ЦНИИС
МИНТРАНССТРОЯ

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО РАСЧЕТУ ОСНОВАНИЙ
ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ
ПО ДЕФОРМАЦИЯМ

 

 

 

 

Москва 1973

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Методические указания по расчету оснований водопропускных труб по деформациям разработаны в соответствии с основными требованиями СНиП II-А.10-62, СНиП II-Б.1-62*, СНиП II-Б.3-62, СНиП II-Д.7-62* и «Технических условий проектирования железнодорожных, автодорожных и городских мостов и труб» (СН 200-62).

Внедрение методических указаний в практику проектирования и строительства имеет целью: улучшение качества водопропускных труб (в особенности строящихся в сложных инженерно-геологических условиях), снижение стоимости их строительства (главным образом, за счет сокращения числа свайных фундаментов), расширение сферы применения бесфундаментных металлических гофрированных труб.

Методические указания составил канд. техн. наук Р.Е. Подвальный на основании результатов исследований, проведенных СибЦНИИСом в 1965 - 1972 г.г. кандидатами техн. наук И.З. Лобановым, Р.Е. Подвальным, А.С. Потаповым, В.П. Матвеевым с учетом опыта строительства и эксплуатации водопропускных труб на железных дорогах Сибири.

Директор СибЦНИИСа (Б. КОРЯКИН)

Руководитель отделения транспортных сооружений и конструкций (В. БОГАЕНКО)

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие Методические указания распространяются на проектирование оснований водопропускных труб на железных и автомобильных дорогах, за исключением районов распространения вечномерзлых или просадочных грунтов.

1.2. Расчет по настоящим Методическим указаниям производят для ограничения деформаций труб пределами, гарантирующими беспрепятственный пропуск воды по трубе, а также сохранность земляного полотна в ее зоне.

1.3. Деформации водопропускных труб характеризуются:

относительной осадкой - стрелой прогиба, отнесенной к полной длине трубы;

разностью осадок двух рядом расположенных секций;

возникновением обратного уклона лотка трубы;

величиной раскрытия межсекционных швов.

1.4. Расчет оснований труб проводят по условию

S ≤ s_доп,                                                                  (1)

где S - возможная деформация трубы;

s_доп - предельно допустимая деформация.

1.5. Во всех случаях, когда рассматривается основание под насыпью (пп. 3.1 - 3.9), размеры поперечника насыпи принимают по сечению в месте расположения трубы.

При размещении труб в логах с крутыми склонами допускается принимать размеры поперечника насыпи средними для сечений на участке, равном двум высотам насыпи (по высоте в каждую сторону от оси трубы).

2. НАГРУЗКИ. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ

2.1. Расчет по деформациям производят на нормативные нагрузки: постоянные - вес насыпи и элементов трубы, временные - от подвижного состава железных дорог или от подвижных вертикальных нагрузок автомобильных дорог.

2.2. В расчет вводятся нормативные характеристики, определяемые с учетом естественного напряженного состояния грунтов, а также возможного его изменения в процессе строительства и эксплуатации дорог.

2.3. Для грунтов оснований определяются следующие основные характеристики:

угол внутреннего трения φ, град.;

удельное сцепление c, кг/см²;

модуль деформации Е, кг/см²;

объемный вес γ_о, т/м³;

начальный коэффициент пористости ε₀;

влажность на границе раскатывания W_p, %;

влажность на границе текучестиW_т, %;

естественная влажностьW, %.

2.4. Для предварительных расчетов допускается принимать значения удельного сцепления, углов внутреннего трения и модулей деформации по табл. 13 СНиП II-Б.1-62. На стадии рабочего проектирования эти данные можно применять после корректировки по материалам инженерных изысканий района строительства.

Для грунтов насыпи допускается принимать объемный вес γ, равным 1,8 т/м³, и угол внутреннего трения - 30°.

2.5. Значения угла внутреннего трения и удельного сцепления глинистых грунтов верхнего слоя основания в пределах глубины промерзания принимают по данным лабораторных исследований с учетом его возможного обводнения, а также с учетом процесса промерзания - оттаивания (последнее - в случае отсыпки насыпи на промороженное основание).

2.6. Для предварительных расчетов допускается принимать объемный вес грунта основания равным 1,7 т/м³, а при учете взвешивающего действия грунтовой воды равным 1,0 т/м³.

3. РАСЧЕТЫ

Условия применения расчета оснований труб по деформациям

3.1. Условиями, при которых можно вести расчет труб по деформациям, являются:

Первое условие. Должны отсутствовать зоны пластического разрушения грунта в период строительства и эксплуатации трубы и насыпи:

а) в основании насыпи (глубокий сдвиг);

б) в зоне контакта насыпи и основания (плоский сдвиг), что обеспечивается при условии

                                                             (2)

где k₀ - коэффициент стабильности;

τ_пр - сопротивление грунта сдвигу;

τ - наибольшее касательное напряжение.

Второе условие. Должно быть выполнено требование о том, чтобы среднее давление от нормативных нагрузок под подошвой фундамента трубы σ не превышало нормативного сопротивления основания, т.е.

σ ≤ R^н.                                                                (3)

Примечание. Предполагается, что проектом предусмотрена устойчивость откосов насыпи при проверке по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения, а для насыпей на косогорах, кроме того, устойчивость по фиксированным поверхностям сдвига.

3.2. При расчете основания допускаются следующие упрощения:

а) распределение напряжений в толще основания можно принимать по теории однородного, изотропного, линейно-деформируемого полупространства; расчеты производят для условий плоской задачи;

б) деформации отдельных слоев неоднородного основания определяют по модулям деформации, установленным для каждого слоя, и давлениям, определяемым по п. 3.2, а.

3.3. При наличии в основании водонасыщенных глинистых грунтов, заиленных мелких или пылеватых песков коэффициент стабильности определяют без учета упрочнения грунта от веса насыпи (п. 3.1, а) по формуле

                                               (4)

где γ - объемный вес насыпи, т/м³;

H - высота насыпи, м;

 - естественное (бытовое) напряжение в рассматриваемой точке основания, т/м²;

n - число расчетных слоев грунта, расположенных выше данной точки;

γ_оi - объемный вес грунта i-ого слоя основания, т/м³;

h_i - мощность грунта i-oгo слоя основания, м;

 - отношение глубины расположения данной точки основания z к полуширине основной площадки насыпи b;

D₁ - расчетный коэффициент, характеризующий распределение наибольших касательных напряжений, определяемый по графикам (рис. 1) в зависимости от α₁ и отношений  (В - полуширина подошвы насыпи).

В случае, если коэффициент стабильности оказывается меньшим единицы, то принимают проектные решения, обеспечивающие k₀ ≥ 1 (замена грунта основания, уположение откосов насыпи, устройство берм и т.п.), либо трубу проектируют с учетом возможных подвижек окружающего грунта (применяют фундамент с наклонными сваями, объединяют плиту свайного ростверка и др.).

3.4. При предварительных расчетах:

1. Можно определить высоту Н и заложение m откосов насыпи, удовлетворяющих (при заданных φ и с) условию , при помощи графиков (рис. 2). При построении графиков объемный вес грунта насыпи принят равным 1,8 т/м³, объемный вес грунта основания - 1,0 т/м³ (c учетом взвешивающего действия грунтовой воды).

Рис. 2.

2. Не производится проверка по п. 3.3 для однопутных насыпей при высоте меньшей, чем указано в табл. 1.

Таблица 1

Табл. 1 составлена для насыпей, крутизна откосов которых меняется через каждые 6,0 м на 1:0,25; крутизна откоса на участке, примыкающем к основной площадке, равна 1:1,5; нормативные характеристики грунтов приняты по табл. 13 СНиП II-Б.1-62.

3.5. Для дренирующих водонасыщенных грунтов, а также для связных грунтов при степени влажности G ≤ 0,8 коэффициент стабильности определяют с учетом уплотнения грунта основания от веса насыпи (по методике Г.М. Шахунянца¹).

¹ Железнодорожный путь, М., 1969.

Если величины характеристик грунта основания c и φ превышают значения, найденные по табл. 13 СНиП II-Б.1-62, указанную проверку не проводят.

3.6. Расчет по схеме плоского сдвига (п. 3.1, б) следует производить, когда у поверхности основания залегает слабая прослойка переувлажненного глинистого грунта, подстилаемого прочными породами.

За расчетную поверхность скольжения принимают в этом случае плоскость контакта слабой прослойки и подстилающих пород. Соответственно в расчет вводится высота насыпи, увеличенная на толщину прослойки.

Значения угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта основания принимают согласно п. 2.5.

3.7. Расчет по схеме плоского сдвига состоит в проверке условия

n_qτ_xz ≤ τ_пр;                                                               (5)

где

τ_пр = σ_ztgφ + c,                                                           (6)

                                                   (7)

                                                         (8)

В формулах (5) - (8)

n_q - коэффициент, учитывающий влияние временной нагрузки; при Н < 8,0 м его определяют по графику n_q = f(H) (рис. 3); при Н ≥ 8,0 м принимают равным 1;

 - коэффициент формы поперечного сечения насыпи;

ξ = 0,333 - коэффициент бокового давления грунта насыпи;

х - координаты точек в расчетной плоскости, отсчитываемые от оси насыпи.

Если окажется, что k > 1, в расчет вводится k = 1, а В = 1,5 mН; координата х отсчитывается от условной оси, отстоящей от подошвы откоса на расстоянии 1,5 mH.

3.8. Для предварительной оценки устойчивости однопутных насыпей высотой более 8,0 м пользуются рис. 4. При заданных характеристиках грунта слабой прослойки основания φ', с' и принятой в проекте высоте насыпи Н заложение откоса m, полученное по графику (или более пологие откосы), соответствует положению, когда условие n_qτ_xz ≤ τ_пр выполняется автоматически.

Рис. 3.

1 - для нагрузки СК (k = 14 т/м), 2 - для НК - 80

Рис. 4

3.9. На косогорных участках, когда плоскость сдвига наклонена к горизонту под углом β, в формулы (5) и (6) вместо σ_z и τ_xz следует подставлять значения:

                                                     (9)

3.10. Среднее давление под подошвой фундамента трубы, определяемое для проверки по второму условию п. 3.1, рассчитывают по формуле

σ = CγH_з + p + q,                                                          (10)

где С - коэффициент, определяемый в соответствии с приложением 8 СН 200-62;

H_з - высота засыпки от верха трубы до подошвы шпал или до верха дорожного покрытия, м;

р - нормативное давление от собственного веса элементов трубы, включая фундамент, т/м²;

q - нормативное давление грунта на звенья трубы от временной подвижной нагрузки, т/м² (СН 200-62).

3.11. Нормативное сопротивление основания определяется по формуле

                                         (11)

где A, B', D - безразмерные коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения грунта основания, определяемые по табл. 7 СНиП II-Б.1-62 или по рис. 5;

b_ф - ширина подошвы фундамента трубы, м;

H₁ = h_ф + 0,5H - условная глубина заложения фундамента трубы, м;

h_ф - глубина заложения фундамента, м;

 - средневзвешенное значение объемного веса грунта рядом с трубой (на высоте H₁), т/м³.

3.12. При однородных грунтовых основаниях проверка нормального давления выполняется только для наиболее нагруженных средних секций трубы.

Для труб со свайными фундаментами указанная проверка не производится.

Расчет осадок водопропускных труб

3.13. Расчет производят для определения величин осадок и выяснения эксплуатационных условий работы сооружения, выбора рациональной конструкции фундамента трубы и элементов водоотвода и для определения величины строительного подъема.

Рис. 5.

3.14. Величина осадки под трубами принимается равной осадке основания насыпи за вычетом осадки поверхностного слоя, заменяемого фундаментом.

Расчетом определяется конечная (стабилизированная) осадка трубы, соответствующая полному уплотнению грунта основания.

3.15. Осадку труб определяют по формуле

                                         (12)

где S_i - деформация сжатия i-ого слоя основания, см;

Е_i - модуль деформации грунта i-ого слоя, кг/см²;

 и  - расчетные коэффициенты (рис. 6) для глубин расположения верхней (с индексом в) и нижней (с индексом н) границы i-ого слоя от подошвы насыпи, м;

x - расстояние от середины насыпи до точки, осадка которой определяется, м.

3.16 Суммирование ведется в пределах сжимаемой толщины. При этом толщину расчетных слоев одежды следует назначать в зависимости от характера и мощности грунтов основания.

3.17. Верхняя граница сжимаемой толщи находится на уровне подошвы фундамента трубы. Нижняя граница - на глубине (от подошвы насыпи), определяемой по формуле

H_α = (2,1 - 0,6γ)(2,5 + 1,2H).                                              (13)

При наличии слоя несжимаемого грунта (например, скального) величину Н_α ограничивают глубиной залегания этого грунта.

318. Расчетная осадка труб со свайными фундаментами определяется в случае, если острия свай располагаются выше нижней границы сжимаемой толщи. Верхняя граница сжимаемой толщи принимается при этом в уровне острия свай. Расчет производится по формуле (12).

Рис. 6

4. ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ

4.1. Предельно допустимую осадку труб под осью насыпи (п. 1.4) определяют, исходя из условия свободного пропуска воды по трубе в период эксплуатации, по формуле

S_доп = Δ_доп + 0,25iL,                                                        (14)

где Δ_доп = 0,5(S + iL) - предельно допустимый строительный подъем;

i - продольный уклон трубы;

L - полная длина трубы, см.

В случае, если не соблюдается первое условие (п. 3.1), то принимают проектные решения, обеспечивающие уменьшение осадки трубы, например, устройство свайных фундаментов, либо решения, предусматривающие увеличение уклона трубы.

4.2. Строительный подъем рассчитывается в соответствии с ожидаемыми осадками по формуле

Δ = S - 0,25iL.                                                           (15)

Во всех случаях должно соблюдаться условие

Δ ≤ Δ_доп.                                                                 (16)

Очертание лотка трубы со строительным подъемом может быть принято по круговой кривой.

4.3. Строительный подъем не устраивают у труб, в основании которых залегают практически несжимаемые грунты - щебенистые, галечниковые, плотные твердые глины и другие, а также у труб, расчетные осадки которых не превышают 0,25iL.

4.4. Ограничение допустимого раскрытия межсекционных швов с удлинением трубы (растяжка) обеспечивается при выполнении требований пп. 3.1 - 3.9.

4.5. В случае, когда глубина заложения фундамента оголовков превышает глубину заложения фундамента средней части трубы в 1,5 раза и более, лоток трубы у выходного оголовка должен устраиваться со ступенчатым понижением в месте перехода к более глубокому фундаменту.

Величину понижения (уступа) определяют в зависимости от высоты насыпи и разницы высот фундаментов оголовка h_ог и средней части трубы h_ф по формуле

Δ_ог = 0,3H(h_ог - h_ф) см,                                                       (17)

но не менее 5 см.

В формуле (17) значения H, h_ог, h_ф приняты в метрах.

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА

Пример 1. Проверка стабильности основания по схеме глубокого сдвига (п. 3.3).

Исходные данные: Н = 10,0 м; b = 3,25 м; B = 20,8 м; γ = 1,8 т/м³; основание - первый слой h = 3,0 м; суглинок текучепластичный водонасыщенный; γ_о = 1,0 т/м³; φ = 6° (tgφ = 0,105); c = 3 т/м²; второй слой: h = 12,0 м; песок мелкий заиленный водонасыщенный; γ_о = 1,0 т/м³; φ = 33° (tgφ = 0,649); c = 1,6 т/м² (рис. 7).

Рис. 7.

Решение. 1. Определяют величину отношения

2. Определяют

и результаты заносят в табл. 2

Таблица 2

3. Анализируя данные табл. 2, определяют .

Вывод. В основании нет пластического разрушения грунта; не следует ожидать возникновения растяжки трубы.

Пример 2. Проверка по схеме плоского сдвига на равнинном участке (п. 3.7).

Исходные данные: H = 8,0 м; толщина слабой прослойки 2,0 м; высота насыпи, вводимая в расчет, H₁ = 10,0 м; γ = 1,8 т/м³; В₁ = 19,2 м; k = 0,88; ξ = 0,333; основание (слабая прослойка) φ = 8°; (tg φ = 0,140); c = 1,4 т/м².

Решение. 1. Определяют τ_xz и σ_z по формулам:

Результаты вспомогательных вычислений и конечные результаты заносят в табл. 3.

Таблица 3

2. Строят эпюры τ_пр и τ_xz, как показано на рис. 8.

Рис. 8

Вывод. Сопротивление грунта основания по слабой прослойке достаточно для восприятия касательных напряжений. Не следует ожидать возникновения растяжки трубы.

Пример 3. Проверка по схеме плоского сдвига на косогорном участке (пп. 3.7 и 3.9).

Исходные данные те же, что и для примера 2, но слабая прослойка подстилается скальными породами, наклоненными к горизонту в направлении поперек насыпи под углом β = 8°30'; sinβ = 0,148; cosβ = 0,989; tgβ = 0,15.

Решение. 1. Определяют  и по формулам:

 

значения σ_x и τ_xz принимают по данным примера 2.

Результаты расчета заносят в табл. 4.

Таблица 4

Строят эпюры τ_пр и , как показано на рис. 9.

Вывод. Так как на некоторых участках τ_пр < , сопротивление сдвигу недостаточно. Возможна растяжка трубы.

Пример 4. Проверка по схеме плоского сдвига с учетом временной нагрузки.

Исходные данные: H = 3,5 м; толщина слабой прослойки 1,5 м; Н₁ = 15,0 м, В₁ = 12 м; γ = 1,8 г/м³; ξ = 0,333; основание - слабая прослойка, φ = 6°; (tgφ = 0,105); c = 0,5 т/м².

Расчет производят по формулам (5 - 8).

Рис. 9

Решение. 1. По графику рис. 3 находят n_q = 1,45.

2. Определяют:

Результаты расчетов заносят в табл. 5.

Таблица 5

3. Строят эпюры, как показано τ_пр, τ_xz и n_qτ_xz как показано на рис. 10.

Рис. 10

Вывод. Так как во всех точках τ_пр > τ_xz, а на одном из участков τ_пр < n_qτ_xz, растяжка трубы может возникнуть под действием суммарного силового воздействия (от собственного веса насыпи и от подвижной железнодорожной нагрузки). Непосредственно после отсыпки насыпи растяжка трубы не ожидается.

Пример 5. Проверка основания под подошвой фундамента (пп. 3.10 и 3.11).

Исходные данные: труба прямоугольная железобетонная (рис. 11) на фундаменте мелкого заложения; H = 4 м; высота засыпки Н_з = 2,0 м; γ = 1,8 т/м³, tgφ_н = 0,577; μ = 0,333; φ = 9°, c = 1,0 т/м²; вес элемента трубы p = 3,32 т/м².

Решение. 1. По СН 200-62

 c = 1 + Aµtgφ_н = 1 + 1 · 0,333 · 0,577 = 1,19.

2. По СН 200-62

3. Определяют нормативное давление от веса элементов трубы.

σ = 1,19 · 1,8 · 2,0 + 3,32 + 5,8 = 13,4 т/м².

Рис. 11

4. Рассчитывают нормативное сопротивление R^н, предварительно определив по рис. 5 А = 0,2; B' = 1,6; D = 4,2 и H₁ = 1,0 + 0,5 · 4,0 = 3,0 м; R^н = (0,2 · 2,2 + 1,6 · 3,0) 1,8 + 4,2 · 1,0 = 13,6 т/м².

Вывод. Условие σ < R^н выполнено. Зоны местного разрушения грунта под фундаментом не превзойдут допустимых.

Пример 6. Насчет осадок трубы с фундаментом мелкого заложения и определение величины строительного подъема (пп. 3.15, 4.1 и 4.2).

Исходные данные: круглая железобетонная труба отверстием 1,5 м; L = 35,0 м; i = 0,005; Н = 9,2 м; b = 3,25 м; В = 17,5 м; k = 0,89, γ = 1,8 т/м³; в основании - грунты (табл. 6).

Решение. 1. Определяют

n_qkγHB = 1,0 · 0,89 · 1,8 · 9,2 · 17,5 = 258 т/м.

2. Производят расчеты согласно табл. 6.

3. Определяют нижнюю границу сжимаемой толщи по формуле (13)

Н_α = (2,1 - 0,6 · 1,9) (2,5 + 1,2 · 9,2) = 13,1 м.

4. Определяют предельно допустимую осадку по формуле (14):

Δ_доп = 0,5(17,7 + 0,005 · 3500) = 17,6 см;

S_доп = 17,6 + 0,25 · 0,005 · 3500 = 22,0 см;

S = 17,7 < S_доп = 22,0.

Таблица 6

^x Подошва фундамента.

^xx Нижняя граница сжимаемой толщи.

5. Определяют строительный подъем по формуле (15):

Δ = 17,7 - 0,25 · 0,005 · 3500 = 13,3 см;

Δ = 13,3 < Δ_доп = 17,6.

Вывод. Труба может быть построена без свай. Расчетные осадки не превзойдут допустимых. Средняя ордината строительного подъема равна 13,3 см.

Пример 7. Расчет осадок трубы со свайным фундаментом (пп. 3.15 и 3.18).

Исходные данные: труба прямоугольная бетонная отверстием 2,0×2,0 м; L = 45,6 м; i = 0,010; фундамент свайный, длина свай 11,0 м (от лотка трубы до острия свай); H = 12,0 м, b = 3,25 м, В = 22,8, k = 0,86, γ = 1,8 т/м³; основание до отметки 10,0 м - суглинки текучие и текучепластичные водонасыщенные; γ =1,0 т/м³; с отметки 10,0 м и ниже - песок плотный; Е = 200 кг/см² (рис. 12).

Рис. 12.

Решение. 1. Определяют сжимаемую толщу

H_α = (2,1 - 0,6 · 1,0) (2,5 + 1,2 · 12,0) = 25,4 м,

z_в = 11,0 м;  β₁ = 0;

z_н = 25,4 м;  β₁ = 0;

2. Определяют

3. Определяют

0,25iL = 0,25·0,01·4560 = 11,4 см.

Вывод. Так как S < 0,25iL, труба может быть построена без строительного подъема.

 

СОДЕРЖАНИЕ