Проектирование автомобильных дорог Часть 1

Предельная нагрузка на грунт, вызывающая его выжимание изпод насыпи с горизонтальным основанием, например возведенных на накатнике из бревен, по Л. К. Юргенсону составляет

где с — сцепление грунта; В — ширина насыпи понизу; Я — толщина слоя ■слабого грунта.

Для повышения устойчивости насыпей против выпирания сла­ бых грунтов в основании предусматривают ряд мероприятий:

уменьшение собственного веса насыпи, что достигается возведе­ нием ее из легких материалов (керамзита, котельного шлака или торфа), сооружением ячеистой насыпи из тощего бетона на легком щебне, в котором устроены воздушные прослойки путем закладки поперек насыпи пластиковых труб, или уменьшением высоты насы­ пи с устройством в ней гидроизоляционных прослоек;

увеличение коэффициента заложения откосов до 1:5—1: 10, что снижает касательные напряжения в грунте основания;

отсыпка рядом с насыпью вдоль ее откосов берм, вес которых противодействует выжиманию боковых призм подстилающего грун­ та. Размеры берм могут быть рассчитаны по уравнению (14.8) ис­ ходя из нагрузки <7= 6А, обеспечивающей устойчивость;

прокладка дороги на эстакаде и передача веса насыпи на плот­ ный подстилающий грунт через свайное основание;

отсыпка насыпи на жесткий настил, равномерно распределяю­ щий давление насыпи на большую площадь и препятствующий не­ равномерному погружению нзсыпи в грунт с максимумом в сере­ дине. Считают, что при этом прочность основания увеличивается на 10—20%. Некоторое повышение жесткости нижней части насыпи и лротиводействие неравномерному погружению грунта насыпи в подстилающий грунт достигается также устройством под насыпью прослойки из нескольких слоев прочного синтетического материа­ ла — геотекстиля. Сопротивление заведенных в тело насыпи на до­ статочное расстояние концов полос геотекстиля препятствует обра­ зованию выпуклого очертания подошвы насыпи, способствующей ее погружению в слабое основание с выжиманием грунта в сто­ роны;

уменьшение толщины слоя слабого грунта путем удаления его верхней части на основе расчета по уравнению (14.7);

предварительное (до отсыпки) осушение основания в случае возможности отвода воды в сторону или с применением иглофиль­ тров. Этим повышаются сцепление и внутреннее трение грунта, а уплотнение основания под действием собственного веса проте­ кает более быстро;

постепенное замедленное возведение насыпи с учетом нара­ стания прочности слабого грунта по мере его уплотнения с вы­ жиманием воды весом насыпи. Эффективным средством ускоре­ ния осадки является устройство вертикальных дрен.

281

Целесообразность применения того или иного способа должна быть основана экономическим сравнением с наиболее распростра­ ненным и испытанным решением — удалением слабого грунта и отсыпкой насыпи на расположенный ниже плотный грунт. Если насыпь на слабом основании устойчива против выпирания, должна быть рассчитана ее осадка для оценки дополнительных объемов земляных работ, необходимых для компенсации сжатия.

14.6. Определение осадки насыпей

Расчет осадки насыпей от сжатия подстилающего грунта сво­ дится к суммированию деформаций отдельных слоев от верти­ кальных напряжений. При слабых грунтах происходит и частич­ ное выдавливание грунта в сторону, создающее дополнительную осадку, но способы точного учета этого явления еще не разра­ ботаны.

Вертикальное нормальное напряжение от веса дорожной на­ сыпи в подстилающем грунте (см. рис. 14.11):

р

При расчетах осадки насыпей сжатие грунтового основания вычисляют в пределах ограниченного по глубине слоя грунта (активной зоны), условно принимая, что сжатие грунта прекра­ щается на глубине, на которой напряжения, вызываемые весом насыпи, становятся менее 0,2 от давления собственного веса грунтового основания 6Z. При сильно деформируемых грунтах целесообразнее принимать az=0,16z.

При подсчете давления от собственного веса грунта для слоев, расположенных ниже уровня грунтовых вод, а также в зоне пол­ ного капиллярного водонасыщения грунта ниже уровня менисков, учитывается взвешивающее действие воды. В этом случае плот­ ность грунта приближенно принимают равной 1 г/см3.

Осадку определяют суммированием деформаций отдельных слоев грунта, в пределах которых напряженное состояние и харак­ теристики деформации грунта (модуль деформации, параметры компрессионной зависимости) могут быть приняты постоянными. При этом фактическая эпюра распределения давления заменяется ступенчатой (рис. 14.14). 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

АА = haz/ E rp,

282

Рис. 14.14. Расчетная схема Пычнслення осадки от сжатия грунта под на­ сыпью:

ния расположенных ниже слоев грунта

а общая осадка дорожной насыпи составляет

деформацию нижерасполойсенных слоев грунта.

При вычислении осадок насыпей на сильно деформируемых грунтах, например на торфяниках или рыхлых грунтах, отсыпан­ ных при вертикальной планировке местности, приходится учиты­ вать нелинейность их деформаций, используя определяемые при испытании параметры уравнения компрессионной кривой по проф. Н. Н. Иванову, имеющий в единицах СИ вид

где в2 — коэффициент пористости при давлении р 2, МПа; во — коэффициент пористости при давлении р = 0 ,1 , МПа; А — коэффициент, характеризующий сжимаемость грунта и не зависящий от нагрузки.

Для.песков и супесей ео=0,4-^0,5 и А =25^-75, для суглинков «о>0,65 и А= 10-7-15. У торфов в зависимости от их коэффициен­ тов разжиженности значения ео составляют от 4 до 75, а 4 — от 10 до 4.

Сжатие слоя грунта толщиной ff при возрастании нагруэкй с Р\ до р2 составляет

Если основание состоит из нескольких слоев, различающихся ло деформируемости, или если мощность основания такова, что

283

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 на­ сыпью слоя торфа не должна превышать 0,5 см. Для этого отно­ шение толщины насыпного слоя грунта к толщине оставленного под насыпью слоя слабого грунта Н должно быть: не менее 2 (при Н= 1 м); 0,5 (при Н = 6 м) для одежд капитального и облег­ ченного типов и соответственно 1,2 и 0,4 —для одежд переходного типа.

14.7. Расчет скорости осадки насыпей

Уплотнение водонасыщенных грунтов под насыпью протекает замедленно. Скорость деформации зависит от коэффициента филь­ трации грунта, которая может колебаться в широких пределах. Так, например, для торфов в зависимости от их состава и сте­ пени разложенности коэффициент фильтрации составляет от М О -3 до 1-10"7 см/с.

Скорость осадки сооружений на торфяных и илистых основа­ ниях может быть определена по формулам теории уплотнения во времени водонасыщенных грунтов (теории фильтрационной кон­ солидации). Эта теория в ее простейших формулировках рас­ сматривает 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 крат­ чайшему расстоянию в вертикальном направлении и удаляется

при водонепроницаемых насыпях и дне болота, когда фильтрация происходит в поперечном направлении. В этом случае необходимо использовать более слож­ ные закономерности механики грунтов, разработанные проф. В. А. Флориным (см. Основы механики грунтов, т. II. М.: Госстройиздат, 1962).

284

i после приложения нагрузки, которое считается мгновенным,, выражается зависимостью

щина сжимаемого слоя, см (если выжимаемая вода удаляется через окну по­ верхность сжимаемого слоя — песчаная насыпь, глинистое дно болота,—I расчет­ ная толщина ftp равна полной толщине сжимаемого слоя Я; если вода может выходить с двух поверхностей — песчаные насыпь и дно болота,— расчетная тол­

свойствам, например из различных видов торфа, в формулу (14.15) вводят осредненное значение коэффициента фильтрации:

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 относительная осадка слоя толщиной Н в натуре, определится из соотношения

Если из расчета видно, что осадка насыпи не успеет прекра­ титься 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;

285

применить способ перегруз­ ки, который заключается в том, что вначале отсыпают высокую насыпь с крутыми откосами или укладывают на нее допол­ нительный слой грунта. Увели­ чение давления насыпи на грунт вызывает в этом случае более быстрое протекание осад­ ки. Перед укладкой покрытия насыпь разравнивают до про­ ектной отметки;

устроить вертикальный дре­ наж в виде буровых скважин, засыпанных крупнозернистым песком, или лент пористых материа­

лов, расположенных в плане через 1,5—3 м, в шахматном порядке или по квадратной сетке. На сильно разложившихся торфах или илах дренажи могут ускорить осадку насыпей в 20—25 раз. Вер­ тикальные дрены получили широкое распространение при мощно­ сти слабых оснований более 5—6 м;

устроить под земляным полотном продольные дренажные пес­ чаные прорези на расстоянии 1,8—2,4 м, что возможно при тол­

вертикальные стенки в период до заполнения выкопанных тран­ шей 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 уплот­ нения водонасыщенных грунтов, но учитывают и дополнительное уплотнение грунта основания в результате выжимания воды в дрены по горизонтальному направлению. В формулу соответствен­ но подставляют значения коэффициента фильтрации в горизон­ тальном направлении кГО, значение которого для торфов больше, нем коэффициент фильтрации kверт в вертикальном направлении.

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

.дренами к их диаметру (n=l/d). По оси абсцисс вспомогательных графиков отложены вспомогательные отвлеченные величины (фак­ торы времени), равные:

для горизонтальной фильтрации

:286

где бв — плотность воды.

Аналогичные графики имеются и для расчета дренажных про­ резей.

14.8. Устойчивость откосов земляного полотна

Для установления предельного очертания устойчивого откоса1 в связном грунте, имеющем угол внутреннего трения <р и сцепле­ ние с, представим себе грунтовый массив, ограниченный сверху" горизонтальной, а сбоку вертикальной поверхностями. Разделим: мысленно возможную призму обрушения вертикальными сечения­ ми на ряд составляющих призм равной ширины и рассмотрим условия равновесия одной из них (рис. 14.16). При этом допустим,

граням вертикальных сечений отсутствуют.

Выделенная призма (рис. 14.16, а) стремится сместиться по поверхности обрушения под действием касательной составляющей силы веса:

Т = Q sin а.

Силы сопротивлеция сдвигу слагаются из сил внутреннего тре­

где с — сцепление; <р — угол внутреннего трения.

Рис. 14.16. Схемы к определению поверхности устойчивого откоса:

287"

Полученная зависимость показывает, что верхняя часть откосов

всвязных грунтах можёт быть устойчива при большой крутизне,

ав нижней части высокие откосы должны быть пологими, с углом наклона, приближающимся к углу внутреннего трения (рис. 14.16,

£ ). Эта идея была развита проф. Н. М. Масловым в метод проек­ тирования устойчивых откосов в разнородных грунтах, названный им методом Fp. Метод исходит из предпосылок, что в момент обру­ шения в грунте действует гидростатическое распределение давле­ ния (коэффициент бокового давления £=1), а угол устойчивости откоса для любого грунта равен углу сдвига ф при давлении на врунт р, т. е.

,с

tg«l' = tg f + — .

Р

Для построения профиля устойчивого откоса (рис. 14.16, в) вы­ деляют по высоте ряд слоев в соответствии со слагающими его на­ пластованиями; для подошвы каждого из них определяют давле­ ние от собственного веса грунта:

Ph — ЕЬА*

Расчетные углы сдвига находят по выражению

ние откоса в состоянии предельного равновесия.

Очертание откоса назначают в соответствии с найденными зна­ чениями ф, начиная с подошвы откоса.

На практике для приближения формы откоса к очертанию ус­ тойчивого откоса применяют переменную крутизну его на разных участках по высоте или, сохраняя постоянную крутизну, вводят бер­ мы (рис. 14.17). Бермы уменьшают скорость стекания по откосу дождевых и талых вод, предотвращая его размывание. Они облег­ чают также ремонт и содержание откосов, позволяя осматривать их, подвозить и складывать материалы для ремонта.

:288

Рис. 14.17. Поперечные профили высоких насыпей:

а — с переменной крутизной откосов; б — с введением берм; 1 — берма

Наблюдения показали, что откосы насыпей обрушиваются по поверхностям, которые без существенных искажений могут быть приняты как круглоцилиндрические. Для проверки устойчивости откосов задаются положением ряда поверхностей скольжения и оп­ ределяют коэффициенты устойчивости сползающих частей откосов насыпи. Поверхность скольжения проводят через подошву откоса, не заглубляя в подстилающий грунт, если насыпь возведена на плотном основании. Если основание под насыпью мягкое водона­ сыщенное и малосвязное (ф <8°), должны быть исследованы так­ же кривые, захватывающие основание и выходящие за подошву на­ сыпи.

Метод круглоцилиндрических поверхностей может быть исполь­ зован также и при слоистых напластованиях, если их отдельные слои относительно мало отличаются друг от друга и расположены горизонтально или с уклоном от дороги. В выражение для коэффи­ циента устойчивости в пределах каждого отсека вводят значения <р и с, соответствующие свойствам грунта, пересекаемого поверх­ ностью скольжения, или направлению действия срезывающего уси­ лия (например, сланцеватых пород, у которых сопротивления сдви­ гу вдоль и поперек для поверхностей скольжения различны).

При малой разностц в свойствах грунтов и небольшой толщи­ не слоев в расчетные формулы вводят средневзвешенные значения сцепления и углов внутреннего трения:

Если какой-либо из пересекаемых слоев обладает пониженным сопротивлением сдвигу или его сопротивление сдвигу в разных на­ правлениях неодинаково, должен быть рассмотрен вариант сокра-

При суммировании учитываются знаки моментов. Нр согласна рис. 14.19 для каждой из выделенных призм:

R cos а = у; R sin а = х .

290