Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

1.11 Предложения по расчёту прочности и устойчивости земляного полотна

Земляное полотно - один из основных элементов автомобильной дороги, от устойчивости, прочности и долговечности которого зависит работоспособность дорожных одежд и всего сооружения. В земляном полотне обычно рассматривается его верхняя часть, основания насыпи и выемки, устройства для поверхностного водоотвода, дренирующие сооружения, защитные гидротехнические сооружения.

Земляное полотно должно быть прочным, устойчивым и долговечным, требующим минимума расходов на его устройство, содержание и ремонт и обеспечивающим возможность широкой механизации работ. Выполнение указанных требований достигается правильным выбором грунтов для насыпей и их тщательным уплотнением при постройке, приданием земляному полотну очертаний, способствующих надёжному отводу воды, укреплением откосов насыпей и выемок [27, 29].

Обследования проводят на всем протяжении дороги с целью общей оценки устойчивости земляного полотна, состояния его откосов и разработки конкретных мероприятий, обеспечивающих нормальную работу земляного полотна.

Методика определения засоленности грунтов. К засоленным относятся грунты, содержащие в верхней метровой толще более 0,3 % по массе легко растворимых хлористых, сернокислых и углекислых солей натрия, кальция и магния.

Содержание водорастворимых солей в грунтах существенно влияет на их физико-механические свойства. При увлажнении засоленных грунтов их сопротивление внешним нагрузкам резко снижается, а в дождливые периоды возможно оползание откосов насыпей и выемок.

Содержащиеся в грунтах соли NaCl, CaCl2 не разрушают покрытие даже при содержании свыше 5 %. Разрушающие воздействия водорастворимых солей на битумы и дегти проявляется в виде выщелачивания вяжущего под влиянием солей. Для проведения солевого анализа были отобраны пробы грунтов на разрушенных участках. Пробы брались на обочинах, откосах и в резервах (с глубины 0,1;0,5;1,0 метров). Для проб грунта определялась влажность на границах текучести и раскатывания =28,8 %, =15,4 %.

Используются 2 способа определения засоленности грунтов.

Первый - фотометрия пламени, заключающаяся в спектральном анализе аэрозольного образца в пламя специальной горелки. Излучение анализируемого элемента, возникающее в пламени, определяется посредством светофильтров или монохроматора и, попадая на фотоэлемент, вызывает фаготок, который измеряется гальванометром. Показания приборов пропорциональны концентрации определяемого элемента, что позволяет судить о количественном содержании определяемого элемента в пробе.

Существует несколько способов расчёта содержания элемента в анализируемом материале. Наиболее удобно пользоваться калибровочным графиком. Для этого приготавливают серию эталонных растворов с известным содержанием определяемого элемента. Растворы фотометрируют и на основании полученных данных строят калибровочный график (рис. 1.9).

Для построения калибровочного графика нами было взято 10 гр. К2SO4 растворили в 100 мм воды. Затем полученный раствор был разделен на 5 проб, которые доведены до следующей концентрации

1 пробирка - 10 гр., 2 - пробирка - 15 гр., 3 пробирка - 20 гр., 4 пробирка - 25 гр., 5 пробирка - 30 гр.

Затем растворы профотометрировали и получили калибровочный график (рис. 1.8).

Рис.1.8 Калибровочный график для определения фотометрическим способом содержания соли

Каждая из взятых проб грунта была проанализирована таким способом. Положительный результат получен не был. Прибор не реагировал ни на один из интересующих нас ионов К+, Са+, Na+, Mg+. Так как качественный анализ при помощи фотометра не дал положительного результата был проведен анализ при помощи двух качественных реакций.

Соли серной кислоты растворимы в воде за исключением сульфата бария BaSo4. Если добавить к раствору соли серной кислоты раствор хлорида бария BaCl2, то выпадает белый осадок сульфата бария.

NaSO4+BaCl2=BaSO4 +2NaCl (1.36)

Если при добавлении раствора соли бария к какому-либо раствору выпадает белый осадок и этот осадок не растворяется после добавления раствора азотной кислоты, то можно утверждать, что в исследуемом растворе содержится серная кислота или какая-либо её соль. Качественной реакцией на хлоран является нитрат серебра. Почти все хлориды растворимы в воде, к числу нескольких практически - нерастворимых хлоридов относится хлорид серебра. Он выпадает в виде осадка похожего на свернувшееся молоко, при добавлении раствора нитрата серебра к соляной кислоте или к любой её соли

NaCl+AgNO3=AgCl +NaNO3  (1.37)

При добавлении к осадку раствора азотной кислоты осадок не исчезнет. Если при добавлении раствора нитрата серебра к какому-либо раствору выпадает белый осадок и этот осадок не растворяется после добавления раствора азотной кислоты, то можно утверждать, что в исследуемом растворе содержится соляная кислота или какая-либо её соль.

Для проведения данного опыта было растворено небольшое количество грунта в воде, профильтровано и полученный раствор исследовался при помощи хлорида бария и нитрата серебра.

Если в результате проведённых опытов положительного результата на присутствие в грунте интересующих солей получено не будет, следовательно, причина разрушения не связана с засоленностью грунтов земляного полотна.

Методика определения прочности земляного полотна.

Прочность земляного полотна определяется в наиболее неблагоприятный период года - период весеннего оттаивания грунта. Продолжительность этого периода обычно невелика и не превышает 1-1.5 недели, поэтому очень важно оперативно выполнить работы в указанный период.

Оценка прочности дорожной одежды выполняется по упругому прогибу установкой динамического нагружения с падающим диском и жестким штампом. В процессе измерения к штампу прикладывают нагрузку несколькими ступенями, которые остаются неизменными до конца испытания. Обычно принимаются следующие ступени: 4,8, 12, 16,20,24 кН. Для каждой ступени вычисляют давление. Относительную упругую деформацию определяют по показаниям двух мессур (приборов для измерения линейных перемещений и деформаций). По данным измерений строят графики зависимости относительной деформации от давления подошвы штампа на грунт при нагружении и разгрузке. По этому графику находят значение расчётной относительной упругой деформации, а затем вычисляют модуль упругости грунта

, (1.38) где     - поправочный коэффициент, учитывающий жёсткость штампа; , где  - давление штампа на грунт соответственно при нагружении и после разгрузки, Па;  - коэффициент Пуассона для грунта;  - относительная упругая деформация.

По этим данным строят линейный график прочности.

Прочность и устойчивость земляного полотна обеспечивается:

- соблюдением проектных геометрических параметров;

- обеспечением стока поверхностных вод и отводом влаги из-под конструкции дорожной одежды;

- необходимым возвышением бровки земляного полотна над уровнем грунтовых и атмосферных вод;

- возведением земляного полотна из устойчивых грунтов с послойным уплотнением до требуемого значения;

- назначение оптимальной крутизны откосов насыпей и выемок с предохранением их поверхности от оползания, водной и ветровой эрозии.

Устойчивость склонов и откосов рассчитывают из условий плоской задачи:

по прочности (1-е предельное состояние);

деформируемости (2-е предельное состояние).

Расчет устойчивости склонов и откосов по прочности сводится к определению коэффициента запаса устойчивости с помощью различных расчетных методов (метод круглоцилиндрической поверхности скольжения, метод горизонтальных сил Маслова-Берера, метод Шахунянца, метод наклонных сил Чугаева и др.), а также к сравнению его с требуемой величиной.

Расчетные характеристики грунтов (объемная масса, угол внутреннего трения и сцепление) следует принимать соответствующими наименее благоприятным условиям устойчивости оползневого склона в годовом и многолетнем циклах.

Геодезической основой расчетной схемы являются расчетные поперечники, характеризующиеся наиболее неблагоприятным сочетанием различных факторов, таких, как высота и крутизна склона, мощность смещающихся масс, расположение слабых прослоек, наклон слоев, уровень грунтовых вод и др.

Целью разработки проекта устройства насыпи был выбор технических решений наиболее рациональных с позиций экономических, технологических, экологических и временных, обеспечивающих надежную конструкцию земляного полотна.

Особенности при выполнении работ:

  1. Выполнение работ по возведению насыпи требует особого внимания к контролю качества ведения работы и её результатов по каждому технологическому процессу и организации научного сопровождения хода строительства.
  2. Своевременное регулирование технологии отсыпки и реакция на процесс и тенденции хода осадок и их стабилизации с регламентацией технологических перерывов.
  3. Соблюдение указаний нормативных документов.

Порядок расчёта устойчивости откосов земляного полотна разработан в соответствии с «Указаниями по расчёту высоких насыпей и глубоких выемок автомобильных дорог».

Коэффициент запаса устойчивости откоса земляного полотна (табл.1.16)

, (1.39) где  N - нормальная, по отношению к поверхности скольжения, составляющая веса вышележащего слоя грунта, м;  - длина дуги скольжения в пределах грунта насыпи и основания, м;  - касательная к дуге скольжения составляющая сила веса, т; Q - вес грунта в объёме отсека, т;  - угол внутреннего трения грунта насыпи и основания.

Таблица 1.16 - Допускаемые значения коэффициента П

Категория

дороги

Песчаные грунты с постоянной влажностью

Глинистые грунты с постоянной влажностью и песчаные с переменной влажностью

Глинистые грунты с переменной влажностью

I-II-III

1,2

1,4

1,5

Коэффициент запаса устойчивости откосов оползневых участков после проведения противооползневых мероприятий принимается при расчете по прочности не менее 1,3. При учете сейсмического воздействия величина активных сдвигающих сил должна быть увеличена на сейсмический коэффициент  =1,03-1,1. Если общая устойчивость склонов и откосов земляного полотна обеспечена (  =1,3), но есть опасность развития длительных деформаций ползучести во времени, необходимо дополнительно выполнять расчеты по деформируемости.

Устойчивость оползневых склонов по деформируемости особенно следует проверять в тех случаях, когда угол внутреннего трения грунтов, слагающих склон, незначителен, а структурное сцепление  равно нулю (пластичные глинистые грунты и др.).

Если задаться значением запаса устойчивости , то, решив ее относительно , можно найти значение проектной мощности оползня, обеспечивающей заданный запас устойчивости, по формуле , (1.40) где     - объемный вес грунтов оползневой массы в элементарной призме;  и  - угол внутреннего трения и сцепление грунтов по поверхности скольжения оползня.

Коэффициент запаса устойчивости не дает возможности оценить количественно как надежность склона, так и степень риска. Это связано с тем, что в прогнозе коэффициента запаса не учитываются разбросы величин внешних сил, геометрических размеров, разброс физических характеристик грунта и т.д. Был принят нормальный закон распределения для всех расчетных величин коэффициента устойчивости и, используя функции Лапласа, установлена крутизна склона при заданной вероятности устойчивости склона

, (1.41) где     - момент сопротивления вращению объема грунта вокруг определенной точки;  - величина вращающего момента.

Формула (1.41) показывает, что при коэффициенте запаса устойчивости  вероятность обрушения П=0,5. Это означает, что каждый второй склон, запроектированный таким образом, может обрушиться, то есть риск оценивается в 50%.

Определение вида и центра критической дуги скольжения, при которой коэффициент запаса устойчивости будет минимальным, проводится методом последовательного приближения с повторением расчёта устойчивости для нескольких дуг с наименее выгодным соотношением удерживающих и сдвигающих сил. При назначении радиуса дуги скольжения следует учитывать, что критическая дуга обычно образует центральный угол 100-135º. Центр критической дуги скольжения отыскивается следующим образом.

Расчётная схема №1 (рис. 1.9). Центр «О» располагается на линии, проходящей через бровку откоса и точку «В», лежащую на глубине H и расстоянии 3H от подошвы откоса. Для первого приближения центр критической дуги назначается на пересечении линии СВ и линией АО, проведённой под углом 25º к среднему откосу. При последующих этапах проверки центры намечается выше через .

Рис. 1.9 Расчётная схема №1 - для дуг скольжения, проходящих через подошву откоса, кроме случаев, когда угол откоса<18º

Расчётная схема №2 (рис. 1.10). Центр «О» располагается в зоне между вертикалью и нормалью, проведёнными из середины откоса «М». При первом приближении центр назначается на биссектрисе угла FMD на расстоянии Н от точки «М». На продолжении линии ОМ через откладываются центры дуг скольжения для проверочных расчётов. Повышение устойчивости откосов может производиться как путём уполаживания, так и путём устройства контрбанкетов, размер которых определяется величиной необходимой пригрузки внешнего края призмы обрушения.

Рис. 1.10 Расчётная схема №2 для дуг скольжения, проходящих через основание и подошву откоса при <18º

Алгоритм расчёта устойчивости откосов земляного полотна следующий:

1. Ввод глубины откоса H и радиуса дуги R.

2. Расчёт  и .

3. Расчёт  и .

4. Определение . В случае  переход к п. 5, иначе переход к п. 6.

5. Определение равнодействующей веса грунта , переход к п.7

6. Определение равнодействующей веса грунта .

7. Расчёт ординаты , .

8. Расчёт приближения .

9. При условии  переход к п. 2, иначе к п.10.

10. Расчёт нормальной составляющей веса вышележащего слоя грунта и касательной к дуге скольжения составляющей силы веса .

11. , , .

12. , , .

13. Расчёт коэффициента запаса устойчивости по формуле

 .

Для повышения устойчивости основания насыпи против выпора или выдавливания могут применяться следующие конструктивные мероприятия:

а) уполаживание откосов;

б) устройство контрбанкетов;

в) углубление подошвы насыпи;

г) замена грунта в основании насыпи.

Предложения по оценке условий водоотвода.

Наличие влаголюбивых трав и кустарников указывает на высокий уровень грунтовых вод и плохой водоотвод. Во время оценки водоотвода проверяют возвышение бровки земляного полотна над источниками увлажнения, состояние боковых и нагорных канав, состояние дренажных устройств и водопропускных сооружений.

Рекомендуется обследовать водоотвод сразу после сильного дождя. Обследование выполняют в основном визуально при обходе или проезде лаборатории с малой скоростью. Большое влияние на условия водоотвода оказывает уровень грунтовых вод, положение которого определяют путём ручного бурения.

Для улучшения водно-теплового режима этой зоны полотна удаляют кромку проезжей части от боковой канавы на некоторое расстояние  (рис.1.11). Метод расчёта этого расстояния следующий.

Влагообмен в оттаявшем или в мерзлом слое грунта 1 происходит при следующих особенностях. Влага мигрирует одновременно в двухфазном состоянии - парообразном и пленочном (капиллярном). Фазовый состав влаги непрерывно меняется. Конденсацию водяного пара в жидкую фазу можно оценить конденсационным критерием . В мерзлом грунте переход термоактивной влаги в лёд можно оценить кристаллизационным критерием . Исследования показали, что величина термовлагопроводимости по отношению к концентрационной влагопроводности очень мала (1...3%) и её допустимо не учитывать. Расчёты показали, что при диффузии водяного пара и миграции плёночной влаги в полотне критерий Рейнольдса составляет около 10-5. Поскольку , то конвективный влагообмен чрезмерно мал (0,01 %), тогда влагообмен во времени T по глубине Z,

, (1.42)  где  W - влажность грунта;  - коэффициент влагопроводности двухфазной влаги, равный , (1.43) где  - коэффициент влагопроводности только жидкой фазы влаги.

Рис. 1.12. Схема к определению допустимого расстояния бровки земляного полотна от бокового кювета при периодическом подпоре поверхностными водами

Влажность грунта в плоскости 0-0 в период стояния воды T в канаве сохраняется постоянной (приток воды не происходит в канаву) или возрастает (приток воды происходит). В общем случае можно допустить, что в этой плоскости влажность изменяется по закону , где m - коэффициент, характеризующий изменения интенсивности нарастания влажности.

По мере возрастания сопротивления движению влаги от канавы в сторону одежды (пунктирная линия на рис.1.12) в слое 1 влажность падает в соответствии с эпюрой. Под дорожной одеждой происходит уменьшение влажности за счёт диффузии водяного пара в слои одежды. В этой зоне влажность понижается и сохраняется в пределах некоторого значения . Процесс влагообмена в слое  за счёт перепада  может быть описан следующими краевыми условиями

, (1.44)

, (1.45)

. (1.46)

Решение уравнения (1.46) операционным методом при краевых условиях (1.44-1.45) даёт следующее аналитическое выражение для нестационарного поля влажности в слое

(1.47)

Это уравнение может быть использовано для расчёта величины . Чем больше , тем меньше градиент влажности и её величина под дорожной одеждой, тем выше прочность грунтового основания.

Для обеспечения требуемой прочности дорожной одежды при длительном стоянии воды в канаве необходимо проезжую часть удалить на такое расстояние, при котором обеспечивался бы расчётный модуль деформации грунта , то есть табличный модуль по ВСН-46-83. Поскольку между влажностью и прочностью существует определенная корреляционная зависимость, то для обеспечения заданной прочности дорожной одежды необходимо, чтобы в плоскости 1-1 влажность , не превышала расчётную , то есть = . Величина  при проектировании полотна и дорожных одежд назначается по . На дорогах высших категорий устраивают укрепительную полосу на обочине. Для обеспечения устойчивости этой полосы шириною , необходимо, чтобы влажность в плоскости 2-2 не превышала некоторое значение . Следовательно, поле влажности , где    - расчётная продолжительность стояния воды в боковой канаве.

Для определения  из уравнения (1.47) необходимо решать трансцендентное уравнение, что вызывает трудности в вычислении. Поэтому уравнение (1.47) целесообразно упростить. Знакочередующийся ряд в уравнении (1.47) быстросходящийся. Он вносит небольшую поправку, уменьшая  на 0,001-0,003. При увеличении эта поправка стремится к 0: при T=2000 часов она близка к 0,005, при T=30000-0,0001. В практических расчётах ряд можно опустить, поскольку он вносит незначительную поправку в . Эта поправка отрицательная и пренебрежение ею идёт в запас прочности. С учётом этих обстоятельств можно (1.47) представить:

. (1.48)

Имея в виду отмеченные предпосылки, , получим выражения для расчёта минимального удаления кромки дорожной одежды от боковой канавы

.(1.49)

Для практического исследования уравнения (1.49) входящие в него выражения, назначаются следующим образом. Величина  нормируется СНиП и равна 0,5. Коэффициент влагопроводности назначается в зависимости от средней относительной влажности грунта в слое . Согласно опытам В. М. Сиденко для суглинистого грунта значения  равны

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

, м2

8∙10-5

4∙10-5

2,9∙10-5

4,2∙10-5

6∙10-5

Значение  рекомендуется принимать =1,1 . Расчётная влажность  назначается по методам, изложенным в ВСН 46-83. Полная влажность грунта определяется по формуле .

Итак, =0,5; =5,83∙10-5 м2/ч; =0,28; 1,1∙ =0,21∙1,1==0,231; =3 месяца=2184 часов; =0,21; m=10-5∙0,5, тогда, подставив в формулу значения, получим =2,72 м. Исходя из расчётов следует сделать вывод, что показатели грунтов в насыпи близки к расчётным. Дополнительных мероприятий по снижению влажности грунта земляного полотна не требуется, так как минимально допустимое расстояние от кромки проезжей части до уреза воды обеспечено.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074