Проектирование поперечных профилей

Анализ продольного профиля и обоснование выбора типа поперечных профилей

Параметры автомобильной дороги:

Категория дороги - III

Число полос движения - 2

Ширина полосы движения - 3,5м

Ширина проезжей части - 7м

Ширина обочин - 2,5м

Ширина укрепительной полосы обочины - 0,5м

Ширина земляного полотна - 12м

В зависимости от этих параметров подбираем типы поперечных профилей.

Для данной курсовой работы принимаем следующие типы поперечных профилей:

1. Насыпь высотой до 3 м (тип 2) ПК64+00, ПК66+00, ПК68+00, ПК72+00;

2. Насыпь высотой до 6 м (тип 3) ПК 63+00, ПК 70+00, ПК 71+00;

3. Насыпь высотой до 12 м (тип 5) ПК 65+00, ПК 67+00;

4. Насыпь высотой до 2 м (тип 8) ПК 69+00;

Конструирование поперечных профилей

Конструкция земляного полотна на косогоре обоснована соответствующим расчетом с учетом устойчивости косогора, как в природном состоянии, так и после сооружения дороги на устойчивых горных склонах крутизной более 1:3.

При крутизне откосов от 1:5 до 1:3 земляное полотно следует устраивать, как правило в виде насыпи, полунасыпи- полувыемки, либо в полке.

На рисунках 3.1 – 3.10 представлены поперечные профили.

 

Рисунок 3,1

ПК 63

Рисунок 3,2

ПК 64

 

Рисунок 3,3

ПК 65

 

Рисунок 3,4

ПК 66

 

Рисунок 3,5

ПК 67

 

Рисунок 3,6

ПК 68

 

Рисунок 3,7

ПК 69

 

Рисунок 3,8

ПК 70

 

Рисунок 3,9

ПК 71

 

Рисунок 3,10

ПК 72

 

Конструктивно технологические решения сооружений земляного полотна на участках в горной местности

Принципы проектирования

Проектирование дорог в горной местности связано с решением ряда сложных вопросов. Горный рельеф характеризуется значительной разностью отметок на коротком протяжении, крутыми продольными уклонами, извилистыми долинами рек. Геологическое строение резко изменяется на небольших участках. Горные склоны часто неустойчивы, строительство дорог может нарушить их ровность, вызвать обвалы и обрушения, активизировать осыпи и оползни. Значительный объём земляных работ выполняют в скальных грунтах, широко прибегая к взрывным методам. Земляное полотно на крутых склонах строят с подпорными стенками.

Сильно расчленённый рельеф горных склонов вызывает необходимость постройки большого числа искусственных сооружений на пересечении многочисленных водотоков и сухих лощин. В связи с большим продольным уклоном даже при малых водосборных бассейнах ливневые потоки несут с собой камни, поэтому требуются специальные меры для защиты сооружения от размыва.

Природные условия в горах меняются на коротком протяжении. Резко проявляется влияние вертикальной зональности и влияние экспозиции склона по сторонам света. Необходимо учитывать гидрологические условия горных рек, большие скорости течения: в меженный период – 1,5 м/с, в паводок – до 10 м/с, большие колебания расходов, резкие изменения глубины.

Земляное полотно горных дорог большей частью располагается на косогорах. Для устойчивости насыпи против сползания при поперечном уклоне местности более 1:5 на косогоре после удаления растительного слоя грунта делают уступы от 1 до 4х метров, которым придают поперечный уклон в низовую сторону 10-20‰. Наиболее распространён тип земляного полотна: полунасыпь-полувыемка.

Расположение дороги на косогоре в полунасыпе-полувыемке с уравновешиванием объёмов выемки и насыпной части соответствует минимальному объёму работ. Однако, при отсыпке насыпной части земляного полотна теряется много грунта за счёт скатывания вниз по крутым склонам. На крутых склонах при устройстве насыпи на косогоре объём земляных работ значительно увеличивается, так как её откос располагается под небольшим углом к склону. Поэтому при откосах 1:1,5 и круче прибегают к устройству подпорных стен, а при 1:3 – 1:2 устраивают банкеты из сухой кладки. Банкеты утраивают из камней невыветривающихся пород крупностью до 40 см. Подпорные стены делают из камня, бетона и железобетона. Их размеры определяют по расчёту. Ширина стены поверху 0,8-1,0 м; глубина заложения фундамента не менее 25 см в скальных породах и 0,5 м в дренирующих неводонасыщенных грунтах; в переувлажнённых грунтах – половина глубины промерзания.

При трассировании дороги через действующую осыпь перед дорогой возводят улавливающую стенку для задерживания и накапливания осколков. Многие участки горных дорог подвержены обвалам. Для защиты от крупных камней около дорог устраивают улавливающие рвы с валом или улавливающие стенки. Размеры улавливающего рва и улавливающей стенки назначают по методу, основанному на расчётах траектории движения камня, скатывающегося с подскакиванием по склону с ломанным поперечным рельефом.

4.2 Расчёт устойчивости откоса земляного полотна на косогоре

Устойчивость – сохранение предусмотренного проектом положения насыпи в пространстве без смещения и просадок.

Коэффициент устойчивости – это отношение силы или их моментов, удерживающих насыпь, к силам или моментам сдвига.

Для того, чтобы проверить откосы насыпи на устойчивость, необходимо вычислить коэффициент устойчивости К_уст. Условие устойчивости вычисляется по формуле:

К_уст = ∑М_уд/∑М_сдв (4.1)

где М_уд – удерживающий момент;

М_сдв – сдвигающий момент.

Расчеты устойчивости дорожной насыпи ведут на собственный вес грунта и вес дорожной одежды. Эта толщина вычисляется по формуле:

h₀ = НГ·4/(2·a+0,4)· γ (4.2)

где НГ – временная нагрузка от гусеничной машины;

a – ширина машины;

γ – удельный вес грунта тела насыпи.

Для определения коэффициента устойчивости необходимо выполнить следующие действия:

- вычерчиваем на миллиметровки поперечный профиль насыпи в масштабе М 1:200 (рисунок 12);

- соединяем точки А и В пунктирной линией;

- находим точку D. Для этого откладываем от точки А вниз расстояние равное высоте насыпи (H_нас) и вправо расстояние равное 4,5·H_нас. После этого соединяем точу C и D;

- соединяем окружностью точку А и правую бровку насыпи, при этом ножка циркуля должна находится на проведенной прямой CD;

- полученную площадь делим на отсеки по 5 метров;

- находим угол δ и площади отсеков, вычисляем коэффициент устойчивости;

- вычисления проводятся три раза (окружность проводится по правой бровки, по оси дороги и по левой бровки).

δ – это угол наклона отрезков кривой скольжения к вертикали в пределах каждого отсека (по рисунку 12), вычисляется по формуле:

sin δ = X/R (4.3)

где X – расстояние до вертикального радиуса (см. рисунок 12);

R – радиус кривой скольжения(см. рисунок 12).

 

 

Схема расчёта откосов 4,2

 

Коэффициент устойчивости считается по формуле:

К_уст = (f·∑N + c·L) / ∑T (4.4)

где f – коэффициент, принимается 0,45;

с – сцепление грунта, принимается от 1,2 до 1,5 кг/см³;

L – длина кривой скольжения, м;

∑N – сумма нормальных сдвигающих;

∑T - сумма касательных сдвигающих.

В свою очередь нормальная и касательная, сдвигающая для каждого отсека находятся по формулам:

N = Q · cos δ (4.5)

T = Q · sin δ (4.6)

где Q – вес выбранного отсека, который находится по формуле:

Q = Ω · γ (4.7)

где Ω – площадь выбранного отсека в метрах;

γ – удельный вес грунта тела насыпи.

Длина кривой скольжения (L) вычисляется по формуле:

L = 2·π·R·α/180 (4.8)

где R – радиус вычисляемой окружности;

α – угол сектора.

Рассчитанный коэффициент удовлетворяет условию, если он > 1,2 это означает, что при принятом заложении откосов откосы устойчивы. Все полученные данные заносятся в таблицу.

Вычисляем коэффициент устойчивости исходя из задания.

- высота насыпи (Н)- 4,41 метров;

- грунт тела насыпи суглинок лёгкий (γ=1800 кг/м³);

- категория дороги III;

- ширина земляного полотна (по СНиП 2.05.02-85) 12 метров

Берем значения углов α = 26°, β = 35°. Выполняем все построения, описанные ранее. Радиус проводим через правую бровку. На рисунке 14 представлен поперечный профиль с заданными уклонами. После проведения окружности полученную площадь разбиваем на 4 отсека.

Вычислим сначала нагрузку от транспортного средства, заменяя её распределенной нагрузкой, эквивалентной данной по формуле 4.2:

h₀ = 60·4/(2·3,3+0,4)·18 = 1,91 метра.

По формулам 4,3; 4,5; 4,6; 4,7 ведём вычисления в табличной форме с помощью программы Microsoft Excel. Площадь отсека, расстояние до вертикального радиуса и длину дуги определяем с помощью средств AutoCAD

Длинна дуги L= 11,93

Все полученные данные представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Определение устойчивости по правой бровки

№	X	R	sinδ	δ° '	cosδ	Ω, м2	Q	N= Q·cosδ, кН	T = Q·sinδ, кН
	18,68	26,87	0,6952	39°49'	0,7188	0,6636	11,28	8,11	7,84
	16,65	26,87	0,6197	35°30'	0,7849	1,4965	25,44	19,97	15,76
	14,65	26,87	0,5452	31°14'	0,8383	1,7044	28,97	24,29	15,80
	12,68	26,87	0,4719	27°2'	0,8817	1,4019	23,83	21,01	11,25
	10,62	26,87	0,3952	22°38'	0,9186	0,6570	11,17	10,26	4,41
	9,62	26,87	0,3580	20°30'	0,9337	0,0007	0,01	0,01	0,00

∑Q= 100,71

∑N=83,65

∑T=55,07

Вычисляем коэффициент устойчивости по формуле 4.4:

Cледовательно при принятом заложении откосов 1:1,5 откосы не устойчивы. Поэтому, необходимо предусмотреть устройство подпорной стенки.

4.3 Расчёт подпорной стенки

На крутых склонах при устройстве насыпи на косогоре объём земляных работ значительно увеличивается, так как ее откос располагается под небольшим углом к склону. Поэтому при поперечной крутизне рельефа 1:3 и круче прибегают к устройству подпорных стенок.

Подпорные стенки выполняют из камня, бетона и железобетона. Их размеры назначают по расчету методами строительной механики и механики грунтов.

На ПК 65+00 откос насыпи не устойчив, следовательно, для повышения устойчивости откоса необходимо устройство подпорной стенки.

Конструкцию подпорной стенки принимаем типовой в соответствии с типовым проектом 3.503.1-67.0 в зависимости от расчетной сейсмичности района проектирования, условного сопротивления грунта в основании подпорной стенки R₀, а также нормативного угла внутреннего трения грунта застенной засыпки φ.

Сейсмичность района проектирования принимаем 6 баллов, условное сопротивление грунта в основании подпорной стенки 0,4 МПа, нормативный угол внутреннего трения грунта засыпки составляет 24 градуса, высота стенки 7,0 м. в соответствии с этими данными выбираем типовую конструкцию подпорной стенки. Ее геометрические размеры и потребность в материалах приведены в таблице (4.2).

Таблица 4.2 - Геометрические размеры подпорной стенки

Переменные параметры, см

Бетон, м3

Арматура, кг

Н

hт

hср

l

c1

c

c2

b

a

тело

фундамент

всего

А-III

A-I

всего

7,0

37,55

53,09

90,65

 

Рисунок 4.2 Подпорная стенка

Устраиваем подпорную стенку в насыпе с неустойчивыми откосами на ПК 65+00, H=4.41м, рисунок 4.2

Для обеспечения конструктивно-технологических мероприятий по возведению земляного полотна и укреплению откосов в данном курсовом проекте предусматривается установка подпорной стенки на ПК 65+00. Схема подпорной стенки показана на рисунке 4.2.

Расчет ведут по трем схемам: сдвиг по подошве фундамента (плоский сдвиг); опрокидывание вокруг внешнего ребра подошвы стенки; сдвиг по поверхности, проходящей на некоторой глубине в основании.

Устойчивость против плоского сдвига обеспечивается при условии:

(4.9)

где Т – расчетная сдвигающая сила, равная алгебраической сумме проекций всех расчетных сил на плоскость скольжения (подошву фундамента);

Т_пр – предельная сила сопротивления сдвигу по этой плоскости;

m_с – коэффициент условий работы, принимаемый равным 0,8.

Расчет выполняется в такой последовательности:

1) Определяют коэффициент активного давления грунта на подпорную стенку:

(4.10)

где –угол внутреннего трения грунта засыпки (24);

– угол, образуемый задней гранью стенки с вертикалью(9);

– угол трения грунта о стенку (при весьма шероховатых гранях подпорной стенки = , при относительно гладких 1/2 3/4 , при засыпках из водонасыщенных песков и при динамических воздействиях 0 1/2 );

– угол наклона поверхности грунтового массива, удерживаемого стенкой, к горизонту (считается положительным, если склон от стенки направлен вверх) (0).

2) Определяют активное давление грунта на единицу длины стенки:

(4.11)

где – удельный вес грунта.

3) Определяют горизонтальную и вертикальную составляющие активного давления:

(4.12)

(4.13)

4) Определяют расчетное сдвигающее усилие:

(4.14)

где – коэффициент перегрузки.

5) Определяют расчетное усилие сопротивления сдвигу:

, кг/м (4.15)

где f – коэффициент трения подошвы стенки по основанию (принимается равным tg φ);

– коэффициент перегрузки, 1,1;

G – вес 1 погонного метра стенки, кг.

Вес 1 пог.м подпорной стенки рассчитаем по формуле:

G=V∙γ/10+m/10, кг (4.15а)

где V – потребность в бетоне на секцию подпорной стенки, м³ (по таблице 4.2);

γ – удельный вес бетона, кг/м³;

m – масса арматуры на секцию подпорной стенки, кг (по таблице 4.2).

Определяем вес 1 погонного метра стенки по формуле (4.15а):

G=90,65∙2400/10+406/10=21797,00 (кг).

Расчетное усилие сопротивления сдвигу определяем по формуле (4.15):

(кг/м).

Проверяем выполнение условия устойчивости против плоского сдвига (4.8):

, следовательно, условие (4.5) выполняется, устойчивость против плоского сдвига обеспечивается.

Устойчивость против опрокидывания обеспечивается при условии:

где M – расчетный опрокидывающий момент, равный сумме моментов опрокидывающих сил относительно подошвы фундамента;

Mпр – расчетный удерживающий момент (при действии временной нагрузки);

m0 – коэффициент условий работы, .

При определении М учитывают, что сила активного давления грунта засыпки на стенку () приложена на высоте, равной 1/3 высоты стенки, считая от подошвы, а усилия от временной нагрузки – на высоте, равной 1/2 высоты стенки.

Значения моментов определяем по формулам (4.17) и (4.18):

Мпр=1/2·19536·7=68376 Н/м

М=1/3·19536·7=45584 Н/м

Проверяем выполнение условия устойчивости против опрокидывания (4.15):

45584≤47863 =·Мпр·0,7– условие выполняется, следовательно, устойчивость против опрокидывания обеспечивается.

Потом подпорную стенку устраиваем в насыпе с неустойчивыми откосами на ПК 73, H=5,5м, рисунок 4.3

Конструктивно-технологические мероприятия по возведению земляного полотна и укреплению откосов

Откос является наиболее неустойчивой частью земляного полотна в насыпях и выемках: грунт поверхности откосов подвергается воздействию атмосферных осадков и ветра. При нарушении условий равновесия откосы деформируются. Для приближения формы откоса к очертанию устойчивого откоса применяют переменную крутизну его на разных участках учитывая при этом высоту этих участков или сохраняют крутизну и вводят бермы. Устойчивость откосов более 12 метров, а также устойчивость в водонасыщенных грунтах проверяют расчетом.

Бермы – уменьшают скорость стекания воды по откосу, тем самым предотвращают его размывание. Они облегчают также ремонт и текущее содержание откосов, позволяя осматривать их, подвозить и складировать материалы для ремонта.

На крутых склонах при устройстве насыпи на косогоре объемы земляных работ значительно увеличиваются, так как ее откос располагается под небольшим уклоном к склону, поэтому при откосах 1:1,5 и круче прибегают к устройству подпорных стенок, а при откосе от 1:3 до 1:2 устраивают банкеты из сухой кладки.