Содержание к диссертации
Введение
1. Задача расчета грунтовых откосов и склонов 10
1.1. Анализ существующих методов оценки устойчивости откосов 10
1.1.1. Аналитические методы 10
1.1.2. Лабораторные методы 21
1.1.3 Метод натурных наблюдений и замеров 23
1.2. Постановка задачи 24
1.3. Выбор методов решения 26
Выводы 28
2. Определение напряжений и анализ их распределения в системе насыпь-основание 29
2.1. Математико-механическая модель и исходные расчетные данные 29
2.2. Построение изолиний напряжений и анализ их распределения в системе насыпь-основание 32
2.3. Определение зоны влияния насыпи на грунтовое основание 40
Выводы 41
3. Расчет устойчивости откосов насыпи и прочности грунтового основания на основе анализа их напряженного состояния 43
3.1. Построение поверхности разрушения. Коэффициент устойчивости откоса насыпи и оценка прочности основания 43
3.2. Влияние некоторых основных параметров на прочность системы насыпь-основание 48
3.2.1. Форма контура откоса насыпи 49
3.2.2. Угол откоса насыпи 51
3.2.3. Отношение размеров поперечного сечения насыпи 51
3.2.4. Параметр устойчивости 52
3.2.5.УГОЛ внутреннего трения 53
3.2.6. Модули упругости 56
3.2.7. Коэффициент Пуассона .59
3.2.8. Равноослабленная область 60
Выводы 64
4. Разработка инженерного метода расчета прочности системы насыпь-основание 66
4.1 Исследование зависимости физико-механических свойств глинистых грунтов от их относительной влажности 66
4.2. Определение коэффициентов устойчивости откосов насыпи 70
4.3. Оценка прочности системы насыпь-основание 73
4.4. Прочность системы насыпь-основание, сложенной из различных типов глинистых грунтов 83
4.5. К вопросу о прогнозе изменения прочности системы насыпь-основание 87
4.6. Сопоставление полученных результатов с известными результатами аналитических исследований 87
4.7. Результаты натурных наблюдений участка автомобильной дороги «Серафимович - Большой - Пронин» 90
4.8. Оценка предлагаемой расчетной методики по результатам натурных наблюдений 94
Выводы 97
Заключение 99
Список литературы
- Метод натурных наблюдений и замеров
- Построение изолиний напряжений и анализ их распределения в системе насыпь-основание
- Влияние некоторых основных параметров на прочность системы насыпь-основание
- Прочность системы насыпь-основание, сложенной из различных типов глинистых грунтов
Введение к работе
Актуальность темы. Общеизвестно известно, что стоимость возведения земляного полотна автомобильных дорог в равнинной и слабопересеченной местности составляет до 20%, а в горной - до 40-50% от общей стоимости строительства дорог. От устойчивости земляного полотна в значительной степени зависят прочность и долговечность дорожной одежды, транс-портно-эксплуатационное состояние автомобильной дороги в целом. Создание прочных дорожных одежд возможно лишь на основе их проектирования в комплексе с земляным полотном и основанием с учетом , с одной стороны, интенсивности движения и величины нагрузок, с другой - окружающей природной среды , прежде всего грунтовых условий . Дорожные одежды и их работы принято рассматривать в неразрывной взаимосвязи с земляным полотном . Многолетними исследованиями специалистов установлено, что при проектировании и устройстве дорожных одежд не следует стремиться повышать их общую прочность только за счет наиболее прочных верхних слоев, т.к. устройство этих слоев связано со значительными единовременными затратами, кроме того, их высокая прочность не всегда может компенсировать слабость грунтового основания. Исходя из общей закономерности затухания напряжений от внешних нагрузок и уменьшения влияния климатических факторов с глубиной , следует располагать конструктивные слои основания таким образом, чтобы их жесткость последовательно убывала с глубиной в известном соответствии с затуханием сжимающих напряжений, а морозоустойчивость - в соответствии с уменьшением температурных градиентов
Возводимые насыпи должны быть надежным основанием укладываемой на них дорожной одежды. Для этого насыпи должны сохранять форму и требуемую прочность, принятую в качестве расчетной при проектировании дорожной одежды в условиях воздействия движущегося транспорта и при-
5 родных факторов. Особое значение это имеет в случае высоких насыпей, для которых необходимо рассматривать не только процессы, происходящие в теле насыпи, но и взаимодействие насыпи и основания. Учет сдвигающих усилий , или касательных напряжений , характеризующих прочность грунта или отдельных конструктивных слоев дорожной одежды чрезвычайно необходим. Для его практического осуществления необходимо разработать методы определения сопротивления сдвигу различных грунтов. При разработке таких методов важно учитывать , что контроль прочности грунтов следует проводить периодически и многократно особенно для высоких насыпей , поскольку свойства их изменчивы и зависят от значительного числа факторов.
Поэтому теоретическая и практическая разработка аспектов, связанных с совершенствованием методов расчета, направленных на улучшение работы конструкции системы насыпь земляного полотна автомобильной дороги - основание представляется весьма актуальной.
Целью диссертационной работы является:
- разработка метода расчета прочности системы насыпь земляного по
лотна автомобильной дороги - основание, базирующегося на анализе напря
женного состояния грунтов, позволяющего с достаточной точностью опера
тивно осуществлять расчеты и определять рациональные конструкции систе
мы.
Для достижения этой цели решаются следующие задачи:
- обоснование выбора методов решения и разработка математико-
механической расчетной модели;
- исследование плоского напряженного состояния системы насыпь
земляного полотна - основание на базе разработанной модели;
- разработка методики определения рациональных параметров системы
насыпь земляного полотна автомобильной дороги - основание, базирующей
ся на исследовании влияния физико-механических свойств грунтов, а также
6 геометрии поперечного сечения насыпи на коэффициенты устойчивости ее откосов и размеры возможных пластических областей (или зон нарушения сплошности, ЗНС) в основании и насыпи;
- разработка инженерного расчетного метода, проведение натурных
наблюдений за состоянием дорог в Волгоградской области и сопоставление
их с полученными результатами аналитических исследований.
При решении поставленных задач использовались методы:
теории упругости (метод конечных элементов - для определения напряжений и построения их изолиний в системе насыпь-основание);
теории пластичности (условие пластичности в форме прямолинейной огибающей наибольших кругов напряжений - при построении ЗНС);
линейной теории ползучести — при прогнозировании изменения во времени прочности системы насыпь-основание;
профессора В.К. Цветкова - при построении наиболее вероятных поверхностей разрушения (НВПР) и определении минимальных коэффициентов устойчивости К откосов насыпей;
графо-аналитический - при разработке инженерного способа расчета системы насыпь-основание;
натурных наблюдений - при обследовании состояния насыпей и оснований автомобильных дорог.
Научная новизна. Установлено влияние широкого класса факторов на распределение напряжений в системе насыпь земляного полотна - основание. Разработан расчетный метод и критерий, определяющий рациональные параметры системы при условии отсутствия ЗНС, но наличии ослабленных зон, в которых коэффициент устойчивости 1 < К < 1,1. Обоснована правомерность использования методов теории упругости при решении рассматриваемых задач. Установлена зависимость прочности системы от коэффициента
устойчивости откосов насыпи автомобильной дороги и относительной влажности глинистых грунтов, изменяющейся во времени.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована: теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных положениях теории упругости, пластичности, линейной теории ползучести и механики грунтов; сравнением полученных численных результатов с известными решениями; подтверждением аналитических исследований натурными наблюдениями.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный в диссертации расчетный метод оценки прочности системы насыпь земляного полотна - используется в практике проектирования и строительства высоких насыпей автомобильных дорог Волгоградской области. Автором разработаны и приняты к производству в ОГУП «Волгоградавтодор» « Рекомендации по расчету прочности системы насыпь земляного полотна автомобильной дороги - основание»
Применение метода в практике позволяет в одних случаях прогнозировать оползневые явления, что способствует сокращению материальные затрат, связанных с ликвидацией их последствий и повышению безопасности движения, в других - уменьшению объема земляных работ, в том числе, за счет использования вогнутого контура откосов насыпи земляного полотна.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСУ (Волгоград, 2001 - 2004 г.г.); Международном симпозиуме «Безопасность и жизнедеятельность, XXI век» (Волгоград, 2001 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии, конструкции и материалы в строительстве» (Краснодар, 2002 г.); Ш Международной научно-технической
8 конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2003 г.).
Ш защиту выносятся:
метод расчета прочности системы насыпь земляного полотна автомобильной дороги - основание, в котором учитывается взаимное влияние насыпи и основания на прочность всей системы;
результаты исследований влияния физико-механических характеристик грунтов насыпи и основания, а также геометрии поперечного сечения насыпи земляного полотна на распределение напряжений в системе насыпь-основание;
инженерный способ определения рациональных конструктивных параметров системы с использованием удобных графиков и простых формул, а также определения величин коэффициентов устойчивости насыпей при условии отсутствия ЗНС во всей системе;
результаты натурных инструментальных наблюдений и сопоставление их с соответствующими аналитическими результатами, полученными автором.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в шести научных статьях. Общий объем публикаций 1,4 печатных листа.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 130 наименований, из них 16 на иностранных языках, содержит 148 стр. машинописного текста, 48 рисунков, 2 таблицы и приложения.
Следует отметить, что в диссертации все расчеты проводились с использованием программы для ПК, разработанной в ВолгГАСУ на кафедре информатики и вычислительной математики и содержащей фрагменты расчетных методов профессоров В.К. Цветкова и А.Н. Богомолова.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю доктору технических наук, профессору B.C. Боровику и доктору техниче-
ских наук , профессору В.К. Цветкову за помощь, ценные советы и замечания в процессе работы над диссертацией.
1. ЗАДАЧА РАСЧЕТА ГРУНТОВЫХ ОТКОСОВ И СКЛОНОВ
Метод натурных наблюдений и замеров
Метод натурных замеров и наблюдений широко применяется при ре -шении проблемы устойчивости откосов и склонов: исследуется поле напряжений нетронутого грунтового массива [6, 13]; устанавливаются максимальные величины призм обрушения [46]; используя фактические данные, прогнозируется устойчивость и определяется зависимость предельной высоты откоса от величины его угла [35]; проводятся полевые испытания сопротивления пород сдвигу [49]; измеряются напряжения в откосах [95].
Очевидно, что натурные наблюдения являются важным звеном в исследованиях, связанных с изучением устойчивости откосов и склонов. Результаты аналитических и экспериментальных исследований должны им соответствовать. Но так как наблюдения проводятся над конкретным объектом (заданы угол и высота откоса, физико-механические характеристики пород и расположение слоев), результаты получаются частными и определить роль отдельных факторов, влияющих на устойчивость, часто невозможно. Кроме того, нарушение целостности фунтового массива с целью введения в него различного рода приборов и станций наблюдений связано с рядом условностей и допущений. Поэтому результаты исследований носят приближенный характер.
Таким образом, из обзора и анализа существующих методов исследования проблемы устойчивости откосов и склонов следует, что каждый метод наряду с достоинствами имеет свои недостатки. Поэтому методика исследований должна быть комплексной и результаты, полученные аналитическими, лабораторными и экспериментально-производственными методами должны взаимодополняться и взаимопроверятъся.
Реальный грунтовый массив характеризуется многообразием физико-механических свойств и условий залегания пород, слагающих его. Поэтому решение любой задачи механики грунтов проводится для некой модели, имитирующей массив. В этой механической модели отражаются и идеализируются наиболее существенные стороны исследуемого процесса.
Свойства грунтов при расчете устойчивости откосов и склонов обычно заменяются свойствами одной из двух упрощенных моделей, подчиняющихся либо теории предельного равновесия, либо теории упругости. Математический аппарат этих теорий хорошо разработан, что позволяет определять напряжения и деформации в массиве.
Экспериментальные исследования многих авторов показывают, что применение обеих теорий при соблюдении определенных условий оправдано. Бели нагрузка на грунт такова, что в каждой точке приоткосной зоны сопротивление сдвигу не превышено или превышено в очень небольшой области, грунты практически ведут себя как линейно-деформируемые среды. Поэтому в данном случае применима теория упругости. Если сопротивление сдвигу превышено, грунт переходит в состояние, удовлетворительно описываемое теорией предельного равновесия.
В реальных условиях в наиболее важных для практики случаях в приоткосной зоне имеются упругие и пластические области. Следовательно, при исследовании устойчивости откосов и склонов целесообразно решать смешанную задачу теории упругости и пластичности, а при выяснении влияния на устойчивость фактора времени - использовать линейную теорию ползучести.
Эффективным средством решения многих задач линейной теории ползучести является принцип Вольтера, по которому в решении одноименной задачи классической теории упругости необходимо заменить упругие постоянные материала соответствующими временными операторами.
Повторяя рассуждения, приведенные в работе Ж.С. Бржанова [25] при решении задачи линейной теории ползучести для подземных выработок, применительно к задаче об определении напряжений в приоткосной зоне и изменяя некоторые обозначения, получим следующее. В начальной момент при t = 0 в массиве возникло поле дополнительных напряжений и перемещений, вызванное влиянием различных нагрузок. Этому моменту соответствуют лишь упругие деформации. Это упруго-мгновенное состояние складывается из основного напряженного состояния, характеризующего нетронутый грунтовый массив, и дополнительного напряженного состояния, вызванного воздействием различных нагрузок. При этом напряженное состояние определяется формулами: a,(f)- ;+ r fl 0-5)
Здесь: ст, (ту, т - неизменные во времени компоненты основного напряженного состояния, характеризующие упругий нетронутый массив; a? (t), &?(?) г(0 " компоненты дополнительного напряженного состояния, вызванного воздействием дополнительных нагрузок.
Следовательно, при изучении изменения устойчивости откосов с течением времени первым шагом должно быть решение соответствующих задач теории упругости.
Таким образом, для решения рассматриваемой в диссертации проблемы расчета и прогноза устойчивости системы «высокая насыпь автомобильной дороги - основание» необходимо решить следующие задачи: 1. Определение упругих напряжений и анализ их распределения в системе насыпь-основание при различной геометрии поперечного сечения насыпи и физико-механических свойств грунтов, слагающих насыпь и основание. 2. Исследование влияния всевозможных факторов на прочность системы насыпь-основание.
Построение изолиний напряжений и анализ их распределения в системе насыпь-основание
Используя вышеописанную модель определим составляющие напряжений, возникающих в системе насыпь-основание при следующих значениях их физико-механических характеристик: 71 = 72=1: Еі/Ег=1; V! =0,35; V2 =0,3548 и 0,4286. Здесь: у - плотность грунта; Е - модуль упругости; v - коэффициент Пуассона. Индексом «1» обозначены расчетные характеристики грунта насыпи, индексом «2» - грунтового основания.
Значение коэффициента Пуассона пород насыпи Vi как обычно при расчетах принято равным 0,35, Аналогичный коэффициент для пород грунтового основания v2 = 0,3548 соответствует супесям, коэффициент бокового распора которых и =0,55 [ 99 ], а значению v2 = 0,4286 соответствуют глины при ц =0,75.1
На рис. 2.3, 2.4 с интервалом ОД построены изолинии вертикальных составляющих безразмерных напряжений (напряжения, деленные на yh, где у -плотность пород, h - высота насыпи). Как видно эти напряжения для двух рассматриваемых вариантов (когда грунтовое основание - супеси или глины) практически не отличаются друг от друга.
Анализ изолиний распределения вертикальных напряжений показывает, что рассматриваемую область можно разделить на три зоны А, В и С, изображенные на рис. 2.3 с учетом того, что линия ab является вертикальной осью симметрии.
В зоне А вертикальные составляющие напряжений меньше веса столба вышележащих пород. Эта разница максимальна вдоль линии ab и с изменением глубины расположения точек от 0 до 2h составляет 0 — 15 %. Действительно, в точках оси симметрии ab вертикальные напряжения совпадали бы с весом столба вышележащих пород, если насыпь заменить слоем грунта тол шиною h; а так как насыпь - это часть такого слоя, то фактические напряжения меньше соответствующего столба пород.
В зоне В вертикальные напряжения в грунтовом основании больше веса столба вышележащих пород. Разница максимальна вдоль вертикальной линии со, проходящей через точку перехода насыпи в основание, где имеет место концентрация напряжений и с измерением глубины от 0 до h составляет 40 - 17 %. Это объясняется тем, что в рассматриваемой зоне имеет место влияние насыпи, в результате чего увеличиваются вертикальные напряжения в грунтовом основании.
В зоне С вертикальные напряжения практически совпадают с напряжениями, соответствующими весу столба вышележащих пород, т.е. насыпь практически не влияет на распределение этих напряжений.
На рис. 2.5,2.6 с интервалом 0,05 для рассматриваемых двух вариантов построены изолинии горизонтальных составляющих безразмерных напряжений. При этом знак плюс соответствует сжимающим, а знак минус — растягивающим напряжениям. Из сравнения изолиний следует, что характер распределения напряжений при наличии в основании глин (рис. 2.5) или супесей (рис. 2.6) одинаков. Величины напряжений в первом случае несколько меньше чем во втором и в насыпи эта разница составляет около 20 %.
Для принятых размеров насыпи на расстоянии h/З от откосов в грунтовом основании имеются зоны, растянутые в горизонтальном направлении. Протяженность и максимальная толщина этих зон соответственно равны 3,8h и 0,17h, а максимальные растягивающие напряжения стх- около 0,18yh. Наличие зон растяжения объясняется воздействием на грунтовое основание веса насыпи. Если напряжения превосходят предел прочности пород основания на растяжение, то в зоне концентрации этих напряжений на расстоянии ОД 5 — 0,18h от насыпи следует ожидать появление продольных трещин.
На рис. 2.7, 2.8 с интервалом 0,05 для оснований сложенных супесями и глинами построены изолинии касательных составляющих безразмерных напряжений тху. Как видно из рисунков распределение этих напряжений практически одинаково. Максимальное их значение соответствует центрам заштрихованных областей и составляет 0,2lyh. Очертания границ областей близки к эллипсам с полуосями 0,46h и 0,31 h, а их расположение указано на рисунках.
Как и следовало ожидать при переходе через ось симметрии ab касательные напряжения изменяют знак, а на самой оси х = 0.
Завершая анализ распределения напряжений в системе насыпь-основание для глинистых пород, отметим, что если основание сложено суглинками, то ці= 0,65 [99] (va =0,3939) и в этом случае все результаты расчетов определятся как средние по отношению к вышеприведенным результатам, так как, как было отмечено ранее, для глин коэффициент бокового распора равен 0,75, а для супесей - 0,55. Поэтому для глинистых пород при фиксированном значении коэффициента Пуассона насыпи величина коэффициента Пуассона пород грунтового основания влияет только на горизонтальные составляющие напряжений и при увеличении коэффициента бокового распора от 0,55 до 0,75 уменьшение этих напряжений составляет около 20 %.
Определение зоны влияния насыпи на грунтовое основание
Зону влияния насьши на грунтовое основание определим из сравнения напряжений в грунтовом основании при отсутствии насыпи и при ее наличии. Дня этого проанализируем расположение изолиний всех составляющих напряжений, приведенных нарис. 2.3 - 2.8.
При любых значениях у и h наибольшее отличие вертикальных составляющих напряжений Су в грунтовом основании при отсутствии и наличии насьши соответствует оси симметрии ab (рис. 2.3) и при глубине более 2,25h составляет менее 20 %, а при глубине 3,9п — менее 10 %.
Что касается влияния насыпи на распределение горизонтальных составляющих напряжений ах в грунтовом основании, то при глубине более 0,75h отличие напряжений при наличии и отсутствии насыпи составляет менее 20 %, а при глубине более h - менее 10 %.
Влияние некоторых основных параметров на прочность системы насыпь-основание
Сопоставление результатов, полученных для вогнутого откоса с аналогичными результатами, полученными для прямолинейных откосов при заложении 1:2 и 1:1,5, показало, что их коэффициенты устойчивости К = 1,55 и 1,29, ширина призмы возможного обрушения е = 0,3 8h и 0,54h, а ширина 3HCd = 3,lhH3,24h.
Отсюда следует, что величины Кие для вогнутого откоса (К - 1,4, е = 0,5h) находятся между аналогичными значениями для прямолинейных откосов, а ширина ЗНС вогнутого откоса (d = 2,8h) меньше значения d для прямолинейного откоса даже при заложении 1:2, что подтверждает обоснованность использования в практике откоса с вогнутым контуром.
Кроме того, коэффициент устойчивости вогнутого на 9,7% меньше, чем прямолинейного откоса при заложении 1:2 и на 7,9% больше прямолинейного при заложении 1:1,5.
Эта зависимость сохраняется и при других значениях физико-механических свойств грунтов. Поэтому величины коэффициентов устойчивости, определенные для вогнутого, могут быть использованы и для прямолинейных откосов; при этом для прямолинейного при заложении откоса 1:2 величину К вогнутого откоса следует увеличить на 10%, а при заложении 1:1,5 — уменьшить на 8%.
Отношение размеров поперечного сечения насыпи
Рассмотрим насыпь с вогнутыми контурами откосов при трех значениях отношения верхней стороны поперечного сечения насыпи / к ее высоте h: 0,5; 1,25; 3 (рис. 3.2). В этом случае соответственно имеем: К = 1,37, 1,42, 1,55; е = 0,25h, 0,5h, 0,7h; d = l,82h, 2,8h, 4,66h. Следовательно, с увеличением указанного отношения от 0,5 до 3
НВПР удаляется от контура откоса, а коэффициент устойчивости увеличивается на 12%. Так как в дальнейшем рассматривается насыпь при / = 1,25Ь, то отклонение величины К не превысит 10%.
Что касается сопоставления величин d, то сравнивая ширину ЗНС с шириной нижней стороны L поперечного сечения насыпи, соответственно получим: d/L — 0,46, 0,59, 0,72, То есть с увеличением относительной ширины насыпи в рассматриваемых пределах относительная ширина ЗНС увеличивается на 36%.
Параметрустойчивости
Параметр устойчивости X определяется формулой (3.6). Он входит в выражения (3.7) и (3.8) для определения формы и расположения в приоткос-ной зоне НВПР и в формулу (3.5), определяющую коэффшшент устойчивости откосов насыпи, а также устанавливающую отсутствие или наличие ЗНС и их размеры.
Следовательно, параметр А. определяет влияние как комбинации величин h, у, с, ф на перечисленные прочностные характеристики системы насыпь-основание, так и каждой из этих величин в отдельности при условии, что остальные остаются постоянными.
Для расчетной схемы, приведенной на рис. 3.2 для вогнутого откоса вычислим величины К, е и d используя, в качестве базовых, физико-механические характеристики грунтов (3.9).
Исследования показали, что с увеличением параметра А, при прочих равных условиях НВПР удаляется от контура откоса, коэффициент устойчивости увеличивается, а ширина ЗНС уменьшается.1
1 Так как система насыпь-основание имеет ось симметрию ab (рис. 2.1), то ширина призмы обрушения (рис. 3.2). Если, например, величину X увеличить на 20% (в соотношениях (3.9) положить Х\-%г = 0,75), то получим, что К = 1,65, е = 0,62h, d = 2,2h. То есть коэффициент устойчивости увеличивается на 14%, ширина призмы обрушения - на 19,4%, а ширина ЗНС уменьшается на 21,4% (см. пункт 3.2.1. и рис. 3.2).
Очевидно, что такой же результат получится либо при увеличении сцепления с, либо при уменьшении плотности грунта у или высоты насыпи h на 20%. Что касается угла внутреннего трения, который входит одновременно в формулы (3.6) и (3.5), определяющие параметр А,, величину К и размеры ЗНС, то уменьшение tg p на 20%, как нетрудно видеть, произойдет при Фі = ф2 = 14,6. При этом коэффициент устойчивости станет равным 1,31, т.е. по сравнению с 1,65 уменьшится на 20,6%, величина d увеличится на 35%, а площадь ЗНС - примерно в 10 раз и, в отличие от вышерассмотренных случаев, распространится в грунтовое основание (рис, 3.3).
Вышеприведенные результаты расчетов показали, что изменение параметра X или любой из величин, его определяющих, даже на 20% могут значительно изменить параметры прочности системы насыпь-основание. Бели же X уменьшить, например, вдвое, т.е. в соотношениях (3.9) положить Х\ = Хг = 0,3, то коэффициент устойчивости К = 1,08 (уменьшится на 24%), а ЗНС существенно изменит очертание своих границ и охватит значительную часть рассматриваемой области (рис. 3.2, 3.4).
Прочность системы насыпь-основание, сложенной из различных типов глинистых грунтов
Рассмотрим два типа глинистых грунтов: глины и супеси. При относительной расчетной влажности w = 0,7Ha основании [71] имеем для глин: у = 2- 104Н/м3,с = 0,019МПа,Е = 41МПа, ф = 18, ц = 0,75; для супесей: Y =1,9-104 НА 3, с = 0,012 МПа, Е = 65 МПа, ф = 35, ц = 0,55. Отсюда на основании формулы (3.6) для глин и супесей получим, что Л = 5,848/h, Хсуп = 1,804/h, т.е. XrjAcyn = 3,241.
Расчеты на ПК, с использованием последнего соотношения, показали, что в случае, когда насыпь сложена глинами, а основание - супесями, ЗНС в системе насыпь-основание отсутствуют при Хщ = 0,68 (ф = 18). Если насыпь сложена супесями, а основание - глинами, то Я-гл = 1,04. То есть в первом варианте максимальная высота насыпи he, при которой в системе насыпь-основание нет ЗНС (но размеры ослабленных зон максимальны) равна 8,6 м, а во втором - 5,6 м. Это обстоятельство объясняется тем, что в первом случае ЗНС первоначально появляются в приоткосных областях насыпи (основание прочное и на рис. 4.8 показаны ослабленные зоны, в которых 1 К 1,1);а во втором - в основании (основание слабое и на рис. 4.9 показаны ослабленные зоны).
Из графиков рис. 4.4 следует, что в случае, когда система насыпь-основание сложена только глинами или супесями при w = 0,7 he = 6,4 м и 7,6 м.
Следовательно, в случае глинистых грунтов наиболее прочной является конструкция, в которой насыпь сложена глинами, а основание - супесями и отличие величины предельной высоты насыпи по сравнению с аналогичной высотой в системе, сложенной только супесями или глинами составляет 11,6 — 25,6 %. Наименее прочной является конструкция системы, в которой насьшь сложена супесями, а основание глинами (отличие he составляет 12,5 - 26,3 %). Отсюда видно, что основание оказывает заметное влияние на прочность системы насыпь-основание.
Результаты определения величин коэффициентов устойчивости откосов насыпи приведены в приложениях (табл. П.4, П.5), а наиболее вероятные поверхности разрушения построены на рис. 4.8, 4.9. Из таблиц следует, что для системы глина-супесь (глина-насыпь, супесь-основание) К = 1,64; для системы супесь-глина К = 2,22. По формуле (4.5) вычислим эти коэффициенты для откосов насыпи системы, сложенной только глинами или только супесями. Соответственно получим К = 1,53 и 2,33. Как видим отличие величин К составляет менее 7%, т.е. основание на устойчивость откосов насыпи (при условии сохранения равновесия системы) влияет незначительно.
Очевидно, что при эксплуатации автомобильных дорог могут изменяться физико-механические свойства грунтов. Бели эти изменения - известные функции времени, то на основании линейной теории ползучести (см. раздел 1) разработанный расчетный метод позволяет определять рациональные параметры системы насыпь-основание: приведенную высоту насыпи h и коэффициент устойчивости ее откосов К (формулы (4.7) и (4.6)); коэффициент прочности Кс и высоту насыпи he системы, при которых в системе нет ЗНС, но имеются ослабленные зоны (формулы (4.8) и (4.9)), графики рис. 4.3,4.4).
Так как в указанных формулах перечисленные параметры зависят только от типа глинистых грунтов и их относительной влажности, то для прогнозирования прочности системы необходимо для данного типа грунта периодически в лабораторных условиях определять его относительную влажность. Затем строить графики зависимости he и IQ от времени и по этим графикам прогнозировать изменение прочности системы насыпь-основание.
Из результатов, полученных в настоящей работе, сопоставление с известными результатами аналитических исследований можно провести только для величин коэффициентов устойчивости откосов насыпи К и ее высоты h при заданном значении К (см. формулы (4.6) и (4.7)). Сравнение же максимальной высоты насыпи h и коэффициента прочности Кс (см. формулы (4.8) и (4.9)), при которых в системе насыпь-основание отсутствуют ЗНС, не представляется возможным, так как нам не известны аналогичные результаты аналитических исследований, полученных другими авторами.
Рассмотрим один из методов оценки устойчивости откосов насыпей автомобильных дорог. В работе [ 4 ] приводится уравнение для коэффициента устойчивости откосов, преобразованное профессором М.Н. Гольдпггейном к виду K = Atgg +-?-B, (4.11) уп где А и В - коэффициенты, зависящие от геометрии откоса и для рассматриваемого поперечного сечения насыпи равные 2,87 и 6,58. Это соотношение в отличие от предлагаемой расчетной методики получено в предположении, что призма обрушения — абсолютно твердое тело, а поверхность разрушения - дуга окружности; без учета коэффициента Пуассона грунтов; влияния основания и т.д.
Определим величины коэффициентов устойчивости откосов насыпи и при заданных значениях К - ее высоту. Пусть w - 0,7; у = 2-104 н/м3; h = 12м. Тогда на основании формул (4.6) и (4.11) соответственно имеем: для глин и суглинков К = 1,24 и 1,40; для супесей К = 1,85 и 2,33, т.е. отличие составляет 11—21%. Если задан коэффициент устойчивости К =1,3, по формулам (4.7) и (4.11) определяем: для глин и суглинковп=11и15,1м,т.е. отличие составляет 27%; для супесей h = оо, т.е. при любой высоте откоса (при условии, что в основании нет ЗНС) его коэффициент устойчивости больше 1,3. При К = 1 ( предельное состояние откоса ) для глин и суглинков h„p = 20,6 и 60,9м, т.е. предельная высота откоса, вычисленная по формуле (4.7) в 3 раза меньше, чем по формуле (4.11).
