автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Роль траекторий ползучести при обеспечении длительной устойчивости дорожных насыпей

На правах рукописи

АХМАД СУЛЕЙМАН ЮСЕФ

РОЛЬ ТРАЕКТОРИЙ ПОЛЗУЧЕСТИ ПРИ ОБЕСПЕЧЕНИИ ДЛИТЕЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ДОРОЖНЫХ НАСЫПЕЙ

(05.23.11. - Строительство автомобильных дорог и аэродромов)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА -1995

Работа выполнена в Московском Государственном автомо-бильно-доронном институте (Техническом университете) на кафедре "Инженерная геология и геотехника".

доктор технических наук, профессор Э.М. ДОБРОВ

доктор технических наук В.П.ТИТОВ

кандидат техническлх наук Л.Н.ПАВЛОВА

Ведущая организация: - ГПИ "Совздорпроект"

Защита диссетации состоится ССЮ£(& 1995г.

в " 40 " часов на заседании, диссертационного Совета Д.053.30.01 ВАК РФ при Московском Государственном автоио-бильно-дорокном институте (техническом университете) по' адресу: 125829, Москва, ГСП-47, Ленинградский пр., 64.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные пёчатыо. ..просьба высылать по указанному адресу..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного автомобильно-дорокного института (Технического университета).

Автореферат разослан _1995г.'

Ученый секретарь

диссертационного Совета ' . ВАК РФ Д 053.30.01

канд. техн. наук,\Г~~—

Научный руководитель: -

Официальные оппоненты: -

— Ситников Ю.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Практика строительства и эксплуатации автомобильных дорог свидетельствует, что весьма часто земляное, полотно, параметры которого выходят за пределы типовых конструкций, оказывается нестабильным, обнаруживает во времени недопустимые деформации, которые призодят в конечном итоге к потери- ровности покрытий или к преждевременному разрушению дорожных одежд и увеличивают затрата на ремонт и содержание автомобильных дсрог. В настоящее время при индивидуальном проектировании и строительстве земляного полотна большинство природных условий и факторов, которые влияет на работу и поведение дорожной конструкции во времени, могут быть успешно учтены благодаря фундаментальны! работам в-области дорожного строительства Н.Н.Иванова, В.Ф.Бабкова, А.Я.Тула-, ева. Н. А. ПузакоЕа. В. И. Сиденко. М. Б. Корсунского. В. Д. Казарновско- -го. И. Е.Евгеньева. Г.М.Шахунянца, М.Н.Гольдштейна, В.П.Титова. -Г.С.Переселенкова и др.

Анализу и разработке большого блока вопросов по учету реологических свойств глинистых грунтов при индивидуальном проектировании дородных конструкций земляного полотна посвящены в последнее время работы э.М. Доброва. Значительное внимание в этих исследованиях уделено теоретическим решениям задачи по прогнозу V сдвиговых деформаций контура земляного полотна во времени в зависимости от реологических'свойств глинистых грунтов. Однако.""'полученные им решения по оценке интенсивности и величины накопленных к току или иному моменту времени деформации относятся только к контуру поперечного сечения конструкции земляного полотна и не позволяет выявить характер процесса деформирования элементов грунта, находящихся непосредственно в массиве грунтовой конструкции. В то же самое врет представляется вполне очевидным, что при одинаковом характере деформирования контура откоса земляного полотна закономерности развития деформации его элементов могут значительно различаться в зависимости от разновидности 'грунта и. его реологической модели.

Целью работы в этой связи является изучение особенностей развитая процессов ползучести элементов грунта, непосредственно лежащих в массиве откосов, и дальнейшее совершенствование на этой основе методики прогноза длительной устойчивости дорожных конструкций. . Чч.

Научная новизна работы. Диссертация развивает положения, относящиеся к области изучения процессов длительной деформируемости конструкций дорожных насыпей во времени за счет сдвиговой ползучести глинистых грунтов.

' В диссертации' экспериментально выявлены .особенности развития траекторий вязкого и вязко-пластического деформицования элементов массивов откосов. Установлено, что эти траектории близки к круг-лоцилиндрическим. С учетом результатов экспериментальных исследований теоретически обоснован характер развития касательных напряжений в активной зоне длительного деформирования откоса в завися-" мости от реологической модели грунта и его разновидности.

На запмту выносится.

- результаты экспериментальных исследований траекторий ползучести на моделях откосов дорожных насыпей;

- результаты теоретического анализа материалов экспериментальных исследований;

- результаты и методика прогноза устойчивости реального объекта. .

Практическая ценность- работы. Разработана упрощенная методика. базирующаяся на использовании метода КЦПС, для прогноза длительной устойчивости откосов- земляного полотна, проектируемого по индивидуальным проектам.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты для практического исцользования при разработке новой редакции -СНиЛ 2.05.02.85. -

Апробация работы. Отдельные фрагменты диссертации были доложены автором на- научно-исследовательских конференциях МАЛИ в 1992-93 г. г. .

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения. четырех глав, общих выводов и списка использованной литературы. Диссертация содержит 191 страницу машинописного текста, из них 57 страниц рисунков и 3 таблицы.

~СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации дан анализ опыта строительства земляного полотна автомобильных дорог в сло::-.ких инаэнерко-геоло-гических условиях. Отмечено, что при строительстве автомобильных дорог в условиях, отличающихся значительной пересеченностью' рельефа местности,. наличием крутых и оползнеркх природных склонов.

земляное полотно по своим конструктивным параметрам не вписывается в рамки типового проектирования и характеризуется значительной (более 12м) высотой насыпей и глубиной выемок, наличием различных удеряивагцих сооружений. При этом стоимость сооружения конструк- • ций земляного полотна может достигать 60-70% полной стоимости автомобильной дорога. '

Однако, как показывает обширная дорожная практика, столь сложные инненерно-геологические условия строительства автомобильных дсрог приводят к весьма частым отказам, связанным -с нарушением устойчивости земляного полотна и разрушениям дорожных одеяд. водоотбоджй, удерживающих и ограждающих конструкций.

Весьма часто причиной длительных деформаций элементов конс-тру.таги насыпей автомобильных дорог, является: отсыпка насыпей из, переувлажненных или недостаточно' уплотненных грунтов; расположение насыпей на косогорннх участках природных склонов и их перегрузка: чрезмерно большая высота насыпи и недостаточно развитые ее откосные части: изменение физико-механических свойств грунтов.

3 случае использования переувлажненных грунтов отказы конструкций насыпей из,-за появления деформаций сдвиговой ползучести могут развиваться и при относительно небольших высотах насыпей. В этом случае для обеспечения длительной стабильности дорожных конструкций необходимо, решение целого комплексу геотехнических. задач и в первую очередь требуется оценить степень устойчивости ее сткосных частей.

В начале ' 70-х годов Э. м. Добровым была предлояена методика прогноза величины изменения контура поперечного сечения земляного полотна во времени за счет ползучести глинистого грунта. Прогноз деформации контура и описание характера его изменения во времени к зависимости от реологической модели осуществляется с помощью дифференциального уравнения.

Прк этом скорость изменения высотной отметки ординаты произвольной точки контура грунтового массива во времени зависит всецело от вязких свойств грунта (фактор коэффициента вязкости) и величины угла наклона касательной к горизонту, проведенной в рассматриваемой точке контура, или градиента переспада высот. Такая трактовка физической сущности уравнения позволила З.М. Добро- у ву, в отличие (Заранее существовавших решений по прогнозу ползучести грунта, говорить о закономерностях градиентной теории пол-

зучести применительно к прогнозу деформируемости грунтовых массивов- во времени за счет реологических- свойств'глинистых грунтов.

Однако данный метод, не позволяет оценить величину напряжений в той или иной точке грунтового массива. Для их оценки необходимо привлечение других методов и подходов..,что несомненно снижает ценность данной теории, особенно, когда массив не представляет собой однородную среду и имеет какие-либо локальные ослабленные зоны.

Изучение особенностей развития и формирования траекторий ползучести при деформировании грунтовых массивов во^времени даст возможность разобраться в природе этого процесса и определить пути оценки напряжений, которые .развиваются во времени в грунтовом массиве.

В этой связи, нами были сформулированы следующие основные задачи наших исследований:

1. С учетом различных реологических моделей грунта, используемых для сооружения дорожных насыпей, изучить характер развития траекторий массивов откосов в процессе их ползучести во времени.

2. Разработать физическую модель процесса развития деформаций массива откоса во времени и проверить ее адекватность в усло-•виях лабораторного эксперимента. -

3. Разработать математическую модель, описывающую процесс развития деформаций ползучести массива откоса во времени по различным траекториям, исходя из той или' иной реологической модели грунта.

4. Провести необходимые расчеты реальных объектов земляного полотна автомобильных дорог и разработать соответствующие рекомендации по прогнозу длительной устойчивости откосов дорожных насыпей.

Вторая глава диссертации посвящена рассмотрению экспериментальных исследований по изучению траекторий длительных сдвиговых деформаций моделей откосов земляного полотна. Отмечается, что применительно к условиям дорожного строительства прочностные свойства глинистых грунтов оценивают обычно величиной их сопротивляемости сдвигу. В зависимости от условий происхождения, минералогического состава и состояния как -по плотности, так и по влажности глинистые грунты подразделяют, согт-сно классификации Е.Н.Маслова на две основные группы: скрытопластичные (или псев-

допластичные) и пластичные.

В обобщенном виде прочностные и реологические свойства- глинистых грунтов.. используемых в дорожном строительстве представлены в таблице 1. 4

Далее в диссертации излагается методика экспериментальных исследований, которые были выполнены с целью выяснения особенностей развития во времени траекторий ползучести элементов массива модели отксса. Экспериментальные исследования были выполнены в лотке размером 50x32x4 см. Задняя и передняя его стенки были сделаны из прозрачного-оргстекла толщиной 10 мм. В качестве модельного материала мы использовали смесь песка и эпоксидной (без от-вердигеля) смолы в соотношении 1.5:1.0. Требуемая форма образующей откоса (рис.1а) придавалась модели жесткой съемной стенкой ломаного очертания при горизонтальном положении лотка и снятой" передней стенкой на поверхность модели откоса накладывалась смазанная маслом трафаретка, имеющая сетку круглых отверстий диаметром 10 мм. ' Сетка отверстий имела ортогональную или радиальную структуру.

Табл. 1

NN п/п Разновидность грунта по теории плотности-влажности Н.Н.Маслова Условно-мгновенная сдвиговая прочность Предел длительн. прочности Остаточн. прочность Уравнения течения

Пластсгшая' ¡3, = 1щ т = 0 тг = X» Тело Ньютона

2 Скрытопластич-ная х Тело Бингама-Шведова ^=(Т-Т11т)/Т)

Затем поверхность трафаретки покрывалась слоем порошка мела, последнего она удалялась и на поверхности модели оставались белого цвета к правильной формы меловые марки. 1

Далее- лоток закрывался лицевой стенкой, удалялась съемная стенка - контур модели откоса и лоток переводился в вертикальное положение. '

Начальное (1=0) и все последующие очертания контура модели откоса и связаннее с этим процессом эволюции марок регистрировались с помощью фотофиксации.

- б -

о) • йм | 24 см | /<*сж

1 1

31

Рис.1. Схема очертаний контура моделей откоса

а) ортогональная сетка марок состав: песок + смола -,1,5 : 1,0

температура = 16-18 С

б) радиальная сетка марок

состав: песок + смола - 1,5 : 1,0

в

температура = 19-20 С

56 см

!_ 2! о, 1 Не* & см

ч

Полученные данные фотофиксации затем обрабатывались под увеличителем. что позволило в конечном итоге выявить характерные траектории деформации различных зон массива откоса при искажении ее контура во времени.

В отлидае от ранее выполненных Э. М. Добровым, Р. Е. Неплановой и Л. И. СемеЙяевым исследований; нами кроме регистрации характера изменения контура модели откоса выполнялась фиксация перемещений реперных марок, нанесенных на поверхность модели.

На рис. 2-3 представлены некоторые результаты наших исследований. отображающие очертание контура откоса в начальный момент времени (1=0) и в какой-либо последующий ОО и соответственно положение реперных марок в эти моменты. Соединяя эти положения.марок. можно было получить определенное представление о реальной, величине этого перемещения и.об его направленности. Естественно, что чем меньше интервал времени между этими двумя очертаниями контура и положениями реперных точек, тем ближе эти отрезки прямых будут к реальной траектории движения марки в процессе вязкого деформирования модели откоса. Из анализа экспериментальны данных можно было сделать несколько выводов принципиального характера.

Во-первых, максимальная величина деформаций приходится на точки, лежащие под бровкой откоса. По мере удаления от этой точки вглубь массива к к правой торцовой стекке. лотка происходит постепенное уменьшение этих деформаций. Значительное перемещение также наблюдаются в непосредственной близости около образующей откоса (рис.2-3).

Во-зторых. по мере уположения откоса происходит уменьшение величины абсолютных перемещений реперных кзрок. свидетельствующих о постепенном затухании, процессов вязкого течения материала модели откоса.

В-третьих, перемещения всех реперных точек в зоне откоса близко совпадают с круглоцилиндрическими поверхностями.

Визуальная близость зарегистрированных в процессе экспериментальных исследований траекторий деформаций реперных марок при- * вела, нас к попытке сравнения их очертаний с цилиндрическими поверхностями. Такие сравнения были нами выполнены и при этом оказалось (рис.3), что наиболее близкое совпадение реальных траекторий с круглоцилиндрическими поверхностями наблюдается в -пределах определенных (ступенчатых) интервалов времени (Ди. взятых в про-

■ г, Г

^ -->7>7 /

Рис. Траехто])ии смещения марок моделей

откоса п интервале времени (40-55 мин.) х - полокение марок при = 40 мин. д - положение марок при £ = 55 мин. о —■-•-...

NN><4 —х У/У А

^ ^ . —— ^^ ---- ^ ^ / ^ / * л?

Рис.3 .Траектории смещения пар:-:-: моделеР откоса близки к цилиндрическим повертао;тям.

цессе. всего временного периода вязкого деформирования модели откоса. При этом все поверхности, по которым происходят перемещения. в пределах этого интервала могут быть проведены из одного, центра, лежащего на биссектрисе угла между двумя нормалями к образующей откоса, взятых в начале интервала и в его конце.

Анализ результатов экспериментальных исследований привели нас к' мысли о необходимости изменения матрицы реперных марок, наносимых на поверхность модели, причем, изменяя таким образом, чтобы центральная точка образующей откоса одновременно являлась бы и центром в концентрических окружностях, на которых лежат ре-перные точки - рис. 16. В этом варианте оказалось, что поскольку все формоизменения контура происходят при неизменном ее положении. т.е. контур как бы вращается вокруг этой точки, меняя свою' конфигурацию, учитывая ограниченную стенками лотка зону деформирования, можно было предположить, что на любой момент времени ОО через любое радиальное сечение будет проходить одно и то же количество материала модели рис.26. И если реперные точки будут.расположены ка этих радиальных направлениях (лучах), то их деформации и соответствующие эпюры должны быть взаимосвязаны этим условием. т.е. площади эпюр должны быть равны из-за автоматического соблюдения условий неразрывности деформаций.

На рис.4 представлены результаты фиксации как самих деформаций реперных точек, так и эпюры этих деформаций по различным радиальным направлениям. Анализируя эти результаты можно отметить, что, действительно, все эпюры деформаций имеют одинаковую площадь. свидетельствующих о том. что через данные сечения прошло за М одно и то же количество материала. При этом сама эпюра полных деформаций имеет сложную конфигурацию.. В нижней части она вогнута, а " в верхней части она плавно переходит в выпуклую эпюру с максимумом перемещений на образующей откоса - рис.4.

Таким оГразом. выполненные исследования позволяют сделать весьма принципиальный вывод о том. что искажение профиля откоса во времени за счет его вязкого деформирования сопровождается существенным перемещением всех его элементов, находящихся в зоне деформирования. "Однако при этом эпюра деформаций контура модели откоса во временине совпадает с эпюрами реальных перемещений фиксированных элементов массива откоса. Вместе с тем, с учетом

Рис.4. 2г.юры деформаций':реперных марок на откосе ...• подели по радиальным лучам за М = 10 мин._ •

неразрывности процессов деформирования и физической взаимосвязи процессов искажения контура с перемещениями элементов массива, соблюдается равенство площадей эпюр деформаций контура и эпюр перемещений элементов, происходящих'за одно и то же время Дг.

Третья глава диссертации посвящена теоретическому анализу процессов ползучести массивов откосов в свете полученных результатов экспериментальных исследований. В этом плане прежде всего был выполнен поиск закономерностей развития касательных напряжений, действующих в массиве откоса в процессе его вязкого дефор-• мирования.

Теоретический анализ показал, что участку кривой, отражающей величину накопленных к моменту 00 деформаций ползучести по • радиальной прямой и имеющего вогнутое очертание, соответствует линейный рост касательных напряжений т. Участку кривой деформаций ползучести, который имеет выпуклое очертание, отвечает опять линейная эпюра касательных напряжений т. но убываниях до нуля по мере приближения к образующей откоса. При этом максимальному значению напряжений тпах соответствует точка перегиба эшры деформаций ползучести, построенной вдоль радиального сечения -рис.4.

В результате было получено, что в случае, когда к грунту массива слагающего откос дорожной насыпи, мы подходим с позиции модели реологического тела Ньютона, то характер развития осред-ненных величин касательных напряжений может быть выявлен хорошо известным методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения (КЦПС).

Далее в диссертации был рассмотрен механизм развития дефор- • маций ползучести массива откоса в случае, когда грунт представлен не реологической моделью Ньютона, а Бингама-Швёдова, имеющей. как было выше упомянуто, некоторый порог ползучести.

Использование схемы круглоцилиндрических поверхностей ползучести или вязко-пластического, в случае перехода к модели Бин-гама-Шведэва. течения будет означать, что методом последователь-ныхпопыток на базе блоковой схемы КЦПС находится совокупность величин коэффициента запаса общей устойчивости откоса дорожной насыпи. При этом, исходя из наличия з грунте всех составляющих величин его сопротивляемости сдвигу, т.е. когда 5ри=р1§ф,+сс+1». минимальное значение найденного коэффициента запаса устойчивости откоса ни при каком значении радиуса К кривой скольжения -рис.5-6 не должно .быть меньще .допустимого значения . КД0Пзап. . обычно равного 1.3...1,5 в зависимости от уровня капитальности инженерного сооружения. Как видим из приведенной схемы на рис.5, зависимость Кзап=Г(Ю имеет четко выраженный минимум при каком-то М?^.

Для оценки размеров возможной зоны вязко-плгстических деформаций применительно к тому же самому откйсу необходимо для слагающего его грунта положить, что I, = 0, т.е. в этом случае сопротивляемость сдвигу будет определяться только силами трения и структурного сцепления или. что то же самсе, величиной порога ползучести Зр„=т11га=р1^+Сс. Естественно, что снижение общей прочности грунта должно привести к изменению и перемещению функ-щ;и К,ая-Г(П) рис.5. Видоизмененная функция показана пунктирной линией. Новая функция в наиболее общем случае пересечет линию предельных значений ^„=1,0 - рис.5 в двух точках а5 и а2. отвечающих двум значениям радиуса круглоцилиндрической поверхности ползучести И, и Кг, соответственно. В частных случаях функция Кз1В=НЮ. отвечающая критерию "порога ползучести", может распо-

вязко-пластического течения грунта в массиве откоса.

массиве отксса и смещающегося жесткого блока.

лагаться выае линии Кзап=1.0. и тогда зона вязко-пластичесхого течения будет отсутствовать вообще. Если Функция Кзап=Г(Н) будет касаться линии Кзая-1.0, то зона ползучести будет вырождаться з некоторую линию или траекторшэ вязко-лласткческого течения.

Однако, при переходе к модели Бингама-Шведова с образованием в массиве откоса зскы вязко-пластического течения в пределах К, и 1?2 происходит формирование в откосной части насыпи некоторого блока, знутри которого никаких деформаций ползучести не происходит, т.е. он целиком осуществляет медленное вращение вокруг центра "О" на слое грунта, находящегося в состоянии еяз-, ко-пластического течения. Данная схема деформирования массива откоса насыпи во времени изображена на рис.6.

Рассмотренные выше теоретические схемы развития деформаций , ползучести массивов откоссз дорожных насыпей во времени базируются на определенных упрощенных представлениях механизма реального процесса, который можно считать соответствующим характеру раз@ития деформаций по круглоцилиндрическим траекториям лишь применительно к определенным интервалам времени АЪ, т. к. центр вращения все время смещается по мере уположения откоса, а радиусы' траекторий деформаций течения увеличиваются во времени. Однако мы не преследовали цель разработки методики, которая бы полностью описала весь процесс деформирования' массива откоса во времени, т.к. он описывается более просто дифференциальными уравнениями, предложенными Э. И. Добровым.

Наг/ задачу мы видели в том, чтобы вскрыть внутреннюю природу этого процесса, выявить схожесть и его отличие в случае использования различных реологических моделей грунта и, наконец, дать упрощенный инженерный метод прогноза возможных деформаций ползучести и траекторий их развитая.

В этой связи представлялось целесообразным выполнить серию экспериментальных исследований на моделях откогзв. которые бы не только отвечали тем или иным представлениям о реологической природе грунта, 'но и соответствовали бы найденксл схеме развития деформаций течения по круглоцилиндрическим траекториям.

С этой целью плоская модель откоса с крутизной образующей 1:1 была набрана из металлических полос толщиной 3 мм и шириной 30 мм, изогнутых по цилиндрическим поверхностям, имеющих различ-

ный радиус. НО'исходящих из общего центра вращения "О" - рис.7. Иначе говоря, все полоски изгибались по траекториям концентрических (или вложенных) окружностей. Далее они смазывались смазкой и укладывались на контур откоса, изображенного на тыльной стенке плоского лотка высотой 32 см и длиной 56 см - рис.1. Ук-• ладка элементов производилась так, - что все полосы в конечном счете полностью заполняли (образовывали) массив откоса модели. После" этого из центра образующей откоса проводились мелом радиальные створы-метки, позволяющие фиксировать характер смещения каждой полоски во времени.

Далее лоток становился в вертикальное положение. Этот мо/ мент соответствовал начальному состоянию модели лотка (1=0). Под воздействием силы тяжести каждая из полос стремилась занять во времени более устойчивое положение, развивая при этом ту или иную деформацию. Отметим, что плоский характер поля деформации модели строго соответствовал плоскому характеру ее напряженного состояния, т.к. тыльная стенка лотка использовалась только для укладки полос металла, а фронтальная отсутствовала вообще.

В процессе наблюдения производилась ^фотофиксация деформаций модели откоса.

Учет характера реологической модели, это обстоятельство хотелось бы особо подчеркнуть, производилась путем подбора соответствующей смазки, через которую металлические полоски контактировали друг с другом.

р первом варианте смазка отвечала свойствам реологической модели Ньютона и' тогда взаимное перемещение всех металлических полосок происходило беспрепятственно при любых, сколь малыми они ни были, касательных напряжений, действующих по плоскостям их взаимного контакта.

В конечном итоге каждый элемент занимает равновесное состояние (рис. 7а) и контур модели условно можно считать трансформированным в горизонтальный массив.

Во втором варианте смазка соответствовала свойствам структурированных жидкостей (модель Бингама-Шведова). В этом случае после перезола модели в вертикальное положение также происходил процесс трансформации во времени ее контура. Однако, можно было выделить четко выделяемую зону смещения, где происходит взаимное

Рис 7.- Характер деформирования плоской модели из

металлическихполосокна вязкой (а) и структурированной (б) смазке во времени.

перемещение полос модели, и блоковую (застывшую) зону, где характер взаимного расположения полос не изменяется (прямая линия сохраняется) - рис.76!

Глава четвертая диссертации посвящена анализу длительной устойчиводти реального откоса.дорожной насыпи с-учетом выполненных исследований по выявлению . характера траекторий ползучести грунтовых массивов. В этой главе прежде всего дано обоснование целесообразности использования метода Иванова-Тейлора для оценки степени устойчивости откоса насыпи исходя из предложения о наличии круглоцилиндрических траекторий длительного его деформирования.

Далее приводится описание объекта натурных наблюдений, который представляет собой насыпь еысотой 15 м. расположенную в районе г.Тулы на автомобильной дороге II категории (старая трасса) с асфальтобетонным покрытием. Ее сооружение относится к концу 1969 года и она отсыпана из переувлажненных грунтов.

Значительные деформации земляного полотна. достигающие 30-40 см непосредственно у края дорожной одежды,, привели ее к зависаний и последующему разрушении. Наличие зон подъема нижних частей откосов, а также приблизительное равенство деформаций, подъема и опускания контура поперечного профиля насыпи дали возможность утверждать, что это явление происходит за счет проявле-

ния глубинных процессов сдвиговой ползучести глинистых грунтов!

Согласно полученным, данным величина средней годовой интенсивности осадки бровки откоса составляет 12 см/год.

Исходя из данных результатов полевых наблюдений; выполненных на реальном объекте, представлялось целесообразным, базируясь на разработанной нами приближенной инженерной методике расчета деформаций ползучести" откосов насыпей, учитывающей реальные "траектории ползучести грунта в массиве откоса, провести далее ее практическую апробацию.

В соответствии с предложенной нами выше методикой прогноза деформаций ползучести-откосов дорожных касыпей в качестве первого шага при анализе конструкций реальной насыпи был выполнен расчет-общей устойчивости откоса насыпи с определением величины кза^. Лри этом принимались следующие характеристики грунта: угол внутреннего трения <р„=16°30': общего" сцепления с,=1,7 т/ы2-структурного сцепления Сс=1,56 т/м2; связности Х„=0,14 т/м2: плотности К»=2.О т/м3. Отыскание центра критической поверхности скольжения, т.е. имеющей Кзап минимальной, производилось по графику Янбу. При этом величина радиуса дуги скольжения блока обрушения оказывается равной 11=26. Ом- рис. 6.

Используя метод Иванова-Тейлора, была расчитана величина минимального коэффициента запаса устойчивости откоса насыпи, исходя прежде всего "Из полной Прочности грунта (ф,-0; *Сс*0). Он оказывался разным 1.01, что свидететствовало об отсутствии возможности обрушения откоса.

Далее необходимо было выполнить оценку возможности развития деформаций ползучести откоса по данной поверхности скольжения. Для этой цели был выполнен повторный расчет Кзав. но уже с учетом только сил внутреннего трения грунта и жесткого структурного сцепления (<р,=0 и Сс*0 при 2,-0).

В этом случае оказалось, что величина Кзап(в1п) = Кзап = =0.97<1,0, что свидетельствовало о возможности развития в откосе деформаций ползучести. Однако для расчета их интенсивности требовалось определить величину возможной активной зоны ползучести. Для этого необходимо было, уменьшая или увеличивая радиус кривой скольжения методом последовательного приближения, найти две другие кривые скольжения, которые бы соответствовали такому сочета-

^ Рис.8 • Расчетная схема поиска и построения активной зоны ползучести в массиве откоса.

кию сдвигающих и удерживающих сил.в массиве откоса, .при которых величина Кзап была бы равна единице. Одна из них с радиусом 1?=26,8 м отделяет зону устойчивости во времени части массива насыпи от зоны ползучести, другая И=24,8 м является границей зоны ползучести и жесткого отсека - рис.8., который перемещается на вязко-пластическом основании целиком без разрушения. Той и другой кривой соответствует значение Кзап = 1.0. а полная величина ожидаемой зоны, ползучести равна 2.0 м.

Для упрощения, полагая, что кривая скольжения с минимальным Кзап = Кзап(ш1п) проходит па центру зоны ползучести, а действующие нормальная Р и касательные Т суммарные силы и соответствующие им напряжения отвечают отсеку, имеющему радиус И = 26,0 м, величина порога ползучести тПв и непогашенных активных касательных напряжений т11в будут иметь значения, приведенные в таблице 2.

Табл.2

Радиус кривой скольжения Длина дуги скольжения Сдвигающая, сила Нормальная сила Напряжения средние Порог ползучести Максимальное активное сдвигающее напряжения

нормальные касательные

R L Т. Р б т Tllm А^иах

м м т/м1 т/м1 МЛа' МЛа МЛа МПа

26,0 34,8 132.3 24,3 0.0698 0, 033 0,0366 , 0,0014

Исходя из того, что наблюдаемая средняя деформация осадки бровочной части насыпи составляет 12 см/год, величина соответствующей динамической вязкости грунта в зоне ползучести сказывается равной 3,7x1011 Па.с., что соответствует пластичной консистенции грунта, для которой эта ьзличина лежит в интерзале, согласно исследованиям H.H.МаЙова и з'.Н.'Карауловой, от ,1.10й до 1.1012 Jla. с. ....

Таким образом, действующее в толще откоса непогашенное силами трения и суепления (Сс) активное касательное напряжение Дт величиной всего лишь -0,014 кг/смг при мощности активной зоны 2,0м способно развивать во времени столь высокую интенсивность деформаций ползучести.

Таким образом, предложенная нами -методика реологического анализа длительной устойчивости откосов земляного полотна во времени, базируясь на результатах экспериментальных исследованиях особенностей траекторий ползучести моделей откосов, поззоля-.ет, используя и развивая традиционные инженерные методы расчета устойчивости, оценить величину возможных деформаций ползучести конструкций с учетом реологических особенностей глинистых грунтов в случае необходимости позволяет внести соответствующие поправки в проектные решения.

. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Существующий метод прогноза длительной устойчивости откосов земляного полотна, сооружаемого в сложных инженерно-геологических условиях и отливающегося повышенной высотой насыпей и глубиной выемок, использованием грунтов повышенной влажности и т.п. условиями, базируется на оценке возможной величины накопления необратимой деформации их контура. Однако при этом оставался невыясненным сам механизм формирования областей и зон развития сдвиговой ползучести в массиве откоса, который должен быть различим в зависимости от реологических свойств того иди иного грунта.

2. Экспериментальные исследования на моделях откоса показали, что массив откоса в процессе искажения его контура во време-,ни испытывает деформаций ползучести, развивающихся и происходящих в общем случае по сложным траекториям.

3. Максимальные деформации смещения испытывают элементы массива откоса, находящиеся вблизи его образующей.

4. В пределах относительно небольших перемещений реперных точек и элементов контура траектории ползучести оказываются весьма близки к круглоцилиндрическим поверхностям имеющим различные радйусы й один обкий центр вр'йщения.

5. Эпюры деформаций ползучести, построенные на радиальных сечениях, проходящих через центр образующей, имеют одинаковые площади, равные по величине площадям эпюр деформаций ползучести контура модели откоса, взятых выше или ниже центральной точки на образующей откоса. . ■

Конфигурация эпюр.ползучести элементов массива откоса имеет-достаточно сложный характер и описывается последовательно вогнутой и выпуклой параболами.

6. Выявленная в процессе исследований конфигурация радиальных эпюр деформаций элементов массивов откосов отвечает вполне определенному характеру развитая дейстзутащх касательных напряжений. если речь идет о материале, отвечающей реологической моде ли. тела Ньютона, или активной, непогашенной с"г.ами трения и сцепления части касательных напряжении, есгг речь ;;дет о теле Бингама-Шведоза. ' .

7. Характерной особенностью данных эпюр касательных* напряжений является их постепенное линейное, по мере перемещения.от. переферии массива откоса к центру его образующей, возрастание до максимального значения, а затем линейное падение до нуля.

Уменьшение зоны активных деформаций ползучести приводит к возрастанию ординат эпюр касательных напряжений и их максимального значения, а увеличение зоны наоборот вызывает их уменьшение. При этом площадь эпюр, как и эпюр деформаций, из-за проявления закона неразрывности-остаются одинаковыми на лвбой момэкт времени наблюдения.

8. Результаты экспериментальных исследований позволили разработать упрощенную схему прогноза возможных деформаций откссов дорожных насыпей, во времени за счет ползучести глинистых грунтов.

9. При этом установлено, что в случае, если глинистый грунт откоса отвечает реологической модели вязкого тела Ньютона, то деформации ползучести развиваются по цилиндрическим траекториям по всему сечению активной зоны деформирозакия.

В случае, если грунт имеет угол внутреннего трения и сцепления. обуславливающих "порог ползучести", то деформации ползучести развиваются в ограниченном зоне, на которой движется цельный блок откоса без проявления, в кем "внутренних", деформаций.

10. Результаты теоретического анализа подвержены последующими исследованиями ка моделях откоса,' изготовленных из метал.ш-ческих концентрических полос, уложенных на различи;/?? смазку в зависимости от ее реологических свойств, а также анализом устойчивости реального обьекта дорожной насыпи, отсыпанной из переувлажненных грунтов. . .

11. Предложена упрощенная методика реологического анализа длительной устойчивости откосов дорожных насыпей, сооруженных в сложных инженерно-геологических условиях.