ОДМ 218.2.103-2020. Отраслевой дорожный методический документ. Методические рекомендации по применению вспененного полистирола при проектировании, строительстве и реконструкции облегченных насыпей на слабых грунтах
(издан на основании Распоряжения Росавтодора от 14.08.2020 № 2524-р)
Примечание
Текст документа приведен в соответствии с публикацией на сайте https://rosavtodor.gov.ru/ по состоянию на 03.12.2021. Документ рекомендован к применению с 14.08.2020 Распоряжением Росавтодора от 14.08.2020 № 2524-р.
Издан на основании Распоряжения Федерального дорожного агентства от 14 августа 2020 г. № 2524-р
ОТРАСЛЕВОЙ ДОРОЖНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ВСПЕНЕННОГО ПОЛИСТИРОЛА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ, СТРОИТЕЛЬСТВЕ И РЕКОНСТРУКЦИИ ОБЛЕГЧЕННЫХ НАСЫПЕЙ НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ
1 РАЗРАБОТАН обществом с ограниченной ответственностью «СПбГАСУ-Дорсервис» (ООО «СПбГАСУ-Дорсервис»).
2 ВНЕСЕН Управлением научно-технических исследований и информационного обеспечения Федерального дорожного агентства.
3 ИЗДАН на основании распоряжения Федерального дорожного агентства от 14.08.2020 № 2524-р.
4 ИМЕЕТ РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР.
1.1 Настоящий отраслевой дорожный методический документ (далее — методический документ) устанавливает рекомендации по применению на автомобильных дорогах общего пользования блоков из вспененного полистирола (пенополистирола) при проектировании, строительстве и реконструкции облегченных насыпей на слабых грунтах.
1.2 Данный методический документ содержит рекомендации, предъявляемые к инженерным свойствам блоков из вспененного полистирола, методам проектирования, а также технологии производства работ для основных областей их применения в дорожном строительстве.
1.3 Положения настоящего методического документа предназначены для использования организациями, выполняющими работы по проектированию, строительству и реконструкции автомобильных дорог общего пользования, а также производителями блоков из вспененного полистирола при разработке, производстве, контроле качества материалов и разработке стандартов организаций.
В настоящем методическом документе использованы нормативные ссылки на следующие документы:
Технический регламент Таможенного союза «Безопасность автомобильных дорог» (ТР ТС 014/2011)
ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения
ГОСТ 32960-2014 Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения
ГОСТ Р 58397-2019 Дороги автомобильные общего пользования. Правила производства работ. Оценка соответствия
ГОСТ Р 59171-2020 Дороги автомобильные общего пользования. Блоки полистирольные вспененные (ППС блоки). Технические условия
ГОСТ 59172-2020 Дороги автомобильные общего пользования. Насыпи облегченные и комбинированные из вспененных полистирольных (ППС блоков). Правила проектирования и применения
СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия (актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85)
СП 268.1325800.2016 Транспортные сооружения в сейсмических районах. Правила проектирования
В настоящем методическом документе применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 автомобильная дорога: Объект транспортной инфраструктуры, предназначенный для движения транспортных средств и включающий земельные участки в границах полосы отвода автомобильной дороги и расположенные на них или под ними конструктивные элементы (дорожное полотно, дорожное покрытие и подобные элементы) и дорожные сооружения, являющиеся ее технологической частью, — защитные дорожные сооружения, искусственные дорожные сооружения, производственные объекты, элементы обустройства автомобильных дорог.
3.2 вспененный полистирол или пенополистирол: Жесткий теплоизоляционный материал с закрытой в основном ячеистой структурой, полученный путем спекания гранул вспененного полистирола или одного из его сополимеров.
3.3 геомембрана: Листы полиэтилена или композитного материала, скрепленные сварным швом, предназначенные для изоляции пенополистирола от внешних воздействий (свет, влага и т.п.).
3.4 геосинтетический материал: Материал из синтетических или природных полимеров, неорганических веществ, контактирующий с грунтом или другими средами, применяемый в дорожном строительстве.
3.5 грунты слабые: Связные грунты, имеющие прочность на сдвиг в условиях природного залегания менее 0,075 МПа (при испытании прибором вращательного среза) или модуль осадки при нагрузке 0,25 МПа более 50 мм/м (модуль деформации ниже 5 МПа).
3.6 дорожная одежда: Конструктивный элемент автомобильной дороги, воспринимающий нагрузку от транспортных средств и передающий ее на поверхность тела насыпи.
3.7 комбинированная насыпь: Инженерное сооружение из вспененных полистирольных блоков, с дополнительными прослойками из пенобетона, в пределах которого дорожная одежда расположена выше уровня земли.
3.8 консолидация грунта: Уплотнение водонасыщенного грунтового слоя во времени, происходящее за счет выжимания воды и сближения грунтовых частиц.
3.9 легкая (облегченная) насыпь из пенополистирольных блоков (НППБ): Инженерное сооружение из вспененных полистирольных блоков, в пределах которого дорожная одежда расположена выше уровня земли, имеющее распределительную плиту, защиту откосов геокомпозитами и специально подготовленное основание.
3.10 нормативные нагрузки: Временные вертикальные нагрузки от транспортных средств и пешеходов, принимаемые в виде условных нагрузок для проектирования автомобильных дорог общего пользования и мостовых сооружений на них.
3.11 пенополистирольные блоки (ППБ): Блоки, изготовленные из вспененного полистирола.
3.12 распределительная плита (РП): Плита, предназначенная для равномерного распределения нагрузки от транспортных средств по поверхности ППБ.
3.13 реконструкция автомобильной дороги: Комплекс работ, при выполнении которых осуществляется изменение параметров автомобильной дороги, ее участков, ведущий к изменению класса и (или) категории автомобильной дороги либо влекущий за собой изменение границы полосы отвода автомобильной дороги.
3.14 слабые основания: Основания насыпи, в которых в пределах активной зоны имеются слои слабых грунтов мощностью более 0,5 м.
3.15 устойчивость основания внешняя: Способность грунта основания выдерживать максимальную нагрузку, передаваемую на него сооружением, без развития поверхностей скольжения, приводящих к разрушению оснований и полной его непригодности к эксплуатации.
3.16 устойчивость насыпи внутренняя: Способность ППБ сопротивляться сдвигу и продавливанию при воздействии нагрузок.
4.1 Основной идеей, заложенной в основу данного методического документа, являются рекомендации к проектированию НППБ с целью недопущения достижения предельных состояний сооружения в процессе эксплуатации с учетом исключения влияния неблагоприятных гидрологических и сейсмологических условий.
4.2 Материалы, используемые для изготовления ППБ, должны соответствовать требованиям действующих нормативных документов.
4.3 Применяемые на автомобильных дорогах общего пользования при устройстве облегченных и комбинированных насыпей и сооружений на слабых грунтах ППБ должны иметь условное обозначение типоразмера по ГОСТ Р 59171-2020.
4.4 Автомобильные дороги общего пользования с устройством облегченных и комбинированных насыпей и сооружений на слабых грунтах с использованием ППБ следует проектировать из условия безопасного и бесперебойного движения транспортных средств в соответствии с требованиями ТР ТС 014/2011, а также ГОСТ 27751-2014 при проектировании НППБ в местах прилегания к мостам и иным строительным сооружениям.
4.5 При проектировании необходимо учитывать степень риска причинения вреда от воздействия установленных внешних и внутренних нагрузок на НППБ.
4.6 Расчеты насыпи должны осуществляться на основе достоверных результатов инженерно-геологических, инженерно-гидрометеорологических и гидрологических изысканий. При необходимости в трудных условиях дополнительно следует выполнять инженерно-сейсмологические и другие виды изысканий.
4.7 Расчеты устойчивости НППБ необходимо проводить для расчетных поперечных профилей, в качестве которых следует принимать поперечные профили с наиболее неблагоприятным сочетанием различных факторов, таких как высота и крутизна откоса, физико-механические характеристики грунтов основания, мощность и расположение слабых прослоек, наклон слоев, наличие выходящих на поверхность грунтовых вод или подтоплений и т.п.
4.8 При учете динамических нагрузок в расчетах прочности, устойчивости НППБ необходимо задаваться нормативными нагрузками и расчетными схемами нагружения в соответствии с ГОСТ 32960-2014 с учетом динамического коэффициента.
4.9 Основные типы поперечного сечения облегченных насыпей с использованием ППБ:
- трапецеидальный (рисунок 1а)
- трапецеидальный с прослойками из пенобетона (рисунок 1б)
- с вертикальными откосами (рисунок 1в).
а — НППБ трапецеидальной формы; б — то же, трапецеидальной формы с прослойками из пенобетона; в — то же, с вертикальными откосами;
1 — ППБ; 2 — дорожная одежда; 3 — РП; 4 — грунтовое покрытие откосов; 5 — выравнивающий слой песка; 6 — пенобетон; 7 — облицовка
Рисунок 1 — Конструктивная схема НППБ
4.10 Примеры применения НППБ:
- устройство насыпи на слабом основании;
- уширение существующей насыпи (с нарезкой уступов);
- устройство подхода к путепроводу или мостовому сооружению;
- возведение насыпи над существующими коммуникациями.
5 Требования к геометрическим характеристикам и физико-механическим свойствам полистирольных блоков
5.1 При проектировании, строительстве и реконструкции облегченных насыпей на слабых грунтах с использованием ППБ применяемые блоки по своим геометрическим и физико-механическим свойствам должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 59171-2020.
5.2 При входном контроле ППБ выполняется проверка внешнего вида (на предмет вмятин, сколов) и геометрических характеристик, допускается выборочная проверка соответствия физико-механических характеристик материала блоков ГОСТ Р 59171-2020.
5.3 Допускается приемка блоков только с небольшими (объемом менее 0,0035 м3, размером в любом направлении менее 300 мм) повреждениями. Предельные отклонения от номинальных размеров и геометрической формы блоков не должны превышать: по длине, ширине и толщине +/- 0,5% от номинального размера; от плоскостности граней +/- 5 мм на 1000 мм длины грани; разности длин диагоналей граней +/- 2 мм на каждые 500 мм их длины; перпендикулярности смежных граней <= 3 мм на расстоянии 500 мм от ребра блока.
5.4 Не допускается укладка в насыпь блоков с повреждениями больше допустимых при приемке согласно подразделу 5.3. Поврежденная часть блока должна отрезаться, неповрежденную его часть, удовлетворяющую прочим требованиям, можно укладывать в насыпь.
5.5 К проведению контрольно-выборочной проверки соответствия физико-механических характеристик материала блоков может привлекаться производитель блоков или независимая лаборатория, которая должна применять методы контроля и испытаний, предусмотренные в ГОСТ Р 59171-2020.
6 Методика проектирования и расчета облегченных насыпей на слабых грунтах с использованием полистирольных блоков
6.1 При выполнении расчетов НППБ на слабых грунтах требуется рассмотреть взаимодействие между тремя основными элементами насыпи: грунтом основания, ППБ и дорожной одеждой.
6.2 При проектировании НППБ на слабом основании необходимо выполнить проверку расчетом:
\cdot величины конечной осадки насыпи;
\cdot соответствия величины конечной осадки насыпи допустимым значениям (при ограничивающих факторах, таких, например, как наличие под проектируемой насыпью подземных сооружений, чувствительных к осадке);
\cdot несущей способности основания;
\cdot устойчивости откосов (внешней и внутренней);
\cdot длительности завершения осадки насыпи;
- гидростатическому всплытию с подбором необходимого пригруза,
- сдвигу (опрокидыванию) от воздействия сейсмических нагрузок,
- сдвигу (опрокидыванию) от воздействия ветровых нагрузок;
\cdot несущей способности ППБ.
Общий алгоритм расчета насыпи представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 — Общий алгоритм расчета НППБ
6.3 Перед началом проектирования должна быть выполнена оценка условий строительства, произведен выбор поперечного профиля насыпи для предварительного расчета, а также осуществлен предварительный выбор типа ППБ и дорожной одежды.
При расчете необходимо оценить особенности района будущего строительства:
- генеральный план;
- ограничения по максимально возможным срокам строительства;
- ограничения по календарным дням строительства (например, невозможность работы в выходные или праздничные дни);
- наличие подъездных дорог с запрещенным движением построечного транспорта;
- ограничения по возможности размещения в полосе отвода постоянных или временных сооружений;
- наличие наземных и подземных сооружений (зданий, инженерных сетей и т.д.), в первую очередь тех, которые особенно чувствительны к осадке (например, газопроводы);
- прогнозируемый подъем воды при наводнении.
6.4 При проектировании подхода к мостовому устою следует уточнить тип пролетного строения моста, характеристики переходной плиты (если таковая применяется) и специальные геотехнические требования, относящиеся к осадкам моста или переходной плиты.
Анализ исходных данных включает:
- определение требуемых геометрических параметров насыпи: высоты, заложения откосов, количества полос движения, ширины полос;
- оценку геотехнических характеристик участка строительства;
- определение основных расчетных нагрузок: напряжений от собственного веса, транспортных нагрузок, нагрузок от воздействия воды;
- оценку возможности разрушения от ветровой нагрузки;
- оценку возможности разрушения от сейсмических нагрузок.
6.5 Перед началом проектирования необходимо определить целесообразный тип поперечного сечения НППБ исходя из условий строительства в соответствии с подразделом 4.9. После выбора типа поперечного сечения необходимо осуществить примерный выбор типа ППБ и выполнить предварительное проектирование дорожной одежды.
Методика расчета основана на подборе такой дорожной одежды, которая будет оказывать наименьшее давление на поверхность НППБ, чтобы удовлетворить требованиям к внешней и внутренней устойчивости насыпи.
6.6 При оценке устойчивости насыпи из пенополистирола на слабом основании необходимо учитывать нагрузки, в первую очередь напряжения от собственного веса, транспортные нагрузки и нагрузки от воздействия воды, при необходимости следует учесть воздействие сейсмических и ветровых нагрузок.
\cdot Напряжения от собственного веса. При расчете внешней и внутренней устойчивости принимаются во внимание следующие постоянные нагрузки:
- вес дорожной одежды, включая вес РП;
- вес грунтового покрытия откосов (для насыпи трапецеидальной формы) или вес элементов облицовки (для насыпи с вертикальными откосами);
- вес грунта, укладываемого на существующее основание под ППБ.
В случае проектного решения с укладкой блоков в предварительно подготовленный котлован необходимо учесть это снижением нагрузки на подстилающие слои.
\cdot Транспортная нагрузка. Влияние транспортной нагрузки на прочность, устойчивость и деформативность НППБ следует учитывать в виде дополнительной статической нагрузки на поверхности насыпи в соответствии с ГОСТ 32960-2014. При расчете необходимо принимать транспортную нагрузку с учетом динамического коэффициента Кдин = 1,3.
\cdot Нагрузка от воздействия воды. Как правило, участки со слабыми грунтами характеризуются высоким уровнем грунтовых вод, в том числе выходящими на поверхность земли.
В связи с этим в расчете необходимо учитывать максимальный уровень подъема воды, наблюдающийся за многолетний период.
В расчете следует рассматривать три проблемы, связанные с воздействием воды:
- увеличение общего объемного веса ППБ при насыщении водой;
- возможность гидростатического всплытия НППБ при повышении уровня воды;
- возможность гидростатического сдвига слоев НППБ вследствие неоднородности давления воды на откосы.
\cdot Сейсмическая нагрузка. Сейсмическая нагрузка может влиять на внешнюю и внутреннюю устойчивость НППБ. Большинство принципов расчета статической и сейсмической внешней устойчивости одинаковы как для НППБ, так и для насыпей из обычных грунтов.
\cdot Ветровая нагрузка. Смещение НППБ под воздействием ветровой нагрузки — механизм потери внешней устойчивости, присущий НППБ, ввиду низкой плотности блоков. В первую очередь возможность данного механизма разрушения необходимо учитывать при проектировании насыпи с вертикальными откосами.
6.7 Расчет основания по несущей способности необходимо выполнять в соответствии с требованиями, указанными в пособии [1].
6.8 Расчет конечной величины осадки в пределах активной зоны также рассчитывается по пособию [1].
Если в результате расчетов величина осадки превысит допустимое значение, необходимо принять меры по дополнительному снижению веса насыпи за счет частичной замены слабого грунта на ППБ.
Мощность слоя грунта, подлежащего замене, определяется из требуемого снижения вертикальных напряжений, которое позволит уменьшить величину осадки до необходимой величины.
При частичном удалении грунта основания следует выполнить уширение котлована с целью обеспечения устойчивости его стен.
Также при применении данного решения рекомендуется учесть необходимость устройства временного водоотвода или устройства пригруза ППБ во избежание вероятности гидростатического всплытия при относительно высоком уровне грунтовых вод или при накоплении поверхностных вод в котловане. Кроме того, частичное удаление грунта может оказаться нежелательным, если слабый грунт находится под слоем более прочного грунта.
6.9 В расчетах устойчивости откосов требуемый коэффициент запаса устойчивости Куст рекомендуется принимать равным 1,3 в соответствии с рекомендациями пособия [1]. Для повышения коэффициента устойчивости откосов возможно использование одного из известных способов укрепления грунта основания для увеличения его сдвиговой прочности.
6.10 Прогноз возрастания осадки во времени выполняется в рамках теории фильтрационной консолидации [1]. Консолидирующаяся толща рассматривается как однородный слой с приведенным коэффициентом консолидации. Интенсивная часть осадки должна произойти в процессе устройства дорожной одежды. За ее завершение допускается принимать момент достижения 90%-ной консолидации основания или интенсивности осадки не более 2 см/год. Если данные условия не будут выполнены в процессе устройства дорожной одежды, необходимо применить метод ускорения консолидации с использованием дополнительного пригруза.
Если условия строительства позволяют, можно снизить объем ППБ, приняв к разработке, например, насыпь из традиционного грунта и ППБ.
6.11 Расчет несущей способности ППБ включает подбор их типа, способных выдержать нагрузку от дорожной одежды и транспортные нагрузки без существенной деформации. В случае неправильного подбора блоков будет иметь место их деформация с дальнейшей просадкой дорожной одежды (рисунок 3).
Рисунок 3 — Деформация насыпи и дорожной одежды
Методику расчета несущей способности ППБ рекомендуется разделить на две части.
Первая часть заключается в определении напряжений от транспортных нагрузок и собственного веса дорожной одежды, передающихся на верхнюю поверхность блоков, и в подборе типа ППБ, которые будут укладываться непосредственно под дорожной одеждой.
Вторая часть состоит в определении напряжений от транспортных нагрузок и собственного веса дорожной одежды, распространяющихся на различной глубине насыпи, и в выборе подходящих ППБ для укладки на этой глубине.
- оценка транспортных нагрузок;
- учет динамического воздействия транспортной нагрузки;
- оценка транспортных нагрузок на поверхности ППБ;
- оценка напряжений от собственного веса на поверхности ППБ;
- расчет общих напряжений на поверхности ППБ;
- определение минимального требуемого предела упругости ППБ, расположенных под дорожной одеждой;
- оценка транспортных нагрузок на различных глубинах НППБ;
- оценка напряжений от собственного веса на различных глубинах НППБ;
- расчет общих напряжений на различных глубинах НППБ;
- определение минимально требуемого предела упругости на различных глубинах.
Пример расчета несущей способности ППБ приведен в приложении А.
6.12 Расчеты сопротивления гидростатическому всплытию насыпи с вертикальными откосами и трапецеидальной насыпи приведены ниже.
\cdot Насыпь с вертикальными откосами наименее устойчива к всплытию, так как отсутствует дополнительный пригруз от грунтового покрытия откосов.
На рисунке 4 показаны силы и давления, действующие на насыпь с вертикальными откосами. Рассматривают только статическое давление воды. Pд.о. — это вес дополнительного пригруза верха ППБ, необходимый для получения требуемого коэффициента запаса. Обычно данная величина включает вес дорожной одежды и грунтового покрытия откосов насыпи. В случае насыпи с вертикальными откосами учитывается только дорожная одежда, толщину которой необходимо рассчитать.
H — высота насыпи, м; h — уровень воды, м; Lн — ширина насыпи, м; Pводы — подъемная сила воды, кН/м; Pд.о. — вес дорожной одежды, кН/м; PППБ — вес НППБ, кН/м
Рисунок 4 — Расчетная схема насыпи
В расчет следует принять, что блоки уложены на поверхность грунта основания и всплытие будет происходить над поверхностью контакта, поэтому в дальнейшем расчете рассматривается только сама насыпь.
Насыпь будет устойчива по гидростатическому всплытию, если выполняется следующее условие:
\frac{\text{Р}_{\text{доп}} + \text{Р}_{\text{ППБ}}}{\text{Р}_{\text{воды}}} \geq \text{К}_{\text{зап}}, (1)
где Кзап — коэффициент запаса по всплытию.
Дополнительная транспортная нагрузка не учитывается, так как она действует кратковременно и может отсутствовать в условиях гидростатического всплытия.
Ввиду того что гидростатическое всплытие вызывается кратковременной нагрузкой, рекомендуется Кзап принимать равным 1,1, таким образом, условие устойчивости по гидростатическому всплытию будет иметь следующий вид:
\frac{h_{\text{д}.\text{о}.min}L_{\text{Н}}\gamma_{\text{д}.\text{о}.} + HL_{\text{Н}}\gamma_{\text{ППБ}}}{hL_{\text{Н}}\gamma_{\text{воды}}} = 1,1, (2)
где hд.о.min — минимальная требуемая толщина дорожной одежды, м;
\gamma_{\text{д}.\text{о}.} , \gamma_{\text{ППБ}} , \gamma_{\text{воды}} — объемный вес соответственно дорожной одежды, ППБ, воды, кН/м3.
Таким образом, формула для определения минимальной требуемой толщины дорожной одежды будет следующей:
h_{\text{д}.\text{о}.min} = 1,1h \frac{\gamma_{\text{воды}}}{\gamma_{\text{д}.\text{о}.}} - H \frac{\gamma_{\text{ППБ}}}{\gamma_{\text{д}.\text{о}.}} . (3)
Расчетный график по гидростатическому всплытию насыпей различной высоты исходя из hд.о.min, соответствующей коэффициенту запаса, равному 1,1, показан на рисунке 5.
1 — H = 10 м; 2 — H = 8 м; 3 — H = 4 м
Рисунок 5 — Графическая зависимость минимальной толщины дорожной одежды при коэффициенте запаса по всплытию 1,1 от отношения уровня воды к высоте насыпи
\cdot Расчетная схема трапецеидальной насыпи представлена на рисунке 6. Предполагается, что одинаковый уровень воды с обеих сторон насыпи является наихудшим сценарием, так как на уровне основания обеих сторон насыпи действует одинаковая гидростатическая подъемная сила. В расчет принимались только статические давления воды.
Bн — ширина насыпи понизу, м; Fводы — подъемная сила воды, кН/м; \theta — угол заложения откоса, град; \rho_{\text{воды}} — давление воды, оказываемое на основание и поверхности откосов насыпи, кН
Рисунок 6 — Расчетная схема насыпи
Дополнительный пригруз верха ППБ, необходимый для получения требуемого коэффициента запаса, включает вес дорожной одежды и грунтового покрытия откосов насыпи.
Необходимо учесть, что блоки уложены на поверхность грунта основания и всплытие будет происходить над поверхностью контакта, поэтому в дальнейшем расчете рекомендуется рассматривать только саму насыпь.
Насыпь устойчива по гидростатическому всплытию, если будет выполнено следующее условие:
\frac{\text{Р}_{\text{ППБ}} + 2\text{Р}_{\text{воды}} + Q}{F_{\text{воды}}} \geq \text{К}_{\text{зап}}, (4)
где Q — вес дополнительного пригруза, кН.
Дополнительная транспортная нагрузка не учитывается, так как она действует кратковременно и может отсутствовать в условиях гидростатического всплытия.
Ввиду того что гидростатическое всплытие вызывается кратковременной нагрузкой, рекомендуется Кзап принимать равным 1,1, следовательно, условие устойчивости по гидростатическому всплытию будет иметь следующий вид:
\frac{\frac{1}{2} H(L_{\text{н}} + \text{В}_{\text{н}})\gamma_{\text{ППБ}} + 2\gamma_{\text{воды}} \frac{h^{2}}{tg\theta} + Q}{\gamma_{\text{воды}}\text{В}_{\text{н}}h} = 1,1. (5)
Таким образом, формула для определения минимально требуемого веса дополнительного пригруза будет следующей:
Q = 1,1\gamma_{\text{воды}}\text{В}_{\text{н}}h - \frac{1}{2} H(L_{\text{н}} + \text{В}_{\text{н}})\gamma_{\text{воды}} - 2\gamma_{\text{воды}} \frac{h^{2}}{tg\theta} . (6)
Поскольку для расчета изначально принимается, что насыпь сложена из ППБ на всю высоту, необходимо при окончательных расчетах уменьшить требуемый вес дорожной одежды на соответствующий вес ППБ.
В целях упрощения расчета далее приведены графические зависимости по гидростатическому всплытию насыпей различной высоты исходя из веса пригруза Q, соответствующего коэффициенту запаса, равному 1,1.
Значения Q, указанные на рисунках 7 - 9, представляют собой требуемый вес материалов (в кН), которые необходимо уложить на ППБ, приходящийся на 1 пог. м длины насыпи. Расчетные графики разработаны для насыпей со следующими характеристиками: ширина поверху 15, 28 и 36 м, заложение откосов 1:1,5, 1:1,75, 1:2 при трех параметрах высоты: 4, 8 и 10 м.
а — ширина дороги 15 м; б — то же, 28 м; в — то же, 36 м; 1 — H = 10 м; 2 — H = 8 м; 3 — H = 4 м
Рисунок 7 — Расчетные графики гидростатического всплытия насыпи с заложением откоса 1:1,5 при коэффициенте запаса 1,1
а — ширина дороги 15 м; б — то же, 28 м; в — то же, 36 м; 1 — H = 10 м; 2 — H = 8 м; 3 — H = 4 м
Рисунок 8 — Расчетные графики гидростатического всплытия насыпи с заложением откоса 1:1,75 при коэффициенте запаса 1,1
а — ширина дороги 15 м; б — то же, 28 м; в — то же, 36 м; 1 — H = 10 м; 2 — H = 8 м; 3 — H = 4 м
Рисунок 9 — Расчетные графики гидростатического всплытия насыпи с заложением откоса 1:2 при коэффициенте запаса 1,1
Расчетные графики действительны только в пределах отношения уровня воды к высоте насыпи, равного 0,5, т.е. глубина воды ограничена 50% высоты насыпи, так как насыпь с более высоким уровнем накопленной воды является, по сути, плотиной, для которой потребуется уложить на ППБ чрезмерно большой пригруз, чтобы обеспечить требуемый коэффициент запаса.
Для повышения коэффициента запаса по сопротивлению гидростатическому всплытию насыпи можно применить следующие методы:
- при устройстве насыпи увеличить толщину дорожной одежды, укладываемой на ППБ, тем самым повысив вес пригруза (если такой вариант допустим по критерию осадки);
- для уменьшения вероятности скопления воды у подножия насыпи необходимо устроить систему водоотвода.
6.13 Сопротивление насыпи воздействию сейсмических нагрузок, которые считаются краткосрочными явлениями, должно учитываться в составе геотехнических проблем проектирования дорожных насыпей. Сейсмическая нагрузка может влиять как на внешнюю, так и на внутреннюю устойчивость НППБ.
Проектирование НППБ в сейсмоопасных районах рекомендуется выполнять с учетом требований СП 268.1325800.2016.
При возведении насыпей на участках, сложенных илом, торфом, водонасыщенным рыхлым песком, текучепластичными глинистыми грунтами, должны быть рассмотрены варианты замены или укрепления слабых грунтов армированием нижних слоев насыпи геосинтетическим материалом во избежание их разжижения.
Типовые поперечные сечения насыпи с демонстрацией возможных видов разрушения (I — III) под воздействием сейсмической нагрузки показаны на рисунке 10.
а — насыпь трапецеидальной формы; б — то же, с вертикальными откосами;
I — поступательный сдвиг по поверхности контакта между системой дорожной одежды и ППБ; II — то же, смежных слоев ППБ; III — то же, сдвиг по поверхности контакта ППБ и поверхности грунта основания
Рисунок 10 — Типовое поперечное сечение насыпи
Для повышения внутренней сейсмической устойчивости ППБ насыпей рекомендуется установка между ними механических коннекторов в соответствии с ГОСТ Р 59172-2020.
В конструкциях насыпей допускаются остаточные деформации и повреждения (осадки, смещения, трещины и др.), не приводящие к прекращению движения транспортных средств в результате землетрясения.
6.14 Возможность потери устойчивости насыпи из ППБ под воздействием ветровой нагрузки необходимо рассматривать для насыпи с вертикальными откосами, так как при использовании такого проектного решения существует опасность опрокидывания всей насыпи относительно подошвы откоса, по поверхности контакта НППБ с грунтом основания.
Коэффициентом запаса по горизонтальному смещению Kзап г.с. всей насыпи от ветровых нагрузок является отношение сопротивления сдвигу по поверхности контакта ППБ — грунт основания к общей горизонтальной сдвигающей силе:
(7)где c — сцепление по горизонтальной поверхности сдвига;
S — площадь рассматриваемой поверхности сдвига, м2;
\sum F_{\text{н}} — сумма нормальных сил, Н;
\sum F_{\text{п}} — сумма подъемных сил, Н;
\delta — угол трения на поверхности сдвига, рад;
\sum F_{\text{г}} — сумма горизонтальных сил, Н,
\sum F_{\text{г}} = R_{\text{н}} + R_{\text{п}}; (8)
Rн — сила с наветренной стороны, Н;
Rп — сила с подветренной стороны, Н.
Силы с наветренной и подветренной сторон необходимо принимать в соответствии с СП 20.13330.2016 с учетом данных метеостанций, расположенных в зоне строительства.
Угол трения на поверхности сдвига следует принимать на основании лабораторных исследований образцов блоков, предназначенных для укладки в насыпь.
В расчетах рекомендуется принимать требуемый коэффициент запаса по ветровому сдвигу 1,1, так как сдвиг от действия ветра вызывается временными нагрузками так же, как и в других случаях действия временных нагрузок, например сейсмических и гидростатических.
Для повышения коэффициента запаса по сопротивлению горизонтальному сдвигу насыпи можно применить следующие методы:
- при устройстве НППБ увеличить толщину дорожной одежды, укладываемой на блоки, тем самым повысив вес пригруза ППБ (если такой вариант допустим по критерию осадки);
- допускается использование системы анкеров для ППБ, позволяющей сцепить блоки с грунтовым основанием насыпи.
6.15 Применение НППБ в местах примыкания к мостовым устоям. Ввиду того что пенополистиролу придают форму блоков, использование их в качестве обратной засыпки мостового устоя позволяет исключить боковое давление на устои (рисунок 11) и соответственно вести расчет как в случае применения насыпи с вертикальными откосами.
1 — обратная засыпка грунтом; 2 — укрепление мостового устоя ППБ; 3 — опоры моста; 4 — дорожная одежда (стрелками показано распределение давления от грунта обратной засыпки и ППБ на грунтовое основание и мостовой устой)
Рисунок 11 — Схема распределения давлений от грунтовой засыпки и заполнителя из ППБ
7 Рекомендации по применению полистирольных блоков при строительстве и реконструкции облегченных насыпей на слабых грунтах
7.1 Применение вспененных полистирольных блоков определяется требованиями, содержащимися в ГОСТ Р 59172-2020 и ГОСТ Р 59171-2020.
7.2 Капитальный ремонт и эксплуатация облегченных насыпей и насыпей из грунта и ППБ на слабых грунтах с использованием вспененных полистирольных блоков осуществляется по ГОСТ Р 58397-2019.
8 Рекомендации по технико-экономическому обоснованию
8.1 Технико-экономическое сравнение вариантов при проектировании конструкций земляного полотна автомобильных дорог на слабых основаниях с использованием облегченных насыпей из ППБ необходимо осуществлять на основании разработанной и утвержденной методики, изложенной в рекомендациях [2].
8.2 Для облегченных насыпей из ППБ при технико-экономическом сравнении вариантов конструкций земляного полотна рекомендуется дополнительно учитывать увеличение социально-экономического эффекта от повышения транспортно-эксплуатационных показателей автомобильной дороги.
9 Рекомендации по методам контроля и оценке соответствия
9.1 Входной контроль ППБ осуществляет организация, выполняющая строительно-монтажные работы до их применения в процессе строительства. Он состоит из проверки наличия и содержания документов поставщиков, включающих сведения о качестве поставленной ими продукции, ее соответствии требованиям рабочей документации, технических регламентов и действующих документов технического регулирования.
9.2 Входной контроль проводится в соответствии с ГОСТ Р 59171-2020.
9.3 Строительный контроль при выполнении работ по устройству ограничивающих и защитных ограждений осуществляют в соответствии с ГОСТ Р 58397-2019.
9.4 Сроки и интенсивность контроля осадок необходимо назначать в соответствии с программой мониторинга, которая должна учитывать расчетные сроки консолидации основания и прочие индивидуальные параметры участка слабых оснований. В течение срока строительства подрядчик должен контролировать величину осадки легкой насыпи и ее затухание во времени. Величина осадки должна измеряться еженедельно, а результаты измерений заноситься в журнал контроля осадок.
9.5 Поперечники для контроля осадок размещают на пикетах, указанных проектной организацией.
9.6 Для измерения осадок устанавливаются осадочные марки (рисунок 12), места их размещения должны быть указаны в проекте. Марки изготавливаются из стальной трубы диаметром 50 мм, разрезанной на секции длиной 1300 мм. Нижнюю секцию марки устанавливают на поверхности основания насыпи. Секции наращиваются по мере укладки блоков путем свинчивания муфтовых соединений. К нижней поверхности стального листа приваривается заостренный штырь длиной 300 мм, диаметром 200 мм (на рисунке 12 не показан) для фиксирования в основании насыпи.
а — схема установки марок; б — нижняя секция марки; 1 — соединительная муфта; 2 — секции; 3 — резьба для муфтового соединения; 4 — стальная труба диаметром 50 мм; 5 — стальной лист толщиной 5 мм
Рисунок 12 — Вариант схемы установки марок
9.7 Конструкция марки должна позволять снимать высотные отметки после укладки дорожной конструкции, устраиваемой над распределительной плитой.
9.8 По окончании строительства осадочные марки и копия журнала контроля осадок передаются проектной организации для продолжения измерений.
9.9 В местах размещения марок устанавливается хорошо заметное ограждение, чтобы исключить случайное их повреждение.
10 Требования безопасности и охраны окружающей среды
При проведении работ по устройству облегченных и комбинированных насыпей с использованием ППБ необходимо соблюдать требования ГОСТ Р 58397-2019, ГОСТ Р 59172-2020, а также руководствоваться типовыми инструкциями по охране труда.
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ ОБЛЕГЧЕННОЙ НАСЫПИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛИСТИРОЛЬНЫХ БЛОКОВ
А.1 Расчет сопротивления гидростатическому всплытию.
Подбор требуемого веса пригруза
А.1.1 Исходные данные для расчетов:
- объемный вес ППБ \gamma_{\text{ППБ}} = 0,2\text{кН}/\text{м}^{3} ;
- высота насыпи H = 6 м;
- заложение откосов 1:1,75;
- ширина насыпи:
А.1.2 Условие устойчивости по гидростатическому всплытию выполняется по формуле
\frac{\frac{1}{2} H(L_{\text{н}} + \text{В}_{\text{н}})\gamma_{\text{ППБ}} + 2\gamma_{\text{воды}} \frac{h^{2}}{tg\theta} + Q}{\gamma_{\text{воды}}\text{В}_{\text{н}}h} = 1,1. (А.1)
А.1.3 Минимально требуемый вес дополнительного пригруза Q составляет
(А.2)А.2 Расчет несущей способности ППБ
А.2.1 Оценка транспортных нагрузок выполняется по ГОСТ 32960-2014. Нормативная нагрузка от транспортных средств АК включает одну двухосную тележку с нагрузкой на ось 10 К (кН) и равномерно распределенную вдоль оси нагрузку q интенсивностью К (кН/м). Класс нагрузки для автомобильных дорог с капитальными дорожными одеждами — 11,5.
Нагрузка на одно колесо Qк равна
Qк = 5 x 11,5 = 57,5 кН. (А.3)
Учет динамического коэффициента Кдин = 1,3 при определении транспортной нагрузки Qдин выполняется по формуле
Qдин = Qк x 1,3 = 57,5 x 1,3 = 74,8 кН. (А.4)
А.2.2 Вертикальное напряжение от транспортной нагрузки \sigma_{q} на верхней поверхности ППБ можно принять по рисунку А.1 для асфальтобетонной дорожной одежды с распределительной плитой толщиной 102 мм.
1 — толщина слоя асфальтобетона 178 мм; 2 — то же, 152 мм; 3 — то же, 127 мм; 4 — то же, 102 мм; 5 — то же, 76 мм
Рисунок А.1 — Вертикальные напряжения на верхней поверхности ППБ \sigma_{q} от транспортной нагрузки, приложенной на поверхность асфальтобетонной дорожной одежды толщиной 610 мм, с распределительной плитой, расположенной между дорожной одеждой и ППБ
Для полной нагрузки на ось, равной 149,6 кН, вертикальное напряжение составляет
Определим по рисунку А.2, происходит ли взаимное наложение вертикальных напряжений от шин
Q_{\text{дин}} = 74,8\text{кН и }\sigma_{q} = 29\text{кПа}.
B — ширина эквивалентной площадки нагружения
Рисунок А.2 — Схема взаимного наложения напряжений от шин транспортного средства
Площадь контакта круглой формы вычисляем по формуле
S = \frac{Q_{\text{дин}}}{\sigma_{q}} = \frac{74,8}{29} = 2,5\text{м}^{2}. (А.5)
Определим размеры эквивалентной, прямоугольной загруженной площадки по рисунку А.3
\text{А}\prime = \sqrt{\frac{S}{0,5227}} = \sqrt{\frac{2,58}{0,5227}} = 2,22\text{м}; (А.6)
A = 0,8712A' = 0,8712 x 2,22 м = 1,93 м;
B = 0,6A' = 0,6 x 2,22 = 1,33 м.
Рисунок А.3 — Схема эквивалентной, прямоугольной загруженной площадки
Наложение напряжений происходит, если расстояние между центрами колес <= B (см. рисунок А.3), для данного примера B = 1,33 м.
- расстояние между центрами осей колес 1,9 м;
- межосевое расстояние и расстояние между осями полос наката, движущихся рядом транспортных средств, 1,3 м.
В данном примере наложение напряжений происходит от колес движущихся рядом транспортных средств:
- ширина наложения составляет 1,33 — 1,30 = 0,03 м;
- общая ширина прямоугольной площадки — 2B — 0,22 = 2 x 1,33 — 0,03 = 2,63 м;
- общая площадь прямоугольной площадки — 2,63 x 1,93 = 5,08 м2;
- общее вертикальное напряжение — \sigma = \frac{149,6}{5,08} = 29,4\text{кПа} ;
- вертикальное напряжение — \sigma_{q} = 29,4\text{кПа} .
Оценка напряжений от веса дорожной одежды \sigma_{\text{д}.\text{о}.} , передаваемых на поверхность верхнего слоя ППБ, для примера со следующими исходными данными:
- толщина слоя асфальтобетона hаб = 0,23 м;
- объемный вес асфальтобетона \gamma_{\text{аб}} = 23\text{кН}/\text{м}^{3} ;
- толщина слоя щебня hщеб = 0,69 м;
- объемный вес щебня \gamma_{\text{щеб}} = 18\text{кН}/\text{м}^{3} ;
- толщина слоя распределительной плиты hрп = 0,18 м;
- объемный вес распределительной плиты \gamma_{\text{рп}} = 25\text{кН}/\text{м}^{3} .
Напряжение от веса дорожной одежды составляет
\sigma_{\text{д}.\text{о}.} = 0,23 \times 23 + 0,69 \times 18 + 0,18 \times 25 = 22,21\text{кПа}. (А.7)
Вычисление полных вертикальных напряжений \sigma_{\text{общ}} на верхней поверхности ППБ выполняется по формуле
\sigma_{\text{общ}} = \sigma_{q} + \sigma_{\text{д}.\text{о}.} = 29,40 + 22,21 = 51,61\text{кПа}. (А.8)
А.2.3 Определение минимально требуемого предела упругости ППБ \sigma_{\text{ппб}} , расположенного под дорожной одеждой.
Принимаем коэффициент запаса Кзап = 1,2. Условие внутренней устойчивости выполняется по формуле
(А.9)Оценка напряжений от транспортных нагрузок в ППБ на глубине Z = 0,75 м определена по формуле
\sigma_{Z} = \frac{Q_{\text{дин}}}{(B + Z)(A + Z)} = \frac{74,8}{(1,33 + 0,75)(1,93 + 0,75)} = 13,40\text{кПа}. (А.10)
Оценка напряжений от собственного веса дорожной одежды на глубине Z = 0,75 м внутри НППБ равна
\sigma_{\text{д}.\text{о}.} = 22,21\text{кПа}.
Общее напряжение от веса дорожной одежды и ППБ рассчитывается по формуле
\sigma_{z\text{до}} = \sigma_{\text{д}.\text{о}.} + (Z\gamma_{\text{ППБ}}) = 22,21 + (0,75 \times 1,0) = 22,96\text{кПа}. (А.11)
При расчете несущей способности блоков рекомендуется принимать объемный вес водонасыщенного ППБ, равный 1 кН/м3.
Вычисление общих напряжений на глубине Z = 0,75 м НППБ
\sigma_{z\text{общ}} = \sigma_{z} + \sigma_{\text{д}.\text{о}.} = 13,4 + 22,96 = 36,36\text{кПа}. (А.12)
Определение минимально требуемого предела упругости ППБ на глубине Z = 0,75 м НППБ
\sigma_{z\text{ппб}} = \sigma_{z\text{общ}} \times 1,2 = 36,36 \times 1,2 = 43,63\text{кПа}. (А.13)
Оценка напряжений от транспортных нагрузок в ППБ на глубине Z = 1 м определяется по формуле
\sigma_{z} = \frac{Q_{\text{дин}}}{(B + Z)(A + Z)} = \frac{74,8}{(1,33 + 1)(1,93 + 1)} = 10,96\text{кПа}.
Оценка напряжений от собственного веса на глубине z = 1 м внутри НППБ составляет
\sigma_{\text{д}.\text{о}.} = 22,21\text{кПа}.
Общее напряжение от веса дорожной одежды и ППБ равно
\sigma_{z\text{до}} = \sigma_{\text{д}.\text{о}.} + (Z\gamma_{\text{ппб}}) = 22,21 + (1,0 \times 1,0) = 23,21\text{кПа}.
Вычисление общих напряжений на глубине Z = 1 м НППБ
\sigma_{z\text{общ}} = \sigma_{z} + \sigma_{\text{д}.\text{о}.} = 10,96 + 23,21 = 34,17\text{кПа}.
Определение минимально требуемого предела упругости ППБ на глубине Z = 1 м НППБ
\sigma_{z\text{ппб}} = \sigma_{z\text{общ}} \times 1,2 = 34,17 \times 1,2 = 41\text{кПа}.
В результате расчета можно сделать вывод, что для обеспечения достаточной несущей способности НППБ необходимо использовать блоки двух типов: для слоя под дорожной одеждой — с пределом упругости 70 кПа, для нижележащих слоев — с пределом упругости 50 кПа. Из консервативных соображений рекомендуется укладывать два верхних слоя ППБ с пределом упругости 70 кПа.
| [1] | Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах, 2003 | |
|---|---|---|
| [2] | ОДМ 218.2.067-2016 | Методические рекомендации по выбору рациональных конструкций земляного полотна на слабых основаниях и их технико-экономическому обоснованию |
| ОКС 93.080.99 |
|---|
| Ключевые слова: автомобильные дороги, насыпь, пенополистирол, проектирование, расчет, устойчивость насыпи, всплытие насыпи, строительство на слабых грунтах |
Руководитель организации-разработчика
Генеральный директор ________________________ Е.Е. Медрес