Практическая задача № 3

«Определение оптимальной высоты насыпи»

1. Условие задачи и состав исходных данных

Требуется определить оптимальную высоту насыпи.

1. Район проектирования – г. Вилюйск.

2. Геологическое строение основания:

Глубина подошвы слоя от поверхности земли, м	Наименование грунта, его характеристика
0,0 – 0,50	Торф слаборазложившийся плотность в талом состоянии, ρ = 1,10 г/см3 суммарная влажность мерзлого грунта, Wtot = 420 %
0,50 – 1,95	Суглинок с числом пластичности, Ip = 12 плотность в талом состоянии, ρ = 1,79 г/см3 суммарная влажность мерзлого грунта, Wtot = 29 % влажность на границе раскатывания, WP = 18 %
Вскрыт скважиной глубиной до 15 м.	Песок мелкий, плотность в талом состоянии, ρ = 1,83 г/см3 суммарная влажность мерзлого грунта, Wtot = 8 %

3. Дорога проходит по склону северной экспозиции. Крутизна склона 1:13.

4. Расчетное значение глубины сезонного оттаивания грунтов основания принимается по итогам решения задачи № 2.

5. Железная дорога II категории по СП 119.13330.2017 «Железные дороги колеи 1520 мм».

6. Количество путей - 1.

7. Насыпь сооружается из привозного песка средней крупности.

2. Решение

   1. Назначение конструкции земляного полотна и балластного слоя.

Ширина основной площадки земляного полотна железной дороги II категории принимается равной 6,6 м, поскольку насыпь отсыпается из дренирующего грунта. Защитный слой не устраивается. Поскольку оптимальная высота насыпи, как правило, не превышает 6,0 м крутизну откосов насыпи принимает 1:1,5.

Конструкция балластного слоя назначается в соответствии с таблицей 6.1 СП 119.13330.2017. Рельсы – Р65 новые термоупрочненные, шпалы – железобетонные, в соответствии с примечанием к табл. 6.1 принимаем балластную призму однослойную из щебеночного балласта, поскольку насыпь сооружается из песка средней крупности. Толщину щебня под шпалой принимаем в соответствии с СП 238.1326000.2015. Толщина балласта под подошвой железобетонной шпалы – 0,40 м, ширина плеча балластной призмы – 0,45 м, крутизна откосов балластной призмы 1:1,5.

Рассмотрим основание насыпи. Основание насыпи сложено торфом мощностью 0,50 м, суглинком мощностью 1,45 м с суммарной влажностью W = 29 %. Число пластичности суглинка , влажность на границе раскатывания - . Ниже залегают пески мелкие.

Учитывая исходные данные найдем показатель текучести суглинка в оттаявшем состоянии :

В соответствии с ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация» суглинки при оттаивании приобретают текучепластичную консистенцию.

Классифицируем тип основания, сложенного многолетнемерзлыми грунтами по просадочности. Используем таблицу 3.1 (СП 238.1326000.2015).

В данной таблице, используя данные последнего столбца устанавливаем, что основание насыпи может быть классифицировано как слабое. Величина относительной осадки . Тогда в соответствии с п. 6.1.11 СП 238.1326000.2015 земляное полотно следует проектировать в индивидуальном порядке, и все конструктивные решения должны быть обоснованы специальными расчетами. В первом приближении для установления типа основания по просадочности можно использовать данные таблицы 3.2 [1].

2. Выбор принципа проектирования земляного полотна на вечномерзлых грунтах.

Для установления принципа проектирования следует руководствоваться таблицей 3.3 [1]. Подзона распространения многолетнемерзлых грунтов устанавливается по карте дорожно-климатического районирования (рис. 3.1) [1]. Тип местности по условиям увлажнения устанавливается в соответствии с таблицей 3.4 [1].

В основании насыпи залегает торф с мощностью (0,50 м), суглинок мощностью 1,45 м и песок мелкий. Относительное сжатие суглинка при оттаивании под нагрузкой составляет δ=0,40, песка мелкого δ=0,03. Таким образом, тип основания по просадочности - III, так как у суглинка δ=0,40 (табл. 3.1).

В нашем случае имеем: для г. Анадырь – подзона распространения вечномерзлых грунтов – I₃, тип местности по условиям увлажнения – 3 тип, поскольку имеется заболачивание, с поверхности залегает торф с влажностью 420 %, наблюдается избыточное увлажнение грунтов основание (суглинки при оттаивании приобретают текучую консистенцию).

Таким образом, при проектировании следует выбирать II принцип строительства земляного полотна на вечномерзлом основании, предусматривающий использование талых грунтов в основании при условии не превышения допустимых осадок грунтов основания.

Поскольку для проектирования выбирается II принцип, тогда обеспечение надежности земляного полотна обеспечивается определенной высотой насыпи, при которой верхняя граница вечномерзлой толщи грунта сохраняется на определенном уровне и осадка основания насыпи в оттаявшее основание не будет превосходить допустимой величины. Высота насыпи, при которой осадка основания при оттаивании слагающих его грунтов не буде превосходить допускаемых величин, называется оптимальной высотой насыпи . Высота насыпи не должна быть меньше оптимальной. Если по условиям продольного профиля нельзя обеспечить насыпь высотой или более, то производят замену грунта в основании насыпи. Глубина замены и высота надземной части в сумме должны составлять .

3. Определение допустимых осадок основания земляного полотна

Для установления допустимых остаточных деформаций земляного полотна используем данные таблицы 3 СП 238.1326000.2015. Для линий II категории допустимая полная остаточная деформация основания насыпи до реконструкции или капитального ремонта линии составляет 0,40 м, интенсивность осадки основания не более 150 мм/год, расчетная допустимая величина деформации равномерного морозного пучения не более 20 мм, допустимая упругая осадка основания насыпи – не более 2 мм.

С учетом этого главным критерием в данной ситуации является интенсивность осадки, поскольку в данном случае она будет реализовываться за счет оттаивания грунтов основания насыпи. Таким образом за допустимую остаточную деформацию насыпи примем интенсивность осадки и определим оптимальную высоту насыпи, при которой осадка основания не превысит ежегодную допустимую деформацию основания.

Определим оптимальную высоту насыпи, исходя из условия расчетной осадки основания земляного полотна So=0,15 м.

4. Определение глубины сезонного оттаивания грунтов дорожной конструкции

Исходя из результатов решения задачи № 2, глубина сезонного оттаивания грунтов основания составляет 1,20 м.

Дорожная конструкция состоит из трех слоев. Толщина верхнего (первого) слоя - балластная призма составляет 0,40 м. С учетом засыпки шпальных ящиков щебнем и, учитывая высоту шпалы в середине 14,5 см, общая толщина щебня составит 0,55 м. Т.е.

Толщина второго слоя – тело насыпи, сооружаемой из песка средней крупности неизвестна.

Определим глубины сезонного оттаивания щебня и песка средней крупности, как для материалов, применяемых для сооружения тела насыпи и балластной призмы.

Нормативная глубина оттаивания каждого слоя определяется по формуле:

где

– глубина сезонного оттаивания, переделяемая по картам;

– коэффициент, учитывающий фактическую влажность грунта. При использовании карт изолиний принимается с данными, указанными на рис. 2.1-2.4 [1];

– коэффициент, учитывающий интенсивность оттаивания балластного слоя железнодорожного пути. Для тела насыпи .

При определении коэффициента влажность грунтов насыпи принимается нормативной (близкой к оптимальной). В первом приближении можно используются данные, приведенные в методических указаниях [1].

Рассмотрим слой щебня. Для г. Анадырь находим:

Нормативная влажность – 3 %, тогда (рис. 2.3)

Значение коэффициента принимаем равным 1,25. Тогда:

Аналогичным образом определяем нормативную глубину сезонного оттаивания слоя песка средней крупности:

По рис. 2.3 для г. Анадырь находим:

Нормативная влажность – 7 %, тогда (рис. 2.3)

Значение коэффициента принимаем равным 1,0. Тогда:

Найдем нормативную глубину оттаивания всей дорожной конструкции. Поскольку имеем два слоя, воспользуемся формулой:

Тогда расчетная глубина сезонного оттаивания дорожной конструкции будет равна

где - коэффициент теплового влияния сооружения, принимается при проектировании земляного полотна равным 1,0.

Тогда:

5. Определение оптимальной высоты насыпи

Оптимальная высота насыпи рассчитывается по формуле

где

– расчетная глубина сезонного оттаивания дорожной конструкции, м;

– расчетная глубина сезонного оттаивания грунтов основания (до сооружения насыпи), м

– расчетная осадка основания насыпи, м;

– относительное сжатие грунтов основания при оттаивании под нагрузкой;

– суммарная толщина балласта, включая засыпку в шпальном ящике, м;

– коэффициент, учитывающий экспозицию склона для участков дороги, проходящих по склонам северной экспозиции, принимается для города Анадырь при крутизне склона 1:13 равным .

Для нашего случая имеем:

Относительное сжатие грунтов основания при оттаивании под нагрузкой принимается по данным инженерно-геологических изысканий. При оттаивании грунтов в основании наибольшие осадки будут происходить из-за наличия текучих суглинков, при наших условиях задачи .

Следовательно, оптимальная высота будет равна

3. Вывод

В ходе решения задачи была определена оптимальная высота насыпи на многолетнемерзлом основании. Для заданных условий был выбран II принцип строительства земляного полотна, предусматривающий использование талых грунтов в основании при условии не превышения допустимых осадок грунтов основания. Согласно расчетам, оптимальная высота насыпи составила м.

Библиографический список

1. «Возведение земляного полотна в особых условиях» - Методические рекомендации для практических занятий. А. Ф. Колос.

2. СП 119.13330.2017 Железные дороги колеи 1520 мм.

3. СП 238.1326000.2015 Железнодорожный путь.