Комплексная оценка устойчивости и стабильности земляного полотна при разработке индивидуальных конструкций насыпей и выемок

5.1. Для обоснования проектной конфигурации насыпей высотой более 12 м, определения допустимой влажности используемого для отсыпки грунта из выемки необходима комплексная оценка устойчивости и стабильности земляного полотна.

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, С_w, (_w, С_c 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 С_wi и tg (_wi или С_ci 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 К ₁ (для С_wi и tg (_wi) и К ₂ (для С_сi и tg (_wi) от влажности для конкретной рабочей отметки (высоты насыпи) Н и различных заложений откоса m_i: 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 К ₁= f (W) откладывают расчетный, а также допустимый (см. табл. 1.1) диапазоны влажности для данного грунта; по оси ординат - значение требуемого коэффициента устойчивости К _тр (см. п. 5.6). Через точку, соответствующую значению К _трна оси ординат, проводят прямую, параллельную оси абсцисс; точки пересечения с кривыми К ₁ = f (W) при m_i = const сносят на ось абсцисс. Точки пересечения прямой, проведенной через точку, соответствующую К _тр, 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 К ₁ = К _тр 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 К ₁; - - - - то же, по К ₂

 

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 К _тр по прочности (первое предельное состояние) следует определять по выражению

(5.1)

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

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

n_o - коэффициент перегрузки; n_o = 1,1 - для выемок, n_o = 1,2 - для насыпей;

т_о - коэффициент условий работы; т_о = 0,9 - для пылевато-глинистых грунтов в стабилизированном состоянии (выемки), т_о = 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 (К ₂) для запроектированной из условия прочности (К ₁) конструкции насыпи. Расчетные значения tg (_w и С_c должны соответствовать установленному значению допустимой влажности.

Если К ₂(1, то длительная устойчивость откосов насыпи обеспечена. При К ₂< 1 в откосах насыпи возможны деформации ползучести; в этом случае необходимо оценить их устойчивость при учете только остаточной прочности грунта (К_оу).

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 К_оу (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 К ₂< 1, но К_оу (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 (Z_o (табл. 5.1), принимаемыми из условия нераспространения деформаций ползучести под дорожную одежду.

Таблица 5.1

Категория дороги	Крутизна откоса насыпи 1: т	Допустимое значение (Zo
	1: 1,5
I	1: 2,0
	1: 3,0
	1: 1,5
II	1: 2,0
	1: 3,0
	1: 1,5
III	1: 2,0
	1: 3,0

 

Если (Z < (Z_o, 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 К ₂ откосов, используя только характеристики порога ползучести tg (_w и С_{с .} Проектирование требуемого заложения осуществляется с учетом рекомендаций пп. 5.3-5.5. Значение К ₂ 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 h_a и неконсолидируемую (пассивную) h_п.

Мощность неконсолидируемой (пассивной) зоны устанавливают по формуле

(5.4)

где Р _o - 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) W_o 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 h_a устанавливают по разности общей высоты насыпи (ее рабочей отметки) и мощности пассивной зоны h_п:

(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 h_п; 2 - то же, консолидируемая (активная) h_a;

3 - нагрузка от веса грунта неконсолидируемой зоны и собственного веса

грунта консолидируемой зоны; 4 - расчетные слои; Z_i - 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 (h_общ), - как распределенную нагрузку от их веса (Р = (_w h_общ);

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 l_pzi = (_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 K_{w 1} (а) и K_{w 2}< K_{w 1} (б):

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

соответственно K_{у 1} > K_{у 2} > K_{у 3} > K_{у 4} > K_{у 5}

 

Осадку грунта S (м) рассчитывают по формуле

(5.6)

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

Н_i - мощность расчетного слоя, м.

5.19. Для комплексной оценки времени достижения заданной относительной деформации и плотности грунта активной зоны следует учитывать, что в общем случае консолидация после мгновенной осадки имеет три стадии: дофильтрационную, фильтрационную и за счет ползучести скелета грунта (рис. 5.5).

 

 

Рис. 5.5. Зависимость изменения относительной деформации во времени образцов глинистых грунтов с различной высотой h < h ₂ < h ₃

 

5.20. Расчетным слоем в насыпи для прогноза времени достижения заданной относительной деформации или завершения интенсивной части осадки назначается слой с наиболее невыгодными условиями для его консолидации, к которым относятся: наибольшие коэффициент увлажнения грунта, действующая нагрузка от веса вышележащих слоев и удаление от дренирующего слоя.

5.21. В тех случаях, когда в результате предварительного анализа по указанным факторам сложно оценить расчетный слой для прогноза времени завершения осадки, необходимо провести консолидационные испытания образцов с соответствующими плотностью и влажностью грунта для каждого слоя под нагрузкой, действующей на этот слой, в условиях компрессионного опыта (одномерной задачи).

5.22. По полученным опытным кривым консолидации для различных расчетных слоев насыпи оценивается характер протекания процесса консолидации.

В результате могут быть получены следующие варианты сочетания этапов консолидации на момент достижения заданной относительной деформации и предшествующих этапов для различных слоев:

1-й - (_i = (_мгн + (_iдф;

2-й - (_i = (_мгн + (_дф + (_iф;

3-й - (_i = (_мгн + (_дф + (_iп;

4-й - (_i = (_мгн + (_дф + (_ф + (_iп;

5.23. Если для слоев, наряду с остальными, будет получен 3-й или 4-й вариант кривой консолидации, то за расчетный принимается соответственно 3-й или 4-й вариант.

Если для слоев, наряду с остальными, будут получены и 3-й и 4-й варианты кривой консолидации, то оценивается интенсивность осадки по кривой консолидации на момент достижения заданной относительной деформации каждым слоем. В этом случае за расчетный принимается слой с наибольшей интенсивностью осадки, зависящей от вязкостных свойств грунта и величины действующей нагрузки.

Если для слоев будут получены 1-й и 2-й варианты кривой консолидации или только 2-й, то за расчетный следует принимать 2-й вариант. Скорость протекания консолидации в этом случае будет зависеть от водопроницаемости грунта, величины действующей нагрузки и пути фильтрации отжимаемой воды.

5.24. Путь фильтрации воды из расчетного слоя определяется в зависимости от условий фильтрации, предопределяемых расположением дренирующих слоев в насыпи.

Путь фильтрации воды для расчетного слоя равен его мощности, если слой находится между слоями дренирующего и недренирующего грунта, и половине его мощности, если он расположен между слоями дренирующего грунта.

В тех случаях, когда расчетный слой находится между слоями недренирующего грунта, путь фильтрации равен половине ширины большего основания слоя.

5.25. Заданную относительную деформацию (_iдф, достигаемую к моменту времени t, на стадии дофильтрационной консолидации определяют по формуле

(5.7)

где (_мгн - мгновенная относительная осадка;

т_р - угловой коэффициент касательной к данной точке (на данный момент времени) кривой ( = f (lg t) в пределах логарифмического цикла;

(5.8)

5.26. На стадии фильтрационной консолидации время достижения заданной относительной деформации реального слоя T_(iф определяется по формуле

(5.9)

где t_(iф - время достижения заданной относительной деформации образца, мин;

Н_ф - путь фильтрации воды в расчетном слое, м;

h_ф - путь фильтрации воды из образца, см;

n - показатель степени консолидации (для глинистых грунтов с K_w = 1,1(1,4 ориентировочно может быть принят равным 1).

5.27. Прогноз осадки во времени, соответствующий последней стадии, осуществляют по формуле

(5.10)

где (_in - расчетная относительная деформация на стадии ползучести;

(_ф - относительная деформация, соответствующая завершению фильтрационной консолидации;

- угловой коэффициент кривой консолидации;

t_(in - время достижения (_in;

t_(ф - время завершения фильтрационной консолидации.

5.28. Для оценки интенсивности (скорости) осадки необходимо построить кривую осадки во времени реального слоя насыпи, используя формулы (5.7), (5.9) и (5.10).

Скорость консолидации ни первой и последней стадиях следует определять соответственно по формулам:

(5.11)

(5.12)

где t < t_ф < t_п.

Прогноз интенсивности уплотнения на стадии фильтрационной консолидации целесообразно осуществлять с помощью графиков; с этой целью кривую осадки реального слоя насыпи во времени необходимо перестроить в линейном масштабе ( = f (t). На этот же график наносят график осадки с заданной скоростью, который представляет собой прямую. Абсцисса точки касания последней к кривой ( = f (t) определяет момент времени, когда будет достигнута заданная скорость (интенсивность).

5.29. При оценке времени протекания процесса осадки следует учитывать, что дофильтрационная консолидация завершается, как правило, в период строительства; время завершения фильтрационной консолидации в зависимости от указанных выше факторов ориентировочно составляет от 6 мес до 1 года, а в ряде случаев - до 2-3 лет; консолидации ползучести - от 1 года до 5 лет и более.

5.30. Плотность сухого грунта (_d, достигаемую под действием той или иной нагрузки, т.е. на различных горизонтах, в заданный момент времени и коэффициент уплотнения К_у определяют по результатам компрессионных и консолидационных испытаний по формулам:

5.31. Для предварительного прогноза осадки и времени ее завершения для суглинков тяжелых пылеватых и глин могут быть использованы данные соответственно табл. 5.2 и 5.3.

Таблица 5.2

Коэффициент увлажнения Kw	Относительная деформация в консолидируемой зоне (	Модуль осадки lp, мм/м	Начальный коэффициент уплотнения Kу	Нагрузка Р, МПа	Ориентировочная мощность слоя над расчетным горизонтом Z, м
1,1-1,2	0,01-0,02	10-20	> 0,90	< 0,2	< 10
1,1-1,2	0,02-0,05	20-50	< 0,90	< 0,2	< 10
1,2-1,3	0,05-0,10	50-100	(0,90	0,2-0,4	10-20
1,3	0,10-0,25	100-250	> 0,90	0,2-0,4	10-20
1,3	0,20-0,25	200-250	< 0,90	0,2-0,4	10-20

Таблица 5.3

Коэффициент увлажнения Kw	Нагрузка Р, Мпа	Ориентировочная мощность слоя над расчетным горизонтом Z, м	Время завершения интенсивной части осадки
1,1-1,2	0,1-0,3	5-15	Период строительства
1,2-1,9	До 0,2 0,2-0,4 (0,6)	До 10 10-20 (40)	До 6 мес 8-10 мес
1,3-1,4	До 0,2 0,2-0,4 (0,6)	До 10 10-20 (40)	6-12 мес От 1 года до 2-3 лет

 

Примечания: I. Значения начального коэффициента уплотнения К_у равны или близки к 0,9.

2. В скобках указаны максимальные значения.

 

5.32. Комплексная оценка устойчивости земляного полотна выемок должна включать: оценку общей и местной устойчивости откосов; оценку устойчивости к образованию выпора или выдавливания на уровне рабочей отметки или отметки отдельных ярусов в процессе разработки выемок; определение предельной крутизны откосов, которая может быть временно принята в процессе строительства в зависимости от сезона работ.

При выполнении оценочных расчетов необходимо учитывать влияние следующих факторов: наличия горизонтов (уровней) подземных вод (в том числе и верховодки в весенний период), попеременного промерзания-оттаивания и набухания-высушивания в поверхностных зонах на глубину не менее 2 м; глубины залегания слоев грунта с низкими прочностными характеристиками, их наклона к горизонту и т.п.

Оценку устойчивости однородных откосов выполняют по методу КЦПС (общая устойчивость) и по единичному элементу в пределах поверхностной зоны, (местная устойчивость) при соответствующих расчетных значениях влажности и плотности грунта на установленных горизонтах. Для неоднородных по литологии и показателям физико-механических свойств грунтов откосов выемок оценку устойчивости выполняют комплексно, используя методы: КЦПС; горизонтальных сил для проверки возможности смещения отдельных блоков по слоям грунта с низкими прочностными характеристиками; равноустойчивого откоса; метод, основанный на оценке напряженного состояния в основании или на уровне отдельных ярусов при залегании на соответствующих горизонтах слабых глинистых грунтов, особенно дочетвертичного возраста. Крутизну откоса выемки, высоту ярусов, ширину полок устанавливают на основе анализа всех результатов оценочных расчетов. Для размещения водоотводных сооружений за пределами верхней бровки необходимо определять также ширину отсека обрушения по верху выемки.