В основу проектного решения на участке залегания слабых грунтов может быть положен один из двух принципов:
- удаление слабого грунта и замена его или применение эстакад;
- использование слабого грунта в качестве основания насыпи с применением мероприятий, обеспечивающих устойчивость основания и ускорение его осадки, а также прочность дорожной одежды, сооружаемой на таком земляном полотне.
Принцип и конкретное проектное решение по конструкции насыпи выбираются на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом:
- категории автомобильной дороги и типа дорожной одежды;
- требуемой высоты насыпи и качества имеющегося для ее отсыпки грунта;
- протяженности участка со слабыми грунтами;
- вида и особенностей свойств слабых грунтов, залегающих на участке, и особенностей строения слабой толщи (мощность, наличие переслаивания, уклона кровли подстилающих пород и т. д.);
- условий производства работ, в том числе сроков завершения строительства, климата района, времени года, в которое будут выполняться земляные работы, дальности возки грунта, возможности строительной организации (обеспеченность транспортом, наличие специального оборудования и т. п.).
5.2 Расчёт конечной величины осадки
Определяется осадка слабого основания под действием нагрузки от насыпи. Расчетная схема для определения осадки приведена на рисунке (5.1).
Рисунок 5.1 – Расчетная схема для определения конечной величины осадки земляного полотна
Расчет конечной осадки слоя суглинка лёгкого пылеватого с примесями органического вещества проводим исходя из условий одномерной задачи по формуле:
S=0,001·ерz·Нс, м (5.1)
где ерz – модуль осадки по компрессионной кривой, соответствующей расчетной нагрузке, мм/м;
Нс – мощность слоя слабого основания, м.
Мощность слоя слабого основания на каждом пикете определяется в соответствии с геологическим разрезом по продольному профилю:
ПК 65+00: Нс=0,3 м;
ПК 66+00: Нс=1,5 м;
ПК 67+00: Нс=1,5 м;
ПК 68+00: Нс=1,4м;
Нагрузка от насыпи заданной высоты на поверхность слоя суглинка лёгкого пылеватого с примесями органического вещества определяется по формуле:
, МПа (5.2)
где Н – высота рабочей отметки на пикете, м;
ρ – плотность, равная 1,80 г/см3.
Нагрузку от насыпи P0 для каждого пикета определяем по формуле (5.2):
ПК 65+00: 
(МПа);
ПК 66+00: 
(МПа);
ПК 67+00: 
(МПа);
ПК 68+00: 
(МПа);
Проекция откоса определяется по формуле:
а=m·Н, м (5.3)
где m – заложение откоса, в зависимости от высоты насыпи, m=1,5;
Н – высота рабочей отметки на пикете, м.
Проекцию откоса для каждого пикета определяем по формуле (5.3):
ПК 65+00: а=1,5·4,41=6,615 (м);
ПК 66+00: а=4·1,54=6,16 (м);
ПК 67+00: а=1,5·1,41=2,115 (м);
ПК 68+00: а=4·1,34=5,36 (м);
Для определения напряжения в основании насыпи трапецеидального очертания по графикам находим соотношение:
, (5.4)
где В – ширина земляного полотна по верху, 12 м;
а – проекция откоса, м.
Соотношение для каждого пикета определяем по формуле (5.4):
ПК 65+00: 
ПК 66+00: 
;
ПК 67+00: 
;
ПК 68+00: 
;
Половина ширины поперечного сечения насыпи земляного полотна определяется по формуле:
b=(0,5·В+а), м (5.5)
где В – ширина земляного полотна по верху, 12 м;
а – проекция откоса, м.
Половину ширины поперечного сечения насыпи земляного полотна определяем по формуле (5.5):
ПК 65+00: b=0,5·12+6,615=12,615 (м);
ПК 66+00: b=0,5·12+6,16=12,16 (м);
ПК 67+00: b=0,5·12+2,115=8,115 (м);
ПК 68+00: b=0,5·12+5,36=11,36 (м);
Средняя линия трапецеидального сечения насыпи земляного полотна определяется по формуле:
, м (5.6)
Среднюю линия трапецеидального сечения насыпи земляного полотна определяем для каждого пикета по формуле (5.6):
ПК 65+00: 
(м);
ПК 66+00: 
(м);
ПК 67+00: 
(м);
ПК 67+00: 
(м);
Определяем необходимые соотношения по следующим формулам:
, (5.7)
, (5.8)
где z – мощность слоя слабого основания на пикете, м.
Рассчитываем соотношения по формулам (5.7) и (5.8) для каждого пикета:
ПК 65+00: 
,
ПК 66+00: 
;
ПК 67+00: 
,
;
ПК 68+00: 
,
По графикам Приложения 6 [6] определяем значение α для каждого пикета в зависимости от найденных значений ω и U(v), а также соотношения W=2a/b:
ПК 65+00: α = 0,65;
ПК 66+00: α = 0,65;
ПК 67+00: α = 0,45;
ПК 68+00: α = 0,60;
Слой суглинка лёгкого пылеватого с примесями органического вещества по напряженному состоянию однороден, выделим три различных нагрузки, которые определяются по формулам:
Р1 = Р0/2, МПа (5.9)
Р2 = Р0, МПа (5.10)
Р3 = 2Р0, МПа (5.11)
где Р0 – нагрузка от насыпи заданной высоты, МПа.
Три различных нагрузки определяем для каждого пикета по формулам (5.9), (5.10) и (5.11):
ПК 65+00: Р1 = 0,078/2 = 0,039 (МПа),
Р2 = 0,078 (МПа),
Р3 = 2·0,078 = 0,156 (МПа);
ПК 66+00: Р1 = 0,027/2 = 0,014 (МПа),
Р2 = 0,027 (МПа),
Р3 = 2·0,027 = 0,054 (МПа);
ПК 67+00: Р1 = 0,025/2 = 0,012 (МПа),
Р2 = 0,025 (МПа),
Р3 = 2·0,025 = 0,050 (МПа);
ПК 67+00: Р1 = 0,025/2 = 0,012 (МПа),
Р2 = 0,024 (МПа),
Р3 = 2·0,025 = 0,047 (МПа);
Вертикальные и нормальные напряжения на нижней грани слоя определяются по формулам:
Pz1=P1·α, МПа (5.12)
Pz2=P2·α, МПа (5.13)
Pz3=P3·α, МПа (5.14)
где Р1, Р2, Р3 – нагрузки для однородного слоя торфа по напряженному состоянию, МПа.
Вертикальные и нормальные напряжения на нижней грани слоя определяем для каждого пикета по формулам (5.12), (5.13) и (5.14):
ПК 65+00: Pz1 = 0,039·0,65 = 0,0253 (МПа),
Рz2 = 0,078·0,65 = 0,0506 (МПа),
Рz3 = 0, 156·0,65 = 0,1011 (МПа);
ПК 66+00: Pz1 = 0,014·0,65 = 0,0088 (МПа),
Рz2 = 0,027·0,65 = 0,0177 (МПа),
Рz3 = 0,054·0,65 = 0,0353 (МПа);
ПК 67+00: Pz1 = 0,012·0,45 = 0,0056 (МПа),
Рz2 = 0,025·0,45 = 0,0112 (МПа),
Рz3 = 0,050·0,45 = 0,0224 (МПа);
ПК 68+00: Pz1 = 0,012·0,60 = 0,0071 (МПа),
Рz2 = 0,024·0,60 = 0,0142 (МПа),
Рz3 = 0,047·0,60 = 0,0284 (МПа);
По расчетной компрессионной кривой [6] ер = f (р) определяем значение ер, соответствующее расчетной нагрузке для каждого пикета:
ПК 65+00: ер1= 300 мм/м,
ер2= 413 мм/м,
ер3= 500 мм/м;
ПК 66+00: ер1= 133 мм/м,
ер2= 230 мм/м,
ер3= 358 мм/м;
ПК 67+00: ер1= 95 мм/м,
ер2= 176 мм/м,
ер3= 278 мм/м;
ПК 68+00: ер1= 116 мм/м,
ер2= 195 мм/м,
ер3= 223 мм/м;
Конечную осадку слоя определяем для каждого пикета по формуле (5.1):
ПК 65+00: S1 = 0,001·300∙0,3 = 0,09 (м),
S2 = 0,001·413∙0,3 = 0,12 (м),
S3 = 0,001·500∙0,3 = 0,15 (м);
ПК 66+00: S1 = 0,001·133∙1,5 = 0,20 (м),
S2 = 0,001·230∙1,5 = 0,35 (м),
S3 = 0,001·358∙1,5 = 0,54 (м);
ПК 67+00: S1 = 0,001·95∙1,5 = 0,14 (м),
S2 = 0,001·176∙1,5 = 0,26 (м),
S3 = 0,001·278∙1,5 = 0,42 (м);
ПК 68+00: S1 = 0,001·116∙1,4 = 0,16 (м),
S2 = 0,001·195∙1,4 = 0,27 (м),
S3 = 0,001·223∙1,4 = 0,31 (м);
По значениям S и Р строится график функции S = f (P).
Для определения расчетной осадки и нагрузки необходимо построить прямую функции P = f (S). Для этого берем две точки S0 = 0 и S0 = 1, и определяем Р0 по формуле:
, МПа (5.15)
где γн – удельный вес грунта насыпи над УГВ (уровень грунтовых вод), кН/м3;
γввзв – удельный вес грунта насыпи под УГВ, кН/м3.
Удельный вес грунта насыпи над УГВ определяется по формуле:
γн = ρ·9,8, кН/м3 (5.16)
где ρ – плотность, равная 1,80 г/см3.
Удельный вес грунта насыпи над УГВ определяем по формуле (5.16):
γн = 1,80·9,8=17,64 (кН/м3).
Удельный вес грунта насыпи под УГВ определятся по формуле:
, кН/м3 (5.17)
Удельный вес грунта насыпи под УГВ определяем по формуле (5.17):
(кН/м3).
Произведем расчеты, необходимые для построения графиков для каждого пикета:
ПК 65+00: при S0 = 0 Р0= (17,64 ·4,41+8,82∙0)/1000 = 0,078 (МПа),
при S0 = 1 Р0= (17,64 ·4,41+8,82∙1)/1000 = 0,087 (МПа);
ПК 66+00: при S0 = 0 Р0= (17,64 ·1,54+8,82∙0)/1000 = 0,027 (МПа),
при S0 = 1 Р0= (17,64 ·1,54+8,82∙1)/1000 = 0,036 (МПа);
ПК 67+00: при S0 = 0 Р0= (17,64 ·1,41+8,82∙0)/1000 = 0,025 (МПа),
при S0 = 1 Р0= (17,64 ·1,41+8,82∙1)/1000 = 0,034 (МПа);
ПК 68+00: при S0 = 0 Р0= (17,64 ·1,34+8,82∙0)/1000 = 0,025 (МПа),
при S0 = 1 Р0= (17,64 ·1,34+8,82∙1)/1000 = 0,034 (МПа);
По полученным данным выполним построение графиков P = f (S) для определения расчетной осадки и нагрузки для каждого пикета.
Рисунок 5.2 – График определения расчетной осадки и нагрузки на ПК 65+00
По графику (рисунок 5.2) определяем расчетную осадку на ПК 87+00
Sрасч = 0,139 м и расчетную нагрузкуPрасч = 0,079 МПа.
Рисунок 5.3 – График определения расчетной осадки и нагрузки на ПК 66+00
По графику (рисунок 5.3) определяем расчетную осадку на ПК 88+00
Sрасч = 0,492 м и расчетную нагрузкуPрасч = 0,032 МПа.
Рисунок 5.4 – График определения расчетной осадки и нагрузки на ПК 67+00
По графику (рисунок 5.4) определяем расчетную осадку на ПК 89+00
Sрасч = 0,457 м и расчетную нагрузкуPрасч = 0,029 МПа.
Рисунок 5.5 – График определения расчетной осадки и нагрузки на ПК 68+00
По графику (рисунок 5.5) определяем расчетную осадку на ПК 89+00
Sрасч = 0,306 м и расчетную нагрузкуPрасч = 0,028 МПа.
5.3 Расчёт устойчивости основания
В расчете устойчивости оснований необходимо определить возможность и степень опасности бокового выдавливания грунта из-под подошвы. На основе результатов расчета делается вывод о возможности использования слабых грунтов оснований.
Устойчивость основания считается обеспеченной при величине коэффициента безопасности большей или равной единице (Кбез ≥ 1). Устойчивость основания определяется по формуле:
, (5.18)
где Pбез – безопасная (предельная) нагрузка, МПа;
Pрасч – расчетная проектная нагрузка, МПа.
Расчет на быструю отсыпку земляного полотна производится следующим образом.
Расчетная нагрузка определяется по формуле:
, МПа (5.19)
где γн – удельный вес грунтовой насыпи в уплотненном состоянии, кг/м3;
Нрасч – расчетная высота насыпи, м;
Sкон – конечная осадка основания, м.
Безопасная нагрузка для условия быстрой отсыпки, исходя из прочностных свойств грунта, определяется по формуле:
, МПа (5.20)
где Cнач – удельное сцепление грунта в предельном (начальном) состоянии, МПа;
γ – удельный вес грунта, кг/м3;
z – мощность слоя слабого основания, м;
φнач – угол внутреннего трения, град;
β – коэффициент, определяемый по графику [6].
Расчетную нагрузку определяем для каждого пикета по формуле (5.19):
ПК 65+00: 
(МПа);
ПК 66+00: 
(МПа);
ПК 67+00: 
(МПа);
Определяем безопасную нагрузку на основание по формуле (5.20).
Для определения β необходимо использовать соотношения W и U(v), рассчитанные в пункте (5.2) по формулам (5.4) и (5.8):
ПК 87+00: 
,
;
ПК 88+00: 
,
;
ПК 89+00: 
,
;
ПК 90+00: 
,
.
По компрессионной кривой W= f (P) [6] определяем влажность грунта, соответствующую расчетным нагрузкам для каждого пикета:
ПК 87+00: W=540 проц.;
ПК 88+00: W=510 проц.;
ПК 89+00: W=490 проц.;
ПК 90+00: W=390 проц.
Используя найденную влажность грунта основания (суглинок тяжелый пылеватый слабозаторфованный), по графику зависимостей механических характеристик торфяного грунта [6] определяем значения сцепления и угла внутреннего трения для каждого пикета:
ПК 87+00: Cнач=0,020 МПа, φнач=7 град;
ПК 88+00: Cнач=0,023 МПа, φнач=7 град;
ПК 89+00: Cнач=0,024 МПа, φнач=7,5 град;
ПК 90+00: Cнач=0,035 МПа, φнач=8,5 град.
По графику [6] определяем коэффициент β для каждого пикета:
ПК 87+00: β = 0,16;
ПК 88+00: β = 0,14;
ПК 89+00: β = 0,14;
ПК 90+00: β = 0,14.
Безопасную нагрузку определяем для каждого пикета по формуле (5.20):
ПК 87+00: 
(МПа);
ПК 88+00: 
(МПа);
ПК 89+00: 
(МПа);
ПК 90+00: 
(МПа).
Коэффициент безопасности определяем для каждого пикета по формуле (5.18):
ПК 87+00: 
;
ПК 88+00: 
;
ПК 89+00: 
;
ПК 90+00: 
.
Условие безопасности соблюдается, следовательно, устойчивость насыпи при быстрой отсыпке обеспечена на ПК 87+00, ПК 88+00, ПК 89+00 и ПК 90+00. Слабый грунт может быть использован в качестве основания, но необходимо решить вопрос о режиме отсыпки насыпи и времени завершения интенсивной части осадки.
5.4 Расчёт осадки во времени
Скорость осадки может быть оценена по результатам расчета на основе лабораторных испытаний образцов грунта с ненарушенной структурой.
На основании теории консолидации грунтовых масс, если осадки образца толщиной h = 2,05 см за t минут (в сутках) составляет q(%) от полной его осадки, то время, за которое будет достигнута такая же относительная осадка слоя толщиной Н(Z) в натуре определяется по формуле:
, мин. (5.21)
где t – время осадки образца при лабораторном испытании, мин.;
Н – толщина слоя слабого грунта, м;
h – осадка образца, 2,05м.
Время осадки образца в лаборатории составляет для каждого пикета:
ПК 65+00: t=7,12 мин.;
ПК 66+00: t=8,10 мин.;
ПК 67+00: t=8,50 мин.;
ПК 67+00: t=9,05 мин.;
Осадку основания во времени на каждом пикете определяем по формуле (5.21):
ПК 87+00: 
;
ПК 88+00: 
;
ПК 89+00: 
;
ПК 89+00: 
;
