Метод временной пригрузки
Федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
Московский
автомобильно-дорожный государственный технический университет
Кафедра
автомобильных дорог
Курсовая
работа
на
тему: «Метод временной пригрузки»
Выполнил:
студент
2-го курса, дневного отделения
группы
№ АД-11
Михайлов
Александр Сергеевич
Научный
руководитель:
старший
преподаватель
Малянова
Лидия Ивановна
Чебоксары
Задание
Определить толщину слоя пригрузки и минимальную
длительность действия пригрузки.
Исходные данные
Ширина
проектируемой насыпи по верху (B)
|
10
м
|
Глубина
болота (H)
|
8,5
м
|
Высота
проектируемой насыпи (h)
|
1,6
м
|
Средневзвешенное
значение коэффициента пористости основания (l0)
|
10
|
Продолжительность
строительства (tcmp.)
|
90
сут.
|
Расчетные
осадки (Spacr)
|
0,44
|
Относительные
деформации сжатия слабого основания (λсж)
|
0,19
|
Расчетная
нагрузка на основание (Ppacr)
|
0,045
МПа
|
Безопасная
нагрузка на основание (Pбез.)
|
0,075
МПа
|
Показатель
крутизны заложения откоса проектируемой насыпи (m)
|
1,5
|
Показатель
крутизны заложения откоса суженной насыпи (m1)
|
1,0
|
Коэффициент
перегрузки
|
0,36
|
временный пригрузка автомобильный
дорога грунт
Введение
В связи с освоением новых территорий в Сибири и
необходимостью реализации задач, поставленных Продовольственной программой,
значительно возросли объемы дорожного строительства на болотах, переувлажненных
глинистых и других грунтах, обладающих незначительной несущей способностью,
высокой сжимаемостью, и относящихся к категории слабых грунтов.
Строительство автомобильных дорог на слабых
грунтах сопряжено со значительными техническими трудностями, заключающимися в
обеспечении стабильности земляного полотна. Традиционный метод строительства,
предусматривающий замену слабых грунтов устойчивыми минеральными (обычно
песчаными), очень дорогой и трудоемкий. Поэтому на практике широко применяются
методы строительства, при которых слабые грунты не удаляются, а с помощью
различных конструктивных и технологических мероприятий улучшаются и используются
в качестве несущего основания насыпи. К таким методам относятся:
1) Вертикальное дренирование
(осушение) слабых грунтов - один из
распространенных методов, позволяющих ускорить уплотнение слабого грунта от
воздействия массы насыпи и сократить сроки строительства дорог. В слабом
водонасыщенном грунте устраивают близкорасположенные вертикальные дрены, через
которые под действием нагрузки от возводимой насыпи отводится поровая вода, что
способствует ускорению уплотнения и упрочнения слабого основания.
Обычно вертикальные дрены имеют вид скважин,
заполненных песчаным грунтом с высокой водопроницаемостью. По конструктивному
решению и технологии строительства они сходны с песчаными сваями, однако в
отличие от дрен, сваи представляют собой не дренирующую, а несущую конструкцию.
Вертикальные дрены сокращают путь фильтрации
воды, поэтому, регулируя расстояние между дренами, можно теоретически добиться
любой скорости уплотнения слабого основания. По мере уплотнения снижается
влажность слабого грунта и повышается его прочность, поэтому вертикальные дрены
устраивают не только для ускорения осадки насыпи, но и в тех случаях, когда
необходимо снять избыточное поровое давление в напряженном грунтовом основании.
2) Динамическая консолидация
заключается в циклическом приложении к поверхности грунта больших свободно
падающих нагрузок (максимальная масса достигает 40 т, высота падения до 40 м).
Ударные волны и высокие напряжения в грунтах обусловливают компрессию пор,
приводят к разжижению грунта и образованию в нем трещин в результате
перенапряженного состояния.
Уплотнение грунта проводят за несколько проходов
с перерывами на диссипацию поровых давлений. Для определения величины нагрузок,
высоты падения и количества проходов уплотнителей перед началом работ выполняют
полевые и лабораторные исследования. В ходе динамической консолидации проводят
контрольные наблюдения с целью определения состояния грунта. Установлено, что
данный процесс способствует значительному уменьшению сжимаемости грунта,
увеличению его прочности и устранению последствий, возникающих в результате
вторичной консолидации. Глубина уплотнения основания достигает 15-20 м.
Метод динамической консолидации пока не нашел
применения для стабилизации насыпей автомобильных дорог и других транспортных
объектов в отечественной практике. Однако большие возможности этого метода,
сравнительная его простота и невысокая стоимость строительных работ привели к
широкому применению этого метода за рубежом.
3) Метод временной пригрузки -
наиболее простой и доступный для производства метод ускорения сроков
стабилизации земляного полотна на болотах. О нем и пойдет речь в нашей работе.
Расчетная схема. Эффективность и
минимальная величина пригрузки
Суть метода временной пригрузки (рис. 1) состоит
в приложении нагрузки Pпр, большей на ΔP,
чем Ppacr, в результате чего расчетные осадки Spacr с
заданной степенью консолидации U завершаются за время tпр
значительно меньшее, чем время tu при обычной консолидации (без
ускорения осадки). Об эффективности временной пригрузки можно судить по времени
ускорения осадок tуск:
уск=tu-tпр,
(1)
Рис. 1. Расчетная
схема к применению метода временной пригрузки
Однако принятое допущение не окажет
существенного влияния на конечный результат, поскольку определяются не
абсолютные значения t, а их разность. С учетом этого:
(2)
где Тпр - консолидационный
параметр, соответствующий относительной осадке λпр
(для пригрузки); Тpac - консолидационный параметр, соответствующий
расчетной осадке λpacr
(для расчетной нагрузки); С - коэффициент переуплотнения; U - степень
консолидации.
Параметры Тpacr и Тпр (в
сутках) определяют по следующим формулам:
(3)
где λсж.pacr,
λсж.пр
- относительные деформации сжатия слабого основания от нагрузки Рpacr
и Pпр (в МПа), вызывающе соответственно осадки Sсж.pacr и
Sсж.пр (в см).
С учетом этого получим:
(4)
Из выражения (3) определим отношение:
(5)
где d=Δp/Ppacr
- коэффициент перегрузки основания; Δp
- величина временной пригрузки.
Тогда:
Анализ формулы для определения tуск
показывает, что эффективность временной пригрузки зависит от сжимаемости
торфяного основания (λсж.pacr
и
C=Δλ/λсж.pacr),
величины нагрузки (Ppacr и d = Δp/Ppacr)
и требуемой степени консолидации U. При этом увеличение Sсж.pacr и U
всегда ведет к увеличению tуск, т.е. чем больше осадка и выше
требования в отношении стабильности земляного полотна, тем эффективнее применение
временной пригрузки. Увеличение коэффициентов с и d ведет к росту tуск,
а следовательно, и к повышению эффективности пригрузки. Но коэффициенты С и d
зависят от Sсж.pacr, Ppacr, что указывает на
сложный характер влияния величины расчетной осадки и расчетной нагрузки на эффективность временной пригрузки.
Из приведенных соотношений следует, что должно
существовать минимальное значение коэффициента перегрузки, при котором
временная пригрузка будет неэффективна в отношении ускорения осадок. Минимальные
значения коэффициента перегрузки можно найти из уравнения (6) при ускорении tуск
= 0:
(7)
Используя для определения параметра С компрессионную
зависимость Л.С. Амаряна, получим (для торфяных грунтов):
(8)
где l0 - коэффициент начальной
пористости торфа; Ppacr - расчетная нагрузка, МПа.
Для зависимости (8) построен график (рис. 2),
который позволяет определить минимальное значение коэффициента перегрузки в
зависимости от требуемой степени консолидации основания и комплексного
показателя (1+ l0)Ppacr
В частности, при изменении коэффициента
пористости торфа l0 в пределах 8-14 (интервал изменения l0
для болот 1 строительного типа) минимальные значения коэффициента перегрузки dmin
можно определить по табл. в зависимости от требуемой степени консолидации U и
расчетной нагрузки Ppacr.
Таким образом, приведенные данные показывают,
что основными факторами, определяющими выбор величин временной пригрузки,
являются сжимаемость слабого грунта, величина уплотняющей нагрузки и требуемая
степень консолидации основания. Исходя из этого, при строительстве дорог на
болотах с усовершенствованными покрытиями (U = 0,90-0,95; lо
=
8-14; Ppacr = 0,03-0,06 МПа) коэффициент перегрузки принимается не
менее 0,15-0,20.
Рис. 2. График для
определения минимального коэффициента перегрузки
Минимальные
значения коэффициента перегрузки
Расчетная
нагрузка, Ppacr, МПа
|
Требуемая
степень консолидации, U
|
|
0,80
|
0,90
|
0,95
|
|
Минимальные
значения коэффициента перегрузки, dmin
|
<0,03
|
0,20
|
0,15
|
0,10
|
0,03-0,10
|
0,30
|
0,20
|
0,15
|
0,10-0,15
|
0,40
|
0,25
|
0,20
|
Проектирование временной пригрузки
При строительстве автомобильных дорог обычно
применяют следующие конструктивно-технологические решения временной пригрузки.
При использовании схемы (а) грунт временной пригрузки после завершения
консолидации основания используют для отсыпки насыпи на следующих участках
дороги; при использовании схемы (б) грунт распределяют на обочины и откосы в
пределах данной захватки.
Для расчета параметров временной пригрузки
рекомендуется:
а) определять величину временной пригрузки Δр
по формуле:
Δp = dPpacr,
(9)
где d - коэффициент перегрузки, минимальные
значения которого следует принимать по графику (см. рис. 2).
б) определять консолидационный параметр Тпр
для насыпи с пригрузкой по формуле (3). При этом параметры λ,
Р и Sсж для насыпи с пригрузкой вычислять по формулам:
λсж.пр
= λсж.pacr(1+bd),сж.пр
= Sсж.pacr(1+bd),
(10)пр = Рpacr(1+d),
где b - безразмерный коэффициент, определяемый
по формуле:
(11)
где Ppacr - расчетная нагрузка на
основание, МПа; l0 - средневзвешенное значение коэффициента
пористости основания.
в) проверять устойчивость слабого основания при
возведении насыпи с временной пригрузкой. Коэффициент безопасности основания K
нач без.пр вычисляют по формуле:
(12)
где P нач без.пр -
безопасная нагрузка на основание.
Если K нач без.пр ≥
1, допускается быстрая отсыпка насыпи и временной пригрузки и расчет длительности
консолидации производят по формуле:
(13)
При Kначбез.пр < 1
определяют коэффициент безопасности основания с учетом его упрочнения при
медленной отсыпке насыпи:
(14)
где U0 - степень консолидации
основания, достигаемая за время отсыпки насыпи и пригрузки и определяемая в
зависимости от величины λсж.пр.
Если Kкончбез.пр ≥ 1
допускается медленная отсыпка насыпи и пригрузки. Коэффициент перегрузки d для
пригрузки, выполняемой по схеме (б), определяют методом последовательного
приближения в зависимости от требуемых сроков консолидации основания по
следующей формуле:
(15)
где h - высота проектируемой насыпи; B - ширина
проектируемой насыпи по верху; m - показатель крутизны заложения откоса
проектируемой насыпи; m1 - показатель крутизны заложения откоса
суженной насыпи (насыпи-пригрузки).
При проектировании временной пригрузки
варьирование значений крутизны откосов осуществляется в пределах m = 1,5-4,0;m1
= 1-2.
Коэффициенты перегрузки d,
вычисленные по формуле (15), должны быть не менее значений dmim
определяемых по рис.2
<http://www.infosait.ru/norma_doc/48/48009/index.htm>. В противном случае
временная пригрузка по схеме (б) неэффективна и для получения требуемого
коэффициента перегрузки необходимо применять временную пригрузку по схеме (а).
Далее переходим к проектирование
временной пригрузки. Требуется запроектировать земляное полотно автомобильной
дороги IV категории на переходе через болото глубиной 8,5 м. Продолжительность
строительства tcmp=90сут. Для проектирования мы используем следующие
данные: h = 1,6 м, Sсж = Spacr = 0,44 и; l0 =
10; λсж = 0,19; Ppacr
= 0,045 МПа, Pбез. = 0,075МПа, U = 0,95.
Время, необходимое для достижения
заданной степени консолидации основания, определяем по формуле (2):
t=15,1*0,95/1-0,95=287
сут.;
Tpacr=2,5*10-5*44/(0,19*0,045)2=15,1
сут.
Поскольку продолжительность
консолидации t=287 сут. превышает продолжительность строительства tсmp
= 90 сут., для ускорения консолидации основания применяется временная
пригрузка. Минимальное значение коэффициента перегрузки определяется по рис
<http://www.infosait.ru/norma_doc/48/48009/index.htm>. 2. Для (1 + l0)Ppacr
= (1+10) 0,045 МПа, и U = 0,95 dmin = 0,20. Исходя из того, что
время консолидации необходимо сократить в 287/90 = 3 раза, коэффициент
перегрузки ориентировочно принимается равным d = 2dmin = 0,4.
Устойчивость основания при отсыпке
насыпи с временной пригрузкой определяется следующим образом:
Рпр = 0,045 (1 + 0,4) =
0,063 Мпа;начбез.пр =0,075/0,063=1,19.
Коэффициент безопасности больше
единицы, следовательно, устойчивость основания обеспечена при отсыпке насыпи и
пригрузки в режиме быстрого нагружения.
Консолидационный параметр Тпр
для насыпи с временной пригрузкой определяется:
Тпр= 2*10-5*54/(0,23*0,063)2=5,1
сут.;
b=1/(1+1,52(1+10)0,045)=0,57;сж.пр
= 44(1+0,57·0,4)=54 см;
λсж.пр =
0,19(1+0,57·0,4)=0,23.
Длительность консолидации насыпи с
пригрузкой определяется по формуле (12):пр= 0,95*5,1/0,57*0,4=18
сут.
Полученное время консолидации tпр=18<tcmp=90
сут, следовательно, коэффициент перегрузки можно уменьшить.
Принимая d=0,2:сж.пр=44(1+0,57·0,2)=50
см;
λсж.пр=0,19(1+0,57·0,2)=0,20;
Тпр=2*10-5*50/(0,20*0,054)2=8.6сут.
Продолжительность консолидации
насыпи с пригрузкой:пр=0,95*8,6/0,57*0,2=72 сут.
Применение временной пригрузки (d =
0,2) позволяет уменьшить срок консолидации основания на 287 - 72 = 215 сут.
Толщина пригрузочного слоя равна:
Δh = 0,2 (2,5
+ 0,44) = 0,59 м.
Возможность осуществления временной
пригрузки по схеме (б) насыпь-пригрузка определяется следующим образом. Для
проектируемой насыпи h = 1,6 м, В = 10 м, m = 1,5 и λ = 0,3.
Принимая крутизну откоса насыпи-пригрузки m1 = 1, коэффициент
перегрузки равен:
d=2*1,6/10*(1,5-1)=0,16.
Таким образом, в данном случае
возможно осуществление пригрузки по схеме (б), т.е. посредством возведения
сначала суженной насыпи с более крутыми откосами m1 = 1 и высотой,
превышающей проектную на величину пригрузки, с последующим положиванием откосов
после завершения консолидации.
Список литературы
1. Руководство по проектированию
земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах/Минтрансстрой СССР,
Союздорнии. - М.: Транспорт, 1978.
. Яромко В.Н. О типизации слабых
оснований по характеру консолидации. - Основания, фундаменты и механика
грунтов, 1983, № 4.
. Яромко В.Н. Прогнозирование осадок
слабых водонасыщенных грунтов. - Основания, фундаменты и механика грунтов,
1977, № 3.
. Амарян Л.С. О закономерностях
одномерного уплотнения органоминеральных грунтов. - Основания, фундаменты и
механика грунтов, 1980, № 5.
. Инструкция по расчету дорожных
насыпей на торфяных грунтах: РСН 09-84/Госстрой БССР. - Минск, 1984.
. Проектирование транспортных узлов
в сложных геологических условиях/ И.Е. Евгеньев, В.Н. Яромко, В.В. Сеськов и
др. - Автомоб. дороги, 1979, № 2.
. Евгеньев И.Е., Казарновский В.Д.
Земляное полотно автомобильных дорог на слабых грунтах. - М.: Транспорт, 1976.