Конструктивно-технологические решения, обеспечивающие возможность использования слабых грунтов в основании насыпи и условия их применения

 

Назначение конструктивно-технологических решений	Определяющий результат	Рекомендуемые решения
технологические	конструктивные
Повышение устойчивости основания	Уменьшение нагрузки	-	снижение высоты насыпи; насыпи из легких материалов; сваи с армогрунтовым ростверком
Улучшение напряженного состояния	-	уположение откоса; распределительные плиты;
Увеличение сопротивляемости сдвигу грунта основания	предварительная консолидация 1	песчаные сваи-дрены; сваи с армогрунтовым ростверком
Ускорение достижения допустимой интенсивности осадки	Уменьшение конечной осадки	-	снижение высоты насыпи; насыпи из легких материалов
Уменьшение нагрузки	-	снижение высоты насыпи; насыпи из легких материалов
Улучшение напряженно деформированного состояния	-предварительная консолидация	сваи с армогрунтовым ростверком; распределительные плиты
Уменьшение мощности сжимаемой толщи в активной зоне	-	частичная замена слабых грунтов
Уменьшение сжимаемости грунта	предварительное осушение	песчаные сваи-дрены; вертикальные дрены; дренажные прорези
Ускорение процесса консолидации	временная пригрузка
Улучшение условий удаления поровой воды	-	частичная замена слабых грунтов; песчаные сваи-дрены; вертикальные дрены; дренажные прорези
Уменьшение влияния динамического воздействия от транспортной нагрузки	Снижение напряжений от транспортной нагрузки	-	распределительные плиты; увеличение высоты насыпи
Повышение динамической устойчивости основания насыпи	-	частичная замена слабых грунтов; увеличение высоты насыпи

 

Ниже рассмотрены различные мероприятия, повышающие устойчивость насыпи или ускоряющие осадку.

 

Временная пригрузка

 

Наиболее простым и достаточно эффективным методом ускорения осадки насыпей на основании 1-го типа является метод уплотнения слабого грунта с помощью временной пригрузки. При увеличении давления на основание его осадка может быть достигнута за более короткий срок.

Пригрузку в виде дополнительного слоя насыпи на всю ширину земляного полотна устраивают на дорогах с усовершенствованными покрытиями. Толщину пригрузочного слоя принимают, равной толщине одежды с коэффициентом 1,5 то есть в пределах до 2 м. Уплотнение грунта в пригрузочном слое предусматривают при необходимости обеспечения временного проезда. Грунт пригрузочного слоя снимают непосредственно перед устройством дорожной одежды после окончания расчётного срока консолидации слабого основания. Пригрузочный грунт перемещают на следующие участки дороги или используют для отсыпки других элементов дорожной конструкции.

Расчёт временной пригрузки сводится к определению требуемой толщины пригрузочного слоя, обеспечивающего достижение расчётной осадки насыпи принятых размеров в заданный срок.

Для расчёта необходимо иметь следующие исходные данные:

- консолидационные и компрессионные характеристики грунтов слабой толщи;

- данные о геологическом строении и мощности слабой толщи.

Величину требуемой временной пригрузки определяют по формуле

 

,

где – коэффициент консолидации, определяемый опытным путём при испытаниях на консолидацию слабого грунта.

Толщина слоя временной пригрузки устанавливается по формуле

 

где _. – средневзвешенная плотность грунта пригрузки.

Для обеспечения устойчивости основания необходимо чтобы, суммарная величина нагрузки от веса насыпи и от временной пригрузки не превышала величину безопасной нагрузки, т.е. должно соблюдаться условие

.

Если это условие не выполняется, но выполняется условие

для сохранения устойчивости основания необходимо ограничивать режим отсыпки временной пригрузки, то есть ее следует отсыпать послойно (как в методе предварительной консолидации).

Если

,

то временная пригрузка может быть осуществлена только с принятием специальных конструктивных мероприятий по обеспечению устойчивости основания: устройством боковых берм, дрен и др.

 

Вертикальные дрены

 

Вертикальные дрены устраивают в слабых водонасыщенных грунтах с целью ускорения консолидации основания за счёт сокращения пути фильтрации воды, отжимаемой из слабой толщи (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Схема земляного полотна с вертикальными дренами

 

Вертикальные дрены эффективны в водонасыщенных органических и минеральных сильносжимаемых грунтах при слое мощностью не менее 4 м с коэффициентом фильтрации не менее 1х10^-4 м/сут.

Вертикальные дрены следует совмещать с временной пригрузкой, обеспечивающей необходимый гидравлический градиент и отжатие поровой воды из слабого слоя грунта.

Толщина пригрузочного слоя (при обеспеченной прочности основания) в этом случае определяется требованием создания напора поровой воды, величина которого по всей дренируемой толще в любой момент расчётного времени консолидации должна быть выше начального градиента фильтрации грунта, если грунт таковым обладает.

Формула расчёта толщины пригрузочного слоя

 

,

 

где γ _гр, γ_в – плотность влажного грунта, используемого для пригрузки, и воды;

d_e – эффективный диаметр дрены;

Н_н – проектная высота насыпи, м.

– начальный градиент фильтрации грунта с учётом уплотнения под весом насыпи (при отсутствии лабораторных данных принимают для торфа равным 2; для ила и глины – 5).

Вертикальные дрены бывают круглые песчаные или плоские из геосинтетических материалов.

Песчаные дрены выполняют в виде скважин, заполняемых песком. Диаметр скважин может быть принят от 40 до 60 см с учётом технических параметров применяемого оборудования. Для заполнения вертикальных дрен применяют песок с коэффициентом фильтрации не менее 6 м/сут. Эффективность вертикальных дрен значительно повышается при добавке к материалу заполнения 5 - 18 % (по массе) извести. При применении вертикальных дрен насыпь или её нижнюю часть толщиной не менее 50 см следует устраивать из дренирующих грунтов с коэффициентом фильтрации не менее 3 м/сут.

В зависимости от водопроницаемости грунта и требуемого срока завершения интенсивной части осадки расстояние между дренами может меняться от 2,0 до 4,5 м.

При проектировании земляного полотна с вертикальными дренами необходимое расстояние между ними определяется расчётом, исходя из заданного срока достижения интенсивной части осадки слабого грунта.

Для расчёта оснований с вертикальными дренами необходимы следующие исходные данные:

· результаты компрессионных и консолидационных испытаний грунтов слабой толщи;

· расчётная мощность слабого слоя;

· расчётные величины нагрузки и конечной осадки слабой толщи.

Требуемая степень консолидации слабого основания и срок её достижения задаются с учётом капитальности дорожной одежды и установленного проектом организации строительства срока окончания отсыпки земляного полотна.

Расчёт основания с вертикальными дренами заключается в следующем. Предварительно назначается расстояние между дренами. Далее проверяется правильность этого назначения. Степень консолидации основания с вертикальными дренами определяют по формуле

 

 

где U_в – степень консолидации основания при вертикальной фильтрации воды из основания;

U_г – то же, при горизонтальной фильтрации воды (к дренам).

Величины U_в и U_г устанавливают по графикам (рис. 4.5).

Величину фактора времени, необходимую для определения U_в, рассчитывают по формуле

,

 

где С_в –коэффициент консолидации при вертикальной фильтрации;

H_ф – расчётный путь вертикальной фильтрации воды;

Т_тр – требуемый срок консолидации.

Фактор времени, необходимый для определения U_г,определяют по формуле

где C_г – коэффициент консолидации грунта при горизонтальной фильтрации;

l – расстояние между дренами.

 

 

Рис. 4.5. Графики для определения степени консолидации грунта основания с вертикальными дренами:

а – при вертикальной фильтрации; б – при горизонтальной фильтрации (n = l/d, где l – расстояние между дренами, d – диаметр дрен)

 

Если при назначенном расстоянии между дренами не может быть достигнуто требуемое сокращение срока консолидации, то шаг дрен уменьшают и расчёт повторяют.

Плоские ленточные дрены представляют из себя полосы из геотекстиля с пластмассовым сердечником внутри шириной 10 см. Рассчитывают плоские дрены по приведенной выше методике. Шаг между дренами принимают по расчету в зависимости от свойств слабого грунта и требуемого времени консолидации в пределах 1–2 м.