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

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 P_пр, большей на ДP, чем P_pacr, в результате чего расчетные осадки S_pacr с заданной степенью консолидации U завершаются за время t_пр значительно меньшее, чем время t_u при обычной консолидации (без ускорения осадки). Об эффективности временной пригрузки можно судить по времени ускорения осадок t_уск:

t_уск=t_u-t_пр, (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 Т_пр — консолидационный параметр, соответствующий относительной осадке л_пр (для пригрузки); Т_pac — консолидационный параметр, соответствующий расчетной осадке л_pacr (для расчетной нагрузки); С — коэффициент переуплотнения; U — степень консолидации.

Параметры Т_pacr и Т_пр (в сутках) определяют по следующим формулам:

(3)

где л_сж.pacr, л_сж.пр — относительные деформации сжатия слабого основания от нагрузки Р_pacr и P_пр (в МПа), вызывающе соответственно осадки S_сж.pacr и S_сж.пр (в см).

С учетом этого получим:

(4)

Из выражения (3) определим отношение:

(5)

где d=Дp/P_pacr — коэффициент перегрузки основания; Дp — величина временной пригрузки.

Тогда:

(6)

Анализ формулы для определения t_уск показывает, что эффективность временной пригрузки зависит от сжимаемости торфяного основания (л_сж.pacr и C=Дл/л_сж.pacr), величины нагрузки (P_pacr и d = Дp/P_pacr) и требуемой степени консолидации U. При этом увеличение S_сж.pacr и U всегда ведет к увеличению t_уск, 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 t_уск, а следовательно, и к повышению эффективности пригрузки. Но коэффициенты С и d зависят от S_сж.pacr, P_pacr, 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 t_уск = 0:

(7)

Используя для определения параметра С компрессионную зависимость Л. С. Амаряна, получим (для торфяных грунтов):

(8)

где l₀ — коэффициент начальной пористости торфа; P_pacr — 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)P_pacr

В частности, при изменении коэффициента пористости торфа l₀ в пределах 8−14 (интервал изменения l₀ для болот 1 строительного типа) минимальные значения коэффициента перегрузки d_min можно определить по табл. в зависимости от требуемой степени консолидации U и расчетной нагрузки P_pacr.

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; l_о = 8−14; P_pacr = 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

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 Др по формуле:

Дp = dP_pacr, (9)

где d — коэффициент перегрузки, минимальные значения которого следует принимать по графику (см. рис. 2).

б) определять консолидационный параметр Т_пр для насыпи с пригрузкой по формуле (3). При этом параметры л, Р и S_сж для насыпи с пригрузкой вычислять по формулам:

л_сж.пр = л_сж.pacr(1+bd),

S_сж.пр = S_сж.pacr(1+bd), (10)

P_пр = Р_pacr(1+d),

где b — безразмерный коэффициент, определяемый по формуле:

(11)

где P_pacr — 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 K^нач_без.пр < 1 определяют коэффициент безопасности основания с учетом его упрочнения при медленной отсыпке насыпи:

(14)

где U_{0 -} степень консолидации основания, достигаемая за время отсыпки насыпи и пригрузки и определяемая в зависимости от величины л_сж.пр.

Если K^конч_без.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 d_mim определяемых по рис. 2. 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 t_cmp=90сут. Для проектирования мы используем следующие данные: h = 1,6 м, S_сж = S_pacr = 0,44 и; l₀ = 10; л_сж = 0,19; P_pacr = 0,045 МПа, P_без. = 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.;

T_pacr=2,5*10^-5*44/(0,19*0,045)²=15,1 сут.

Поскольку продолжительность консолидации t=287 сут. превышает продолжительность строительства t_сmp = 90 сут., для ускорения консолидации основания применяется временная пригрузка. Минимальное значение коэффициента перегрузки определяется по рис. 2. Для (1 + l₀)P_pacr = (1+10) 0,045 МПа, и U = 0,95 d_min = 0,20. Исходя из того, что время консолидации необходимо сократить в 287/90 = 3 раза, коэффициент перегрузки ориентировочно принимается равным d = 2d_min = 0,4.

Устойчивость основания при отсыпке насыпи с временной пригрузкой определяется следующим образом:

Р_пр = 0,045 (1 + 0,4) = 0,063 Мпа;

K^нач_без.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 Т_пр для насыпи с временной пригрузкой определяется:

Т_пр= 2*10^-5*54/(0,23*0,063)²=5,1 сут.;

b=1/(1+1,52(1+10)0,045)=0,57;

S_сж.пр = 44(1+0,57· 0,4)=54 см;

л_сж.пр = 0,19(1+0,57· 0,4)=0,23.

Длительность консолидации насыпи с пригрузкой определяется по формуле (12):

t_пр= 0,95*5,1/0,57*0,4=18 сут.

Полученное время консолидации t_пр=18cmp=90 сут, следовательно, коэффициент перегрузки можно уменьшить.

Принимая d=0,2:

S_сж.пр=44(1+0,57· 0,2)=50 см;

л_сж.пр=0,19(1+0,57· 0,2)=0,20;

Р_пр=0,045(1+0,2)=0,054 МПа;

Т_пр=2*10^-5*50/(0,20*0,054)²=8.6сут.

Продолжительность консолидации насыпи с пригрузкой:

t_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:

Дh = 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 л = 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.

1. Руководство по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах/Минтрансстрой СССР, Союздорнии. — М.: Транспорт, 1978.

2. Яромко В. Н. О типизации слабых оснований по характеру консолидации. — Основания, фундаменты и механика грунтов, 1983, № 4.

3. Яромко В. Н. Прогнозирование осадок слабых водонасыщенных грунтов. — Основания, фундаменты и механика грунтов, 1977, № 3.

4. Амарян Л. С. О закономерностях одномерного уплотнения органоминеральных грунтов. — Основания, фундаменты и механика грунтов, 1980, № 5.

5. Инструкция по расчету дорожных насыпей на торфяных грунтах: РСН 09−84/Госстрой БССР. — Минск, 1984.

6. Проектирование транспортных узлов в сложных геологических условиях/ И. Е. Евгеньев, В. Н. Яромко, В. В. Сеськов и др. — Автомоб. дороги, 1979, № 2.

7. Евгеньев И. Е., Казарновский В. Д. Земляное полотно автомобильных дорог на слабых грунтах. — М.: Транспорт, 1976.