Проект эксплуатируемого земляного полотна

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Институт пути, строительства и сооружений (ИПСС)

Кафедра: «Путь и путевое хозяйство»

Курсовая работа

«Проект эксплуатируемого земляного полотна»

Выполнил: ст. гр. СЖД-551 Арестов А.В.

Проверил: доцент Зайцев А.А.

МОСКВА 2013



Содержание

земляной полотно грунт инженерный

1. Проект усиления эксплуатируемого земляного полотна

1.1 Описание участка эксплуатируемого земляного полотна

1.2 Расчетные характеристики грунтов земляного полотна

1.3 Оценка состояния земляного полотна (насыпи) по результатам инженерных расчетов объекта

1.3.1 Общие положения

1.3.2 Расчеты устойчивости при предопределенной поверхности возможного смещения

1.4 Расчет и проектирование мероприятий по усилению земляного полотна



1. Проект усиления эксплуатируемого земляного полотна

1.1 Описание участка эксплуатируемого земляного полотна

Усиление земляного полотна планируется на однопутном участке железнодорожной линии второй категории. Протяженность участка усиления L=160 м. Максимальная высота насыпи, в середине участка Н=16 м. Высота насыпи на границах участка H_г = 4 м. Продольный профиль эксплуатируемой насыпи представлен на рис. 1.1.

Поперечный профиль эксплуатируемой насыпи

Ширина основной площадки земляного В=7,1 м, ширина построечной основной площадки Во=5,7 м. Толщина накопленных балластных материалов h=l,3 м. Показатель крутизны откоса балластного шлейфа m₁ = 1,15. Показатель крутизны построечного откоса насыпи m = 1,65. Поперечный профиль эксплуатируемой насыпи приведен на рис. 1.2.

Рис. 1.2 Поперечный профиль эксплуатируемой насыпи

Эксплуатационные характеристики участка:

· Грузонапряженность То=21 млн. ткм бр/км год

· Скорость пассажирских поездов Vn=90 км/ч

· Скорость грузовых поездов Vr=70 км/ч

· Осевые нагрузки грузовых поездов 250 кН

· Рельс типа Р65

· Шпалы ж.б

· Балласт щебеночный

По данным грузонапряженности и скоростям пассажирских и грузовых поездов определим по таблице 1.1 категорию, класс, группу пути.

Нашим данным соответствует: 3 категория, группа Г, 3 класс.

Таблица 1.1

Определение классности пути

Группа пути	То млн. т.км.бр./км,год	Категории пути -допускаемые скорости движения поездов(числитель пассажирских; знаменатель -грузовых
		1	2	3	4	5	6	7
		121- 140 />80	101- 120/>70	81- 100/>60	61- 80/>50	41- 60/>40	40 и менее	Станционные,подъездные и прочие пути
		Главные пути
Б	Более 50	1	1	1	2	2	3	5
В	25-50	1	1	2	2	3	3
Г	10-25	1	2	3	3	3	3
Д	5-10	2	3	3	3	4	4
Е	5 и менее	3	3	3	3	4	4

Определим расчетные воздействия на основную площадку земляного полотна от временной поездной нагрузки и веса верхнего строения пути.

Внешними нагрузками на земляное полотно являются: нагрузка от верхнего строения и поездная нагрузка

При этом параметры эпюр нагрузок принимаются исходя из следующих положений:

Рвс=16 кПа - интенсивность нагрузки от верхнего строения пути определяется по табл. 1.2

Рр=68 кПа - интенсивность поездной нагрузки определяется по графику [2].

Рр=77 кПа - интенсивность поездной нагрузки на перспективу.

Таблица 1.2

Параметры нагрузок

Тип ВСП	Шпалы	Рельсы	b, м	Рвс, кПа
Тяжелый / особо тяжелый	Деревянные	Р75	4.81/8.97	16
	Железобетонные		4.87/9.01	17
Средний/ Тяжелый	Деревянные	Р65	4.53/8.68	15
	Железобетонные		4.60/8.75	16
Легкий / Нормальный	Деревянные	Р50	4.25/8.39	15
	Железобетонные		4.33/8.45	16

1.2 Расчетные характеристики грунтов земляного полотна

Характеристики грунтов эксплуатируемого земляного полотна. Накопленный балластный материал, грунт насыпи - суглинок, грунт основания - глина.

Накопленные балластные материалы:

• Удельный вес балласта у= 16. 6кН/м³

• Коэффициент пористости е=20.55

• Удельное сцепление с=2 кПа

• Угол внутреннего трения ц =30°

Грунт насыпи:

• Удельный вес у=18кН/м³

• Показатель текучести Il=0.65

• Коэффициент пористости е=0,67

• Удельное сцепление с=19 кПа

• Угол внутреннего трения ц =23°

Грунт основания:

• Удельный вес у =18,2кН/м³

• Показатель текучести Il=0,47

• Коэффициент пористости е=0,72

• Удельное сцепление с=25 кПа

• Угол внутреннего трения ц =22°

1.3 Оценка состояния земляного полотна (насыпи) по результатам инженерных расчетов объекта

1.3.1 Общие положения

В настоящее время оценка устойчивости откосов и склонов на сети действующих железных дорог, в связи с возникшим рядом факторов, имеет большое значение. Оценка проводится с помощью разнообразных инженерных и численных методов расчетов. Однако во всех случаях исходят из двух основных положений:

1. откосами считаются искусственные наклонные поверхности, склонами нами - естественные;

2. поверхности возможного смещения откосов и склонов в связных грунтах близки к чашеобразным или цилиндрическим, в сыпучих - к плоским; поскольку грунтовые откосы и склоны (в том числе земляное полотно) являются протяженными (вытянутыми в длину) сооружениями, применяют в основном плоские задачи.

При любых используемых методах расчетов основными расчетными параметрами грунтов для определения реактивных сил применяют коэффициент внутреннего трения грунта = tg ц (ц - угол внутреннего трения, град., рад.) и удельное сцепление с, кПа. Для определения объемных сил используют удельный вес грунта г, кН/м³. Эти характеристики находят как статистические из совокупности результатов их лабораторных определений в соответствии с указаниями СНиП 2.02.01 - 83.

1.3.2 Расчеты устойчивости при предопределенной поверхности возможного смещения

Наиболее общим при расчетах устойчивости откосов и склонов является случай, когда поверхность возможного смещения имеет неопределенную форму, чаще всего она предопределена литологическим строением откоса или склона, например, это поверхности АВ на рис. 1.3. На рис. 1.3 изображен поперечный инженерно-геологический разрез длительно эксплуатируемой насыпи, у которой образовался балластный шлейф значительных размеров с неровной поверхностью его контакта с глинистым ядром насыпи. На насыпи наблюдаются длительные просадки, одной из причин которых может быть медленное смещение шлейфа по глинистому фунту.

В этом случае используется следующий метод оценки устойчивости (Г.М. Шахунянц). Весь массив грунта, который может быть смещен (включая и внешние нагрузки на него), считается блоком возможного смещения. Делается допущение, что этот блок может сместиться как единый целый (так называемая гипотеза «затвердевшего клина»), без образования трещин и распадения на отдельности.

Поперечный инженерно-геологический разрез длительно эксплуатируемой насыпи (расчетная схема).

Рис. 1.3

Рассматривается плоская задача, расчет ведется на 1м длины откоса или склона. Внешние нагрузки от веса верхнего строения пути рвс(кПа) и подвижного состава рп(кПа) заменяются фиктивными столбами грунта расчетного удельного веса у, кн/м3, высотою соответственно z, м.

Блок возможного смещения вертикальными плоскостями условно делится на отдельные части (отсеки) таким образом, чтобы в пределах отсека поверхность возможного смещения можно было бы заменить плоскостью шириною 1 м.

Устойчивость оценивается коэффициентом устойчивости К. В общем представлении он трактуется как отношение факторов, сопротивляющихся смещению откоса или склона, к факторам, стремящимся их сместить.

В рассматриваемом конкретном случае К определяют по следующей формуле:



где n -- число отсеков, на которые разбивается блок возможного смещения;

ѓ N -- сила трения, кН/м, действующая по поверхности возможного смещения отсека;

ѓ -- коэффициент внутреннего трения грунта на поверхности возможного смещения в отсеке;

ц -- угол внутреннего трения;

Ni -- нормальная составляющая силы веса отсека с учетом внешней нагрузки на него, кН/м;

C_i l_i -- сила сцепления, кН/м, действующая по поверхности возможного смещения в отсеке;

с_i -- удельное сцепление грунта, кПа;

l_i -- длина поверхности смещения (заменяемой прямой) в пределах отсека, м;

T_i-уд и T_i-сдв - удерживающая и сдвигающая тангенциальные составляющие силы веса отсека с учетом внешней нагрузки, кН/м;

в_i -- угол наклона поверхности возможного смещения в пределах отсека, град.

Тангенциальная составляющая является удерживающей, если она направлена против возможного смещения и наоборот.

N_i = Q_i cos в_i,

T_i = Q_i sin в_i,

Q_i = щ_i • l_i • _i, где

Q_i -- сила веса отсека с учетом внешней нагрузки, кН/м; щ_i -- площадь отсека при однородном грунте, м²;

_i -- удельный вес грунта в отсеке при однородном грунте, кН/м³.

При разнородном литологическом строении в отсеке

m -- число разнородных грунтов в отсеке (или число однородных грунтов, но при разном их состоянии влажности и плотности);

_i-- удельный вес каждого из т грунтов или т состояний однородного грунта.



1.4 Расчет и проектирование мероприятий по усилению земляного полотна

Габионные стены.

Габионные структуры относятся к классу гибких сооружений: они воспринимают возможные осадки грунта, реагируя на это незначительными прогибами. При этом разрушение самой габионной структуры не происходит и сооружение продолжает выполнять свое основное назначение. Конструкции из габионов более экономичны, чем традиционные жесткие и полужесткие конструкции: экономия средств в случае использования габионов составляет от 10-15% на 1м сооружения, они требуют меньших затрат на эксплуатацию и ремонт. В курсовой работе будем применять габионные стены (ЦПИ № 22/43).

Усиление насыпи гравитационной габионной стеной. Исходными данными являются следующие:

1. Инженерно-геологический разрез насыпи;

2. Расчетные характеристики грунтов по инженерно-геологическим элементам. Величина оползневого давления на стену Е_оп = 325,14 кН/м определенная по формуле:

(1.6)

Рис. 1.4 Инженерно-геологический разрез

Е_оп - оползневое давление, кН/м; i - номер инженерно-геологического элемента

С учетом досыпки откоса по очертанию и найденному в результате расчетов устойчивости откоса.

3. Высота стены Н = 6 м;

4. Ширину стены принимаем равной 4,0 м, исходя из условия возможности прохода по ней механизмов при сооружении;

5. Для устройства стены используются коробчатые габионы высотой 1,0 и 0,5 м и шириною 1,0 м.

Проверим устойчивость стены против сдвига и опрокидывания.

Устойчивость стены против сдвига по поверхности основания CD обеспечивается при выполнении условий k ? |k|.

Допустимый коэффициент запаса |k| определяется по формуле.

Площадь сечения стены щ = ВН = 4,0 • 6 = 24 м².

Удельный вес габиона определим по формуле:

г_г = г_s (1 - n)

При г_s = 26,0кН/м³ n = 0,30 тогда г_г = 26(1 -- 0,30) = 18,2 для щебня с = 0

Далее найдем равнодействующую сдвигающих сил Т, которая равна наибольшей из двух сил: оползневого давления Е_оп = 325,14 кН/м и максимальной величины горизонтальной составляющей активного давления E_ah которое находиться по формуле:

E_ah = E_a • cos(б + ц₀)

Для этого примем удельный вес засыпки г = 20 кН/м³ и найдем коэффициент К_а активного давления на стену по формуле:

При ц_о = ц = 38° и при крутизне откоса перед стеной 1:1,5 угол (ц - е) = 4. В этом случае Ка=0,374.

При этих данных найдем соответственно по формуле:

Е_а = 134.64 кН/м и Е_аh = 94.2 кН/м. Значит, расчет стены на сдвиг и опрокидывание производится по величине Е_оп.

Для проверки устойчивости стены против опрокидывания найдем момент М_уд удерживающих сил по выражению M_уд = G_o - x_o и момент М_оп опрокидывающих сил по выражению М_оп = Еу_о. При этом Х_о = В/2 = 4/2 = 2 и плечо у_о = Н/2 = 6/2 = 3.

Сводка всех расчетов при проверке устойчивости стены на сдвиг и опрокидывание приведены в таблице:

Показатели	Величины	Показатели	Величины
H	6.0	Eah	94.2
B	4.0	T = Eоп	325,14
щ	24	k = R/T	1.57
N	655,2	Муд	873,6
R	511,71	Моп	975.42
Ea	134,64	k = Муд/Моп	0,90

При г_n = 1.2, г_s = 1.0. При этих данных .



Рис. 1.5 Схема к проверке габионной стены на сдвиг и опрокидывание: H - высота стены, м; В - ширина стены, м; G₀ - вес габионной стены, кН; N - нормальная реакция, кН; R - равнодействующая удерживающих сил; е - угол наклона откоса, град; Е_ah - активное давление (горизонтальная составляющая), кН/м³; Е = Е_оп - оползневое давление, кН/м

Расчетная схема к проверке устойчивости стены на сдвиг приведена на рис. 1.5. Найдем равнодействующую удерживающих сил:

R = Nf + сВ

Для этого примем, что габионная стена будет устанавливаться на щебеночную подготовку толщиной 0,10 м. Тогда f = tgц = tg38 = 0.781 (для щебня).

Нормальная реакция основания N равна весу габионной стены:

где G_g - вес габиона, который найдем по формуле:

G_g = щ_g г_g

Коэффициент устойчивости против опрокидывания меньше допустимого |к| = 1,20.

Устойчивость подпорной стены не обеспечивается. Увеличиваем ширину подпорной стены до 6,0 м. Повторно производим расчет.

Усиление насыпи гравитационной габионной стеной. Исходными данными являются следующие:

6. Инженерно-геологический разрез насыпи;

7. Расчетные характеристики грунтов по инженерно-геологическим элементам. Величина оползневого давления на стену Е_оп = 325,14 кН/м определенная по формуле:

(1.6)

Рис. 1.6 Инженерно-геологический разрез

Е_оп - оползневое давление, кН/м; i - номер инженерно-геологического элемента

С учетом досыпки откоса по очертанию и найденному в результате расчетов устойчивости откоса.

8. Высота стены Н = 6 м;

9. Ширину стены принимаем равной 6,0 м, исходя из условия возможности прохода по ней механизмов при сооружении;

10. Для устройства стены используются коробчатые габионы высотой 1,0 и 0,5 м и шириною 1,0 м.

Проверим устойчивость стены против сдвига и опрокидывания.

Устойчивость стены против сдвига по поверхности основания CD обеспечивается при выполнении условий k ? |k|.

Допустимый коэффициент запаса |k| определяется по формуле.

Площадь сечения стены щ = ВН = 6,0 • 6 = 36 м².

Удельный вес габиона определим по формуле:

г_г = г_s (1 - n)

При г_s = 26,0кН/м³ n = 0,30 тогда г_г = 26(1 -- 0,30) = 18,2 для щебня с = 0

Далее найдем равнодействующую сдвигающих сил Т, которая равна наибольшей из двух сил: оползневого давления Е_оп = 325,14 кН/м и максимальной величины горизонтальной составляющей активного давления E_ah которое находиться по формуле:

E_ah = E_a • cos(б + ц₀)

Для этого примем удельный вес засыпки г = 20 кН/м³ и найдем коэффициент К_а активного давления на стену по формуле:

При ц_о = ц = 38° и при крутизне откоса перед стеной 1:1,5 угол (ц - е) = 4. В этом случае Ка=0,374.

При этих данных найдем соответственно по формуле:

Е_а = 134.64 кН/м и Е_аh = 94.2 кН/м. Значит, расчет стены на сдвиг и опрокидывание производится по величине Е_оп.

Для проверки устойчивости стены против опрокидывания найдем момент М_уд удерживающих сил по выражению M_уд = G_o - x_o и момент М_оп опрокидывающих сил по выражению М_оп = Еу_о. При этом Х_о = В/2 = 6/2 = 3 и плечо у_о = Н/2 = 6/2 = 3.

Сводка всех расчетов при проверке устойчивости стены на сдвиг и опрокидывание приведены в таблице:

Показатели	Величины	Показатели	Величины
H	6.0	Eah	94.2
B	6.0	T = Eоп	325,14
щ	36	k = R/T	1.57
N	655,2	Муд	1965,6
R	511,71	Моп	975.42
Ea	134,64	k = Муд/Моп	2.02

При г_n = 1.2, г_s = 1.0. При этих данных .

Расчетная схема к проверке устойчивости стены на сдвиг приведена на рис. 1.5. Найдем равнодействующую удерживающих сил:

R = Nf + сВ

Для этого примем, что габионная стена будет устанавливаться на щебеночную подготовку толщиной 0,10 м. Тогда f = tgц = tg38 = 0.781 (для щебня).

Нормальная реакция основания N равна весу габионной стены:

где G_g - вес габиона, который найдем по формуле:

G_g = щ_g г_g

Коэффициент устойчивости против опрокидывания больше допустимого |к| = 1,20.

Далее оценивается несущая способность основания стены.

Несущая способность основания стены проверяется по условиям:

у_g ? ¦у¦

Определим форму эпюры нормальных напряжений. Для этого найдем расстояние d от нижнего края подошвы габионной стены до точки приложения реакции грунта основания по формуле:

Эксцентриситет е = 6,0 - 6,0/2 - 1,51 = 1,49.

Поскольку е > В/6 = 6.0/6 = 1 эпюра напряжений имеет треугольную форму и у_max вычисляется по формуле:

Рис. 1.7 Расчетная схема к определению несущей способности грунта основания: H - высота стены, м; В - ширина стены, м; Е_оп - оползневое давление, кН/м; d - расстояние от нижнего края подошвы до точки приложения реакции грунта основания; h - высота габиона, м; G_g - вес стены, кН; N - нормальная реакция, кН; z - глубина заделки стены в грунт, м; у_max - максимальные напряжения на основании стены; R - равнодействующая удерживающих сил; е - угол наклона откоса, град; Е_а - активное давление (горизонтальная составляющая), кН/м

Для определения |у| найдем предварительно:

q_lim = c · N_c · d_c + q · N_q · d_q · i_q + B · N_г · d_г · i_г · г

Грунт основания имеет с = 25 кПа, ц = 22, г = 18,2 кН/м. Однако стена будет опираться на слой щебня, поэтому в расчете принимаются его характеристики: с = 0, ц = 38, г = 21,0.

Поскольку с = 0 первый член в формуле отсутствует.

Глубина заделки стены в грунт z = 3.65.

Тогда q = 18,2 • 3.65 = 66,43

N_q = 48.88

N_y = 1.8(48.88-1)tan38°=67.31

d_y = 1; i_y = 0.24² = 0.6г = 21

q_lim = 15.1 • 48.88 • 1.07 • 0.24 - 4 • 67.31 • 1 • 0.6 • 21 = 3580.4 кПа

Следовательно, несущая способность грунта основания обеспечивается.

Далее выполняется проверка внутренней устойчивости стены.

Проверим стену на возможность сдвига отдельных слоев габионов по поверхности их контакта внутри стены.

Расчет ведем при Е_оп = 325,14 кН/м и Н = 6 м.

Внутренняя устойчивость проверяется по условиям и

Найдем для каждого i-слоя (считая сверху) значения соответственно по формулам:

Рис. 1.8 Расчетная схема к проверке внутренней устойчивости стены

Е_оп - оползневое давление, кН/м; Н - высота стены, м; В - ширина стены, м; z - глубина заделки стены в грунт, м; h - высота i-ого слоя габионов от верха стены, м; G - вес габиона, кН; N - нормальная реакция, кН.

При В_i const = В = 6.0 м.

Допускаемые значения определяются соответственно по



Для этого определим:

Примем Р_п = 10,3 кг/м³ - масса габионной секции при пределе прочности на разрыв сетки R_р = 47,0 кН/м и высоте габиона 1,0 м.

Используя полученные исходные данные, проведем расчет в табличной форме:

№ слоя	Hi, м	Еоп-i, кН/м	фi, кПа	Ni	уi, кН/м	фдоп, кПа	удоп, кПа
1	1,0	9	9	72,8	18,2	38,88	610
2	2,0	54,1	27,05	145,6	36,4	51,85
3	3,0	95,4	31,8	218,4	54,6	64,83
4	4,0	140,6	35,15	291,2	72,8	77,81
5	5,0	185,6	37,12	364,0	91,0	90,78
6	6,0	325,14	34,5	436,8	98,6	93,4

Как видно из таблицы, внутренняя устойчивость стены во всех её слоях обеспечивается.



Литература

1. Железнодорожный путь/ Яковлева Т.Г., Карпущенко Н.И., Клинов С.И., я вузов.- М.: Транспорт, 2001.-407с. Путря Н.Н., Смирнов М.П.; Под. ред. Яковлевой Т.Г. 2-е изд., с изм. и дополн.: Учеб. Дл.

2. Расчеты и проектирование железнодорожного пути/Под ред. Виноградова В.В., Никонова А.М.: Учеб. пособ. для вузов. М.: Маршрут, 2003, 486 с.

3. Положение о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Российской Федерации. / Утв.27.04.2001 МПС РФ,- М.:Центр Транспорт МПС РФ, 20 с.

4. Положение по оценке состояния и содержания земляного полотна (для опытного применения)/ ВНИИЖТ, / Утв. Деи. пути и сооружений МПС РФ. 25.08.99, М.: Центр Транспорт МПС РФ, 56 с.

5. Технические указания по применению габионов для усиления земляного полотна / Департамент пути и сооружений МПС: Утв.30.12.97. ЦПИ№22/43. М.: ПТКБ ЦП МПС, 1998. 140 с.

6. Технические указания и альбом типовых конструкций и технологий по защите габионными структурами земляного полотна от размывов/ Утв. Деп. пути и сооружений МПС РФ 28.12.01 ЦПИ№22/32. М.: ИКЦ Академкнига, 2002. 66 с.

7. Альбом чертежей конструкций групповых технических решений для усиления деформирующихся насыпей / Утв. Деп. пути и сооружений МПС РФ 28.12.00 ЦПИ№22/30. М.: ООО НТ, 2002. 77 с.

8. Технические указания по усилению насыпей с нестабильными балластными шлейфами армогрунтовыми удерживающими сооружениями / Главное управление пути МПС: Утв.23.12.92. М., 1992. 101 с.

9. Грицык В.И. Расчеты земляного полотна железных дорог. Учеб. пособие для вузов ж.- д. транспорта. М.:УМК МПС, 1998. 520 с.

10. Железные дороги колеи 1520 мм /СТН Ц-01-95,- Министерство путей сообщения Российской Федерации. М.: Изд. МПС РФ, 1995. 83 с.

11. Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм. СП 32-104-98 / Свод правил по проектированию и строительству. М.: Госстрой России, 1999. 90 с.

12. Никонов А.М. Оформление пояснительных записок дипломных и курсовых проектов. Метод, указания. М.: МИИТ, 1993г.

Размещено на Allbest.ru

...