Материал: Проектирование автомобильных дорог. Ч. 1

Р А З Д Е Л ЧЕТВЕРТЫ Й

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Глава 14

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

14.1. Требования к устойчивости земляного полотна

Для нормальной эксплуатации автомобильных дорог необходи­ мо, чтобы ровность покрытий оставалась неизменной в течение все­ го периода эксплуатации дороги. Это может быть достигнуто толь­ ко при прочном и устойчивом земляном полотне, не дающем проса­ док и не подверженном процессам пучинообразования. Под проч­ ностью земляного полотна понимается его способность сохранять, не деформируясь при действии внешних сил и природных факто­ ров, приданные ему при строительстве форму и размеры; под устой­ чивостью— сохранение предусмотренного проектом положения в пространстве без смещений и просадок.

При возведении земляного полотна часто нарушаются условия равновесия поверхностных слоер земной коры. Прорезание наклон­ ных пластов грунта при устройстве выемок может вызвать ополза­ ние их откосов. Насыпи, отсыпанные на косогоре, могут смещаться вниз по склону. Торфяные и водонасыщенные илистые основания могут выжиматься из-под насыпи в сторону или медленно сжи­ маться под весом насыпи, отдавая насыщающую их воду. Кроме сдвигов или перемещений насыпей как целого массива, возможны деформации самой насыпи, вызываемые, например, уплотнением насыпного грунта под влиянием природных воздействий, собствен­ ного веса и напряжений от проезжающих автомобилей (рис. 14.1).

Деформации от уплотнения грунта возможны не только в насы­ пях, но также и в выемках и на участках с нулевыми отметками, если материковый грунт в условиях естественного залегания недо­ статочно плотен (рис. 14.2). Потеря устойчивости земляного полот­ на может проявляться также в изменении приданной ему при по­ стройке правильной формы в результате оползания или бокового выпучивания откосов.

Многолетний опыт дорожного и железнодорожного строитель­ ства позволил выработать конструкции устойчивого земляного по­

264

лотна для благоприятных геологических условий — так называемые типовые поперечные профили земляного полотна1 (см. п. 2.3). Од­ нако при неблагоприятных инженерно-геологических условиях ра­ боты земляного полотна, использовании для его возведения специ­ альных рабочих процессов (гидромеханизации, взрывных методов^), а также при введении в конструкцию земляного полотна элементов, существенно изменяющих его водно-тепловой режим и т. п., при­ ходится разрабатывать индивидуальные проекты, обеспечивающие устойчивость земляного полотна. Это относится к случаям построй­ ки высоких насыпей и глубоких выемок (более 12 м), возвёдения насыпей на подтопляемых участках или из переувлажненных грун­ тов, на крутых косогорах, на слабых и неустойчивых основаниях, а также выемок в переувлажненных грунтах и при наличии водонос­ ных слоев.

Методы расчета устойчивого земляного полотна основаны на за­ кономерностях механики грунтов. При этом приходится учитывать сложные особенности работы земляного полотна.

1 Типовые конструкции и детали зданий и сооружений. Серия 3.503-32. Зем­ ляное полотно автомобильных дорог общей сети Союза ССР. Минтрансстрой

СССР, 1975.

а)

265

Работа грунта в земляном полотне автомобильных дорог про­ текает в условиях переменной степени увлажнения и меняющихся

зом, прочность земляного полотна непостоянна и его устойчивость необходимо оценивать применительно к периодам наиболее небла­ гоприятного состояния грунтов.

Расчеты устойчивости земляного полотна по необходимости всегда связаны со схематизацией представления о механизме де­ формаций и с допущением однородности грунтов по свойствам в пределах отдельных слоев. Поэтому при проектировании дорог на­ ряду с расчетами устойчивости земляного полотна никогда не сле­ дует пренебрегать возможностью учета опыта службы находивше­ гося в длительной эксплуатации земляного полотна автомобильных и железных дорог, проходящих поблизости от проектируемой до­ роги.

Степень устойчивости земляного полотна против сползания, просадки и других деформаций характеризуют коэффициентом ус­ тойчивости, который представляет собой отношение сил или их моментов, удерживающих насыпь, к силам или моментам, сдвига­ ющим насыпь. Устойчивость слабых грунтов под нагрузкой от на­ сыпей иногда оценивают «коэффициентом безопасности» — отно­ шением максимальной выдерживаемой нагрузки к фактически приложенной.

Расчеты устойчивости дорожных насыпей ведут на собственный вес грунта и дорожной одежды. Нагрузка от автомобилей являет­ ся дополнительной. Ее обычно учитывают, заменяя эквивалентным сЙоем грунта установленные по полосам движения на проезжей части и на обочинах колонны автомобилей или гусеничных нагру­ зок. В сейсмических районах учитывают влияние ускорений от подземных толчков.

Коэффициент устойчивости запроектированного земляного по­ лотна («коэффициент безопасности») должен быть более 1.

Расчеты устойчивости грунтов в сооружениях, возведенных из грунтов, и в основаниях сооружений должны основываться на на­ дежных значениях характеристик прочности грунтов, которые мо­ гут быть получены только путем их непосредственного определе­ ния в полевых условиях или испытания образцов с ненарушенной структурой в лаборатории.

Характеристики грунтов, входящие в расчеты деформации и ус­ тойчивости оснований (модули упругости и деформации, коэффи­ циент Пуассона, угол внутреннего трения, сцепление), следует оп­ ределять с учетом напряженного состояния в условиях залегания, а также возможного изменения его и водного режима в процессе строительства и эксплуатации. Использование средних значений характеристик различных типов грунтов, таблицы которых приво­

266

угол внутреннего трения ср, модуль деформации £, плотность грун­ та 6, существенно зависят от влажности грунта и степени его уплот­ нения. Поэтому по предложению проф. Г. М. Шахунянца для точ­ ного учета свойств грунта в расчетах устойчивости сооружений по­ лезно строить по материалам лабораторных испытаний грунтов графики различных характеристик при разной влажности и плот­ ности скелета грунта (рис. 14.3).

Испытания следует выполнять при состоянии грунта, соответ­ ствующем его работе в сооружении в наиболее опасные для ус­ тойчивости периоды, а схема деформирования грунта в приборе должна соответствовать условиям его работы. Так, например, при расчетах глубоких дренажных устройств водопроницаемость струк­ турных грунтов следует изучать на образцах с ненарушенной структурой. Учет фильтрации воды через насыпь-плотину придо­ рожного водохранилища, отсыпанную из того же грунта, следует вести на основе испытаний образцов, уплотненных до оптималь­ ной плотности после предварительного нарушения естественного сложения.

Расчетные значения характеристик грунтов определяют мето­ дами математической статистики на основе испытаний достаточно большого количества образцов с тем, чтобы получить устойчивые средние значения. Число испытаний должно быть тем большим, чем ответственнее проектируемое сооружение. Расчетные значения характеристик определяют

где А с р — среднее арифметическое значение показателя прочности по резуль­ татам параллельных испытаний; а — среднее квадратичное отклонение; N — чне-

267

ло испытанных образцов; ta — коэффициент Стьюдента, принимаемый в зависи­

мости от степени ответственности сооружения, характеризуемой коэффициентом надежности а, и от количества испытанных образцов.

Для дорог I категории а =0,95, III категории а =0,80 и IV и V

категорий Уа = 0,70. Значения коэффициента Стьюдента для на­ дежности а = 0,95 меняются от 4,3 при N = 3 до 2,05 при N = 30.

Знаки «+ » и «—* в формуле принимают таким образом, чтобы это приводило к меньшим значениям коэффициентов устойчивости.

Разделение грунтовой толщи на характерные слои и установле­ ние для них расчетных характеристик требуют большого внимания при инженерно-геологических обследованиях.

Обычно различают два случая грунтовых напластований: сравнительно однородные слои с незначительными колебаниями

свойств. В этом случае при расчетах можно использовать средние значения характеристики грунтов;

наличие в грунтах слоев, резко отличающихся от смежных сло­ ев, свойства которых определяют деформации массива. Последнее характерно, например, для оползней консеквентного типа и насы­ пей на сапропелевых болотах, покрытых растительным ковром сплавины. В пределах каждого слоя пользуются осредненными зна­ чениями характеристик.

Отдельные грунтовые слои, различающиеся по свойствам, вы­ деляют, строя график зависимости характеристик грунта, приме­ няемых в расчете, или его физических характеристик (плотность, влажность и др.) от глубины взятия образцов для испытаний. Группировки точек позволяют выделять характерные напластова­ ли^. За однородные могут быть приняты слои, в пределах которых коэффициент пористости изменяется не более чем на 0,2, а влаж­ ность глинистых грунтов в пределах естественного залегания — не более чем на 8%-

14.2. Расположение грунтов в земляном полотне

Применительно к использованию для устройства земляного по­ лотна различают несколько видов грунтов.

Крупнообломочные скальные грунты — обломки скальных по­ род, получаемые при искусственной разработке или залегающие в естествённых условиях в виде аллювиальных или делювиальных отложений.

Различают глыбовые (валунные) и щебенистые (галечниковые) грунты. Эти грунты являются хорошим материалом для воз­ ведения насыпей, поскольку они устойчивы против воздействия те­ кущей воды и не поглощают влагу. Проникание воды в промежут­ ки между обломками разрушенной скальной породы, если она не

268

является слабой и быстровыветривающейся, не влияет существен­ но на прочность и устойчивость земляного полотна. Однако исполь­ зование крупнообломочных скальных грунтов встречает затрудне­ ния из-за трудности их уплотнения. Между скальной отсыпкой и дорожнойодеждой должен быть устроен переходный грунтовой слой толщиной 0,5 м.

Близки по свойствам к каменистым грунтам отходы промыш­ ленности — кислыб и нейтральные металлургические шлаки, хоро­ шо обожженные горелые породы отвалов каменноугольных шахт, которые без ограничений допускаются для отсыпки насыпей.

Гравийные и песчаные грунты водопроницаемы и не склонны к накоплению влаги при промерзании. Насыщение водой мало влия­ ет на устойчивость этих грунтов в земляном - полотне. Песчаные грунты (за исключением мелких пылеватых песков) представляют собой наилучший материал для насыпей, возводимых в неблаго­ приятных гидрологических условиях — на заболоченных участках и на поймах рек. Грунты, имеющие коэффициент фильтрации бо­ лее 0,5 м/сут, относят к дренирующим.

Супесчаные грунты обладают связностью в сухом состоянии, при увлажнении они сохраняют сопротивление нагрузкам, доста­ точное для устойчивости земляного полотна. Насыпи из супесча­ ных грунтов можно устраивать как в сухих, так и в переувлажнен­ ных местах.

Пылеватые супесчаные грунты, содержащие более 50% частиц диаметром мельче 0,25 мм, менее устойчивы в переувлажненном состоянии. При промерзании они склонны к накоплению влаги и пучению.

Пылеватые суглинки и тяжелые пылеватые супеси, содержащие большое количество фракций размером 2,0—0,05 мм, особенно подвержены процессам зимнего влагонакопления и пучинообразования. В откосах земляного полотна эти грунты легко размывают­ ся и приходят в текучее состояние. Поэтому на дорогах с усовер­ шенствованными капитальными типами покрытий верхнюю часть земляного полотна из пылеватых грунтов и пылеватых суглинков в неблагоприятных гидрологических условиях заменяют устойчи­ выми грунтами (рис. 14.4).

Суглинистые грунты являются хорошим материалом для земля­ ного полотна. Они хорошо сопротивляются размыву и устойчивы в откосах. В пойменных суглинистых насыпях при спаде высоких вод обратное движение воды, ранее проникшей в насыпь, может вызвать гидродинамическое давление, приводящее к обрушению откосов.

Глинистые грунты обладают значительной связностью и очень малой водопроницаемостью, в связи с чем они медленно насыща­ ются водой и столь же медленно просыхают. Эти грунты ^применя­ ют, если их влажность в условиях естественного залегания не пре­ вышает оптимальную, для отсыпки насыпей в сухих местах и в ме-

269