Условия нагружения и основные причины возникновения деформаций земляного полотна

Статические и динамические вертикальные (нормальные) и касательные (тангенциальные) силы, передаваемые колёсами транспортных средств через дорожную одежду на земляное полотно, вызывают напряжения и деформации в его теле, вследствие чего земляное полотно изнашивается и разрушается.

Обычно при определении напряжений и деформаций в земляном полотне многослойные конструкции приводят к двухслойным моделям (рис. 5.2.).

Рис. 5.2. Двухслойная модель дорожной конструкции

Вертикальные напряжения в земляном полотне по оси действующей нагрузки, равномерно распределенной на поверхности покрытия по площади круга диаметра D для конструкций, работающих в стадии обратимых (упругих) деформаций, могут быть определены по формуле проф. М.Б.Корсунского:

s_z(0) = ; (5.1)

а в расстоянии r от оси действующей нагрузки:

s_z(r) = (5.2)

z_Э= z–h+h_Э = z+h ; (5.3)

, где (5.4)

Р — давление на покрытие, МПа;

z — фактическое расстояние по вертикали от поверхности покрытия до рассматриваемой точки в земляном полотне, а z _Э — расстояние до той же точки от поверхности дорожной одежды с эквивалентной толщиной h _Э, см;

r — расстояние по горизонтали до этой точки от оси действующей нагрузки, см;

h — общая толщина одежды, см;

h_Э — толщина эквивалентной дорожной одежды, см.

Сопоставления вертикальных напряжений, измеренных в грунтах, подстилающих различные конструкции одежд, с напряжениями, вычисленными по теоретическим формулам, приведены на рис. 5.3 и 5.4.

На рис. 5.5 приведены закономерности распределения по оси действующей нагрузки наибольших касательных напряжений в нижнем слое (подстилающем одежду грунте) двухслойной модели при вертикальном давлении на ее поверхность по круглой площадке.

Рис. 5.3. Зависимость напряжения в подстилающем одежду грунте от относительной толщины эквивалентного слоя Z_Э / D:

1, 3 — теоретическая кривая и данные опытов для конструкций, работающих в стадии обратимых деформаций; 2, 4 — теоретическая кривая и данные опытов для конструкций, работающих в упруго-вязкопластической стадии деформирования

Рис. 5.4. Сопоставление измеренных напряжений с полученными расчётами:

1, 3 — теоретическая кривая и данные опытов для конструкций, работающих в стадии обратимых деформаций; 2,4 — теоретическая кривая и данные опытов для конструкций, работающих в упруго-вязкопластической стадии деформирования

Рис. 5.5. Распределение касательных напряжений t по глубине нижнего слоя в двухслойной модели
при передачи нагрузки на покрытие через круглую площадку

При достижении недопустимых напряжений в грунте земляного полотна возникают существенные деформации в виде осадок, расползания насыпей, сползания откосов и т. д. Величина допустимых напряжений в грунте зависит от его физико-механических свойств, которые, в свою очередь, зависят от типа грунта, степени его уплотнения и влажности. Кроме того, под действием природно-климатических факторов могут возникать деформации и разрушения земляного полотна, которые в начальной стадии не оказывают влияния на состояние дорожной одежды. Это различные формы размывов земляного полотна, выдувание обочин и др. Однако эти деформации и повреждения должны быть немедленно устранены, поскольку при дальнейшем их развитии разрушение дороги примет общий характер.

Характерные деформации и повреждения земляного полотна и их основные причины приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Наиболее распространенные деформации и разрушения земляного полотна

Наименование и характер деформаций	Наиболее вероятные причины возникновения деформаций
Осадки неравномерные	Недостаточное уплотнение и переувлажнение грунтов, в результате чего снижаются параметры сдвига (φ и С) грунта и под влиянием собственного веса и транспортных нагрузок он деформируется
Просадки насыпей на основаниях из слабых грунтов — болотах, просадочных грунтах, карстах	Не обеспечена устойчивость насыпей против выпирания грунта в основании, существенно зависящая от угла внутреннего трения и сцепления грунта, а следовательно, и от соответствия сопротивления сдвигу действующим главным касательным напряжениям
Сползание откосов насыпей и выемок	Неправильное возведение насыпей: присыпка грунта на откосах без доброкачественного соединения с основным телом земляного полотна ступеньками; неудовлетворительный отвод воды с его поверхности; необеспечение достаточного укрепления откосов; повышенная против норм крутизна откосов. На косогорных участках оползанию откосов выемок, сползанию и обрушению насыпей способствует наклонное расположение водоносных слоёв, образующих поверхности скольжения при малом сопротивлении сдвигу по ним, а также по основаниям насыпей
Расширение объёма грунта (разуплотнение) главным образом в направлении к поверхности земляного полотна	Возникают вследствие интенсивного осенне-зимнего накопления влаги при промерзании пылеватых пучинистых грунтов. Нередко в местах пучинообразования при оттаивании образуются в теле земляного полотна водные мешки, вызывающие его повреждение
Различные формы размывов земляного полотна (обочин, откосов)	Происходят, когда неукреплённые поверхности не могут противостоять поверхностному стоку (водная эрозия), обусловленному атмосферными осадками (ливневыми и талыми водами), притекающими к земляному полотну с прилегающей местности, а также притекающими речными, озёрными и морскими водами. При продолжительном застое воды из-за недостаточного уклона водоотводных канав или наличии препятствий в них. Эта вода при недостаточном расстоянии от земляного полотна может проникать в него и существенно переувлажнить грунт
Выдувание обочин и откосов при слабосвязных и несвязных грунтах	Происходит из-за того, что поверхности не могут противостоять воздействию ветра — ветровой эрозии
Колеи и выбоины на обочинах	Заезды транспортных средств на неукреплённые обочины, особенно в период, когда грунты обочин значительно увлажнены