5.5 Устойчивость земляного полотна на слабых основаниях
К слабым относят грунты, которые теряют устойчивость под действием собственного веса в откосах выемок типового поперечного профиля и под давлением насыпей в их основаниях, а также претерпевают значительные и медленно протекающие осадки.
Насыпи, возведенные на слабых основаниях, могут значительно проседать из-за уплотнения грунта основания и его выжимания в стороны из-под насыпи. Деформации чаще всего происходят в период строительства или вскоре после возведения насыпи.
Зависимость между давлением на грунт и его просадкой в общем виде выражается кривой, представленной на следующем рисунке (а).
Рисунок 1.
На этой кривой могут быть выделены участки, характеризующие разные фазы процесса деформации. В пределах участка ОА зависимость между нагрузкой и деформацией близка к прямолинейной, здесь происходит преимущественно сжатие подстилающего грунта (1-ая фаза, 1б). При дальнейшем возрастании нагрузки касательные напряжения начинают превышать его сопротивление сдвигу. В этих местах возникают пластические деформации (деформации сдвига) (2-ая фаза, 2б). По мере возрастания давления число таких мест увеличивается, осадка насыпи растет и начинается выжимание из-под нее грунта, сопровождающееся образованием бугров по бокам насыпи и ее просадкой (3-я фаза, 3б).
При проектировании насыпей на слабых основаниях в зависимости от назначения насыпей предусматривают работу оснований в следующих фазах:
в первой фазе деформаций – насыпи на дорогах с капитальными асфальтобетонными и цементобетонными покрытиями рассчитывают на полное отсутствие сдвигов в основании;
в начальном периоде второй фазы – деформации насыпей на дорогах с покрытиями облегченных типов рассчитывают на ограничение распространения сдвигов заданным значением;
в конечном периоде второй фазы и начальном третьей – дороги местного значения с покрытиями переходных типов рассчитывают на условия, близкие к предельному равновесию.
Расчет на полное отсутствие сдвигов в основании требует, чтобы наибольшее касательное напряжение под нагрузкой от насыпи не превышало сопротивления грунта сдвигу. При этом принимают, что сопротивление грунта на глубине z от подошвы насыпи
τсдв = сω + γztgφω,
где γ – плотность грунта основания с учетом взвешивающего действия грунтовой воды;
сω – сцепление;
φω – угол внутреннего трения.
Значения сω назначают в зависимости от влажности грунта основания, а φω – в зависимости от скорости приложения нагрузки.
В запас прочности иногда пренебрегают влиянием угла внутреннего трения, который у слабых грунтов относительно невелик, т.е. при проектировании стремятся обеспечить соотношение τmax< сω.
Максимальное касательное напряжение под насыпью
Для точек, расположенных по оси насыпи, где максимальные касательные напряжения имеют наибольшие значения, зависимость упрощается:
Значения входящих в формулы членов представлены на следующем рисунке. Углы α должны быть выражены в радианах.
Рисунок 2. |
При встречающихся на практике высотах насыпей и колебаниях крутизны их откосов величины максимальных касательных напряжений изменяются в пределах от τmax= 0,27р до τmax = 0,33р (где р – давление насыпи на грунт). Поэтому можно считать, что насыпь устойчива против образования сдвигов в основании при соблюдении условия р ≤ 3сω. |
Случай допущения частичного развития в грунте пластических деформаций наиболее сложен. Еще отсутствует общепризнанная точка зрения на допустимую глубину распространения зон пластических деформаций в толщу слабого грунта, а точные методы расчета напряжений при упругопластических деформациях грунта под насыпями еще не разработаны.
Если исходить из принятого в фундаментостроении решения о допустимости распространения пластической зоны на глубину, равную четверти ширины насыпи понизу и заменить трапецеидальную эпюру нагрузки равновеликой по площади прямоугольной с основанием В, то допустимое давление на грунт с плотностью δ
Если грунты оснований деформируются в условиях третьей фазы, выжимание из-под насыпи однородного грунта, залегающего на значительную глубину, происходит с образованием в нем криволинейных поверхностей скольжения. Просадка насыпи может происходить как с двусторонним, так и с односторонним выпиранием подстилающего грунта.
Рисунок 3. |
Схема осадки насыпи с выжиманием грунтов основания и образованием валов взбугривания. 1 – вал выпирания; 2 – первоначальная поверхность грунта. |
При возведении насыпи на слабых основаниях, мощность которых велика по сравнению с шириной ее понизу, давление от насыпи, вызывающее боковое выпирание однородного грунта, может быть определено по формулам механики грунтов, рассматривающим устойчивость грунтов в основаниях из условия предельного равновесия.
Предельное давление от насыпи, превышение которого вызывает выжимание из-под нее грунта, по формуле Прандля с поправкой Тейлора на влияние собственного веса грунта определяется в соответствии со следующей схемой.
Рисунок 4. |
Теоретическая схема образования призм выпирания по Л. Прандлю. 1 – призма выпирания; 2 – зоны пластических сдвигов; 3 – уплотненный клин вдавливания. |
где δ – плотность грунта;
Δ – глубина погружения насыпи в грунт;
сω – сцепление грунта;
φ – угол внутреннего трения.
Для повышения устойчивости насыпей против выпирания слабых грунтов в основании предусматривают ряд мероприятий:
уменьшение собственного веса насыпи путем возведения ее из легких материалов (керамзита, котельного шлака и т.д.);
увеличение коэффициента заложения откосов до 1:5 – 1:10, что снижает касательные напряжения в грунте основания;
отсыпка радом с насыпью вдоль ее откосов берм, вес которых противодействует выжиманию боковых призм подстилающего грунта;
прокладка дороги на эстакаде и передача веса насыпи на плотный подстилающий грунт через свайное основание;
отсыпка насыпи на жесткий настил, равномерно распределяющий давление насыпи на большую площадь и препятствующий неравномерному погружению насыпи в грунт с максимумом в середине;
уменьшение толщины слабого грунта путем удаления его верхней части;
предварительное (до отсыпки) осушение основания в случае возможности отвода воды в сторону или с применением иглофильтров. Это повышает сцепление и внутреннее трение грунта;
постепенное замедленное возведение насыпи с учетом нарастания прочности слабого грунта по мере его уплотнения с выжиманием воды весом насыпи. Эффективным средством ускорения осадки является устройство вертикальных дрен.
Целесообразность применения того или иного способа должна быть основана экономическим сравнением с наиболее распространенным и испытанным решением - удалением слабого грунта и отсыпкой насыпи на расположенный ниже плотный грунт.