3.8.Расчет устойчивости 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

(3.8)

где π/4 - поправочный коэффициент, учитывающий жёсткость штампа;

(3.9)

где Рнагр, Рразгр - давление штампа на грунт соответственно при нагружении и после разгрузки, Па; µ- коэффициент Пуассона для грунта; - относительная упругая деформация.

По этим данным строят линейный график прочности.

Прочность и устойчивость земляного полотна обеспечивается:

Ø - соблюдением проектных геометрических параметров;

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

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

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

Ø - 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) и 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:

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.

Своевременное регулирование технологии отсыпки и реакция на процесс и тенденции хода осадок и их стабилизации с регламентацией технологических перерывов.

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.3.8)

(3.10)

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

Таблица 3.8 - 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 n_y, то, решив ее относительно h_пр, можно найти значение проектной мощности оползня, обеспечивающей заданный запас устойчивости, по формуле:

(3.11)

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

(3.12)

где М_сопр - момент сопротивления вращению объема грунта вокруг определенной точки; М_вращ- величина вращающего момента.

Формула 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. 3.24). 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 О₁,О₂,К намечается выше через (0,25-0,3)H.

Рис. 3.24 - Расчётная схема №1 - для дуг скольжения, проходящих через подошву откоса, кроме случаев, когда угол откоса <18º

Расчётная схема №2 (рис. 3.25). 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 0,25H 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.