5. Расчет устойчивости откосов

В зависимости от объема смещающегося грунта для земляного полотна выделяется потеря общей и местной устойчивости. Потеря общей устойчивости земляного полотна является аварийной деформацией и связана со смещением больших грунтовых массивов, при которой, как правило, исключается возможность эксплуатации земляного полотна до его восстановления. Нарушение местной устойчивости проявляется в смещении небольших поверхностных слоев откоса или склона, либо в захвате части откоса земляного полотна.

Расчет устойчивости производится по методу профессора Г.М. Шахунянца. Устойчивость откоса или склона количественно оценивается с помощью коэффициента устойчивости k, который в общем виде представляет собой отношение факторов, сопротивляющихся смещению, к факторам, его вызывающим. Оценка устойчивости выполняется из условия равновесия массива смещающегося грунта с некоторым запасом, который и является коэффициентом устойчивости k.

Расчет производим в программе GEO5. Полученный коэффициент устойчивости сравнивается с допустимым коэффициентом устойчивости [k], нормирование которого производится в соответствии с таблицей Б.2.1 [3].

				(5.1)
где		−	коэффициент надежности по назначению сооружения (коэффициент ответственности сооружения), для линий III категории -
		−	коэффициент сочетания нагрузок, при основном сочетании
		−	коэффициент условий работы, при использовании методов расчета, удовлетворяющих условиям равновесия .

На рисунке 2 показаны данные для расчета в программе GEO5.

Рисунок 2 – Результаты расчета коэффициента устойчивости откосов в GEO 5

Результаты расчета приведены в приложении В.

Коэффициент запаса равен k=1,15>[k].

По результатам расчета в программном комплексе GEO5, принятая конструкция земляного полотна (с откосами 1:2), удовлетворяет условию устойчивости.

6. Расчет срока консолидации слабого основания

Основное назначение вертикальных дрен - ускорение процесса уплотнения сильно сжимаемого грунта основания под воздействием нагрузки от веса насыпи за счет сокращения пути и улучшения условий фильтрации. Ускорение уплотнения одновременно обеспечивает и ускорение роста сопротивляемости грунта основания сдвигу. Кроме того, наличие вертикальных дрен само по себе несколько повышает несущую способность основания, а также снижает величину упругих деформаций.

Дрены устраивают диаметром от 20 до 60 см, располагая их в плане в шахматном порядке или по углам сетки квадратов. Расстояние между дренами колеблется в пределах 1,8 - 3,5 м. Предварительно назначенное расстояние уточняется путем расчета на основе испытания грунта основания на компрессию и консолидацию.

Степень консолидации с вертикальными дренами U_общ, %, на некоторый момент времени определяется по формуле:

				(6.1)
где		−	степень консолидации основания при горизонтальной фильтрации, %;
		−	степень консолидации основания при вертикальной фильтрации, %;

В нашем случае конечная осадка слоя торфа S=2,75 м (осадкой суглинка пренебрегаем). Фильтрационная осадка – 2,53 м, следовательно, вторичная осадка торфа – 0,22 м. Время необходимое для завершения фильтрационной консолидации 112 месяцев. Таким образом, в период строительства (17 месяцев) происходит только фильтрационная консолидация.

Определим степень фильтрационной консолидации торфа за срок строительства равный 17 месяцам.

(6.2)

По таблице 4.3, приведенной в [7] устанавливаем, что найденной величине N соответствует степень консолидации U=46,5 %. За период строительства будет реализовано только 0,465 ∙ 2,53= 1,18 м. На период эксплуатации придется 1,35 м. С учетом вторичной осадки общая деформация слоя торфа составит 0,22+1,35 = 1,57 м, при допустимой нормативной осадке 0,6 м. Следовательно, следует предусмотреть мероприятия по ускорению осадки.

Для выполнения норм проектирования, предусмотрим в конструкции насыпи сваи-дрены.

По заданию степень консолидации торфа – 92%.

Фактор времени при горизонтальной фильтрации определяется по формуле:

				(6.3)
где		−	коэффициент консолидации в горизонтальном направлении, см2/час;
		−	период строительства, ч;
		−	путь фильтрации, см.

Фактор времени при вертикальной фильтрации определяется по формуле:

				(6.4)
где		−	коэффициент консолидации в вертикальном направлении, см2/час;
		−	период строительства, ч;
		−	путь фильтрации, см.

Примем диаметр дрены 0,4 м, а расстояние между дренами – 3 м. Определяем соотношение

(6.5)

С помощью графиков консолидации при вертикальной и горизонтальной фильтрации определяем степень консолидации основания в обоих направлениях:

Таким образом, по данным расчетам к концу строительства осадка достигнет 95% при устройстве свай-дрен d=0,4 м и расстоянием между ними в свету 3,0 м. Окончательная конструкция насыпи приведена в приложении Г.

Заключение

По итогам расчета конечной осадки насыпи, расчета несущей способности слабого основания, расчета устойчивости откосов и расчет срока консолидации основания была разработана конструкция земляного полотна на болоте. В результате расчетов по предельным состояниям, геометрические характеристики насыпи изменились – откосы стали более пологими, значение крутизны изменилось с 1,5 до 2, в толще слабого основания (торфа) устроены сваи-дрены, также в насыпи устраивается арматура R=300 кН/м для обеспечения устойчивости откосов.

Библиографический список

1. Методические указания по проектированию земляного полотна на слабых грунтах. – М., Минтрансстрой, 1968. – 264 с.

2. СП 119.13330.2012 Железные дороги колеи 1520 мм. Актуализированная редакция СНиП 32-01-95.

3. СП 238.1326000.2015 Железнодорожный путь.

4. СП 32-104-98. Свод правил. Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм. – М.: Госстрой РФ, 1999.

5. Шахунянц Г.М. Земляное полотно железных дорог. – М.: Трансжелдориздат, 1953.-827 с.

6. Железнодорожный путь. Под ред. Е.С. Ашпиза. Москва, 2013.

7. Проектирование индивидуальной конструкции земляного полотна на болоте, методические указания. Сост. А.Ф. Колос, И.В. Колос. Санкт-Петербург, 2017

8. Труфанов А.И., Новоселов А.С. Геология, инженерная геология и гидрогеология: методические указания к проведению учебной практики. – Вологда: ВоГТУ, 2010. – 32 с.

9. https://ru.wikipedia.org/wiki/Вологодская_область