9.7. Оценка устойчивости земляного полотна

Насыпь, возведенная на косогоре, может сползти вниз, если направленная параллельно косогору составляющая ее веса окажется больше силы трения, удерживающей насыпь на месте (рис. 9.9).

Рис. 9.9. Силы, действующие на насыпь на косогоре

Согласно расчетной схеме на рис. 9.9, удерживающая сила – , где Q – вес насыпи, Н; f – коэффициент трения насыпного грунта по поверхности косогора; a – уклон наклона косогора, а сила, сдвигающая насыпь – .

Отсюда коэффициент устойчивости насыпи против сдвига , где i – поперечный уклон косогора.

Мероприятия по повышению устойчивости насыпей на косогорах сводятся к увеличению значения коэффициента трения f. При поперечном уклоне местности от 1:10 до 1:5 из-под насыпи обязательно удаляют дерн. При поперечном уклоне местности от 1:5 до 1:3 на поверхности косогора устрагивают уступы высотой 0,5 м.

Разделка косогора ступенями преследует цель заменить недостаточное сопротивление скольжению грунта по поверхности косогора более высоким сопротивлением срезу насыпного грунта по той же поверхности. При этом предполагается, что грунт косогора настолько прочен, что срез может произойти только по сечению насыпного грунта. На косогорах, сложенных из песков или слабосвязных щебенистых грунтов, устройство уступов не достигает цели. В подобных случаях, а также при уклоне местности более 1:3, для обеспечения устойчивости насыпи необходимо возводить подпорные стены или отсыпать контрбанкеты.

Если насыпь возведена на наклонных напластованиях, залегающих на устойчивых горных породах, подстилающий грунт в результате нагрузки от веса насыпи может оползти. Аналогичное явление может наблюдаться при подрезании откосом выемки наклонных слоев грунта.

При этом проверка устойчивости сводится к выделению в оползающей части массива в соответствии с очертаниями поверхности скольжения вертикальных отсеков таким образом, чтобы основание отсека можно было принять прямолинейным, и к оценке устойчивости каждого из отсеков под влиянием собственного веса и передающегося давления смежных отсеков. Каждый отсек рассматривается как затвердевший массив.

Насыпи, возведенные на слабых основаниях (торфах, сапропелях, илах, мокрых солончаках, лессовых грунтах, переувлажненных глинистых грунтах и др.), могут значительно проседать из-за уплотнения грунта основания и его выжимания в стороны из-под насыпи. Деформации чаще всего происходят в период строительства или вскоре после возведения насыпи, но в некоторых случаях могут возникать и во время последующей эксплуатации, например при длительной стоянке тяжелых транспортных средств на насыпях, отсыпанных на болоте, или в результате застоя воды около насыпей на просадочных грунтах.

К слабым относят грунты, которые теряют устойчивость под действием собственного веса в откосах выемок типового поперечного профиля и под давлением насыпей в их основаниях, а также претерпевают значительные и медленно протекающие осадки. К их числу относят грунты, имеющие при угле внутреннего трения j, близком к нулю, сопротивление сдвигу не более 0,075 МПа, и модуль деформации E £ 5,0 МПа.

Зависимость между давлением на грунт и его просадкой в общем виде выражается кривой, представленной на рис. 9.10а.

Рис. 9.10. Зависимость между нагрузкой и деформацией: а – кривая зависимости между нагрузкой и деформацией: б – деформация насыпей на слабом грунте, соответствующие разным фазам информации; 1 – 1-я фаза (уплотнение); 2 – 2-я фаза (уплотнение и боковые сдвиги); 3 – 3-я фаза (резкая просадка, вызываемая боковым выпиранием грунта основания) (стрелками показано преимущественное направление перемещения грунта при деформации)

На этой кривой могут быть выделены участки, характеризующие разные фазы процесса деформации. В пределах участка ОА зависимость между нагрузкой и деформацией близка к прямолинейной, здесь происходит преимущественно сжатие подстилающего грунта. При дальнейшем возрастании нагрузки в отдельных точках подстилающего грунта касательные напряжения начинают превышать его сопротивление сдвигу. В этих местах возникают пластические деформации (деформации сдвига). По мере возрастания давления число таких мест увеличивается, осадка насыпи растет и начинается выжимание из-под нее грунта, сопровождающееся образованием бугров по бокам насыпи и ее просадкой.

При проектировании насыпей на слабых основаниях в зависимости от назначения насыпей предусматривают работу оснований в следующих фазах:

– в первой фазе деформаций – насыпи на дорогах с капитальными цементобетонными и асфальтобетонными покрытиями (расчет на полное отсутствие сдвигов в основании);

– в начальном периоде второй фазы – деформации насыпей на дорогах с покрытиями облегченных типов (ограничение распространения сдвигов заданным значением);

– в конечном периоде второй фазы – струенаправляющие и регуляционные сооружения, дороги местного значения с покрытиями переходных типов (условия, близкие к предельному равновесию).

Напряжения в грунте основания, вызываемые нагрузкой от насыпей, определяют по формулам теории упругости для бесконечной гибкой полосы, загруженной в поперечном сечении по закону трапеции.

Для повышения устойчивости насыпей против выпирания слабых грунтов в основании предусматривают ряд мероприятий:

1) уменьшение собственного веса насыпи, что достигается возведением ее из легких материалов (керамзита, котельного шлака или торфа), сооружением ячеистой насыпи из тощего бетона на легком щебне, в котором устроены воздушные прослойки путем закладки поперек насыпи пластмассовых труб, или уменьшением высоты насыпи с устройством в ней гидроизоляционных прослоек;

2) увеличение коэффициента заложения откосов до 1:5-1:10, что снижает касательные напряжения в грунте основания;

3) отсыпка рядом с насыпью вдоль ее откосов берм, вес которых противодействует выжиманию боковых призм подстилающего грунта;

4) прокладка дороги на эстакаде и передача веса насыпи на плотный подстилающий грунт через свайное основание;

5) отсыпка насыпи на жесткий настил, равномерно распределяющий давление насыпи на большую площадь и препятствующий неравномерному погружению насыпи в грунт с максимумом в середине. Считают, что при этом прочность основания увеличивается на 10-20%. Некоторое повышение жесткости нижней части насыпи и противодействие неравномерному погружению грунта насыпи в подстилающий грунт достигается также устройством под насыпью прослойки из нескольких слоев прочного синтетического материала – геотекстиля. Сопротивление заведенных в тело насыпи на достаточное расстояние концов полос геотекстиля препятствует образованию выпуклого очертания подошвы насыпи, способствующей ее погружению в слабое основание с выжиманием грунта в стороны;

6) уменьшение толщины слоя слабого грунта путем удаления его верхней части на основе расчета;

7) предварительное (до отсыпки) осушение основания в случае возможности отвода воды в сторону или с применением иглофильтров. Этим повышаются сцепление и внутреннее трение грунта, а уплотнение основания под действием собственного веса протекает более быстро;

8) постепенное замедленное возведение насыпи с учетом нарастания прочности слабого грунта по мере его уплотнения с выжиманием воды весом насыпи. Эффективным средством ускорения осадки является устройство вертикальных дрен.

Целесообразность применения того или иного способа должна быть основана экономическим сравнением с наиболее распространенным и испытанным решением – удалением слабого грунта и отсыпкой насыпи на расположенный ниже плотный грунт. Если насыпь на слабом основании устойчива против выпирания, должна быть рассчитана ее осадка для оценки дополнительных объемов земляных работ, необходимых для компенсации сжатия.

На практике для приближения формы откоса к очертанию устойчивого откоса применяют переменную крутизну его на разных участках по высоте или, сохраняя постоянную крутизну, вводят бермы (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Поперечные профили высоких насыпей: а – с переменной крутизной откосов; б – с введением берм; 1 – берма

Бермы уменьшают скорость стекания по откосу дождевых и талых вод, предотвращая его размывание. Они облегчают также ремонт и содержание откосов, позволяя осматривать их, подвозить и складывать материалы для ремонта.

Наблюдения показали, что откосы насыпей обрушиваются по поверхностям, которые без существенных искажений могут быть приняты как круглоцилиндрические. Для проверки устойчивости откосов задаются положением ряда поверхностей скольжения и определяют коэффициенты устойчивости сползающих частей откосов насыпи. Поверхность скольжения проводят через подошву откоса, не заглубляя в подстилающий грунт, если насыпь возведена на плотном основании. Если основание под насыпью мягкое водонасыщенное и малосвязное (j<8°), должны быть исследованы также кривые, захватывающие основание и выходящие за подошву насыпи. Затем находят коэффициент устойчивости для всего откоса из соотношения сумм моментов сил, удерживающих и сдвигающих выделенные призмы относительно оси поверхности скольжения. Его значение должно быть больше допустимого (обычно 1,15-1,30).

Расчет осадки насыпей от сжатия подстилающего грунта сводится к суммированию деформаций отдельных слоев от вертикальных напряжений. При слабых грунтах происходит и частичное выдавливание грунта в сторону, создающее дополнительную осадку, но способы точного учета этого явления еще не разработаны.

При расчетах осадки насыпей сжатие грунтового основания вычисляют в пределах ограниченного по глубине слоя грунта (активной зоны), условно принимая, что сжатие грунта прекращается на глубине, на которой напряжения, вызываемые весом насыпи, становятся менее 0,2 от давления собственного веса грунтового основания.

При подсчете давления от собственного веса грунта для слоев, расположенных ниже уровня грунтовых вод, а также в зоне полного капиллярного водонасыщения грунта ниже уровня менисков, учитывается взвешивающее действие воды. В этом случае плотность грунта приближенно принимают равной 1,0 г/см³.

Осадку определяют суммированием деформаций отдельных слоев грунта, в пределах которых напряженное состояние и характеристики деформации грунта (модуль деформации, параметры компрессионной зависимости) могут быть приняты постоянными. При этом фактическая эпюра распределения давления заменяется ступенчатой (рис. 9.12). Толщина выделяемых слоев не должна превышать 0,4 ширины насыпи понизу.

Рис. 9.12. Расчетная схема вычисления осадки от сжатия грунта под насыпью: 1 – геологический разрез; 2 – кривая напряжений от собственного веса грунта; 3 – кривая напряжений от веса насыпи; 4 – замена кривой напряжений ступенчатой эпюрой; 5 – эпюра относительного сжатия грунта; Н – первоначальная толщина сжинаемой толщи; Н₁ – толщина сжимаемой толщи, уточненная с учетом уплотнения расположенных ниже слоев грунта

Сжимаемость сравнительно плотных грунтов характеризуют модулем деформации, значение которого определяют испытанием пробными нагрузками. В этом случае сжатие выделенного слоя толщиной h – , а общая осадка дорожной насыпи находится как сумма осадок отдельных слоев – , где h_i – мощность i-го слоя; s_zi – напряжение в i-том слое; E_грi – модуль деформации грунта i-го слоя.

Если относительное сжатие нижнего слоя превышает 0,1% (1,0 мм на 1,0 м толщины грунта), расчет продолжают, учитывая деформацию нижерасположенных слоев грунта.

Для насыпей, отсыпанных на торфяном основании, необходимо учитывать возможность упругих колебаний насыпей при проезде автомобилей. Эти колебания могут вызвать образование трещин в покрытиях и их быстрое разрушение.

Считается, что упругая деформация оставленного под насыпью слоя торфа не должна превышать 0,5 см. Для этого отношение толщины насыпного слоя грунта к толщине оставленного под насыпью слоя слабого грунта H должно быть: не менее 2 (при Н = 1,0 м); 0,5 (при Н = 6 м) для одежд капитального и облегченного типов и соответственно 1,2 и 0,4 – для одежд переходного типа.

Уплотнение водонасыщенных грунтов под насыпью протекает замедленно. Скорость деформации зависит от коэффициента фильтрации грунта, которая может колебаться в широких пределах. Так, например, для торфов в зависимости от их состава и степени разложения коэффициент фильтрации составляет от 10^-3 до 10^-7 см/с.

Скорость осадки сооружений на торфяных и илистых основаниях может быть определена по формулам теории уплотнения во времени водонасыщенных грунтов (теории фильтрационной консолидации). Эта теория в ее простейших формулировках рассматривает замедленное во времени сжатие водонасыщенного грунта, происходящее в результате выжимания воды давлением внешней нагрузки. При этом предполагается, что напряжения в сжимаемом слое постоянны по глубине, а нагрузка передается через большую площадку, меньшая из сторон которой в 3-4 раза превышает толщину сжимаемого слоя. Вода выжимается по кратчайшему расстоянию в вертикальном направлении и удаляется через песчаное дно или песчаную насыпь.

Осадка насыпи должна прекратиться за период строительства до начала укладки покрытия. Для ускорения этого процесса в зависимости от местных условий можно применить один из следующих приемов:

1) увеличить глубину выторфовывания, что уменьшит толщину сжимаемого слоя;

2) осушить болото, что приведет к уплотнению торфа силами капиллярного давления и увеличению коэффициентов трения и сцепления;

3) применить способ перегрузки, который заключается в том, что вначале отсыпают высокую насыпь с крутыми откосами или укладывают на нее дополнительный слой грунта. Увеличение давления насыпи на грунт вызывает в этом случае более быстрое протекание осадки. Перед укладкой покрытия насыпь разравнивают до проектной отметки;

4) устроить вертикальный дренаж в виде буровых скважин, засыпанных крупнозернистым песком, или лент пористых материалов, расположенных в плане через 1,5-3 м, в шахматном порядке или по квадратной сетке. На сильно разложившихся торфах или илах дренажи могут ускорить осадку насыпей в 20-25 раз. Вертикальные дрены получили широкое распространение при мощности слабых оснований более 5-6 м;

5) устроить под земляным полотном продольные дренажные песчаные прорези на расстоянии 1,8-2,4 м, что возможно при мощности торфа, поддающейся разработке экскаваторами (H < 4 м). При этом необходимо, чтобы грунт основания мог сохранять вертикальные стенки в период до заполнения выкопанных траншей песком.

131