение основной площадки земляного полотна:
2.3 Расчет устойчивости откосов
При кругло-цилиндрической поверхности возможного смещения используется приближенное решение. Схема расчета в плоской задаче представлена на рис. В этой схеме приняты следующие допущения:
смещение блока рассматривается как вращение его вокруг оси круглого цилиндра;
силы веса и внешние воздействия Qi приложены к основанию отсека,
внешние нагрузки (pп и pвс) заменяются фиктивными столбами грунта удельного веса и высотою соответственно:
Тогда:
Для удобства расчетов составляющих куст составляют таблицу, в которую заносят:
расстояние от вертикального радиуса до середины отсека по горизонтали xi;
синус и косинус угла между векторами веса отсека и тангенциальной и нормальной его составляющими, определяемыми как:
;
площади с чертежа соответствующие зоне состояний грунта (сухой, капиллярно-насыщенный, водонасыщеный грунт насыпи, водонасыщеный грунт основания);
вес соответствующей зоны грунта
;
касательные, сдвигающие и удерживающие силы:
нормальные составляющие веса грунта для определения сил трения отсека грунта по поверхности скольжения:
Силы трения и силы сцепления грунта по поверхности определяются как:
где fi - коэффициент трения грунта по грунту определяется для каждой зоны в зависимости от влажностного состояния грунта;
Ci - удельное сцепление, также зависящее от влажностного состояния грунта;
li - длина кривой скольжения в пределах отсека.
I зона - сухой грунт:
II зона - капиллярно-насыщенный грунт:
е принимают равным e0=0,698, а γв=10 кН/м3 - плотность воды.
Для этой зоны считают, что:
III зона - влажный грунт насыпи:
В этой зоне грунт насыпи считается водопроницаемым и взвешенным в воде, поры грунта считаются полностью заполненными и характеристики грунта определяются как:
IV зона - влажное основание:
Грунт зоны считается водопроницаемым и испытывающим взвешивающее действие воды.
Коэффициент пористости принимается равным коэффициенту пористости основания в точке О.
При прекращении паводка, вода, заполнившая поры грунта, отступает и этим самым создает дополнительное усилие D которое учитывается как:
Коэффициент устойчивости рассчитываем по суммам соответствующих граф таблицы 4.
На основании полученного расчета можно сделать вывод о том, что пойменная насыпь находится в состоянии устойчивости, т.е. при ее эксплуатации не требуется постоянный контроль за состоянием ее откосов и выполнение мер, предупреждающих их оползание в период межсезонья.
С помощью полученных данных определим коэффициент динамики Кдин:
,
где Куст - коэффициент устойчивости насыпи;
2.4 Расчет защитных укреплений откосов пойменной насыпи
Мероприятия по защите земляного полотна от неблагоприятных природных воздействий.
.Регулирование поверхностного стока
.1.Планировка поверхности;
.2.Устройство водоотводных и водосборных сооружений (канав, лотков);
.3.Устройство защитных укреплений.
.Регулировка подземных вод
.1.Вентиляционные дренажи;
.2.Биологические дренажи;
.3.Гравитационные дренажи.
.Регулирование теплотехнических устройств
.1.Теплоизоляционные конструкции;
.2.Применение теплотехнических устройств.
.Регулирование гравитационных процессов
.1.Террасирование территории;
.2.Устройство поддерживающих сооружений;
.3.Устройство удерживающих сооружений.
.Мелиорация грунтов - улучшение свойств грунта за счет:
.1.Силикатизация;
.2.Цементация;
.3.Битумизация;
.4.Электрохимическое закрепление;
.5.Тепло обжиг.
Рисунок 1
где - высота подпора, образованна сужением русла реки опорами ИССО;
- высота ветрового нагона;
- высота наката волны 1% обеспеченности;
- величина запаса (0,25 - для незатопляемой бермы, 0,5 - для затопляемой);
Определение глубинной зоны водоема
Любой водоем можно выделить 4 зоны:
I − глубоководная зона, в которой глубина водоема больше, чем половина длины волны d > λ/2;
II − мелководная зона, если λ/2 > d > 2hi (hi - высота волны)
III − зона прибойных волн;
IV − приурезная зона, волна опрокидывается последний раз и разрушается.
В основе расчета и определении зоны, лежит сравнение средней глубины водоема у подножия насыпи с половиной длинны волны.
Для этого выполним следующий расчет:
где g=9,8=10м/с2 − ускорение свободного падения;
L=1,8 км − разгон волны;
V10=18 м/с − скорость ветра на высоте 10 над поверхностью воды.
По полученному в выражении 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 мелководной.
Определение вероятностных характеристик волны для глубоководной зоны
Определение производят 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:
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 kr=0,8 и kp=0,7 − коэффициенты, зависящие от типа укрепления, определяются по табл. 5.5
ksp=1.1 − коэффициент зависящий от скорости ветра и крутизны откоса насыпи, определяется по табл. 5.6 интерполяцией для скорости ветра 15,1 м/с.
krun1%=1,99 − коэффициент учитывающий пологость волны и крутизну откоса определяется по табл. 5.7 интерполяцией при:
kβ = 0,92 коэффициент учитывающий изменение высоты наката в зависимости от угла подхода фронта волны к сооружению.
Подставив эти величины в выражение, получим:
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=1800 м - расчетный разгон волны;
dl=3,5 м - средняя глубина водоема;
- предыдущее значение;
α=600 - угол между направлением ветра и потоком воды.
kb=2,1·10-6 − коэффициент учитывающий параметры ветрового потока, принимается по таблице 5.4. для ветра со скоростью 18 м/с;
В первом приближении принимаем =0:
Определение высоты бермы
Тогда высота бермы:
Сравниваем полученную и ту, которая нам дана в исходных данных, если меньше , то незатопляемая берма, если больше, то затопляемая:
Следовательно, в данной курсовой работе - незатопляемая берма.
Определяем высоту укрепления откоса
Определение потребной толщины каменного мощения
Рисунок 2 - Укрепление откосов каменным мощением.
)Внешний слой
Масса камня :
где - плотность камня 2,3÷2,6 т/м3;
- плотность воды 1 т/м3;
2)Диаметр частиц:
3)Толщина слоя:
где а - для двух слоев равна 2;
По гранулометрическому составу должно выполняться условие для каменной наброски:
d50-ф ³ м,
где d50-ф - диаметр частиц фильтра, мельче которых в данном грунте содержится 50% от его массы;
d30-ф − диаметр частиц мельче которых в данном грунте содержится 30 % от общего веса:
h− коэффициент разнозернистости:
Толщину обратного фильтра расчитываем по формуле:
где в свою очередь коэффициент, зависящий от крутизны откоса и пологости волны можно определить как:
Коэффициент φот принимаем равным 0,16755 по таблице справочника в зависимости от его показателя и высоты волны интерполяцией.
Коэффициент междуслойности принимаем равным:
Подставив полученные значения, получаем:
. Проектирование мероприятий по стабилизации выемки
.1 Расчет нагорной канавы
Канавы должны уплотнятся по-разному:
засев травой (дно не засеивается, т.к. трава задерживает мелкие частицы);
габионы;
монолитный бетон;
на брызг бетона;
объемная георешетка.
Основные правила при проектировании водоотводных канав
.Проектируют прямолинейными участками, перпендикулярно основному направлению стока воды;
.Канавы желательно проектировать параллельно оси земляного полотна;
.Дополнительные кривые в канавах, радиус которых не меньше 20 м;
.Может быть запроектирована в виде сети, т.е. возможно примыкание канав друг к другу под углом 45̊ , если основная и примыкающая канава имеют разную глубину, то дно примыкающей канавы должна быть выше основной канавы на величину м; и - глубина стояния воды в основной и примыкающей канаве;
.Если устье канавы находится на склоне к пониженному месту, то на расстоянии 5 м от устья, дно канавы уширяется под углом 30 ̊ в обе стороны, а откосы уполаживаются, чтобы снизить скорость течения воды. Склон на выходе канавы обязательно укрепляется (щебнем, бетоном);
.Желательно укрепить поверхность земли и на входе в канаву (чтобы укрепление дало меньше пылеватых частиц);
.Уклон дна канавы желательно назначать параллельно уклону местности, что обеспечит уменьшение объёмов земляных работ;
.Минимальный уклон дна канавы не меньше 3‰ на болотах, не менее 2‰ в поймах рек и не менее 1‰ в исключительных случаях;
.Максимальный уклон ограничивается уклоном местности и типом укрепления;
.Уклон дна канавы от участка к участку должен увеличиваться или как минимум не уменьшаться, что обеспечит нарастание скорости течения воды от участка к участку.
.Дно канавы по ширине стараются делать одинаковыми по всей ее длине, если ширина канавы по дну меняется, то это должно выполнятся при соблюдении следующего условия , где l - длина участка на котором происходит это изменение.
Гидравлический расчет канавы
1.Канава должна пропускать весь расчетный расход, и даже транзит;
.Канава должны не размываться, чтобы часто не ремонтировать;
.Должна быть дешевая, минимум строительных расходов.
Из задания на курсовой проект имеем следующие исходные данные:
1 2 3
Расход воды, м3/с: 1.45 0.58 1,1
Уклон, ‰: 15 21 23
Длина участка, м: 250 300 200
Участок №1
Определим минимально необходимую площадь живого сечения канавы:
где n=0,033 - коэффициент гидравлической шероховатости, в первом приближении принимаем канаву правильной формы в плотном лессе или мелком гравии;
,
где k - коэффициент, определяемый по формуле:
где m=1.5 - показатель откоса канавы.
Геометрические характеристики канавы:
По ωmin, определим h:
h-глубина стояния воды в канаве
При известном значении h найдем b:
Размер b сравниваем с минимально допустимым [b]=0.6 м:
так как 0,48 м<0.6 м, то есть b<[b], то принимаем b=0.6 м.
Новое значение ωmin пересчитаем по формуле:
.5h2+0.6h-1,36 =0
h=0.77м
Проверим, может ли канава, имея размеры, равные 0,6 м и h=0,77 м, пропустить потребный расход воды:
Смоченный периметр:
Гидравлический радиус:
Так как R<1, то y определим по формуле:
Скорость тока воды в канаве:
Тогда расход через сечение канавы:
Полученный расход сравниваем с потребным значением расхода. Разница не должна превышать 5%.
Участок №2
.
.
Участок №1
.
.
Если , то
1)Можно уменьшить размер канавы (b и l), то это может привести к удорожанию канавы, особенно в верховых сечениях;
)Можно уменьшить уклон, сделав его круче, то можно привести к углублению канавы;
)Можно изменить коэффициент шероховатости.
3.2Расчет под кюветного дренажа
Грунтовые воды могут быть:
.Безнапорные (верховодка, собственно грунтовые воды, межпластовые);
.Напорные (грунтовые, межпластовые);
Верховодка - находится в верхнем слое грунта, и не уходит вниз из - за водоупора. Питается атмосферными водами, занимает большую площадь, но она не постоянна. Область питания и распространения не совпадают.
Межпластовые воды - располагаются в грунтах между двумя слоями водоупоров. Находится под определенным давлением, напором. Может происходить суффозия под действием напора воды, обрушение земляного полотна.
Жидкая фаза воды может быть:
)Свободной;
)Связной (прочно - связной, рыхло - связной);
)Капиллярной.
Гравитационные дренажи могут быть:
.Вертикальными (с откачкой воды, водоспускные колодцы);
.Горизонтальными ( открытые - канавы, лотки; закрытые - биологические, вентиляционные, траншейные штольни);
.Горизонтальные поперечные (кротовый, дренажные прорези).
Траншейные дренажи:
.Трубчатые (труба, перфорированная на глубине 2,5 м);
.Без трубные (камни);
.Галерея.
Штольня - глубиной 6 м, пропускает большой поток воды.
Прорезь проще выполнять и проще эксплуатировать, но для нее нужно «окно», что не всегда хорошо.
Гравитационные дренажи необходимы для перехвата понижения и отвода грунтовой воды для ликвидации коренных пучин, повышение несущих способов грунта основной площадки и для обеспечения устойчивости откосов выемок, в случае если водоносный горизонт отклинивается на откос.
Дренажи могут быть:
.Одиночные (одна траншея);
.Групповые (по обе стороны от оси пути);
.Дренажная сеть;
.Совершенные;
.Несовершенные.
Характеристика грунта выемки:
Суглинок
Удельный вес частиц грунта
Средний уклон кривой депрессии Iо = 50%
Высота капиллярного поднятия акап = 0,6м
Пористость nг = 42 %
Коэффициент фильтрации К =
Максимальная молекулярная влагоёмкость Wм =12 %
Естественная влажность W = 24 %
Глубина промерзания 2,05м.
Отметка ГГВ ниже уровня бровки ЗП 1,3 м.
Отметка водоупора ниже уровня бровки ЗП 5.2 м.
3.3Определение эффективности дренажа
Основной характеристикой эффективности дренажа является коэффициент водоотдачи который определяется как:
где n - пористость грунта;
m0 - объем пор из которых вытечет вода при осушении:
Объем пор из которых вытечет вода при осушении:
где: α= 0,05¸0,1 - количество капиллярнозастрявшей воды;
Wм = W0 - максимальная молекулярная влагоёмкость;
- плотность воды;
- плотность сухого грунта с учетом пор.
где е - коэффициент пористости, которую определим из соотношения:
Тогда:
>0,2
Т.к. полученный коэффициент водоотдачи больше чем 0,2, то эффективность применения данного сооружения оправдана.
3.4Определение глубины заложения дренажа
Глубину дренажа определяют из условия, что при его устройстве естественный уровень грунтовых вод упадет ниже расчетного горизонта промерзания грунта в данном сечении земляного полотна. В расчетах закладывают возможность колебания уровня грунтовых вод во времени путем введения запаса к минимально необходимому уровню воды в грунте.
Глубина заложения дренажа:
,
где: z10 = 2,05- глубина промерзания за 10 лет наблюдений;
е = 0,2 м - запас на переменный уровень грунтовых вод;
акап = 0,6 - высота капиллярного поднятия воды в грунте;
h0 = 0,4 м - расстояние от точки выклинивания кривой депрессии в траншее до дна траншеи;
hк- 1,38 м - высота от бровки балластной призмы до дна кювета
Так как глубина кювета меньше 2,5 м, то ширина траншеи 2а принимается равной 0,8 м;
Стрела изгиба кривой депрессии f определяется как:
где I - уклон кривой депрессии;
Lм - расстояние от оси пути до стенки траншеи:
Для однопутного участка железной дороги с шириной основной площадки 7,6 м:
,
где: В = 7,6 м - ширина земляного полотна поверху;
0,9 м - ширина откоса кювета;
0,2 м - половина ширины кювета понизу;
0,4 м - половина ширины траншеи;
Тогда глубина заложения дренажа:
Геометрические параметры дренажа:
где: b = 5,2 м - отметка водоупора ниже уровня бровки земляного полотна.
C =1,3 м - отметка ниже уровня бровки земляного полотна.
3.5Определение сроков осушения грунта
При осушении грунта очень важно знать за какое время дренаж понизит уровень грунтовых вод до расчетной отметки. Связано это с тем, что нужно знать срок время, по прошествии которого грунт выемки промерзнет до расчетной отметки и как следствие требуется определить сроки начала работ по устройству дренажа.
Сроки осушения определяют для междудренажной и полевой сторон, причем определяющим с точки зрения технологии строительства является срок осушения междудренажной стороны.
Итак, срок осушения для междудренажной стороны:
где к= - коэффициент фильтрации;
В - коэффициент, определяемый по формуле:
где а = 0,4 - половина ширины траншеи;
η1 - функция, определяющая время от начала осушения, до смыкания ветвей кривой депрессии;
η2 - функция, определяющая время от момента перехода кривой депрессии в стационарное положение;
Функция А определяется в зависимости от соотношения h и H по таблице 4.14
В конечном итоге время осушения междудренажной стороны составит:
Срок осушения для полевой стороны:
земляной полотно дренаж
где L - расстояние от стенки траншеи до того места, где кривая депрессии смыкается с уровнем грунтовой воды определяемое как:
η1 - функция, определяющая время от начала осушения, до перехода кривой депрессии в стационарное положение:
Для полевой стороны функция η2 принимается равной нулю т.к. смыкание ветвей с полевой стороны отсутствует:
3.6Определение уровня воды в дренаже (гидравлический расчет)
Гидравлический расчет 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 qА+Б и qВ - расходы из соответствующих зон;
q - расходы из соответствующих зон.
Расход из зоны А+Б:
где к - коэффициент фильтрации;
I - уклон кривой депрессии
Тогда:
Расход в зоне В составит:
где qr - расход с данной зоны, определяемый по формуле:
где qr - расход, определяемый по графику на рис. 5.12 в зависимости от коэффициентов α и β, определяемых по формулам:
Т.к. β>3, то α определим как:
По графику определяем расход qr при β = 3,0:
Тогда:
Расход в зоне Г:
Расход в зоне Д+Е:
Расход на 1 погонный метр дренажа:
Полный расход через дренаж:
где l = 750 м - длина дренажа, принимаемая равной длине нагорной водоотводной канавы.
Дренажная труба необходима для отвода потребного расхода воды из грунта. Ее диаметр подбирается на отвод расхода воды полученного в предыдущем расчете. Для этого должны выполняться условия:
− 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.
Принимаем диаметр трубы равным d = 150 мм.
Площадь живого сечения:
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 уклон трубы составит:
где: iдр = (5¸10)%0 − уклон дренажа;
a = 0.25 м − перепад в водобойном колодце между впуском и выпуском;
lд = (50¸70) м − расстояние между смотровыми колодцами
Скорость потока в трубе:
Расход воды в трубу:
Проверяем условие пропуска расчетного расхода в трубу данного диаметра:
Сравниваем и
Т.е. условие выполнено с запасом, то увеличивать диаметр трубы не требуется.
3.7Подбор дренажного заполнителя
Расчет ведется исходя из двух условий:
− не должно быть выноса мелких частиц осушаемого грунта в поры дренажного заполнителя или мелких частиц заполнителя в отверстие трубы;
− дренирующий заполнитель не должен чисто механически забивать отверстие трубы. Наиболее крупными его частицы диаметром должны образовывать на входе в отверстие устойчивые своды препятствующие вываливанию более мелких частиц в отверстие трубы;
дренирующий заполнитель не должен механически проникать в отверстие трубы.
Эти расчеты производятся для контактов грунт-заполнитель и заполнитель-труба.
Контакт грунт-заполнитель:
Выполнение первого условия обеспечивается соотношением:
где Vвх − скорость на входе в заполнитель (трубу);
[V] − допускаемая скорость на входе в заполнитель (трубу).
Допускаемую скорость на входе в трубу можно найти как:
где kф-г = 7∙10-7м/с − коэффициент фильтрации грунта выемки.
Определим скорости притока воды в дренаж из различных зон сбора воды:
− полевая сторона:
где: полевая сторона;
скорость притока воды с междудренажной стороны;
скорость притока воды снизу.
Из приведенного расчета видно, что условие выполняется.
Выполнение второго условия выражается соотношением:
где: с = 2 − коэффициент пропорциональности;
еi=eз − пористость заполнителя, определяемая по коэффициенту разнозернистости η:
Делаем проверку:
,0486<2∙0,57=1,14
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:
Скорость на входе в дренаж:
где ζ =0,4− коэффициент использования площади щелей (0,25 - 0,35)
∑Fт − суммарная площадь щелей трубы приходящаяся на 1 погонный метр:
dтр =150 мм - диаметр керамической трубы;
мм - ширина щели.
Тогда:
Допускаемая скорость на входе в щель дренажа:
,
Коэффициент фильтрации заполнителя в данном случае можно рассчитать по формуле:
где dп − средневзвешенный размер частиц заполнителя
где gi − процентное содержание частиц определенного диаметра в долях единицы.
В свою очередь:
Рассчитывается для каждой крупности частиц:
Суммируя полученный значения имеем:
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:
- 2 мм
По графику гранулометрического состава грунта дренажного заполнителя определяем d90-з:
Условие выполняется, этот заполнитель на контакте с трубой в щели между трубами проваливаться не будет.
3.8Расчет противопучинной подушки