В целях снижения нагрузки на недостаточно устойчивое основание допускается при устройстве насыпи использовать материалы с объемным весом меньше, чем у грунта. Одним из таких заполнителей являются блоки из экспандированного пенополистирола (EPS). EPS - легкий материал с уникально малой плотностью (1% от плотности обычного грунта [5]). Однако при строительстве насыпи из пенополистирола на участках с повышенным уровнем воды существует опасность гидростатического всплытия всей насыпи над поверхностью основания.
Цель исследования: определить минимально требуемый вес пригруза, который позволит обеспечить устойчивость насыпи по гидростатическому всплытию, и предложить расчетные графики, отображающие зависимость необходимого веса пригруза от отношения уровня воды к высоте насыпи при различных углах заложения откосов и ширине проезжей части.
Материалы и методы: в качестве примера рассмотрена трапецеидальная насыпь с вертикальными откосами, т.к. именно такой вид насыпи наиболее часто применяется в транспортном строительстве. Конструктивная схема показана на рис. 1.
Рис. 1. Конструктивная схема насыпи из пенополистирола: 1 - блоки из EPS;
2 - дорожная одежда; 3 - бетонная плита; 4 - грунтовое покрытие откосов;
5 - выравнивающий слой песка.
Как правило, используется следующая технология возведения насыпи. На поверхности существующего грунта устраивают выравнивающий слой из песка, поверх которого укладывают блоки с соблюдением перевязки. Для того чтобы нагрузка на блоки передавалась равномерно, на поверхности верхних EPS-блоков укладывают бетонную плиту (кроме того, бетонная плита выполняет функцию мембраны - защиты от разлившихся по проезжей части нефтепродуктов). На поверхность бетонной плиты укладывают дорожную одежду. Рекомендуемая крутизна откосов насыпи - 1:0; 1:0,25; 1:0,33; 1:0,5 [5]. На участках с очень слабыми основаниями могут устраиваться более пологие откосы. Высота насыпей от 1,5 до 16 и более метров. Для засыпки боковых откосов могут применяться традиционные типы грунта. Толщина засыпки должна быть не менее 0,25 м [5].
На рис. 2 представлена расчетная схема насыпи. На схеме обозначены силы и давления, действующие на трапецеидальную насыпь с крутизной откосов θ, высотой H и шириной поверху Lн.. Предполагается, что одинаковый уровень воды с обеих сторон насыпи является наихудшим сценарием, т.к. на уровне основания с обеих сторон насыпи действует одинаковая гидростатическая подъемная сила. В расчет принимались только статические давления воды. Фильтрационные давления не рассматривались.
Дополнительный пригруз верха EPS-блоков Q, необходимый для получения требуемого коэффициента запаса, включает в себя вес дорожной одежды и грунтового покрытия откосов насыпи.
Рис. 2. Расчетная схема насыпи: H - высота насыпи, м; h - уровень воды, м; Lн - ширина насыпи поверху, м; Вн - ширина насыпи понизу, м; Fводы - подъемная сила воды, кН/м; PEPS - вес массива EPS-блоков, кН/м; Pводы - удерживающая сила воды, действующая на откосы, кН/м; θ - угол заложения откоса, град; рводы - давление воды, оказываемое на основание и поверхности откосов насыпи, кН.
Результаты и обсуждение
Принято, что блоки уложены на поверхность грунта, основание и всплытие будет происходить над поверхностью контакта, поэтому в дальнейшем расчете рассматривается только сама насыпь.
Насыпь будет устойчива по гидростатическому всплытию, если будет выполнено следующее условие:
,
где Кзап - коэффициент запаса по всплытию; Fводы - подъемная сила воды, кН/м; Pводы - удерживающая сила воды, действующая на откосы, кН/м; PEPS - вес массива EPS-блоков, кН/м, Q - вес дополнительного пригруза, кН/м.
Дополнительная транспортная нагрузка не учитывается, т.к. она действует кратковременно и может отсутствовать в условиях гидростатического всплытия.
Ввиду того что гидростатическое всплытие вызывается кратковременной нагрузкой (аналогичной сейсмической), рекомендуется Kзап принимать равным 1,1 [3]. Таким образом, из условия устойчивости, уравнение для определения веса требуемого пригруза будет следующим:
,
где γEPS - объемный вес EPS, кН/м3; H - высота насыпи, м; Lн - ширина насыпи поверху, м; Вн - ширина насыпи понизу, м; h - уровень воды, м; θ - угол заложения откоса, град; γводы - объемный вес воды, кН/м3; Q - вес дополнительного пригруза, кН/м.
После преобразования получаем следующее выражение:
В целях упрощения расчета разработаны графические зависимости по гидростатическому всплытию насыпей различной высоты исходя из веса пригруза Q, соответствующего коэффициенту запаса, равному 1,1.
Значения Q, указанные на рисунках 3, 4, 5, представляют собой требуемый вес материалов (в кН), которые необходимо уложить на EPS-блоки, приходящийся на погонный метр длины насыпи. Расчетные графики разработаны для насыпей со следующими характеристиками: ширина поверху 15, 28 и 36 м, крутизна откосов 1:2, 1:3, 1:4 при трех параметрах высоты (4, 8 и 10 м).
Расчетные графики действительны только в пределах отношения уровня воды к высоте насыпи равного 0,5, то есть глубина воды ограничена 50% высоты насыпи, так как насыпь с более высоким уровнем накопленной воды является, по сути, плотиной, для которой потребуется уложить на EPS-блоки чрезмерно большой пригруз, чтобы обеспечить требуемый коэффициент запаса [5].
Рис. 3. Расчетные графики гидростатического всплытия насыпи с крутизной откоса 1:4 при коэффициенте запаса 1,1, при трех параметрах ширины дороги.
Рис. 4. Расчетные графики гидростатического всплытия насыпи с крутизной откоса 1:3 при коэффициенте запаса 1,1, при трех параметрах ширины дороги.
Рис. 5. Расчетные графики гидростатического всплытия насыпи с крутизной откоса 1:2 при коэффициенте запаса 1,1, при трех параметрах ширины дороги.
Выводы
В результате работы была получена формула определения веса пригруза Q, необходимого для обеспечения коэффициента запаса по всплытию, равного 1,1, и получены расчетные графики гидростатического всплытия насыпи с различной крутизной откоса при коэффициенте запаса 1,1, при трех параметрах ширины дороги.
Рецензенты:
- Добромиров В.Н., д.т.н., профессор, директор Института безопасности дорожного движения, г. Санкт-Петербург.
- Ушаков А.И., д.т.н., профессор, директор ООО «Научно-производственный информационно-консультационный центр-плюс», г. Санкт-Петербург.
Библиографическая ссылка
Матюсова Е.Ю. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ВСПЛЫТИЕ ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОЙ НАСЫПИ ИЗ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА. ПОДБОР ПРИГРУЗА // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 4. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6820 (дата обращения: 19.04.2024).