5.6 Определение осадки насыпей

Расчет осадки насыпей от сжатия подстилающего грунта сводится к суммированию деформаций отдельных слоев от вертикальных напряжений.

Вертикальное нормальное напряжение от веса дорожной насыпи в подстилающем грунте (п. 5.5, рисунок 2):

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 (см. рисунок ниже). Толщина выделяемых слоев не должна превышать 0,4 ширины насыпи понизу.

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 составляет

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 сжимаемой толщи; Н1 – толщина сжимаемой толщи, уточненная с учетом уплотнения расположенных ниже слоев грунта.

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

Сжатие слоя грунта толщиной Н при возрастании нагрузки с р₁ до р₂ составляет

где А – коэффициент, характеризующий сжимаемость грунта и не зависящий от нагруз- ки, составляющий: 25 ÷ 75 – для песков и супесей и 10 ÷ 15 – для суглинков;

ε₁ – коэффициент пористости при давлении р₁.

Если основание состоит из нескольких слоев, различающихся по деформируемости, или если мощность основания такова, что необходимо учитывать затухание напряжений по глубине, общая осадка вычисляется суммированием сжатий слоев:

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.

5.7 Расчет скорости осадки насыпей

Уплотнение водонасыщенных грунтов под насыпью протекает замедленно. Скорость деформации зависит от коэффициента фильтрации грунта, которая может колебаться в широких пределах.

Скорость осадки сооружений на торфяных и илистых основаниях может быть определена по формулам теории уплотнения во времени водонасыщенных грунтов. 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 через время t после приложения нагрузки, которое считается мгновенным, выражается зависимостью

,

где Δ_∞ – полная величина осадки после ее прекращения;

k – среднее значение коэффициента фильтрации в интервале изменения давления от бытового до р, см/с;

t – продолжительность действия нагрузки, годы;

h_р – расчетная толщина сжимаемого слоя, см (если выжимаемая вода удаляется через одну поверхность сжимаемого слоя – песчаная насыпь, глинистое дно болота – h_р = Н; если вода может выходить с двух поверхностей – песчаная насыпь и дно болота, – h_р = Н/2);

ε_ср – среднее значение коэффициента пористости грунта до и после приложения нагрузки;

а – параметр уравнения спрямленной компрессионной кривой (ε_ср = А – ар);

δ_в – плотность воды, принимаемая равной единице, которая введена в формулу для соблюдения размерности;

U_верт – степень консолидации – доля общей осадки, протекшая за время t.

Скорость осадки может быть оценена также по результатам расчета на основе лабораторных испытаний образцов грунта с ненарушенной структурой.

В соответствии с теорией консолидации грунтовой массы, если осадка образца толщиной h (см) за t (сут) составляет q (%) от полной его осадки, то время, за которое будет достигнута такая же осадка слоя толщиной Н в натуре, определяется из соотношения

Т = t(Н/h)².

Если из расчета видно, что осадка насыпи не успеет прекратиться за период строительства до начала укладки покрытия, для ускорения этого процесса в зависимости от местных условий можно применить один из следующих приемов:

• увеличить глубину выторфовывания, что уменьшит толщину сжимаемого слоя;

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

• применить способ пригрузки насыпи, 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;

• 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;

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

В теории расчета скорости сжатия водонасыщенных грунтов при устройстве песчаных дрен и дренажных прорезей исходят из тех же предпосылок, что и в рассмотренной выше теории уплотнения водонасыщенных грунтов, но учитывают и дополнительное уплотнение грунта основания в результате выжимания воды в дрены по горизонтальному направлению. В формулу соответственно подставляют значение коэффициента фильтрации в горизонтальном направлении k_гор, значение которого для торфов больше, чем коэффициент фильтрации k_верт в вертикальном направлении.

Полная суммарная степень консолидации (в %) выражается при устройстве вертикальных дрен зависимостью

U_полн = 100 – 0,01(100 – U_верт )(100 – U_гор).

Значения U_верт и U_гор принимают по вспомогательным графикам в зависимости от отношения расстояния между дренами к их диаметру (n = l/d).