1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЙМЕННОЙ НАСЫПИ

1.1 Проектирование основной площадки

Мощность и надежность пути зависят от объема перевозок. Основной показатель технико-экономического характера – грузоподъемность.  Согласно требованиям СТНЦ-Ц-01-95 по заданной грузонапряженности  Т=25 млн.ткм/км в год назначается II категория линии. Допускаемое минимальное значение радиуса круговой кривой для линии II категории в случае временного перехода применительно к особо трудным условиям принимается R=800 м. Физико-механические характеристики приведены в табл.1.1

Таблица 1.1. Физико-механические характеристики грунтов.

Сложение грунта	Тип грунта	, т/	, м	l0, доли	Кф, м/с	Wm, Wp	Wl, %	Jp, %	W, %	C, кПа	φ, град
Тело	Песок крупный	2,64	0,1	0,005	1·10-3	5	-	-	10	1	39
Основание	Супесь легкая крупная	2,68	0,4	0,03	1·10-6	12	14	2	13,5	2	24

Ширина основной площадки назначается из условия размещения на ней верхнего строения и обочин земляного полотна. На двухпутных участках кривых вычисляется по формуле (1.1)

B_II=b+Δb+M+Δm,                                                                                               (1.1)

где b-ширина площадки на прямых однопутных участках, Δb-уширение основной площадки на кривых участках; M-расстояние между осями смежных путей на прямом участке; Δm-габаритное уширение межпутного расстояния кривых. Параметры для расчета назначены по таблицам (1.1)-(1.3) /   /

B_II=6,6+0,4+4,1+0,19=11,29 м

Для отвода атмосферной воды от верха земляного полотна основная площадка проектируется в виде горизонтальной площадки, для земляного полотна из скальных, крупнообломочных и дренирующих песков.



Рис.1.1. Очертание верха основной площадки земляного полотна.

1.2 Проектирование откосного укрепления.

1.2.1 Выбор типа укрепления.

Откосы пойменных насыпей необходимо защищать не только от вредного воздействия природных факторов, но и от воздействия в период паводков. Выбор типа укреплений делают на основании технико-экономического расчета. Укрепление укладывается на слой обратного фильтра из щебня или геотекстиля с целью предотвращения вымывания и выноса частиц грунта из насыпи после схода паводка. Так как грунт относится к слабопучинистым и непучинистым то целесообразно укрепление откосов предусмотреть бетонными или железобетонными плитами (рисунок 1.2).

Незатопляемая часть откосов (берма) укрепляется крупнообломочной отсыпкой 10-15 см.  

1.2.2 Назначение крутизны откосов.

Первоначально крутизна откосов назначается по нормативам для насыпей типового профиля и затем уточняется расчетом общей устойчивости насыпи с учетом ее подтопления.  Крутизна откосов назначена: в верхней части до отметки бермы - 1:1.5,  а крутизна откосов подтопляемых берм – 1:2.

1.2.3 Размеры берм



Рисунок 1.2 Схема укрепления откоса бермы бетонными свободно лежащими плитами на геотекстиле.

Бермы пойменных насыпей предназначены для обеспечения их общей устойчивости и защиты откосов от размыва. Отметка бровки бермы определяется по формуле:

Г_б = ГВВ + h_н + h_п + Δz + a,                                                                                (1.2)                                                       

где ГВВ- горизонт высоких вод; h_н- высота наката подходящих волн;   h_п  и Δz – соответственно высота подпора воды у моста и высота ветрового нагона; а- величина запаса, принимаемая для средних и больших мостов 0,5 м.

Если применяется плитное покрытие то высота наката определяется:

h_н= ,                                                                                                             (1.3) 

где  и h – длина и высота волны соответственно, м.   

h_н= =2,15 м                                                      

Г_б=224+2,15+0,15+0,25+0,5=227,05 м                                                                          
Ширина бермы поверху первоначально принимается 5 м. Ее поверхности           

придается поперечный уклон 40 ‰ в сторону бровки бермы. Конструкция укрепления приведена на рисунке 1.2  с  указанием всех размеров и отметок.

1.3Требуемая плотность насыпи

1.3.1 Методика расчета плотности и напряжений грунта насыпи

Характеристикой плотности грунта является его плотность в сухом состоянии, т.е. масса частиц в единице объема грунта:

ρ_g=                                                                                                                  (1.4)

где  - плотность частиц грунта, т/м³; - расчетное значение коэффициента пористости, при котором обеспечивается его работа упругой стадии.                                                                                                  (1.5)

где   и  определяются из компрессионной кривой (рисунок 1.3),   и  - коэффициенты пористости грунта, определяемые, соответственно, по ветвям нагрузки и разгрузки при напряжении , e_он и e_ор  - коэффициенты пористости грунта при напряжении , σ_вс, σ_р и σ_γ  - напряжения от веса верхнего строения пути, подвижного состава и собственного веса  грунта; К – коэффициент, учитывающий многократность, продолжительность и способ приложения нагрузки, равный 1,1 – 1,6 в зависимости от положения расчетного слоя грунта.

Расчет требуемой плотности грунта сводится к определению напряжений в наиболее загруженном сечении насыпи, которым является ось земляного полотна. Величины  и  вычисляются в соответствии с линейной теорией упругости.

Напряжение от собственного веса грунта определяется по формуле:

                                                                                                      (1.6)

где  - средний удельный вес грунта i – го слоя насыпи, кН/м_,                              - толщина i – го слоя насыпи, м

,                                                                                                       (1.7)        

где  γ_i-1 и γ_i  –удельный вес грунта соответственно в (i-1)-й и i-й точках, кН/м³. Удельный вес грунта определяется по формуле:

                                                                                                    _(1.8)                          где W – влажность грунта, доли единиц, g – ускорение свободного падения.

1.3.2 Расчетная схема и действующие нагрузки

На расчетной схеме (рисунок 1.4) расположена основная часть насыпи. На основной площадке показаны действующие давления в виде полосовых прямоугольных нагрузок от подвижного состава и верхнего строения пути.

Высота насыпи определяется как разность отметок проектной бровки  Г_пр и земли Г_з. При дренирующих грунтах проектная бровка превышает профильную на двухпутном участке пути на 0,4 м.

Н=Г_пр-Г_з                                                                                                        (1.9)

Для двухпутного участка пути Г_пр  определяется по формуле                               Г_пр=Г_бр+0,4=235+0,4=235,4 м                                                                                            Н=235,4-220,5=14,9 м

Поперечный уклон основания, не учитывается, т.к. грунты при возведении насыпи уплотняются горизонтальными слоями.

На основной площадке показывается действующее давление в виде полосовых прямоугольных напряжений от подвижного состава и верхнего строения пути.

Интенсивность вибродинамической нагрузки от  подвижного состава определяется по формуле:

P₀=                                                                                                              (1.10)                      где P-осевая нагрузка, n-число осей в тележке, -длина жесткой базы тележки.

Рисунок 1.4 Расчетная схема к определению требуемой плотности грунта насыпи.

Значения P, n и l_жб принимаются из приложения В /  / для пассажирского вагона.

Таблица 1.2 Характеристики подвижного состава.

Тип  вагона	Нагрузка на ось        Р ,кН	Количество осей в тележке, n	Длина жесткой базы, l жб ,м
Локомотив ВЛ8	230	2	3,2

   

Длина железобетонных шпал составляет b_o=2,7 м                                              =69,21 кПа.                                                                                                              

В расчет принимается как перспективная нагрузка.

Давление P_вс от веса верхнего строения пути и ширину b_вс этой полосовой нагрузки можно назначать по таблице 1.5/   /, с учётом типа рельсов и рода шпал которые следует принимать для линий  II категории – Р65,шпалы железобетонные.

Параметры полосовой нагрузки от веса строения верхнего пути для рельсов Р65 для двухпутного участка принимаем: среднюю ширину полосы нагрузки b_вс=9,1 м, и среднее давление на основную площадку при железобетонных шпалах P_вс=17 кПа.

1.3.3 Расчет необходимой плотности грунта насыпи.

Расчет необходимой плотности грунта ведется по формулам (1.4)-(1.8).

Для точки 0 (на основной площадке):

                      ;    

Для значений  и  по компрессионной кривой  (рис. 1.4) принимаем:

 0,584;    ;   ;                                      ;   ;   ;

К₀=1,6;  

=0,584-1,6(0,089-0,061)=0,539 т/м³;           =т/м³;

 кН/м³;

Для точки n (в уровне подошвы насыпи):

 ;        кН/м³;

 

 

 

 кПа

 кПа

Из графика компрессионной кривой (рис. 1.3) принимаем:

 т/м³

 т/м³

При К=1,1:

 т/м³  /м³


=1,80*(1+0,10)*9,81=19,42 кН/м³

Сравниваем  кН/м³

 кН/м³;

Проверка не прошла, поэтому в расчет принимаем значения =19,42 кН/м³

Найдем средние значения e,ρ,γ:

 =  т/м³ 

 т/м³ 

 кН/м³

1.4 Проектирование поперечного профиля насыпи с обеспечением устойчивости откосов насыпи

1.4.1 Цель и методика расчета

Цель расчета – оценить сопротивление сдвигу низового откоса насыпи и по величине этого сопротивления назначить оптимальную крутизну откосов и размеры берм.

Расчет ведется графоаналитическим методом в предположении кругло-цилиндрической поверхности возможного смещения с использованием формулы К. Терцаги и (1.11) с учётом подтопления насыпи.

                                                                 (1.11)

 К- коэффициент устойчивости при статическом состоянии грунта в теле насыпи. n - суммарное количество отсеков блока смещения;

m - количество отсеков блока смещения, в которых действуют удерживающие касательные составляющие силы веса;

C_i и f_i - соответственно удельное сцепление (кПа) и коэффициент внутреннего трения грунта в основании i-го отсека длиной l_i;

N_i и T_i - нормальная и касательная к основанию i-го отсека составляющие силы его веса, кН;

- гидродинамическая сила, возникающая при вытекании воды из насыпи;

Сопротивление грунта сдвигу оценивается коэффициентом устойчивости насыпи при динамическом состоянии грунта K_дин, который должен быть не менее допускаемого значения |К|: 

                                                                                             _(1.12)   

где a_д - коэффициент динамики, назначаемый в зависимости от высоты насыпи и вида грунта, при Н=14,9 м, Р₀=80 кПа, по таблице 1.6/   /  a_д=1,08;

η_n  - коэффициент ответственности сооружения, для линий II категории, принимаемый равным 1,20;

η_{f -} коэффициент сочетания нагрузок, для обычного сочетания равный 1,0;

η_{c -} коэффициент условий работы, при использовании упрощенных методов                           расчета равный 0,95

 

1.4.2 Расчетная схема и исходные характеристики

На расчетной схеме (рисунок 1.5), изображенной в масштабе 1:100 показан поперечный контур низовой части насыпи. Для этого наносим поверхность основания с заданным уклоном местности 1:16, от нее вверх по оси откладываем высоту насыпи и проводим горизонтальную линию , на которой показываем бровки основной площадки на расстоянии от оси, равном 0,5(B- для двухпутного пути.

На уровне отметки ГВВ =224 м и Г_б =226,9 м  проводим горизонтальные линии. От точки F в направлении откоса показываем депрессионную поверхность

с уклоном J₀ = 0,005 для грунта насыпи.

От бровки Е проводим откос нормативной крутизны 1:1,5 до пересечения с поверхностью бермы в уровне Г_б, поперечный уклон который на расчетной схеме не учитывается. От точки пересечения С откладываем ширину бермы равной 5м и от ее бровки B проводим откос крутизной 1:2 до пересечения в точке А с поверхностью основания.

На основной площадке по оси каждого пути строим фиктивный столбик грунта, эквивалентный поездной нагрузке Р₀= 80 кН и весу верхнего строения пути P_вс = 17кН, шириной b₀ = 2,7м и высотой z_ф, определяемой по формуле (1.13):

                                                                                 (1.13)

где b_вс-1 –ширина полосовой нагрузки от веса верхнего строения пути.

               

Полученный блок смещения ABCDEL₃G необходимо разбить на отсеки, границы которых должны проходить через точки перелома поперечного контура насыпи и границу фиктивного столбика, точки пересечения кривой смещения с депрессионной поверхностью и поверхностью основания, а так же по вертикальному радиусу. В случае если ширина какого-либо отсека окажется более 5м, он разбивается на два отсека.

Обозначим в блоке смещения:

           I слой – грунт, который не подвержен водонасыщению (выше кривой депрессии);

           II слой – грунт, который подвержен водонасыщению (ниже кривой депрессии);

           III слой – грунт основания насыпи.

В верхнем, I слое характеристики грунта принимаются по результатам расчета требуемой плотности.

                                                                                                                    (1.14)

                                                                                                                    (1.15)

                                                                                      (1.16)

                                                                                                                    (1.17)

где φ_пр- угол внутреннего трения грунта насыпи, равный 39˚;

с_пр- удельное сцепление грунта природного сложения, равное 1 кПа;


1,15 – коэффициент, учитывающий повышение прочностных характеристик при отсыпке и уплотнении грунта.

=18,96 кН/м3;                                          = т/м³;

·1=1,15 кПа,                                             1,15·tg39°=0,931;

В среднем, II слое характеристики грунта насыпи определяются с учетом взвешивающего действия воды и дополнительного увлажнения после подтопления:

                                                                                            (1.18)  

где ρ_s - плотность частиц грунта насыпи, равная 2.64 т/м³;

ρ_w - плотность воды, равная 1 т/м³;         

                                                                                                   (1.19)

                                                                                                        (1.20)

где 0,5 и 0,75 – коэффициенты учитывающие снижение прочности переувлажненного грунта.  

=10,7 кН/м³;

1,15=0,575 кПа;

·0,931=0,698;

В нижнем, III слое грунта основания расчетные характеристики определяются с учетом его насыщения водой:

                                                                                           (1.21)

                                                                                                                    (1.22)

где φ_пр-осн - угол внутреннего трения основания насыпи, равный 24˚

с_пр-осн - удельное сцепление грунта основания насыпи, равное 2 кПа

                                                                                                                    (1.23)

где ρ_s-осн - плотность частиц грунта основания насыпи, равная 2,68 т/м³;

 - коэффициент пористости грунта основания, принимаемый по ветке нагрузки компрессионной кривой при напряжении от веса бермы

h_б - высота бермы в сечении по ее бровке, равная 8 м:

18,96=151,2 кПа

0,646 т/м³

= кН/м³;

 ;

 

.3 Определение коэффициента общей устойчивости.

Коэффициент устойчивости определяется по формуле (1.11)  для участка насыпи длиной 1м с учетом удерживающих и сдвигающих сил для каждого i-го отсека. Нормальная и касательная составляющие силы веса отсека определяется по формулам:

                                                                                              (1.24)

                                                                                                     (1.25)

где Q_i - вес i-го отсека, кН.

,                                                    (1.26)

где F^I, F^II, F^III - площади частей отсека, находящиеся соответственно в I, II, III слоях блока смещения, м²;

 - угол наклона основания отсека к горизонту  определяется по формуле:

,                                                                                                   (1.27)

где X_i - расстояние от середины основания отсека до вертикального радиуса R, м. Величина гидродинамической силы D₀ ,кH, определяется по формуле:,                                                                                      (1.28)

где γ_w - удельный вес воды, равный 9,81 кН/м³;

J₀ - уклон депрессии;

Расчет устойчивости ведётся в форме таблицы 1.3.

1.4.4 Выводы

Допустимое (нормативное) значение коэффициента устойчивости  устанавливается по формуле (1.12) и равно 1,26. Расчетный коэффициент устойчивости насыпи при динамическом состоянии грунта определяется по формуле :

                                                                                                          (1.29)

 

 

1,36>1,26+0,02

По результатам расчета К_дин сравненным с допустимым значением [К] необходимо сделать вывод: так как , принятый поперечный профиль насыпи считается не оптимальным, ширина берм ширина берм уменьшается с целью снижения объема земляных  работ и исключения неоправданного запаса устойчивости.

Если , то принятый профиль следует скорректировать в зависимости от величины:

                                                                                  (1.30)                            
 =

При  ширина берм уменьшается до 4 м.
1.5 Заключение к проекту пойменной насыпи.
При отсыпке насыпи из дренирующих грунтов проектная отметка бровок превышает профильную на 0,4 м на двухпутном участке пути, Г_пр =235,4м. Высота насыпи измеряется в сечении по её оси, Н=14,9м.  Плотность грунта изменяется в пределах от =2,64 т/м³ на основной площадке, до =2,68 т/м³ в основании насыпи.

Основная площадка имеет горизонтальную поверхность. Ширина основной площадки В₀=11,29 м, уширение основной площадки в кривой Δb=0,4м делается в наружную сторону, то есть с внутренней стороны кривой расстояние от бровки до оси насыпи B_вн=5,44 м, а с наружной B_н=5,85м.

Крутизна откосов в верхней части 1:1.5, в нижней части насыпи 1:2. Для защиты пойменной насыпи их откосы в зоне подтопления укрепляются плитным покрытием по слою обратного фильтра, так как грунт непучинистый. Выше границы подтопления откосы укрепляются крупнообломочной обсыпкой толщиной 15-20 см.

Расстояние между подошвой верхового откоса насыпи и боковой водоотводной канавы составляет 3м с уклоном 0,04 в сторону канавы. Глубина канавы 0.6м, ширина 0.6м.

Допускаемое значение коэффициента устойчивости [K]=1,26, коэффициента устойчивости насыпи при динамическом состоянии грунта К_дин=1,36. Так как К_дин>[K]+0,02, принятый поперечный профиль насыпи считается не оптимальным, ширина берм ширина берм уменьшается до 4 м. Поперечный профиль запроектированной насыпи в масштабе 1:200 приведён на рисунке 1.6.

1.6 Проектирование  и расчет дренажа

1.6.1 Состав работы

При близком к основной площадке выемке залегании грунтовой воды предусматривают понижение ее уровня с целью обеспечить необходимую несущую способность основания и уменьшить опасность возникновения  пучинных деформаций.

В большинстве случаев для этого устраивают траншейный, гравитационный, закрытый, подкюветный, трубчатый дренаж.
1.6.2 Оценка эффективности дренажа

Эффективность дренажа оценивается по гидравлическим и техническим характеристикам. К гидравлическим относятся коэффициент водоотдачи  и величина снижения весовой влажности грунта ,которые определяются по формулам:

                                                                                                                            (1.31)

                                                                              (1.32)

                                                               (1.33)

где - объем пор, содержащих гравитационную, вытекающую в дренаж воду, доли;

- пористость осушаемого грунта, доли;

- доля капиллярно застрявшей воды;

- молекулярная влагоемкость, доли;

 и- плотность сухого грунта и воды, т/м³.

Значения  и  вычисляются по формулам:

;    ;                                                                                         (1.34)

где - коэффициент пористости, определяем по ветви нагрузки компрессионной кривой грунта основания выемки при  .

Физико-механические характеристики грунта основания выемки приведены в табл.1.4

Таблица 1.4. Физико-механические характеристики грунтов.

Тип грунта	, т/	, м	l0, доли	Кф, м/с	Wm, Wp	Wl, %	Jp, %	W, %	C, кПа	φ, град
Песок крупный	2,65	0,2	0,007	1·10-4	6	-	-	18	3	36

 

e=0,580;



 







При  дренаж  способен осушить не менее 20% объема пор и поэтому показателю считаться эффективным. Однако эффективность такого осушения для повышения несущей способности основания необходимо оценить техническим параметром, в качестве которого принимается допустимое давление на основную площадку:

                                  (1.35)

где и - прочностные характеристики грунта;

- интенсивность нагрузки от верхнего строения пути с учетом веса защитного слоя, кПа;

Расчет по формуле (1.35) ведется дважды: сначала для водонасыщенного состояния основания определяется  при влажности  , а затем для осушенного вычисляется  при влажности

          

Рисунок 1.7 Зависимость коэффициентов C и  от влажности.
Из графика (рисунок 1.7) получили значение кПа, ,

кПа, .

Используя полученные значения, проводим расчет

 - для осушенного состояния :

 кПа

 - при влажности :

 кПа

Дренаж по технической характеристике является эффективным, так как условие   выполняется, где - предельное давление от поездной нагрузки, равное 80 кПа

194,19 >80+17 = 97 кПа.

По отношению  можно судить о величине повышения несущей способности основания после устройства дренажа: раза.

1.6.3 Расчет глубины заложения дренажа

Односторонний дренаж способен обеспечить ожидаемый эффект осушения основания выемки при двух условиях: однопутная линия и незначительная молекулярная влагоемкость (). В остальных случаях проектируют двухсторонний дренаж. В соответствии с расчетной схемой (рисунок 1.8) глубина дренажа определяется по формуле:

                                                                         (1.36)

где - максимальная глубина сезонного промерзания подрельсового основания , равная 1,75 м; - величина возможного изменения уровня капиллярных вод и глубины промерзания, равная 0,2 м; - высота подъема капиллярной воды над поверхностью депрессии, равная 0,2 м; -стрела изгиба поверхности депрессии, м, определяемая по формуле  для двухстороннего дренажа:

                                                                                            (1.37)

где  ширина основной площадки выемки, м; - средний уклон поверхности депрессии; - расстояние от верха дренажной трубы до дна траншеи, равное 0,3-0,4м; - расстояние от верха балластной призмы до верха дренажной траншеи, м, , - суммарная толщина балласта, м,

- нормативная толщина однослойной балластной призмы, равная 0,4 м.

 

 

b
=0.55+0.6=1.15 м

м;

Для того чтобы определить совершенный или несовершенный дренаж, необходимо определить отметку дна дренажа:

 м;

Сравниваем Г_дна с Г_ву :

 

Отметка дна превышает отметку  водоупора более чем на 0,25 м, дренаж считается несовершенным, с дополнительным притоком воды со стороны дна.
1.6.4 Конструктивные элементы дренажа

При глубине дренажа  ширина траншеи – 0,8 м. В качестве дренажных труб предпочтительнее трубофильтры из керамзитобетона, вода в которые поступают поры в стенках. Внутренний диаметр трубофильтров – 15-20 см, длина – 0,5-1,0 м. Во избежание заливания труб их помещают внутри «рубашки»  из геотекстиля с заполнением пространства между геотекстилем трубофильтром крупным щебнем.




1 – расчетное сечение; 2 – граница промерзания; 3 – граница зоны капиллярного поднятия воды; 4 – поверхность депрессии; 5 – кровля водоупора.

Рисунок 1.8 Расчетная схема двухстороннего подкюветного дренажа

После отсыпки дренирующего заполнителя верх траншеи на высоту 0,4-0,5 м заполняется местным глинистым грунтом. Продольный уклон дна траншеи и труб – 5-7‰, за исключением концевого участка на выходе, где уклон увеличивается до 8-10‰.

Для периодического осмотра и очистки труб сооружаются смотровые колодцы, расстояния между которыми составляет 75м на прямых участках и 50м на кривых. Они выполняются из сборных железобетонных элементов, размеры которых и количества которых зависят от глубины заложения и типа дренажа. Конструкция смотрового колодца для подкюветного дренажа показана на рисунке 1.9, а.

Выпуск дренажа устраивают таким образом, чтобы обеспечить достаточную скорость вытекания воды и невозможность ее замерзания и наледобразования в концевой части дренажа. Конструкция выпуска показана на рисунке 1.9, б.

1.6.5 Выводы

Для понижения уровня грунтовых вод запроектирован гравитационный, траншейный, трубчатый, подкюветный, односторонний, несовершенный дренаж, с коэффициентом водоотдачи 0,697 высотой дренажа h_др=1,443.

Устройство дренажа повышает несущую способность основания выемки в 1,2 раза. Для обеспечения несущей способности основной площадки требуется дополнительные мероприятия.



1-подготовка из щебня;  2-плита днища;  3-дренажная труба;  4-кольцо-камера;  5-плита перекрытия;  6-кольцо стеновое;  7-кольцо опорное;  8-одерновка;  9- местный грунт; 

10-бетонные плиты;  11-подпорная стена; 12-концевые дрены;  13- щебень;  14-утеплитель

Рисунок 1.9  Смотровой колодец – а и выпуск дренажа – б.

 


2 Проектирование плана рельсовой колеи обходного пути.
2.1 Общая схема обходного пути.
Обходные пути в ряде случаев приходиться устраивать на «барьерных участках» строящихся железных дорог (мосты, тоннели, глубокие болота и другое). В зависимости от решаемых с их помощью задач они могут быть временными или постоянными. В зависимости от местных условий прямой l_пр участок обхода (полезная его часть) может быть параллельным или не параллельным основному направлению трассы. В моей курсовой работе проектируется параллельный обход в соответствии со схемой, представленной на рисунке 2.1. При параллельном обходе его левая и правая переходные части оказываются идентичными. Каждая из них состоит из двух обратных круговых кривых l_кк, радиуса R с переходными кривыми l_о и прямой вставки U между этими кривыми.

На рисунке 2.1 видно, что обход включает в себя как прямые, так и кривые участки пути с характерными для каждого из них параметрами рельсовой колеи и верхнего строения пути.


1 - основное (прямое) направление трассы ; 2 - обходной путь.

Рисунок 2.1 Схема обходного пути


Тип обхода временный, длина его полезной (прямой) части L_пр = 40 м., расстояние между основным и обходным путем  E = 115 м. Одним из пунктов задания является определение категории железной дороги. Категория определяется по заданной грузонапряженности, которая  равна 25 млн. т. км/км, и согласно приложению Г /  / участок пути относится к II категории.
2.2 Рельсовая колея на прямых участках.

Рельсовая колея, состоящая из двух нитей, характеризуется шириной

S= 1520 мм, положением рельсовых нитей по уровню и подуклонкой рельсов, обусловленной коничностью 1:20колес подвижного состава. Шириной колеи называется расстояние между внутренними гранями головок рельсов, измеренными ниже поверхности катания на 10мм. Ширина S колеи тесна связана с размерными параметрами колесной пары (рисунок 2.2).

На прямых участках всегда имеется свободный зазор   между внутренними гранями головок рельсов и гребнями колес подвижного состава, благодаря чему обеспечивается свободный проход подвижного состава при минимуме сил взаимодействия колес и рельсов.

Шириной колесной пары (q) называют расстояние между рабочими гранями гребней (реборд) колес в расчетной плоскости. Последняя расположена на 10 мм ниже средних кругов катания (для неизношенных колес и рельсов).

      
1 - уровень катания;  2 – расчётная плоскость;  3 – гребни колес

Рисунок 2.2 Колёсная пара на рельсах

Из данных рисунка 2.2 видно, что:

,                                                                                   (2.1)

где m
- утолщение гребня выше расчетной плоскости. У локомотивных колес оно отсутствует  m = 0; Т – глухая насадка, равна 14403 мм, при скоростях менее 120 км/ч; h - толщина гребня, равная 33 мм; d - суммарный зазор, равный 14 мм.

мм

Допусками ширины колеи является +8 мм по уширению и –4 мм на сужение. На участках где скорости движения равны 50 км/ч и менее допуски равны +10 и –4 мм. Отводы отклонений в ширине колеи в пределах допусков во избежание недопустимых боковых ускорений должны не превышать 1мм на 1м пути при скоростях до 140 км/ч и на 1.5 м пути при скоростях более 140 км/ч. Предельное отклонение ширины колеи по уширению и сужению определяются из условия безопасности движения.

На прямых участках пути обе рельсовые нити должны находиться в одном уровне. Допускается отклонение не больше 6 мм. Отводы отклонений по уровню должны быть плавными и не превышать 1мм на 1м пути при скоростях движения поездов до 140 км/ч и 1мм на 1,5м пути при скоростях более 140 км/ч. Стыки рельсовых нитей должны располагаться по наугольнику.

2.3 Рельсовая колея на кривых участках.

2.3.1 Особенности устройства рельсовых линий.

1) Возвышение наружной рельсовой нити над внутренней.

2) Устройство переходных кривых между прямыми и кривыми, а также кривыми разных радиусов.

3) Уширение колеи в кривых малых радиусов (R менее 350 м).

4) Укладка укороченных рельсов по внутренней нити кривой.

5) Уширение междупутного расстояния (при двух и более путях).

6) Усиление пути кривой в целом (количество шпал, увеличение объема балласта, укладка специальных термоупрочнённых рельсов, усиление промежуточных скреплений).
2.3.2 Радиус кривой и возвышение наружной рельсовой нити.
При проектировании железных дорог радиус кривых принимают по приложению Е /  /. По заданию радиус кривой R= 800 м.

Величина возвышения наружной рельсовой нити над внутренней определяется из следующих двух условий:

- обеспечения одинакового срока службы рельсов обеих нитей по их механическому износу (технико-экономическое требование);

- недопущение чрезмерных силовых воздействий на пассажиров (требование комфортабельной езды).

Из условия равномерного износа рельсов обоих нитей возвышение h определяется по формуле;

                                                                                          (2.2)

где 12,5 - переводной коэффициент;K – коэффициент увеличения возвышения, учитывающий смещение центра тяжести экипажа в наружную сторону относительно оси кривой (K = 1, при скоростях менее 140 км/ч); v
_ср
- среднеквадратическая скорость, взвешенная по тоннажу, км/ч; R - радиус кривой, м.

Значение v
_ср определяется по формуле:

                                                                                                     (2.3)

где n_i - число поездов определённого рода (грузовых, пассажирских, скорых), проходящих в сутки, шт.; m_i - масса каждого поезда, т; v
_i - скорость движения поездов в кривой, км/ч.

Задано: число грузовых поездов - 12, пассажирских - 2, скорых - 0, масса грузового - 3000 т, пассажирского - 850 т, скорость грузового - 60 км/ч, пассажирского - 70 км/ч.

v
_ср =

h=

Из условия комфортабельности езды пассажиров величина непогашенного за счет наклона внутрь кривой подвижного состава поперечного ускорения не должна превышать для пассажирских поездов 0,7 м/с². Исходя из этого, величина возвышения h определяется по формуле:

                                                                                                     (2.4)

где v
_max,п – максимальная скорость движения пассажирского поезда в данной кривой, км/ч.

h=

Для грузовых норматив непогашенного ускорения равна 0,3 м/с²

                                                                                            (2.5)

где v
_max,г – максимальная скорость движения грузового поезда в данной кривой, км/ч.

h=

Из трех полученных значений возвышений выбираем большее, равное 57мм. Согласно ПТЭ /5/ на отечественных железных дорогах [h_max]=150 мм.

По расчету h<[h_max], следовательно, скорость движения поездов по кривой допустимая.
2.3.3 Расчёт переходной кривой и определение основных элементов  для её разбивки.

Прямые и круговые кривые во избежание центробежной силы должны сопрягаться плавно с помощью переходных кривых. Основное назначение переходных кривых заключается в обеспечении плавного изменения центробежных сил, а также уменьшение удара при входе экипажей в круговую кривую и выходе из неё, что уменьшает опасность быстрого износа рельсовой колеи на круговых кривых . На их протяжении осуществляют плавные отводы возвышение наружной рельсовой нити и уширения  колеи в круговой кривой. (рисунок 2.3).

В качестве переходных кривых используются радиальные спирали и кубические параболы. У этих переходных кривизна К_х изменяется плавно,  увеличиваясь пропорционально их длине .

                                                                                                     (2.6)

где  - коэффициент пропорциональности, называемый параметром переходной кривой; - радиус кривизны, м;  - длина переходной кривой, м.



а -  изменение возвышения наружной рельсовой нити над внутренней;

б - план участка пути с переходной кривой (по оси пути)

в - изменение центробежной силы I


Рисунок 2.3 Схема переходной кривой

Так же плавно изменяется центробежное ускорение, а следовательно, и центробежные силы, благодаря чему снижается их отрицательное воздействие на пассажиров, пути и подвижной состав.

Учитывая, что для конца переходной кривой  и , параметр переходной кривой определяется по следующей формуле:

 ,                                                                                                             (2.7)

где  - длина переходной кривой, определяется по формуле:

                                                                                                                 (2.8)

где  - при трудных условиях, при скорости движения до 100км/ч



Длина переходной кривой должна быть не менее 20 м, и кратной 10 м. Поэтому принимаем ее равной 30 м.

С = 80030 = 24000 .

Отвод возвышения наружной нити устраивают обычно прямолинейно. Значение уклона отвода возвышения () определяется из условия обеспечения безопасности
 движения поездов и плавного нарастания центробежных ускорений.

Для того чтобы закрепить ось пути в пределах переходной кривой на местности необходимо определить координаты нескольких точек переходной кривой.

Для этого в начале намечают положение круговой кривой, исходя из  требуемого угла поворота линии,а затем сдвигают её внутрь, как это показано на рисунке 2.4



Рисунок 2.4 Схема разбивки переходных кривых методом сдвижки круговой кривой внутрь.

Кубическую параболу применяем, если выполняется условие:

                                                                                                      (2.9)

По заданию получаем: 1,602*24000^5/9=434,62 м.

 R=1500 > 434,62 м

Так, как условие (2.9) выполняется, для разбивки переходной кривой применяем кубическую параболу. Координаты переходной кривой определяются по формуле:                                                                             

,                                                                                                               (2.10)

Результаты расчётов отображают в табличной форме, задаваясь величинами абсцисс Xс шагом 10 м.

Таблица 2.1 Координаты переходной кривой по кубической пораболе.

xi , м	10	20	30
	7	56	187

где - конечная абсцисса, Y - конечная ордината переходной кривой.

Разбивку переходных кривых на местности обычно производят со сдвижкой ранее намеченной круговой кривой внутрь (рисунок 2.4) на величину, определяемую по формуле:

,                                                                                                             (2.11)                                                                                                                    м

Подсчитываем угол поворота j_о на протяжении переходной кривой по формуле:

                                                                                                            (2.12)

рад.

Определяем минимально необходимый угол поворота линии b, методом последовательного приближения. Первоначально примем угол равным 15^о.

Расстояние  от тангенсального столбика (точка Т на рисунке 2.4) бывшей круговой кривой  до начала переходной кривой  подсчитаем по формуле:

,                                                                                               (2.13)

где ;

м.

При этом нужно соблюдать условие, что длина между обратными круговыми кривыми должна быть:

,                                                                                                          (2.14)

где это минимальная прямая вставка между круговыми кривыми, приложение Ж  /   /.

Между начальными точками переходных кривых, для II категории дороги м.

м.

Уточняем значение угла, b пользуясь формулой:

                                                                             (2.15)

Расчет ведется в форме таблице 2.2.

Таблица 2.2    Общая зависимость расстояния Е от угла

Параметр		Расчетная точка
		1	2	3	3,1
Длина переходной кривой l 0, м; (формула 2.8)		30
Минимальная длина прямой вставки Umin, м		50
Величина сдвижки круговой кривой ,м; (формула 2.11)		0,047
Расстояние m=0,5l0, м		15
Значение угла	градус	15	20	19	19о 15’
	радиан	0,349	0,331	0,336	0,349
Функция угла	sin	0,342	0,325	0,329	0,342
	cos	0,940	0,946	0,944	0,940
	tg(/2)	0,176	0,167	0,169	0,176
Расстояние m0, м		15,006	15,008	15,008	15,008
Длина вставки U 1, м, До устройства переходных Кривых		80,012	80,017	80,016	80,016
Расчетное значение Е, м		75,162	123,75	113,121	115,735

По заданию имеем Е=115 метров, поэтому, согласно расчета (таблицы 2.2), выбираем .

Далее по формулам пересчитываем расстояние m:

м.

Затем определяем полную длину новой кривой (с переходными кривыми) по формуле:

                                                                                                    (2.16)

м.

Суммированный тангенс новой кривой:

                                                                                                            (2.17)

 

Суммированная биссектриса:

                                                                                                                    (2.18)

 м

Домер:

                                                                                                                 (2.19)

м

Полученные параметры переходной кривой и элементы для её разбивки характерны для всех четырёх поворотов обходного пути. Разбивку переходных и круговых кривых на местности производят геодезическими способами.

2.3.4 Определение необходимой ширины колеи в кривых.

Ширина рельсовой колеи в кривых определяется из условий вписывания тележек подвижного состава, имеющих жесткую базу, в кривых соответствующего радиуса.

Жесткая база L­ - это расстояние между крайними осями тележки или экипажа, остающимися при движении параллельными между собой.

Впи­сыванием подвижного состава в кривые называется установившееся при движении в кривой положение колесных пар жесткой базы относительно рабочих граней рельсовых нитей, возникающих в результате взаимодействия между рельсовым путем и ходовыми частями экипажа. В зависимости от длины жесткой базы, радиуса кривой и ширины колеи вписывание может быть свободным, или принудительным и заклиненным.

При свободном ­ вписывании наблю­дается минимальное сило­вое взаимодействие ходовых ­частей подвижного состава и колеи, а с­ледовательно,  наименьшие износы рельсов и колес и затраты энергии на движение. По этой причине с­тремятся обеспечить свободное вписывание.

При зак­линенном вписывании колесные пары жесткой базы те­лежек не имеют никакой поперечной свободы, ввиду чего создаются не благоприятные условия взаимодействия подвижного состава и рельсовой колеи в кривой. В нормальных условиях эксплуатации оно не допускается.

Промежуточное положение жесткой базы тележки между заклиненным и свободным вписыванием характеризует принудительное вписывание, допускаемое в основном для локомотивов.

Для облегчения вписывания тележек экипажей в кривые их­ колесные пары имеют, как  правило, поперечные  разбеги  ­  относительно  жесткой  рамы (таблица 2.3).

Для данной курсовой работы задан тип локомотива ВЛ8. Из таблицы 2.3 берем данные для этого типа локомотива:

Таблица 2.3   Параметры ходовых частей подвижного состава



На отечественных железных дорогах установлены следующие нормы ширины рельсовой колеи на кривых участках пути S_к равное мм, при радиусе больше 350м, (таблица 2.6) /    / . Допускаются так же отклонения по
уширению и сужению, как и на прямых участках пути.

При определении оптимальной ширины колеи за исходную принимаем  схему свободного вписывания. На рисунке 2.5 представлена схема такого вписывания для трехосной тележки с учетом разбега h₁ первой колесной пары. Точкой О обозначен центр вращения тележки. При свободном вписывании он находится на задней оси и внутреннее колесо этой оси касается внутренней нити кривой.

Оптимальная ширина колеи S_опт, мм, с учетом допуска на сужение, равное 4мм, определяется по формуле :

                                                                                                              (2.20)

где q_max-максимальная ширина колесной пары равная 1509 мм (таблица2.1)/   /

f_н -стрела изгиба наружного рельса, мм, -  при хорде АВ , АВ = 2( l
+b ),

Величина стрелы f_н  определяется по формуле:

                                                                                                                       (2.21)



Рисунок 2.5 Схема свободного вписывания двухосной  тележки локомотива ВЛ80 в кривую.
где  l - расстояние от центра вращения тележки О до оси первой колесной  пары, равное в данном случае длине жесткой базы L
, мм; b - расстояние от оси первой колесной пары до точки касания гребня колеса с рельсом (мм), определяемое по формуле:

                                                                                                         (2.22)

где r - радиус колеса по среднему кругу катания, мм; t - угол наклона образующей гребня колеса к горизонту, равный для локомотивных колес 70°.



    

                

Полученное значение S_опт сравниваем с нормативным [S_к], 1516,53 < 1520 полученное значение оптимальной ширины колеи меньше нормативного, принимаем нормативную ширину колеи.

2.3.5 Определение числа укороченных рельсов на внутренней нити кривых.

В кривой внутренняя рельсовая нить оказывается короче наружной на величину e, определяемую по формуле:

e =                                                (2.23)

где  - центральный угол поворота кривой, рад; S₁ - расстояние между осями рельсов, принимаемое равным 1600мм;

Из таблицы 2.2, =17,25= 0,301 радиан.

Для обеспечения расположения рельсовых стыков в одном створе  по внутренней нити укладывают укороченные рельсы заводского изготовления.

Число укороченных рельсов на одном повороте определяется по формуле:

,                                            (2.24)

где  - типовое укорочение.

Если R500 м, то = 80 мм, так как R=1500м, то принимаем = 80мм.

Расчет :

 мм.

6 .

На весь обход потребуется  4N_y =24 штуки, укороченных рельсов при принятом значении К_i .
2.4 Расчет элементов обходного пути

При проектировании обходного пути требуется определить основные данные, необходимые для его разбивки на местности, для подсчета объём работ и затрат на его сооружение.

Перечень основных элементов обходного пути (рисунок 2.1):

l_пр - полезная длина обходного пути,

E -   расстояние между осями основного и обходного пути,

R -   радиус круговых кривых,

l_o -   длина переходной кривой,

m_o – расстояние от тангенсного столбика существующей круговой кривой до начала переходной,

U -    длина прямой вставки между концами переходных кривых,

U₁ -  длина вставки между круговыми кривыми до устройства переходных кривых,

 - угол наклона прямой вставки U к основному пути,

- проекция перехода на горизонталь,

- проекция перехода на горизонталь с учетом переходных кривых,

- проекция полной длины обходного пути  на основной путь,

L_пол - полная длина обходного пути.

Проектируя элементы контура обхода на вертикальную и горизонтальную оси, получают следующие расчетные уравнения:

                                            (2.25)

                                                  (2.26)

= +2 m_o,                                                                         (2.27)     

L
= 2 + l_пр ,                                                          (2.28)
По заданию имеем Е=115 метров, поэтому, согласно расчета (таблицы 2.2), выбираем .

Далее по формулам пересчитываем расстояние m:

м.

Затем определяем полную длину новой кривой (с переходными кривыми) по формуле:

                                        (2.16)

м.

Суммированный тангенс новой кривой:

                              (2.17)

м.

Суммированная биссектриса:

                                      (2.18)

м

Домер:

                                        (2.19)

м