При проектировании малых и средних искусственных сооружений для обеспечения плавности проектной линии используют следующие приемы. 4 страница

Гидроизолирующие прослойки устраивают под дорожной одеждой на всю ширину земляного полотна, чтобы не допустить увлажнения от атмосферных осадков, проникающих под дорожную одежду или на глубине не менее 1,2 м от верха покрытия, но не ниже 0,2 м от поверхности земли. Если увлажнение рабочего слоя происходит от всех трех источников увлажнения (осадки, грунтовые и поверхностные воды), то устраивают две гидроизолирующие прослойки, заключая грунт в верхней части земляного) полотна в обойму (рис. 9.7б).

Капилляропрерывающие прослойки устраивают для ограничения притока влаги в верхние слои земляного полотна от грунтовых или поверхностных вод на глубину не менее 1,2 м от верха покрытия и не менее 0,2 м над уровнем грунтовых вод.

Гидроизолирующие и капилляропрерывающие прослойки необходимо предусматривать:

1) при целесообразности снижения высоты насыпи на отдельных участках дороги;

2) для снижения объема земляных работ;

3) для уменьшения толщины морозозащитного и дренирующего слоя;

4) для уменьшения мощности основания дорожной одежды за счет увеличения расчетных показателей грунтов земляного полотна, имеющих более низкую влажность.

Окончательное решение о применении гидроизолирующих и капилляропрерывающих прослоек принимают на основании технико-экономического расчета.

Применяемые прослойки должны соответствовать действующим нормативным документам и отвечать следующим требованиям:

– выдерживать без повреждения нагрузки, возникающие при укладке и уплотнении вышележащих слоев, а также при движении автомобилей по дороге;

– противостоять воздействию неравномерного морозного пучения и осадки грунтов без разрывов и проломов;

– не изменять существующих свойств при различной степени влагонакопления и температуре;

– не заиливаться, не подвергаться разрушающему воздействию микроорганизмов и агрессивных вод;

– их устройство должно быть технологичным.

Прослойки предусматриваются:

– в основании насыпей на слабых грунтах;

– в теле насыпей для повышения устойчивости откосов;

– в качестве защитного фильтра в дренажных конструкциях;

– в качестве дрен, обеспечивающих отвод воды из водонасыщенного массива грунта;

– как разделяющая прослойка на контакте слоев грунта или зернистых материалов с различным гранулометрическим составом (препятствующая перемешиванию материалов слоев);

– в основании технологических проездов на грунтах с низкой несущей способностью.

Наряду с заменой глинистого грунта в верхней части рабочего слоя земляного полотна на менее пучинистый, могут применяться мероприятия по улучшению свойств грунта путем введения гранулометрических добавок, обработкой вяжущими и другими материалами. В качестве вяжущих могут применяться наряду с битумом, цементом, известью, отходы и побочные продукты промышленности (зола уноса, цементная пыль, шлаки и др.).

Для отвода воды, поступающей сверху от атмосферных осадков и снизу от грунтовых вод, применяют дренирующие прослойки. Рекомендуется также применение прослоек, совмещающих функции дренирования, разделения вышележащих слоев дорожной одежды и грунтов, а также армирования земляного полотна и снижения неравномерности пучения.

Дренирующие прослойки укладывают непосредственно под дорожную одежду по всей ширине земляного полотна с выпусками полотнищ на откосы или в дренаж на 0,5-1,0 м. Их устраивают из нетканых синтетических материалов (геотекстиля), способных фильтровать воду в поперечном направлении в плоскости холста. Коэффициент фильтрации таких материалов должен быть не ниже 30 м/сут с учетом заиливания.

Для устройства теплоизолирующих слоев применяют материалы с более эффективными теплоизолирующими свойствами, чем у грунтов и обычных дорожно-строительных материалов.

При близком залегании грунтовых вод или при длительно застаивающихся поверхностных водах рекомендуется использовать материалы с низким коэффициентом теплопроводности, например, пенопласт, позволяющий при небольшой толщине слоя (до 10-15 см) полностью предотвратить промерзание грунтов земляного полотна и уменьшить миграцию влаги в верхние слои рабочего слоя в зимний период, исключить морозное пучение грунтов. В других случаях могут быть использованы легкие бетоны, теплоизоляционные композиции из укрепленных вяжущим местных материалов (грунтов) или отходов промышленности, заполнителей (перлит, аглопорит, гранулы полистирола и измельченные отходы пенопласта, керамзит и др.), которые способствуют снижению глубины промерзания земляного полотна и уменьшению неравномерности морозного пучения.

При использовании для строительства насыпей грунтов различного состава и свойств необходимо соблюдать определенные правила размещения их в теле насыпи, обеспечивающие устойчивость земляного полотна (рис. 9.8):

Рис. 9.8. Размещение в земляном полотне водонепроницаемого и водопроницаемого грунтов (точками показан водопроницаемый грунт, штриховкой – водонепроницаемый)

1) верхний слой земляного полотна («рабочий слой»), на который передается давление от проезжающих транспортных средств, до глубины 1,2 м от поверхности цементобетонных и 1,0 м асфальтобетонных покрытий во II дорожно-климатической зоне (Беларусь) должен состоять из грунтов, не подверженных пучению или слабопучинистых грунтов.

2) разнородные грунты следует размещать в теле насыпи горизонтальными слоями. Менее водопроницаемые грунты располагают в нижних слоях, хорошо дренирующие – в верхних. Исключением являются случаи, когда дренирующий грунт предназначен для прерывания капиллярного поднятия воды в насыпь из переувлажненного основания.

3) поверхностям слоев водонепроницаемых грунтов необходимо придавать двухскатный поперечный профиль с уклоном 20-40‰, что способствует стоку из насыпи просачивающейся воды; из слоев водопроницаемых грунтов должен быть обеспечен вывод воды на откосы.

4) грунты и промышленные отходы, подверженные изменениям объема или теряющие устойчивость при увлажнении, следует располагать в средней по высоте части насыпей, перемежая их отдельными тонкими прослойками песка или фильтрующих нетканых синтетических материалов – геотекстиля. Насыпи в виде замкнутого ядра из одного грунта, прикрытого сверху и с боков другим грунтом, допускаются лишь при уширении земляного полотна при реконструкции дорог. Не разрешается уширение водонепроницаемым грунтом насыпей, построенных из дренирующего грунта.

5) воспрещается бессистемная, случайная отсыпка различных по свойствам грунтов. При такой отсыпке в теле насыпи могут образоваться линзы, в которых может скапливаться вода или наклонные поверхности, по которым при увлажнении возможно оползание.

9.7. Оценка устойчивости земляного полотна

Насыпь, возведенная на косогоре, может сползти вниз, если направленная параллельно косогору составляющая ее веса окажется больше силы трения, удерживающей насыпь на месте (рис. 9.9).

Рис. 9.9. Силы, действующие на насыпь на косогоре

Согласно расчетной схеме на рис. 9.9, удерживающая сила – , где
Q – вес насыпи, Н; f – коэффициент трения насыпного грунта по поверхности косогора;
a – уклон наклона косогора, а сила, сдвигающая насыпь – .

Отсюда коэффициент устойчивости насыпи против сдвига , где
i – поперечный уклон косогора.

Мероприятия по повышению устойчивости насыпей на косогорах сводятся к увеличению значения коэффициента трения f. При поперечном уклоне местности от 1:10 до 1:5 из-под насыпи обязательно удаляют дерн. При поперечном уклоне местности от 1:5 до 1:3 на поверхности косогора устрагивают уступы высотой 0,5 м.

Разделка косогора ступенями преследует цель заменить недостаточное сопротивление скольжению грунта по поверхности косогора более высоким сопротивлением срезу насыпного грунта по той же поверхности. При этом предполагается, что грунт косогора настолько прочен, что срез может произойти только по сечению насыпного грунта. На косогорах, сложенных из песков или слабосвязных щебенистых грунтов, устройство уступов не достигает цели. В подобных случаях, а также при уклоне местности более 1:3, для обеспечения устойчивости насыпи необходимо возводить подпорные стены или отсыпать контрбанкеты.

Если насыпь возведена на наклонных напластованиях, залегающих на устойчивых горных породах, подстилающий грунт в результате нагрузки от веса насыпи может оползти. Аналогичное явление может наблюдаться при подрезании откосом выемки наклонных слоев грунта.

При этом проверка устойчивости сводится к выделению в оползающей части массива в соответствии с очертаниями поверхности скольжения вертикальных отсеков таким образом, чтобы основание отсека можно было принять прямолинейным, и к оценке устойчивости каждого из отсеков под влиянием собственного веса и передающегося давления смежных отсеков. Каждый отсек рассматривается как затвердевший массив.

Насыпи, возведенные на слабых основаниях (торфах, сапропелях, илах, мокрых солончаках, лессовых грунтах, переувлажненных глинистых грунтах и др.), 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, но в некоторых случаях могут возникать и во время последующей эксплуатации, например при длительной стоянке тяжелых транспортных средств на насыпях, отсыпанных на болоте, или в результате застоя воды около насыпей на просадочных грунтах.

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. К их числу относят грунты, имеющие при угле внутреннего трения j, близком к нулю, сопротивление сдвигу не более 0,075 МПа, и модуль деформации E £ 5,0 МПа.

Зависимость между давлением на грунт и его просадкой в общем виде выражается кривой, представленной на рис. 9.10а.

Рис. 9.10. Зависимость между нагрузкой и деформацией: а – кривая зависимости между нагрузкой и деформацией: б – деформация насыпей на слабом грунте, соответствующие разным фазам информации; 1 – 1-я фаза (уплотнение); 2 – 2-я фаза (уплотнение и боковые сдвиги); 3 – 3-я фаза (резкая просадка, вызываемая боковым выпиранием грунта основания) (стрелками показано преимущественное направление перемещения грунта при деформации)

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. При дальнейшем возрастании нагрузки в отдельных точках подстилающего грунта касательные напряжения начинают превышать его сопротивление сдвигу. В этих местах возникают пластические деформации (деформации сдвига). 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.

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 цементобетонными и асфальтобетонными покрытиями (расчет на полное отсутствие сдвигов в основании);

– в начальном периоде второй фазы – деформации насыпей на дорогах с покрытиями облегченных типов (ограничение распространения сдвигов заданным значением);

– в конечном периоде второй фазы – струенаправляющие и регуляционные сооружения, дороги местного значения с покрытиями переходных типов (условия, близкие к предельному равновесию).

Напряжения в грунте основания, вызываемые нагрузкой от насыпей, определяют по формулам теории упругости для бесконечной гибкой полосы, загруженной в поперечном сечении по закону трапеции.

Для повышения устойчивости насыпей против выпирания слабых грунтов в основании предусматривают ряд мероприятий:

1) уменьшение собственного веса насыпи, что достигается возведением ее из легких материалов (керамзита, котельного шлака или торфа), сооружением ячеистой насыпи из тощего бетона на легком щебне, в котором устроены воздушные прослойки путем закладки поперек насыпи пластмассовых труб, или уменьшением высоты насыпи с устройством в ней гидроизоляционных прослоек;

2) увеличение коэффициента заложения откосов до 1:5-1:10, что снижает касательные напряжения в грунте основания;

3) отсыпка рядом с насыпью вдоль ее откосов берм, вес которых противодействует выжиманию боковых призм подстилающего грунта;

4) прокладка дороги на эстакаде и передача веса насыпи на плотный подстилающий грунт через свайное основание;

5) отсыпка насыпи на жесткий настил, равномерно распределяющий давление насыпи на большую площадь и препятствующий неравномерному погружению насыпи в грунт с максимумом в середине. Считают, что при этом прочность основания увеличивается на 10-20%. Некоторое повышение жесткости нижней части насыпи и противодействие неравномерному погружению грунта насыпи в подстилающий грунт достигается также устройством под насыпью прослойки из нескольких слоев прочного синтетического материала – геотекстиля. Сопротивление заведенных в тело насыпи на достаточное расстояние концов полос геотекстиля препятствует образованию выпуклого очертания подошвы насыпи, способствующей ее погружению в слабое основание с выжиманием грунта в стороны;

6) уменьшение толщины слоя слабого грунта путем удаления его верхней части на основе расчета;

7) предварительное (до отсыпки) осушение основания в случае возможности отвода воды в сторону или с применением иглофильтров. Этим повышаются сцепление и внутреннее трение грунта, а уплотнение основания под действием собственного веса протекает более быстро;

8) 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. Если насыпь на слабом основании устойчива против выпирания, должна быть рассчитана ее осадка для оценки дополнительных объемов земляных работ, необходимых для компенсации сжатия.

На практике для приближения формы откоса к очертанию устойчивого откоса применяют переменную крутизну его на разных участках по высоте или, сохраняя постоянную крутизну, вводят бермы (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Поперечные профили высоких насыпей: а – с переменной крутизной откосов; б – с введением берм; 1 – берма

Бермы уменьшают скорость стекания по откосу дождевых и талых вод, предотвращая его размывание. Они облегчают также ремонт и содержание откосов, позволяя осматривать их, подвозить и складывать материалы для ремонта.

Наблюдения показали, что откосы насыпей обрушиваются по поверхностям, которые без существенных искажений могут быть приняты как круглоцилиндрические. Для проверки устойчивости откосов задаются положением ряда поверхностей скольжения и определяют коэффициенты устойчивости сползающих частей откосов насыпи. Поверхность скольжения проводят через подошву откоса, не заглубляя в подстилающий грунт, если насыпь возведена на плотном основании. Если основание под насыпью мягкое водонасыщенное и малосвязное (j<8°), должны быть исследованы также кривые, захватывающие основание и выходящие за подошву насыпи. Затем находят коэффициент устойчивости для всего откоса из соотношения сумм моментов сил, удерживающих и сдвигающих выделенные призмы относительно оси поверхности скольжения. Его значение должно быть больше допустимого (обычно 1,15-1,30).

Расчет осадки насыпей от сжатия подстилающего грунта сводится к суммированию деформаций отдельных слоев от вертикальных напряжений. При слабых грунтах происходит и частичное выдавливание грунта в сторону, создающее дополнительную осадку, но способы точного учета этого явления еще не разработаны.

При расчетах осадки насыпей сжатие грунтового основания вычисляют в пределах ограниченного по глубине слоя грунта (активной зоны), условно принимая, что сжатие грунта прекращается на глубине, на которой напряжения, вызываемые весом насыпи, становятся менее 0,2 от давления собственного веса грунтового основания.

При подсчете давления от собственного веса грунта для слоев, расположенных ниже уровня грунтовых вод, а также в зоне полного капиллярного водонасыщения грунта ниже уровня менисков, учитывается взвешивающее действие воды. В этом случае плотность грунта приближенно принимают равной 1,0 г/см³.

Осадку определяют суммированием деформаций отдельных слоев грунта, в пределах которых напряженное состояние и характеристики деформации грунта (модуль деформации, параметры компрессионной зависимости) могут быть приняты постоянными. При этом фактическая эпюра распределения давления заменяется ступенчатой (рис. 9.12). Толщина выделяемых слоев не должна превышать 0,4 ширины насыпи понизу.

Рис. 9.12. Расчетная схема вычисления осадки от сжатия грунта под насыпью: 1 – геологический разрез; 2 – кривая напряжений от собственного веса грунта; 3 – кривая напряжений от веса насыпи; 4 – замена кривой напряжений ступенчатой эпюрой; 5 – эпюра относительного сжатия грунта; Н – первоначальная толщина сжинаемой толщи; Н₁ – толщина сжимаемой толщи, уточненная с учетом уплотнения расположенных ниже слоев грунта

Сжимаемость сравнительно плотных грунтов характеризуют модулем деформации, значение которого определяют испытанием пробными нагрузками. В этом случае сжатие выделенного слоя толщиной h – , а общая осадка дорожной насыпи находится как сумма осадок отдельных слоев – , где h_i – мощность i-го слоя; s_zi – напряжение в i-том слое; E_грi – модуль деформации грунта i-го слоя.

Если относительное сжатие нижнего слоя превышает 0,1% (1,0 мм на 1,0 м толщины грунта), расчет продолжают, учитывая деформацию нижерасположенных слоев грунта.

Для насыпей, отсыпанных на торфяном основании, необходимо учитывать возможность упругих колебаний насыпей при проезде автомобилей. Эти колебания могут вызвать образование трещин в покрытиях и их быстрое разрушение.

Считается, что упругая деформация оставленного под насыпью слоя торфа не должна превышать 0,5 см. Для этого отношение толщины насыпного слоя грунта к толщине оставленного под насыпью слоя слабого грунта H должно быть: не менее 2 (при Н = 1,0 м); 0,5 (при Н = 6 м) для одежд капитального и облегченного типов и соответственно 1,2 и 0,4 – для одежд переходного типа.

Уплотнение водонасыщенных грунтов под насыпью протекает замедленно. Скорость деформации зависит от коэффициента фильтрации грунта, которая может колебаться в широких пределах. Так, например, для торфов в зависимости от их состава и степени разложения коэффициент фильтрации составляет от 10^-3 до 10^-7 см/с.

Скорость осадки сооружений на торфяных и илистых основаниях может быть определена по формулам теории уплотнения во времени водонасыщенных грунтов (теории фильтрационной консолидации). Эта теория в ее простейших формулировках рассматривает замедленное во времени сжатие водонасыщенного грунта, происходящее в результате выжимания воды давлением внешней нагрузки. При этом предполагается, что напряжения в сжимаемом слое постоянны по глубине, а нагрузка передается через большую площадку, меньшая из сторон которой в 3-4 раза превышает толщину сжимаемого слоя. Вода выжимается по кратчайшему расстоянию в вертикальном направлении и удаляется через песчаное дно или песчаную насыпь.

Осадка насыпи должна прекратиться за период строительства до начала укладки покрытия. Для ускорения этого процесса в зависимости от местных условий можно применить один из следующих приемов:

1) увеличить глубину выторфовывания, что уменьшит толщину сжимаемого слоя;

2) осушить болото, что приведет к уплотнению торфа силами капиллярного давления и увеличению коэффициентов трения и сцепления;

3) применить способ перегрузки, который заключается в том, что вначале отсыпают высокую насыпь с крутыми откосами или укладывают на нее дополнительный слой грунта. Увеличение давления насыпи на грунт вызывает в этом случае более быстрое протекание осадки. Перед укладкой покрытия насыпь разравнивают до проектной отметки;

4) устроить вертикальный дренаж в виде буровых скважин, засыпанных крупнозернистым песком, или лент пористых материалов, расположенных в плане через 1,5-3 м, в шахматном порядке или по квадратной сетке. На сильно разложившихся торфах или илах дренажи могут ускорить осадку насыпей в 20-25 раз. Вертикальные дрены получили широкое распространение при мощности слабых оснований более 5-6 м;

5) устроить под земляным полотном продольные дренажные песчаные прорези на расстоянии 1,8-2,4 м, что возможно при мощности торфа, поддающейся разработке экскаваторами (H < 4 м). При этом необходимо, чтобы грунт основания мог сохранять вертикальные стенки в период до заполнения выкопанных траншей песком.