Расчет скорости осадки насыпей на слабых основаниях

При проектировании пойменных насыпей на слабых основаниях в ряде случаев еще недостаточно знать полную осадку земляного полотна, необходимы также сведения о времени консолидации слабого основания. Действительно, при разработке проекта организации строительства нужно иметь точное представление о том периоде после строительства земляного полотна подходов, спустя который можно устраивать дорожную одежду, не опасаясь ее просадок и разрушения. Время осадки насыпей в результате сжатия слабого основания во многих случаях оказывается столь значительным, что мостовой переход может быть построен в расчетные сроки лишь в результате реализации специальных инженерных мероприятий по ускорению осадки слабого основания.

При сжатии водонасыщенных грунтов под действием веса насыпи происходит процесс выжимания воды из пор сжимаемого грунта. При этом сжимающим напряжениям противостоят: гидродинамическое сопротивление выжимаемой воды, сопротивления деформаций пленочной влаги, обусловленные перемещением самих грунтовых частиц. Эти процессы развиваются весьма медленно, и поэтому темп сжатия водонасыщенного грунта определяется соотношением между скоростью деформации скелета грунта и скоростью выжимания грунтовой воды. В начальный период приложения внешней нагрузки сжимающее напряжение воспринимается главным образом практически несжимаемой грунтовой водой, и процесс деформации слабого основания определяется исключительно скоростью выжимания грунтовой воды. На последующих, и особенно в конечной стадии уплотнения определяющей становится скорость деформации скелета грунта.

Процесс деформации во времени водонасыщенного слабого грунтового основания может быть описан дифференциальным уравнением Терцаги - Герсеванова:

где (17.18)

e_ср - средний коэффициент пористости сжимаемого грунта в интервале изменения давления;

k_ср - средний коэффициент фильтрации, см/с;

g_в - объемный вес воды;

р - передающееся на скелет грунта в момент времени t давление от внешней нагрузки;

a - коэффициент уплотнения, 1/МПа;

z - аппликата.

В результате интегрирования дифференциального уравнения (17.18) можно получить выражение для вычисления дополнительных напряжений от внешней нагрузки в грунтовом скелете через время t после ее приложения:

где (17.19)

- дополнительное напряжение в грунтовом скелете на глубине z через время t с момента приложения нагрузки;

р_z - давление на глубине z от внешней нагрузки, определяемой по формуле (17.10), полагая р_z = s_нz, т.е. после полной осадки слабого основания, когда давление от внешней нагрузки полностью воспринимается напряжениями грунтового скелета;

D h_ij - толщина j- й пластины грунта i- го слоя при выжимании воды в двух направлениях;

где (17.20)

k - коэффициент фильтрации сжимаемого слоя грунта;

e_ijt - коэффициент пористости грунта j- й пластины i- го геологического слоя через время с момента приложения нагрузки;

a_ijt - коэффициент уплотнения.

Значение коэффициента уплотнения a, представляющего собой тангенс угла наклона касательной в соответствующей точке компрессионной кривой, может быть получено путем дифференцирования уравнения компрессионной кривой (17.16) для случая наличия данных испытаний образцов:

(17.21)

и уравнения компрессионной кривой для случая отсутствия данных лабораторных испытаний образцов:

(17.22)

Учитывая, что величины e_ijt и a_ijt, входящие в выражение (17.20), зависят от напряжения s_zt, значения последнего находят методом последовательных приближений.

Осадка насыпи спустя время после приложения нагрузки:

Полная осадка после прекращения процесса выжимания воды из пор грунта составит:

где (17.23)

e_z = р_z - напряжения, определяемые по формуле (17.11).

Учитывая, что процесс консолидации слабого основания носит во времени асимптотический характер, осадка S _¥ теоретически будет достигнута через t = ¥. Очевидно, что для практических расчетов следует ограничиться меньшим значением осадки, при котором дальнейшие деформации уже не будут опасны для данного типа дорожной одежды

S_T = dS _¥. (17.24)

При этом считают, что усовершенствованные покрытия можно устраивать при d = 0,9, а покрытия переходного и низшего типов при d = 0,75.

Последовательность детального расчета времени осадки слабого основания сводится к следующему:

используя уравнение (17.11), определяют сжимающие напряжения от веса насыпи s_нz на рассчитываемой вертикали для середины каждой j- й пластины в пределах каждого i- го геологического слоя;

вычисляют напряжения от собственного веса грунтового основания по формуле (17.12) с учетом сил взвешивания;

по формуле (17.23) определяют полную осадку после прекращения выжимания воды из пор грунта и затем в зависимости от типа покрытия устанавливают расчетную осадку по формуле (17.24);

полагают (где D t - шаг интегрирования, принимаемый обычно равным 1 мес.);

полагая в первом приближении значение р_ij средним между s_нz и (s_нz + s_бz) по формулам (17.16) и (17.21) или (17.22) вычисляют значения e_ijt и a_ijt;

далее по формулам (17.20) и (17.19) вычисляют значения дополнительных напряжений в грунтовом скелете s_zt и при р_ij = s_zt + s_бz вновь вычисляют значения e_ijt, a_ijt и s_zt т.д., пока в результате последовательных приближений не будет окончательно установлено значение s_zt для каждой j- й пластины, каждого i- го слоя на момент времени ;

по известному s_zt определяют значение полной осадки S_t на момент времени по формуле (17.23) и сравнивают S_t c S_T;

если S_t < S_T, то задаются значением и вновь выполняют все расчеты до тех пор, пока не получат S_t ³ S_T. Вычисленное значение для этого момента и является расчетным временем консолидации слабого основания.

Изложенный детальный расчет осадки насыпи, позволяющий рассматривать время консолидации слабого основания на любой вертикали насыпи как при однородном, так и слоистом строении слабого основания, весьма многоделен и может быть реализован только в результате компьютерной обработки исходных данных. При этом обеспечивается достаточно высокая надежность инженерных прогнозов по сравнению с упрощенными традиционными схемами.

В тех случаях, когда в результате расчета время осадки насыпи оказывается недопустимо большим и строительство подходов к мосту в установленные сроки становится невозможным, предусматривают мероприятия по ускорению осадки насыпи одним из следующих способов (рис. 17.12):

частичным (или полным) удалением грунта слабого основания (т.е. уменьшение толщины сжимаемого грунта);

осушением водонасыщенного грунта слабого основания устройством продольных дрен;

Рис. 17.12. Инженерные способы ускорения осадки насыпей на слабых основаниях:
а - частичное удаление слабого грунта; б - устройство продольных дрен; в - отсыпка насыпи высотой более проектной; г - устройство вертикальных песчаных свай-дрен

применением способа «перегрузки» путем отсыпки более высокой, чем требуется по проекту, но более узкой насыпи;

устройством вертикальных песчаных дрен в виде буровых скважин, засыпанных крупнозернистым песком или гравием.

Оценка времени консолидации слабого основания пойменных насыпей при различных толщинах сжимаемого слоя грунта может быть выполнена с использованием изложенного выше расчета.

Осушение слабого водонасыщенного основания путем устройства продольных дренажей является весьма эффективным (хотя и дорогостоящим) способом ускорения осадки насыпи. Осушенное грунтовое основание дает осадку под весом насыпи настолько быстро, что обычно расчетная проверка времени консолидации слабого основания не требуется.

Эффективность применения способа «перегрузки» также может быть оценена с использованием изложенного выше детального расчета. При этом, как показывает опыт Строительства (Бабков В.Ф. Устойчивость земляного полотна автомобильных дорог. - М.: Высшая школа, 1966. - 108 с), перегрузка всего на 10 % сокращает время консолидации в 1,3 раза, а перегрузка на 25 % в 2 раза и т.д.

Одним из наиболее эффективных инженерных приемов ускорения осадки слабого основания является получивший широкое распространение в последние годы способ устройства вертикальных песчаных свай-дрен, располагаемых по площади основания насыпи через 1,5-3 м в шахматном порядке или по квадратам. Как показывает опыт, применение вертикальных песчаных дрен ускоряет осадку насыпей в 20-30 раз, что достигается за счет сокращения пути фильтрации выжимаемой воды.

В насыпях на торфяном основании применение вертикальных песчаных дрен приводит к сильному уменьшению времени консолидации не только в результате сокращения пути фильтрации, но и благодаря существенно большему (в 30-35 раз) значению коэффициента фильтрации в горизонтальном направлении по сравнению с вертикальным. Для илистых грунтов коэффициенты фильтрации в горизонтальном и вертикальном направлениях обычно принимают одинаковыми.

Оценку ускорения осадки насыпи при различных вариантах устройства вертикальных песчаных дрен можно выполнить на основе решения осесимметричной задачи теории консолидации (Маслов Н.Н. Механика грунтов в практике строительства. - М.: Стройиздат, 1977. - 320 с).

В настоящее время при геотехнических расчетах земляного полотна автомобильных дорог и мостовых переходов начинают находить универсальные методы, основанные на использовании математического аппарата МКЭ (метода «конечных элементов»).

Дата добавления: 2015-06-04