Оценка устойчивости основания насыпи

Оценка устойчивости основания выполняется с целью определения возможности бокового выпирания слабого грунта основания под воздействием нагрузки от веса насыпи.

В зависимости от результатов оценки устойчивость основания в его природном состоянии относят к одному из трех типов:

I - основания, не требующие специальных мер по обеспечению устойчивости;

II - основания, для обеспечения устойчивости которых достаточно ограничить режим отсыпки насыпи;

III - основания, требующие применения специальных мероприятий для обеспечения их устойчивости (исключение бокового выпирания слабых грунтов).

Возможность обеспечения устойчивости оснований II типа обусловлена способностью слабых грунтов уплотняться и упрочняться по мере постепенной передачи на них нагрузки и прохождения процесса консолидации. В связи с этим в общем случае оценка устойчивости основания должна выполняться для двух состояний:

- для условий быстрой отсыпки насыпи (условно мгновенной), при которой грунт основания не успевает консолидироваться и повысить свою природную прочность;

- для условий медленной отсыпки насыпи, при которой передача нагрузки осуществляется по мере увеличения прочности грунта в результате его консолидации под предыдущей ступенью нагрузки.

Первоначальная оценка устойчивости основания предусматривает проверку условия прочности в наиболее опасной по напряженным состояниям точке основания. Условие достаточной устойчивости определяется выражением

                                                      (18)

где К_без - коэффициент безопасности;

P_без - безопасная нагрузка, отвечающая предельной величине внешней нагрузки на основание, вызывающей возникновение предельного состояния по сдвигу в наиболее опасной точке основания;

P_расч - расчетная величина внешней нагрузки, определяемая для насыпи трапецеидальной формы по п. 3.35.

Безопасная нагрузка зависит от интенсивности передачи нагрузки, в связи с чем для определения типа основания по результатам оценки устойчивости необходимо в общем случае определить коэффициент безопасности для условий быстрой отсыпки насыпи ( ) и для условий медленной отсыпки ( ).

Безопасная нагрузка для условий быстрой отсыпки насыпи определяется по формуле

                                         (19)

где C_нач и _нач - сцепление и угол внутреннего трения грунта слабой толщи при его природной плотности-влажности;

_ср - средневзвешенный удельный вес грунта слабой толщи (в необходимых случаях с учётом взвешивания), расположенной выше горизонта Z;

Z - глубина рассматриваемого горизонта от поверхности земли;

 - для трапецеидальной эпюры нагрузки функция _нач, формы эпюры нагрузки   и относительной глубины  , устанавливаемая по графикам приложения 3 (В).

3.31. В случае, если соблюдается условие

                                                        (20)

основание относят к I типу по устойчивости и никаких дополнительных проверок устойчивости не проводят.

В случае, если   для отнесения ко II или III типу определяют безопасную нагрузку при медленной отсыпке насыпи по выражению

                                             (21)

где c' и ' - условные сцепление и угол внутреннего трения, получаемые при консолидированно - дренированных испытаниях на сдвиг;

 - та же функция, что и при расчете на быструю отсыпку, но принимаемая в зависимости от '.

3.32. Далее вычисляют коэффициент безопасности при медленной отсыпке насыпи

                                                        (22)

В случае, если   основание должно быть отнесено к III типу. При одновременном соблюдении условий   и   основание относят ко II типу.

Для оснований II и III типов рекомендуется проводить дополнительную количественную оценку устойчивости, используя расчеты по схеме кругло цилиндрических поверхностей скольжения.

При сложном поперечном профиле насыпи оценку устойчивости основания по напряженному состоянию следует проводить, используя специальные программы для ЭВМ. Программы предусматривают оценку условия прочности в различных точках основания, для чего используют коэффициент стабильности

                                          (23)

где ₁ и ₂ - значения главных напряжений в рассматриваемой точке от внешней нагрузки.

Значения К_ст могут быть определены как для природного состояния плотности-влажности грунта   так и для любого момента консолидации, включая момент стабилизации 

По результатам определения К_ст строят изолинии равных величин К_ст и определяют размеры зон, в которых К_ст < 1.

При отсутствии этих зон основание относят к I типу. При наличии зон с К_ст < 1, оценивают их размеры и проводят расчеты устойчивости по схеме кругло цилиндрических поверхностей скольжения.

Расчетная нагрузка от насыпи трапецеидальной формы определяется по формуле

P_расч = _н(h_расч + S_кон),                                                 (24)

где _н - удельный вес грунта насыпи;

S_кон - конечная осадка насыпи (см. пп. 3.40 - 3.45);

h_расч - расчетная высота насыпи.

В зависимости от полученного коэффициента безопасности определяется: тип основания по степени устойчивости и необходимость дополнительных мероприятий для обеспечения устойчивости основания (табл. 3.3).

Таблица 3.3 Тип основания по коэффициенту безопасности

Тип основания	Определяющий признак	Характеристика степени Устойчивости	Преобладающие деформации грунта наиболее опасного слоя	Возможность использования слабой толщи в качестве основания
1	2	3	4	5
I		Устойчивость обеспечена при любой скорости отсыпки насыпи	Сжатие	Можно использовать в качестве основания
II		Устойчивость при быстрой отсыпке не обеспечена, но обеспечена при медленной отсыпке	При быстрой отсыпке - сдвиг (выдавливание), при медленной отсыпке - сжатие	Можно использовать в качестве основания при медленной отсыпке насыпи
III		Устойчивость не обеспечена ни при каких режимах отсыпки	Сдвиг (выдавливание)	Без конструктивных мероприятий в качестве основания использовать нельзя. Нужно удалить слабый слой или изменить конструкцию насыпи

Примечания. 1. Требуемый (допустимый) режим отсыпки при I типе основания устанавливается специальным расчётом.

2. При приближённом определении типа основания на основе табличных данных или данных полевых испытаний на первой стадии проектирования тип II делится на два подтипа II-А и II-Б. К подтипу II-Б основание следует относить при   а при   основание следует относить к III типу. Основание подтипа II-Б после уточнения расчёта с использованием лабораторных данных по характеристикам сдвига и компрессии окончательно относят либо к типу II, либо к типу III.

Для глинистых грунтов с углом внутреннего трения  < 5 - 7° для оценки устойчивости можно использовать упрощенные зависимости, полагая = 0.

В частности, ориентировочно устойчивость слабого основания, применительно ко всей толще основания в случае его однородного строения  = 0, и равномерно распределённой нагрузки коэффициент безопасности может быть рассчитан по формуле

                                                         (25)

Количественными показателями и критериями устойчивости системы «основание-насыпь» при использовании в расчетах схемы круглоцилиндрических поверхностей скольжения служат, соответственно, коэффициент устойчивости (К_уст) и требуемый коэффициент устойчивости   для данного сооружения.

Требуемый коэффициент устойчивости следует определять по формуле

                                                    (26)

где К_н - коэффициент надёжности по назначению сооружения (см. СНиП 2.02.01-83);

п_c - коэффициент сочетания нагрузок (n_c = 1,0 - 0,9);

п₀ - коэффициент перегрузки (для насыпей n₀ = 1,2);

т₀ - коэффициент условий работы, учитывающий особенности расчетных схем и методов расчета, принимаемый равным при прогнозе на слабых основаниях - 0,85.

Примеры оценки прочности и несущей способности слабых грунтов по перечисленным выше способам и формулам приведены в приложении 5 (Д).