Дорожнє ґрунтознавство та механіка ґрунтів

Міністерство освіти та науки України

Харківський національний автомобільно-дорожній університет

Кафедра будівництва та експлуатації автомобільних доріг


КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни: ”Дорожнє ґрунтознавство та механіка ґрунтів”


Виконав: ст. гр. Д-25

Перов С. С

Перевірив:

доц. Фоменко О.О.


Харків 2007

Зміст


Вступ

1. Проектування ущільнення ґрунтів насипу земляного полотна

2. Розрахунок крутості укосів насипу та його стійкість

3. Розрахунок стійкості насипу графоаналітичним методом

4. Розрахунок осідання природної ґрунтової основи під високим насипом

Список літератури


Вступ


Мета виконання курсової роботи – поглиблене вивчення дисципліни “Дорожнє ґрунтознавство і механіка ґрунтів”, набуття практичних навичок самостійного рішення задач по обґрунтовуванню розрахункових характеристик ґрунтів та визначенню геометричних розмірів земляного полотна автомобільних доріг, розрахунку його стійкості.

Задачі курсової роботи:

Закріплення та поглиблення знань по визначенню розрахункових параметрів ґрунтів, які використовуються для зведення земляного полотна та ґрунтових природних основ;

Проектування ущільнення ґрунтів земляного полотна автомобільних доріг;

Розрахунок крутизни відкосів земляного полотна;

Розрахунок стійкості земляного полотна графоаналітичним методом;

Практичне використання методів розрахунку напруженого стану ґрунтових масивів для визначення просадок природних ґрунтових основ під насипом.


1. Проектування ущільнення ґрунтів насипу земляного полотна


1.1 Вихідні дані:

Район будівництва дороги:


Категорія дороги:

ІІІ технічна категорія

Тип дорожнього одягу:

Полегшений тип дорожнього одягу

Вид покриття:

Чорнощебеневе покриття

Висота насипу:

Нн=19,8м

Висота робочого шару:

hр=0,8м

Висота шару що не підтоплюється:

hн= 14,8м

Висота шару що підтоплюється:

hп=4,2м

Щільність частинок ґрунту тіла насипу:

s=2,73г/см3

Границя текучості ґрунту тіла насипу:

WT=33,3%

Число пластичності ґрунту тіла насипу:

Jp=12%

Щільність частинок ґрунту робочого шару з піску:

s=2,69г/см3

Границя текучості ґрунту робочого шару з піску:

WT=14,0%

Число пластичності ґрунту робочого шару з піску:

Jp=0%

1.2 Дорожньо-кліматична зона.

По заданому району будівництва встановлюємо дорожньо-кліматичну зону. Сумська область знаходиться в I дорожньо-кліматичній зоні.

1.3 Параметри насипу.

В відповідності з вимогами ДБН В.2.3-4-2000 приймаємо нормативні значення наступних параметрів земляного полотна:

Ширина земляного полотна по верху: В=12м

Насип необхідно розділити на:

Робочий шар: 0,8м

Непідтопляємий шар тіла насипу: 14,8м

Підтопляємий шар тіла насипу: 4,2м

Відповідно таблиці 4.9 ДБН необхідно назначити найбільшу крутизну відкосів для насипу висотою до 12м.

Крутизну відкосів для нижньої частини насипу назначають індивідуально, і її крутизна повинна бути менша, чим в верхній частині насипу.

1.4 Визначаємо відносну вологість ґрунту тіла насипу:

Wвідн=0,70% (1.1)

1.5 Визначаємо природну вологість ґрунту для відсипання тіла насипу:

де: – границя текучості ґрунтів тіла насипу

1.6 Визначаємо природну вологість ґрунту для відсипання робочого шару насипу:

де: – границя текучості ґрунту робочого шару

1.7 Розраховуємо щільність сухого ґрунту при його природній вологості для кожного і-го шару ґрунту за формулою:

(1.2)

де: – щільність частинок

– об’єм повітря, яке затиснене в порах; Vo= 0,1

1.8 Для кожного типу ґрунту насипу визначаємо оптимальну вологість:

(1.3)

де: – коефіцієнт, який приймається в залежності від типу ґрунту

1.9 Для кожного типу ґрунту визначаємо потрібний робочий інтервал вологості, при якому дозволяється виконувати ущільнення, та досягаємо такої щільності, яка забезпечує стійкість насипу:

(1.4)

1.10 Виходячи з стандартного ущільнення ґрунтів, для кожного типу ґрунтів визначаємо оптимальну щільність яка досягається при оптимальньній вологості:

(1.5)

1.11 Визначаємо потрібну щільність ґрунтів для кожного і-го шару:

(1.6)

де: – коефіцієнт ущільнення насипу, який приймається для кожного шару ґрунту по таблиці 4.8 ДБН В.2.3 - 4-2000, в залежності від дорожньо-кліматичної зони та типу покриття.

Кp.0-0.8 = 0,95

Кнп.0,8-1,5 = 0,96

Кнп.1,5-6 = 0,96

Кнп.6-12=0,95

Кнп.12-15,6=0,95

Кп15,6-19,8=0,98

1.12 Призначаємо товщину ущільнюючих шарів насипу в межах 0,3-0,4м.

ti =0,4м

1.13 Визначаємо орієнтовне число проходів дорожнього катка середньої ваги для пошарового ущільнення ґрунтів в шарах насипу:

(1.7)

1.14 Визначаємо кількість ущільнюючих шарів у всіх шарах насипу:

(1.8)

1.15 Природна вологість кар’єрного ґрунту не виходить за межі робочого інтервалу потрібної вологості, тому ґрунти потрібно висушувати.

пісок:

грунт тіла насипу:

Таблиця 1.1 – Параметри, які розраховувались в першому розділі.

Гли-бина розта-шу-вання шарів насипу z, м

Висота шарів насипу h, м

Тип грунта

Вологість границі текучості грунта WT,%

Природня вологість Wе,%

Опти-мальна воло-гість Wопт,%

Робочий інтервал потрібної вологості Wпотр,%

Щільність грунта при його природній вологості грунта d, г/см3

Опти-

мальна щільність грунта

опт, г/см3

Норма-

тивний

коефі-

цієнт

ущіль-

нення К

Потрібна

щільність

грунта

опт,

г/см3

Товщина ущіль-нюючого шару грунту t, м

Число

ущільню-

ючих

шарів

n=h/t

Кількість проходів дорожного катка на один шар Nе

0

0,8

пі-

сок

14,0

9,5

9, 3

8,3-

10,3

1,93

2,02

0,95

1,92

0,4

2

3

0,8

5,2

суглинок

33,3

22,6

18,0

15,7-

20,3

1,52

1,74

0,96

1,67

0,4

13

10

6

9,6

суглинок

33,3

22,6

18,0

15,7-

20,3

1,52

1,74

0,95

1,65

0,4

24

10

15,6

4,2

суглинок

33,3

22,6

18,0

15,7-

20,3

1,52

1,74

0,98

1,71

0,4

11

6

Висновок: Параметри, які розраховувались в першому розділі зведені в таблиці 1.1, при яких забезпечується висока якість ущільнення земляного полотна.


2. Розрахунок крутості укосів насипу та його стійкість


Розрахункова умова зсуву в будь-який i-й точці ґрунтового стовпа насипу з урахуванням потрібної вологості ґрунту:

(2.1)

де: – коефіцієнт зсуву

– коефіцієнт тертя частинок ґрунту

– кут внутрішнього тертя (граничне значення)

– міцність зчеплення часток ґрунту (граничне значення)


2.1 Вихідні дані:

Границя текучості ґрунту тіла насипу:

WT=33,3%

Оптимальна вологість ґрунту тіла насипу

Wопт =18,0%

Число пластичності ґрунту тіла насипу:

Jp=12%

Щільність частинок ґрунту тіла насипу:

s=2,73г/см3

Границя текучості ґрунту робочого шару з піску:

WT=14%

Оптимальна вологість ґрунту робочого шару з піску:

Wопт =9, 3%

Щільність частинок ґрунту робочого шару з піску:

s=2,69г/см3

2.2 Креслимо розрахункову схему насипу та позначаємо шари ґрунту цифрами:

2.3 Визначаємо показник консистенції для всіх шарів ґрунту насипу:

(2.2; 2.3)

Так як показник консистенції від’ємний, тому ґрунт знаходиться в сухому стані.

2.4 Визначаємо коефіцієнт пористості ґрунту для кожного шару:

(2.4)

2.5 В залежності від отриманих значень та приймаємо по СНИП 2.02.01-83 значення кутів внутрішнього тертя та щільності зчеплення частинок ґрунту з переведенням одиниць вимірювання з кгс/см2 в тс/м2(для цього помножуємо на 10). Для розрахунку приймаємо пісок середньої крупності.

2.6 Для різних висот насипу визначаємо розрахунковий тиск ґрунту, для цього насип необхідно розділити паралельними площинами до підошви насипу та пронумерувати:

1 - 0,8м2 - 0,7м3 - 4,5м4 - 6м5 - 3,6м

6 - 4,2м

2.7 Визначаємо щільність ґрунту з урахуванням потрібної вологості:

(2.5)

2.8 Визначаємо вагу кожного шару ґрунту, який давить на нижню площу по формулі:

(2.6)

2.9 Визначаємо коефіцієнт зсуву та величину цього кута для шарів насипу:

(2.7)

2.10 Так як розрахунки виконувались при умові та коефіцієнт запасу , по знайденим значенням ми можемо побудувати лінію нахилу насипу за допомогою транспортира.

2.11 Визначаємо коефіцієнт запасу за формулою:

(2.8)

2.12 Креслимо схему нормативної та розрахункової крутизни відкосів по розрахунковим значенням та .

2.13 Так як то приймаємо крутизну відкосів вибрану по СНІП.


Таблиця 2.1 – Параметри, які розраховувались в другому розділі.

Номер шару ґрунту

Крутизна відкосів

1: т

tg

Кут , град.

Коефіцієнт пористості

е

Консистенція ґрунтів

IL

Потрібна щільність ґрунтів потр. W, т/м2

Розрахунковий тиск ґрунту QW, т/м2

Кут внутрішнього тертя п, град.

tgn

Щільність зчеплення частинок ґрунту

Сп, тс/м2

tg

Кут зсуву , град

Розрахунковий коефіцієнт запасу стійкості Кзап

1

1,75

0,571

2944’

0,40

0

2,1

1,68

40°

0,839

0,3

1,02

4531’

1,786

2

1,75

0,571

2944’

0,63

-0,16

1,97

11,93

24°12ґ

0,449

3,2

0,72

3541’

1,26

3

2

0,500

2634’

0,65

-0,16

1,95

23,63

24°

0,445

3,1

0,58

3010’

1,16

4

2,5

0,400

2148’

0,65

-0,16

1,95

30,65

24°

0,445

3,1

0,55

2851’

1,38

5

2,5

0,400

2148’

0,60

-0,16

2,02

39,13

24°30ґ

0,456

3,4

0,54

2822’

1,37

Висновок: Розрахункові параметри другого розділу зведені в таблиці 2.1, при яких забезпечується оптимальна крутизна відкосів насипу земляного полотна.


3. Розрахунок стійкості насипу графоаналітичним методом


При розрахунку графоаналітичним методом враховується тимчасове гусеничне навантаження типу НГ – 60 та постійне навантаження від власної ваги ґрунту насипу.


3.1 Вихідні дані:

Потрібна щільність ґрунту робочого шару

 рпотрW=2,1гт/м3

Потрібна щільність ґрунту непідтопляємого шару

 нпотрW=1,95гт/м3

Потрібна щільність ґрунту підтопляємого шару

 ппотрW=2,02гт/м3

Щільність зчеплення частинок ґрунту робочого шару

Ср=0,3тс/м2

Щільність зчеплення частинок ґрунту непідтопляємого шару

Ср=3,1тс/м2

Щільність зчеплення частинок ґрунту підтопляємого шару

Ср=3,4тс/м2

Кут внутрішнього тертя ґрунту робочого шару

р=40

Кут внутрішнього тертя ґрунту непідтопляємого шару

р=24

Кут внутрішнього тертя ґрунту підтопляємого шару

р=2430ґ

3.2 Виконуємо розрахунок по заміні тимчасового навантаження від гусеничних машин на еквівалентне навантаження ґрунтового стовпа висотою h0, яка визначається за формулою:

(3.1)

де: – тиск на одну гусеницю

– кількість гусениць, встановлених на земляне полотно по ширині В0

– кількість встановлених гусеничних машин по ширині земляного полотна

– ширина бази гусеничної машини по наружним розмірам, яка дорівнює 3,3м

– кількість зазорів між гусеничними машинами

– розмір зазору, який приймається між гусеничними машинами

3.3 Креслимо схему поперечного профілю насипу, на якому виконуємо встановлення гусеничних машин по ширині земляного полотна, симетрично відносно осі насипу так, щоб гусениці на бровках земляного полотна не звисали.

3.4 Визначаємо ширину основи насипу:

(3.2)

3.5 Виконуємо графічну побудову лінії АВ, на якій знаходиться радіус кривої сповзання.

Для визначення положення точки А ломану лінію відкосу заміняємо прямою, з’єднуючи бровку насипу земляного полотна з кромкою підошви.

З країв спрямленого відкосу проводять лінії до їх перетину під кутами і, які приймаємо в залежності від закладення відкосу, кут якого обчислюють за формулою:

(3.3)

Приймаємо значення кутів для

Для визначення точки В на кресленні відкладаємо від лівої кромки підошви насипу вниз розмір, який дорівнює висоті насипу , а потім по горизонталі в сторону насипу відкладаємо розмір і наносимо точку В.

З’єднуємо прямою лінією точки А і В та отримуємо лінію, на якій лежить центр радіусу кривої сповзання О.

3.6 На прямій АВ графопобудовою знаходять центр радіусу кривої сповзання О.

Спочатку намічена в верхній частині насипу точка кривої сповзання з’єднується прямою лінією з лівою кромкою підошви насипу.

Потім з середини цієї лінії проводимо перпендикуляр до перетину з прямою АВ і на перетині отримуємо центр радіуса кривої сповзання.

3.7 З центра проводимо криву, радіус якої визначаємо графічно.

3.8 В межах кривої сповзання розбиваємо тіло насипу включаючи і шар ґрунту еквівалентного навантаження, на рівні вертикальні відсіки шириною по 5м.

3.9 На кривій сповзання всередині кожного відсіку наносимо точки з цифровим позначенням, і для кожної точки в межах відсіку находимо кути нахилу відрізків кривих сповзання до вертикалі за формулою:

(3.4)

де: Хі – відстань від і-ї точки до вертикальної прямої, проведеної через цент радіуса кривої сповзання

Ri – радіус і-й кривої сповзання, який вимірюється по кресленню

3.10 По розрахованим визначаємо кути та та представляємо в формі таблиці


Таблиця 3.1 – Розрахунок , ,

Номер точки

, град.

1

0,8349

6°37ґ

0,5502

2

0,7160

45°ґ

0,6981

3

0,5995

36°50ґ

0,8004

4

0,4733

28°15ґ

0,8809

5

0,3344

20°45ґ

0,9351

6

0,2330

13°28ґ

0,9725

7

0,1359

7°49ґ

0,9907

8

-0,0728

-4°10ґ

0,9973

9

-0,1262

-7°15ґ

0,9920

10

-0,2476

-14°20ґ

0,9689

11

-0,3544

-20°45ґ

0,9351

3.11 Графічним вимірюванням визначаємо площі кожного відсіку, причому, різні шари ґрунтів з різною потрібною щільністю обчислюємо окремо, так як подальше визначення ваги ґрунту у відсіках буде залежати від потрібної щільності ґрунту.

3.12 Визначаємо вагу ґрунту кожного відсіку з урахуванням різної площі шарів та потрібної щільності

(3.5)


Таблиця 3.2 – Розрахунок площ та ваги ґрунту у відсіках

Номер відсіку

Потрібна щільність ґрунту з урахуванням вологості

Площі відсіку

Вага ґрунту по шарам відсіку

Сумарна вага ґрунту відсіку

1,95

8,65

16,87

2,1

3,8

7,98

1,95

20,25

39,49

1,95

8,65

16,87

2,1

4

8,4

1,95

50

97,5

1,95

3,46

6,75

2,1

2,08

4,37

1,95

71,24

138,92

2,02

1,7

3,43

1,95

64,5

125,77

2,02

12,5

25,25

1,95

50

97,5

2,02

22,25

44,96

2,02

3,2

36,46

1,95

35

68,25

2,02

21

42,42

2,02

11

22,22

1,95

22,75

44,36

2,02

21

42,43

2,02

15,0

30,3

2

0,5

1

1,95

11,52

22,47

2,02

21

42,42

2,02

15

30,3

2

2

4

1,95

2,08

4,06

2,02

20,52

41,46

2,02

15

30,3

2

0,25

0,5

2,02

12,5

25,25

2

10,65

21,21

2,02

3

6,06

2

2,67

5,25

3.13 Визначаємо нормальні та дотичні напруження у всіх точках на кривій сповзання за формулами:

(3.6; 3.7)


Таблиця 3.3– Розрахунок нормальних та дотичних напружень

Номер відсіку

1

35,40

53,72

2

85,71

87,90

3

122,84

92,00

4

133,03

71,48

5

139,26

52,78

6

129,24

30,96

7

116,99

16,05

8

98,92

-7,22

9

72,71

-9,63

10

45,02

-11,50

11

10,58

-4,01

3.14 Креслимо остаточну схему розрахунку стійкості насипу, яка показана на рисунку 1.1

3.15 Виконується розрахунок коефіцієнта стійкості за формулою:

(3.8)

де: – розглядаємо як суму, яка складається по шарам

– довжина кривої сповзання по кресленні

– сумарна величина дотичних сил з урахуванням знаків "+" та "-"

3.16Визначаємо допустимий коефіцієнт стійкості з умови:

де: – коефіцієнт, який ураховує надійність даних про характеристиці грунтів, які залежать від кількості випробуваних зразків, приймається в межах 1,0-1,1

– коефіцієнт, який враховує категорію дороги

– коефіцієнт, який враховує ступінь шкоди для народного господарства в разі аварії спорудження

– коефіцієнт, який враховує відповідність розрахункової схеми природнім інженерно-геологічним умовам.

– коефіцієнт, який враховує вид ґрунту та його роботу в спорудженні

Таблиця 3.4 – Розрахункові параметри третього розділу

Шари ґрунтів насипу для кривої сповзання

h, м

Радіус кривої сповзання R, м

Потрібна щільність з урахуванням вологості для кожного шару ґрунту потр. W, т/м3

Ni для кожного шару, тс/м2

Ті для всієї кривої сповзання, тс/м

tgni для кожного шару

Спі для кожного шару

L довжина кривої сповзання, м

Коефіцієнт стійкості Кст.

Коефіцієнт стійкості допустимий Кдоп.

1,73

1,95

26,472

0,445

3,1


0,8

2,1

13,754

0,839

0,3


14,8

1,95

539,977

0,445

3,1


4,2

2,02

264,308

0,455

3,4


3

2,02

140,794

0,441

2,98


>3

2,00

5,476

0,431

2,68



Висновок: Розрахункові параметри третього розділу зведені в таблиці 3.4, при яких забезпечується стійкість насипу земляного полотна, так як коефіцієнт стійкості вище допустимого коефіцієнта стійкості.


4. Розрахунок осідання природної ґрунтової основи під високим насипом


Осаду ґрунтової основи під високим насипом і її зміна негативна впливають на рівність дороги. .

Згідно СНиП 2.02.01-83 "Основи будівель і споруд" розрахунок повного осідання ґрунтової основи виконується по стискаючих напругах для точок, розташованих уздовж осі Z по формулі теорії пружності:

(4.1)

де – безрозмірний коефіцієнт, який приймається по СНиП

– товщина і-го шару ґрунту основи

– модуль деформації і-го шару ґрунту основи, який приймається по СНиП 2.02.01-81 в залежності від розрахункових показників консистенції та пористості ґрунтів

– число шарів, на які розбивається товща