Во всех случаях для расчетов следует принимать минимально возможные прочностные характеристики грунтов, соответствующие условиям их весеннего оттаивания.
Величину Ркр необходимо определять для двух значений глубины, например, для h = 0 и h=1,0 м.
Напряжение в теле земляного полотна устанавливается суммированием напряжений от всех действующих нагрузок (рисунок В.5).
В приведенном примере нормальные напряжения от поезда определены расчетом по программе ЦНИИСа для 4- и 8-осных вагонов (при нагрузке на ось 30 тc и с учетом размещения осей в экипаже).
Влияние динамики отражено по рекомендации [35], при скорости движения поезда 120 км/ч.
Значения критического давления Ркр представлены на рисунке В.5 прямой А—В. Они приведены для суглинков мягкопластичной консистенции (0,5 < IL 0,75), характеризуемых следующими показателями СНиП 2.02.01-83:
е = 0,75, d = 1,56 т/м3, = 1,94 тс/м3 (19,4 кН/м3);
Сn =2 тс/м2 (20 кПа); Сp =1,33 тс/м2 (13,3 кПа);
n=18°;р=16.
По формуле В.6
при h = 0, Ркр = 0,67 кгс/см2 = 67,0 кПа
при h = 1 м, Ркр = 1,137 кгс/м2 = 113,65 кПа.
По точке пересечения суммарной кривой нормальных напряжений = f(h) и прямой Ркр=f'(h) определяется минимально допустимая (по условиям прочности подстилающих грунтов) толщина защитного слоя.
Примечание — В лаборатории конструкций земляного полотна ЦНИИСа разработан пакет программ для расчета в упруго-пластической постановке напряженно-деформированного состояния земляного полотна и его прочности.
В расчете принята модель динамического воздействия поездной нагрузки с учетом фактического расположения осей в экипаже, осевых нагрузок, характеристик верхнего строения пути и др.
Использование указанных программ в сочетании с пакетом программ расчета водно-теплового режима земляного полотна позволяет проектировать насыпи и выемки при широком наборе факторов воздействия на сооружения в период строительства и эксплуатации.
1 — кривая зависимости А от ; 2—7 — кривые зависимости параметра Б от при С, равном соответственно 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 тс/м2
Рисунок В.4 — Кривые зависимости параметров А и Б от прочностных характеристик грунта (ВСН 61-89)
Напряжения от: 1 — собственного веса грунта; 2 — верхнего строения пути; 3, 4 — поездной нагрузки для 4- и 8-осных вагонов при скоростях движения 120 км/ч (Poc = 30 тc/ось); 5, 6 — суммарные напряжения при 4- и 8-осных вагонах; 7 — прямая изменения несущей способности грунта Ркр
Рисунок В.5 — Распределение по глубине слоя критической нагрузки Ркр и нормальных напряжений в грунте h
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ УСТОЙЧИВОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА Общие положения
Оценку общей устойчивости земляного полотна (насыпей и откосов выемок) рекомендуется осуществлять по первому предельному состоянию — несущей способности (по условиям предельного равновесия).
Устойчивость откосов должна быть проверена по возможным поверхностям сдвига (круглоцилиндрическим или по другим, в том числе ломаным поверхностям) с нахождением наиболее Опасной призмы обрушения, характеризуемой минимальным отношением обобщенных предельных реактивных сил сопротивления к активным сдвигающим силам.
Критерием устойчивости земляных массивов является соблюдение (для наиболее опасной призмы обрушения) неравенства
, (Г.1)
где — коэффициент сочетания нагрузок, учитывающий уменьшение вероятности одновременного появления расчетных нагрузок;
Т — расчетное значение обобщенной активной сдвигающей силы;
c — коэффициент условий работы;
n — коэффициент надежности по назначению сооружения (коэффициент ответственности сооружения);
R — расчетное значение обобщенной силы предельного сопротивления сдвигу, определенное с учетом коэффициента надежности по грунту g.
Расчетные значения T и R определяются с учетом коэффициента надежности по нагрузке f. Учет коэффициента надежности по нагрузке осуществляется путем умножения на него всех действующих сил (в том числе веса призмы обрушения или ее отсеков).
Сейсмические нагрузки следует принимать с коэффициентом надежности по нагрузке f. равным единице (СНиП 2.06.05-84*, СНиП 2.02.01-83*, СНиП 2.01.07-85).
Значения коэффициента f. принимаются при расчете устойчивости откосов высотой более 3 м для выемок равным 1,1, а при расчете устойчивости насыпей— 1,15 (СНиП 2.01.07-85).
В тех случаях, когда снижение устойчивости может произойти за счет уменьшения действующих сил, следует принимать f. = 0,9.
Значения коэффициента надежности по грунтам g устанавливаются в соответствии с указаниями СНиП 2.02.01-83*, а также ГОСТ 20522.
Учет коэффициента надежности по грунтам осуществляется путем деления нормативных значений прочностных характеристик грунтов (удельного сцепления, угла внутреннего трения) на величину коэффициента надежности, устанавливаемую в зависимости от изменчивости этих характеристик, числа определений и значения доверительной вероятности, принимаемой d=0,95.
Численные значения коэффициентов n, fc, c приведены в таблицах Г.1—Г.З.
Таблица Г.1
|
Категория линий |
Скоростные и особогрузонапряженные |
I-II |
III |
IV |
|
Значение n |
1,25 |
1,20 |
1,15 |
1,10 |
Таблица Г.2
|
Сочетание нагрузок |
Основное |
Особое (сейсмика) |
Строительного периода |
|
Значение fc |
1,00 |
0,90 |
0,95 |
Таблица Г.3
|
Методы расчета |
Удовлетворяющие условиям равновесия |
Упрощенные |
|
Значение c |
1,00 |
0,95 |
При поиске наиболее опасной призмы обрушения за критерий устойчивости может быть принята зависимость для оценки коэффициента устойчивости Кs в следующем виде:
(Г.2)
Полученные расчетом значения коэффициента устойчивости при соответствующем сочетании нагрузок не должны превышать величины более чем на 10 % и его численное значение должно быть не менее чем 1,05*.
Для оценки воздействия землетрясений на объекты с расчетной сейсмичностью 7 и более баллов расчеты устойчивости откосов следует выполнять по формуле (Г.1) с учетом сейсмической силы, прикладываемой к призме обрушения (или ее отсекам), определяемой по формуле
Qc = Кc · G, (Г.3)
где Kc — коэффициент сейсмичности, равный 0,025, 0,05, 0,10 — соответственно для интенсивности расчетного сейсмического воздействия 7,8 и 9 баллов (СНиП II-7-81*);
G — вес призмы обрушения (или ее отсеков) с учетом коэффициента надежности по нагрузке.
_________
* При расчетах насыпей с высоким уровнем динамического воздействия (скорости более 120 км/ч, 8-осный подвижной состав), сооружаемых из мелких и пылеватых песков и супесей, величина Ks, должна быть не менее 1,25.
Угол наклона вектора сейсмичности силы к горизонту принимается наиневыгоднейшим для устойчивости — обычно параллельно поверхности смещения призмы (или ее отсеков).
Устойчивость откосов можно считать обеспеченной, если условия, определяемые формулой (Г.1), удовлетворяются, в противном случае принимается решение о перепроектировании очертаний земляного полотна, об армировании откосов, устройстве берм, контрбанкетов и т.д. либо о стратегии восстановления его при землетрясении.
При проектировании проверяется общая и местная устойчивость откосов земляного полотна [8, 43,18, 44].
Проверка местной устойчивости необходима при глинистых грунтах, характеризуемых влажностью на границе текучести WL < 0,4, а также при легковыветривающихся скальных грунтах в выемках с целью выявления возможности появления поверхностных сплывов на откосах и прогнозирования интенсивности осыпания продуктов выветривания с откосов в процессе эксплуатации.
Нагрузки и воздействия
Расчеты общей устойчивости земляного полотна, его основания и поддерживающих сооружений следует выполнять на основное сочетание действующих нагрузок и воздействия:
веса и давления грунтов;
веса сооружений и их частей, в том числе верхнего строения пути, подпорных стен и т.п.;
подвижной временной нагрузки;
гидростатического и гидродинамического воздействия воды на участках подтопления.
При этом необходимо учитывать сопротивляемость грунтов силовым воздействиям и возможное изменение прочностных свойств грунтов (угол внутреннего трения, удельное сцепление).
В сейсмических районах расчеты следует выполнять на особое сочетание постоянных и временных нагрузок, реакций и сейсмического воздействия.
Нагрузка на основную площадку от веса верхнего строения пути [18, 44] принимается равной:
17 кПа (1,7 тс/м2) для железных дорог линий высокоскоростных, особогрузонапряженных I—III категорий;
15 кПа (1,5 тс/м2) для линий IV категории.
С учетом средней ширины балластного слоя нагрузка от верхнего строения пути на один метр по длине земляного полотна составит соответственно Рвс = 83 кН (8,3 те) и 64 кН (6,4 те).
Временная нагрузка на основную площадку от подвижного состава принимается равной воздействию грузовых вагонов, с нагрузкой на ось 4-осного вагона 294 кН (30 те).
Значение временной нагрузки устанавливается исходя из напряжений на уровне основной площадки, определяемых для расчетной единицы подвижного состава по Правилам расчетов верхнего строения железнодорожного пути на прочность[18].
При оценке прочности грунтов непосредственно основной площадки следует принимать максимальное значение напряжения, соответствующее подрельсовому сечению. При оценке общей устойчивости откосов насыпей к указанному значению следует вводить коэффициент 0,85, учитывающий неравномерность распределения напряжений в продольном и поперечном направлениях. При этом нагрузка от поезда на один метр по длине насыпи Pn определяется по формуле
Рn = 0,85 Рp (lш + hб), (Г.4)
где lш — длина шпалы, м;
hб — величина, численно равная толщине балластного слоя под шпалой, м;
Рp — напряжение на уровне основной площадки в подрельсовом сечении, кПа (тс/м2).
При расчете устойчивости насыпи воздействие на земляное полотно временной нагрузки и веса верхнего строения пути учитывается посредством введения в расчет фиктивного слоя грунта высотой h, определяемой по формуле
(Г.5)
где — удельный вес грунта в верхней части насыпи кН/м3 (тс/м3).
Эпюру нагрузки рекомендуется принимать трапецеидальной формы шириной поверху, равной длине шпалы, понизу — (lш + hб).
Для ориентировочных расчетов устойчивости насыпей при вибродинамическом воздействии на грунты проходящих поездов повышенного веса и с высокими скоростями может использоваться методика МИИТа, тестируемая в МПС, или методика Ленгипротранса, разработанная на основании научных исследований ЛИИЖТа.
По методике МИИТа учет динамического состояния насыпи как системы (единого целого) в статической расчетной схеме производится интегрально с помощью единого показателя — интегрального параметра — I.
При определении высоты фиктивного слоя в расчет вместо Рn вводится приведенное значение нагрузки от поезда Рпр = Рn · I. Значение I принимается по прилагаемому графику [18, 44], рисунок Г.1.
По методике Ленгипротранса динамическое состояние насыпи учитывается в расчетах устойчивости посредством снижения прочностных характеристик грунта.
Вибродинамическое воздействие измеряется амплитудой среднечастотной составляющей колебаний. Амплитуда колебания грунтов является функцией многих переменных, значение ее существенно изменяется по глубине и при удалении от источника колебаний.
При проверке устойчивости насыпи для каждого отсека определяется амплитуда колебаний А и соответствующие ей значения угла внутреннего трения и удельного сцепления (дин, С дин). Дальнейшие расчеты выполняются по обычной методике.
Для уточненных расчетов устойчивости и прочности земляного полотна поездная нагрузка должна учитываться исходя из реальной расстановки осей в экипаже, статических и динамических нагрузок от колес на рельсы, типа верхнего строения и т.д.
Соответствующие пакеты прикладных программ разработаны в лаборатории конструкций земляного полотна АО ЦНИИС.
1 — супесь, IL < 0; К (коэффициент уплотнения) = 0,97 1,00; 2 — супесь, IL 0,25; Ky = 0,90 1,00; 3 — легкий суглинок, IL < 0; К = 0,90 0,95; 4 —легкий суглинок, IL 0,25; К = 0,90 + 1,00; 5 — тяжелый суглинок, IL 0,50; Кy = 0,90 + 1,00; 6 — пылеватый песок, Ку= 0,90 1,00
Примечание — Для насыпей из пылеватых песков при Нн = 2,0 4,0 м на торфяных основаниях I = 2,0.
Рисунок Г.1 — Величина I для насыпей на прочном основании
Расчет устойчивости откосов в нескальных грунтах
В расчетах необходимо проверять поперечники с наиболее неблагоприятными для устойчивости условиями (большая высота откоса, наличие подтопления, прослойки слабых грунтов и т.д.).
Расчетные схемы следует принимать с учетом возможных форм нарушения общей устойчивости. При расчетах проектируемых насыпей, при однородном строении существующих массивов или расположении в них слоев близком к горизонтальному рекомендуется расчет по круглоцилиндрической поверхности скольжения.
При этом в качестве основной рекомендуется методика проф. Г.М. Шахунянца (рисунок Г.2).
Возможно применение других методов, известных по литературным источникам или разработанных в проектных организациях и проверенных практикой. К числу таких методов относится, например, метод инж. Л.Л. Перковского по расчету насыпей на слабых основаниях (иольдиевых глинах, илах), широко апробированный Ленгипротрансом.
При наличии в рассматриваемом грунтовом массиве фиксированных поверхностей ослабления следует применять методику расчета по ломаным поверхностям скольжения [43, 44].
