Вопрос 2. Вертикальное дренирование

4.15. Вертикальные дрены устраивают в слабых водонасыщенных грунтах с целью ускорения консолидации основания за счёт сокращения пути фильтрации воды, отжимаемой из слабой толщи (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема земляного полотна с вертикальными дренами

4.16. Вертикальные дрены эффективны в водонасыщенных органических и минеральных сильносжимаемых грунтах при слое мощностью не менее 4 м с коэффициентом фильтрации не менее 1 ∙ 10^-4 м/сут (см. табл. 2.1). Устраивать вертикальные дрены в плотных глинистых грунтах, а также в малоразложившемся неуплотнённом слое торфа нецелесообразно. Эффективность дрен повышается в случаях, когда дренируемая толща имеет более высокую горизонтальную проницаемость, например, вследствие наличия прослоек дренирующего грунта.

4.17. Вертикальные дрены, как правило, следует совмещать с временной пригрузкой, обеспечивающей необходимый гидравлический градиент и отжатие поровой воды из слабого слоя грунта.

Толщина пригрузочного слоя (при обеспеченной прочности основания) в этом случае определяется требованием создания напора поровой воды, величина которого по всей дренируемой толще в любой момент расчётного времени консолидации должна быть выше начального градиента фильтрации грунта, если грунт таковым обладает. Формула расчёта толщины пригрузочного слоя:

                                         (40)

где D - эффективный диаметр дренирования (принимается равным расстоянию между дренами);

_в - удельный вес воды в порах грунта;

I_o - начальный градиент фильтрации грунта с учётом уплотнения под весом насыпи (при отсутствии лабораторных данных принимают для торфаI_o = 2; для ила и глины I_o = 5);

p_расч - нагрузка в основании от насыпи проектного профиля;

_пр - удельный вес грунта, используемого для пригрузки.

4.18. Вертикальные дрены выполняют в виде скважин, заполняемых песком. Диаметр скважин может быть принят от 40 до 60 см с учётом технических параметров применяемого оборудования. Для заполнения вертикальных дрен применяют песок с коэффициентом фильтрации не менее 6 м/сут. Эффективность вертикальных дрен значительно повышается при добавке к материалу заполнения 5 - 18 % (по массе) извести. При применении вертикальных дрен насыпь или её нижнюю часть толщиной не менее 50 см следует устраивать из дренирующих грунтов с коэффициентом фильтрации не менее 3 м/сут.

В зависимости от водопроницаемости грунта и требуемого срока завершения интенсивной части осадки расстояние между дренами может меняться от 2,0 до 4,5 м.

4.19. При проектировании земляного полотна с вертикальными дренами необходимое расстояние между ними определяется расчётом, исходя из заданного срока достижения интенсивной части осадки слабого грунта.

Для расчёта оснований с вертикальными дренами необходимы следующие исходные данные:

- результаты компрессионных и консолидационных испытаний грунтов слабой толщи;

- расчётная мощность слабого слоя (с учётом условий односторонней или двухсторонней фильтрации);

- расчётные величины нагрузки и конечной осадки слабой толщи.

4.20. Требуемая степень консолидации слабого основания и срок её достижения задаются с учётом капитальности дорожной одежды и установленного проектом организации строительства срока окончания отсыпки земляного полотна.

4.21. Расчёт основания с вертикальными дренами заключается в следующем. Предварительно назначается расстояние между дренами. Далее проверяется правильность этого назначения. Степень консолидации основания с вертикальными дренами определяют по формуле

                                     (41)

где U_в - степень консолидации основания при вертикальной фильтрации воды из основания;

U_г - то же, при горизонтальной фильтрации воды (к дренам).

Величины U_в и U_г устанавливают по графикам (рис. 4.3). Величину фактора времени, необходимую для определения U_в, рассчитывают по формуле

                                                             (42)

где С_в - коэффициент консолидации при вертикальной фильтрации;

H_ф - расчётный путь вертикальной фильтрации воды;

Т - требуемый срок консолидации.

Фактор времени, необходимый для определения U_г, определяют по формуле

                                                           (43)

где C_г - коэффициент консолидации грунта при горизонтальной фильтрации;

l - расстояние между дренами.

4.22. Если при назначенном расстоянии между дренами не может быть достигнуто требуемое сокращение срока консолидации, то шаг дрен уменьшают и расчёт повторяют. Пример расчёта основания с вертикальными дренами приведён в приложении 5 (Д).

4.23. Упрощённой разновидностью вертикального дренирования толщи являются продольные дренажные прорези. Их устройство целесообразно при мощности слабого слоя до 4,0 м и возможности сохранения в слабом грунте вертикальных откосов в течение времени, необходимого для заполнения прорези дренирующим грунтом.

Расстояние между дренажными прорезями ориентировочно назначают в пределах 1,5 - 3,0 м и проверяют расчётом. Ширина прорезей назначается в зависимости от параметров рабочего органа применяемого оборудования и составляет обычно 0,6 - 1,0 м.

Для заполнения прорезей следует использовать песок с коэффициентом фильтрации не менее 3 м/сут.

Расчёт дренажных прорезей выполняется по аналогии с расчётом вертикальных дрен, но для определения степени консолидации при горизонтальной фильтрации используется график, приведённый на рис. 4.4, где величина U_г дана в зависимости от величины Т_г для различных значений l / Н (где l - расстояние между боковыми поверхностями прорезей).

Рис. 4.3. Графики для определения степени консолидации грунта основания с вертикальными дренами

Рис. 4.4. График для определения консолидации грунта основания с дренажными прорезями