ВОЗВЕДЕНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В ОСОБЫХ УСЛОВИЯХ
Часть 9 А.Ф. Колос
ТЕМА:
Основы расчетов земляного полотна на слабых основаниях
ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I
Кафедра «Строительство дорог транспортного комплекса»
2
1.Основные причины нарушения стабильности земляного полотна на слабых основаниях
Многолетний опыт строительства и эксплуатации земляного полотна показывает, что причиной потери его стабильности
являются следующие основные виды разрушений и деформаций:
потеря прочности основания
осадка насыпи из-за уплотнения грунтов основания
потеря устойчивости откосов
Наличие деформаций сопровождается длительным отсутствием стабилизации, появлением просадок и перекосов. Таким образом, для того чтобы запроектировать земляное полотно, удовлетворяющее эксплуатационным требованиям, необходимо, чтобы были соблюдены основные
условия стабильности: обеспечена несущая способность основания; обеспечена устойчивость откосов; достигнута требуемая консолидация слабого основания;
разработаны мероприятия, обеспечивающие нормальную эксплуатацию земляного полотна с учетом осадки. Выполнение этих условий
достигается проектированием земляного полотна на основании специальных расчетов.
Использование слабого грунта в качестве
естественного основания всегда приводит к появлению деформаций насыпи. Одной из причин этих деформаций является разрушение основания, связанного с потерей его несущей способности (прочности).
Формы нарушения несущей способности
|
Выпор |
|
|
С выдавливанием |
С выдавливанием |
Выдавливание |
|
грунта из-под |
|||
грунта из-под |
грунта с боковым |
||
насыпи без |
|||
насыпи с потерей |
уплотнением без |
||
нарушения |
|||
устойчивости |
образования бугров |
||
устойчивости |
|||
откосов |
выпирания |
||
откосов |
|||
|
|
|
4 |
|
Примеры потери нарушения |
Потеря прочности слабого |
|
стабильности земляного полотна на |
||
основания, |
||
слабом основании |
||
сопровождающаяся |
||
|
||
|
разрушением насыпи |
Земляное полотно новой автомобильной дороги на торфе
При уширении |
При |
земляного |
строительстве |
полотна на |
второго пути на |
иольдиевых |
иольдиевых |
глинах |
глинах |
2. Особенности системы расчетов земляного полотна, опирающегося на слабые основания
Расчеты земляного полотна
По I – ому предельному состоянию:
по несущей способности
1. Должна быть обеспечена несущая способность слабого основания в любой момент времени, начиная с момента
начала строительства.
P s P
n
P - расчетные напряжения в основании земляного полотна от подвижного состава, веса верхнего строения пути, собственного веса грунтов насыпи, кПа; [P] – несущая способность слабого основания земляного полотна, кПа; - коэффициент надежности по ответственности сооружения (определяется категорией железной дороги); - коэффициент условий работы, принимаемый для
слабых грунтов в нестабилизированном состоянии
2. Должна быть обеспечена устойчивость
равным 0,85.
откосов насыпи в любой момент времени, начиная с момента начала строительства.Kу Ks
- расчетный коэффициент устойчивости откосов;
Кs – минимальный требуемый коэффициент устойчивости
По II – ому предельному состоянию:
по деформациям
1.Остаточная деформация основания земляного полотна (мм) в ходе эксплуатации не должна превышать допустимую (мм).
2.Интенсивность осадки основания земляного полотна (мм/год) в ходе эксплуатации не должна превышать допустимую (мм/год).
3.Упругая осадка основания земляного полотна под поездной нагрузкой (мм) не должна превышать допустимую (мм) .
4.Деформация равномерного морозного пучения грунтов не должна превышать допустимую (мм).
3. Нагрузки на слабое основание земляного полотна Общая схема передачи нагрузки на
земляное полотно и его основание
Слабый грунт
Прочный минеральный грунт
При расчетах прочности и осадок (упругих и остаточных) слабого основания нагрузка от веса верхнего строения пути и поездная нагрузка учитываются при высоте насыпного слоя с учетом просевшей части менее 4,0 м. В противном случае – не учитываются, поскольку при мощности насыпного слоя 4,0 м и более их значения на поверхности основания практически
равны нулю
Нагрузка на основание в процессе осадки насыпи
На примере, когда уровень воды совпадает с поверхностью болота
t, мес. t
t
Начало строительства |
t, месяцы (годы) |
|
4. Напряженное состояние основания земляного полотна
при простейшем очертании нагрузки (в виде равнобокой трапеции)
n 2a B
главные напряжения:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
3 |
d |
|
|
|
|
|
|
v ln |
R1R4 |
|
||||
|
|
|
|
|
1 |
2 |
1 |
1 |
3 |
|
|
|||||||||||||||||||||
1 |
|
1 |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 R3 |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
p |
n |
|
|
|
|
|
|
R R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
0 |
|
|
|
v |
ln2 |
|
|
1 4 |
|
|
1 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 R3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1R4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
3 |
|
|
|
|
||||||||
2 |
|
1 |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
v ln |
R2 R3 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
p |
n |
|
|
|
|
ln2 |
|
R R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
0 |
|
|
|
v |
|
|
1 4 |
|
|
1 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 R3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нормальные напряжения: и касательные напряжения
z |
|
1 |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
3 |
d |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
p |
|
|
n |
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
3 |
|
|||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
1 |
|
|
d |
|
1 |
|
3 |
|
|
||||||||||||||
x |
|
1 |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
R1R4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
p0 |
|
n |
|
2 |
v |
ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 R3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
v |
|
|
1 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При сложном очертании эпюры внешнего воздействия от веса несимметричной насыпи на поверхность слабого основания используют метод суммирования напряжений от различных простейших эпюр (распределенных по закону прямоугольника или треугольника), на которые разбивается фактическая сложная эпюра напряжений. Решают
задачу в основном с использованием ЭВМ.
5. Методы оценки несущей способности слабого 
основания и устойчивости откосов земляного полотна
Условие прочности Мора - Кулона
где – большее главное напряжение; – меньшее главное напряжение; – угол внутреннего трения грунта основания; С – удельное сцепление грунта
В тех точках основания, где выполняется это соотношение, наступает предельное напряженное состояние.
Дальнейшее изменение соотношения полусуммы и полуразности главных напряжений может привести к разрушению грунта в этих точках, т. е. к переходу его в запредельное состояние.
Если не только в одной точке, но и в соседних с ней, возникает запредельное напряженное состояние, то образуются целые зоны разрушения, локализация которых может быть различной в зависимости от очертания поперечного профиля насыпи
1 – зона разрушения
2 –
дополнительное боковое сжатие
1
1
Основные подходы в решении задачи об оценке несущей способности слабого основания
1. Использование теории предельного равновесия грунтового массива
Суть теории состоит в определении предельной нагрузки , при которой грунт в целом переходит в состояние предельного равновесия. Дальнейшее, даже незначительное, увеличение нагрузки вызывает разрушение основания с образованием сплошных поверхностей скольжения.
Основание не может считаться «безопасным»
еще до момента наступления такого состояния. Таким образом, необходимо знать не предельную нагрузку, а допустимую или безопасную нагрузку , которая меньше предельной, и при которой сооружение может еще работать нормально.
где – коэффициент условий работы; – коэффициент |
|
|
надежности по ответственности сооружения (по СП |
или |
|
22.13330.2012) |
Условие обеспечения несущей |
|
способности основания земляного полотна