Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах (введено в действие распоряжением Минтранса РФ от 3 декабря 2003 г. N ОС-1067-р)

Пособие
по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах
(введено в действие распоряжением Минтранса РФ от 3 декабря 2003 г. N ОС-1067-р)

Дата введения 1 января 2004 г.

Предисловие

Настоящее Пособие разработано на основе "Пособия по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах" (к СНиП 2.05.02-85), изданного Стройиздатом в 1989 г.

В Пособии рассмотрены вопросы инженерно-геологических изысканий и проектирования земляного полотна автомобильных дорог на участках распространения слабых грунтов. В новой редакции Пособия уточнены и дополнены некоторые расчетные схемы и расчетный аппарат, необходимые для оценки устойчивости и осадки слабых оснований насыпей, а также для проектирования отдельных конструктивно-технологических мероприятий. Изложены уточненные методики полевых и лабораторных испытаний различных разновидностей слабых грунтов. Все изменения и дополнения выполнены с учетом полученных в последние годы результатов научно-исследовательских работ в этой области, а также с учетом изменений в нормативно-технических документах дорожной отрасли.

Из переработанного Пособия в новую редакцию вошли материалы д-ра техн. наук В.Д. Казарновского, д-ра техн. наук И.Е. Евгеньева, канд. техн. наук А.Г. Полуновского, д-ра техн. наук Э.К. Кузахметовой, д-ра техн. наук В.Н. Яромко, материалы Омского филиала Союздорнии, Тюменского инженерно-строительного института, Московского автомобильно-дорожного института, а также опыт ведущих проектных организаций (Союздорпроекта, Гипротюменьнефтегаза, Ленгипротранса и др.) и строительных организаций (Тюменьдорстроя, Пермдорстроя и др.).

Настоящая редакция Пособия разработана д-ром техн. наук Э.К. Кузахметовой, д-ром техн. наук В.Д. Казарновским и инж. Ю.М. Львовичем при участии инж. Т.Н. Ибрагимовой.

При этом учтены и использованы материалы, представленные д-ром техн. наук А.М. Кулижниковым и д-ром техн. наук В.Н. Яромко.

Учтены также замечания официальных рецензентов: МАДИ ТУ, ГП "Росдорнии", ФГУП "Союздорпроект", ОАО "Центродорстрой" и замечания, присланные неофициальными рецензентами.

Общее научное редактирование выполнено д-ром техн. наук, проф. В.Д. Казарновским и д-ром техн. наук Э.К. Кузахметовой.

1. Общие положения

1.1. К слабым следует относить связные грунты, имеющие прочность на сдвиг в условиях природного залегания при испытании прибором вращательного среза менее 0,075 МПа, удельное сопротивление статическому зондированию конусом с углом при вершине  = 30° менее 0,02 МПа или модуль осадки при нагрузке 0,25 МПа более 50 мм/м (модуль деформации ниже 5 МПа). При отсутствии данных испытаний к слабым грунтам следует относить: торф и заторфованные грунты, илы, сапропели, глинистые грунты с коэффициентом консистенции более 0,5, иольдиевые глины, грунты мокрых солончаков (см. приложение 11 (Л)).

Основания насыпи, в которых в пределах активной зоны имеются слои слабых грунтов мощностью более 0,5 м, относят к слабым основаниям. Для предварительной оценки глубина активной зоны сжатия может быть принята равной полуширине насыпи понизу. В зависимости от состояния и свойств слабых грунтов слабые основания делятся на типы по устойчивости, которые рассмотрены в разделе 2.

1.2. В основу проектного решения на участке залегания слабых грунтов может быть положен один из двух принципов:

- удаление слабого грунта и замена его или применение эстакад;

- использование слабого грунта в качестве основания насыпи с применением мероприятий, обеспечивающих устойчивость основания и ускорение его осадки, а также прочность дорожной одежды, сооружаемой на таком земляном полотне.

1.3. Принцип и конкретное проектное решение по конструкции насыпи выбираются на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом:

- категории автомобильной дороги и типа дорожной одежды;

- требуемой высоты насыпи и качества имеющегося для ее отсыпки грунта;

- протяженности участка со слабыми грунтами;

- вида и особенностей свойств слабых грунтов, залегающих на участке, и особенностей строения слабой толщи (мощность, наличие переслаивания, уклона кровли подстилающих пород и т.д.);

- условий производства работ, в том числе сроков завершения строительства, климата района, времени года, в которое будут выполняться земляные работы, дальности возки грунта, возможностей строительной организации (обеспеченность транспортом, наличие специального оборудования и т.п.).

1.4. Использование слабого грунта во многих случаях существенно снижает стоимость и трудоемкость работ, повышает темпы строительства, поэтому отказ от его использования должен быть обоснован технико-экономическим анализом с учетом конкретных условий. Такой анализ осуществляется на основе прогнозов устойчивости, конечной величины и длительности осадки слабой толщи при возведении на ней насыпи.

1.5. Земляное полотно на участках слабых грунтов проектируют в виде насыпей. Требования к грунтам верхней части насыпи (рабочего слоя), а также необходимое минимальное возвышение низа дорожной одежды над расчетным уровнем поверхностных и грунтовых вод определены действующими СНиП 2.05.02-85 применительно к III типу местности по характеру и условиям увлажнения.

Примечание. При назначении высоты насыпи, сооружаемой на торфяном основании, кроме обычных требований, связанных с водно-тепловым режимом и снегозаносимостью, необходимо учитывать требования п. 1.9 настоящего Пособия.

Нижнюю часть насыпи, располагающуюся ниже уровня поверхности земли, следует устраивать из дренирующих грунтов с коэффициентом фильтрации не менее 1,0 м/сут. При этом толщина слоя из такого грунта должна быть на 0,3 - 0,5 м больше суммарной величины расчетной осадки основания и мощности удаляемого слоя (если применяется частичное или полное удаление). Требования к грунтам рабочего слоя и средней части насыпи принимаются по СНиП 2.03.02-85. При этом предпочтение следует отдавать применению песчаных и крупнообломочных грунтов с содержанием глинисто-пылеватой фракции до 10%.

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Имеется в виду "СНиП 2.05.02-85"

1.6. К земляному полотну, сооружаемому с использованием слабых грунтов в основании насыпи, кроме общих требований, изложенных в действующих нормативных документах, предъявляются дополнительные требования:

- должна быть исключена возможность выдавливания оставляемого слабого грунта из-под насыпи в процессе ее возведения и эксплуатации (обеспечена устойчивость основания);

- интенсивная часть осадки должна завершиться до сооружения покрытия (обеспечена стабильность, см. п. 1.8);

- упругие колебания земляного полотна, возникающие при наличии торфяных грунтов в основании насыпи, не должны превышать величину, допускаемую для принятого типа покрытия.

1.7. На насыпях, в основании которых оставлены слабые грунты, капитальные покрытия можно устраивать после завершения не менее 90% расчетной осадки или при условии, что средняя интенсивность осадки за месяц, предшествующий устройству покрытия, не превышает 2 см/год. Для устройства облегченных покрытий требуется достижение не менее 80% конечной осадки или интенсивности осадки не более 5 см/год.

1.8. Для исключения недопустимых упругих колебаний толщина насыпей, сооружаемых на торфяных основаниях, должна быть не менее указанной в табл. 3.2. Для насыпей на торфяном основании, толщина которых по статическому расчету менее значений, приведенных в табл. 3.2, необходимо провести динамический расчет с целью проверки допустимости ускорений колебаний земляного полотна по условиям вибрационной прочности покрытия. Методика динамического расчета насыпей на торфяных грунтах изложена в приложении 1 (А).

В случаях, когда невозможно или нецелесообразно обеспечить требуемую толщину насыпи, допускается предусматривать насыпь меньшей толщины. При этом необходимо выполнить проверочный расчет дорожной одежды на динамическую устойчивость и при необходимости изменить (усилить) в соответствии с его результатами конструкцию дорожной одежды.

1.9. При расчете дорожной одежды по ОДН 218.046-01 величину расчетного эквивалентного модуля упругости на поверхности земляного полотна, сооруженного на слабом грунте, следует определять по формуле

, (1)

где - модуль упругости слабого грунта в его расчетном состоянии под насыпью;

- толщина насыпи;

- мощность слабой толщи;

D - расчетный диаметр отпечатка колеса;

- модуль упругости грунта насыпи.

1.10. На стадии разработки инженерного проекта конструкцию земляного полотна следует обосновывать поэтапно. На стадии обоснования инвестиций целесообразно рассматривать такие варианты конструкций, уточнение которых на стадии инженерного проекта и рабочей документации давали бы возможность снизить строительную стоимость без снижения уровня надежности.

На первом этапе выделяют участки, для которых дальнейшая проработка варианта с использованием слабого грунта в основании нецелесообразна, и участки, где этот вариант может быть целесообразным.

Применительно к первым участкам принимается окончательное решение (за исключением особо сложных случаев, где удаление слабых грунтов связано с применением специальных методов).

Для участков, где использование слабых грунтов представляется целесообразным, на первом этапе принимают предварительное решение, которое затем подлежит уточнению при разработке рабочей документации. В особо сложных случаях могут быть предусмотрены специальные обследования и опытные работы для окончательного обоснования.

1.11. Для обоснования выбора конструкции земляного полотна проект должен содержать:

- материалы подробного инженерно-геологического обследования грунтовой толщи на участках залегания слабых грунтов, включая данные по мощности отдельных слоев и расположению их в плане и по глубине, а также данные по расчетным значениям физико-механических характеристик грунтов этих слоев, положению уровня грунтовых вод и т.п.;

- исходные данные по проектируемой насыпи (высота и другие геометрические параметры, а также свойства грунтов, укладываемых в насыпь), расчетные условия движения и данные по особенностям условий эксплуатации;

- результаты инженерных расчетов, обосновывающие принятую конструкцию;

- указания по порядку сооружения запроектированной конструкции.

1.12. Объем, состав и методы получения данных, необходимых для обоснования конструкции земляного полотна, так же как и методы расчетов, зависят от стадии проектирования. Рекомендации по инженерно-геологическому обследованию участков, на которых залегают слабые грунты, а также по расчету и конструированию земляного полотна на этих участках изложены в разделах 2-4 настоящего Пособия.

Земляное полотно на участке залегания слабых грунтов в общем случае проектируют в следующем порядке:

- на основе результатов инженерно-геологических обследований намечают расчетные участки и устанавливают расчетные параметры слабой толщи и характеристик слагающих ее грунтов;

- устанавливают минимально допустимую высоту насыпи на данном участке, руководствуясь условиями водно-теплового режима, снегозаносимости и исключения упругих колебаний (см. п. 1.9);

- с учетом минимально допустимой высоты наносят красную линию, устанавливают расчетную высоту насыпи на различных поперечниках и намечают расчетные поперечники;

- определяют расчетом величину осадки на расчетных поперечниках;

- проверяют устойчивость основания на расчетных поперечниках;

- прогнозируют длительность завершения осадки;

- намечают варианты конструктивно-технологических решений, обеспечивающих в случае необходимости повышение устойчивости, ускорение осадки или снижение ее величины;

- выполняют расчеты по этим вариантам и выбирают оптимальный;

- дают рекомендации по наиболее рациональной технологии, механизации и организации работ;

- выполняют наблюдения в процессе строительства и (в случае необходимости) вносят коррективы в расчеты по фактическим данным с целью уточнения объемов земляных работ, режима возведения насыпи, сроков устройства дорожной одежды и т.д.

1.13. В целях оптимизации проектных решений и процесса инженерно-геологических изысканий последние необходимо стремиться организовать в тесной увязке с проектированием как единый комплексный процесс.

Состав работ при индивидуальном проектировании

1.14. В соответствии со СНиП 2.05.02-85 при проектировании земляного полотна на участках залегания слабых грунтов могут применяться индивидуальные решения, а также индивидуальная привязка типовых решений при соответствующих обоснованиях.

Индивидуальное проектирование земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах предусматривает:

1) назначение геометрических параметров насыпи с учетом обеспечения ее устойчивости и исключения недопустимых вертикальных деформаций по величине и интенсивности в случае полного или частичного сохранения слабых грунтов в основании;

2) назначение дополнительных мероприятий для обеспечения этих условий и принятие соответствующих технологических регламентов.

1.15. Для принятия решений по конструкции насыпи на слабом основании необходимо проведение инженерных изысканий по специальной программе, в процессе которого осуществляются:

- геотехническая оценка свойств грунтов слабой толщи;

- определение типа слабого основания по устойчивости;

- выделение расчетных поперечников по всему участку на слабом основании;

- уточнение выделенных в полевых условиях границ различных слоев слабой толщи по результатам лабораторного определения их (грунтов) состава и состояния;

- предварительное обоснование необходимости удаления или сохранения слабых грунтов в основании насыпи;

- прогноз осадки насыпи (конечной и во времени);

- выполнение расчета динамической устойчивости насыпи на торфяном основании;

- назначение дополнительных мероприятий для обеспечения устойчивости насыпи и ускорения ее осадки.

Обоснование проектных решений

1.16. Индивидуальное проектирование насыпей автомобильных дорог должно производиться на основании анализа данных инженерных изысканий, выполняемых по специальной программе. Одним из основных этапов инженерных изысканий являются инженерно-геологические изыскания, в результате которых должна была получена информация, необходимая для обоснования положения трассы, назначения конструкции земляного полотна, дополнительных мероприятий для обеспечения устойчивости насыпи и исключения недопустимой по величине и интенсивности осадки и для разработки технологических регламентов. При обосновании проектного решения и технологических регламентов необходимо учитывать реальные условия строительства (требуемые сроки и время года строительства, возможности обеспечения соответствующей техникой, опыт проведения тех или иных работ строительной организацией и др.).

Объем, состав и методы получения данных, необходимых для обоснования конструкции земляного полотна, так же, как и выбор методов расчетов, зависят от стадии проектирования (см. раздел 2).

1.17. Земляное полотно на участке залегания слабых грунтов проектируют в следующем порядке:

- определяют величину конечной осадки насыпи при использовании слабых грунтов в основании;

- проверяют устойчивость слабого основания;

- прогнозируют длительность завершения осадки насыпи;

- в случае необходимости намечают и рассчитывают варианты конструктивно-технологических решений, обеспечивающих повышение устойчивости, ускорение осадки или снижение ее величины;

- выбирают наиболее оптимальный вариант конструкции насыпей и вариант участка трассы на слабом основании;

- дают рекомендации по наиболее рациональной технологии, механизации и организации работ.

1.18. Для выбора конструкции земляного полотна проект должен содержать:

- материалы подробного инженерно-геологического обследования грунтовой толщи на участках залегания слабых грунтов, включая данные по: а) мощности и расположению их в плане, б) мощности слоев и значениям физико-механических характеристик грунтов, в) положению уровня грунтовых вод;

- исходные данные по проектируемой насыпи: а) высота и другие ее геометрические параметры, б) свойства грунтов, укладываемых в насыпь, в) расчетные условия движения транспорта;

- результаты инженерных расчетов, обосновывающие принятую конструкцию насыпи;

- указания по порядку сооружения запроектированной насыпи и осуществлению дополнительных мероприятий.

Окончательно конструкция земляного полотна на участках распространения слабых грунтов должна приниматься на основе технико-экономических расчетов альтернативных вариантов.

2. Особенности инженерно-геологических изысканий при проектировании автомобильных дорог на участках залегания слабых грунтов

2.1. За основу при формировании общего подхода к производству, составу и объему работ инженерных изысканий автомобильных дорог на слабых грунтах следует брать положения и рекомендации из нормативных документов: СНиП 2.05.02-85 и СНиП 11-02-96, а также Свода Правил СП 11-105-97.

2.2. Инженерно-геологические изыскания на участках слабых оснований должны выполняться по специальной программе, отраженной в техническом задании. Программа и техническое задание разрабатываются совместно проектной и изыскательской организациями. Материалы, полученные в результате изысканий, в общем случае должны обеспечивать возможность:

- количественной оценки устойчивости основания;

- прогноза величины и длительности осадки основания, обусловленной процессом консолидации.

В целом эти материалы должны позволять оценивать возможность и целесообразность использования слабой толщи в качестве основания насыпи.

В процессе выполнения изысканий программа может корректироваться проектной организацией по мере получения реальных данных.

В проектной документации необходимо предусматривать работы по геотехническому контролю поведения насыпей на участках слабых оснований в процессе строительства и после его окончания (в течение гарантийного срока).

2.3. В состав инженерно-геологических изысканий в рассматриваемых условиях могут входить следующие виды работ:

- сбор, анализ и обобщение материалов изысканий и исследований прошлых лет;

- получение и дешифрирование материалов аэрокосмических съемок;

- рекогносцировочное обследование, включая аэровизуальные и маршрутные наблюдения;

- проходка горных выработок;

- геофизические исследования территории;

- полевые исследования грунтов;

- гидрогеологические исследования;

- стационарные наблюдения;

- лабораторные исследования грунтов и воды;

- составление прогноза возможных изменений инженерно-геологических условий;

- камеральная обработка материалов;

- составление технического отчета (заключения).

2.4. При сборе, анализе и обобщении материалов изысканий прошлых лет особое внимание необходимо уделять изучению истории геологического развития территории в четвертичный период. Следует привлекать данные по районам-аналогам. Необходимо обобщать сведения о техногенном воздействии, вызывающем повышение уровня грунтовых вод и заболачивание территории строительства.

В процессе маршрутных наблюдений особое внимание следует уделять развитию отложений болотного, озерного, лагунного, аллювиально-старичного и смешанного генезиса.

Различные методы геофизических исследований должны использоваться в максимально большом объеме для исследования распространения и мощности слабых грунтов, а также рельефа поверхности подстилающих прочных грунтов.

Геофизические методы исследований рассмотрены в приложении 2(Б).

Стационарные наблюдения за изменением свойств слабых грунтов в процессе уплотнения под нагрузкой от веса насыпи организуются в случае их необходимости (при предварительном обосновании в программе работ).

Камеральная обработка материалов изысканий должна производиться как в период проведения полевых работ с целью своевременной корректировки методик исследований, так и в заключительный период с целью принятия решения о получении всей необходимой информации о толще слабых грунтов в основании проектируемой насыпи.

2.5. При проходке горных выработок следует применять наиболее легкую технику с повышенной проходимостью. Бурение скважин рекомендуется осуществлять малогабаритными, легко переносимыми буровыми установками с использованием при необходимости обсадных труб. Отбор проб слабых грунтов для лабораторного определения физических свойств следует производить вручную, к примеру, с помощью торфяного бура. Монолиты для лабораторных испытаний деформационных и прочностных свойств слабых грунтов следует отбирать специальными грунтоносами. Для сохранения природного сложения монолитов необходимо проходить шурфы и отбирать их в металлические обоймы с жесткими стенками.

Современные виды буровых станков, грунтоносов, основное оборудование и приборы для полевых и лабораторных испытаний слабых грунтов приведены в приложении 2(Б).

Для полевых исследований слабых грунтов основными видами испытаний следует рассматривать зондирование конусным наконечником и вращательный срез, как дополнительные к ним - штамповые и прессиометрические испытания.

2.6. Объемы перечисленных выше видов работ инженерно-геологических изысканий автомобильных дорог на участках слабых грунтов зависят от стадии проектирования.

Инженерно-геологические изыскания для стадии обоснования инвестиций

2.7. Сбор данных о наличии слабых грунтов, их особенностях, распространении и свойствах рекомендуется осуществлять на основе обобщения имеющихся материалов изысканий прошлых лет и с учетом опыта строительства в данном регионе. При этом используются данные аэрофотосъемки и космической съемки. При недостаточной информации о распространении, генезисе, мощности, составе, состоянии и свойствах грунтов, а также гидрогеологических и геоморфологических условиях исследуемой территории, рельефе поверхности минерального дна назначаются рекогносцировочные изыскания.

2.8. Основные виды работ, которые могут быть предусмотрены на этом этапе разработки проекта, следующие: инженерно-геологическая съемка на участках слабых грунтов, маршрутные наблюдения, геофизические исследования, выборочное зондировочное бурение скважин с отбором проб грунтов.

Масштабы инженерно-геологической съемки рекомендуются в пределах 1:10000 - 1:5000.

В качестве основных методов геофизических исследований рекомендуются электроразведка и сейсмоакустическое профилирование, георадиолокация.

Скважины следует бурить по сетке от 50 x 50 м в зависимости от размеров территории обследования и с учетом данных аэрофотосъемки на участках по 150 м в каждую сторону от оси трассы.

При проходке зондировочных скважин следует отбирать пробы грунтов через 0,5 - 1,0 м по глубине слабой толщи.

Бурению должно предшествовать статическое зондирование толщи.

Собираются материалы о гидрологическом режиме слабой толщи.

2.9. Состав и содержание отчета по результатам данного этапа изысканий должны соответствовать СП 11-105-97.

Кроме того, в отчете должна быть дана следующая информация, а также рекомендации и решения:

- данные о рельефе, геологии и гидрогеологии местности (в случае сложностей - локальных участков);

- параметры залегания и характеристики разновидностей слабых грунтов, включая показатели их физических свойств (определенных в полевых или в лабораторных условиях) и показатели механических свойств (определенных по классификационным таблицам);

- информация о подстилающих толщу грунтах;

- предварительное заключение о целесообразности или нецелесообразности проработки вариантов расположения трассы на участках распространения слабых грунтов;

- рекомендации по наиболее рациональному пересечению участков залегания слабых грунтов;

- характер возможных изменений состава и состояние свойств грунтов;

- тенденция изменения отдельных факторов инженерно-геологических условий;

- задачи дальнейшего изучения слабой толщи.

Инженерно-геологические изыскания для разработки инженерного проекта

2.10. В состав инженерно-геологических изысканий для разработки проекта входят все виды работ, перечисленные в п. 2.3.

Состав и объем изыскательских работ должен быть достаточным для выделения в плане и по глубине инженерно-геологических элементов по ГОСТ 20522-96 с определением нормативных и расчетных значений показателей свойств грунтов, в том числе прочностных и деформационных характеристик; для установления гидрогеологических параметров, показателей интенсивности развития геологических процессов, а также агрессивности подземных вод.

2.11. Масштабы инженерно-геологической съемки рекомендуются в пределах 1:10000 - 1:2000. При соответствующем обосновании в программе изысканий может быть выбран масштаб 1:1000 и менее.

2.12. Геофизические исследования слабой толщи должны дополнять ранее полученную информацию в процессе рекогносцировочного обследования с целью уточнения неоднородности ее строения, направления и скорости движения грунтовых вод, изменчивости характеристик физико-механических свойств слабых грунтов.

2.13. Бурение зондировочных скважин должно осуществляться на конкурирующих вариантах трассы, положение которых уточняется по результатам рекогносцировочного обследования территории строительства.

Следует отдавать предпочтение механическому бурению с непрерывным отбором образцов с ненарушенной (диаметром не менее 100 мм) и с нарушенной структурой. Расстояние между скважинами по оси трассы должно быть 25 - 50 м в зависимости от особенностей строения слабой толщи. Ширина полосы обследования должна быть не менее 200 м. Причем через 200 м поперечники считаются основными и на них следует проходить по 5 - 7 скважин, между ними поперечники считаются промежуточными и на них допустимо проходить по 3 скважины. Отбор проб грунта должен проводиться через 0,5 - 1,0 м, но не менее 3 проб из каждого характерного слоя. Бурение должно выполняться на полную мощность слабых грунтов с заглублением в подстилающие (прочные) грунты на 1,5 - 2,0 м.

2.14. Если обследуемая слабая толща имеет незначительную мощность или экономически нецелесообразно использование механических буровых станков, то закладываются шурфы. Шурфы копают на всех характерных местах рельефа. Их общее количество должно быть не менее 5 на 1 км трассы. Шурфы размером (1 x 1,5 x 2 м) закладывают на расстоянии 10 - 15 м от оси дороги. При необходимости для уточнения мест изменения почвенно-грунтовых условий между шурфами закладывают прикопки.

В гидрогеологические исследования должны быть включены опытно-фильтрационные работы в соответствии с ГОСТ 23278-78.

2.15. Наблюдения за изменениями свойств грунтов в процессе их предварительного уплотнения или (и) осуществления мелиоративных мероприятий должны проводиться в составе, объеме и методами работ в соответствии с СП 11-105-97 и обоснованными в программе инженерных изысканий.

Стационарные наблюдения, предусмотренные в техническом задании, следует выполнять в характерных местах и на специально оборудованных постах наблюдательной сети, часть из которых рекомендуется использовать для наблюдений в процессе строительства и после его завершения.

2.16. Состав и объем полевых исследований слабых грунтов на этой стадии изысканий должен обеспечить уточнение контуров распространения различных разновидностей слабых грунтов, мощности выделенных инженерно-геологических элементов, показателей физико-механических свойств грунтов.

Состав и объем лабораторных испытаний на этой стадии проектирования должен обеспечить:

- уточнение выделения групп, подгрупп, типов, видов и разновидностей грунтов в соответствии с общей и частными классификациями;

- определение нормативных и расчетных основных показателей свойств слабых грунтов;

- прогноз изменения состояния и свойств грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружения.

При этом следует руководствоваться рекомендациями СП 11-105-97.

2.17. В лаборатории необходимо определять следующие показатели состава и состояния слабых грунтов: влажность; содержание органических веществ (для некарбонатных пород - потери при прокаливании или зольность); степень разложения (для торфяных грунтов); пределы пластичности (для илов и глинистых грунтов); плотность частиц грунтов (выборочно); плотность грунта; ботанический состав (для торфяных грунтов); содержание СаСО3 (для карбонатных пород); параметры прочностных свойств, консолидационные характеристики и характеристики сжимаемости.

Соответствующие ГОСТы для определения показателей физико-механических свойств грунтов и особенности испытаний слабых грунтов отмечены в приложении 2(Б).

Показатели механических свойств слабых грунтов для ориентировочных прогнозов их возможных деформаций могут быть определены по классификационным таблицам приложения 11(Л).

2.18. По результатам второго этапа инженерно-геологических изысканий уточняют границы выделенных расчетных слоев, расчетные показатели свойств, делают вывод о целесообразности дальнейшей проработки вариантов конструкции насыпи с использованием слабой толщи в основании. Рекомендуется наиболее оптимальная конструкция насыпи на основе расчета ее устойчивости и хода осадки во времени. Намечаются (при необходимости) дополнительные мероприятия по обеспечению устойчивости и ускорению осадки насыпи.

Состав и содержание технического отчета по второму этапу обследования участков распространения слабых грунтов должны соответствовать СП 11-105-97 с учетом дополнений, перечисленных выше в настоящем пункте.

Инженерно-геологические изыскания для разработки рабочей документации

2.19. Инженерно-геологические изыскания для разработки рабочей документации назначаются для выявления возможности и целесообразности уточнения:

- проектных решений по конструкции насыпи;

- конструктивно-технологических мероприятий, назначенных для обеспечения устойчивости и исключения недопустимых деформаций слабого основания по величине и интенсивности;

- технологических регламентов строительства земляного полотна.

2.20. На стадии разработки рабочей документации может быть предусмотрено выполнение лабораторных испытаний для прогноза изменения механических свойств слабых грунтов с учетом новых условий работы грунта под нагрузкой от веса насыпи.

При необходимости уточняются толщина слоев слабых грунтов, параметры водоносных горизонтов, динамика геологических процессов, в том числе и за пределами полосы трассы.

2.21. Расстояния между выработками устанавливаются с учетом ранее пройденных выработок, но не менее 25 м между ними при высоте насыпи до 12 м и не менее 10 м при высоте насыпи более 12 м на каждом поперечнике, которые намечаются с расстоянием соответственно 100 или 50 м.

При этом монолиты должны отбираться с таким расчетом, чтобы их состав и состояние в возможно большей степени отвечали расчетным значениям влажности и плотности для выделенных расчетных слоев. Из каждого расчетного слоя должно быть отобрано не менее шести образцов для каждого вида компрессионно-консолидационных испытаний и не менее девяти для сдвиговых.

Глубина выработок должна назначаться ниже глубины сжимаемой зоны на 1 - 2 м, а при назначении свайной конструкции ниже глубины погружения конца свай на 5 м.

2.22. При проектировании уникальных дорожных объектов, а также при крайне неоднородном грунтовом массиве в программе изысканий могут быть предусмотрены специальные исследования специфических свойств грунтов и моделирование (математическое, физическое), в том числе и напряженно-деформированного состояния, с привлечением научных и специализированных организаций.

Состав и содержание технического отчета о результатах инженерно-геологических изысканий должны соответствовать СП 11-105-97 с учетом специфики индивидуального проектирования автомобильных дорог на слабых грунтах.

В связи с этим в заключении должны быть даны уточненные рекомендации и решения по:

- расположению трассы на участке;

- оптимальной конструкции насыпи;

- дополнительным конструктивно-технологическим мероприятиям и решениям по обеспечению устойчивости и ускорению осадки насыпи;

- технологическим регламентам (время до устройства дорожной одежды и режим отсыпки насыпи);

- технологии сооружения земляного полотна;

- стационарным наблюдениям в процессе строительства и эксплуатации за деформациями насыпи;

- организации научно-технического сопровождения.

Классификация слабых грунтов

2.23. В зависимости от состава, фациально-генетических и петрографических особенностей, а также состояния слабые грунты следует подразделять на:

- группы по содержанию органических веществ;

- виды по генетико-фациальным и петрографическим особенностям;

- подвиды по особенностям состава;

- разновидности по особенностям состояния (плотности и влажности).

Схема общей отраслевой классификации слабых грунтов для целей дорожного строительства приведена в табл. 2.1.

Количественные критерии для указанных классификационных показателей и единиц, их наименования приведены для основных видов слабых грунтов в указанной таблице.

В пределах разновидности физико-механические свойства каждого слабого грунта изменяются в относительно узких пределах, что позволяет использовать частные классификации и табличные данные для ориентировочной оценки расчетных значений показателей механических свойств грунтов, представленные в приложении 11 (Л).

Таблица 2.1

Общая классификация слабых грунтов

Группа по содержанию органических веществ	Вид по генетико-фациальным и петрографическим особенностям		Подвид по составу		Разновидность по состоянию
	Наименование	Определяющий признак	Наименование	Определяющий признак	Наименование	Определяющий признак (влажность, W, % или показатель текучести I_L)
1	2	3	4	5	6	7
Органические (П > 60%)	Торф малозольный	П >= 95%	Волокнистый	Ф > 75%	Сухой	W < 300%
					Маловлажный	300 - 600%
					Средней влажности	600 - 900%
	Торф средней зольности	95% > П >= 80%	Маловолокнистый	75% >= Ф >= 60%	Избыточно влажный	1200 - 2500%
	Торф высокозольный	80 > П > 60%	Неволокнистый	Ф < 60%
	Органосапропель	П > 60%			Маловлажный	W < 200%
					Средней влажности	200 - 500%
					Очень влажный	500 - 1000%
					Избыточно влажный	W > 1000%
Органоминеральные (10 <= П <= 60%)	Органоминеральный сапропель	60% >= П > 10%	-	-	Маловлажный	W < 150%
					Средней влажности	150 - 400%
					Очень влажный	400 - 900%
					Избыточно влажный	W > 900%
	Болотный мергель	10% <= П < 60%	-	-	Маловлажный	W < 100%
		СаСО3 > 25%			Средней влажности	100 - 300%
					Очень влажный	W > 300%
	Торфянистые грунты	30% < П < 60%	Супесь	1 <= I_p < 7	А	0,5 < I_L < 0,75
	Сильно заторфованные	20% < П < 30%	Суглинок	7 - 17	Б	0,75 - 1,0
					В	1,0 - 1,5
			Тощая глина	17 - 27	Г	1,5 - 2,0
	Заторфованный	10% < П <= 20%	Жирная глина	> 27	Д	2,0 - 2,5
					Е	2,5 - 3,0
					Ж	3,0 - 3,5
Минеральные (П <= 10%)	Ил морской	-	-	-	А	0,5 <= I_L < 0,75
	Ил озерный	-	-	-	Б	0,75 - 1,0
	Ил аллювиальный	Комплекс фациально-генетических и петрографических характеристик (П < 10%)	Супесь	1,0 <= I_L < 7,0	В	1,0 - 1,5
	Мокрый солончак	-	Суглинок	7,0 - 17	Г	1,5 - 2,0
					Д	2,0 - 2,5
					Е	2,5 - 3,0
	Переувлажненный глинистый грунт	-	Глина	> 17
					Ж	3,0 - 3,5
	Иольдиевая глина	-	-	-	А	W_отн < 1,0
					Б	1,0 <= W_отн < 1,5
					В	1,5 <= W_отн < 2,5

Примечания: 1. Для отделения болотного мергеля от органоминерального сапропеля необходимо определить содержание .

2. Наряду с указанным в гр. 3 определяющим признаком для установления вида слабого фунта используется комплекс данных по фациально-генетическим и петрографическим особенностям, устанавливаемым в процессе изысканий.

3. П - потери при прокаливании, %; Ф - степень волокнистости, %; - число пластичности; W - природная влажность, %; - показатель текучести; - относительная влажность; - влажность на границе текучести, %.

4. Степень волокнистости Ф вычисляется через степень разложения , определяемую с помощью микроскопа, по формуле: , %. При определении степени разложения весовым методом степень волокнистости Ф следует устанавливать по формулам

при ; при . При определении используется сито 0,25 мм.

Характеристики сжимаемости грунта

2.24. Характеристики сжимаемости слабых грунтов в лабораторных условиях определяют по результатам испытаний образцов с ненарушенной структурой в компрессионных приборах (т.е. в условиях одномерного сжатия).

Экспериментально определяется зависимость между приложенной нагрузкой и коэффициентом пористости грунта (), а также относительной деформацией (), модулем осадки (е) или деформации (Е).

В расчетных методах, рекомендуемых настоящим Пособием, в качестве показателя сжимаемости используется модуль осадки () и модуль деформации ().

2.25. Модуль общей деформации грунта связан с нагрузкой функциональной зависимостью

, (2)

где - сжимающая нагрузка;

- относительная деформация при этой нагрузке.

Относительная деформация, выраженная в промиллях, называется модулем осадки ()

, мм/м, (3)

где - деформация образца;

h - начальная высота образца.

Особенностью слабых грунтов является нелинейность зависимости модуля деформации и осадки от нагрузки.

2.26. Существенной особенностью характера сжимаемости грунтов природного сложения является наличие так называемой структурной прочности грунта на сжатие, природа которой предопределяется видом грунта, его исходным состоянием и структурой. В связи с этим для прогноза осадки слабых грунтов, кроме перечисленных выше деформационных характеристик, необходимо определять величину структурной прочности сжатия (). Эта величина определяется путем построения компрессионной кривой вида . Точка явного перелома компрессионной кривой после начального прямолинейного участка соответствует структурной прочности грунта на сжатие.

2.27. В общем случае могут быть выявлены три вида начальных участков компрессионной кривой вида :

1 - горизонтальный, 2 - слабо наклонный и 3 - резко наклонный к оси .

В первом случае определяется по стандартной методике, изложенной в ГОСТ 12248-96. При наличии в слабом основании может быть выделена активная зона, в которой будет иметь место уплотнение грунта, и пассивная, в которой грунт не будет уплотняться. В активной зоне нагрузка, действующая на грунт, превышает , в пассивной зоне она меньше .

В третьем случае структурная прочность на сжатие для данного грунта отсутствует.

Во втором случае величина может быть также определена по точке перелома кривой вида , хотя и не так явно выраженной. В связи с последним разделение слоя слабого грунта на активную и пассивную зону следует проводить в соответствии с указаниями, изложенными в пп. 3.20-3.24.

2.28. Основные положения методики расчета конечной осадки слабых грунтов в основании насыпи с использованием перечисленных выше характеристик сжимаемости даны в пп. 3.40-3.45.

Характеристики уплотняемости грунта во времени

2.29. На характер осадки и скорость ее прохождения влияют: исходное состояние грунта, его фильтрационные и деформационные свойства, а также величина уплотняющей нагрузки на грунт и режим ее приложения. Поэтому при индивидуальном проектировании насыпей на слабом основании в каждом конкретном случае на расчетных поперечниках должны быть проанализированы условия статического уплотнения расчетных слоев слабой толщи и выделена активная зона. В активной зоне должны быть выделены части, в которых будут созданы условия для отжатия поровой воды (живая фильтрационная часть), и части, где они не будут иметь место (мертвая фильтрационная часть). Методика испытаний грунтов на консолидацию и выбор метода прогноза осадки во времени зависят от того, в какой из указанных частей находится грунт (см. пп. 3.46-3.56).

2.30. В качестве критерия создания условий, при которых может начаться механическое отжатие поровой воды, для торфяных и полностью водонасыщенных глинистых грунтов может служить начальный градиент фильтрационной консолидации (). Этот комплексный параметр является функцией физических свойств грунта, структурной прочности на сжатие, начального градиента фильтрации и избыточного порового давления в воде.

2.31. Метод определения нагрузки (), при которой обеспечивается возникновение , заключается в проведении консолидационных испытаний идентичных образцов с различными условиями дренирования под разными уплотняющими нагрузками. Нагрузка (), начиная с которой кривые консолидации образцов вида с разными путями фильтрации расходятся, и будет искомой. Методика ее определения приведена в приложении 2(Б).

Полученная нагрузка () сравнивается с действующей нагрузкой от насыпи () на расчетных горизонтах в основании. Если , но , то осадка грунта будет происходить без отжатия воды, т.е. грунт будет уплотняться в условиях закрытой системы. Если и , то будет наблюдаться фильтрационная консолидация, т.е. осадка пойдет в условиях открытой системы. При этом исключается необходимость определения начального градиента фильтрации, так как это свойство грунта учитывается автоматически в опыте на консолидацию.

2.32. Одномерная консолидация слабых грунтов изучается в условиях компрессионного опыта. Методика проведения консолидационных испытаний грунтов гостирована (ГОСТ 12248-96). Некоторые ее дополнения, учитывающие специфику поведения слабых грунтов, изложены в приложении 2(Б). В результате обработки испытаний строится консолидационная кривая грунта в виде или и .

Удобнее всего для практических целей пользоваться кривой консолидации, построенной в полулогарифмическом масштабе.

2.33. В общем случае консолидационная кривая вида может состоять из 4-х участков после условно-мгновенной осадки: первый участок отражает дофильтрационную консолидацию; второй участок (криволинейный) отражает первичную фильтрационную консолидацию; третий участок (криволинейный) отражает вторичную фильтрационную консолидацию; четвертый участок (прямолинейный) отражает консолидацию объемной ползучести.

На первом этапе консолидации скорость осадки слабого грунта не связана с возникновением избыточного давления в поровой воде и только при определенном соотношении свойств грунта и величины уплотняющей нагрузки создаются условия для механического отжатия свободной поровой воды, в которой возникает поровое давление.

На втором этапе консолидации на скорость осадки слабого грунта, главным образом, оказывает влияние скорость фильтрации отжимаемой свободной воды, движение которой подчиняется закону Дарси.

На третьем этапе консолидации на скорость осадки слабого грунта существенное влияние оказывает вязкопластическое выжимание связанной воды, движение которой к дренирующей поверхности не подчиняется закону Дарси.

На четвертом этапе консолидации скорость осадки слабого грунта предопределяется вязкопластическим сдвигом частиц (или агрегатов), т.е. вязкой объемной ползучестью. При этом может иметь место весьма незначительное местное выдавливание рыхло-связанной воды на поверхности грунта, не представляющее собой такого процесса, который бы существенно влиял на интенсивность уплотнения и который необходимо учитывать при прогнозе осадки.

Указанные этапы консолидации выражаются на кривой консолидации соответствующими участками, которые выделяются по геометрическому признаку. Способы выделения последних описаны в приложении 2(Б).

2.34. В зависимости от структуры грунта, его начальной влажности и плотности, физико-механических свойств, величины и режима приложения нагрузки, условий дренирования и градиента напора процесс консолидации его (грунта) может состоять из меньшего количества этапов (два или три) и в различном их сочетании.

Для органических и органоминеральных грунтов, неволокнистых и маловолокнистых, выше средней влажности характерна кривая консолидации вида , состоящая из двух участков, отражающих первичную фильтрационную консолидацию и консолидацию объемной ползучести.

Для органических и органоминеральных грунтов, неволокнистых и маловолокнистых, сухих и маловлажных, полностью водонасыщенных характерна кривая консолидации, состоящая из трех участков, отражающих первичную и вторичную фильтрационную консолидацию и консолидацию ползучести. При неполном водонасыщении грунта - из четырех участков.

Для органических и органоминеральных грунтов, волокнистых при любой степени водонасыщения, характерна кривая консолидации, состоящая из трех участков, отражающих дофильтрационную консолидацию, фильтрационную консолидацию и консолидацию объемной ползучести.

Для минеральных грунтов текучей и текучепластичной консистенции характерна кривая консолидации, состоящая из трех участков, отражающих первичную и вторичную фильтрационную консолидацию и консолидацию объемной ползучести.

Для минеральных грунтов мягкопластичной консистенции характерна кривая консолидации, состоящая из двух участков, отражающих вторичную фильтрационную консолидацию и консолидацию объемной ползучести.

Характерные консолидационные кривые для различных видов слабых грунтов представлены в приложении 2(Б).

2.35. На первом этапе консолидации консолидационным параметром является угловой коэффициент первого прямолинейного участка в логарифмическом цикле к оси времени (). На втором этапе консолидации консолидационными параметрами являются коэффициент консолидации () или консолидационный параметр (), определяющий условия перехода от данных лабораторных испытаний к натуре. На третьем этапе консолидации консолидационным параметром является коэффициент консолидации () или показатель степени консолидации (n), также определяющий переход к натуре. На четвертом этапе консолидации консолидационным параметром является угловой коэффициент последнего прямолинейного участка в логарифмическом цикле к оси времени ().

Более детально перечисленные консолидационные характеристики рассмотрены в приложении 2(Б).

Характеристики прочности слабых грунтов

2.36. Основной особенностью работы слабого грунта на сдвиг в основании насыпи является их работа в течение длительного времени в условиях незавершившейся консолидации.

Гостированные методы испытаний на сдвиг предполагают, что для учета неконсолидированного состояния при расчетах будет известна величина порового давления. Наличие у слабых грунтов различных участков кривой консолидации и трудности с определением и контролем порового давления в натуре свидетельствует о том, что для целей проектирования земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах тестированные методы сдвиговых испытаний не дают возможности прогнозировать сопротивляемость сдвигу на всех участках. Поэтому рекомендуется использовать метод "плотности-влажности". Метод позволяет определять сдвиговые характеристики как при исходной (или заданной) структуре и исходной (или заданной) плотности-влажности, так и на любой стадии консолидации.

2.37. Основное уравнение сопротивляемости грунта сдвигу в этом методе имеет вид трехчлена:

, (4)

где - угол внутреннего трения грунта при влажности W в момент сдвига;

- структурно не восстанавливающаяся часть общего сцепления;

- восстанавливающаяся часть общего сцепления, обусловленная коллоидными связями, при влажности W в момент сдвига;

р - нормальное напряжение при сдвиге.

2.38. Для практических целей при любых значениях используют уравнение в виде двучлена:

, (5)

где - общая (полная) величина структурного сцепления грунта при влажности грунта W.

Методика проведения сдвиговых испытаний слабых грунтов по методу "плотности-влажности" на приборах прямого сдвига изложена в приложении 2(Б).

Типы слабой толщи по условиям залегания

2.39. Характер поведения слабого грунта в основании насыпи зависит не только от свойств слабого грунта, но и от условий его залегания. Последние характеризуются особенностями строения слабой толщи.

При оценке особенностей строения слабой толщи следует учитывать:

- мощность слабой толщи, от которой зависит: характер напряжений от сооружения по глубине, конечная осадка и ее длительность, а также степень устойчивости основания;

- наличие и характер слоистости слабой толщи (различные по физико-механическим свойствам слабые грунты в пределах толщи, переслаивание с прочными грунтами, выдержанность отдельных слоев по мощности и т.п.);

- условия отжатия воды из толщи при ее уплотнении (условия дренирования), от которых зависит длительность осадки;

- очертание кровли пород, подстилающих слабую толщу, от которого может зависеть устойчивость основания и равномерность осадки;

- расположение слабой толщи (наличие перекрывающих прочных грунтов), от которого зависит степень устойчивости основания, величина осадки и ее длительность;

- положение уровня грунтовых вод для учета взвешивания грунта.

По особенностям строения (стратиграфии) слабые толщи следует классифицировать в соответствии с табл. 2.2.

Таблица 2.2

Классификация слабой толщи по строению

Тип толщи	Характеристика толщи	Подтип толщи (по условиям отжатия из нее воды под нагрузкой)	Вид толщи (по общей мощности)	Разновидность (по наличию перекрывающего слоя)
I	Выдержанная по мощности, однослойная	А.	а. Маломощная	1. Свободная
		С односторонним дренированием		2. Погребенная
			б. Большой мощности
		Б.
II	Выдержанная по мощности слоев, многослойная	С двухсторонним дренированием
		В. Со сложным дренированием
III	Не выдержанная по мощности, однослойная	-
IV	Не выдержанная по мощности, многослойная

Примечания: 1. Выдержанной по мощности следует называть слабую толщу, мощность которой в пределах поперечника земляного полотна меняется не более чем на 10%. В противном случае толща называется невыдержанной по мощности.

2. Однослойной называется толща, сложенная слабым грунтом одного подвида (одного наименования).

3. При наличии не дренирующих подстилающих грунтов дренирование толщи считается односторонним, при наличии дренирующих подстилающих грунтов - двусторонним, а при наличии в пределах толщи дренирующих прослоек - сложным.

4. Маломощной называется слабая толща, мощность которой не превышает полуширины насыпи по подошве.

2.40. Торфяные болота по стратиграфическим особенностям допускается классифицировать укрупненно в соответствии с табл. 2.3.

Таблица 2.3

Укрупненная классификация болот по стратиграфическим особенностям

Стратиграфический		Характеристика
тип	подтип
1	а	Болота, заполненные торфом, перекрытым сверху слоем минерального грунта
	б	Болота, сплошь заполненные торфом
2	а	Болота, включающие слой торфа, подстилаемый слоем сапропеля, мергеля или ила и перекрытый сверху слоем минерального грунта
	б	Болота, включающие слой торфа, подстилаемый слоем сапропеля, мергеля или ила
3	-	Болота с торфяным слоем, плавающим на поверхности воды (сплавинные болота)

3. Оценка устойчивости и прогноз осадки насыпи на слабом основании

Анализ условий залегания и работы слабых грунтов в основании насыпи

3.1. На основе данных инженерно-геологических изысканий в толще предварительно выделяют расчетные слои с учетом предварительно выделенных литологически однородных слоев по показателям их состояния и свойств, установленных по результатам полевых испытаний или по классификационным таблицам.

3.2. При этом за однородный принимается такой слой, в пределах которого значения основных классификационных показателей для той или иной разновидности грунта не выходят за пределы диапазона их величин в соответствующих таблицах и не менее 90% их значений укладывается в этом диапазоне. Выделение однородного слоя удобно проводить с помощью графика рассеяния значений показателей состава, состояния или свойств грунта. Методика выделения расчетных слоев изложена в приложении 3(В).

3.3. Определяется высота насыпи (на участках залегания слабых грунтов), руководствуясь отметками продольного профиля.

3.4. Назначают способ определения показателей механических свойств слабых грунтов в зависимости от категории дороги, сроков строительства, стадии проектирования. При этом используют:

- табличные и справочные данные на 1-м этапе изысканий;

- данные полевых испытаний на 2-м этапе изысканий;

- данные лабораторных испытаний на 3-м этапе изысканий.

3.5. С учетом установленных однородных слоев, анализа состава, состояния и свойств слабых грунтов, высоты насыпи выделяются наиболее характерные расчетные участки по трассе дороги и расчетные поперечники на них с наихудшими условиями работы слабых грунтов (максимальная высота насыпи, максимальная мощность слабого основания, наиболее слабые грунты, максимальное удаление от водопроницаемых слоев и др.).

Оценка напряженно-деформированного состояния грунтов в основании

3.6. При прогнозе устойчивости и осадки слабого грунта в основании насыпи необходимо определять напряжения, которые будут возникать в грунте под нагрузкой от веса насыпи, собственного веса грунта (статические нагрузки) и от подвижного состава (динамические нагрузки).

3.7. Для определения напряженного состояния основания насыпи используются решения плоской задачи теории линейно-деформированного однородного полупространства, загруженного с поверхности нагрузкой, распределенной по тому или иному закону. В качестве базовой схемы используется трапециевидная нагрузка. Для прогноза конечной величины и хода осадки во времени используют схему одномерного компрессионного сжатия.

3.8. Напряжение от собственного веса грунта при его горизонтальной поверхности в однородной толще рассчитывается по формуле

, (6)

где - компоненты нормального напряжения;

- удельный вес грунта основания;

- расчетный горизонт.

В неоднородной толще нормальные напряжения от собственного веса грунта определяют по формуле

, (7)

где и - удельный вес и мощность слоя грунта i-го слоя.

Для грунтов, находящихся ниже уровня грунтовых вод, следует учитывать силы взвешивания используя формулу

, (8)

где - удельный вес грунта с учетом взвешивания;

- удельный вес воды, равный 10 .

3.9. Компоненты напряжений в точках основания от трапецеидальной нагрузки насыпи рассчитываются в соответствии со схемой (рис. 3.1).

Главные нормальные и касательные напряжения рассчитываются по формулам теории упругости (для механики грунтов)

, (9)

, (10)

, (11)

где

; ;

; ;

; ;

.

Для практических расчетов компонент напряжений в любой точке грунтового массива под нагрузкой, распределенной по тому или иному закону, могут быть использованы программы, таблицы и графики, составленные на основе этих зависимостей.

3.10. Для низких насыпей, а также при расчете пригрузочных берм допускается расчет напряжений от равномерно распределенной полосовой нагрузки по формуле , где - коэффициент, определяемый по табл. 3.1.

3.11. Влияние на напряженно-деформированное состояние грунтов в основании транспортной нагрузки должно учитываться:

1) в виде дополнительной статической нагрузки;

2) в виде динамического воздействия.

Влиянием подвижной нагрузки (в статическом смысле) на уплотнение слабого грунта можно пренебречь при высоте насыпи более 3 м.

Исключение влияния подвижной нагрузки (в статическом смысле) на устойчивость слабого грунта следует предусматривать в период строительства. С этой целью необходимо, чтобы первый насыпной слой был толщиной не менее 0,75 - 1,0 м. В связи с этим при строительстве насыпей на слабых грунтах необходимо предусматривать устройство рабочей платформы не менее указанной толщины.

Таблица 3.1

Значения в случае действия равномерно распределенной нагрузки в условиях плоской задачи

Z ---- 2b ср	x Значения ---- 2b ср
	0	0,25	0,5	1	1,5	2
	К 1
0,00	1,00	1,00	1,00	0,00	0,00	0,00
0,25	0,96	0,90	0,50	0,02	0,00	0,00
0,50	0,82	0,74	0,48	0,08	0,02	0,00
0,75	0,67	0,61	0,45	0,15	0,04	0,02
1,00	0,55	0,51	0,41	0,19	0,07	0,03
1,25	0,46	0,44	0,37	0,20	0,10	0,04
1,50	0,40	0,38	0,33	0,21	0,13	0,07
1,75	0,35	0,34	0,30	0,20	0,14	0,08
2,00	0,31	0,31	0,28	0,17	0,13	0,10
3,00	0,21	0,21	0,20	0,14	0,12	0,10
4,00	0,16	0,16	0,15	0,12	0,11	0,09
5,00	0,13	0,13	0,12	0,10	0,10	0,00
6,00	0,11	0,10	0,10	0,00	0,00	0,00

Примечание. - ширина трапецеидальной эпюры нагрузки по средней линии; Z и х - координаты точки (см. рис. 3.1). Здесь и далее в тексте х - координата по горизонтальной оси.

3.12. При несоблюдении условий п. 3.11 для учета влияния подвижной нагрузки (в статическом смысле) при расчетах конструкции насыпи вводится величина условной расчетной высоты насыпи ().

Условная расчетная высота насыпи определяется по формуле

, (12)

где - дополнительная толщина насыпного слоя, заменяющая воздействие подвижной нагрузки.

Величина рассчитывается по формуле

, (13)

где - удельная нагрузка на поверхности проезжей части от колеса расчетного автомобиля (или гусеницы при расчете на гусеничные машины);

- коэффициент приведения подвижной нагрузки к эквивалентной статической;

- средневзвешенный удельный вес грунта насыпи.

3.13. Величина в расчетах осадки устанавливается по формуле

, (14)

а в расчетах устойчивости слабого основания - по формулам:

при , (15)

при , (16)

где D - диаметр отпечатка колеса или ширины гусеницы;

n - показатель, равный для колесной нагрузки - 1; для гусеничной нагрузки - 2.

3.14. При проектировании насыпи на торфяном основании в дополнение к вышеизложенным расчетам следует назначать высоту насыпи с учетом динамического воздействия транспорта.

Допустимую минимальную толщину насыпного слоя для исключения недопустимых упругих колебаний дорожной конструкции следует назначать по табл. 3.2.

Таблица 3.2

Минимальная высота насыпи (м) на торфяных грунтах в зависимости от типа дорожной одежды

Мощность слабого основания, м	Тип дорожной одежды
	капитальный	облегченный	переходный
1	2,0	1,5	1,2
2	2,5	2,0	1,5
4	3,0	2,5	2,0
6	3,0	3,0	2,5

Примечания: 1. Для промежуточных значений начальной мощности сжимаемого слоя требуемая толщина устанавливается линейной интерполяцией.

2. Толщина насыпи в данном случае определяется разностью отметок поверхности проезжей части и просевшей подошвы насыпи по оси земляного полотна. При наличии погребенного слоя торфа (слоя, перекрытого сверху слоем песчаного или глинистого грунта) толщина перекрывающего слоя включается в толщину насыпи. Допускается для конструктивных слоев, обладающих прочностью на растяжение, учитывать эквивалентную толщину.

3.15. Для насыпей на торфяном основании, толщина которых по другим расчетам получается менее допустимых значений, приведенных в табл. 3.2, параметры дорожной конструкции следует назначать, исходя из динамического расчета, для проверки допустимости ускорений колебаний земляного полотна по условиям прочности покрытия. Методика динамического расчета земляного полотна на торфяных грунтах изложена в приложении 1(А).

Построение геотехнической модели насыпи на слабом основании

3.16. Результаты анализа и обобщения данных инженерно-геологических изысканий, выполненных на участке залегания слабых грунтов, отображаются в виде схемы расчетного поперечника.

На схеме должны быть даны:

- поперечный разрез насыпи с предварительно запроектированными геометрическими размерами, исходя из продольного профиля рассматриваемого варианта трассы и намеченных параметров поперечного профиля (высота, ширина поверху, крутизна откосов), и данными о расчетных значениях физико-механических свойств грунта насыпи;

- инженерно-геологический разрез основания насыпи на поперечнике с информацией о мощности выделенных однородных слоев, расчетном уровне поверхностных и подземных вод, расчетных значениях физико-механических свойств грунтов выделенных слоев.

3.17. На основе схемы расчетного поперечника осуществляется построение геотехнической расчетной модели, системы "насыпь-основание" с использованием соответствующих расчетных схем, принимаемых для того или иного геотехнического прогноза, и отражающей данные, необходимые для прогноза напряженно-деформированного состояния основания насыпи.

3.18. Для расчета устойчивости основания в качестве базовой принимается расчетная схема в виде слоистого полупространства ограниченной мощности, загруженного с поверхности вертикальной нагрузкой, распределенной по закону равнобочной трапеции (рис. 3.1). При этом распределение напряжений в толще принимается как в однородном полупространстве.

При сложном поперечном профиле насыпи эпюра нагрузки составляется из прямоугольных и треугольных элементов.

3.19. Для прогноза конечной величины осадки расчетная схема принимается в виде слоистого массива, ограниченного снизу границей активной зоны сжатия, загруженного с поверхности нагрузкой, распределенной по закону равнобочной трапеции. Распределение сжимающих напряжений по глубине основания принимается как в однородном полупространстве. При этом расчет выполняется для осевого створа поперечника насыпи на основе схемы (одномерного компрессионного сжатия) (рис. 3.2.)

Для прогноза хода осадки во времени используется расчетная схема в виде сжимаемого однородного слоя ограниченной мощности с учетом реальных условий отжатия воды (дренирование), загруженного равномерно распределенной нагрузкой, соответствующей весу насыпи, в условиях компрессионного сжатия (рис. 3.2.).

3.20. При построении геотехнической модели для прогноза осадки и консолидации важным элементом является назначение расчетной мощности активной сжимаемой зоны, существенно влияющей на результаты прогноза.

Величина активной зоны сжатия устанавливается в каждом конкретном случае с учетом фактической мощности слабых грунтов, их расположения и условий работы. В качестве нижней границы активной зоны сжатия в соответствии со СНиП 2.05.02-85 принимаются:

- кровля прочного и малосжимаемого грунта, расположенная на глубине, не превышающей половины ширины насыпи понизу;

- горизонт, на котором вертикальные нормальные напряжения от внешней нагрузки не превышают 20% от напряжений от собственного веса грунта основания.

3.21. При наличии данных непосредственных компрессионных испытаний грунтов слабой толщи величина активной зоны может уточняться.

Уточнение с учетом реальной точности компрессионных испытаний выполняется графико-аналитическим методом, заключающимся в следующем.

Строится осредненная компрессионная кривая для выделенных слоев слабой толщи до глубины , равной полуширине насыпи понизу, но не менее 15 м. Определяется расчетная нагрузка для середины этой зоны (). Рассчитывается ориентировочно величина конечной осадки () в пределах указанной выше толщины. Назначается допустимая погрешность осадки, к примеру 5% от конечной величины, т.е. . Затем устанавливается относительная ее величина по формуле

. (17)

На компрессионной кривой вида при находится такой ее участок, на котором при незначительном приращении нагрузки () величина приращения относительной деформации () не превышает , т.е. . Нагрузка , при которой соблюдается это условие, будет соответствовать напряжению, возникающему на нижней границе активной зоны сжатия. Далее по эпюре распределения () по глубине толщи находят горизонт, отвечающий условию . Его расстояние от подошвы насыпи определит активную зону .

3.22. При наличии у грунта структурной прочности на сжатие вносят коррективы в установление активной зоны сжатия.

В этом случае за нижнюю границу активной зоны сжатия принимают горизонт, на котором вертикальное нормальное напряжение от внешней нагрузки () не превышает структурной прочности грунта на сжатие (), т.е. соблюдается условие .

Часть толщи выше горизонта считается активной зоной, часть толщи ниже горизонта - пассивной, в которой не произойдет существенного статического уплотнения слабого грунта под нагрузкой от веса насыпи.

3.23. При неоднородной толще, а также при переменности величины структурной прочности на сжатие и при наличии условий для работы в открытой и закрытой системе, глубину активной зоны следует устанавливать графическим способом.

При этом путем сравнения действующего вертикального нормального напряжения () в середине слоя с нагрузкой механического отжатия поровой воды () выделяют слои, работающие в открытой системе () или в условиях закрытой системы ().

3.24. Для слоев, работающих в условиях открытой системы в активной зоне, оценивают условия их дренирования, т.е. путь фильтрации отжимаемой поровой воды.

Возможны следующие варианты создаваемых условий фильтрации воды из слоя в зависимости от его расположения по отношению к дренирующему слою:

1) слой грунта расположен между пассивной зоной и дренирующим слоем. Путь фильтрации равен мощности слоя, вода отжимается вверх;

2) слой грунта расположен между дренирующими слоями или между дренирующим слоем и водопроницаемым основанием. Путь фильтрации равен половине мощности слоя, вода отжимается вверх и вниз;

3) слой расположен между дренирующим слоем и водонепроницаемым основанием. Путь фильтрации равен мощности слоя, вода отжимается вверх;

4) слой расположен между недренирующими слоями. Путь фильтрации равен полуширине насыпи по подошве, вода отжимается в стороны.

В результате уточняется "расчетная схема основания насыпи", используемая для прогноза осадки и консолидации (рис. 3.2).

3.25. На базе геотехнических моделей насыпи на слабом основании для расчетных поперечников на участке дороги на слабых грунтах для обоснования проектного решения по конструкции насыпи выполняются расчеты:

1) конечной осадки всех слоев основания в пределах активной зоны;

2) устойчивости насыпи на слабой толще;

3) интенсивности прохождения осадки основания насыпи.

За расчетный при прогнозе осадки во времени принимается слой с наиболее невыгодными условиями для его консолидации, к которым относятся:

- наибольшая влажность грунта;

- наибольшая уплотняющая нагрузка;

- наибольший путь фильтрации отжимаемой поровой воды;

- наибольшая конечная осадка.

Оценка устойчивости основания насыпи

3.26. Оценка устойчивости основания выполняется с целью определения возможности бокового выпирания слабого грунта основания под воздействием нагрузки от веса насыпи.

В зависимости от результатов оценки устойчивость основания в его природном состоянии относят к одному из трех типов:

I - основания, не требующие специальных мер по обеспечению устойчивости;

II - основания, для обеспечения устойчивости которых достаточно ограничить режим отсыпки насыпи;

III - основания, требующие применения специальных мероприятий для обеспечения их устойчивости (исключение бокового выпирания слабых грунтов).

3.27. Возможность обеспечения устойчивости оснований II типа обусловлена способностью слабых грунтов уплотняться и упрочняться по мере постепенной передачи на них нагрузки и прохождения процесса консолидации. В связи с этим в общем случае оценка устойчивости основания должна выполняться для двух состояний:

- для условий быстрой отсыпки насыпи (условно мгновенной), при которой грунт основания не успевает консолидироваться и повысить свою природную прочность;

- для условий медленной отсыпки насыпи, при которой передача нагрузки осуществляется по мере увеличения прочности грунта в результате его консолидации под предыдущей ступенью нагрузки.

3.28. Первоначальная оценка устойчивости основания предусматривает проверку условия прочности в наиболее опасной по напряженным состояниям точке основания. Условие достаточной устойчивости определяется выражением

, (18)

где - коэффициент безопасности;

- безопасная нагрузка, отвечающая предельной величине внешней нагрузки на основание, вызывающей возникновение предельного состояния по сдвигу в наиболее опасной точке основания;

- расчетная величина внешней нагрузки, определяемая для насыпи трапецеидальной формы по п. 3.35.

3.29. Безопасная нагрузка зависит от интенсивности передачи нагрузки, в связи с чем для определения типа основания по результатам оценки устойчивости необходимо в общем случае определить коэффициент безопасности для условий быстрой отсыпки насыпи () и для условий медленной отсыпки ().

3.30. Безопасная нагрузка для условий быстрой отсыпки насыпи определяется по формуле

, (19)

где и - сцепление и угол внутреннего трения грунта слабой толщи при его природной плотности-влажности;

- средневзвешенный удельный вес грунта слабой толщи (в необходимых случаях с учетом взвешивания), расположенной выше горизонта Z;

Z - глубина рассматриваемого горизонта от поверхности земли;

- для трапецеидальной эпюры нагрузки функция , формы эпюры нагрузки и относительной глубины , устанавливаемая по графикам приложения 3(В).

3.31. В случае, если соблюдается условие

, (20)

основание относят к I типу по устойчивости и никаких дополнительных проверок устойчивости не проводят.

В случае, если , для отнесения ко II или III типу определяют безопасную нагрузку при медленной отсыпке насыпи по выражению

, (21)

где с' и - условные сцепление и угол внутреннего трения, получаемые при консолидированно-дренированных испытаниях на сдвиг;

- та же функция, что и при расчете на быструю отсыпку, но принимаемая в зависимости от .

3.32. Далее вычисляют коэффициент безопасности при медленной отсыпке насыпи

. (22)

В случае, если , основание должно быть отнесено к III типу. При одновременном соблюдении условий и основание относят ко II типу.

3.33. Для оснований II и III типов рекомендуется проводить дополнительную количественную оценку устойчивости, используя расчеты по схеме круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

3.34. При сложном поперечном профиле насыпи оценку устойчивости основания по напряженному состоянию следует проводить, используя специальные программы для ЭВМ. Программы предусматривают оценку условия прочности в различных точках основания, для чего используют коэффициент стабильности

, (23)

где и - значения главных напряжений в рассматриваемой точке от внешней нагрузки.

Значения могут быть определены как для природного состояния плотности-влажности грунта , так и для любого момента консолидации, включая момент стабилизации .

По результатам определения строят изолинии равных величин и определяют размеры зон, в которых .

При отсутствии этих зон основание относят к I типу. При наличии зон с , оценивают их размеры и проводят расчеты устойчивости по схеме круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

3.35. Расчетная нагрузка от насыпи трапецеидальной формы определяется по формуле

, (24)

где - удельный вес грунта насыпи;

- конечная осадка насыпи (см. пп. 3.40 - 3.45);

- расчетная высота насыпи.

3.36. В зависимости от полученного коэффициента безопасности определяется: тип основания по степени устойчивости и необходимость дополнительных мероприятий для обеспечения устойчивости основания (табл. 3.3).

Таблица 3.3

Тип основания по коэффициенту безопасности

Тип основания	Определяющий признак	Характеристика степени Устойчивости	Преобладающие деформации грунта наиболее опасного слоя	Возможность использования слабой толщи в качестве основания
1	2	3	4	5
I	К(нач)_без >=	Устойчивость обеспечена при любой скорости отсыпки насыпи	Сжатие	Можно использовать в качестве основания
II	К(нач)_без < 1	Устойчивость при быстрой отсыпке не обеспечена, но обеспечена при медленной отсыпке	При быстрой отсыпке - сдвиг (выдавливание), при медленной отсыпке - сжатие	Можно использовать в качестве основания при медленной отсыпке насыпи
	К(нач)_без >= 1
III	К(нач)_без < 1	Устойчивость не обеспечена ни при каких режимах отсыпки	Сдвиг (выдавливание)	Без конструктивных мероприятий в качестве основания использовать нельзя. Нужно удалить слабый слой или изменить конструкцию насыпи

Примечания. 1. Требуемый (допустимый) режим отсыпки при II типе основания устанавливается специальным расчетом.

2. При приближенном определении типа основания на основе табличных данных или данных полевых испытаний на первой стадии проектирования тип II делится на два подтипа II-А и II-Б. К подтипу II-Б основание следует относить при , а при основание следует относить к III типу. Основание подтипа II-Б после уточнения расчета с использованием лабораторных данных по характеристикам сдвига и компрессии окончательно относят либо к типу II, либо к типу III.

Для глинистых грунтов с углом внутреннего трения < 5 - 7° для оценки устойчивости можно использовать упрощенные зависимости, полагая .

В частности, ориентировочно устойчивость слабого основания, применительно ко всей толще основания в случае его однородного строения , и равномерно распределенной нагрузки коэффициент безопасности может быть рассчитан по формуле

. (25)

3.37. Количественными показателями и критериями устойчивости системы "основание-насыпь" при использовании в расчетах схемы круглоцилиндрических поверхностей скольжения служат, соответственно, коэффициент устойчивости () и требуемый коэффициент устойчивости () для данного сооружения.

3.38. Требуемый коэффициент устойчивости следует определять по формуле

, (26)

где - коэффициент надежности по назначению сооружения (см. СНиП 2.02.01-83);

- коэффициент сочетания нагрузок ();

- коэффициент перегрузки (для насыпей );

- коэффициент условий работы, учитывающий особенности расчетных схем и методов расчета, принимаемый равным при прогнозе на слабых основаниях - 0,85.

3.39. Примеры оценки прочности и несущей способности слабых грунтов по перечисленным выше способам и формулам приведены в приложении 5(Д).

Прогноз конечной осадки основания насыпи

3.40. При обеспеченной прочности слабых грунтов в основании насыпи и устойчивости самой насыпи осадка обуславливается их сжатием (статическим уплотнением).

Осадка слабой толщи растянута во времени, поэтому при прогнозировании осадки решаются две задачи:

- определение величины осадки на момент достижения допускаемой ее интенсивности (так называемой конечной осадки);

- определение времени завершения ее интенсивной части (или требуемой степени консолидации, см. СНиП 2.05.02-85).

3.41. Конечная осадка слабого основания в пределах активной зоны сжатия (установленной при составлении расчетной схемы насыпи) определяется методом послойного суммирования с использованием зависимостей для условий одномерной задачи:

, (27)

где n - число слоев;

H - мощность i-го слоя;

- модуль осадки грунта i-го слоя, найденный на компрессионной кривой при нагрузке , равной вертикальному нормальному напряжению для середины данного слоя от веса насыпи ().

3.42. Для наиболее часто встречающихся условий строительства автомобильных дорог на слабых основаниях при соотношении размеров насыпи и мощности слабого грунта, равном

,

где - ширина насыпи по средней линии, для прогноза осадки справедлива схема одномерного сжатия.

3.43. Когда отсутствуют данные компрессионных испытаний грунтов, то для ориентировочных прогнозов их конечной осадки можно воспользоваться табличными значениями модуля деформации для той или иной разновидности слабого грунта. Осадка слабой толщи в пределах активной зоны при использовании модуля деформации рассчитывается по формуле

, (28)

где Н - мощность сжимаемой толщи;

Р - нагрузка на поверхности толщи;

- средневзвешенный штамповый модуль деформации сжимаемой толщи.

3.44. Если осадка слабого основания превышает 50 см, то в расчете нагрузки от веса насыпи необходимо учитывать вес просевшей части. Поскольку изменение нагрузки вызовет соответствующее изменение величины осадки, то новый расчет должен выполняться методом подбора. Для упрощения такого перерасчета при прогнозе конечной осадки методом суммирования целесообразно использовать графико-аналитический способ. Порядок операции следующий:

- задаются двумя значениями нагрузки от веса насыпи (больше и меньше величины нагрузки от насыпи запроектированной высоты);

- определяют компоненты нормальных напряжений для середины расчетных слоев;

- находят по соответствующим компрессионным кривым модули осадки для полученных значений напряжений;

- по указанной формуле рассчитывается осадка каждого слоя и суммарная в пределах активной зоны;

- строят график осадки слоев и суммарной осадки в виде S = f(P);

- рассчитывают нагрузку в зависимости от осадки слабой толщи на ее поверхности, задавшись несколькими значениями величины осадки (больше и меньше, полученной для насыпи проектной высоты);

- по результатам этого расчета на график S = f(P) наносят прямую вида Р = f(S);

- по точке пересечения кривой общей осадки и прямой определяют конечную осадку слабой толщи в пределах активной зоны и расчетную нагрузку, а по точке пересечения прямой с кривыми осадки отдельных слоев определяют частные осадки этих слоев.

Пример выполнения графико-аналитического способа учета веса просевшей части насыпи при прогнозе осадки слабого основания приведен в приложении 5(Д).

3.45. По изложенной выше методике определяется конечная осадка слабого основания в пределах ее активной зоны для всех характерных поперечников на выделенном участке трассы. Величина осадки приплюсовывается к проектной отметке (высоте) насыпи, полученной исходя из продольного профиля местности и типовых требований. С запасом на осадку рассчитывается объем фунта для возможности отсыпки насыпи до уточненной отметки, исходя из учета сжимаемости слабой толщи.

Прогноз хода осадки основания насыпи во времени

3.46. При соотношении размеров насыпи и мощности слабого грунта, равном , и при условии, когда водопроницаемость и скорость отжатия поровой воды в горизонтальном направлении значительно меньше, чем в вертикальном, применяется схема одномерной консолидации.

3.47. Руководствуясь положениями пп. 3.20-3.24 и в соответствии с расчетной схемой насыпи, устанавливается та часть в активной зоне, которая работает в условиях открытой системы. Для каждого расчетного слоя именно для этой его части определяется максимальный путь фильтрации отжимаемой поровой воды. Прогноз осадки во времени проводится для наиболее невыгодного слоя с точки зрения прохождения осадки во времени (максимальная длительность при наибольшей величине осадки). В случае затруднений выделения такого слоя осуществляют прогноз хода осадки во времени для нескольких слабых слоев основания и ориентируются на самый длительный срок завершения осадки при значимой ее величине.

3.48. В результате прогноза осадки во времени слабого основания должно быть рассчитано время завершения требуемой степени консолидации грунтов выделенных слоев или время достижения требуемой интенсивности осадки в зависимости от типа дорожной одежды.

3.49. Прогноз хода осадки осуществляется по различным зависимостям для соответствующих участков консолидационной кривой. Выбор расчетных формул для прогноза осадки насыпи во времени предопределяется участком консолидационной кривой, для которого осуществляется прогноз, и зависит от разновидности, состояния и свойств слабых грунтов, а также условиями их работы в системе "грунт-сооружение" (величина нагрузки, режим ее приложения, условия дренирования и т.д.). Для участка дофильтрационной консолидации прогноз осадки определяется исходя из зависимости

, (29)

где - время достижения заданной относительной деформации реальным слоем при расчетной нагрузке.

Примечание. Под понимается фактическая относительная деформация за вычетом условно мгновенной деформации: , где - от начала отсчета, - см. формулу (35).

3.50. Прогноз хода осадки на участке первичной фильтрационной консолидации выполняют по формуле

(30)

или по выражению

, (31)

где - время достижения заданной степени консолидации реальным слоем (или );

- коэффициент, зависящий от степени консолидации и устанавливаемый по таблице 3.4 для равномерно распределенной эпюры нагрузки;

- путь фильтрации воды из слоя;

- время завершения дофильтрационной консолидации;

- коэффициент консолидации, определяемый непосредственно по консолидационным испытаниям (в формуле 29 U = 5%, в формуле 30, если не задано, то U = 50% от фильтрационной консолидации);

- консолидационный параметр, определяемый по результатам консолидационных испытаний двух идентичных образцов с разными условиями дренирования.

Таблица 3.4

Значения коэффициента в зависимости от степени консолидации

U, %	N_u	U, %	N_u
20	0,03	70	0,40
30	0,07	80	0,57
40	0,12	85	0,69
50	0,20	90	0,85
60	0,29	95	1,13

Примечание. Степень консолидации на участке первичной фильтрационной консолидации следует определять по выражению:

, (32)

где - максимальная деформация фильтрационной консолидации;

- максимальная относительная деформация дофильтрационной консолидации.

3.51. На участке вторичной фильтрационной консолидации прогноз осадки во времени осуществляют по формуле:

, (33)

где , - время завершения заданной степени консолидации соответственно слоя и образца;

- время завершения дофильтрационной консолидации образцом;

- путь фильтрации воды из образца;

n - показатель степени консолидации, изменяющийся от 2 до 0, определяемый по приложению 2(Б) (рис. Б.6) или из опыта.

3.52. Для прогноза скорости прохождения осадки слоев слабых грунтов необходимо знание консолидационных характеристик, которые могут быть определены по результатам испытаний грунтов выделенных слоев или по классификационным таблицам (для ориентировочных расчетов).

3.53. На участке консолидации объемной ползучести прогноз достижения заданной степени консолидации слабых грунтов может быть выполнен по формуле

, (34)

где , - относительная деформация соответственно на момент окончания вторичной фильтрационной консолидации и на рассматриваемый момент времени на стадии консолидации ползучести Т;

m - консолидационный параметр, определяемый как тангенс угла наклона участка прямой, описывающий этап консолидации ползучести, к оси времени в пределах логарифмического цикла кривой консолидации вида .

3.54. Прогноз осадки во времени слабых грунтов, для которых характерен процесс консолидации, состоящий из дофильтрационной консолидации и консолидации объемной ползучести, может быть осуществлен на этапе дофильтрационной консолидации также и по формуле

, (35)

где , - относительная деформация на этапе дофильтрационной консолидации и время ее достижения (для требуемой степени консолидации);

, - относительная условно-мгновенная осадка и условно-мгновенное время, принимаемое равным единице измерения времени прохождения осадки;

- угловой коэффициент первого прямолинейного участка кривой консолидации к оси времени в полулогарифмическом масштабе.

Методика выделения этапов консолидации слабых грунтов различных разновидностей, а также методики определения консолидационных параметров изложены в приложении 2(Б).

3.55. В общем случае для установления времени достижения допустимой интенсивности осадки расчетного слоя (или слоев) основания необходимо построить кривую консолидации в виде S = f(T). Кривая S = f(T) строится с помощью приведенных выше формул (29 - 35) для слабых грунтов различных разновидностей и их состояния. К полученной кривой консолидации слоя проводится касательная, угол наклона которой предопределяется требуемой интенсивностью осадки (2 см/г или 5 см/г.). Точка касания прямой и кривой определит (по оси времени) время достижения требуемой интенсивности затухания осадки. Пример построения дан в приложении 5(Д).

3.56. Если максимальное время достижения допустимой интенсивности осадки для наиболее невыгодных слоев основания на расчетных поперечниках превышает заданный срок строительства и возможный технологический перерыв между окончанием возведения насыпи и началом устройства дорожной одежды, то для участков трассы с такими поперечниками следует запроектировать мероприятия для ускорения осадки насыпи (временная пригрузка, вертикальные дрены, частичная замена слабого грунта, сваи-дрены и др.).

4. Конструктивно-технологические решения при сооружении земляного полотна на слабых грунтах

Общие положения

4.1. При проектировании насыпи на слабых грунтах по результатам выполненных прогнозов устойчивости и осадки слабого основания при необходимости прорабатываются варианты дополнительных мероприятий по обеспечению несущей способности слабых грунтов и ускорению их осадки (с учетом особенностей проектируемой дороги, местных условий и технических возможностей строительной организации).

При выборе решений следует руководствоваться рекомендациями табл. 4.1. Наиболее оптимальный вариант технологических или конструктивных мероприятий принимается с учетом технико-экономического обоснования.

4.2. В тех случаях, когда дополнительные мероприятия не обеспечивают устойчивость основания насыпи и ускорение его осадки в заданный срок строительства, допускается стадийный метод устройства покрытия (при необходимости - с открытием временной эксплуатации до окончательного устройства покрытия).

4.3. Независимо от вида дополнительных мероприятий при определении расчетной высоты насыпи следует учитывать погружение ее подошвы на величину осадки.

При определении требуемого объема грунта для возведения насыпи до проектной отметки сечение погруженной части принимается в виде трапеции с высотой, равной величине осадки, и меньшим ее основанием, равным ширине земляного полотна поверху.

4.4. Если дополнительными мероприятиями не предусмотрено внесения каких-либо изменений в ранее намеченные параметры насыпи, то крутизну откосов и водоотводные канавы принимаются по нормам проектирования в обычных условиях.

Временная пригрузка

4.5. 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 (нагрузки от временной пригрузки) его осадка может быть достигнута за более короткий срок (расчетный, требуемый срок консолидации). Возможные варианты временной пригрузки показаны на рис. 4.1.

Таблица 4.1

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	-	3; 9; 14
	- Улучшение напряженного состояния	-	4; 10; 5; 11
	- Увеличение сопротивляемости сдвигу грунта основания	1	5; 7
Ускорение достижения допустимой интенсивности осадки	Уменьшение конечной осадки
	- Уменьшение нагрузки	-	3; 9; 14
	- Улучшение напряженно-деформированного состояния	1	5; 11
	- Уменьшение мощности сжимаемой толщи в активной зоне	-	6
	- Уменьшение сжимаемости грунта	12	7; 8; 13
	- Ускорение процесса консолидации	2	-
	- Увеличение уплотняющей нагрузки
	- Улучшение условий удаления поровой воды	-	6; 7; 8; 13
Уменьшение влияния динамического воздействия от транспортной нагрузки	Снижение напряжений от транспортной нагрузки	-	11; 15
	Повышение динамической устойчивости основания насыпи	-	5; 6; 7

Примечание. Конструктивные и технологические решения:

1	-	предварительная консолидация;	9	-	насыпи из легких материалов;
2	-	временная пригрузка;	10	-	боковые пригрузочные призмы;
3	-	снижение высоты насыпи;	11	-	распределительные плиты;
4	-	уположение откосов;	12	-	предварительное осушение;
5	-	свайная конструкция;	13	-	дренажные прорези;
6	-	частичная замена слабых грунтов;	14	-	несжимаемые сваи;
7	-	песчаные сваи-дрены;	15	-	увеличение высоты насыпи.
8	-	вертикальные дрены;

4.6. Пригрузку в виде дополнительного слоя насыпи на всю ширину земляного полотна устраивают на дорогах с усовершенствованными покрытиями. Толщину пригрузочного слоя принимают 0,2 - 1,0% от проектной высоты насыпи в зависимости от несущей способности основания и требуемого срока ускорения осадки (но не более 2 м). Уплотнение грунта в пригрузочном слое предусматривают при необходимости обеспечения временного проезда. После окончания расчетного срока консолидации слабого основания пригрузочный слой снимают и его грунт перемещают на следующие участки дороги или используют в других элементах конструкции насыпи в соответствии с проектом.

4.7. Для дорог всех категорий, когда дорожная одежда устраивается после окончания консолидации основания, в целях предупреждения дополнительной осадки от ее веса рекомендуется применять эквивалентный пригрузочный слой. Толщина эквивалентного слоя может быть принята равной толщине одежды с коэффициентом 1,5. Грунт пригрузочного слоя снимают непосредственно перед устройством дорожной одежды.

4.8. Назначение временной пригрузки целесообразно для органических и органоминеральных грунтов (см. п. 2.23).

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

4.9. Для расчета необходимо иметь следующие исходные данные:

- консолидационные и компрессионные характеристики грунтов слабой толщи;

- данные о геологическом строении и мощности слабой толщи;

- схему отжатия воды из толщи при ее уплотнении нагрузкой (одностороннее или двустороннее);

- показатели сопротивляемости сдвигу грунтов слабой толщи.

4.10. Толщина слоя временной пригрузки устанавливается по формуле

, (36)

где - величина временной пригрузки;

- средневзвешенный удельный вес грунта пригрузки.

4.11. Ориентировочно величину требуемой временной пригрузки можно определить по формуле

, (37)

где - коэффициент консолидации, определяемый опытным путем при испытаниях на консолидацию грунта из расчетного слоя.

4.12. 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

. (38)

Если это условие нарушено, то временную пригрузку следует прикладывать послойно (как в методе предварительной консолидации) или принимать дополнительно мероприятия по повышению несущей способности слабых грунтов.

4.13. Возможность сохранения устойчивости основания только путем ограничения режима отсыпки временной пригрузки имеется при условии

, (39)

где - безопасная нагрузка, определенная по условию быстрой отсыпки слоя временной пригрузки применительно к степени консолидации основания, достигнутой к моменту приложения временной пригрузки;

- безопасная нагрузка при медленной отсыпке слоя временной пригрузки.

При этом, если , то режим отсыпки самой насыпи не ограничивается, устанавливаются только время начала и режим отсыпки временной пригрузки. Если , то временная пригрузка может быть осуществлена лишь с принятием специальных мероприятий по обеспечению несущей способности основания (уположение откосов, устройство боковых берм, свай и т.д.).

4.14. Пример расчета величины временной пригрузки дан в приложении 5(Д).

Вертикальное дренирование

4.15. Вертикальные дрены устраивают в слабых водонасыщенных грунтах с целью ускорения консолидации основания за счет сокращения пути фильтрации воды, отжимаемой из слабой толщи (рис. 4.2).

4.16. Вертикальные дрены эффективны в водонасыщенных органических и минеральных сильносжимаемых грунтах при слое мощностью не менее 4 м с коэффициентом фильтрации не менее м/сут (см. табл. 2.1). Устраивать вертикальные дрены в плотных глинистых грунтах, а также в малоразложившемся неуплотненном слое торфа нецелесообразно. Эффективность дрен повышается в случаях, когда дренируемая толща имеет более высокую горизонтальную проницаемость, например, вследствие наличия прослоек дренирующего грунта.

4.17. Вертикальные дрены, как правило, 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 расчетного времени консолидации должна быть выше начального градиента фильтрации грунта, если грунт таковым обладает. Формула расчета толщины пригрузочного слоя:

, (40)

где D - эффективный диаметр дренирования (принимается равным расстоянию между дренами);

- удельный вес воды в порах грунта;

- начальный градиент фильтрации грунта с учетом уплотнения под весом насыпи (при отсутствии лабораторных данных принимают для торфа ; для ила и глины );

- нагрузка в основании от насыпи проектного профиля;

- удельный вес грунта, используемого для пригрузки.

4.18. Вертикальные дрены выполняют в виде скважин, заполняемых песком. Диаметр скважин может быть принят от 40 до 60 см с учетом 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 ее 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.

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

Для расчета оснований с вертикальными дренами необходимы следующие исходные данные:

- результаты компрессионных и консолидационных испытаний грунтов слабой толщи;

- расчетная мощность слабого слоя (с учетом условий односторонней или двухсторонней фильтрации);

- расчетные величины нагрузки и конечной осадки слабой толщи.

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

4.21. Расчет 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

, (41)

где - степень консолидации основания при вертикальной фильтрации воды из основания;

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

Величины и устанавливают по графикам (рис. 4.3). Величину фактора времени, необходимую для определения , рассчитывают по формуле

, (42)

где - коэффициент консолидации при вертикальной фильтрации;

- расчетный путь вертикальной фильтрации воды;

- требуемый срок консолидации.

Фактор времени, необходимый для определения , определяют по формуле

, (43)

где - коэффициент консолидации грунта при горизонтальной фильтрации;

l - расстояние между дренами.

4.22. Если при назначенном расстоянии между дренами не может быть достигнуто требуемое сокращение срока консолидации, то шаг дрен уменьшают и расчет повторяют. Пример расчета основания с вертикальными дренами приведен в приложении 5(Д).

4.23. Упрощенной разновидностью вертикального дренирования толщи являются продольные дренажные прорези. Их устройство целесообразно при мощности слабого слоя до 4,0 м и возможности сохранения в слабом грунте вертикальных откосов в течение времени, необходимого для заполнения прорези дренирующим грунтом.

Расстояние между дренажными прорезями ориентировочно назначают в пределах 1,5 - 3,0 м и проверяют расчетом. Ширина прорезей назначается в зависимости от параметров рабочего органа применяемого оборудования и составляет обычно 0,6 - 1,0 м.

Для заполнения прорезей следует использовать песок с коэффициентом фильтрации не менее 3 м/сут.

Расчет дренажных прорезей выполняется по аналогии с расчетом вертикальных дрен, но для определения степени консолидации при горизонтальной фильтрации используется график, приведенный на рис. 4.4, где величина дана в зависимости от величины для различных значений l/Н (где l - расстояние между боковыми поверхностями прорезей).

Частичное удаление слабого грунта

4.24. Удаление верхней части слабой толщи с заполнением траншеи дренирующим грунтом дает комплексный эффект повышения прочности и ускорения достижения заданной степени консолидации основания.

Частичное удаление слабого грунта из основания насыпи целесообразно в случаях:

- необходимости жесткого ограничения отметки проезжей части, когда соблюдение условия прочности требует устройства массивной насыпи определенной толщины;

- если верхние слои слабой толщи имеют значительно меньшую прочность, чем нижние; для ускорения стабилизации осадки, если по каким-либо причинам нецелесообразно применение временной пригрузки или вертикального дренирования.

Типовая схема конструкции с частичной заменой слабого слоя показана на рис. 4.5.

Расчет конструкции насыпи с частичным удалением слабого грунта из основания проводят по выше изложенным методикам, исходя из требований несущей способности основания и ускорения осадки.

При расчете устойчивости необходимо учитывать заглубление подошвы насыпи относительно поверхности грунта. Расчет глубины замены слабого грунта из условия ускорения осадки выполняют по формуле

, (44)

где Н - полная толщина сжимаемого слоя;

- требуемый срок достижения осадки допускаемой интенсивности;

- расчетный срок достижения конечной осадки без замены слабого грунта.

Предварительное осушение слабой толщи

4.25. Существенное улучшение свойств водонасыщенных слабых грунтов, в том числе сокращение величины и длительности осадки, повышение несущей способности и проходимости в период строительства достигается предпостроечным осушением толщи открытыми канавами. Обязательным условием эффективности осушения являются достаточное время и обеспечение непрерывного стока воды из канав. В дальнейшем сооружения для предпостроечного осушения дорожной полосы должны служить водоотводными сооружениями в период эксплуатации дороги.

4.26. Осушение дорожной полосы следует выполнять не позднее, чем за год до строительства дорожной одежды (при стадийном строительстве устройство земляного полотна можно начинать одновременно с осушением).

При необходимости повышения проходимости болотных залежей в зоне производства работ их осушение выполняют за 1 - 2 года до начала строительства дороги.

Осушительные канавы следует устраивать симметрично по обеим сторонам земляного полотна на расстоянии 2 - 3 м от подошвы насыпи с максимально возможной глубиной по условиям стока воды и производства работ.

Продольный уклон по дну осушительных канав должен быть не менее (на начальных участках длиной до 200 м - ). Крутизна откосов осушительных канав должна быть принята от 1:0,25 для малоразложившихся торфов до 1:1 - для слабых органо-минеральных и минеральных грунтов.

Метод предварительной консолидации

4.27. Наиболее простым и достаточно эффективным методом повышения несущей способности слабого основания насыпи является метод постепенного его загружения (предварительной консолидации).

Постепенное загружение применяется на основаниях 2-го типа, а также на основаниях 1-го типа при использовании временной пригрузки в случаях, когда прочность слабых грунтов в природном состоянии недостаточна для восприятия расчетной нагрузки.

4.28. Метод постепенного загружения заключается в назначении определенного режима возведения насыпи для необходимого повышения прочности слабого грунта расчетного слоя при уплотнении под давлением отсыпаемых слоев насыпи. Требуемый режим возведения насыпи определяется, исходя из условия , которое должно соблюдаться в процессе сооружения насыпи.

Применение метода постепенного загружения будет тем эффективнее, чем интенсивнее упрочняется слабый грунт. В этом отношении наиболее благоприятными являются торфяные грунты. Грунты типа иольдиевых глин и глинистые грунты группы А, Б, В (см. п. 2.23) упрочняются мало, в связи с чем применение рассматриваемого метода для них оказывается малооправданным.

4.29. Расчет режима постепенного загружения слабого основания производится с учетом взаимосвязи показателей влажности, прочности и осадки слабых грунтов. При этом расчетную влажность толщи, соответствующую той или иной величине осадки , устанавливают по формуле

, (45)

где и - соответственно начальная и конечная (т.е. эквивалентная заданной нагрузке) влажность грунта;

- осадка за любой момент времени;

- расчетная (конечная) осадка при данной нагрузке.

Примечание. Формула применима при .

4.30. Расчет целесообразнее выполнять графоаналитическим методом в следующем порядке:

- задаются тремя-четырьмя значениями осадки и, зная расчетную (конечную) осадку , вычисляют значения расчетной влажности, отвечающие этим осадкам, по приведенной формуле;

- по экспериментальным расчетным кривым и определяют значения и для полученных значений влажности;

- при найденных и вычисляют значения и строят зависимость ;

- полученную кривую заменяют некоторой ступенчатой линией, отображающей реальный характер процесса отсыпки насыпи; ступенчатую линию проводят таким образом, чтобы ее абсциссы не отличались более чем на 10% от абсцисс заменяемых криволинейных участков (что обеспечит примерное постоянство фактической нагрузки). Построенная линия представляет собой допустимый режим отсыпки насыпи, представленный в функции от величины осадки;

- определяют расчетные значения вертикальных сжимающих напряжений в слое при принятых ступенях прикладываемой нагрузки и строят консолидационные кривые для этих ступеней в виде зависимости осадки основания от времени при различных нагрузках на поверхности;

- используя график реального режима отсыпки и построенные кривые консолидации, строят график осадки во времени с учетом режима нагружения.

График дает возможность получить искомую зависимость режима нагружения слабого основания в зависимости от времени. Эту зависимость можно перестроить непосредственно в технологический график зависимости толщины отсыпаемого слоя от времени.

4.31. Метод расчета основан на учете скорости осадки и изменении состояния и свойств грунтов на этапе фильтрационной консолидации (т.е. без учета вторичной консолидации).

При слоистой толще расчет осложняется, однако принцип сохраняется такой же. В таких случаях необходимо учитывать, что на разных этапах консолидации опасным может быть не один и тот же слой слабой толщи.

4.32. Для упрощения практических расчетов можно выполнять их в обратном порядке: задавшись режимом нагружения, наиболее реальным для конкретных условий производства земляных работ, проверяется возможность его осуществления путем сравнения величины безопасной нагрузки на несколько моментов времени с фактической нагрузкой на те же моменты времени. Если безопасная нагрузка окажется в какой-либо момент меньше действующей, то необходимо изменить режим отсыпки и повторить расчет.

Величины ступеней нагружения целесообразнее принимать кратными толщинам слоев, принимаемым по условиям технологии послойного уплотнения грунтов насыпи.

Пример расчета режима возведения насыпи приведен в приложении 5(Д).

Устройство боковых пригрузочных призм (берм)

4.33. При наличии достаточной полосы отвода и небольшом расстоянии перевозки грунта для отсыпки насыпи эффективным способом обеспечения несущей способности основания является устройство боковых пригрузочных призм (берм).

Для устройства пригрузочных призм пригодны любые грунты за исключением переувлажненных. Ширина призм для удобства планировочных работ должна быть не менее 4 м. Поверхность призм должна иметь поперечный уклон .

При проектировании боковых пригрузочных призм расчетом определяют их высоту и ширину (, ), исходя из допустимой нагрузки.

4.34. Для слабых грунтов, угол внутреннего трения которых более 5 - 7°, величина допускаемой нагрузки с учетом боковой призмы ориентировочно рассчитывается по формуле для полосовой нагрузки

, (46)

где ;

;

;

с - расчетное сцепление грунта слабой толщи;

- ширина насыпи по средней линии;

- средневзвешенный удельный вес слабой толщи;

- удельный вес грунта боковой призмы.

Отсюда требуемая толщина пригрузочных призм, обеспечивающая условие, при котором расчетная нагрузка будет соответствовать безопасной, определится выражением

или (47)

. (48)

4.35. Для самой пригрузочной призмы допускаемая нагрузка может быть ориентировочно определена по формуле для допустимой краевой нагрузки невесомого основания и

. (49)

Отсюда максимальная допустимая высота (толщина) призм рассчитывается по формуле

. (50)

4.36. Необходимая ширина пригрузочных призм устанавливается из условия активного воздействия в точках и зонах, в которых напряженное состояние от веса самой насыпи оказывается наиболее опасным по условию нарушения прочности слабого грунта.

При мощности слабой толщи ширина призмы должна быть не менее

. (51)

При соответственно имеем

, (52)

где - полуширина проектной насыпи (без пригрузочных призм) по средней линии.

Величина устанавливается по выражению

. (53)

4.37. Значение угла видимости определяется из выражения:

. (54)

Для графического определения угла видимости строится зависимость - левая часть этого выражения. Затем на ту же сетку координат наносят прямую (здесь ; ), представляющую собой правую часть данного выражения. Абсцисса первой от начала координат точки пересечения построенных функций определит искомое значение угла .

Пример расчета пригрузочных призм (берм) дан в приложении 5(Д).

Применение легких насыпей

4.38. Устройство легких насыпей может применяться для:

- обеспечения устойчивости основания;

- снижения осадки и ускорения достижения ее допустимой величины.

В этом случае в конструкции насыпи частично используют различные материалы, имеющие меньшую плотность, чем природный грунт. В качестве таких материалов возможно применение пенополистирола, легкого шлака, искусственных гранулированных материалов и т.п. Подобные конструкции экономически оправданны на участках небольшой протяженности при высокой стоимости других мероприятий по обеспечению устойчивости и ускорению осадки насыпи.

Расчет облегченной конструкции насыпи для обеспечения устойчивости и снижения и ускорения осадки основания сводится к определению требуемого уменьшения средневзвешенной величины удельного веса насыпи.

4.39. При применении легкой насыпи для повышения устойчивости основания исходят из обеспечения равенства действующей расчетной нагрузки безопасной .

. (55)

Требуемая доля легкого материала в единице объема насыпи устанавливается по формуле

, (56)

где - удельный вес грунтовой части насыпи;

- средневзвешенный удельный вес насыпи, при котором обеспечивается условие (55);

- безопасная нагрузка на основание, определяемая по п. 3.30 основного текста;

- расчетная высота насыпи;

- разность между удельными весами грунта и легкого материала, используемых в насыпи.

Величина вычисляется по формуле

. (57)

4.40. При применении легкой насыпи с целью снижения (и ускорения) осадки расчетную осадку на квазиоднородной сжимаемой толще, мощностью Н, приближенно определяют по формуле

, (58)

где Н - мощность сжимаемой толщи;

- средневзвешенный компрессионный модуль деформации слабой толщи.

Для снижения осадки до допустимой величины необходимо снизить величину удельного веса насыпи до , при которой осадка будет равна допустимой.

Требуемый для выполнения этого условия средневзвешенный удельный вес насыпи определяют по выражению

, (59)

где .

При этом требуемая объемная доля легкого материала может быть определена по формуле (56).

Схема конструкции насыпи, в которой использованы блоки пенополистирола, приведена на рис. 4.6.

Временное понижение грунтовых вод

4.41. В индивидуальных случаях на ответственных дорожных объектах ускорения осадки насыпи можно добиться путем временного понижения уровня грунтовых вод. Наибольший эффект этот метод дает в комплексе с временной пригрузкой. Снижение уровня грунтовых вод в слабой толще обеспечивает временное увеличение нагрузки на нижние слои толщи за счет исключения взвешивания верхних слоев, а также способствует ускорению консолидации за счет обеспечения дополнительного градиента напора в поровой воде.

Временное понижение уровня грунтовых вод производят иглофильтрами и другим специализированным оборудованием.

Свайные конструкции из зернистых материалов

4.42. Для повышения устойчивости и снижения осадки слабых грунтов назначаются песчаные сваи. Эффект от работы песчаных свай проявляется за счет восприятия ими части нормальных напряжений от веса насыпи, за счет бокового обжатия слабого грунта в межсвайном пространстве и в ускорении отжатия поровой воды.

В грунтах, обладающих структурной прочностью (иольдиевые глины и т.п.), применение песчаных свай особенно эффективно.

4.43. Песчаные сваи могут быть опертыми, доходящими до подстилающих слабую толщу прочных пород, и висячими, не достигающими подстилающих слоев. Висячие песчаные сваи устраивают при большой мощности слабого слоя, когда устройство опертых свай оказывается технически сложным.

Песчаные сваи устраивают специальным оборудованием с обсадными трубами (лидер) диаметром 0,4 - 0,8 м, аналогичным оборудованию для устройства вертикальных дрен. В плане сваи располагают по квадратной или ромбической сетке.

4.44. Если сваи предназначаются для обеспечения прочности (устойчивости) основания насыпи, то расчетом определяется минимальная величина сближения свай m (отношение диаметра свай d к расстоянию между сваями в свету l), при которой соблюдается условие , где - коэффициент запаса, вычисляемый для торфяной взвешенной толщи по формуле

, (60)

где и - сцепление и угол трения слабого грунта при расчетной влажности;

- вертикальные нормальные напряжения в грунте межсвайного пространства;

- то же, горизонтальные;

р' - предварительное обжатие слабого грунта, возникающее при внедрении лидера.

Величину р' определяют по компрессионной кривой как напряжение, необходимое для уменьшения коэффициента пористости грунта в природном залегании до величины , отвечающей пористости грунта, уплотненного в результате внедрения свай и определяемого из выражения

. (61)

Вертикальные и горизонтальные напряжения определяются по специальным таблицам приложения 6(Е), где они даны в долях от давления на основание без свай и в зависимости от коэффициента бокового давления материала сваи и коэффициента поперечной деформации слабого грунта .

Величина принимается:

       для песка крупного          0,33

       средней крупности           0,34

       мелкого и пылеватого        0,36

При известном угле внутреннего трения материала заполнения может быть вычислен по формуле

. (62)

Коэффициент поперечной деформации может быть вычислен по формуле

. (63)

Можно принимать величину :

- для торфа                                            0,76

- для глинистого грунта пластичной консистенции        0,30 - 0,40

- для глинистого грунта текучей консистенции           0,40 - 0,45.

4.45. Расчет песчаных свай для повышения устойчивости основания заключается в следующем (рис. 4.7).

Необходимо определить сближение свай m = d/l, при котором коэффициент запаса (или безопасности) = 1,0, т.е. при равенстве вертикальных напряжений в межсвайном пространстве и безопасной допустимой нагрузки на основание при перераспределении нагрузки между сваями и грунтом в межсвайном пространстве. Расчет требуемого сближения свай основывается на данных специальных таблиц, приведенных в приложении 6(Е). В данном приложении сохранены обозначения разработчиков указанных таблиц, а именно: - нагрузка от веса насыпи; - вертикальное напряжение от веса насыпи; - горизонтальное напряжение от бокового обжатия грунта; и - соответственно относительная вертикальная и горизонтальная деформации слабого грунта.

В таблицах даны отношения ; ; ; при различных значениях сближения свай m в зависимости от коэффициента бокового давления материала свай , коэффициента бокового расширения грунта основания и относительной осадки слабого основания .

Для определения по указанным таблицам требуемого сближения свай необходимо для каждого случая знать коэффициент бокового давления материала свай и коэффициент бокового расширения грунта основания .

Коэффициент бокового давления для песка можно принять: для крупного песка - 0,33; песка средней крупности - 0,34; песка мелкого и пылеватого - 0,36. Коэффициент поперечной деформации для глинистых грунтов мягкопластичных и текучепластичных можно принять равным 0,3 - 0,4; текучих - 0,45.

Значения и могут быть рассчитаны по формулам

, (64)

где - угол внутреннего трения материала свай;

, (65)

где - начальный коэффициент пористости грунта основания.

4.46. Для полученных значений ; и относительной деформации грунта основания без свай (в условиях компрессионного сжатия) находим по таблице требуемую величину сближения свай для обеспечения устойчивости конструкции, вертикальную и горизонтальную относительную деформацию основания в долях от ( и ).

С учетом найденного требуемого сближения свай () назначается диаметр свай d и расстояние между ними l. Диаметр назначается в пределах 0,8 - 1,0 м, расстояние между сваями в свету - от 1,5 до 2,5 м.

4.47. Если по таблицам получаем (при указанном выше диапазоне изменения d и l), то это означает, что в данном случае прочность слабых грунтов не обеспечена. При получении такого результата рассматривается другая конструкция (например, несжимаемые сваи) или определяется максимальная высота насыпи, при которой достигается прочность грунтов основания со сваями с заданным диаметром и расположением свай. В последнем случае насыпь отсыпается в два этапа.

4.48. Методика расчета минимальной высоты насыпи заключается в следующем.

Принимается величина m; при этом имеем для расчетов , , . По таблице определяется величина . Принимаем , так как для обеспечения устойчивости необходимо соблюсти эти условия. Величина рассчитывается по формулам, приведенным в п. 3.30. При наличии у грунта структурной прочности на сжатие и структурного сцепления величина безопасной нагрузки может быть найдена с учетом по формуле .

С учетом отношения определяется максимально допустимой высота насыпи по формуле

, (66)

где - удельный вес грунта насыпи.

4.49. Если не требуется ускорение осадки насыпи, то после расчета параметров свай, исходя из условий прочности, рассчитывается величина осадки армированного основания S'.

Расчет выполняется по формуле

, (67)

где - среднее напряжение в пределах рассматриваемого слоя от расчетной нагрузки (от веса насыпи);

- толщина слоя;

- приведенный модуль деформации армированного основания.

, (68)

где а - относительная площадь армирующих элементов:

, (69)

- модуль деформации слабого грунта;

- модуль деформации песка в сваях;

n - количество свай на единице длины, выбранной произвольно с учетом длины участка, для которого рассчитываются сваи;

- площадь сваи;

- площадь основания на единице длины.

4.50. Для исключения осадки слабых грунтов в основании рассчитывается такая свайная конструкция, которая обеспечивает уплотнение грунта до плотности, при достижении которой практически не будет происходить его дальнейшее уплотнение под нагрузкой от веса насыпи. При принятом диаметре свай и шахматном их расположении для такого случая необходимое расстояние между сваями рассчитывается по формуле

, (70)

где - начальный удельный вес сухого грунта;

- удельный вес грунта, соответствующий нагрузке от веса насыпи и определяемый по компрессионной кривой.

4.51. Если необходимо ускорение осадки слабого основания при допущении ее прохождения, то свайная конструкция, рассчитанная из условия обеспечения прочности слабых грунтов, рассчитывается еще и по методике расчета свай-дрен. Последовательность методики расчета свай-дрен заключается в следующем.

Рассчитывается фактор времени в вертикальном и в горизонтальном направлении по формулам и графикам, данным для расчета дрен. По значениям и определяется степень консолидации, достигаемая в вертикальном и в горизонтальном направлении. Далее рассчитывается общая степень консолидации по формуле

. (71)

4.52. Если полученное расчетом значение равно требуемой степени консолидации слабого основания , то может быть принята конструкция при ранее определенном расстоянии между сваями l.

Если , то расчет следует повторить при меньшем значении l.

Пример расчета песчаных свай-дрен приведен в приложении 5(Д).

4.53. В тех случаях, когда обеспечение прочности слабого грунта и ускорение его осадки не могут быть достигнуты с помощью свай-дрен, следует рассмотреть следующие варианты:

- назначение несжимаемых свай (СНиП 2.02.03-85);

- эстакада (СНиП 3.06.04-91).

Окончательный вариант конструкции насыпи на слабом основании и дополнительные мероприятия по обеспечению прочности и исключению недопустимых по величине и интенсивности осадок принимаются с учетом:

1) технико-экономического обоснования;

2) сроков и условий строительства;

3) наличия необходимой техники и материалов, а также организации, имеющей опыт проведения соответствующих работ.

Усиление основания жесткими сваями

4.54. В зависимости от конкретных условий усиление основания насыпи жесткими сваями может предусматриваться:

- для повышения устойчивости;

- для получения практически безосадочного основания при природных механических свойствах слабой толщи.

Исходная схема в случае применения свай-стоек представлена на рис. 4.8.

Схема перераспределения внешней нагрузки от веса насыпи при наличии свай представлена на рис. 4.9 и 4.10.

4.55. При расчете свайного основания находят оптимальное сочетание:

- диаметра свай;

- расстояния между сваями;

- прочности материала свай.

4.56. Требуемая прочность материала свай при отсутствии ростверка определяется по формуле

, (72)

где L - расстояние между сваями в осях, м;

- уд. вес насыпи, ;

- высота насыпи, м;

D - диаметр свай, м;

- угол внутреннего трения грунта насыпи.

Примечание. Данное выражение можно применять при высоте насыпи более: .

Приближенно максимальную требуемую прочность свай, независимо от наличия ростверка и высоты насыпи, можно оценивать по формуле

. (73)

4.57. Величину средней осадки слабой толщи в межсвайном пространстве при высоте насыпи более определяют по выражению

, (74)

где - мощность сжимаемой толщи;

- компрессионный модуль деформации слабой толщи.

4.58. За допустимую осадку в межсвайном пространстве в зависимости от конкретных условий (категории дороги, сложности инженерно-геологической обстановки и т.п.) следует принимать:

- для наиболее ответственных сооружений см;

- для прочих случаев .

4.59. Если вычисленная осадка будет больше , следует предусмотреть устройство гибкого ростверка. Ростверк устраивается из 1 - 3-х слоев геосинтетических полотен или решетки, обладающей параметрами механических свойств - жесткости (G, т/м) и прочности (, т/м).

Расчетная схема деформации гибкого ростверка представлена на рис. 4.11.

4.60. Расчетное относительное удлинение полотна при завершении осадки межсвайного пространства определится по формуле

, (75)

где - расчетная начальная длина растягиваемого участка полотна;

- коэффициент запаса на ползучесть (больше единицы), принимаемый в зависимости от свойств ползучести материала, используемого для устройства ростверка.

4.61. Величина вычисляется по формуле

, (76)

где ;

- средний коэффициент трения полотна по грунту насыпи и основания;

- коэффициент трения грунта насыпи;

G - жесткость полотна, т/м;

- осадка межсвайного пространства.

Примечание. Если по приведенной зависимости получается больше , в расчет следует вводить .

Развивающееся в полотне усилие составит , т/м.

4.62. Марку геополотна выбирают по величине требуемой жесткости при расчетной относительной деформации .

При этом проверяется условие прочности ,

где: - прочность геополотна на растяжение, т/м;

- коэффициент запаса, принимаемый равным 1,3.

4.63. Влияние свайной конструкции на устойчивость основания насыпи проверяют по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения с учетом прочности свай на срез.

4.64. При устройстве гибкого ростверка часть нагрузки от подсводного тела будет передаваться на сваи через геополотно ростверка, в связи с этим нагрузка на сваю станет больше величины , определяемой по формуле (72).

Суммарная нагрузка на сваю определится по формуле

, (77)

где .

Частичная замена слабого грунта

4.65. При соответственном технико-экономическом обосновании могут применяться способы устройства земляного полотна, при которых слабый грунт не используется в качестве основания. Конструкцию с удалением слабого грунта предусматривают в случаях, когда расчеты показывают неэкономичность и высокую технологическую сложность выполнения хотя бы одного из основных требований к земляному полотну, возводимому на слабом грунте. Экономически удаление слабого грунта частичное или полное может оправдываться при сравнительно малой мощности слоя и небольшом протяжении участка, возможности полезного использования удаленного грунта.

4.66. Проектирование конструкции земляного полотна с частичной заменой в основании слабого грунта следует проводить при технико-экономическом обосновании принятого способа производства строительных работ и руководствоваться условиями, изложенными в п. 4.24.

При замене слабых грунтов конструкция нижней части земляного полотна зависит от технологии их удаления, поэтому в проекте следует рассматривать и сравнивать варианты конструктивно-технологических решений.

В практике дорожного строительства применяют механические, взрывные и гидромеханические способы удаления слабого грунта, а также способ погружения насыпи с выдавливанием слабого слоя под ее весом (с предварительным рыхлением или без него). Выбор варианта удаления грунта производится также на основе технико-экономического сравнения.

Полное удаление слабого грунта

4.67. Проектное сечение траншеи при удалении слабого грунта определяется необходимостью обеспечения устойчивости краевых частей насыпи при минимальном объеме работ. Ширину траншеи по дну для дорог с усовершенствованными капитальными покрытиями принимают равной ширине земляного полотна с учетом заложения откосов, для дорог с переходными и низшими типами - равной ширине земляного полотна поверху. Крутизну откосов в траншее следует назначать по расчету устойчивости при требуемом коэффициенте запаса, равном единице. Для предварительного подсчета объемов работ заложения откосов в траншее следует принимать для торфа малой и средней степени разложения (0,25 - 0,5)Н; для других слабых грунтов нетекучей консистенции (0,5 - 1,25)Н, где Н - глубина траншеи.

При взрывном или гидромеханическом удалении слабого грунта крутизна откосов траншеи определяется технологией производства работ.

При посадке насыпи на более прочный подстилающий пласт методом выдавливания слабого грунта крутизну откосов погруженной части можно принимать равной углу естественного откоса грунта.

4.68. При определении необходимого объема привозного грунта следует учитывать изменение сечения траншеи от активного давления насыпи. Коэффициент увеличения объема заполнения для грунтов различных видов составляет:

Торф влажностью до 600%	1,15
То же, свыше 600%	1,25
Органоминеральный грунт	1,20
Минеральный слабый грунт	1,15

4.69. При поперечном уклоне пластов, подстилающих слабую толщу, более 1:10 во избежание возникновения деформаций сдвига выполняют следующие конструктивные мероприятия:

- если подстилающий слой представлен песком или супесью, то устраивают упорную траншею или призму из глыбового грунта с низовой стороны;

- если подстилающий слой сложен глинистыми грунтами, то осуществляют сплошное выравнивание дна траншеи.

Для насыпи из песчаного грунта сплошное выравнивание допускается заменять ступенчатым.

Грунт, извлеченный из траншеи, укладывают в банкеты непосредственно за водоотводными канавами или вывозят. На осушенных болотах банкеты из торфа во избежание возгорания закрывают слоем минерального грунта толщиной 20 - 30 см.

4.70. При использовании метода выдавливания слабого слоя из-под насыпи толщина насыпного слоя, обеспечивающая выдавливание слабого грунта, ориентировочно может быть определена по формуле

, (78)

однако во всех случаях она не должна быть менее

, (79)

где - величина сопротивляемости грунта сдвигу, определяемая крыльчаткой;

- полуширина насыпи по средней линии.

В случае технической сложности или нецелесообразности единовременного возведения насыпи требуемой толщины применяют механическое или взрывное рыхление, либо гидроразмыв слоя. В этом случае в расчет по формулам (78 и 79) вводят для разрыхленного грунта.

4.71. При наличии в составе слабой толщи более прочных слоев у поверхности (например, при мощном дерновом покрове, а также при частичном осушении торфяных болот) для облегчения выдавливания торфа устраивают торфоприемники. Глубина торфоприемников должна быть равна толщине верхнего прочного слоя, а ширина - не менее половины мощности слоя, подлежащего выдавливанию.

4.72. Схема земляного полотна с удалением слабых грунтов основания дана на рис. 4.12.

Применение геосинтетических материалов при строительстве земляного полотна на слабых основаниях дорог общего пользования и временных дорог

4.73. Геосинтетические материалы применяются при строительстве насыпей на слабом основании в качестве: разделительных и технологических прослоек, укладываемых на подготовленную поверхность слабого основания, при обеспеченной устойчивости всей дорожной конструкции (отсутствии формоизменяемости в процессе эксплуатации и строительства); армирующих прослоек для обеспечения устойчивости насыпей на слабых основаниях; эти прослойки одновременно служат в качестве разделительных или технологических; вертикальных дренирующих элементов для ускорения фильтрационной осадки толщи слабых грунтов; в целях повышения равномерности осадки; совместно с другими конструкциями (сваи с гибким ростверком).

4.74. Технологические и разделительные прослойки при обеспеченной устойчивости слабого основания под действием объемных нагрузок от веса насыпи и транспортной нагрузки устраивают, как правило, из нетканых материалов (иглопробивных) с плотностью не менее 250 или термоскрепленных с плотностью не менее 110 .

4.75. Армирующие элементы (прослойки) для обеспечения устойчивости насыпей на слабых основаниях назначают на основе расчета по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения (КЦПС). Для указанных целей рекомендуется применять тканые материалы: сплошные или решетчатые, как правило, на основе полиэфира. При этом дефицит удерживающих сил компенсируется прочностью армирующих прослоек на растяжение, а также сил трения материала с нижними слоями насыпи.

При использовании решетчатых материалов в качестве армоэлементов целесообразно их применять в комплексе с разделительными прослойками из нетканых материалов по выравнивающему слою песка толщиной не менее 10 см для исключения перемешивания грунтов различного состава и состояния.

4.76. Для расчета насыпей на слабых основаниях с использованием армоэлементов из геосинтетических материалов для обеспечения устойчивости необходимо:

- выполнить оценку устойчивости насыпи на слабых основаниях без армирования. При этом необходимо выполнить такую оценку в рамках двух расчетных схем - для стадии строительства и в конечном состоянии, когда завершен процесс консолидации.

- в связи с этим при проектировании конструкций необходимо иметь информацию как о прочности грунта основания при быстром сдвиге, так и прочностные характеристики грунта в конечном состоянии, т.е. после завершения процесса консолидации. Для оценки устойчивости на этой стадии необходимы данные, определяемые при консолидированном сдвиге.

4.77. В случае, если по исходным первичным расчетам устойчивость не обеспечивается, следует предусмотреть использование геосинтетических армоэлементов, обеспечивающих необходимое повышение устойчивости насыпи на слабом основании за счет прочности на растяжение и сил трения.

Если устойчивость в конечном (консолидированном) состоянии соответствует требуемым значениям, то срок службы армоэлементов из геосинтетических материалов (их долговечность) должен соответствовать времени консолидации, т.е. арматура (армоэлементы из геосинтетических материалов) должна рассчитываться как временный элемент. Срок службы такого временного элемента (время, в течение которого гарантирована регламентированная прочность) равен времени консолидации.

4.78. В случаях, когда по результатам оценки устойчивость неармированной насыпи в конечном (консолидированном) состоянии слабого основания не может быть обеспечена, срок службы назначаемой при этом геосинтетической арматуры должен соответствовать сроку службы сооружения (дорожной конструкции).

В этом случае геосинтетический материал для армирования следует подбирать таким образом, чтобы устойчивость насыпи на слабом основании была обеспечена как на стадии строительства (и при начальной эксплуатации), так и под действием растягивающих напряжений, реализующихся в течение всего срока эксплуатации сооружения.

4.79. На основе результатов оценки устойчивости насыпи на слабом основании выполняют расчеты устойчивости таких насыпей с армирующей прослойкой в основании сооружения.

Для подтверждения устойчивости конструкции насыпи на слабом основании с армирующей прослойкой необходимо рассматривать два предельных состояния: по несущей способности и "эксплуатационное" предельное состояние, т.е. с учетом консолидации слабого грунта в основании. Оценка устойчивости должна включать также следующие отдельные расчеты:

- расчет для подтверждения исключения скольжения откосных частей в зонах выше арматуры без ее разрыва;

- расчет для подтверждения скольжения откосных частей в зонах ниже арматуры без ее разрыва;

- расчет по схеме "обрушение со срезом и вращением" с использованием метода круглоцилиндрических поверхностей скольжения (КЦПС);

- расчет по схеме "выдавливания" без разрыва арматуры;

- расчет на недопущение вырывания армоэлементов из тела насыпи на контакте со слабым основанием.

Расчетные схемы и методы расчета приведены в приложении 8(З).

4.80. Проверка прочности армоэлементов выполняется методом обратного расчета. Для проведения расчетов используется предел прочности армирующего геосинтетического материала при растяжении

, (80)

где - расчетная прочность на растяжение геосинтетического материала;

- требуемая прочность на растяжение арматуры из геосинтетических материалов;

- коэффициент учета ползучести (коэффициент перехода от прочности на растяжение к длительной прочности); принимают = 0,5 - 0,8;

- коэффициент учета повреждения материала при транспортировке, монтаже и уплотнении грунта; принимают = 0,95;

- коэффициент учета стыковки, взаимного перекрытия и соединения армоэлементов; = 0,8;

- коэффициент учета влияния окружающей среды, принимаемый равным 0,9;

- коэффициент запаса для гибких армоэлементов, принимаемый равным 1,75.

Геосинтетические армоэлементы следует выбирать таким образом, чтобы их прочность на растяжение была равна, по меньшей мере, параметру , рассчитанному по формуле (80).

Технологические и разделительные прослойки при строительстве временных дорог на слабых основаниях

4.81. Применение геосинтетических прослоек в основании насыпи при строительстве временных дорог или дорог низких категорий на слабых грунтах осуществляют для снижения неравномерности осадки, а также с целью уменьшения толщины насыпного слоя низких насыпей. При этом предотвращается колейность от движения построечного транспорта в случае низких насыпей и создаются благоприятные условия уплотнения нижних слоев насыпей высотой более 2 м.

Возможность снижения величины осадки насыпи на слабом основании с использованием геотекстильной прослойки в основании за счет уменьшения ее неравномерности определяют в следующем порядке:

- приводят трапецеидальную нагрузку от веса насыпи к эквивалентной равномерно распределенной нагрузке и определяют реактивную силу Т (т/пог. м), возникающую в прослойке при ее растяжении:

, (81)

где - модуль деформации прослойки из геотекстильного материала, , ;

b - полуширина эквивалентной равномерно распределенной нагрузки, м;

S - конечная осадка насыпи без прослойки ;

- мощность слабого основания, м;

- модуль деформации грунта основания , ;

- равномерно распределенная нагрузка, т/пог. м, ;

- определяют необходимую ширину краевых зон нижних слоев насыпи d (м) для обеспечения защемления армирующей прослойки в грунте:

, (82)

где - угол внутреннего трения грунта насыпи;

, 1/м

- устанавливают расчетную нагрузку (т/пог. м, ) на основание от насыпи с армирующей прослойкой:

; (83)

- определяют величину конечной осадки насыпи (м) с прослойкой в основании:

. (84)

При этом различие в абсолютных величинах неармированной и армированной насыпи (т.е. с прослойкой и без нее) составит (м) и снижение объема грунта ниже дневной поверхности за счет уменьшения ее осадки и снижения неравномерности определяют по формуле

, (85)

где l - длина участка насыпи, м.

4.82. При сооружении временных автомобильных дорог, подъездов, площадок, построечных дорог с низшими типами покрытий, а также для обеспечения проезда по насыпям и тому подобным сооружениям на слабых грунтах использование геотекстильных материалов в качестве армирующей и одновременно разделительной прослойки на границе между насыпным и подстилающим грунтом позволяет сократить необходимую толщину насыпного грунта, улучшить условия движения транспортных и уплотняющих средств.

Необходимую толщину насыпного слоя определяют согласно приложению 9(И).

4.83. Разделительные прослойки из геотекстильных материалов рекомендуется применять также в тех случаях, когда нижняя часть насыпи возводится из торфа или глинистого грунта повышенной влажности. При этом разделительные прослойки размещают на границе контакта грунтов различного состава, что обеспечивает повышение несущей способности земляного полотна.

Прослойки укладывают с поперечным уклоном в обе стороны от оси насыпи не менее для исключения застоя воды в теле насыпи.

В ряде случаев при необходимости использования грунтов повышенной влажности при сооружении насыпей для обеспечения устойчивости и ускорения осадки отсыпают дренирующие прослойки из песка. Для исключения перемешивания дренирующих и глинистых грунтов используют разделительные прослойки из нетканых или армирующие прослойки из тканых материалов в основании этих слоев. Это позволяет сократить толщину дренирующего слоя на 20 - 30%.

Применение геотекстильных нетканых материалов для ускорения осадки с помощью вертикальных ленточных дрен

4.84. Вертикальные ленточные дрены в наиболее простой форме представляют собой ленты из рулонного волокнистого материала, вертикально установленные в грунте. Различия между ними сводятся в основном к ширине и толщине ленты, числу слоев образующего ее материала. Возможны также более сложные варианты конструкции дрены с укладкой геотекстиля в несколько слоев, различной структуры и образованием внутри дрены продольных каналов различной величины и формы.

4.85. Ленточные дрены целесообразно применять для ускорения консолидации слабых водонасыщенных грунтов как биогенных (торф, сапропель, заторфованные грунты), так и минеральных (илы, глинистые грунты, мелкие пески), при мощности слабого слоя свыше 3 м на водоупоре и свыше 5 м на водопроницаемом основании. При устройстве геотекстильных дрен в таких грунтах могут быть сняты принимаемые для песчаных дрен дополнительные ограничения по применению вертикальных дрен в слоистых толщах, имеющих крупные включения или прочные слои, затрудняющие погружение обсадной трубы при устройстве песчаной дрены. Применять ленточные дрены следует при обеспеченной устойчивости основания под нагрузкой от веса насыпи.

4.86. Вертикальные геотекстильные дрены целесообразно устраивать в слабых грунтах со степенью влажности и с коэффициентом фильтрации до м/сут. При проектировании дрен следует учитывать неоднородность строения и свойств слабого грунта по глубине и простиранию, благоприятную с точки зрения вертикального дренирования: превышение горизонтальной водопроницаемости над вертикальной, наличие в слабой толще горизонтальной слоистости и горизонтальных прослоек с повышенной водопроницаемостью.

4.87. Необходимым условием применения вертикальных геотекстильных дрен в грунтах с начальным градиентом фильтрации является достаточная величина напора, возникающего в основании под весом насыпи. Критическое значение напора (м) определяется из условия

, (86)

где - эффективный диаметр дрены (диаметр зоны дренирования), м;

- начальный градиент фильтрации с учетом его изменения в процессе уплотнения слоя до степени консолидации u.

4.88. Для ускорения консолидации, проведения предварительного построечного уплотнения, а также для достижения уплотнения грунта при высоте насыпи и давлении, не обеспечивающих преодоление начального градиента, вертикальное дренирование целесообразно сочетать с устройством временной пригрузки, например, в виде дополнительного слоя грунта. Минимальная толщина пригрузки (см) определяется из условия

, (87)

где , - плотность влажного грунта и воды;

- эффективный диаметр дрены;

- проектная высота насыпи, м.

Величину временной пригрузки назначают в зависимости от требуемого срока консолидации насыпи (по условию устройства монолитных слоев дорожной одежды) и ограничивают по условию устойчивости основания. Для насыпей автомобильных дорог II категории и ниже максимальная толщина слоя пригрузки составляет 2 м.

4.89. Вертикальные ленточные дрены должны, как правило, достигать подстилающих слабую толщу прочных слоев грунта. В плане дрены располагают по квадратной или ромбической сетке (с углом 60°).

Эффективный диаметр дрены в зависимости от расстояния между дренами l следует принимать: для квадратной сетки ; для ромбической .

4.90. Для устройства вертикальных ленточных дрен применяют нетканые волокнистые геотекстильные материалы толщиной не менее 3 мм при обжатии уплотняющей нагрузкой 0,05 МПа. Этим условиям, как правило, удовлетворяют нетканые иглопробивные полотна, вырабатываемые как из расплава полимера, так и из штапельных волокон. Текстильное полотно для ленточных дрен должно обладать долговечностью не меньше срока службы дрены (обычно 1 год). Волокнообразующий полимер не должен вызывать загрязнения грунтовых вод.

4.91. Текстильный материал для вертикальных ленточных дрен должен отвечать следующим требованиям:

- поверхностная плотность по ГОСТ 15902.1-80 (масса 1 материала) должна быть не менее 500 для материалов, не обработанных связующим;

- отклонение поверхностной плотности от среднего значения по площади полотна по ГОСТ 15902.1-80 должно быть не более 20%;

- ширина полотна и ширина вырезанной из него дрены должны соответствовать расчетным значениям;

- длина полотна в рулоне и длина дрены в катушке должны соответствовать конструкции установки для погружения дрен и проектной длине дрен;

- толщина полотна по ГОСТ 15902.1-80 должна составлять не менее 5 мм;

- разрывное усилие по ГОСТ 15902.3-79 - не менее 30 Н/см;

- относительная деформация при разрыве по ГОСТ 15902.3-79 - от 30 до 150%.

Кроме того, геотекстильный материал для ленточных дрен должен характеризоваться водопроницаемостью в плоскости полотна (продольной водопроницаемостью), сжатого расчетной нормальной нагрузкой; сжимаемостью под расчетной нагрузкой; величиной и структурой пористости.

4.92. Продольная водопроницаемость геотекстильного полотна измеряется в условиях сжатия его расчетной нормальной нагрузкой, равной боковому давлению, действующему в слабой толще на дрену и возникающему от собственного веса рабочей платформы и бокового давления на глубине середины мощности слабого слоя. Коэффициент фильтрации геотекстильного полотна должен соответствовать принятому в проекте значению, но быть не менее 30 м/сут при нагрузке 0,05 МПа.

Особенности технологии применения геосинтетических материалов в конструкциях насыпей на слабых основаниях дорог общего пользования и временных дорог

4.93. Устройство армирующих, технологических и разделительных прослоек в общем случае состоит из следующих операций:

- подготовки естественного основания;

- раскатки рулонов геотекстильного материала и закрепления полотен на поверхности основания;

- устройства вышерасположенной части конструкции.

В зависимости от особенностей конструкции земляного полотна технологическая последовательность может несколько изменяться вследствие исключения или добавления отдельных видов работ.

При размещении прослойки в основании насыпи, площадки или временных дорог допускается укладывать геотекстильные полотнища на неподготовленное естественное основание при отсутствии на нем леса, кустарника, ям и других пониженных мест. В противном случае следует проводить подготовительные работы в уровне поверхности основания, включающие срезку деревьев и кустарника, срезку неровностей с засыпкой ям, колей и других пониженных мест. В подтопленных зонах следует предусматривать предварительную отсыпку выравнивающего слоя из песка.

При проведении строительства на сильно сжимающихся или очень слабых грунтах особые затруднения могут вызвать операции транспортировки, так как в этом случае необходимо обеспечивать очень низкое давление на грунт в процессе проведения строительства, в частности, при перемещении по строительной площадке транспортных и строительных механизмов. В этих случаях необходимо предусматривать технологические прослойки.

4.94. На технологию строительства при использовании геосинтетических прослоек в основании существенное влияние оказывает состояние поверхности на строительном участке. Должна приниматься во внимание информация о физико-механических и геотехнических свойствах грунта основания, включая наличие и степень прочности высушенной корки, а также о типе и густоте растительности. В тех случаях, когда стройплощадка располагается на низких участках местности, должно быть выполнено рекогносцировочное обследование с тем, чтобы определить горизонт расположения воды в зоне предполагаемого участка строительства.

4.95. Соединение (стыковка). Предел прочности и другие механические свойства геосинтетических материалов в зоне действия главных нагрузок в направлении, перпендикулярном осевой линии сооружения, в значительной степени определяются точками соединения материала. Наличие соединений в направлении продольной оси насыпи неизбежно. Это должно быть принято во внимание при оценке продольной устойчивости насыпи во время и немедленно после завершения строительства.

Если это возможно, геосинтетические материалы должны располагаться перпендикулярно продольной оси насыпи в виде одной непрерывной цепочки (т.е. соединения в этом направлении предпочтительно должны отсутствовать). Соединение "внахлест" полос геосинтетических материалов при их укладке по длинной стороне на поверхности слабых оснований должно быть с перекрытием полос как минимум 50 см. Если полосы будут соединены (сшиты или скреплены скобками), перекрытие может быть уменьшено.

4.96. Подготовка основания. На заросших растительностью основаниях существующая растительность типа кустарников или деревьев должна быть вырезана до уровня грунтов естественного сложения. Предметы, которые могут повредить геосинтетические материалы, должны быть удалены. Мусор, способный пробить материал или причинить ему другое механическое повреждение, также должен быть полностью удален, чтобы обеспечить высокое качество уложенных в конструктив прослоек.

В отношении органических материалов необходимо принимать во внимание процессы их разложения в течение достаточно длительного промежутка времени и процессы влияния продуктов такого разложения на свойства геосинтетических прослоек.

Корни срубленных деревьев или кустарников и растительность, образующая покрытие на основании, должны быть удалены со стройплощадки. На основаниях, имеющих высушенную корку, должны быть предприняты меры по предотвращению разрушения этой корки во время подготовки поверхности основания к укладке армоэлементов и отсыпке грунта. Прежде чем начнется размещение геосинтетических материалов, должны быть выполнены все работы по замене грунтов основания с размещением соответствующей засыпки. Там, где используется выравнивающий слой, закрывающий неровности основания, включая углубления и выступы, следует проявить осторожность с тем, чтобы слой засыпки не влиял отрицательно на вертикальную водопроницаемость грунта естественного сложения. Насколько это возможно, такая засыпка должна представлять собой гранулированный материал, а нетканый сепаратор из геотекстиля должен быть помещен между слабым грунтом и засыпкой с тем, чтобы предотвратить кольматацию засыпки. Особое внимание при этом должно быть уделено мероприятиям по предотвращению перенапряжения или разрыва сухой поверхностной корки или растительного грунта.

4.97. Обработка и размещение. В благоприятных условиях материалы для укладки в основание должны транспортироваться на место проведения работ в рулонах и там раскатываться с выполнением соединения. Для облегчения сращивания рекомендуется использовать определенную последовательность операций (см. ниже).

Дополнительные трудности могут возникать в случае, если геосинтетические материалы должны быть помещены через воду на поверхность болота. Там, где слой воды мал, материалы можно размещать вручную после предварительной выемки грунта и монтажа прослоек. Всплывание геосинтетических материалов с удельным весом меньше 1 должно быть предотвращено локальным погружением. При большом слое воды или в случае невозможности ручного размещения прослоек используют средства малой механизации.

При использовании прочных геотекстильных материалов или георешеток, укладываемых на слабое болотистое основание вручную, рабочие могут перемещаться непосредственно по уже уложенным прослойкам.

Технология устройства ленточных дрен

4.98. Технология устройства ленточных дрен включает несколько операций:

- расчистку поверхности основания от кустарника и деревьев на ширину полосы отвода;

- отсыпку рабочей платформы;

- разметку сетки дрен;

- погружение дрен;

- досыпку насыпи до проектных отметок.

4.99. Перед дренированием слабого основания следует отсыпать рабочую платформу из песка, сквозь которую погружают дрены. Для рабочей платформы используют песок с коэффициентом фильтрации не менее 2 м/сут при ширине насыпного слоя до 20 м и не менее 3 м/сут при ширине свыше 20 м. Минимальная толщина платформы должна обеспечивать проезд и работу машин. Она составляет не менее 1 м на органических грунтах и 0,5 м - на минеральных и удовлетворяет условию

, (88)

где В - толщина геотекстильного материала;

и - коэффициенты фильтрации соответственно геотекстильного материала и песка с учетом нагрузки от веса насыпи, м/сут.

Толщина рабочей платформы может быть снижена в 1,5 раза при укладке полотна сплошным слоем на всю ширину подошвы насыпи. Обсадную трубу в этом случае погружают через геосинтетический материал.

4.100. Процесс погружения дрен состоит из следующих операций:

- заправка дрены в обсадную трубу;

- ее погружение и извлечение; обрезка дрены;

- переезд на новую точку; смена катушки с дреной;

- стыковка дрен с разных катушек.

Заправку дрены в обсадную трубу выполняют один раз для всего участка с помощью проволоки, продеваемой в трубу. Дрену зацепляют за конец проволоки и протягивают сквозь трубу. Конец дрены оборачивают вокруг якоря и вновь заправляют в трубу.

Погружение обсадной трубы ведется равномерно. Подъемы, даже кратковременные, недопустимы. По достижении заданной отметки начинают извлечение трубы из грунта, контролируя визуально сматывание дрены с катушки. После полного выхода трубу поднимают над уровнем земли на 30 см, обрезают дрену ножницами, оставляя конец около 20 см. Выходящий из трубы отрезок дрены стопорят якорем, заправляют в трубу и перемещают на новую точку.

После того как дренажная лента на катушке кончилась, последнюю снимают и заменяют новой. Конец ленты соединяют с началом ленты на второй катушке. Соединение осуществляется внахлест сшивкой нитками, проволокой или скобками.

Ход работ по погружению дрен обязательно фиксируется в журнале производства работ с указанием места, глубины погружения, характеристики материала, шага дрен.

5. Организация наблюдений за деформациями насыпи в процессе строительства и эксплуатации

5.1. При сооружении земляного полотна на слабых грунтах, кроме обусловленного общими нормативными документами контроля качества строительства, необходимы специальные наблюдения за деформациями насыпи и основания. Большинство конструктивных решений предусматривают определенный технологический режим возведения земляного полотна, который невозможно правильно осуществить без систематических визуальных и инструментальных наблюдений. Поэтому мероприятия по наблюдению за деформациями земляного полотна в период строительства до момента сдачи объекта в эксплуатацию должны быть включены в строительную смету.

5.2. Основными задачами наблюдений являются:

- контроль за величиной осадки и затуханием ее во времени;

- фиксирование возможных горизонтальных смещений грунта насыпи;

- выявление образования выпора слабого грунта основания.

Основные наблюдения выполняются производственной лабораторией. Дополнительно к перечисленным проектом организации строительства дороги могут быть установлены наблюдения по специальным методикам за изменением порового давления в грунте, послойными осадками основания, изменением гидрологического режима, упругими прогибами покрытия, а также длительными осадками в период эксплуатации дороги.

5.3. Наблюдения за вертикальными перемещениями выполняются по осадочным маркам.

Простейшая конструкция марки состоит из квадратной стальной плиты толщиной 4 - 6 мм размером не менее 0,5 x 0,5 м с приваренными с нижней стороны по центру заостренным штырем (длиной 30 см) для фиксирования и с верхней стороны мерной штангой (из трубы диаметром 50 мм). Длина мерной штанги принимается равной проектной толщине насыпного слоя в целях предохранения от повреждений ее транспортом при возведении насыпи. Штангу можно составлять из отдельных элементов длиной по 30 - 40 см. Плиту закладывают на поверхности слабой толщи непосредственно перед отсыпкой первого слоя насыпи. Вертикальная отметка плиты фиксируется нивелированием с установкой рейки на обрез мерной штанги.

Поперечники для наблюдения за осадкой назначают в самом глубоком месте и далее через каждые 50 м. Осадочные марки устанавливают по три на каждом поперечнике (одну осевую и две боковые в 1 м от бровки насыпи).

5.4. Наблюдения за горизонтальными перемещениями и возможным выпором ведут по боковым маркам, установленным в одном створе, а также по дополнительным, установленным на поперечнике на расстоянии 3 - 5 м от подошвы насыпи. Замеры горизонтальных смещений ведутся с помощью теодолитной съемки.

5.5. Наблюдения за осадкой и горизонтальными смещениями ведутся в период возведения насыпи ежедневно, первые три месяца после полного возведения насыпи - еженедельно, в дальнейшем - до сдачи дороги в эксплуатацию 2 раза в месяц. При обнаружении резкого увеличения осадки или смещений насыпи в плане ее отсыпку немедленно прекращают для выявления причин деформаций и корректировки проектных решений. В случае фиксирования потери прочности основания назначаются мероприятия по ликвидации опасного состояния и предупреждения дальнейшего развития деформации насыпи и основания.

5.6. При наличии четырех-пяти измерений осадки в первый месяц после возведения насыпи дальнейшую осадку можно прогнозировать по формуле

, (89)

где - полная расчетная осадка, определенная по результатам компрессионных испытаний;

t - время с начала отсыпки насыпи;

Т - параметр, характеризующий интенсивность затухания осадки.

Для использования этой формулы строят график консолидации в координатах (t, t/S), что дает возможность спрямить кривую осадки. В этом случае ход осадки записывается в виде уравнения t/S = at + b. Далее находят величину параметра , где b - отрезок, отсекаемый графиком на оси t/S. Тангенс угла наклона графика есть величина, обратная стабилизированной осадке .

5.7. В случаях, если данные наблюдений за фактическими осадками существенно отличаются от расчетного прогноза протекания осадки, в рабочем проекте следует уточнить расчетные характеристики грунта (коэффициенты консолидации и сжимаемости) путем обратного пересчета по фактическим данным осадки и на их основе уточнить конструктивные решения и режим отсыпки насыпи.

5.8. В процессе возведения насыпи на слабом грунте необходимо систематически контролировать толщину насыпного слоя, определяющую величину нагрузки на основание в заданный момент времени. Для этой цели можно использовать те же осадочные марки с наращиваемыми штангами, на которые должна быть нанесена разметка. Контроль может быть осуществлен также с помощью легкого динамического зонда или путем бурения зондировочных скважин.

5.9. При соответствующем обосновании в проекте наблюдения за деформациями насыпи на слабом основании проводятся и в процессе эксплуатации автомобильной дороги в первый год после завершения строительства. Такие наблюдения обязательны при стадийном строительстве земляного полотна и устройстве дорожной одежды.