Определение прогнозных показателей состояния и прочности глинистых грунтов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ИМПЕРАТОРА НИКОЛАЯ II»

(МГУПС (МИИТ)

Одобрена на заседании кафедры «Транспортное строительство» Протокол № «» _______ 201г.   Зав. кафедрой___________А.А.Локтев (подпись, Ф.И.О.)

 

 

Кафедра: «Транспортное строительство»

(название кафедры)

 

Автор:_ Фазилова З.Т., к.техн.н.

(ф.и.о., ученая степень, ученое звание)

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ:

«ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО В СЛОЖНЫХ ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЯХ»

(название дисциплины)

 

 

Направление: 23.05.06. Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей

(код, наименование направления /специальности)

Профиль/специализация: «Управление техническим состоянием железнодорожного пути» (ЖУ), «Строительство магистральных дорог» (ЖД)

Квалификация (степень) выпускника: __ специалист _____________________

Форма обучения: заочная __ __________________________________________

 

Москва - 2016 г.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«УСИЛЕНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ЛИНИЙ»

 

Курсовой проект состоит из четырех заданий:

1. Определение прогнозных показателей состояния и прочности глинистых грунтов эксплуатируемой насыпи.

2. Расчет общей устойчивости насыпи.

3. Расчет местной устойчивости насыпи.

4. Назначение мероприятий по усилению общей и местной устойчивости.

Исходные данные для выполнения курсового проекта приведены в табл. 1. Варианты 1-10 предназначены для студентов, у которых сумма цифр шифра нечетная, варианты 11-20 – для студентов, у которых сумма цифр четная. Учитываются цифры, идущие после года приема и обозначения специальности.

Номер заданного варианта определяется последней цифрой шифра, для студентов с четной суммой цифр – последней цифрой шифра плюс 10. Курсовой проект, выполненный не по заданному варианту, не рассматривается и не рецензируется.

 

ОФОРМЛЕНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

 

Курсовой проект, представляемый на кафедру для зачета, должен состоять из пояснительной записки и схем. Пояснительная записка должна содержать исходные данные из табл. 1, необходимые расчеты и пояснения к ним. По каждому заданию представляются схемы рассмотренных конструкций земляного полотна в масштабах 1:100 – 1:200 на миллиметровой бумаге форматом А4.

В конце работы приводится список использованной литературы.

Таблица 1 - Исходные данные

 

Показатели/варианты	Значения показателей по вариантам
Задание 1. Схема профиля
Высота насыпи H, м	19,2	14,2	7,2	12,4	13,6	11,0	21,8
Ширина основной площадки, м	6,3	6,3	6,0	6,2	6,9	5,9	6,5
Показатель крутизны откоса, m	1,68	1,75	1,9	1,65	2,4	1,8	1,7
Толщина слоя дренгрунта, hбм, м	1,2	0,8	1,0	1,4	0,7	1,1	0,9
Влажность предела текучести глин, WL	0,50	0,47	0,45	0,40	0,52	0,44	0,42
Высота бермы, Н,м		4,8			5,0	4,0	8,2
Ширина бермы, b, м		4,5			4,0	5,0	4,0
Крутизна откоса бермы		2,0			2,0	2,5	2,6
Расчетные нагрузки от подвижного состава, Р, тс/м	11,7	10,9	11,5	12,0	11,6	11,8	11,4

 

Продолжение таблицы 1

Показатели/варианты	Значения показателей по вариантам
Задание 1. Схема профиля
Высота насыпи H, м	8,6	9,7	19,8	13,1	8,3	16,0	12,2
Ширина основной площадки, м	6,9	2,1	6,3	6,2	6,4	5,9	2,1
Показатель крутизны откоса, m	2,1	2,2	1,6	1,8	2,0	1,7	2,1
Толщина слоя дренгрунта, hбм, м	1,1	1,6	0,8	1,3	1,2	1,0	1,6
Влажность предела текучести глин, WL	0,54	0,47	0,59	0,40	0,43	0,41	0,52
Высота бермы, Н,м			7,0	5,2			6,2
Ширина бермы, b, м			4,5	5,0			4,7
Крутизна откоса бермы			1,75	2,0			2,2
Расчетные нагрузки от подвижного состава, Р, тс/м	10,9	12,5	11,2	10,6	12,5	11,0	10,9

 

Продолжение таблицы 1

 

 

Показатели/варианты
Значения показателей по вариантам
Задание 1. Схема профиля
Высота насыпи H, м	14,1	7,6	13,0	7,8	16,0	21,9
Ширина основной площадки, м	6,7	6,9	5,9	5,7	6,1	6,3
Показатель крутизны откоса, m	1,6	2,0	1,7	2,2	1,6	1,7
Толщина слоя дренгрунта, hбм, м	0,9	0,5	1,3	1,6	1,5	1,4
Влажность предела текучести глин, WL	0,50	0,55	0,46	0,40	0,52	0,42
Высота бермы, Н,м			4,3		4,5	8,2
Ширина бермы, b, м			4,0		4,5	4,6
Крутизна откоса бермы			2,1		2,6	2,5
Расчетные нагрузки от подвижного состава, Р, тс/м	12,4	12,5	11,8	10,0	11,7	12,2

 

Оценка и обеспечение устойчивости эксплуатируемой насыпи из набухающих глинистых грунтов

 

Общая часть

Деформации насыпей в виде сплывов и оползаний откосов являются наиболее распространенными на сети дорог России и служат основной причиной аварийных ситуаций, перерывов в движении поездов и снижения скоростей движения. Причины таких деформаций могут быть различны: наличие слабых оснований насыпей, их подтопление, переувлажнение грунтов инфильтрующейся водой осадков и снеготаяния при наличии бессточных понижений на поверхности раздела дренирующих грунтов верхней части и глинистых грунтов насыпи. Указанные причины могут быть установлены инженерно-геологическим обследованием, по результатам которых можно назначить соответствующие мероприятия по усилению насыпей. Однако, наиболее опасными по неожиданности проявления являются деформации насыпей, сооруженных из глинистых средне- и сильнонабухающих грунтов, накапливающих внутренние дефекты своей структуры при чередовании сезонных процессов высушивания и увлажнения. Как правило, процесс накопления и развития дефектов за длительный эксплуатационный период не сопровождается проявлением просадок и других признаков первичной деформативности, инженерно-геологическое обследование в произвольный момент времени не дает оснований для назначения мероприятий по усилению. Последнее обстоятельство вынудило ввести в свод правил СП 32-104-98 "Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм" запрещение использовать глинистые грунты с влажностью предела текучести для сооружения насыпей без укладки экранов, защищающих от воздействия погодно-климатических факторов. Однако, на 6-8 % длины эксплуатируемой сети дорог при допущении действовавшими в прошлом документами использования для сооружения земляного полона глинистых грунтов с влажностью предела текучести до 0,60-0,65 остаются потенциально опасные по возможности образования оползания и сплывов насыпи.

Характерной особенностью высокодисперсных глинистых грунтов является их свойство изменять объем при изменении влажности применительно к схеме рис.1. При сезонном колебании влажности грунта от среднего значения W_i в годовом цикле в возможных

 

 

Рис. 1. Характер изменения объема при набухании и усадке глинистых грунтов

 

 

 

Рис. 2. Схема образования неоднородности структуры грунта при набухании после усадки

границах от влажности предела усадки W_sh до влажности свободного набухания W_swo, монолитная структура грунта нарушается с образованием агрегатов и межагрегатных трещин применительно к схеме рис. 2. При вторичном увлажнении грунта инфильтрующимся через систему усадочных трещин водами осадков потенциальная поверхность сдвига N-N равноправно пересекает как прочные агрегаты 1, так и малопрочные грунты с влажностью W_swo, заполняющие межагрегатные трещины, чем увеличивается потенциальная опасность нарушения общей устойчивости насыпи и местной устойчивости ее откосов.

Учитывая необходимость предупредительного усиления как самостоятельного мероприятия или в составе работ при организации скоростного движения пассажирских поездов, разработан [2] метод прогнозирования критических значений прочности средне- и сильнонабухающих грунтов в предположении полной реализации их потенциальной возможности к набуханию и усадке при циклическом изменении погодно-климатических условий. При известных значениях прочности грунтов по заданной круглоцилиндрической поверхности скольжения оценка устойчивости насыпи производится с использованием настоящей методики или одного из способов, приведенных в учебной литературе [3-5].

 

 

Определение прогнозных показателей состояния и прочности глинистых грунтов

 

В основу определения показателей состояния и прочности глинистых грунтов в откосах земляного полотна железнодорожного пути приняты следующие предпосылки:

- для глинистых грунтов с влажностью предела текучести , как для средне- и сильнонабухающих разновидностей, основными факторами, влияющими на состояние и прочность, являются природные процессы сезонного высушивания с образованием усадочных трещин и последующего увлажнения при инфильтрации дождевых осадков и воды снеготаяния через систему усадочных трещин;

- критерием оценки возможных изменений показателей состояния и свойств суглинков и глин является потенциальная способность к увеличению плотности (усадке) при высыхании, и ее уменьшении (набухании) при вторичном увлажнении в зависимости от глубины залегания, бытового давления и водно-физических свойств;

- вероятность реализации критических состояний грунта в откосах насыпи за длительный эксплуатационный период увеличивается с повышением влажности грунта на пределе текучести.

При прогнозе показателей состояния и прочности глинистых грунтов приняты следующие допущения:

- независимо от вида грунтов значение влажности предела усадки изменяется в диапазоне , столь же незначительно меняется плотность скелета при влажности на пределе усадки;

- при свободном набухании предельная влажность образцов при показателе водонасыщения ;

- константами водно-физических свойств глинистых грунтов являются давление набухания образцов при испытаниях от влажности на пределе усадки , а также показатель интенсивности набухания , зависящие от влажности грунта на пределе текучести.

Ниже приведен порядок определения упомянутых характеристике и показателей набухающего грунта и дан пример их определения для глин с влажностью предела текучести . В соответствии с вариантом задания для конкретного значения последовательно определяются:

- влажность предела раскатывания

W_p=0,4W_l+0,06=0,4*0,5+0,06=0,26;

- число пластичности

Y_p=W_l-W_p=0,5-0,26=0,24;

- удельный вес минеральных частиц

P_s=2,64+0,2W_l =2,64+0,2*0,5=2,74 г/см;

- объемный вес скелета грунта ρ_swh при важности предела усадки W_swh

ρ_swh=1,828-0,25W_l=1,828-0,25*0,50=1,703;

- коэффициент пористости грунта при влажности на пределе усадки

- давление набухания грунта P_н

P_н=85(W_l-0,18)² =85(0,5-0,18)²=8,704 кг/см²;

- показатель интенсивности набухания грунта

- влажности грунта после свободного набухания

W_swo=0,85W_l =0,85*0,50=0,425;

- коэффициент пористости грунта после свободного набухания

г/см³;

- показатель консистенции грунта после свободного набухания

- величина общего сцепления грунта после свободного набухания

кг/см²;

- показатель полного набухания

- величина жесткого структурного сцепления грунта после свободного набухания

кг/см²;

 

По показателю согласно СП 32-104-98 грунт относится к слабонабухающим при и к сильнонабухающим при . В приведенном примере грунт относится к сильнонабухающим.

Полученные значения интенсивности набухания , давления набухания P_н, структурного сцепления грунта при свободном набухании используются для определения показателя прочности и плотности грунта заданного вида в зависимости от глубины залегания в насыпи. Расчет показателей осуществляется последовательно по схеме табл.2, где приведен пример расчета для сильнонабухающего глинистого грунта с влажностью предела текучести
Таблица 2

Схема и пример определения показателей состояния и свойств

грунта в зависимости от глубины залегания

Алгоритм расчета	Пример расчета для грунта с Wl=0,50
№ п/п	Показатели	Формула для определения
	Бытовая глубина, ,м	задается равной 1,2 и 5 м	1,0	2,0	5,0
	Бытовое давление при объемном весе, г/см3	кг/см2	0,2	0,4	1,0
	Показатель набухания		0,213	0,174	0,122
	Плотность грунта после набухания		1,410	1,448	1,515
	Коэффициент пористости		0,949	0,892	0,809
	Влажность грунта		0,346	0,326	0,295
	Показатель консистенции		0,360	0,273	0,146
	Показатель		0,400	0,477	0,617
	Общее сцепление грунта С, кг/см2		0,385	0,528	0,881
	Структурное сцепление ,кг/см2		0,154	0,252	0,543
	Показатель влияния свободного набухания при наличии трещин усадки,		0,311	0,478	0,573
	Сцепление грунта с учетом набухания по трещинам усадки, кг/см2		0,064	0,119	0,324
	Расчетное сцепление с учетом ориентации трещин, Ср, кг/см2		0,044	0,071	0,174
	Значение нормативного угла внутреннего трения, град		15,50	16,06	16,90

Окончание табл. 2

	Расчетный коэффициент внутреннего трения,		0,240	0,250	0,266
	Объемный вес грунта, ,г/см3		1,90	1,92	1,96

 

По полученным в результате расчета данным определяются общие зависимости для расчетного сцепления в виде раздельно для глубин и , принимая их линейными, когда

и

 

и

 

Для приведенного примера

и

при

при

Для расчетного коэффициента внутреннего трения принимается общая зависимость

,

где ,

.

Для приведенного примера

,

,

.

Полученные зависимости используются для расчета общей устойчивости насыпи и местной устойчивости незагруженного откоса. Значения сцепления С переводятся из полученных ранее в кг/см² в т/м², увеличиваются в 10 раз. Для приведенного примера

при h<2м,

при .

Для проведения расчета устойчивости предварительно определяют .

3. Определение высоты эквивалентного столбика грунта

 

Столбик фиктивного грунта заменяет линейную нагрузку от подвижного состава , тс/м.

Формула, предложенная проф. Г.М. Шахунянцем [1] для определения высоты , м, имеет вид

,

где – расчетная плотность (объемный вес) грунта насыпи (при естественной влажности), т/м³,

– средняя ширина балластной призмы, м (для двухпутного участка принимается половина ширины двухпутной балластной призмы);

– длина шпалы; для деревянной шпалы 2,75 м, для железобетонной –2,70 м.

Ширина эквивалентного столбика для каждого пути принимается равной длине шпалы ; середина каждого столбика совпадает с осью пути.

Значение линейной нагрузки Р от подвижного состава принимаем по заданию, расчетную плотность (объемный вес) грунта насыпи – по табл. 2 для глубины 2 м. Для всех вариантов принимаются =2,7 м, тс/м², =4,7 м.