ПРИМЕНЕНИЕ  НЕТКАНЫХ  СИНТЕТИЧЕСКИХ  МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ  ПОВЫШЕНИЯ  УСТОЙЧИВОСТИ  БАЛЛАСТНОЙ ПРИЗМЫ  ЛЕСОВОЗНЫХ  ДОРОГ  НА  СЛАБЫХ  ГРУНТАХ

 

Костюков И.И., Орехов М.М.,Гумерова О.М. (СПбГЛТА, г.СПб, РФ),

Агабеков Р.А. (инженер ГСК «Нева», г.СПб, РФ)

 

Application of synthetic materials at erection of embankments allows to improve consolidation conditions грунтов an earthen cloth, to reach is equal-dimensional drainage of roadsides and slopes of an earthen cloth, to create possibility of erection of embankments on weak грунтах at considerable simplification proiz-vodstva works.

 

Использование геосинетических материалов при устройстве земляных сооружений, для решения конструктивных и технологических задач, обусловлено следующими функциональными назначениями:

– разделение грунтовых сред (особенно на слабых основаниях);

– фильтрация и дренирование;

– защита от эрозии;

– армирование слабых оснований и укрепление откосов;

Начиная с 70-х годов прошлого века в нашей стране ведутся целенаправленные научные исследования по рациональному применению геосинетических материалов для обеспечения надежности и долговечности земляных сооружений. Разработанные на основе этих исследований нормативные документы (ВСН 26-90, ВСН 84-89, ВСН 49-86) регламентируют проектные и конструктивные решения, в том числе и для временных дорог на слабых основаниях.

Для временных лесовозных дорог без капитального типа покрытия на слабых основаниях используются следующие конструктивные решения с применением нетканых материалов.

Рисунок 1

1 – геотекстиль;  l – площадка обрушения откоса; L – ширина ездового полотна

Рисунок 2

1 – геотекстиль;  2 – дополнительная пригрузка откоса; 3 – выемка грунта

Рисунок 3

1 – геотекстиль;  4 – георешетка

 

В тех случаях, когда устойчивость неармированной насыпи, при низких прочностных показателях композиции из насыпного грунта С (сцепление) и (угол внутреннего трения грунта), не обеспечивается, использование тканных материалов и георешеток производится различными способами.

Рисунок 4

4 – геомат;  5 – георешетка

 

Выбор армирующих элементов определяется на основе расчетов по первой группе предельных состояний. Определение равноустойчивого очертания откоса по теории предельного равновесия, предложенной В.В. Соколовским [1], для однородных грунтов решается в безразмерных величинах (опр. по табл. [1]).

Рисунок 5- Схема к расчету устойчивости плоского откоса:

1 – насыпь;  2 – слабые основания; 3 – армоэлемент из геосинтетического материала;

4 – критическая поверхность скольжения

 

,                                           (1)

.                              (2)

Очертания откосов определяются в безразмерных координатах [1]:

;           ,                             (3)

где g – удельный вес грунта.

При этом максимально возможная высота (при j = 0) откосов

h = 2c / g.                                                  (4)

Для связных грунтов, обладающих и трением и сцеплением расчет устойчивости откоса производится методом круглоцилиндрических поверхностей [2] рис. 6.

Рисунок 6- Схема к расчету устойчивости откосов

методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения:

а) расчетная схема; б) определение положения наиболее

опасной поверхности скольжения; 1, 2, … – номера элементов

 

Увеличение несущей способности и устойчивости дорожной насыпи обеспечивается армирующим слоем из геосинтетика (АС) за счет дополнительного удерживающего момента.

Для определения растягивающего усилия в АС необходимо рассчитывать поверхность скольжения или границу активной зоны в насыпе. Кроме того, устанавливается необходимая длина геосинтетической арматуры в пределах дуги поверхности скольжения и за ее пределами.

Максимальная нагрузка в АС составляет:

                       (5)

где  N_tug – растягивающее усилие в армоэлементе в расчете на 1 пог.м;
Ka – коэф. бокового давления, равный tg2 (45° – j/2);  H – высота насыпи, м;  g_s – удельный вес грунта;  x – коэф. удельного веса грунта;  q_w – распределенная нагрузка, т/пог.м;  f_q – корректировочный коэф. распределенной нагрузки.

 

На основании новых представлений о природе деформации песка в откосной призме при динамических воздействиях, образовании активной зоны и развития динамической осадки гребня откоса (рис. 7), предлагается решать данную задачу устойчивости откосов автомобильной дороги следующими способами.

 

Рисунок 7

 

Во-первых, устанавливается величина критического ускорения в откосной призме – .

Во-вторых, в случае a >  путем проведения соответствующих мероприятий увеличивается величина критического ускорения (АС) или уменьшается интенсивность динамического воздействия для выравнивания обеих частей неравенства. Тогда образование активной зоны в откосе можно считать условной. В этом случае представляется возможным производить расчет соответственно статическим условиям.

Проведение исследования о деформациях песчаного грунта в откосной призме при динамических воздействиях и образовании активной зоны показывают, что методы оценки устойчивости откоса при вибрации, основанные на представлениях о круглоцилиндрических поверхностях скольжения [2], не соответствуют природе протекающих при этом процессов и могут рассматриваться как полуэмпирические инженерные приемы.

Исходя из предложения производить оценку устойчивости песчаного откоса при динамических воздействиях с учетом сопоставления фактического ускорения колебаний с критическим, диктуются и необходимые мероприятия по обеспечению требуемой степени устойчивости.

На основании полученных данных натурных замеров амплитуды смещения в различных пунктах откосной призмы и на различных участках лесовозной дороги были получены значения коэффициента загасания колебаний, в свою очередь связанные зависимостью с крутизной откоса. Графически данная зависимость представлена на рис. 8, которую аналитически можно представить выражением:

,                                           (6)

где  m – коэффициент заложения откоса;  e, l – угловые коэффициенты, представленные на рис. 8.

 

Рисунок 8- Ускорение колебаний маловлажного мелкого песка

в насыпи автомобильной дороги

 

(a = 1232 мм/сек, a = 1100 мм/сек,... a = 1232 мм/сек ), вычисленное по формулам (1), (2) при m = 0,0233 микрон.час/км т, Р = 21 т, v = 70 км/ час,
f = 30 гц, d₁ = 0,73 1/м, d₂ = 0,25 1/м, e = 0,85 1/м, l = 0,004 1/м², а = 2 м,
в = 1 м (в частном случае e = 0,85 1/м, l = 0,004 1/м²).

В общем случае коэффициент e следует представить в виде двух множителей: e = kd₁. Приняв первый множитель k постоянным (согласно наблюдениям k = 0,85 / 0,73 = 1,16), получим:

                                        (7)

Поскольку коэффициент l, по своему численному значению весьма мал, a Z в данных условиях имеет ограниченное значение, произведение lZ существенно меньше других слагаемых в выражении (6). Поэтому, пренебрегая последним слагаемым, будем иметь:

                                                (8)

Пренебрежение значением lZ приводит к незначительному завышению амплитуды, определенной по формулам с учетом этого произведения. Сравнительные расчеты показывают, что погрешность составляет не более 10%.

Численные значения коэффициентов загасания, которые определены на основании результатов натуральных наблюдений на лесовозных насыпях с откосами 1:1,5, следующие:

· по глубине d₁ = 0,75 1/м – мелкий песок, d₁ = 0,50 1/м – песок средней крупности;

· по горизонтали d₂ = 0,25 1/м – мелкий песок, d₂ = 0,17 1/м – песок средней крупности;

· в откосной призме d₃ = 0,32 1/м – мелкий песок.

Опыты с моделями откосов в лотке показывают, что мощность или площадь активной зоны тем больше, чем больше динамическое воздействие (ускорение колебаний), чем меньше плотность песка, слагающего откос, а также чем больше угол заложения откоса.

Зависимость площади активной зоны от ускорения колебаний и плотности песка при различных углах заложения откоса представлена на рис. 7. Если кривую, отражающую зависимость w = F (a, D), экстраполировать до пересечения с осью координат, то отрезок, отсекаемый кривой на оси абсцисс, будет выражать величину критического ускорения колебаний, т.е. такого ускорения, при котором начинается деформация откосной призмы с образованием активной зоны.

Вывод: При использовании геосинтетики необходимо учитывать форму обрушения откоса и величину ускорения колебаний в активной зоне. Несущая способность земляной насыпи существенно повышается за счет размещения АС по расчетной границе активной зоны откоса с соответствующей длиной контактирования армоэлемента с материалом насыпи.

Более точное определение формы и границы активной зоны позволит правильно распределить геосетки в зависимости от характера нагрузки и типа грунта в балластной призме дороги.

Укрепление земляного полотна такими неткаными синтетическими материалами (их выпускают толщиной 0,5 – 3,5 мм и шириной 2 – 6 м), как «дорнит», «бидим» и др., способствует улучшению устойчивости насыпи, облегчает их возведение при максимальной влажности слабых грунтов и улучшает дренирование. Использование слабых грунтов в качестве основания насыпи лесовозной дороги резко снижает объемы земляных работ и, как правило, стоимость возведения земляного полотна. Поэтому данный вариант должен всегда рассматриваться как основной из конкурирующих.

Применение синтетических материалов при возведении насыпей позволяет улучшить условия уплотнения грунтов земляного полотна, достигнуть равномерного осушения обочин и откосов земляного полотна, создать возможность возведения насыпей на слабых грунтах при значительном облегчении производства работ.