Глава XIV Проектирование земляного полотна

§ XIV.1. Требования к устойчивости земляного полотна

Для движения автомобилей с большими скоростями необходимо, чтобы ровность покрытий оставалась неизменной в течение всего пе­риода эксплуатации дороги. Это может быть достигнуто только при прочном и устойчивом земляном полотне, не дающем просадок и не подверженном процессам пучинообразования. Под прочностью зем­ляного полотна понимается его способность сохранять, не деформируясь при действии внешних сил и природных факторов, приданные ему при строительстве форму и размеры; под устойчивостью — сохранение предусмотренного проектом положения в пространстве без смещений и просадок.

При возведении земляного полотна часто нарушаются условия равновесия поверхностных слоев земной коры. Прорезание наклон­ных пластов грунта при устройстве выемок может вызвать оползание их откосов. Насыпи, отсыпанные на косогоре, могут смещаться вниз по склону. Торфяные и водонасыщенные илистые основания могут выжиматься из-под насыпи в сторону или медленно сжиматься под весом насыпи, отдавая насыщающую их воду. Кроме сдвигов или пере­мещений насыпей как целого массива, возможны деформации самой насыпи, вызываемые, например, уплотнением насыпного грунта под влиянием природных воздействий, собственного веса и напряжений от проезжающих автомобилей (рис. XIV.!).

Деформации от уплотнения грунта возможны не только в насыпях, но также и в выемках, и на участках с нулевыми отметками, если мате­риковый грунт в условиях естественного залегания недостаточно пло­тен (рис. XIV⁷.2). Потеря устойчивости земляного полотна может прояв­ляться также в изменении приданной ему при постройке правильной формы в результате оползания или бокового выпучивания откосов.

Устойчивость земляного полотна неразрывно связана с его водным режимом. Частой причиной сплывов и оползней откосов насыпей и* 26

6естественных склонов является их насыщение дождевой или паводко­вой водой.

Многолетний опыт дорожного и железнодорожного строительства позволил выработать конструкции устойчивого земляного полотна для благоприятных геологических условий—так называемые типовые поперечные профили земляного по­лотна¹⁴(см. § II.3). Однако в слож­ных грунтово-геологических усло­виях, а также при постройке вы­соких насыпей и глубоких выемок приходится вносить в типовые про­екты изменения, обеспечивающие устойчивость земляного полотна в сложных условиях работы или при неблагоприятных инженерно- геологических условиях.

Разработка индивидуальных про­ектов земляного полотна необходи­ма в следующих случаях:

высота насыпей и глубина вые­мок превышает 12 м;

насыпи возводятся на слабых основаниях, из переувлажненных глинистых грунтов или методом гидромеханизации;

земляное полотно расположено на крутых косогорах и оползне- еых участках;

выемки устраиваются в особо сложных гидрогеологических усло­виях (переувлажненные глинистые грунты, грунты слоистой тексту­ры, наличие водоносных слоев).

Методы расчета устойчивости земляного полотна основаны на за­кономерностях механики грунтов. При этом приходится учитывать особенности работы земляного полотна более сложные, чем усло-

Р11С. XIV I. Виды деформаций насы­пей

а — осадка от уплотнения грунта в геле насыпи; б — деформация осадкн от расте­кания переувлажненного грунта; в — опол­зание откоса насыпн; г — сползание насыпи по косогору; д — осадка со сжатием грун­та основания; е — осадка, а иногда боко­вое смещение из та выжимания слабого основания; ж—смещение из за оползания склона

Рис. Х1У 2- Виды деформаций выемок: а — оползание откоса выемкн в однород­ном грунте; б — то же. при слоистом на­пластовании; а — выжимание слабого грун­та на дне выемки под действием аеса от­косов;

1 — слабый груит

вия работ грунтовых основании гражданских и промышленных сооружений.

Фундаменты указанных сооружений при неблагоприятных грунтах возводят на сваях, передающих давление на прочные грунты, или за­кладывают ниже расчетной глубины промерзания, где водный и теп­ловой режимы грунта меняются в течение года в сравнительно узких пределах. Работа грунта в земляном полотне автомобильных дорог про­текает в условиях переменной степени увлажнения и меняющихся во времени температур, з результате чего сопротивление грунта нагрузкам неодинаково в различные периоды года, а в связи с переменностью по­годных условий и в разные годы. Таким образом, прочность земляного полотна непостоянна, и его устойчивость необходимо рассчитывать применительно К периодам наиболее неблагоприятного состояния грун­тов.

Расчеты устойчивости земляного полотна по необходимости всегда связаны со схематизацией представления о механизме деформаций и с допущением однородности грунтов по свойствам в пределах отдель­ных слоев. Поэтому при проектировании дорог наряду с расчетами устойчивости земляного полотна никогда не следует пренебрегать воз­можностью учета опыта службы находившегося в длительной эксплу­атации земляного полотна автомобильных и железных дорог, проходя­щих поблизости от проектируемой дороги.

Степень устойчивости земляного полотна против сползания, просад­ки и других деформаций характеризуют коэффициентом устойчивости, которым называют отношение сил или их моментов, удерживающих на­сыпь, к силам или моментам, сдвигающим насыпь.

Расчеты устойчивости дорожных насыпей ведут на собственный вес грунта и дорожной одежды. Нагрузка от автомобилей является дополнительной. Ее обычно учитывают, заменяя эквивалентным слоем грунта установленные по полосам движения на проезжей части и на обочинах колонны гусеничных нагрузок НГ-60 т/м (рис. Х1У.З).

Толщину эквивалентного слоя грунта насыпи определяют из выра­жения:

- + (То-Угр>#]. (XIV.!)

где р_г — нормативная нагрузка на одну гусеницу расчетной машины; В — ширина базы машины; 7_гр — плотность грунта верхней части насыпи; у₀ — плотность дорожной одежды; Н — толщина одежды

В сейсмических районах иног­да учитывают влияние ускорений от подземных толчков.

Коэффициент устойчивости за­проектированного земляного по­лотна должен превышать норма­тивный показатель устойчивости, Рис. Х1У.З. Замена нагрузки от авто- вычисляемый как произведение, мобилен эквииалентным слоем грунта частных коэффициентов, отра- 268

жающих влияние различных факторов. Его определяют из выра­жения

К^ = КгК₂К₃К,К₆К_м.

Эти коэффициенты учитывают:

/\г — степень надежности имеющихся данных о характеристиках грунтов. В зависимости от количества проведенных испытаний образ­цов и наличия св дений о работе сооружений из этих грунтов его при­нимают от I до 1,1;

К₂— значение дороги. Для дорог I и II категории К₂ = 1,03, III и IV — К_г = 1,0

К_я — степень ущерба для народного хозяйства, в случае перерыва движения при аварии сооружений (от 1,0 до 1,2);

К4 — соответствие расчетной схемы естественным инженерно- геологическим условиям (от 1 до 1,05);

/<₅— вид грунта и его работу в сооружении насыпь, основание, естественный массив (от 1,0 до 1,05).

К_м — надежность метода расчета и обеспечиваемый им коэффи­циент запаса. При расчете устойчивости откосов по методам Тер- цаги и Шахунянца К_м = 1 (см. § XIV.8), при расчете другими мето­дами коэффициент определяют как отношение коэффициента устой­чивости, полученного по данному методу к коэффициенту при расчете по методу Терцаги-, т. е.

К = ^К'^у

'ермаги

В совокупности нормативные! показатель устойчивости при расчетах земляного полотна может меняться в пределах от I до, 1,5.

Расчеты устойчивости грунтов в сооружениях, возведенных из грун­тов, и в основаниях сооружений должны основываться на надежных значениях характеристик прочности грунтов, которые могут быть полу­чены только путем их непосредственного определения в полевых усло­виях при производстве изысканий или испытания образцов с ненарушен­ной структурой в лаборатории.

Характеристики грунтов, входящие в расчеты деформации и устой­чивости оснований (модуль упругости и деформации, коэффициент Пуассона, угол внутреннего трения, сцепление), следует определять с учетом напряженного состояния в условиях залегания, а также воз­можного его изменения в процессе строительства и эксплуатации. Ис­пользование средних значений характеристик различных типов грунтов, таблицы которых приводятся в нормах, допустимо лишь при расчетах, предназначенных для ориентировочной оценки прочности или устой­чивости сооружений.

Расчетное состояние грунта, наиболее характерное для работы его в сооружении, необходимо устанавливать в каждом отдельном случае на основе анализа назначения сооружения и местных геофи­зических условий, учитывая, что в результате возведения сооружений или земляных работ могут существенно измениться условия залегания грунтов и их водНо-тептовой режим.

Характеристики прочности грунта, например сцепление с, угол внутреннего трения <р, модуль деформации Е, плотность грунта 6 существенно зависят от влажности грунта и степени его уплотнения. Поэтому по предложению проф. Г. М. Шахунянца для точного учета свойств грунта в расчетах устойчивости сооружений необхо­димо строить по материалам лабо­раторных испытаний грунтов гра­фики расчетных характеристик при разной влажности и плотности скелета грунта (рис. XIV.4).

Испытания следует выполнять при состоянии грунта, соответст­вующем его работе в сооружении в наиболее опасные для устойчивости периоды, а схема деформирования грунта в приборе должна соответ­ствовать условиям его работы. Следует различать методы испытаний грунтов ненарушенной структуры в естественных основаниях и грунтов нарушенной структуры, используемых как строительные материалы для возведения земляных сооружений. Так, например, водопроницае­мость структурных грунтов в целях расчета глубоких дренажных устройств должна изучаться на образцах с ненарушенной структурой. Учет фильтрации воды через насыпь-плотину придорожного водо­хранилища, отсыпанную из того же грунта, следует вести на основе испытаний образцов, уплотненных до оптимальной плотности после предварительного нарушения естественной структуры.

Расчетные значения характеристик грунтов определяют методами математической статистики на основе испытаний достаточно большого количества образцов, с тем чтобы получить устойчивые средние вели­чины. Число испытаний должно быть тем большим, чем ответственнее проектируемое сооружение,. Расчетные значения характеристик определяют по выражению

'„с

А — А

^л расч ^лср

УЛ'-1

гдй И_Ср—-среднее арифметическое значение показателя прочности по ре­зультатам параллельных испытан-ий; о — среднее квадратическое отклонение; N — число испытанных образцов; 1а — коэффициент Стьюдентв, учитывающий стадию проектирования и количество испытанных образцов Значения его^для надежности а = 0,95 меняются от 4,30 при Л' = 3 до 2,05 при N = 30

	' с	-8
ом	-1,30	-ш
0,60	-1,10	-1,80
Ц7б	-0,9	-1,70
ОД	-0,7	-щ
Ц58	-0,5	-1,66
	-о,з	-щ
.0,60	-0,1	-1,80