Страница 3: Методические рекомендации по разработке выемок в глинистых грунтах влажностью выше оптимальной и использованию этих грунтов для возведения насыпей автомобильных дорог (33049)

Расчеты осуществляют в такой последовательности:

оценивают устойчивость откосов по прочности и определяют рациональную конфигурацию конструкции при допустимой степени влажности используемого грунта;

определяют на основе реологического анализа длительную устойчивость откосов и выполняют прогноз деформаций ползучести;

для расчетной конфигурации насыпи устанавливают конечную величину осадки нестабильных слоев грунта повышенной влажности и время ее завершения.

5.2. Для оценки устойчивости откосов насыпей по прочности следует использовать метод круглоцилиндрической поверхности скольжения (КЦПС) в интерпретации Союздорнии с применением ЭВМ для массовых расчетов.

При залегании в основании грунтов повышенной влажности, переувлажненных или слабых необходимо оценивать устойчивость основания также методом КЦПС. Расчетная кривая должна при этом проходить в слабых грунтах основания.

Для выполнения расчетов устойчивости необходимы следующие данные: рабочие отметки насыпи по всей длине участка ее сооружения из грунтов выемки; диапазон влажности разрабатываемых грунтов; зависимости прочностных характеристик грунта насыпи и ее основания w, Сw, w, Сc от влажности в зоне сдвига.

5.3. Расчет устойчивости выполняют для нескольких (по менее трех) рабочих отметок (высот насыпей) и нескольких заложений откосов. Рациональную конфигурацию откосов для каждой рабочей отметки определи -ют следующим образом. Рассчитывают общую устойчивость насыпи высотой Н при нескольких заложениях откосов, принимаемых, например, по табл. 4.1. Для каждого заложения и каждой i-й пары прочностных характеристик используемого грунта Сwi и tg wi или Сci и tg wi определяют коэффициент устойчивости насыпи данной высоты. Причем каждая пара значений прочностных характеристик грунта должна соответствовать одному из значений влажности в расчетном диапазоне. По результатам расчета строят зависимости коэффициентов устойчивости К1 (для Сwi и tg wi) и К2 (для Ссi и tg wi) от влажности для конкретной рабочей отметки (высоты насыпи) Н и различных заложений откоса mi : К = f (W) (рис. 5.1).

Этот график может быть перестроен и представлен в виде зависимости коэффициента устойчивости от заложения откоса при различных значениях влажности для конкретной высоты насыпи (рис. 5.2).

5.4. Проектирование расчетной (по условию прочности - первое предельное состояние) конфигурации откосов насыпей при Н  12 м осуществляют следующим образом.

По оси абсцисс графика К1 = f (W) откладывают расчетный, а также допустимый (см. табл. 1.1) диапазоны влажности для данного грунта; по оси ординат - значение требуемого коэффициента устойчивости Ктр (см. п. 5.6). Через точку, соответствующую значению Ктр на оси ординат, проводят прямую, параллельную оси абсцисс; точки пересечения с кривыми К1 = f (W) при mi = const сносят на ось абсцисс. Точки пересечения прямой, проведенной через точку, соответствующую Ктр, с кривыми для различных заложений откоса будут соответствовать их расчетным значениям, а величины абсцисс для этих точек - расчетному значению допустимой влажности грунта.

Рис. 5.1. Зависимость прочностных характеристик грунта и коэффициента устойчивости откоса от влажности грунта

5.5. В диапазоне допустимых влажностей грунта при К1 = Ктр на основе построенных по результатам расчета графиков (см. рис. 5.1, 5.2) для данной рабочей отметки насыпи получают несколько расчетных заложений откосов, каждое из которых соответствует определенному допустимому (по степени влажности грунта) значению влажности.

Рис. 5.2. Зависимость коэффициента устойчивости насыпи высотой 20 м

от показателя заложения откоса при различной влажности грунта: ____ - при расчете устойчивости по К1; - - - - то же, по К2

Выбор заложения (крутизны) откоси для заданной рабочей отметки осуществляют в зависимости от степени влажности используемого грунта. Допустимая степень влажности конкретного грунта в конструкции насыпи определяется (при заданной высоте) максимально возможным заложением откосов по условиям размещения земляного полотна и полосы отвода, однако она не должна превышать значений, приведенных в табл. 1.1.

Окончательный выбор расчетного заложения и допустимой степени влажности грунта следует осуществлять на основе технико-экономического обоснования.

5.6. Требуемый коэффициент устойчивости насыпи Ктр по прочности (первое предельное состояние) следует определять по выражению

(5.1)

где Кн - коэффициент надежности по назначению сооружения (см. СНиП 2.02.01-83), Кн = 1,25 - для дорог I категории, Кн = 1,1 - для II и Кн = 1,1 - для III категории;

nc - коэффициент сочетания нагрузок; nc = 10,9;

no - коэффициент перегрузки; no = 1,1 - для выемок, no = 1,2 - для насыпей;

то - коэффициент условий работы; то = 0,9 - для пылевато-глинистых грунтов в стабилизированном состоянии (выемки), то = 0,85 - в нестабилизированном состоянии.

5.7. При необходимости сооружения насыпей из суглинков тяжелых пылеватых и глин следует выполнить прогноз возможной потери устойчивости откосов во времени, уточнить параметры конструкции и диапазон допустимой влажности грунта.

С этой целью определяют коэффициент устойчивости по порогу ползучести (К2) для запроектированной из условия прочности (К1) конструкции насыпи. Расчетные значения tg w и Сc должны соответствовать установленному значению допустимой влажности.

Если К2  1, то длительная устойчивость откосов насыпи обеспечена. При К2 < 1 в откосах насыпи возможны деформации ползучести; в этом случае необходимо оценить их устойчивость при учете только остаточной прочности грунта (Коу).

Расчет осуществляют по методу КЦПС, подставляя в формулу для определения коэффициента устойчивости значения параметров остаточной сдвиговой прочности tg n и w, соответствующие расчетной влажности. Если условие Коу  1 не удовлетворяется, то следует рассмотреть вопрос о снижении рабочей отметки насыпи, изменении ее конфигурации или уменьшении допустимой влажности грунта.

5.8. В тех случаях, когда К2 < 1, но Коу  1, следует оценить величину деформации ползучести за период межремонтного срока службы дороги.

Прогнозируемое значение деформации опускания бровки Z (м) определяют по зависимости

(5.2)

где т - крутизна откоса;

Д - коэффициент деформируемости, м2/с;

t - расчетный период, равный межремонтному сроку службы автомобильной дороги, с.

Коэффициент деформируемости рассчитывают по формуле

(5.3)

где  - плотность грунта, кг/м3;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

 - единичное сечение площадью 1 м2;

w - коэффициент вязкости грунта насыпи при допустимой влажности, установленной при оценке устойчивости откосов по прочности, Па·с.

Расчетные значения коэффициента вязкости, необходимые для определения коэффициента деформируемости Д, следует принимать: для четвертичных суглинков и глин - 1·1013 Па·с, дочетвертичных суглинков - 1·1012 Па·с, жирных глин - 1·1011 Па·с.

5.9. Прогнозируемое значение Z сравнивается с допустимыми значениями Zo (табл. 5.1), принимаемыми из условия нераспространения деформаций ползучести под дорожную одежду.

Таблица 5.1

Если Z < Zo, то изменение отметки бровки удовлетворяет условиям эксплуатации насыпи, в частности безопасности движения.

В противном случае необходимо предусмотреть мероприятия, обеспечивающие нормальную эксплуатацию насыпи: уменьшение допустимой влажности грунта для данной конструкции насыпи; увеличение показателя крутизны откосов при ранее установленной допустимой влажности; применение специальных конструктивных элементов в виде армирующих грунтовых прослоек (см. разд. 6).

5.10. При сооружении насыпей из глинистых грунтов (с влажностью выше оптимальной) дочетвертичного возраста (например, палеогеновых, неогеновых и т.п.) определяют коэффициент устойчивости К2 откосов, используя только характеристики порога ползучести tg w и Сс. Проектирование требуемого заложения осуществляется с учетом рекомендаций пп. 5.3-5.5. Значение К2 для принятой высоты и заложения, соответствующее допустимому коэффициенту увлажнения, не должно превышать единицы. Реологический анализ в этом случае не проводят.

5.11. После определения расчетной конфигурации насыпи оценивают осадку конечную и во времени. С этой целью выполняют расчет: величины конечной осадки, времени ее постижения; времени достижения заданной относительной деформации (например, соответствующей 80 или 90 % конечной осадки), интенсивности уплотнения на заданный период времени, времени достижения допустимой интенсивности уплотнения Для данного тина покрытия (в соответствии со СНиП 2.05.02-85, п. 6.30), плотности грунта расчетного слоя, достигаемой в процессе его доуплотнения под нагрузкой от собственного веса и веса вышележащих слоев насыпи.

Полученные данные следует использовать для обоснования дополнительных объемов грунта ( запас на осадку), времени устройства покрытия и оценки достигаемого коэффициента уплотнения в консолидируемой зоне.

5.12. Перед выполнением расчета осадки составляют расчетную схему, разделяя запроектированную конструкцию насыпи на две зоны - консолидируемую (активную) под нагрузкой от веса грунта вышележащих слоев ha и неконсолидируемую (пассивную) hп.

Мощность неконсолидируемой (пассивной) зоны устанавливают по формуле

(5.4)

где Рo - предельная (пороговая) нагрузка от собственного веса вышележащих слоев грунта, под воздействием которой происходит доуплотнение нижележащих слоев, МПа;

w - удельный вес грунта насыпи, Н/см3; w = sg.

Для глинистых грунтов с влажностью (1,11,4) Wo и плотностью, соответствующей степени уплотнения (0,80,95) dmax, величина пороговой нагрузки составляет 0,025-0,1 МПа (0,25-1 кгс/см2) (dmax - максимальная плотность сухого грунта).

Мощность консолидируемой (активной) зоны ha устанавливают по разности общей высоты насыпи (ее рабочей отметки) и мощности пассивной зоны hп:

(5.5)

где Н - высота насыпи, м (отсчет ведется от проектной отметки).

5.13. Для оценки величины доуплотнения слоев консолидируемой зоны выполняют расчет осадки.

Для этого выделяют в консолидируемой зоне расчетные слои грунта (рис. 5.3) и устанавливают их мощность и показатели физико-механических свойств.

Рис. 5.3. Расчетная схема для прогноза осадки: 1 - неконсолидируемая (пассивная) зона насыпи hп; 2 - то же, консолидируемая (активная) ha;

3 - нагрузка от веса грунта неконсолидируемой зоны и собственного веса

грунта консолидируемой зоны; 4 - расчетные слои; Zi - координата

середины слоя

5.14. При сооружении насыпей из неоднородных по составу или состоянию грунтов величина конечной осадки определяется как сумма осадок нестабильных слоев в консолидируемой зоне, а время завершения ее интенсивной части - по наиболее неблагоприятному слою, исходя из условий увлажнения, дренирования, величины передаваемой на расчетный слой нагрузки и водопроницаемости грунта.

5.15. При использовании однородного грунта конечную осадку определяют путем суммирования осадок каждого расчетного слоя в консолидируемой зоне, а время осадки - также по наиболее неблагоприятному слою.

5.16. Расчетные слои в консолидируемой зоне насыпи устанавливают по условию однородности напряженно-деформированного состояния грунта. Для этого определяют нормальные напряжения:

на поверхности расчетного слоя, расположенного непосредственно под дорожной одеждой и переходным слоем (hобщ), - как распределенную нагрузку от их веса ( Р = w hобщ);

на поверхности расчетного слоя, расположенного под неконсолидируемой зоной насыпи, - как распределенную нагрузку от веса всех остальных конструктивных слоев;

на поверхности последующих слоев - с учетом нагрузки от веса всех вышележащих слоев и веса дорожниц одежды;

на подошве расчетного слоя - как сумму напряжений ниаповерхности слоя и нагрузки от собственного веса грунта расчетного слоя.

Для ориентировочных расчетов осадки расчетная нагрузка Р для предварительно выделенных слоев может быть определена без учета изменения напряжений по высоте насыпи от веса вышележащих слоев по формуле

5.17. Для оценки степени однородности слоя на основе компрессионных зависимостей необходимо определить модули осадки, соответствующие максимальному и минимальному напряжениям в предварительно выделенном расчетном слое. Слой считается однородным, если найденные компрессионные параметры отличаются друг от друга но более чем на 10 %.

5.18. Для расчета осадки грунта в консолидируемой зоне по результатам компрессионных испытаний для каждого расчетного слоя определяют модуль осадки грунта lpzi = p · 1000 мм/м, где p - относительная деформация, соответствующая расчетной нагрузке на данный слой (рис. 5.4).

а) б)

Рис. 5.4. Зависимость относительной деформации образцов глинистых грунтов

от нагрузки при коэффициенте увлажнения Kw1 (а) и Kw2 < Kw1 (б):

1, 2, 3, 4, 5 - при коэффициентах уплотнения

соответственно Kу1 > Kу2 > Kу3 > Kу4 > Kу5

Осадку грунта S (м) рассчитывают по формуле

(5.6)

где lpzi - модуль осадки грунта по компрессионной кривой, соответствующий расчетной нагрузке на глубине zi для данного слоя, мм/м;