11.6. Проектирование насыпей на слабых основаниях

К слабым относят основания насыпей, сложенные полностью или частично слабыми грунтами (см. разд. 11.2). К насыпям на слабых основаниях предъявляются следующие дополнительные требования:

должна быть обеспечена устойчивость основания, т.е. должно быть исключено боковое выдавливание слабого грунта из-под насыпи (если это не предусмотрено как способ удаления слабого грунта);

должна быть обеспечена стабильность основания, т.е. интенсивная часть осадки должна завершиться до устройства покрытия (исключение допускается при применении сборных покрытий в условиях двухстадийного строительства). За завершение интенсивной части осадки допускается принимать момент достижения 90 % консолидации основания или интенсивности осадки не более 2 см/год при капитальных дорожных одеждах и 80 % консолидации или интенсивности осадки не более 5 см/год при одеждах облегченного типа;

упругие колебания земляного полотна при движении транспортных средств не должны превышать значения, допускаемого для данного типа покрытия (для насыпей на торфяных основаниях).

Соблюдение условий проверяют расчетами. При расчете устойчивости определяют коэффициент безопасности:

К_без = p_без / p_расч, где (11.1)

p_без - безопасная нагрузка на основание;

p_расч - расчетная нагрузка на основание.

Коэффициент безопасности определяют для двух экстремальных схем приложения нагрузки к слабому основанию:

для схемы быстрой (условно-мгновенной) отсыпки насыпи на полную высоту с запасом на осадку

для схемы медленной отсыпки насыпи, при которой скорость передачи нагрузки соответствует скорости нарастания прочности основания в результате процесса консолидации

В соответствии с этим p_без и p_расч также устанавливаются для этих режимов.

Устойчивость основания считается обеспеченной при условии К_без ³ 1 (соответственно при быстрой отсыпке при медленной ).

Безопасная нагрузка

где (11.2)

с и j - расчетные значения сцепления и угла внутреннего трения слабого грунта на расчетном горизонте z;

g_Т - удельный вес грунта слабой толщи;

b - функция глубины расположения расчетного горизонта z, геометрических параметров насыпи и расчетного угла внутреннего фения грунта основания; для насыпей трапецеидального очертания р определяют по графикам (рис. 11.3);

q - расчетная нагрузка на толщу от боковых пригрузочных призм при их наличии.

Рис. 11.3. Графики для определения коэффициента b в зависимости от относительной глубины расположения V = z/b и очертания насыпи 2а/В при различных q:

Знак min у первого слагаемого правой части означает, что должен быть найден такой горизонт z, для которого отношение, стоящее в скобках, будет иметь минимальное значение.

При оценочных расчетах p_без можно определять по зависимостям, имеющим упрощающие допущения, идущие в запас прочности, представленным в табл. 11.18. При использовании таблицы следует иметь в виду, что степень приближенности формул в таблице увеличивается снизу вверх, т.е. запас, содержащийся в самих зависимостях, увеличивается от формулы (7) к формуле (1). Формулы, приведенные в таблице, относятся к насыпям без боковых пригрузочных призм.

При использовании табл. 11.18 во всех случаях, когда в качестве допущения принято условие (j = 0 или g_Т = 0, в расчет следует вводить приведенное сцепление c_np= с(1 + sinj).

Таблица 11.18.

Формулы для оценки p_без

Расчетная формула		Основные упрощения
pбез = 3,14с	(1)	Эпюра нагрузки в виде прямоугольника: j=0; слабая толща в виде полупространства; с - постоянно по глубине
	(2)	Эпюра нагрузки в виде прямоугольника: слабая толща в виде полупространства; gТ = 0; с - постоянно по глубине
	(3)	Слабая толща в виде полупространства: j = 0; с - постоянно по глубине
	(4)	Слабая толща в виде полупространства: j = 0; с - постоянно по глубине; gТ = 0
	(5)	j = 0; с - постоянно в пределах слабого слоя
	(6)	Слабая толща: gТ = 0
	(7)	с и j постоянны в пределах слабого слоя

Примечания: 1. b_max(j) - максимальное значение коэффициента b, определяемое для данного j при 2а/В = 0.

2. b_max(o)(2а/В) - максимальное значение коэффициента b, определяемое по графикам для j = 0 при заданном значении 2а/В.

3. b_o - коэффициент b, определяемый по графикам для j = 0 при заданном значении 2а/В для расчетной глубины z.

4. b(j, z, 2а/В) - значение b для заданных, j, с и 2а/В.

При расчетной нагрузке p_рас < 0,075 МПа и сцеплении с ³ 0,012 МПа приведенное сцепление:

Максимальное значение b при различных значениях j и 2а/В.

при 2а/В < 3 можно применять упрощенную формулу:

при высоте насыпей менее 2,5-3,5 м

b_max = 0,310 - 0,006j,

При определении p_без для быстрой отсыпки насыпи в расчетные формулы подставляют значения j и с, отвечающие природному состоянию грунта слабой толщи по плотности - влажности j_нач и с_нач.

При определении p_без для медленной отсыпки подставляют значения j и с, определяемые в опыте по схеме консолидированных сдвигов с дренажом: кажущийся угол трения j' и кажущееся сцепление с'. Допускается также использовать значения (j_кон и с_кон, отвечающие конечной плотности - влажности слабого грунта после завершения его уплотнения под проектной нагрузкой от насыпи.

Расчетная нагрузка для условий быстрой отсыпки

p_рис = g_н(h_pac + S_кон), где (11.3)

g_н - удельный вес грунта насыпи;

h_pac - расчетная высота насыпи;

S_кон - расчетная конечная осадка основания под проектной нагрузкой от насыпи.

Для условий медленной отсыпки

p_рис = g_н(h_pac + z_г.в.) + g_н^(вз)(S_кон - z_г.в.), где (11.4)

g_н^(вз) - удельный вес грунта насыпи ниже расчетного уровня грунтовых вод;

z_г.в. - глубина залегания расчетного уровня грунтовых вод от поверхности земли (принимается наиболее низкое залегание грунтовых вод за период до капитального ремонта с 90 %-й обеспеченностью).

При толщине насыпного слоя более 2,5 м (включая эквивалентную толщину дорожной одежды) за расчетную высоту насыпи h_pac принимают фактическую (проектную) ее высоту, включая дорожную одежду по оси над поверхностью земли. При меньшей толщине учитывают влияние подвижной нагрузки:

где

s_о - расчетное давление на поверхности проезжей части от колеса (или гусеницы) расчетного транспортного средства;

- коэффициент приведения подвижной нагрузки.

Для колесной нагрузки:

при Н > В/4

при Н > В/4

где

Н - мощность слабой толщи;

В - ширина земляного полотна;

h - толщина насыпи по оси (с дорожной одеждой);

D - диаметр расчетного отпечатка колеса.

В зависимости от значений и определяют тип основания по устойчивости (табл. 11.19).

Таблица 11.19.

Тип основания по устойчивости

Тип основания	Определяющий признак	Характеристика устойчивости	Возможность использования слабой толщи в качестве основания
I		Устойчивость обеспечена при любом режиме отсыпки насыпи	Можно использовать в качестве основания при учете осадки
II		Устойчивость при быстрой отсыпке не обеспечена, но обеспечена при медленной отсылке	Можно использовать в качестве основания при обеспечении допустимого режима отсыпки, устанавливаемого расчетом, и учете осадки
III		Устойчивость не обеспечена ни при каком режиме отсыпки	Без конструктивных мероприятий в качестве основания использовать нельзя. Нужно удалить слабый слой или изменить конструкцию насыпи

Примечание. При приближенном определении типа основания по результатам испытаний слабого грунта в полевых условиях значение устанавливают без учета повышения прочности грунта (учитывают только эффект взвешивания). В этом случае тип II делят на два подтипа II-А и II-В. К подтипу II-В относят основания при При основание относят к III типу. Подтип II-В после уточнения по данным лабораторных испытаний окончательно относят к типу II или III.

Прогноз конечной осадки

где

- модуль осадки слоя, устанавливаемый по компрессионной кривой при нагрузке, отвечающей вертикальному нормальному напряжению на уровне середины i-гo слоя;

Н_i - мощность этого слоя.

Для определения необходимо:

установить расчетные вертикальные напряжения на данном горизонте от расчетной нагрузки

р_z = a×р_рас, где

a - безразмерный коэффициент, зависящий от относительной глубины расположения горизонта, определяемый по графику (рис. 11.4);

Рис. 11.4. Графики для определения коэффициента а в зависимости от расчетной глубины горизонта U=2z/B при различных очертаниях насыпи (2а/В)

определить напряжения от собственного веса слабой толщи

р_с.в = g_срz, где

g_ср - средневзвешенный удельный вес слоев, расположенных выше горизонта (с учетом в зоне между уровнем грунтовых вод и водоупором эффекта взвешивания);

определить по компрессионной кривой модули осадки при р_z и р_с.в и их разность принять за расчетное значение .

Если осадка насыпи превышает 10 % ее высоты, необходимо учитывать в расчете нагрузку от просевшей части насыпи. Проще всего расчет выполняется графическим методом. Для этого вышеописанным способом определяют осадки для трех-четырех нагрузок р₀ и строят график осадки в зависимости от р₀. На тот же график наносят линейную зависимость нагрузки на поверхности от осадки, определяемую по формулам (11.3)-(11.4). Точка пересечения этих двух функций определит искомую осадку и расчетное значение нагрузки.

При насыпях высотой до 5 м и мощности слабой толщи не более двойной ширины насыпи понизу для прогноза осадки можно использовать формулу:

где

Е_шт - штамповый модуль деформации грунта слабой толщи;

Н_рас - расчетная мощность слабой толщи.

Прогноз хода осадки во времени выполняют раздельно для двух участков кривой осадки: участка первичной консолидации и участка вторичной консолидации. При мощности сжимаемой толщи меньше или равной ширине насыпи по средней линии для прогноза можно использовать одномерную схему. На участке первичной консолидации время достижения сжимаемым слоем Н относительной осадки l = S/H составляет

где

- консолидационный параметр, значение которого зависит от нагрузки р и относительной деформации l, устанавливаемый в опытах на одномерную консолидацию при нагрузке р;

H_ф - расчетный путь фильтрации воды, отжимаемой из слоя в результате консолидации, принимаемый равным мощности сжимаемой толщи Н при одностороннем дренировании или половине этой мощности Н/2 при двустороннем дренировании.

При приближенных прогнозах осадки на стадии первичной консолидации консолидационный параметр:

где

С_k - коэффициент консолидации, определяемый непосредственно путем консолидационных испытаний;

К_u - коэффициент, зависящий от степени консолидации U = l_i/l₁

(l_i - относительная деформация на любой заданный момент времени первичной консолидации;

l₁ - конечная относительная деформация, отвечающая моменту завершения первичной осадки).

Значения коэффициента К_u

U, %	0,20	0,30	0,40	0,5	0,6	0,7	0,8	0,85	0,9	0,95
Кu	0,03	0,07	0,12	0,20	0,29	0,40	0,57	0,69	0,85	1,13

При прикидочных расчетах без учета вторичной консолидации и без испытаний на консолидацию принимают l₁ = l_кон (l_кон - конечная относительная осадка сжимаемой толщи под расчетной нагрузкой р), а значение С_k определяют так:

где

К_ф - коэффициент фильтрации данного грунта;

- коэффициент уплотнения грунта;

- средний коэффициент пористости грунта;

e_н и e_р - коэффициенты пористости соответственно в природном (начальном) состоянии и после приложения расчетной нагрузки р;

р_н - природная нагрузка;

D_в - удельный вес воды.

Вместо последней формулы можно использовать выражение:

где

р - сжимающая удельная нагрузка, МПа;

е_р - модуль осадки грунта, мм/м.

Для обеспечения возможности использования слабого грунта в основании насыпи рекомендуются следующие конструктивно-технологические решения:

предварительная консолидация (возведение насыпи в замедленном режиме, определяемом скоростью консолидации, и упрочнения основания);

временная пригрузка;

снижение высоты насыпи;

уположение откосов;

грунтовые сваи в основании;

частичная замена слабых грунтов;

песчаные сваи-дрены;

вертикальные дрены;

насыпи из легких материалов;

боковые пригрузочные призмы;

распределяющая плита в основании;

предварительное осушение дорожной полосы;

дренажные прорези;

устройство свайного основания для насыпи (в том числе с гибким ростверком);

увеличение толщины насыпи.

Условия применения этих решений приведены в табл. 11.20.

Временная пригрузка. Требуемое значение временной пригрузки р_пр, обеспечивающей возможность достижения реальным слоем Н_ф заданной осадки за требуемое время Т_тр .

Таблица 11.20.

Классификация и условия применения конструктивно-технологических решений, обеспечивающих возможность использования слабых грунтов в основании насыпи

Основное назначение конструктивно-технологических решений	Определяющий результат	Рекомендуемые решения
		технологические	конструктивные
Повышение устойчивости основания	Уменьшение нагрузки		3; 9; 14
	Улучшение характера напряженного состояния		4; 10; 5;
			6; 11
	Увеличение сопротивляемости сдвигу грунта основания	1	5; 8; 13
Ускорение достижения допустимой интенсивности осадки	Уменьшение конечной осадки:
	уменьшение нагрузки	-	3; 9;14
	улучшение характера напряженно-	-	5; 11
	деформированного состояния
	Уменьшение мощности сжимаемой	-	6
	толщи (активной зоны)
	уменьшение сжимаемости грунта	12	7
	Ускорение процесса консолидации:
	увеличение уплотняющей толщи	2	-
	улучшение условий удаления поровой воды	-	8; 13; 6
Уменьшение влияния динамического воздействия транспортной нагрузки	Снижение напряжений от транспортной нагрузки	-	15; 11
	Повышение динамической устойчивости основания насыпи		5; 7; 6

Примечание. Цифры в таблице соответствуют порядковым номерам конструктивно-технологических решений, приведенных выше на странице 191

где (11.5)

b_l и р_l - консолидационные параметры, устанавливаемые в опыте на консолидацию при нагрузке р_рас;

Н_ф - расчетная мощность сжимаемого слоя (с учётом условий дренирования).

Для ориентировочных расчетов можно использовать зависимость

(11.6)

Расчет режима возведения насыпи методом предварительной консолидации. Влажность грунта на момент времени t, соответствующий осадке S_t.

где (11.7)

W_н - начальная влажность грунта основания;

W_k - конечная его влажность при расчетной нагрузке;

S_k - конечная осадка при той же нагрузке.

Расчет выполняют графоаналитическим методом в такой последовательности:

задавшись тремя-четырьмя значениями осадки S_t и зная расчетную (конечную) осадку S_k, вычисляют по формуле (11.7) значения расчетной влажности, отвечающие этим осадкам;

по экспериментальным кривым j_w = f(W) и c_w = f(W) определяют значения j_w и c_w для найденных влажностей;

при найденных значениях j_w и c_w по формуле (11.2) определяют значения безопасной нагрузки p_без и строят зависимость p_без = f(S_t);

полученную кривую заменяют ступенчатой линией, отображающей реальный режим отсыпки, таким образом, чтобы ее абсциссы не отличались более чем на 10% от абсцисс заменяемой кривой;

определяют расчетные значения вертикальных сжимающих напряжений в слое при принятых ступенях нагрузки и строят консолидационные кривые для ступеней в виде зависимостей осадки основания от времени при различных нагрузках на поверхности;

используя график реального режима отсыпки и построенные графики консолидации, строят график осадки во времени с учетом режима нагружения.

Полученный график дает возможность получить искомую зависимость режима нагружения и функции от времени, которую можно перестроить в технологический график (толщина насыпи от времени).

Расчет боковых пригрузочных призм. Требуемая толщина призмы:

где

p_o - проектная нагрузка на основание насыпи;

p_без - безопасная нагрузка для проектируемой насыпи без боковых пригрузочных призм;

g_пр - удельный вес грунта пригрузочной призмы.

Максимально допустимая толщина пригрузочной призмы

при этом где

j - угол внутреннего трения слабого грунта;

с - его сцепление.

Требуемая ширина пригрузочной призмы:

при мощности слабой толщи Н > Н_mах.

при Н < Н_mах.

где

b_сp - полуширина проектной насыпи (без пригрузочных призм по средней линии);

a - угол видимости:

Угол видимости a определяют, решая графическим способом уравнение:

Искомое значение a определяется первой от начала координат точкой пересечения синусоиды (левая часть равенства) и линейной (правая часть) функции от a.

Расчет вертикальных дрен. Для предварительной оценки эффективности применения дрен используют зависимость:

где

Т_о и Т_Д - время достижения заданной степени консолидации соответственно без дрен и с дренами;

Н_ф - расчетный путь фильтрации воды из толщи без дрен;

l - расстояние между дренами.

Уточненный расчет выполняют в форме проверки правильности назначения расстояния между дренами, при котором достигается заданная степень консолидации в заданное время.

Общая степень консолидации

U_об = 100 - 0,01(100 - U_г)(100 - U_в), где

U_в - степень консолидации основания в заданный момент времени Т без дрен при вертикальной фильтрации воды из основания при расчетной нагрузке;

U_г - то же при горизонтальной фильтрации к дренам.

Значения U_г и U_в устанавливают по графикам рис. 11.5.

Рис. 11.5. Графики для расчета вертикальных песчаных дрен: штриховая линия - для определения U_в; п - отношение расстояния между дренами (в свету) к их диаметру

Факторы времени, необходимые для определения U_г и U_в:

где

С_в и С_г - коэффициенты консолидации при вертикальной и горизонтальной фильтрации.

Диаметр песчаных дрен принимают в пределах 0,15-0,80 м. Для заполнения дрен используют песок с К_ф ³ 6 м/сут.

Расчет дренажных прорезей выполняют аналогично расчету дрен. При этом для определения степени консолидации при горизонтальной фильтрации используют график рис. 11.6.

Рис. 11.6. График для расчета дренажных прорезей

Расчет конструкции свайного основания с гибким ростверком насыпи на участке слабых грунтов.

1. Исходные данные:

мощность слабой толщи Н, м;

модуль деформации слабого грунта Е_о, т/м²;

высота насыпи h_н, м;

удельный вес и угол внутреннего трения грунта насыпи g, т/м³; j°.

2. Задаваемые параметры:

диаметр сваи D, м;

расстояние между сваями в осях L, м;

жесткость геополотна, используемого для ростверка G, т/м;

допустимая осадка межсвайного пространства D, м.

3. Проверка условия возникновения арочного эффекта:

При его соблюдении дальнейшие расчеты ведут по нижеприведенным формулам.

4. Определение расчетного давления грунта насыпи на сваи и проверка условия прочности свай по формуле:

s_св £ R_o, где

R_o - прочность материала свай на одноосное сжатие, т/м².

При соблюдении условия прочности ведем дальнейшие расчеты.

5. Расчетное давление на межсвайном пространстве:

6. Осадка поверхности межсвайного пространства:

7. Проверка условия допустимости осадки основания насыпи: D £ [D]

Для определения [D] используется зависимость:

где

[d] - допустимая осадка поверхности насыпи, принимаемая:

при жестких дорожных одеждах 0,02 м;

при капитальных нежестких одеждах 0,04 м;

при переходных одеждах 0,1 м.

При соблюдении условия допустимости осадки принимается конструкция без ростверка.

8. При не соблюдении условия допустимости осадки предусматривают устройство гибкого ростверка. Для этого задается величина допустимой осадки основания [D] и вычисляется расчетное относительное удлинение полотна по формуле:

Полученное значение l сравнивают с величиной

При l < l_min в расчет принимается l_min.

9. Определяют усилие растяжения в геополотне по формуле:

или по формуле:

При R < R_min b расчет принимается R_min.

10. Подбирают такое геосинтетическое полотно, которое при расчетном значении l развивает полученную величину сопротивления R (т/м) при условии, что R меньше прочности полотна на растяжение R_o (t/m).

При необходимости может быть применено двойное, тройное и т.д. полотно.

11. Определяют дополнительную нагрузку на сваю от ростверка и дополнительно проверяют прочность материала сваи: