Г. Назначение конструкций укрепления откоса
Полученные в пунктах Б и В параметры волн служат основой для расчета и назначения типа и мощности защитной конструкции.
Высота насыпи в случае определения ее только гидравлическими условиями не должна быть менее
H = h0,33% + hrun1% + a, (П.8)
где h — глубина воды у основания откоса насыпи при уровне наибольшего паводка обеспеченностью 0,33 %;
hrun1% — высота наката волны на откос;
а — запас 0,25—0,5 м.
При соответствующих условиях высоту насыпи следует поднимать, учитывая нагон и подпор воды. В данном примере высота насыпи Н = 1,45+1,51 + 0,5 = 3,46 м.
Укрепление откоса заложением т = 2 выполняют от его основания до бровки насыпи на всей его длине м конструкциями, рассчитанными на высоту волны с западной стороны h = 0,75 м и восточной h = 0,44 м. Покрытие, выполненное по этим параметрам волн, называется основным.
В случае больших глубин у откоса и волновых воздействий, когда высота наката hrun1% возрастает, в соответствии с указаниями ВСН 206-87 целесообразно мощность и тип конструкций дифференцировать по длине откоса, назначая в зоне разрушения волны основное крепление, а выше по откосу в зоне наката крепление облегченное. Верхняя граница основного крепления при этом принимается на отметке
осн = 0,33% +0,68 hrun1% (П.9)
где — отметка уровня воды на пике наибольшего паводка обеспеченностью 0,33 % (с учетом нагона и подпора). Облегченное крепление рассчитывается на скорость потока в зоне наката, образовавшегося после разрушения волны. Скорость может быть определена формулой
, (П.10)
где h5% - высота расчетной волны в зоне разрушения;
Тип и мощность креплений определяют по материалам типовых проектов, приведенных в Альбомах [16, 22].
В данном примере защита откоса насыпи основным креплением с западного волноопасного направления при h5% = 0,75 м может быть выполнена каменной наброской с dcp = 0,25 м и толщиной t = 3 dcp = 0,75 м (листы 10—13, Альбом [16]), бетонными плитами 1х1х0,16 м (лист 14, Альбом [16]), железобетонными плитами с открытыми швами 2,5х3,0х0,15 м (лист 16—19, Альбом [16]), железобетонными плитами 2,5х3,0х0,10 м, омоноличенными по контуру (листы 20—38, Альбом [16]) и монолитными железобетонными плитами толщиной 0,15 м.
С восточного волноопасного направления при h5% = 0,44 м крепление может быть выполнено каменной наброской с dcp = 0,14 м толщиной t = 0,42 м и бетонными плитами 1х1х0,16 м.
В том случае, когда значения расчетной высоты волны на проектируемом объекте ниже нормативной типового проекта обратный песчано-гравийный фильтр и щебеночную подготовку под покрытием возможно заменять геотекстилем в соответствии с указаниями ВСН 205-87, ТУ ЦП4591 [19] и Рекомендациями [23].
ПРИЛОЖЕНИЕ Р
УСТОЙЧИВОСТЬ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА УЧАСТКАХ СКЛОНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЛЕССОВИДНЫХ ГРУНТАХ
Различные формы нарушения устойчивости склонов следует рассматривать в качестве форм нарушения устойчивости земляного полотна, расположенного на склонах. В лессовидных грунтах наиболее распространены следующие формы нарушения устойчивости склонов.
Поверхностные оплывины — оползание почвенно-растительного слоя по подпочве вследствие насыщения грунта влагой атмосферных осадков со склонов крутизной 25—30°. Глубина захвата пород смещения не более 2,0 м. Распространены повсеместно.
Сплывы — на склонах крутизной 25—30°. Глубина захвата пород смещением 5—6 м. Объем сместившихся масс — до 100 тыс. м3.
Оползни-обвалы — на склонах круче 30°. Глубина захвата пород смещением до 20,0 м. Происходят во влажные сезоны года.
Оползни-потоки — на склонах крутизной 15— 45°, т.е. практически не зависят от крутизны склонов. Имеют русловой характер с шириной русла до 500 м при длине 1—2 км. Очень опасны, так как сходят внезапно и могут формировать селевые потоки.
Ступенчатые оползни — на склонах крутизной 15—45°. Глубина захвата пород смещением до 80 м. Практически не зависят от крутизны склонов. Тело оползня состоит из больших блоков, образующих на продольном профиле русла характерные ступени.
Щебенисто-глинистые потоки — на склонах круче 30°. Происходят вследствие изменений режима грунтовых вод.
Контактные оползни — перемещение толщи пород по контакту с пластичной породой на склонах крутизной 18—40°. Глубина захвата пород смещением — десятки метров. Сходят медленно, редко — катастрофически.
Принято считать, что все склоновые процессы вызываются аномально обильными в некоторые годы атмосферными осадками, когда грунты склонов переувлажняются, теряют прочность и оползают со склонов в той или иной форме.
С течением времени склоны постепенно увеличивают крутизну, а подземные водные потоки в их теле меняют маршруты своего следования и гидрологические режимы. Идет постоянная подготовка будущих оползней.
То или иное количество атмосферных осадков служит проявителем оползней, подготовленных ранее природными процессами.
Перечисленные виды нарушений устойчивости склонов можно сгруппировать по степени их опасности для железнодорожного земляного полотна и по их предсказуемости.
Первая группа. Поверхностные оплывины, оползни-обвалы, щебенисто-глинистые потоки. Все они происходят вследствие подготовки процессами поднятия регионов. Поверхностные оплывины большой опасности для целостности земляного полотна не представляют, их объемы недостаточны для того, чтобы вызвать серьезные разрушения. Оползни-обвалы можно предвидеть и заранее ликвидировать возможность их проявления путем устранения нависающих козырьков, уположения крутых обрывистых участков на склонах, устройства подпорных стенок. Предсказание появления щебенисто-глинистых потоков возможно при результатам ежегодной аэрофотосъемки опасных склонов в инфракрасных лучах. Такая съемка дает возможность следить за накоплением подземных вод на участках, где есть материалы для формирования тела щебенисто-глинистого потока.
83 % всех оползней происходит на склонах теневой экспозиции, 64 % на склонах с выпукло-вогнутым и выпуклым продольным профилем; 56 % — на склонах, вогнутых в плане. Следовательно, наилучший способ избежать появления оползней этой группы и расходов на их прогноз, предупреждение и ликвидация последствий схода — вести трассирование будущей железной дороги по возможности избегая расположения ее земляного полотна на склонах крутизной 25—30°, стараясь держаться на расстоянии не менее 4 км от местных разломов земной коры по склонам южной, юго-восточной и юго-западной экспозиции с вогнутым продольным и выпуклым в плане профилем.
Вторая группа. Русловые оползни, практически независимые от крутизны склонов — оползни-потоки, ступенчатые оползни. Русловые оползни, происходящие в интервале крутизны склонов от 25 до 35° — сплывы. Независимость от крутизны склонов и пространственный характер первых двух типов не дают возможности прогнозировать последние ныне действующими методами расчета устойчивости склонов. Впервые метод их расчета был предложен в работе [38].
Поскольку формирование тела оползней руслового типа связано с наличием в грунтах склонов просадочных горизонтов, полный расчет-прогноз распадается на этапы:
1-й — обследование склона с целью обнаружения в интервале глубин 8—20 м просадочных горизонтов и определение в лаборатории коэффициента К, характеризующего снижение модуля общей деформации грунтов указанных горизонтов при замачивании.
Если К 0,80, следует выполнить расчет на возможность сформирования тела русловых оползней;
2-й — расчет ведут по сечению русла, поперечному к направлению движения грунтовых масс тела будущего оползня. Глубину русла последнего считают равной глубине залегания просадочного горизонта. Расчетную ширину назначают по кривым рисунка Р.1. Поскольку наиболее опасными являются оползни-потоки, рекомендуется в первую очередь выполнить расчет на возможность их появления;
1 —для ступенчатых оползней; 2—для оползней-потоков
Рисунок Р.1 — Корреляция между глубиной захвата пород смещением и шириной оползня руслового типа
3-й — при положительном результате расчета переходят к определению возможностей увлажнения просадочного горизонта грунта для будущего оползня. Этот этап может длиться десятилетиями, ибо при отсутствии источника увлажнения просадочного горизонта тело оползня не сформируется.
Возможность увлажнения прогнозируют по материалам аэрофотосъемки склонов в инфракрасных лучах или путем размещения в просадочном горизонте надежно работающих датчиков влажности. В случае обнаружения внутри склона бассейна подземной воды с размерами, близкими к расчетной ширине русла будущего оползня и при длине бассейна вниз по склону вчетверо превышающей ширину, следует готовиться к сходу оползня.
Механизм образования сплывов не может быть сведен к механизму образования первых двух видов русловых оползней потому, что на глубинах 5—6 м нет закономерно приуроченных к ним просадочных горизонтов, а соотношение между шириной русла и глубиной захвата пород смещением меньше чем у первых двух видов русловых оползней. Нельзя объяснить сплывы и сезонными колебаниями влажности грунтов за счет атмосферных осадков, так как на отметках дна их русла указанные колебания отсутствуют.
В то же время визуальное обследование сошедших сплывов позволяет с полной достоверностью утверждать, что в подошве стенки срыва всегда есть источник увлажнения. Его появление на ранее устойчивом склоне можно объяснить только изменением маршрутов водных потоков вследствие постоянно идущего процесса поднятия.
Грунты дна русла сплыва должны быть сильно набухающими, только тогда соотношение между шириной русла и глубиной захвата пород смещением будет меньше, чем у оползней-потоков.
Наибольшее количество русловых оползней происходит в глинистых породах, содержащих гипс, а это и есть сильно набухающие грунты. Таким образом, наиболее вероятная причина возникновения сплывов — это увлажнение загипсованных пород дна русла блуждающим водным потоком внутри склона.
Метод расчета сплывов на сегодняшний день отсутствует. Прогноз возникновения — по материалам аэрофотосъемки склона в инфракрасных лучах и данным о грунтах склона на глубинах 5— 6 м.
Рекомендации по трассированию аналогичны таковым для первой группы оползней.
Третья группа. Контактные оползни. Характер их появления и схода, глубина захвата пород смещением позволяют предположить, что они возникают в результате постепенного увеличения крутизны склонов в сочетании с сезонной активностью межпластовых вод.
Их прогноз возможен методом Н.Н. Маслова на скольжение по поверхности, предопределенной геологическим строением склона. Однако задача обнаружения такой поверхности скольжения затрудняется тем, что образцы грунта с различных глубин по 2—3 створам на каждом склоне необходимо отбирать не менее 4 раз в году в течение 20 лет, предшествующих началу работ по освоению склонов. Кроме того, каждый сезонный отбор проб сопряжен с рытьем глубоких шурфов одноразового использования или бурения каждый раз новых скважин с периодическими перегонами буровой техники вниз и вверх по склону.
Стоимость работ очень высокая, результаты не гарантированы и, следовательно, неопределенны.
Поэтому прогноз оползней этой группы может иметь лишь гипотетический характер.
В основном же можно рассчитывать только на растянутость их схода во времени, имея в виду возможность за этот период выполнить противооползневые или спасательные мероприятия. Рекомендации по трассированию — как для оползней 1-й и 2-й групп.
Большой фактический материал показывает, что на сухих лессовых косогорах типичной формой нарушения устойчивости откосов выемок является их эрозионное разрушение от атмосферных осадков.
Объем разрушений и возможность выноса продуктов последних в эксплуатируемое пространство поперечного профиля выемки тесно связано с крутизной нагорных откосов выемки и крутизной косогора, в который врезана последняя. Эта связь использована в работе [38]. В результате полевым методом и методом предельной эрозии получены показанные на рисунке Р.2 кривые оптимальной крутизны откосов, выемок, врезаемых в сухие косогоры, сложенные лессовидными, а также обыкновенными грунтами.
Использовать эти кривые можно без каких-либо дополнительных расчетов. Для поперечных профилей крутизна откосов назначена по кривым 2 и 3, следует предусмотреть закюветные полки для размещения и последующей уборки с них продуктов ежегодного эрозионного разрушения откосов. Размер полок—до 3,0 м в зависимости от высоты нагорного откоса выемки и крутизны косогора.
1 — косогоры 1:1,6 и отложе, обыкновенные грунты; 2 — косогоры 1:1,5 и отложе, лессовые грунты; 3 — косогоры 1:3,0 и отложе, лессовые грунты
Рисунок Р.2 — Зависимость оптимальной крутизны откосов выемок от их высоты для сухих косогоров
Расчеты устойчивости откосов выемок на мокрых косогорах. Полностью, на 100 % и круглый год мокрые косогоры встречаются редко и требуют индивидуального проектирования. Возможны косогоры, увлажняемые подземными водами на некоторой глубине от поверхности косогора, как показано на рисунке Р.3.
Ф3С1 — граница увлажнения, ниже которой грунты имеют W > WP
Рисунок Р.3 — Расчетная схема для определения устойчивости откоса выемки в мокром лессовом косогоре
До сооружения выемки поверхностный слой грунта обеспечивал существование по направлению R удерживающих напряжений, равных
, (Р.1)
где ; = 0,50 tg c + Cc; 3 = 0,5 об h2
c и Cc — углы внутреннего трения и сцепления, соответствующие упругой фазе сопротивления грунтов нагрузкам (см. [38]).
Следовательно, природные давления вдоль по С1 —Ф3 до сооружения выемки в периоды сезонного увлажнения ниже С1 —Ф3 были:
пр1 = К об h1 - r sin ; пр2 = К об h - r sin ; пр3 = К об h2 - r sin ;
где К— коэффициент, характеризующий снижение модуля общей деформации грунтов при увеличении влажности последних.
