Проектирование автомобильных дорог Часть 1

//////////fry.

Рис. 14.5. Размещение в земляном полотне водонепроницаемого н водопроницае­ мого грунтов (точками показан водопроницаемый грунт, штриховкой — водоне­ проницаемый)

скольку отвалы этих материалов занимают большие площади, а со­ держащиеся в них растворимые соединения загрязняют поверхно­ стные и грунтовые воды.

В настоящее время доказано, что при рациональном располо­ жении в теле земляного полотна, обеспечивающем стабильность водного режима и защиту от доступа к ним влаги, практически все эти материалы можно использовать в земляном полотне, сконструи­ рованном по индивидуальным проектам.

При использовании для постройки насыпей грунтов различного •состава и свойств необходимо соблюдать определенные правила размещения их в теле насыпи, обеспечивающие устойчивость зем­ ляного полотна (рис. 14.5):

верхний слой земляного полотна («рабочий слой»), на который передается давление от проезжающих транспортных средств, до глубины 1,2 м от поверхности цементобетонных и 1 м асфальтобе­ тонных покрытий во II дорожно-климатической зоне и соответст­ венно на 1 и 0,8 м в III зоне должен состоять из грунтов, не подвер­ женных пучению или слабопучинистых грунтов. В IV и V зонах он должен быть отсыпан из непросадочных и нёнабухающих грунтов на глубину 1 и 0,8 м соответственно для цементобетонных и ас- 'фальтобетонных покрытий;

разнородные грунты следует размещать в теле насыпи горизон­ тальными слоями. Менее водопроницаемые грунты располагают в нижних слоях, хорошо дренирующие — в верхних. Исключением яв­ ляются случаи, когда дренирующий грунт предназначен для пре­ рывания капиллярного поднятия воды в насыпь из переувлажнен­ ного основания;

поверхностям слоев водонепроницаемых грунтов необходимо придавать двухскатный поперечный профиль с уклоном 20—40%о, что способствует стоку из насыпи просачивающейся воды; из слоев водопроницаемых грунтов должен быть обеспечен вывод воды на откосы;

грунты и промышленные отходы, подверженные изменениям

• объема или теряющие устойчивость при увлажнении, следует рас­

271

полагать в средней по высоте части насыпей, перемежая их от­ дельными тонкими прослойками песка или фильтрующих нетканых синтетических материалов — геотекстиля. Насыпи в виде замкну­ того ядра из одного грунта, прикрытого сверху и с боков другим грунтом, допускаются лишь при уширении земляного полотна при реконструкции дорог. Не разрешается уширение водонепроницае­ мым грунтом насыпей, построенных из дренирующего грунта;

воспрещается бессистемная, случайная отсыпка различных по свойствам грунтов. При такой отсыпке в теле насыпи могут обра­ зоваться линзы, в которых может скапливаться вода или наклонные поверхности, по которым при увлажнении возможно оползание.

14.3. Требования к степени уплотнения грунтов земляного полотна

Чтобы в теле насыпи не возникало просадок от уплотнения под действием собственного веса, давления проезжающих автомобилей и попеременного увлажнения и просыхания, пористость грунта должна соответствовать напряжениям, действующим внутри насыпи (рис. 14.6). Напряжения от собственного веса грунта возрастают пропорционально глубине расположения рассматриваемого слоя от поверхности покрытия. Внешняя нагрузка создает напряжения, за­ тухающие на некоторой глубине от поверхности. При невысоких на­ сыпях напряжения от транспортных нагрузок распространяются в подстилающий грунт и могут вызывать его уплотнение и просадку насыпи (рис. 14.7). В нижней части подталкиваемых водой насы­ пей могут действовать капиллярное давление, а также напряжения,, развивающиеся при усадке грунта во время его просыхания после спада высоких вод.

Для определения необходимой степени уплотнения грунтов вы­ соту насыпи разделяют на несколько зон. Требуемая степень уп­ лотнения грунта в каждой из зон назначается в соответствии с дей­ ствующими в ее пределах напряжениями и водно-тепловым режи­ мом грунта.

Требования к уплотнению грунтов земляного полотна нормиру­ ют по значению плотности скелета грунтов 6П, которую выражают в долях от максимальной стандартной плотности 6 гаах, соответст­ вующей так называемому стандартному уплотнению, выполняемо­ му в лаборатории при оптимальной влажности грунта. Отношение

6 п /6 т а х называют коэффициентом уплотнения.

Оптимальной влажностью называют влажность, при которой не­ обходимое уплотнение грунта может быть достигнуто при меньшей работе на уплотнение по сравнению с другими влажностями. Этавлажность близка к среднему значению влажности грунта в резер­ вах в период выполнения земляных работ во II и III дорожно-кли­ матических зонах СССР.

272

В верхнем слое насыпи («рабочий слой») толщиной до 1,5 м и 9 пределах зоны сезонного промерзания в выемках и основаниях низ­ ких насыпей до глубины 1,2 м действуют статические и динамичег ские напряжения от проезжающих автомобилей, а также интенсив­ но протекают процессы увлажнения и просыхания грунта в кругло­ годичном цикле изменения водного режима земляного полотна. Уплотнение грунтов в этой зоне должно соответствовать для связ­ ных грунтов давлению внутренних сил, вызывающих усадку, а для супесей, легких суглинков и песков — напряжениям от автомобилей. Грунты, чрезмерно уплотненные в период строительства, в клима­ тических районах, где в зимний период происходят интенсивные процессы миграции влаги и накопления ледяных линз, после не­ скольких лет эксплуатации претерпевают некоторое разрыхление, поэтому их при строительстве уплотняют сильнее.

В средних слоях насыпей на расстоянии до 6 м от бровки при отсутствии подтопления и ниже слоя сезонного промерзания в вы­ емках водный режим грунта относительно постоянен, а напряже­

сколько меньшая степень уплотнения грунта, чем в верхних слоя#. Для нижних слоев насыпей на глубине от бровки более 6 м, где грунт при кратковременных подтапливаниях может подвергаться капиллярному увлажнению и последующему просыханию, к степе­ ни уплотнения грунтов предъявляются требования, близкие к тре­

бованиям к верхним слоям насыпей.

В насыпях на участках, подтапливаемых водой длительное вре­ мя, нижние слои, постоянно расположенные ниже уровня воды, ра­ ботают в условиях сжатия под влиянием веса вышерасположеьных

273

цементобетонным покрытиям и одеждам с цементогрунтовыми основаниями.

слоев насыпи и внешней нагрузки. В них устанавливается степень уплотнения, соответствующая компрессионной зависимости.

В связи с различием в условиях работы грунтов в разных слоях насыпи в разных климатических зонах и в зависимости от типа ук­ ладываемой на нее дорожной одежды требования к коэффициенту уплотнения насыпей меняются (табл. 14.1).

14.4. Устойчивость земляного полотна на косогорах

Насыпь, возведенная на косогоре, может сползти вниз, если на­ правленная параллельно косогору составляющая ее веса окажется больше силы трения, удерживающей насыпь на месте (рис. 14.8).

Согласно рис. 14.8 удерживающая сила

где i — поперечный уклон косогора.

Мероприятия по повышению устойчивости насыпей на косогорах сводятся к увеличению значения коэффициента трения /. При по-

274

перечном уклоне местности от 1: 10 до 1:5 из-под насыпи обя­ зательно удаляют дерн. При поперечном уклоне -местности от 1:5 до 1:3 на поверхности косогора устрагивают уступы высотой 0,5 м.

Разделка косогора ступеня­ ми преследует.цель заменить недостаточное сопротивление

скольжению грунта по поверхности косогора более высоким сопро­ тивлением 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 ко­ согорах, сложенных из песков или слабосвязных щебенистых грун­ тов, устройство уступов не достигает цели. В подобных случаях, а также при уклоне местности более 1:3, для обеспечения устой­ чивости насыпи необходимо возводить подпорные стены или отсы­ пать контрбанкеты.

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

По предложенному проф. Г. М. Шахунянцем методу проверка устойчивости сводится к выделению в оползающей части массива в соответствии с очертаниями поверхности скольжения вертикаль­ ных отсеков (рис. 14.9) таким образом, чтобы основание отсека можно было принять прямолинейным, и к оценке устойчивости каждого из отсеков под влиянием собственного веса и передающе­ гося давления смежных отсеков. При этом каждый отсек рассмат­ ривается как затвердевший массив.

Давление, передающееся от i-ro отсека на нижерасположенный (/+ 1)-й отсек,

ности скольжения; <р — угол внутреннего трения сползающего грунта; с — сцеп­ ление грунта.

Если для вышерасположенной секции сила У7, - 1 имеет отрица­ тельное значение, то ее в расчет не вводят.

275

Рис. 14.9. Схема к определению устойчивости грунта против сползания по плот­ ным подстилающим породам:

а — разбивка на отсеки; б — условия равновесия одного отсека

Последовательно рассматривая условия устойчивости группы •отсеков, можно определить места наиболее вероятного возникнове­ ния трещин разрыва, соответствующие границам отсеков со значе­ ниями КУ[ , меньшими 1, и мест образования бугров выпирания у

нижних границ тех же отсеков.

14.5. Устойчивость земляного полотна на слабых основаниях

К слабым относят грунты, которые теряют устойчивость под действием собственного веса в откосах выемок типового попереч­ ного профиля и под давлением насыпей в их основаниях, а также претерпевают значительные и медленно протекающие осадки. К их числу относят ^рунты, имеющие при угле внутреннего трения ф, близком к нулю, сопротивление сдвигу, измеренное в условиях ес­

лях, илах, мокрых солончаках, лёссовых грунтах, переувлажненных глинистых грунтах, иольдиевых глинах и др.), могут значительно проседать из-за уплотнения грунта основания и его выжимания в стороны из-под насыпи. Деформации чаще всего происходят в пе­ риод строительства или вскоре после возведения насыпи, но в не­ которых случаях могут возникать и во время последующей эксплу­ атации, например при длительной стоянке тяжелых нагрузок на на­ сыпях, отсыпанных на болоте, или в результате застоя воды около насыпей на просадочных.грунтах.

Зависимость между давлением на грунт и его просадкой в об­ щем виде выражается кривой, представленной на рис. 14.10. На этой кривой могут быть выделены участки, характеризующие разные фа­ зы процесса деформации. В пределах участка ОА зависимость меж­ ду нагрузкой и деформацией близка к прямолинейной, здесь проис­

276

ходит преимущественно сжатие подстилающего грунта. При даль­ нейшем возрастании нагрузки в отдельных точках подстилающего грунта касательные напряжения начинают превышать его сопротив­ ление 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 бо­ кам насыпи и ее просадкой.

При проектировании насыпей на слабых основаниях в зависи­ мости от назначения насыпей предусматривают работу оснований

вследующих фазах:

впервой фазе деформаций — насыпи на дорогах с капитальны­ ми цементобетонными и асфальтобетонными покрытиями (расчет на полное отсутствие сдвигов в основании);

вначальном периоде второй фазы — деформации насыпей на до­

рогах с покрытиями облегченных типов (ограничение распростра­ нения сдвигов заданным значением) ;

в конечном периоде второй фазы — струенаправляющие и регу­ ляционные сооружения, дороги местного значения с покрытиями пе­ реходных типов (условия, близкие к предельному равновесию).

Напряжения в грунте основания, вызываемые нагрузкой от на­ сыпей, определяют по формулам теории упругости для бесконечной гибкой полосы, загруженной в поперечном сечении по закону тра­ пеции. Это не вносит существенной погрешности в результаты рас­ четов, так как в этом случае напряжения очень мало отличаются от напряжений в случае приложения такой же нагрузки к гибкой пло­ щадке равной ширины с соотношением сторон 1: 10.

Рис. 14.10. Зависимость между нагрузкой и деформацией:

277

Расчет на полное отсутствие сдвигов в основании требует, что­ бы наибольшее касательное на­ пряжение под нагрузкой от насы­ пи не превышало сопротивления грунта сдвигу.

При этом принимают, что со­ противление грунта на глубине z. от подошвы насыпи

Значения cw назначают в зависимости от влажности грунта ос­ нования: при быстром загружении — при влажности в условиях ес­ тественного залегания, при медленном загружении — при влажно­ сти, соответствующей закончившемуся процессу уплотнения под ве­ сом насыпи. Значения фц, принимают в зависимости от скорости приложения нагрузки. При мгновенном приложении нагрузки фщ,=

=0.

Взапас прочности иногда пренебрегают влиянием угла внутрен­ него трения, который у слабых грунтов относительно невелик, т. е. при проектировании стремятся обеспечить соотношение тт ах<Си>-

Максимальные касательные напряжения под насыпью

Для точек, расположенных на оси насыпи, где максимальные касательные напряжения имеют наибольшее значение, зависимость упрощается:

Значения входящих в формулу членов показаны на рис. 14.11. Углы а должны быть выражены в радианах.

При встречающихся на практике высотах насыпей и колебаниях крутизны их откосов величины максимальных касательных напря­

сыпь устойчива против образования сдвигов в основании при соблю­ дении условия p ^ 3 c w.

Случай допущения частичного развития в грунте пластических деформаций наиболее сложен. Еще отсутствует общепризнанная точка зрения на допустимую глубину распространения зон пласти­ ческих деформаций в толщу слабого грунта, а точные методы рас-

278

Рис. 14.12. График значений коэффициента 0 при <р=0 (а) и при <р=5° (б)

Значения отношений 2a/b: 1 — 10,0; 2 — 3,0; 3 — 1,0; 4 — 0.6; 5 — 0,2

чета напряжений при упругопластических деформациях грунта под насыпями еще не разработаны.

Если исходить из принятого в фундаментостроении решения о допустимости распространения пластической зоны на глубину, рав­ ную четверти ширины насыпи понизу и заменить трапецеидальную эпюру нагрузки равновеликой по площади прямоугольной с основа­ нием В, то допустимое давление на грунт с плотностью б

При быстрой отсыпке насыпей на водонасыщенное слабое осно­ вание предельная допустимая нагрузка по В. Д. Казарновскому определяется минимальным значением, вычисленным для разных относительных глубин г/Ь,

где сНач, фяач — сцепление и угол внутреннего трения грунта основания при влажности в условиях естественного залегания; у — средняя плотность грунта основания; р — функция фнач, формы эпюры нагрузки 2afb и относительной глу­

бины z/b.

Примеры графиков для определения р для фНач=0 и 5° приве­ дены на рис. 14.12.

Если грунты оснований деформируются в условиях третьей фа­ зы, выжимание из-под насыпи однородного грунта, залегающего на значительную глубину, происходит с образованием в нем криволи­ нейных поверхностей скольжения (рис. 14.13). Просадка насыпи

279

Рис. 14.13. Схема к определению» устойчивости насыпей на слабых ос­ нованиях:

а — схема осадки насыпи с выжиманием грунтов основания и образования валов-

грунта, сжимаемого между двумя жестки­ ми плитами; г — схема к расчету устойчи­ вости насыпи на тонком слое слабого грунта по Л. К. Юргенсону; 1 — вал вы­ пирания; 2 — первоначальная поверхность грунта; 3 — призма выпирания; 4 — зоны пластических сдвигов; 5 — уплотненный

клин вдавливания

может происходить как с двусторонним, так и с односторонним выпиранием подстилающего грунта.

При возведении насыпи на слабых основаниях, мощность кото­ рых велика по сравнению с шириной ее понизу, давление от на­ сыпи, вызывающее боковое выпирание однородного грунта, может быть определено по формулам механики грунтов, рассматриваю­ щим устойчивость грунтов в основаниях из условия предельного равновесия.

Предельное давление от насыпи, превышение которого вызыва­ ет выжимание из-под нее гранта, по формуле Прандтля с поправ­ кой Тейлора на влияние собственного веса грунта составляет

(14.8>

где б — плотность грунта; А — глубина погружения насыпи в грунт; cw — сцепление грунта; <р — угол внутреннего трения.

Если давление насыпи на грунт- рх превышает предельное зна­ чение давления на грунт, при А = 0 возникает боковое выжимание,, прекращающееся после достижения осадкой такого значения, при котором давление Р\ = Р-

Метод расчета по условиям предельного равновесия применим для случаев, когда толщина слоя деформируемого грунта под на­ сыпью составляет не менее чем 1,5 ширины насыпи понизу. При меньшей толщине деформируемого слоя для оценки предельного значения давления на грунт должен быть применен метод оценки сопротивления выдавливанию тонких слоев слабого грунта (рис. 14.13,в), разработанный акад. Л. К. Юргенсоном. Этот метод осно­ вывается на анализе пластического течения слоя материала, сжи­ маемого между двумя параллельными жесткими поверхностями.

Сопротивление выдавливанию слабых оснований под насыпями с параболическим очертанием подошвы принимают в 2 раза мень­ шим.

280