Устойчивость откосов

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………..3

1.Основные виды нарушения устойчивости откосов……………………………………….4

2.Методы расчета устойчивости откосов…………………………………………………….

2.1.Устойчивость откоса идеально сыпучего грунта………………………………………..

2.2.Метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения……………………………...

2.3.Устойчивость откоса идеально связного массива грунта……………………………….

3.Мероприятия по повышению устойчивости откосов и склонов………………………….

Список используемой литературы…………………………………………………………… 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     В настоящее время задачи оценки и  прогноза устойчивости откосов и  склонов приобретают все большее значение. Основными причинами этого являются постоянно расширяющиеся освоение оползневых территорий под строительство, вызванное дефицитом свободных земельных площадей, а также активизация имеющихся и появление новых оползней, обусловленных вмешательством человека в геологическую среду.

     При разработке грунта, устройстве насыпей (дамбы, земляные плотины, дорожное полотно  и т.д.) и выемок (котлованы, траншеи, каналы и т.п.) и в ряде других случаев возникает необходимость в устройстве откосов. 
           Откосом называется искусственно созданная поверхность, ограничивающая природный грунтовый массив, выемку или насыпь.

     Склоном называется откос, образованный природным путем и ограничивающий массив грунта естественного сложения. 

      Заложение откоса - это горизонтальная его проекция. Бровка откоса - линия, которая находится там, где начинается горизонтальная часть - его гребень. Бермы - горизонтальные площадки, которые устраиваются для общего уположения откоса, а также по технологическим обстоятельствам (рис.1).

     Предельно устойчивым называется откос, под которым  в каждой точке грунт находится в предельно напряженном состоянии. Теоретически предельно устойчивый откос из сыпучего грунта - песка имеет прямолинейный контур с углом наклона к горизонту, равным углу внутреннего трения. Предельно устойчивый откос из связного глинистого грунта криволинейный (см.рис.2), книзу он постепенно уполаживается и стремится к наклону, приближающемуся к углу внутреннего трения. Наиболее рациональное очертание откоса - близкое к предельно устойчивому.

     При неблагоприятном сочетании разнообразных  факторов массив грунтов, ограниченный откосом или склоном, может перейти в неравновесное состояние и потерять устойчивость.

1. Основные виды нарушения устойчивости откосов 
   

     Откосы  нередко подвержены деформированию в виде обрушений (рис. 2), оползней (рис.2,б,в,г), осыпаний и оплываний (рис.2,д).

     Обрушения имеют место при потере массивом грунта опоры у подножия откоса.

     Оползни и оползания характеризуются перемещением некоторого объема грунта.

     Осыпание происходит при превышении силами сдвига сопротивления несвязного грунта на незакрепленной поверхности.

     Оплыванием (сплывом) называется постепенная деформация нижней части обводненного откоса или склона без образования четких поверхностей скольжения. 
         

     Основными причинами потери устойчивости откосов  являются: 
•устройство недопустимо крутого откоса; 
•устранение естественной опоры массива грунта из-за разработки траншей, котлованов, подмыва откосов и т.д.; 
•увеличение внешней нагрузки на откос, например, возведение сооружений или складирование материалов на откосе или вблизи него;  
• снижение сцепления и трения грунта при его увлажнении, что возможно при повышении уровня подземных вод;  
• неправильное назначение расчетных характеристик прочности грунта; 
• влияние взвешивающего действия воды на грунты в основании;

•динамические воздействия (движение транспорта, забивка свай и т.п.), проявление гродинамического давления и сейсмических сил. 
Нарушение устойчивости откосов часто является результатом нескольких причин, поэтому при изысканиях и проектировании необходимо оценивать вероятные изменения условий существования грунтов в откосах в течение всего периода их эксплуатции.                                                               
 

Различают три основных типа разрушения откоса (рис. 3):  
• разрушение передней части откоса (рис3,а). Для крутых склонов (> 60°) характерно сползание с разрушением передней части откоса. Такое разрушение чаще всего возникает в вязких грунтах, обладающих адгезионной способностью и углом внутреннего трения;  
•разрушение нижней части откоса (рис. 3,б). На сравнительно пологих откосах разрушение происходит таким образом, что поверхность скольжения соприкасается с глубоко расположенным твердым слоем. Такой тип разрушения чаще всего возникает в слабых глинистых грутах, когда твердый слой расположен глубоко; 

•разрушение внутреннего участка откоса (рис. 3,в). Разрушение происходит таким образом, что край поверхности скольжения проходит выше передней части откоса. Такое разрушение также возникает в глинистых грунтах, когда твердый слой находится сравнительно неглубоко. Таким образом, основными причинами нарушения устойчивости земляных масс являются эрозионные процессы и нарушение равновесия. Эрозионные процессы в механике грунтов не рассматриваются, так как они более подробно рассмотрены в инженерной геологии. 

2. Методы  расчета устойчивости откосов

     Основными элементами открытой разработки карьера, котлована или траншей без  крепления откосов является высота Н и ширина l уступа, его форма, крутизна и угол естественного откоса α (рис. 4). Обрушение уступа происходит чаще всего по линии ВС, расположенной под углом θ к горизонту. Объем ABC называется призмой обрушения. Призма обрушения удерживается в равновесии силами трения, приложенными в плоскости сдвига.

     Нарушение устойчивости земляных масс часто сопровождается значительными разрушениями мостов, дорог, каналов, зданий и сооружений, расположенных на оползающих массивах. В результате нарушения прочности (устойчивости природного склона или искусственного откоса) формируются характерные элементы оползня (рис. 5).

     Устойчивость  откосов анализируется с помощью  теории предельного равновесия или  путем рассмотрения призмы обрушения  или сползания по потенциальной  поверхности скольжения как твердого тела.

Рис.4 Схема откоса грунта: 1 — откос; 2 — линия скольжения; 3 — линия, соответствующая углу внутреннего трения; 4 — возможное очертание откоса при обрушении; 5 — призма обрушения массива грунта

Рис. 5 Элементы оползня 
1 - поверхность скольжения; 2 - тело оползня; 3 - стенка срыва; 4 - положение склона до оползневого смещения; 5 - коренные породы склона 

     Устойчивость  откоса в основном зависит от его  высоты и вида грунта.

     Для установления некоторых  понятий рассмотрим две элементарные задачи:

1. устойчивость откоса идеально сыпучего грунта;
2. устойчивость откоса идеально связного массива грунта.

2.1 Устойчивость откоса идеально сыпучего грунта

     Рассмотрим  в первом случае устойчивость частиц идеально сыпучего грунта, слагающего откос. Для этого составим уравнение равновесия твердой частицы М, которая лежит на поверхности откоса (рис. 6,а). Разложим вес этой частицы F на две составляющие: нормальную N к поверхности откоса АВ и касательную Т к ней. При этом сила Т стремится сдвинуть частицу М к подножию откоса, но ей будет препятствовать противодействующая сила Т', которая пропорциональна нормальному давлению.

Рис. 6. Схема сил, действующих на частицу откоса: а — сыпучий грунт; б — связный грунт 

     Тогда

где ƒ  — коэффициент трения частицы  грунта по грунту, равный тангенсу угла внутреннего грения.

     Составим  уравнение проекции всех сил на наклонную грань откоса в условиях предельного равновесия:

     Отсюда  получим, что в этих условиях tgα = tgφ, окончательно α = φ.

     Таким образом, предельный угол откоса сыпучего грунта равен углу внутреннего трения. Этот угол носит название угол естественного  откоса. 

2.2 Устойчивость откоса идеально связного массива грунта

     Рассмотрим  устойчивость откоса АД высотой Н_k для связного грунта (рис. 6,б). Нарушение равновесия при некоторой предельной высоте произойдет по плоской поверхности скольжения ВД, наклоненной под углом θ к горизонту, так как наименьшей площадью такой поверхности между точками В и Д будет обладать плоскость ВД. По всей этой плоскости будут действовать силы удельного сцепления С.

     Составим  уравнение равновесия всех сил, действующих  на оползневую призму АВД. Принимая во внимание, что, согласно рис. 6,б, сторона призмы обрушения АВ  = H_kctg θ, получим

где γ— удельный вес грунта.

     Силами, сопротивляющимися скольжению, будут  лишь силы удельного сцепления, которые распределяются по плоскости скольжения

     В верхней точке В призмы АВД давление будет равно нулю, а в нижней точке Д максимальное, тогда по середине — половине удельного сцепления.

     Составим  уравнение проекции всех сил на плоскость скольжения и приравняем ее к нулю:

     Полагая sin 2θ = 1 при θ = 45°, получим

     Из  выражения (7) видно, что при высоте котлована (откоса) Н_к > 2с/γ произойдет обрушение массива грунта по некоторой плоскости скольжения под углом в к горизонту (см. рис. 6,6).

2.3 Метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения

     Реальные  грунты, как правило, обладают не только сцеплением, но и трением. В связи с этим проблема устойчивости откосов становится значительно сложнее, чем в рассмотренных случаях. Поэтому на практике для решения задач в строгой постановке, большое распространение получил метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

     Теория  предельного равновесия грунтов, развитая В.В. Соколовским, позволяет решать задачи двух типов:

1. задан угол наклона плоского откоса, определяется интенсивность 
   внешней нагрузки на верхней горизонтальной поверхности грунта, офаниченного откосом массива;
2. задана интенсивность нагрузки на верхней горизонтальной поверхности грунта, офаниченного откосом массива, определяется форма равноустойчивого откоса, находящегося в предельном напряженном состоянии.

     Задача  первого типа, при однородных грунтах  и плоском откосе (рис. 7) решена В.В. Соколовским в безразмерных величинах q (табл. 1).

Рис.7 Схема к расчету устойчивости плоского откоса по теории предельного равновесия 
 

Таблица 1

Значения  безразмерного коэффициента q

Исходными уравнениями для решения этой задачи являются:

     Выражения (8) и (9), как было выше сказано, представляют дифференциальные уравнения равновесия, а (10) — условие предельного равновесия.

     Предельная  нагрузка на верхней горизонтальной поверхности откоса, зная q , определяется из выражения

где q — безразмерный коэффициент, зависящий от углов внутреннего трения φ, угла α  и расстояния х от края откоса до рассматриваемой точки (см. табл. 9.1). 
            Задача второго типа для случаев, когда на верхней горизонтальной поверхности откоса распределена равномерная нагрузка (по В.В. Соколовскому):

и надо найти равноустойчивый откос.

     Для случаев, когда с≠0 и φ≠0, с помощью численного интегрирования дифференциальных уравнений получены очертания равноустойчивых откосов в безразмерных коэффициентах, которые представлены на рис. 8.

     Согласно  рис. 8  для нахождения действующего очертания равноустойчивого откоса определяют Х и Z:

и строят равноустойчивый откос, начиная  с его верхней кромки.

     При угле внутреннего трения φ = 0 устойчивость откоса определяется силами сцепления:

где с — удельная сила сцепления, обеспечивающая устойчивость откоса; Q — масса призмы обрушения (рис. 9,а) равная Q= γ·h; h — высота откоса; γ — удельный вес оползающего грунта; r — плечо сиилы относительно центра О; l — длина дуги поверхности скольжения.

Рис.8 Графики для построения равноустойчивых контуров откосов в безразмерных координатов

Рис. 9 Схемы к расчету устойчивости откоса: 
1- зависимость ∟α от β; 2 - зависимость ∟θ от ∟β; γ - удельный вес оползающего грунта; r — плечо силы относительного центра О; R— радиус поверхности скольжения; l - длина дуги поверхности скольжения. 

     Откос находится в устойчивом состоянии, если величина фактической силы сцепления с будет больше или равна критической с_cv или максимальной удельной силе сцепления:

     Вероятная поверхность скольжения пройдет  через подошву откоса по такой  дуге окружности, для которой требуется c_cv. При известном значении угла β значения углов α и θ и, следовательно, положение центра О определяют по графику Феллениуса (рис. 9,б).

     Большое распространение на практике получил  метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения, сущность этого метода заключается в отыскании круглоцилиндрической поверхности скольжения с центром в некоторой точке О, проходящей через подошву откоса, для которой коэффициент устойчивости будет минимальным (рис. 10).

Рис. 10 Схема к расчету устойчивости откоса методом круглоцилиндрической поверхности скольжения 

     Расчет  ведется для отсека, для чего оползающий клин ABC разбивается на n вертикальных отсеков. Делается предположение, что нормальные и касательные напряжения, действующие по поверхности скольжения, в пределах каждого из отсеков оползающего клина определяются весом данного отсека Q_i, и равны соответственно:

Здесь A_i — площадь поверхности скольжения в пределах i-го вертикального отсека, A_i= 1l_i; l_i — длина дуги скольжения в плоскости чертежа (рис. 10).

     Препятствующее  оползанию откоса сопротивление сдвигу по рассматриваемой поверхности в предельном состоянии

Из (16)—(18) следует выражение для силы сопротивления сдвигу в пределах i-го отсека:

     Устойчивость  откоса можно оценить отношением моментов удерживающих M_s,l и сдвигающих M_s,a сил. Соответственно коэффициент запаса устойчивости определим по формуле

     Момент  удерживающих сил относительно О представляет собой момент сил Q_i:

     Момент  сдвигающих сил относительно точки  О:

Тогда формулу (19) можно записать в следующем виде:

     При наличии подземных вод учитывают  фильтрационное давление, которое будет  уменьшать устойчивость откоса. Фильтрационное давление определяют как нормальную составляющую:

для i-й призмы или отсека

где А'— площадь, занятая фильтрационным потоком в оползающей призме грунта, равная А' = А'₁ + А'₂ + А'₃ (рис. 11); γ_ω — удельный вес воды.

Рис. 11 Схема к определению площади, занятой фильтрационным потоком 

     Фильтрационное  давление влияет только на нормальную составляющую формулы (23).

     Устойчивость  откоса согласно изложенной расчетной  методике обеспечена, если k_s>1. При проектировании сооружений коэффициент устойчивости назначают обычно в пределах 1,2—1,3.

     Для решения практических задач установлен следующий порядок расчета. Из некоторого произвольного центра О₁ радиусом R через точку С проводят поверхность скольжения (рис. 10). Участок откоса, ограниченный дугой АС и ломаной линией откоса ABC, разбивают на ряд призм равной ширины, массу которых подсчитывают как площади соответствующих фигур, умноженных на удельный вес грунта. При наличии в откосе грунтов с различным удельным весом строят фиктивный профиль с удельным весом, приведенным к одному из имеющихся.

     Далее по формуле (23) определяют коэффициент устойчивости. После того повторяют построения и расчеты при цилиндрических поверхностях скольжения, проведенных из новых центров О₂, О₃ и т.д. до тех пор, пока не будет найдено минимальное значение ks на первой вертикали. Аналогично проводят расчет, определяя минимальное значение коэффициента устойчивости для второй вертикали, строя круглоцилиндрические поверхности, проведенные из центров O₄, O₅, O₆. Затем такие же расчеты повторяют для третьей, четвертой и т.д. вертикалей, пока не будет определен самый минимальный коэффициент устойчивости. Поверхность скольжения, имеющая наименьшую величину k_s, будет наиболее вероятной поверхностью скольжения грунтов склона. 
 
 
 

3. Мероприятия по повышению устойчивости откосов и склонов

     Одним из наиболее эффективных способов повышения  устойчивости откосов и склонов  является их выполаживание или создание уступчатого профиля с образованием горизонтальных площадок (берм) по высоте откоса. Однако это всегда связано  с увеличением объемов земляных работ. При относительно небольшой высоте откосов может оказаться эффективной пригрузка подошвы в его низовой части или устройство подпорной стенки, поддерживающей откос. Положительную роль также играют закрепление поверхности откоса одерновкой, мощением камнем, укладкой бетонных или железобетонных плит.

     Важнейшим мероприятием является регулирование  гидрогеологического режима откоса или склона. С этой целью сток поверхностных вод перехватывается  устройством нагорных канав, отведением воды с берм. Подземные воды, высачивающиеся на поверхности откоса или склона, перехватываются дренажными устройствами с отведением вод в специальную ливнесточную сеть.

     При необходимости разрабатываются  сложные конструктивные мероприятия  типа прорезания потенциально неустойчивого массива грунтов системой забивных или набивных свай, вертикальных шахт и горизонтальных штолен, заполненных бетоном и входящих в подстилающие неподвижные части массива. Используется также анкерное закрепление неустойчивых объемов грунта, часто во взаимодействии с подпорными стенками или свайными конструкциями. 
 

Список  используемой литературы

1. Источник: А.З. Абуханов, "Механика грунтов" Статья подготовлена и представлена в цифровом виде компанией "SBH COTPAHC"
2. Методические указания по оценке местной устойчивости откосов и выбору способов их укрепления в различных природных условиях.
3. Е.В. Цветкова «К решению проблемы обеспечения устойчивости нагруженых грунтовых откосов и слонов»