3.5. Расчет устойчивости подтопляемых насыпей

Во многих случаях при проектировании дорог приходится решать вопрос об обеспечении устойчивости насыпей, подвергающихся подтоплению длительно стоящими поверхностными водами. Например, пойменные насыпи, насыпи на болотах, при пересечении бессточных впадин и котловин.

Вода, стоящая у откосов насыпи, проникает в тело насыпи. Уровень воды в теле насыпи располагается по кривой депрессии. При подъеме воды в теле насыпи кривая депрессии имеет вогнутое очертание. При падении уровня воды уровень воды в теле насыпи так же понижается. Но очертание кривой депрессии становится выпуклым (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Схема для расчета устойчивости откосов пойменной насыпи: 1 – сухой грунт; 2 – ось насыпи; 3 – водонасыщенный грунт

Выпуклость кривой депрессии, ее уклон зависит от вида грунта. Уклон кривой депрессии характеризуют величиной гидравлического градиента J, равного tg хорды, стягивающей депрессионную кривую.

Гидравлический градиент J для песков равен 0, для супесей и суглинков 0,05–0,06, для глин 0,06–0,08.

Наиболее опасным периодом для устойчивости подтопляемой насыпи является период, следующий за быстрым спадом высокой воды. Чем быстрее происходит спад воды у откосов насыпи, тем больше разница уровней воды снаружи и внутри насыпи, то есть круче кривая депрессии и, следовательно, больше величина гидродинамического давления. Сила гидродинамического давления при спаде воды направлена параллельно кривой депрессии в сторону к откосу насыпи и является сдвигающей для грунтового массива.

где Δ – плотность воды, кН/м³;

F – площадь водонасыщенной части насыпи, м².

Величина гидродинамического давления наибольшая для пылеватых супесчаных грунтов. В песчаных насыпях с большим коэффициентом фильтрации уровень воды в теле насыпи следует за уровнем воды на откосах, поэтому гидродинамическое давление практически равно нулю. Водонасыщение грунтов влияет только на уменьшение веса песка в зоне подтопления.

Кроме действия гидродинамического давления при спаде воды возникает явление суффозия – вымыв частиц грунта из насыпи.

Итак, особенностью расчета устойчивости подтопляемых насыпей графоаналитическим методом является учет воздействия гидродинамического давления и изменение физико-механических свойств грунта в водонасыщенном состоянии. При водонасыщении насыпи уменьшаются ее вес и сцепление грунта. Коэффициент трения f и угол внутреннего трения φ изменяются мало.

Метод расчета пойменных насыпей, с учетом насыщения грунта водой, предложил К.С. Ордуянц.

При расчете полагают, что выше кривой депрессии грунт сухой, а ниже водонасыщенный.

Как и в случае непотопляемой насыпи, назначают кривую скольжения, отыскивают ее центр, разбивают выделенный грунтовый массив вертикальными плоскостями на элементы, равной ширины.

Границу увлажнения (линию депрессии) определяют следующим образом: находят точку пересечения ГВВ с осью насыпи и от этой точки проводят линию к откосам насыпи с уклоном, равным гидродинамическому градиенту. Сила гидродинамического давления Д приложена к центру тяжести элемента и направлена параллельно линии депрессии.

Плотность грунта насыпи ниже линии депрессии будет меньше за счет взвешивающего действия воды.

,

где δ_сух – плотность сухого грунта, кН/м³;

n – пористость грунта, %.

При составлении моментов удерживающих и сдвигающих сил отдельно учитываются силы, действующие в сухом грунте и водонасыщенном.

где S_n – плечо гидродинамического давления относительно центра кривой скольжения n элемента;

tgφ, C – для сухого грунта;

,, – для влажного грунта;

l₁, l₂ – длина поверхности скольжения соответственно выше и ниже депрессионной кривой.