Проектирование мероприятий по стабилизации земляного полотна

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

5. Подбор дрены.

6. Подбор дренажного заполнителя.

1. Определение эффективности дренажа

Основной характеристикой  эффективности дренажа является коэффициент водоотдачи который определяется как:

 

где: – пористость грунта;

– объем пор из которых вытечет вода при осушении:

Объем пор из которых вытечет вода при осушении:

 

где =0,05-0,1 – количество капиллярно-застрявшей воды;

 – максимальная молекулярная  влагоемкость;

=10кН/м³– удельный вес воды;

– удельный вес скелета  грунта:

Удельный вес скелета  грунта:

 

где – коэффициент пористости, которую определим из соотношения:

 

Тогда:

 

 

 

Т.к. полученный коэффициент  водоотдачи больше чем 0,2, то эффективность  применения данного сооружения оправдана.

2. Определение 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   – глубина промерзания за 10 лет наблюдений;

 – запас на переменный  уровень грунтовых вод;

 – высота капиллярного  поднятия воды в грунте;

 – расстояние от точки выклинивания кривой депрессии в траншее до дна траншеи;

– отметка дна кювета ниже бровки балластной призмы:

 

где  0,6 м – глубина кювета;

0,15 м – высота сливной призмы для двухпутной железной дороги;

0,65 м – высота балластной призмы.

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 – уклон кривой депрессии;

 – расстояние от  оси пути до стенки траншеи;

Для однопутного участка железной дороги с шириной основной площадки 7,6 м:

 

 

 

Геометрические параметры  дренажа:

 

 

где – отметка ГГВ ниже уровня бровки земляного полотна;

 – отметка водоупора  ниже уровня бровки земляного  полотна.

 

3. Определение 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  междренажной и полевой сторон, причем определяющим с точки зрения технологии строительства является срок осушения междренажной стороны.

Итак, срок осушения для междренажной стороны:

 

где К = 8·10^-7м/с -  коэффициент фильтрации;

В – коэффициент, определяемый по формуле:

 

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_д определяется в зависимости от соотношения h и H по таблице 5.10.

 

Интерполируя между значениями 0.10 (А=0.857) и 0.20 (А=0.842) получаем А_д=0,8497.

 

В конечном итоге время  осушения междудренажной стороны составит:

 

Срок осушения для полевой  стороны:

 

где L₀ – 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. Определим срок осушения полевой стороны:

4. Определение 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:

Для двухстороннего несовершенного дренажа расход воды будет складываться из расходов пяти зон: А, В, Г, Д, Е:

 

где: q_А+Б и q_В – расходы из соответствующих зон;

q_м – расход из междудренажной зоны.

 

Расход из зоны А+Б:

 

Расход из зон А и Б равен:

 

 

Расход из зоны В:

 

- приведенный расход, принимается  в зависимости от α, β по графику =f(α, β);

 

 

Если , то определяется по формуле:

 

-принимается по графику 5.34. при β=3 и

Тогда приведенный расход равен:

 

Определим расход из зоны В:

 

Расход из междренажной зоны:

 

 

 

При β=3 по графику определяем:

 

 

 

 

Суммарный расход в дренаже:

 

Полный расход через дренаж:

 

где     l = 720 м –  длина дренажа, принимаемая равной длине нагорной водоотводной канавы.

5. Подбор  дрены

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.

Рисунок 8. Дренажная керамическая безраструбная труба с типовыми размерами, диаметром 150 мм.

Площадь живого сечения:

 

Гидравлический радиус трубы:

 

По вычисленному гидравлическому  радиусу подбирается 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: i_др = i_р = 10 % − уклон дренажа;

         a=(0,1¸0,25) м − перепад в водобойном колодце между впуском и    выпуском;

l_д=(50¸100) м − расстояние между смотровыми колодцами.

Скорость потока в трубе:

 

Расход воды в трубу:

 

Проверяем условие пропуска расчетного расхода в трубу данного  диаметра:

Сравнивается  и

где m − коэффициент запаса, учитывающий заиливание трубы (m=1,5):

 

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

6. Подбор  дренажного заполнителя

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:

  (3.42)

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

 − допускаемая скорость  на входе в заполнитель (трубу).

Допускаемую скорость на входе  в трубу можно найти как:

 

где:м/с − коэффициент фильтрации грунта выемки.

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

− полевая сторона:

 

 

Для того, чтобы определить скорость фильтрации со стороны дна необходимо определить расход из зоны Г. Его можно определить по формуле:

 

Тогда скорость фильтрации со стороны дна:

 

Скорость фильтрации с  междренажной стороны:

 

Первое условие выполняется  во всех случаях, следовательно, суффозия грунта отсутствует;

Рисунок 9. График гранулометрического состава грунта.

Рисунок 10. График гранулометрического состава дренажного заполнителя. Второе условие в данном случае можно выразить как:

 

Коэффициент пористости можно  определить через коэффициент равнозернистости:

 

 

 

Условие выполняется, следовательно грунт не проникает в заполнитель.

Контакт заполнитель-труба:

В расчете  так же проводится проверка двух условий  изложенных выше

− первое условие:

 

В конструкции дренажа  используется керамическая труба диаметра 150 мм без отверстий. Вода в такую трубу проникает через щели предусмотренные в стыках секций трубы. Длина секции 500 мм, ширина щели 2 мм.

Коэффициент фильтрации заполнителя  в данном случае можно рассчитать по формуле:

 

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

 

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

В свою очередь:

 

Эта формула рассчитывается для каждой крупности частиц:

 

 

 

 

 

Суммируя полученные значения имеем:

 

Тогда:

 

Допускаемая скорость на входе  в щель дренажа:

 

Скорость на входе в  дренаж:

 

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

− суммарная площадь  щелей трубы приходящаяся на 1 погонный метр:

 

При =2 мм − ширина отверстия.

Тогда:

 

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

− второе условие:

 

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

 

Сравнивая с расчетными данными  видно, что при диаметре щели в 2 мм механического проваливания частиц дренирующего заполнителя в дренажную трубу не происходит.

3. Проектирование  теплоизоляционной подушки

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

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

Запроектируем противопучинную подушку при следующих начальных условиях:

− район строительства: Екатеринбург;

− высота равномерного пучения: h₀=45 мм;

− материал подушки: ПС 1-100.

Рассчитываем накладную  подушку в связи с тем, что  материалом является шлак.

Глубина промерзания эталонного грунта:

 

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

По СНиП 23-01-99 «Строительная  климатология» для Тюменской  области среднемесячные температуры  составят:

-15,5   -13,6   -6,9   -6,8   -13,1 С⁰

 

Тогда:

 

 

Исходя из уравнения эквивалентности:

 

где =5 см − толщина снега после уборки снегоуборочной машиной;

− коэффициент эквивалентности  плотного снега;

, ,− толщины промерзающих щебня, песка, грунта;

, ,  − коэффициенты эквивалентности соответственно щебня, песка грунта.

В расчетах принимается:

 

Для двухпутного участка  железной дороги II категории с железобетонными шпалами:

=0,40 м     =1,50

=0,20 м      =1,40

Коэффициент эквивалентности  супесчаного грунта составляет:

= 1,08

Из уравнения эквивалентности  выразим глубину промерзания  грунта под насыпью:

 

 

Так как подушка не должна допускать промерзание грунта, т.е. уравнение эквивалентности примет вид:

 

 

Из формулы толщины  подушки при ее коэффициенте эквивалентности n_под=0,75:

 

 

Расчет сопряжения подушки.

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

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

Длина сопряжения:

 

где [i]=0,0015 − допускаемый отвод возвышения для поездов со скоростью движения свыше 80 км/ч.

 

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

Всю длину сопряжения делим  на 4 части по 11,67 м.

Высота равномерного поднятия в пределах сопряжения:

 

где l_i − длина от начала сопряжения;

Рассчитаем высоты поднятия для всех точек:

 

 

 

 

Величина пучения при  промерзании грунта толщиной определяется по формуле:

 

Рассчитаем глубину промерзания  для всех точек:

 

 

 

 

Расчет сужений перьев: