ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ОЦЕНКЕ МЕСТНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ И ВЫБОРУ
СПОСОБОВ ИХ УКРЕПЛЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ПРИРОДНЫХ
УСЛОВИЯХ

Москва 1970

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящие Методические указания разработаны ЦНИИСом и Союздорнии в развитие соответствующих разделов глав СНиП II-Д.1-62 и II-Д.5-62, «Технических условий сооружения железнодорожного земляного полотна» (СН 61-59), «Инструкции по сооружению земляного полотна автомобильных дорог» (ВСН 97-63) и проекта «Указаний по проектированию земляного полотна железных и автомобильных дорог».

Методические указания целесообразно использовать при проектировании земляного полотна на стадии проектного задания для более полного выявления объемов и сметной стоимости работ по укреплению откосов и обеспечению их местной устойчивости.

Рекомендации Методических указаний в части проектирования противодеформационных мероприятий могут быть применены также к откосам, подверженным деформациям в условиях эксплуатации земляного полотна.

Методические указания в основное следует применять при проектировании мероприятий по обеспечению местной устойчивости откосов выемок. Однако при необходимости основные положения Методических указаний могут быть использованы при оценке местной устойчивости откосов насыпей, а также в случаях, когда требуется определить устойчивость поверхностного укрепления против размыва и сползания по контакту с минеральным грунтом. Вопросы общей и местной устойчивости откосов в грунтах особых разновидностей (лессы в районах засушливого климата, многолетнемерзлые грунты и т.д.) не рассматриваются.

Методические указания составили кандидаты техн. наук П. Г. Пешков (ЦНИИС), В. Д. Казарновский (Союздорнии) и инженеры А. Ф. Флорова, Л. Л. Апполонов (ЦНИИС), Ю. М. Львович и В. И. Рувинский (Союздорнии) с учетом результатов исследований, проведенных ЦНИИСом в 1953 - 60 гг. (В. П. Титов, В. И. Грицык, П. И. Минин), результатов обследования состояния откосов земляного полотна, проведенного Киевгипротрансом, Ленгипротрансом, Сибгипротрансом, Томгипротрансом, Мосгипротрансом и Киевским филиалом Союздорпроекта в 1967 г., а также материалов представленных Г. Д. Михайловым (СибЦНИИС) и Н. П. Затенацкой (ПНИИС).

Указания откорректированы в соответствии с замечаниями Ленгипротранса, Киевгипротранса, Союздорпроекта и ЦНИИ МПС.

ЗАМЕСТИТЕЛЬ ДИРЕКТОРА ИНСТИТУТА                                (А. СМОЛЬЯНИНОВ)

РУКОВОДИТЕЛЬ ОТДЕЛЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО

ПОЛОТНА И ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ                                         (Б. ЦВЕЛОДУБ)

ГЛАВА I. ФОРМЫ И ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ МЕСТНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ

Основные формы нарушения местной устойчивости в зависимости от причин и условий их образования приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные формы нарушения местной устойчивости

Начальными формами нарушения местной устойчивости могут быть трещины по бровке и поверхности откоса, срывы укрепления, незавершенные оплывы, которые могут служить очагами дальнейшего развития деформаций.

Сплывы откосов возникают вследствие снижения прочности грунтов под влиянием физико-химического выветривания и избыточного увлажнения. Они проявляются обычно в виде смещения слоев грунта мощностью 0,4 - 0,8 м в неблагоприятное по погодным условиям время года (весной при оттаивании грунта, осенью и летом после затяжных или ливневых дождей и т.д.).

Основными процессами физико-химического выветривания, ведущими к снижению прочности грунта в поверхностных слоях откоса, следует считать:

промерзание и оттаивание грунтов;

набухание и усадку грунтов при изменении влажности под действием климатических факторов (испарения, осадков, промерзания);

диффузионное выщелачивание, вынос, перенос и отложение солей водой инфильтрующихся осадков и грунтовой водой;

окисление минералов и соединений в грунте кислородом воздуха и инфильтрующейся водой.

В результате протекания этих процессов изменяются состав (главным образом агрегатный и обменных катионов), состояние (структура, плотность, влажность), воднофизические свойства (водопроницаемость, характерные влажности и т.д.) и прочность грунта.

Рис. 1. Схема образования зон активного выветривания в откосе после его сооружения

В первые годы после сооружения земляного полотна процессы выветривания вызывают необратимые изменения свойств грунта, что затрудняет прогнозирование последних при инженерно-геологических изысканиях. Накопление необратимых изменений во времени происходит с постепенно затухающей интенсивностью. Характер и величина изменений состава, состояния и свойств грунта зависит от степени изменения условий его залегания. Если до сооружения выемки выделить зоны сезонного промерзания А (рис. 1), сезонного изменения влажности Б и толщу грунтов постоянного состава и состояния В (скорость изменения определяется геологическими процессами), после образования откоса интенсивность изменения свойств и состояния грунта будет особенно велика у подошвы (зона I), уменьшаясь по высоте откоса (зоны II и III).

В особо невыгодных условиях оказываются грунты подошвенной части откоса, где наблюдаются повышенная влажность, концентрация касательных напряжений и накопление диспергирующих грунт водно-растворимых солей, вынесенных с верхних горизонтов.

Характер изменения свойств и состояния грунта в насыпях зависит от степени изменения условий залегания после перемещения грунта из карьера или резерва в откос и от уплотнения грунта откосной части.

Часто наблюдаемые на откосах насыпей и выемок срывы поверхностного укрепления объясняются значительным водонакоплением и образованием линз льда при промерзании на контакте рыхлого растительного слоя и плотного грунта откоса. Значительная плотность грунта препятствует проникновению корневой системы вглубь его и не обеспечивает достаточного сцепления дернового покрова с грунтом.

Поверхностные воды и дождевые осадки, попадая на неукрепленный откос, вызывают эрозионные деформации его в виде смыва грунта, размывов, разжижения и стекания поверхностного слоя к подошве откоса и т.д. Опасность образования деформаций увеличивается с уменьшением связности грунта, увеличением крутизны откоса и количества стекающей по нему воды.

Выклинивания на откос водоносных горизонтов могут привести к суффозионным деформациям откосов (вымывание мелких фракций и образование выносов). Такие деформации характерны для песчаных и супесчаных грунтов.

ГЛАВА II. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА МЕСТНУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ, И СПОСОБЫ ИХ УЧЕТА

Опасность нарушения местной устойчивости откосов, необходимость применения противодеформационных мероприятий при проектировании земляного полотна устанавливается путем комплексной оценки грунтовых, гидрогеологических, климатических условий, рельефа местности и конструкции земляного полотна.

Оценка грунтовых условий производится на основании материалов инженерно-геологических изысканий и лабораторных определений состава, свойств и состояния грунтов. Оценку опасности возникновения нарушений местной устойчивости можно выполнить с использованием определяющих признаков, приведенных в табл. 2.

Таблица 2

Оценка грунтовых условий по опасности возникновения нарушений местной устойчивости

Δh - набухание образца; h - высота образца.

*⁾ Обменная емкость катионов может быть определена по литературным данным.

При особоопасных грунтовых условиях следует проверить местную устойчивость откосов и при необходимости назначить мероприятия по ее повышению (см. гл. III и IV Указаний).

При опасных грунтовых условиях местную устойчивость можно не проверять, но в проекте предусматривать технологические мероприятия по обеспечению устойчивости (ограничение времени года и сроков разработки выемок, недопущение разрыва во времени между сроками сооружения откоса и его укреплением, увеличение нормы высева и повышение требований к составу и качеству семян и т.д.).

В малоопасных грунтовых условиях проектирование и возведение земляного полотна производят в соответствии с действующими нормативными документами.

Влияние гидрогеологических условий на местную устойчивость откосов учитывается, если проектом не предусматривается устройство для перехвата воды с целью обеспечения общей устойчивости откосов.

На участках со слаборасчлененным рельефом местности и затрудненных условиях для поверхностного стока необходимо учитывать возможность образования сезонной верховодки в почвенном или грунтовом слое.

При расположении выемок на склонах и при пересечении водоразделов оценка опасности образования верховодки производится в зависимости от элементов рельефа вскрываемых выемкой (табл. 3).

Таблица 3

Оценка расположения выемок по условиям рельефа

При опасном расположении выемки по условиям рельефа должны быть предусмотрены мероприятия по перехвату и отводу верховодки от откосов выемки на полную глубину ее распространения.

Климатические условия и конструктивные особенности земляного полотна учитываются при оценке местной устойчивости откосов путем введения в расчет таких показателей, как мощность зоны возможного сплывообрызования, высота откоса, заложение его и т.д.

ГЛАВА III. ОЦЕНКА МЕСТНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ

При проектировании земляного полотна в особоопасных грунтовых условиях (см. табл. 2) производится расчетная оценка местной устойчивости против оползания поверхностного слоя, возникновения сплывов на плоскости ослабления и образования пластических зон в откосе.

Оползание поверхностного слоя (рис. 2б) чаще всего наблюдается в откосах, сложенных пылеватыми водонеустойчивыми глинистыми грунтами с числом пластичности менее 12 при увлажнении их дождевыми осадками, водой снеготаяния и вытаивающих линз и кристаллов льда в грунте. При малой толщине оползающего слоя (до 10 - 15 см) смещение его происходит, как правило, при переходе грунта в текучепластичное состояние. Откос считается устойчивым, если

W_рас ≤ W_р + 0,75 W_п,                                                           (1)

где W_рас -  расчетная влажность грунта в поверхностном слое, %;

W_р -    влажность грунта на пределе раскатывания, %;

W_п -    число пластичности грунта.

Расчетное значение влажности грунта устанавливается исходя из его плотности, способности к набуханию и пучению

,                                                            (2)

где G -     степень водонасыщения пор водой, принимается равной 0,95;

m_р -    расчетная пористость грунта после набухания и пучения;

γ_ск(р) - объемный вес скелета грунта после набухания и пучения, г/см³; γ_в = 1;

,                                                            (3)

,                                                     (4)

где Δ -      удельный вес скелета грунта, принимаемый по справочным данным, г/см³;

j -       относительное набухание грунта, доли единиц;

f -       интенсивность пучения грунта, доли единицы.

Рис. 2. Схемы к расчету местной устойчивости откоса:

а - общая расчетная схема; б - стекание поверхностного слоя; в - сплыв по ослабленному прослою грунта; г - образование зоны пластического течения

Значение относительного набухания грунта принимается по данным лабораторных испытаний ненарушенных образцов, отобранных из шурфов или скважин. Опыты на набухание проводятся без пригрузки.

Интенсивность пучения определяется по данным натурных наблюдений, а при их отсутствии назначается по таблице приложения 6, для чего предварительно вычисляется влажность грунта

,                                                              (5)

где m_н, γ_ск(н) -   соответственно пористость и объемный вес скелета грунта после набухания

,                                                               (6)

.                                                             (7)

При оценке устойчивости по выражению (1) и при использовании таблицы приложения 6 расчетная влажность на границе раскатывания с учетом выщелачивания солей Na, K и частично Ca и Mg, а также в связи с повышенной агрегированностью грунта в зоне промерзания уменьшается на 2 % по сравнению с влажностью W_р(Δ), определенной при лабораторных испытаниях

W_р = W_р(Δ) - 2.                                                              (8)

Образование сплывов (рис. 2в) наблюдается в тех случаях, когда в толще откоса имеется ослабленный прослой грунта, где сопротивление сдвигу S_pw меньше сдвигающего усилия. Ослабленный прослой формируется:

на границе оттаивания равномерно увлажненного грунта из-за резкого уменьшения прочности при переходе грунта из мерзлого состояния в талое;

в местах концентрации вытаивающих линз и прослоев льда (в зоне промерзания переувлажненных пучинистых грунтов);

на нижней границе зоны активного физико-химического выветривания набухающих, усадочных и неустойчивых к химическому выветриванию грунтов.

В последнем случае на этой границе из-за резкого уменьшения водопроницаемости образуется местный водоупор, обуславливающий водонакопление в контактном слое.

В предположении возможности смещения блоков грунта по поверхности ослабления оценка производится путем определения коэффициента местной устойчивости по формуле

,                                                    (9)

где γ -       объемный вес грунта, т/м³;

φ_р, с_р -     расчетные показатели соответственно угла внутреннего трения и сцепления грунта;

n -      заложение откоса; n = ctgα;

H -     полная высота откоса (рис. 2а), м;

A, B - безразмерные коэф