Проектирование конструкции укрепления откосов.

1.4.1 Выбор типа укрепления откосов бермы.

 

При сооружении насыпей на поймах для защиты ее от повреждения паводками водами и ледохода устраивают берменные присыпки (или просто бермы). Возвышение (отметка) бровки бермы Н_бр над расчетным уровнем воды, а также выбор типа укреплений откосов насыпей определяется параметрами волнового воздействия.

Тип укрепления откоса выбирается, исходя из параметров волнового воздействия и высоты бермы. Наиболее распространенными является два способа: I - укрепление железобетонными плитами и II - укрепление каменной наброской. Окончательное решение вопроса о выборе типа укрепления принимается на основе технико-экономического сравнения этих двух способов.

Рассмотрим укрепление откосов насыпи железобетонными плитами. Тип плит и их размеры выбираются в зависимости от параметров волнового воздействия: скорости течения воды и расчётной высоты волны.

Расчетной высотой h_d волны называется вертикальное расстояние между ее вершиной и подошвой с заданной вероятностью превышения этой высоты i% (рекомендуется для насыпей железных дорог I-III категорий i = 1%). (h_d = 1,87м)

Длиной волны λ_d называется горизонтальное расстояние между смежными вершинами или подошвами волн. Обычно в расчетах принимается среднее значение λ_d. (λ_d = 8,67 м)

Глубина до дна водоема d_f у подошвы насыпи, которая принимается совпадающей с расчетным статическим уровнем Н_ст, т.e. d_f = Н_ст= 3,15м.

 

1.4.2 расчёт необходимой толщины укреплений.

 

Затем проверяется допустимость использования выбранного покрытия в качестве защиты от размыва расчётом минимально допускаемой толщины плиты.

Необходимая толщина плит δ определяется, исходя из требования обеспечения плиты от всплытия (из-за противодавления), сдвига и опрокидывания расчетной волной.

,

где К_б - коэффициент запаса зависящий от категории дороги(для категории дороги 3 принимаем К_б = 1,15);

η_пл - коэффициент, учитывающий тип покрытия (для сборных железобетонных плит η_пл = 1,1);

h_{i %} - высота волны, 1,87м;

λ_d - длина волны, 8,67 м;

B - размер плиты, нормальный урезу, м(для плит размером 300×250 см принимаем

В = 2,5 м);

γ_пл - удельный вес плиты, γ_пл = 24 кН/м;

γ_в - удельный вес воды, γ_в = 10 кН/м³;

m - показатель заложения откоса (m = 2).

 

После подстановки всех данных в формулу имеем:

Эта величина является недостаточной. Поэтому принимаем δ = 0,2 м, исходя из условия минимально допустимой толщины конструкции.

Окончательно имеем железобетонную плиту размером 300×250×20 см.

При укладке плит необходимо производить их объединение в ковер.

Определяется количество плит n _пл , шт., укладываемых по образующей укрепляемого откоса длиной L = 6 м

где L- длина укрепляемого откоса

 

 

 

1.4.3 проектирование обратного фильтра.

 

Для предотвращения механической суффозии (выноса) частиц грунта насыпи при эксфильтрации воды и вымывания частиц фильтра из под железобетонного покрытия проектируют однослойный обратный фильтр. В качестве материала фильтра используются щебенисто-гравийно-песчанные грунты, а также геотекстильные материалы, укладываемые в слое гравийно-песчаного грунта.

По технологическим соображениям целесообразно устраивать однослойные фильтры.

При проектировании обратных фильтров устанавливается пригодность материала по зерновому составу, исходя из коэффициента его неоднородности h, а также соотношений размеров частиц материала фильтра с размерами швов и сквозных отверстий в конструкциях плитных покрытий.

Проектирование фильтра заключается в подборе такого гранулометрического состава материала, который отвечал бы приведенным выше требованиям и обеспечивал невымываемость самого материала фильтра из-под покрытия. На основе опыта проектирования и эксплуатации укреплений с обратными фильтрами установлены следующие требования к зерновому составу однослойных фильтров:

 

 

- ширина шва (при высоте волны до 2 м применяется шов плиты , при высоте волны более 2 м применяется шов плиты )

 

где - коэффициент неоднородности;

D_60,10 – размеры зёрен фильтра, меньше которых по массе в материале фильтра содержится 60 и 10% соответственно, м;

n – доля частиц в процентах от массы, которая допускается к вымыванию из верхнего слоя подготовки, исходя из допустимых размеров осадки покрытия (для сквозных покрытий из плит );

D₅₀ и d₅₀ – размеры зёрен фильтра и частиц грунта откоса соответственно, меньше которых по массе в материале фильтра и грунта содержится 50%;

- толщина фильтра, м.

Для определения D_10, D_60, D_n, D_50, d₅₀ используют кривые гранулометрического состава материала фильтра и грунта. Ели материал не удовлетворяет условиям, выполняют его обогащение или отсев мелких фракций, либо замену на другой материал.

Вместо зернистых материалов используется геотекстильные материалы. Основным требованием для них является соблюдение условия, чтобы коэффициент фильтрации превосходил более чем в 100 раз коэффициент фильтрации грунта защищаемого откоса земляного полотна. Для предохранения геотекстиля от разрушения он должен размещаться в защитном песчаном слое толщиной не менее 0,10м с коэффициентом фильтрации к_ф > 0,5м/сут.

Выполним проверки, которым должен удовлетворять зерновой состав обратного фильтра, определяя значения D₁₀, D₆₀, D_n, D₅₀, d₅₀ по графику (см. рис 8) гранулометрического состава материала фильтра и грунта:

 

Диаметр частиц, мм	40-25	25-10	10-2	2-0,5	0,-0,25	0,25-0,1	<0,1
Содержание, %

 

 

 

 

условие не соблюдается, т. к. грунт непроницаем.

 

Отсеим три самых мелких фракции, тогда гранулометрический состав обратного фильтра будет иметь вид:

 

Диаметр частиц, мм	40-25	25-10	10-2	2-0,5	0,-0,25	0,25-0,1	<0,1
Содержание, %	23,94	35,21	22,54	18,31	-	-	-

 

Примем долю частиц, которая допускается к вымыванию из верхнего слоя подготовки обратного фильтра. Тогда по графику гранулометрического состава определим D₂₅=4мм

Условие не выполняется. Под плиты укладываем геотекстиль.

 

 

 

 

 

Условие выполняется

 

2. ПРОЕКТ ВЫЕМКИ.

 

2.1. Проектирование нагорной канавы и ее укрепления

при заданных уклонах продольного профиля по оси канавы и расхода воды.

 

Нагорные канавы предназначены для перехвата поступающей из прилегающего водосборного бассейна поверхностной воды на подходе к выемке и последующего ее отвода к ближайшему водопропускному сооружению во избежание размыва откосов и балластной призмы.

 

При проектировании канав необходимо выполнять следующие условия:

- канава должна без переполнения пропускать весь расчетный расход воды. Чтобы канава не переполнялась, ее сечению придается запас по глубине не менее 0,20 метра;

- строительные расходы должны быть небольшими;

- эксплуатационные расходы (содержание и ремонт) должны быть минимальными;

 

Для выполнения этих условий необходимо, чтобы:

 

; (2.1.1)

, (2.1.2)

 

где: и - допускаемые скорости воды в канаве соответственно по

условиям размыва и заиливания.

 

Значение зависит от рода грунта (если канава без крепления) или от типа крепления канавы, а также от глубины воды в канаве. [ ] _раз= 0,9м/с - для дернового покрытия, [ ] _разм =2 м/с - для каменной наброски, [ ] _разм =5 м/с – для жел-бетонных креплений.

С этой точки зрения минимальные уклоны дна канав

должны быть i_min 0,003, а в затруднительных случаях i_min 0,002.

Проектирование канав ведется по участкам при соблюдении всех требова-ний. При их выполнении для каждого участка расчетом подбирается такое сече-ние канавы и такой уклон дна, при которых фактический (заданный) расход воды Q_ф отличался бы от расчетного Q_р не более, чем на 5%, т.е.

 

, (2.1.3)

 

Если отличие больше, чем на 5%, то увеличиваем высоту нагорной канавы или меняем тип укрепления откосов.

 

Расчетный расход определяется по формуле:

, (2.1.4)

где: - площадь живого сечения канавы;

- скорость воды.

 

Площадь живого сечения определяется по формуле:

, (2.1.5)

где: b - ширина канавы по дну;

m - показатель крутизны откоса;

h - глубина живого сечения.

 

Смоченный периметр определяется по формуле:

. (2.1.6)

 

Гидравлический радиус определяется по формуле:

. (2.1.7)

 

Коэффициент Шези определяется по формуле:

 

. (2.1.8)

Показатель степени y в зависимости от значения гидравлического радиуса R определяется по формуле:

- при R 1 м, (2.1.9)

где n - коэффициент шероховатости дна и откосов канавы.

 

Численные значения равны:

 

Средняя скорость потока при равномерном движении определяется как:

, (2.1.11)

где: i_дн – уклон дна канавы.

, (2.1.12)

где: - уклон местности;

Н₁ и Н₂ – полная глубина канавы, соответственно сечения 1 и 2;

L – протяженность i-го участка.

 

Выбор укрепления откосов на участке 1 и определение размеров поперечного сечения канавы в сечении 1.

 

1-е приближение:

Принятое крепление откосов – одерновка (1/n = 30).

Принимаем, что полная глубина канавы м, ширина канавы по дну м, тогда глубина воды в канаве согласно требованиям будет составлять 0,4 м.

Следовательно, уклон дна канавы равен уклону местности, i_дн = 5‰

 

Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5

м².

 

Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6

м.

 

Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7

м.

 

Так как R< 1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9

.

 

Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8

 

Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11

м/с.

Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 0,69 < 0.9 м/с.

 

Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4

м³/с.

 

Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3

,

65% > 5% - условие не выполняется.

Так как расчетный расход воды значительно меньше заданного, то целее-сообразнее будет изменение крепления откосов канавы, нежели размеров его поперечного сечения.

 

2-е приближение:

Принятое крепление откосов – одерновка (1/n =30).

Принимаем, что полная глубина канавы м, ширина канавы по дну м, тогда глубина воды в канаве согласно требованиям будет составлять h₁= 0,45 м.

Следовательно, уклон дна канавы равен уклону местности,

i₁ = 0,005+0,0006=0,0056

 

Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5

м².

Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6

м.

 

Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7

м.

 

Так как R< 1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9

.

 

Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8

 

Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11

м/с.

Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 0,79 < 0,9 м/с.

Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4

м³/с.

 

Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3

,

52% > 5% - условие не выполняется.

 

Так как расчетный расход воды не значительно меньше заданного, то це-лесообразнее будет изменение размеров поперечного сечения канавы, нежели крепления его откосов.

 

3-е приближение:

Принятое крепление откосов – каменная наброска (1/n = 45).

Принимаем, что полная глубина канавы м, ширина канавы по дну м, тогда глубина воды в канаве согласно требованиям будет составлять h₁= 0,5 м.

Определение уклона дна канавы по формуле 2.1.12

 

Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5

м².

Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6

м.

 

Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7

м.

Так как R< 1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9

.

Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8

 

Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11

м/с.

Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 1,41 < 2,0 м/с.

 

Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4

м³/с.

 

Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3

,

условие выполняется.

 

 

Выбор укрепления откосов на участке 2 и определение размеров поперечного сечения канавы в сечении 2.

1-е приближение:

Принятое крепление откосов – жел-бетонное (1/n =65).

Принимаем, что полная глубина канавы м, ширина канавы по дну м, тогда глубина воды в канаве согласно требованиям будет составлять h₁= 0,5 м.

Определение уклона дна канавы по формуле 2.1.12

 

Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5

м².

Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6

м.

 

Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7

м.

Так как R< 1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9

.

Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8

 

Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11

м/с.

Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 2,7 > 2,0 м/с.

Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4

м³/с.

 

Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3

,

4,95% < 5% - условие выполняется.

Выбор укрепления откосов на участке 3 и определение размеров поперечного сечения канавы в сечении 3.

1-е приближение:

Принятое крепление откосов – жел-бетонное (1/n =65).

Принимаем, что полная глубина канавы м, ширина канавы по дну м, тогда глубина воды в канаве согласно требованиям будет составлять h₃= 0,5 м.

Определение уклона дна канавы по формуле 2.1.12

 

Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5

м².

Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6

м.

 

Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7

м.

Так как R< 1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9

.

Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8

 

Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11

м/с.

Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 3,22>2,0 м/с.

Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4

м³/с.

 

Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3

,

38% > 5% - условие не выполняется.

 

2-е приближение:

Принятое крепление откосов – жел - бетонное (1/n = 65).

Принимаем, что полная глубина канавы м, ширина канавы по дну м, глубина воды в канаве согласно требованиям h₃= 0,55 м.

Определение уклона дна канавы по формуле 2.1.12

 

Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5

м².

 

Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6

м.

Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7

м.

 

Так как R< 1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9

.

 

Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8

 

Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11

м/с.

Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 3,48 >2,0 м/с.

Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4

м³/с.

 

Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3

,

22% > 5% - условие не выполняется.

 

Так как расчетный расход воды меньше заданного, то целесообразнее будет изменение размеров поперечного сечения канавы.

 

3-е приближение:

Принятое крепление откосов – жел-бетонное (1/n = 65).

Принимаем, что полная глубина канавы м, ширина канавы по

дну м, глубина воды в канаве согласно требованиям h₃= 0,6 м.

 

Определение уклона дна канавы по формуле 2.1.12

 

Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5

м².

 

Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6

м.

 

Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7

м.

 

Так как R< 1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9

.

 

Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8

 

Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11

м/с.

Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 3,74 >2,0 м/с.

Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4

м³/с.

 

Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-

 

перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3

,

4.3% < 5% - условие выполняется.

 

Так как проверка выполняется, то крепление откосов (жел-бетонное) и размеры поперечного сечения (Н = 0,8 м, в = 0,6 м, h = 0,6 м) подобраны, верно.

 

2.2. Проектирование противопучинных мероприятий

в выемке

 

С целью перехвата или понижения уровня подземных вод и их отвода в заранее установленные места применяют дренажи. Для земляного полотна наибольшую опасность представляют свободная гравитационная вода и, особенно, напорная вода, которые в зимнее время создают условия для морозного пучения грунта. При значительном количестве связанной воды так же существенно ослабляется сопротивление грунта сдвигу. Наиболее эффективными для повышения стабильности выемки являются подкюветные дренажи.

Рассматривается двухсторонний подкюветный дренаж для выведения уровня грунтовых вод из зоны промерзания. Его проектирование состоит из следующих этапов:

- определение глубины заложения дренажа;

- определение притока воды в дренажах;

- гидравлический расчет дренажа;

- гидравлический расчет дренажных труб (расчет пропускной способности труб);

- определение технической эффективности дренажа и срока его осушения.