Исследование устойчивости насыпи

Обрушение насыпей дорог может представлять серьезную угрозу инфраструктуре страны. Неверно запроектированный профиль дорожной насыпи чреват неустойчивой работой и возникновением угрозы остановки транспортного сообщения и затора инфраструктуры. При проектировании требуется учитывать ряд факторов, т.к. проектировщики сталкиваются с комплексной задачей, требующей учета физико-механических свойств грунта, расчетной нагрузки на дорожное покрытие от проезжающего транспорта, верно выбранной расчетной модели и мн. др. Согласно физико-механическим свойствам грунта, требуется учет пучинистости грунтов под воздействием осадков и подземных вод, которые могут быть выше УГВ в процессе строительства, возникновения барражного эффекта. В химическом составе грунта требуется рассмотреть возможность диффузионных свойств грунта под воздействием легко-, средне- и труднорастворимых солей при подъеме грунтовых вод, приводящих к снижению физико-механических свойств грунта [1].

Расположение изучаемого объекта

В данном исследовании были проведены инженерно-геологические изыскания на участке автомобильной трассы М36 в районе шахты «Кировская», соединяющей города Алматы и Астана. В ноябре 2011 г. произошло сползание северо-восточного склона дороги. Лабораторное исследование [2] показало, что грунт набухаемый, и это могло сыграть роль в сползании грунта насыпи. С июля по октябрь на данном участке проводились ремонтные работы. Предположительно выполнено выравнивание откоса нижней кромки склона.

На глубине 1,1 м отмечена плоскость скольжения. Был запроектирован новый профиль насыпи высотой 10.2 м, шириной 25 м. Рекомендовано устройство бермы с углом 15.

Характеристики грунта

В проведенном исследовании коэффициенты фильтрации насыпных грунтов полотна дороги составили 0,0001ч0,066 м/сут, насыпи при планировке территории 0,0001ч0,09 м/сут. Для глинистых грунтов элювия 0,0001ч0,135 м/сут.

Дорожное полотно - из глинистых грунтов, откос - из шахтных пород, дресвяный грунт с суглинистым заполнителем до 30,5 %. В нижней части грунта - выпор.

Земляное полотно до 0,1 м - асфальт, до глубины 0,3 м - щебень с суглинком (подушка), ниже - дресвяные грунты, щебень, глыбы - породами шахтных отвалов с суглинистым заполнителем до 25 % с глубины 1,2 м - глинистые грунты, серовато-коричневыми и темно-серыми глинами карбонового возраста твердой консистенции с прослойками суглинков, с 2 м - насыпь глинистая табачного цвета, с 4,5 м прослойки угля с тугопластичной глиной, с 6,7 м глины желтовато-коричневые твердой консистенции, с 7,5 м - полутвердая.

В весенний период у подножия насыпи возможно образование барражного эффекта и накопление паводковых вод и атмосферных осадков. Характеристика величины относительного набухания в условиях свободного набухания составила 0.052-0.135 - слабонабухающие и средненабухающие, в отдельных случаях сильнонабухающие грунты.

Влажность набухания 31.0-49.3 %. Давление набухания 2 кг/см². Результаты исследования физико-механических свойств грунта приведены в таблице 1.

грунт насыпь дорога фильтрация

Таблица 1 - Физико-механические характеристики грунта

Рисунок 1 - Поверхность обследуемого участка

Расчет устойчивости насыпи

Расчет выполнялся по методу круглых цилиндрических поверхностей скольжения, с учетом рекомендаций [3]. Центр критической дуги скольжения с центром О₆ найден путем последовательного приближения и расчетом на вероятную плоскость скольжения, с учетом минимального коэффициента устойчивости. С учетом предыдущего сползания грунта насыпи, прохождение кривой скольжения вне подошвы откоса маловероятно. Профиль насыпи разбит на 11 расчетных блоков примерно одинаковой ширины.

Для каждого блока устанавливается угол наклона поверхности блока к горизонту. Вес блока рассчитывался с учетом запаса по максимальной плотности слоя грунта в данном блоке. Расчетный профиль показан на рисунке 2.

Рисунок 2 - Проектируемый профиль

Коэффициент устойчивости:

(1)

гдеQ - вес блока грунта;

с - удельное сцепление грунта;

l - длина отрезка дуги скольжения в пределах данного блока;

б - угол наклона поверхности скольжения блока к горизонту.

Коэффициент устойчивости составил 3.31392, что удовлетворяет требуемому минимальному коэффициенту запаса устойчивости. Результаты расчета приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты расчета

Приближенный расчет по условию равноустойчивости [4] проводился для определения очертания поверхности равноустойчивого откоса и сравнения с ним очертания запроектированного откоса. При этом данный метод позволяет проверить различные участки на условие устойчивости.

Запроектированный профиль, с коэффициентами устойчивости на участках, изображен на рисунке 3.

Расчет равноустойчивости проводился графо-аналитическим способом, с предварительной разбивкой профиля насыпи на участки и оценкой устойчивости каждого участка, где коэффициент устойчивости для различных участков, с учетом комментариев [5], определяется согласно:

(2)

где tgF_p - коэффициент сопротивления сдвигу для данного горизонта

(3)

где ш_p - угол сопротивления сдвигу на поверхности скольжения данного блока при нормальном напряжении Р;

(4)

где - величина природной нагрузки для горизонта z_i,;

г_ср - средний объемный вес грунта, расположенного в толще откоса выше данного горизонта, т/м³;

tgF_p - коэффициент сопротивления сдвигу для данного горизонта;

б - угол наклона поверхности откоса на уровне данного горизонта к горизонтальной.

Результаты расчета приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Проверка устойчивости по F_p

Минимальный коэффициент устойчивости составил 1.128, что удовлетворяет требуемому минимальному коэффициенту запаса устойчивости.

Результаты установления коэффициента n приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Установление коэффициентов n

На момент проведения исследования часть откоса насыпи шириной около 30 м сползла в сторону подошвы с отрывом массы грунта на 2.5 м. Появились трещины, с раскрытием 0.4-0.6 м и до 15 м в длину. Вероятной причиной сползания массы грунта является нарушение устойчивости. Для предотвращения повторного обрушения рекомендуется:

- устройство бермы на высоте 6 метров от дорожного полотна, с уклоном, предусматривающим сток поверхностных вод;

- предусмотреть систему отвода воды для осушения и предупреждения переувлажнения земляного полотна;

- произвести уплотнение массива грунта;

- рассмотреть вопрос применения георешеток для усиления грунтовой массы;

- учесть пучинистость и засоленность грунтов при дальнейшем проектировании.

Рисунок 3 - Профиль насыпи

Список литературы

1.Унайбаев Б.Ж. Изыскания, проектирование и строительство на засоленных грунтах. Караганда, 2001.

2.Технический отчет об инженерно-геологических изысканиях / ТОО Караганда ГИИЗ и К*. Караганда, 2011.

3.Предложения по расчету устойчивости откосов высоких насыпей и глубоких выемок. М.: СоюзДорНИИ, 1966.

4.Маслов Н.Н. Прикладная механика грунтов. М.; Машстройиздат, 1949.

5.Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М.: Автотрансиздат, 1961.

Размещено на Allbest.ru