СМАГУЛОВА Э.М., СМАГУЛОВА
А.М.
Казахский университет
путей сообщения
ВОПРОСЫ
ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ
ЗЕМЛЯНОГО
ПОЛОТНА
Общепринятая практика оценки устойчивости земляного полотна на слабое основание базируется на использовании методов анализа эффективных напряжений или общего напряженного состояния сооружения с известными их преимуществами и недостатками. В случае определения устойчивости по методу анализа общего напряженного состояния устраняется ряд проблем, в т.ч. оценка порового давления в грунте, степень изменчивости прочности на сдвиг грунтов основания. В то же время, пользуясь этим методом, необходимо также определять переменную прочность насыпного земляного полотна, и, в частности, сопротивление на сдвиг проб грунтов основания земляного полотна.
Критическим временным периодом с позиций устойчивости
земляного полотна на слабое основание является период времени, следующий
непосредственно вслед за строительством (в этот период еще недренированные грунты
имеют наименьшую прочность, поэтому прочность на сдвиг определяют для
неосушенных грунтов, и в этот минимальный по величине показатель используют при
оценке устойчивости земляного полотна).
На устойчивость земляного полотна помимо указанного показателя оказывают
влияние и ряд других факторов: переменная по глубине грунтового основания,
величина сопротивления сдвигу (по мере увеличения глубины прочность грунта
постепенно возрастает, что характерно для слабых глинистых грунтов); наличие
слоев ослабленного грунта, трудно поддающихся определению, а также наличие в
большинстве случаев подповерхностного слоя с минимальной прочностью; скорость
протекания деформаций сдвига (нагружение образцов грунта при лабораторных и
полевых прочностных испытаниях производится со скоростью, значительно
превышающий реальные условия нагружения земляного полотна (до 10 тыс. раз), в
свою очередь оценка прочности неосушенного грунта на основе лабораторных
испытаний зависит от скорости деформации грунта и обычно дает на 10–15%
завышенные результаты); анизотропия грунта (прочность неосушенных слабых
глинистых грунтов зависит от направления сдвига); зависимость прочности от
уровня напряжений (во многих случаях земляное полотно проектируют со сравнительно
низким коэффициентом запаса устойчивости (примерно 1,3). В этих условиях
большие объемы глинистых отложений в
основании земляного полотна перенапрягаются, и возникающие напряжения
сдвига превосходят прочность грунта на сдвиг. Таким образом, высокий уровень
напряжений приводит к ослаблению прочности грунта и снижает реальную несущую способность
сооружения).
Несмотря на многочисленные исследования, выполненные
в области прочности и устойчивости слабых глинистых грунтов, до сих пор
остаются еще не решенными
проблемы, связанные с прогнозированием устойчивости земляного полотна,
сооружаемого на слабом глинистом основании.
Результаты исследований использовались в практике проектирования земляного полотна на основании из глинистых грунтов. Однако точность прогнозирования устойчивости слабых грунтов была недостаточна, величина ошибки при полевых испытаниях возрастала с увеличением пластичности грунтов. Поэтому в данные измерений плотности грунтов в полевых условиях приходилось вводить эмпирический корректирующий коэффициент.
В последующем были
предприняты попытки проведения более комплексных исследований по оценке
прочности грунтов с использованием показателя эффективных напряжений в грунте в
вертикальной плоскости Рс.
Исследования Rochelle La (1973 г.), Ladd and Foott (1974 г.), Bjerrum (1975 г.) и Trak (1980 г.) показали, что степень изменчивости прочности слабых глинистых грунтов на сдвиг в основании земляных сооружений эквивалентна прочности наиболее напряженных слоев, и показатель, полученный при лабораторных испытаниях проб грунта на компрессионное сжатие по методу USALS, может с большой степенью достоверности использоваться для анализа устойчивости земляного полотна на слабом основании, причем изменения показателя находится в диапазоне от 0,2 до 0,25.
Таким образом, исследованиями выявлено, что прочность неосушенного грунта слабого основания лежит в пределах (0,2-0,25)Рс.
В исследованиях по оценке устойчивости земляного полотна и анализу происшедших деформаций принимается, что сдвиг грунтовых масс основания происходит по круговой поверхности. На практике имеют место случаи со сдвигом земляных масс отличной от круговой траектории и, в частности, со смещением их в сторону открытой поверхности. Круговая траектория сдвига грунта наблюдается при наличии более мощного твердого поверхностного слоя и более однородной прочности грунта по глубине основания [1].
Имеющийся ограниченный опыт упрочнения основания земляного полотна свидетельствует о повышении их устойчивости. Известна попытка возведения земляного полотна на болотах на уложенные поперек дороги стволы деревьев. Такой способ укрепления слабого основания земляного полотна с небольшими высотными отметками не устраняет потенциальной опасности общей его деформации, однако повышение устойчивости земляного полотна за счет упрочнения слабых грунтов основания объясняется рядом причин: уменьшается эффект «расслоения» земляного полотна, что способствует увеличению ее прочности, повышается равномерность распределения внутренних напряжений.
По мере строительства насыпи
на плоском основании на поверхности их взаимодействия возрастают напряжения
сдвига, как показано на рисунке 1.
За счет упрочнения основания величина напряжений сдвига на границе с насыпным грунтом уменьшается, в основании развиваются горизонтальные растягивающие напряжения, препятствующие развороту осей главных напряжений. На эпюру распределения вертикальных напряжений значительное влияние оказывает степень жесткости упрочненного основания. При малой жесткости (например, при укладке геосинтетики) эпюра напряжений может практически оставаться неизменной.
а – в процессе строительства; б – по завершении строительства; 1
– окончание работ по возведению насыпи
Рисунок 1 – Сопротивление сдвигу на разделительной
поверхности между насыпью и основания пути
Таким образом, совместное
действие возрастающих общих горизонтальных напряжений и уменьшения сдвигающих
напряжений на границе насыпного грунта и основания приводит к снижению
максимальных касательных напряжений на элементарную частицу грунта.
В технической литературе
описаны разнообразные методы оценки устойчивости упрочненного земляного полотна
на слабом основании. Большая часть из них использует критерий общего напряженного
состояния и принимает круговую поверхность сдвига грунта (Brakel и др., 1982
г.; Fowler, 1982г.), в других работах используется трехмерная модель деформации
грунта (Enka, 1978 г.). Также по – разному оцениваются действующие на грунтовое
основание усилия после его упрочнения. В одних работах они прикладываются
только к линейной поверхности неустойчивого грунта; в других работах в
тангенциальном к ней направлении. В работе Jewell (1982 г.) для учета
изменяющейся прочности грунта на сдвиг при оценке устойчивости земляного
полотна предложено ввести коэффициент безопасности F. Если действующие в
упрочненном основании усилия больше расчетных, то коэффициент F
принимает минимальное значение.
Таким образом, несмотря на
наличие многих методов расчета величины и направления действующих на
упрочненное основание из слабых грунтов сил, степень достоверности
прогнозирования устойчивости земляного полотна еще недостаточна. Для преодоления их
предложен рациональный метод расчета прочности основания земляного полотна,
включающий три стадии оценки устойчивости сооружаемого земляного полотна. На
I-ой стадии строительства рассматривается общее напряженное состояние земляного
полотна; на II-ой стадии анализируется соответствие нижнего предела прочности
неосушенного грунта принятому параметру Su/Рс
= 0,2-0,25; на III-й стадии устанавливается форма деформации грунта, чтобы по
возможности выявить ослабленные зоны в грунтовом основании. Оценивая затем
величину коэффициента безопасности F, определяют наименьший допустимый
уровень надежности.
Литература
1
Дивин О.А., Самарина М.В. Механизмы для укрепления
земляного полотна (по материалам зарубежной периодики) // Путь и путевое
хозяйство. – 1976. – № 10. – С. 15.