Расчёт устойчивости естественных откосов

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Факультет архитектуры и градостроительства

 

 

Кафедра градостроительства

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по теме:

«Расчет устойчивости естественных откосов»

 

 

 

Студент V курса, гр.714, М.С.1/05                                              В.А.Пономарева

 

 

Руководитель,                                                                                 С.С. Казнов

доцент

 

 

 

 

 

 

г Н.Новгород – 2012г

Содержание

Введение

1 Метод круглоцилиндрической поверхности скольжения

1.1 Расчёт устойчивости склона

2 Метод горизонтальных сил

2.1 Расчёт устойчивости склона

2.1.1 Графический метод

2.1.2 Аналитический метод

3.Сравнение и анализ расчетных методов. Выводы.

Список используемых источников

 

Введение

Курсовая работа посвящена  оценки устойчивости склонов. Под оценкой  устойчивости склонов понимают определённые возможности появления и степени  распространения активных (движущихся) оползней при инженерно – геологических условиях и действующих нагрузках, наблюдающихся на местности при выполнении изысканий на оползневых склонах.

Различают локальные  и региональные методы и прогнозы устойчивости склона. Локальные методы являются основными при составлении инженерно – геологического обоснования застройки и других видов хозяйственного освоения склоновых территорий. Региональные методы предназначены для выявления и прогноза распространённости оползней для значительных по площади зон.

Оползневые склоны подразделяются на:

  1. Устойчивые – на которых формирование оползней завершилось давно и при сохранении наблюдающийся ныне природной обстановке опасность развития оползневых подвижек отсутствует.
  2. Условно устойчивые – формирование которых закончилось недавно и запас устойчивости ещё очень невелик.
  3. Неустойчивые – формирование которых продолжается и сопровождается развитием оползней.

Основным количественным показателем, используемом при локальной  оценки и прогнозировании склонов  является коэффициент устойчивости – отношение сумм удерживающих и  сдвигающих сил, действующих по поверхности предполагаемого смещения. В расчётах мы будем считать склон устойчивым при k>1,25.

В своей работе я рассчитывала склон  двумя способами:

1 способ – Метод круглоцилиндрической поверхности скольжения;

2 способ – Метод горизонтальных  сил.

 

1 Метод круглоцилиндрической поверхности скольжения

Этот метод получил  широкое мировое признание благодаря  своей простоте и практическим результатам. Сущность этого метода, который в краткой форме можно было бы назвать «методом моментов», заключается в следующем.

Предполагается, что обрушение  откоса может произойти лишь в  результате вращения оползающего массива вокруг центра О. Таким образом, поверхность скольжения будет представлена дугой некоторого круга с радиусом R, очерченного из центра О. Оползающий массив рассматривается при этом как некоторый твёрдый блок, всеми своими точками участвующий в одном общем движении.

Оползающий массив находится  под воздействием двух моментов: момента МВР, вращающего массив, и момента МУД, удерживающего массив. Коэффициент устойчивости откоса kзап будет определяться величиной соотношения этих моментов, то есть:

kзап = МУД/ МВР

(1)


 

1.1 Расчёт устойчивости склона

Исходные данные:

Н = 38м, В = 40м, h1= 8м, h2= 20м

Таблица 1

 Исходные данные

 

с, m/м2

j, град

g, т/м2

а

2,4

21

1,90

б

6,0

17

1,94

в

7,0

21

1,92


 

Рис.1 – Исходные данные

Все построения приведены в приложении 1.

Последовательность выполнения:

1) Вычерчиваем поверхность склона

2) Задаёмся кривой поверхности скольжения. Для этого из некоторого центра О проводим дугу R=56,5 м. Для данного склона с заложением 1:1 и углом откоса 450 α=28°, β=37°.

3) Делим кривую скольжения на 10 равных частей. У концов отрезков, начиная от нижней бровки склона последовательно ставим цифры от 0-10. Из точек 1-9 поднимаем перпендикуляры на профиль склона.

4) Обозначаем точки пересечения перпендикуляров с поверхностью склона последовательно 1’- 9’.

5) Из точек 1’- 9’ опускаем перпендикуляры на радиусы О1 – О9. Отрезки соответственно подписываем Q1 – Q9.

6) Полученные отрезки Q измеряем и откладываем вверх от кривой скольжения. Полученные точки соединяем красной линией, начиная из точки 0. Таким образом мы получили эпюру сдвигающих сил.

7) Отрезки, лежащие на радиусах О1 – О9 называются N и являются проекцией удерживающих сил. На этом же чертеже откладываем от кривой скольжения вертикально вверх величины N.

8) Соединяем все проекции удерживающих сил N синей линией.

9) Находим площади F1, F2, F3

F1 - площадь между эпюрой N и кривой скольжения, F1=1764, 70(м2)

F2 - площадь между эпюрой Q и кривой скольжения, F2=776, 06(м2)

F3=0

10) Находим сумму удерживающих сил N:

∑N=F1·γср

(2)


γср - удельный средний вес грунта 3 - х слоёв;

∑N=1764,70·1,94=3423,5(т/м);

11) Находим сумму сил Q:

∑ Q=F2·γср

(3)


∑Q=776,06·1,94=1505,5(т/м);

12) Находим величину коэффициента запаса устойчивости:

n= (∑N·tgφср+∑С·τ) / ∑ Q;

(4)


С - удельное сцепление грунта каждого слоя;

τ - длина дуги

tgφср - тангенс от средней величины j (tg((25+22+24)/3)=tg24o),  tgφср=0,445

∑С·τ= С1·τ1+ С2·τ2+ С3·τ3;

(5)


С1·τ1=7,0·9,64=67,48(т/м);

С2·τ2=6,0·25,07=150,42(т/м);

С3·τ3=11,0·68=748(т/м);

∑С·τ=965,9(т/м);

n=(3423,5·0,445+965,9)/ 1505,5=1,65

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полученные сведения сводим в таблицу 2.

Таблица 2

 Результаты расчета

F1, м2

F2, м2

F3, м2

gср, т/м2

tgφср

∑ N, т/м

∑ Q, т/м

№  слоя

τ, м

С·τ, т/м

n

1764,70

776, 06

0

1,94

0,445

3423,5

1505,5

1

9,64

67,48

1,65

2

25,07

150,42

3

68

748,0


 

Вывод: n=1,65>1,25 склон устойчив.

 

2 Метод горизонтальных сил

Сущность метода горизонтальных сил Маслова - Берера заключается в том, что поверхность скольжения в данных условиях определяется не столько напряжённым состоянием толщи, сколько природными условиями и строением толщи, и носит «фиксированный» природой характер. Здесь очень часто оказываются решающими условия залегания в толще откоса или склона слабых прослоев с пониженной сопротивляемостью сдвигу или форма поверхности, подстилающей толщи, на которой происходит смещение оползневых масс.

2.1 Расчёт устойчивости склона

Исходные данные приведены  в главе 1 настоящей работы

Схема построения приведена  в приложении 1.

2.1.1 Графический метод

Последовательность выполнения:

1) Вычерчиваем поверхность склона

2) Задаёмся кривой  поверхности скольжения. Для этого  из некоторого центра О проводим  дугу R=56,5 м. Для данного склона с заложением 1:1 и углом откоса 450 α=28°, β=37°.

3) Выделяем на поверхности оползания шесть блоков (элементы смещающийся массы грунта с весом Pi). Запишем характеристики грунта для каждого блока в таблицу 3:

Таблица 3

Характеристики грунта для каждого блока

  

          Обоз. блока

Хар-ки

1

2

3,4,5

6

с, m/м2

11

8,5

8

6,5

j, град

24

23

24

23,5

g, т/м2

1,96

1,93

1,94

1,93


4) Подсчитываем площадь каждого блока

F1=133,22 м2

F2=365,65 м2

F3=491,13 м2

F4=380,30 м2

F5=197,68 м2

F6=48,95 м2

5) Подсчитываем вес грунта в каждом блоке:

Pi=Fi·γi

(6)


Fi - площадь блока;

γi - удельный вес грунта блока;

P1=123,77*1,92+9,45*1,94=255,97 т/м;

P2=191,36*1,92+174,29*1,94=705,53 т/м;

P3=135,05 *1,92+286,81*1,94+69,27*1,95=950,77 т/м;

P4=34,05*1,92+247,15 *1,94+99,09*1,95=738,10 т/м;

P5=120,33*1,94+77,35*1,95=384,27 т/м;

P6=10,09*1,94+38,81 *1,95=95,25 т/м;

Выбирая масштаб силы P 100 т/м = 1 см, показываем силу на чертеже, лежащую на линии центра тяжести каждого блока.

6) Изображаем на чертеже нормаль N к поверхности скольжения, являющейся реакцией веса P. В блоках 1 и 2 нормаль совпадает по направлению с весом P. В блоках 3, 4 и 5 проводим касательную к кривой скольжения в точке приложения веса P и строим перпендикуляр к этой касательной.

7) Находим угол сопротивления сдвигу ψ. Этот угол связан с коэффициентом сопротивления сдвигу Fp: Fp=tg ψ и ψ=arctg Fp. Обе эти величины зависят от нормального напряжения Pn. При наличии такой линейной зависимости угол сопротивления сдвигу ψ может быть выражен следующей формулой:

φp=arctg(tg φ+C/P)

(7)


P - вес грунта каждого блока;

C - удельное сцепление грунта каждого блока;

 

ψ1=arctg(tg 24°+11/218,08)=26,36°;

ψ2=arctg(tg 23°+8,5/590,36)=23,6°;

ψ3=arctg(tg 24° +8/892,45)=24,42°;

ψ4=arctg(tg 24°+8/1024,53)=24,37°;

ψ5=arctg(tg 24° +8/1002,65)=24,38°;

ψ6=arctg(tg 23,5°+6,5/374,55)=24,33°;

8) Откладываем от нормали N угол ψ. Измеряем на чертеже критический угол откоса α - угол между весом P и нормалью к поверхности скольжения N. Полученные данные заносим в таблицу 4.

9) Измеряем на чертеже силы H и T. Сила H как проекция на горизонтальную ось N представляет собой распор, то есть давление на вертикальную стенку нижерасположенного блока, при отсутствии в грунте трения и сцепления.

Сила T - эта часть распора H, воспринимаемая трением и сцеплением. Значения этих сил так же представлены в таблице 2

10) Подсчитав сумму сил H и T по блокам всего оползневого склона, мы можем определить соответствующий ему коэффициент запаса устойчивости. Результаты записываем в таблицу 4

n=∑ Ti/∑ Hi

(8)

Таблица 4

Результаты расчета

№блока

P ,т/м

α,град

ψi, °

H, т/м

T, т/м

1

218,08

36,9

26,36

164,0

123,2

2

590,36

23,8

23,6

259,2

3,6

3

892,45

24,43

24,42

386,4

196,4

4

1024,53

24,41

24,37

476,4

466,4

5

1002,65

39,9

24,38

814,8

551,6

6

374,55

55,3

24,33

540,4

316,0

Итог:

2632,2

1657,2


n=1657,2/2632,2=0,629

Вывод: n=0,629

Кроме того можно сделать  выводы об устойчивости каждого блока  в отдельности.

При αi≈ ψi - имеет место равновесие блока; (блок 4)

При αi > ψi - собственная устойчивость блоков не обеспечивается и они давят на нижерасположенные блоки (блоки 5,6);

При αi < ψi - блоки обладают явным запасом устойчивости и служат поддерживающим контрофорсом для вышерасположенных (блок 1,2,3)

2.1.2 Аналитический метод

Последовательность выполнения:

Для аналитического метода пункты 1, 2 остаются такими же, остальные данные мы получаем не с чертежа, а путём вычислений. Расчетная схема та же, что и для графического метода, представлена на рис.2


Рис.2 - Расчетная схема

3) Рассчитаем давление  на вертикальную стенку нижерасположенного блока по формуле (9)

H=tgαi·Pi

(9)


H1=tg36.9 o·218.08=163.73 т/м

H2=tg23.8o·590.36=259.99 т/м

H3=tg24.25 o·892.45=402.01 т/м

H4=tg24.41o·1024.53=464.96 т/м

H5=tg39.9o·1002.65=838.34 т/м

H6=tg55.3o·374.55=540.91 т/м

4) Рассчитаем составляющую R, давления на вертикальную стенку нижерасположенного блока по формуле (10)

Ri=Pi·tg(αi- ψi)

(10)


R1=218.08·tg(36.9-26.36)=40.57 т/м

R2=590.36·tg(23.8-23.7)=254.98 т/м

R3=892.45·tg(24.43-24.42)=190.02 т/м

R4=1024.53·tg(24.41-24,37)=0.71 т/м

R5=1002.65·tg(39.9-24.38)=278.43 т/м

R6=374.55·tg(55.3-24.33)=224.78 т/м

5) Рассчитаем силу  Т, часть распора H, воспринимаемая трением и сцеплением

Т=Н-R

(10)


Т1=163.73-40.57=123.16 т/м

Т2=259.99-259.98=0.01 т/м

Т3=402.01-190.02=211.99 т/м

Т4=464.96-0.71=464.25 т/м

Т5=838.34-278.43=559.91 т/м

Т6=540.91-224.78=316.13 т/м

6) Полученные результаты  сводим в таблицу 5

Таблица 5

Результаты расчета

№блока

Fi, м2

Pi ,т/м

ji, град

сi, m/м2

ψi, °

H ,т/м

T ,т/м

1

111,27

218,08

24

11,0

26,36

163,73

123.16

2

305,89

590,36

23

8,5

23,7

259,99

0.01

3

460,03

892,45

24

8,0

24,42

402,01

211.99

4

528,11

1024,53

24

8,0

24,37

464,96

464,25

5

516,83

1002,65

24

8,0

24,38

838,34

559,91

6

194,07

374,55

23,5

6,5

24,33

540,91

316,13

Итог:

2669,94

1675,45


n=1675,45/2669,94=0,627

Вывод: n=0,627

3.Сравнение и анализ расчетных методов. Выводы.

Находим среднее  значение по первому и второму  методу расчета.

                                                          (11)

nср = 1,65 + 0,626 /2 = 1,13

, следовательно склон устойчивый  и дополнительного перерасчета не требуется.

 

Список используемых источников

1.Стандарт предприятия. СТП ННГАСУ 1 -1 -98. Основные надписи

2.СТП ННГШАСУ 1 – 2 – 98. Титульный лист

3. СНиП 2.07.01-89*. Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений/ Госстрой России.- М.: ГП ЦПП,1994.-59с.

4. Маслов Н.Ф. Механика грунтов в строительстве – Москва, Высшая Школа – 1965г.

5. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров./Государственное издательство физико – математической литературы – Москва 1962 – 608


Расчёт устойчивости естественных откосов