Устойчивость откосов песчаного грунта

Расчет устойчивости откосов

Вы будете перенаправлены на Автор24

Угол естественного откоса

Угол естественного откоса – это угол, при котором неукрепленный каким-либо образом откос песчаного грунта может сохранять равновесие или угол наклона поверхности грунта в свободно насыпанном состоянии (без уплотнения) к горизонтальной плоскости.

Следует отметить, что определение угла естественного откоса грунта имеет важное значение при проектировании различных грунтовых сооружений, например:

• насыпные плотины;
• намывные плотины;
• котлованы;
• дамбы и т.д.

Значения угла естественного откоса вычисляются также для проведения мероприятий по их укреплению.

Сущность расчета

Под откосом понимается поверхность, образованная в ходе хозяйственной деятельности человека. Такая поверхность ограничивает природный горизонтальный массив либо искусственно возведенную выемку (либо насыпь).

Склоном обычно называют откос, образованный природным путем, т.е. поверхность, ограничивающую массив грунта естественного сложения. При неблагоприятных сочетаниях разнородных факторов массив грунта, ограниченный склоном или откосом может перейти в неустойчивое состояние и потерять равновесие.

К основным причинам потери устойчивости грунтовых откосов относят:

• устройство непозволительно крутого откоса или подрезка склона, находившегося в состоянии, приближающемся к предельному;
• увеличение внешних нагрузок (возведение зданий или сооружений в непосредственной близости, складирование материалов вблизи откосов и т.д.);
• неправильное определение расчетных характеристик грунта или снижение его сопротивления сдвигу вследствие повышения влажности;
• воздействие гидродинамического давления, сейсмических сил или динамических воздействий различной природы (движение техники, забивка свай, работы промышленного оборудования и т.д.).

Для обеспечения устойчивости откосов в первую очередь необходимо назначить угол его заложения, т.е. угол между горизонтальной площадкой и наклонной поверхностью. Одним из наиболее распространенных способов расчета угла заложения и оценки устойчивости откосов насыпей и естественных склонов является метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения. Сущность данного метода заключается в получении данных о форме поверхностей скольжения при оползнях вращения опытным путем.

Готовые работы на аналогичную тему

Главная задача расчета заключается в определении коэффициента устойчивости откоса выемки (или насыпи) для максимально опасной поверхности скольжения.

Основные параметры расчета

В случаях, когда сопротивление частиц сдвигу определяется исключительно силами трения, угол естественного откоса совпадает с углом внутреннего трения (φ = φ0). Однако, в реальном проектировании сопротивление грунта сдвигу зависит от множества факторов (например, от зацепления частиц).

Таким образом, величина силы трения будет определяться по формуле:

φ = φт + φз + φс + …

φт – составляющая, привносимая за счет сил трения, φз – то же, за счет зацепления, φс – то же, за счет среза частиц.

Следует заметить, что составляющая φт в большей мере зависит от минерального состава грунта, а также от наличия поверхностных пленок. Составляющая φз зависит от окатанности и формы частиц грунта.

Угол естественного откоса является легко определяемой и весьма удобной для последующих расчетов характеристикой прочности несвязных грунтов. Вышеописанный способ актуален для определения величины внутреннего трения сыпучих грунтов (например, чистых песков). Следует заметить, что при помощи такой методики можно определить угол внутреннего трения лишь приближенно. В чистых песках величина угла внутреннего трения приближенно равна углу естественного откоса.

На практике угол естественного откоса определяют на приборе УВТ, состоящем из металлического столика-поддона, резервуара и обоймы. Поддон закрепляется на трех опорах и перфорируется небольшими отверстиями для водонасыщения грунта. Шкала, предусмотренная в центре столика, имеет деления от 5 до 45 градусов. В соответствии с этой шкалой и определяется угол естественного откоса.

Если требуется определить угол естественного откоса грунта в воздушно-сухом состоянии, на столик устанавливают обойму, в которую насыпается песок до полного заполнения. После заполнения песок незначительно уплотняется. После этого обойму вертикально поднимают и по вершине образовавшегося конуса берут отсчет по вышеупомянутой шкале.

Данный опыт повторяют трижды, после чего определяют среднее арифметическое значение. Расхождение между повторениями не должно превышать 1 градус.

Если требуется определить угол естественного откоса грунта в водонасыщенном состоянии, то после заполнения обоймы грунтом резервуар заполняют водой. После полного насыщения пробы определяется угол естественного откоса вышеописанным методом.

На значение угла естественного откоса несвязных грунтов влияет однородность гранулометрического состава. Например, монодисперсные грунты, как правило, обладают большими значениями φ, чем полидисперсные грунты с аналогичным минеральным составом. Так происходит потому, что в смеси небольшие частицы заполняют образующиеся промежутки между крупными, что облегчает их смешение по поверхностям откосов.

Большое влияние на трение также оказывает количество воды в грунте (ее присутствие снижает значение φ). В песчаных грунтах повышенная влажность значительно снижает угол внутреннего трения.

Определение угла естественного откоса песчаного грунта в сухом и влажном состоянии. Определение угла естественного откоса песчаного грунта Естественный откос грунта

Угол естественного откоса — это наибольший угол, который может быть образован откосом свободно насыпанного грунта в состоянии равновесия с горизонтальной плоскостью.

Угол естественного откоса зависит от гранулометрического состава и формы частиц. С уменьшением размера зерен угол естественного откоса становится положе.
В воздушно-сухом состоянии угол естественного откоса песчаного грунта равен 30-40°, под водой — 24-33°. Для грунтов, не обладающих сцеплением (сыпучих), угол естественного откоса не превышает угла внутреннего трения

Для определения угла естественного откоса песчаного грунта в воздушно-сухом состоянии используют прибор УВТ (рис. 9.11, 9.12 ), под водой — ВИА (рис. 9.13 ).

Согласно рис. 9.12 при наклоне ящика песок осыпается и, разрыхляясь, образует откос с углом, который можно определить транспортиром или по формуле

Понятие об угле естественного откоса относится только к сухим сыпучим грунтам, а для связных глинистых оно теряет всякий смысл, так как у последних он зависит от влажности, высоты откоса и величины пригрузки на откос и может изменяться от 0 до 90°.

Рис. 9.11. Прибор УВТ-2: 1 — шкала; 2 — резервуар; 3 — мерительный столик; 4 — обойма; 5 — опора; 6 — образец песка

Рис. 9.12. Определение угла естественного откоса вращением емкости (а) и медленным снятием пластинки (б): А — ось вращения емкости

Рис. 9.13. Прибор ВИА: 1 — ящик ВИА; 2 — образец песка; 3 — емкость с водой; 4 — транспортир; 5 — ось вращения; 6- пьезометр; 7- штатив

При разработке и усадке разрыхленного грунта выемки и насыпи образуют естественные откосы различной крутизны. Наибольшую крутизну плоских откосов земляных сооружений, траншей и котлованов, устраиваемых без креплений, следует принимать согласно табл. 9.2. При обеспечении естественной крутизны откосов обеспечивается устойчивость земляных насыпей и выемок.

Таблица 9.2. Наибольшая крутизна откосов траншей и котлованов, град.

Откосы насыпей постоянных сооружений выполняют более пологими, чем откосы выемок.

Цель работы:

Ознакомление с методикой определения угла естественного откоса для песчаных грунтов.

Приобретение навыков в работе с прибором для определения угла естественного откоса сыпучих грунтов.

Определение угла естественного откоса песка в воздушно-сухом и подводном состоянии.

Необходимое оборудование и материалы

Методические указания к выполнению работы.

Журнал лабораторных работ.

Прибор для определения угла естественного откоса полевой лаборатории Литвинова.

Емкость с водой.

Отсутствие сцепления в песках позволяет определять угол внутреннего трения φ 0 по углу естественного откоса грунта в условиях предельного равновесия (рис. 2.3.).

Рис.2.3. Схема к определению угла естественного откоса песчаного гранта.

T 1 =

где φ – угол внутреннего трения; tg φ – коэффициент трения

Углом естественного откоса песчаного грунта называют максимальное значение угла, образуемого с горизонтальной плоскостью, поверхностью грунта, отсыпанного без толчков и динамических воздействий.

Угол естественного откоса определяют для песчаного грунта в воздушно-сухом состоянии и под водой. Для испытания используем прибор Литвинова.

Порядок выполнения работы

Определение угла естественного откоса грунта в воздушно-сухом состоянии производят следующим образом. Прибор устанавливают на стол, выдвижная створка при этом опущена до дна. В малое отделение прибора до верха засыпают испытываемый песок (рис.2.4). После этого постепенно поднимают выдвижную створку без толчков; при этом прибор придерживают рукой. Грунт постепенно частично пересыпается в другое отделение до наступления положение равновесия.

Рис. 2.4. Общий вид прибора для определения угла естественного откоса песков (Ящик Кулона).

Угол между плоскостью свободного откоса и горизонтальной плоскостью и есть угол естественного откоса. По делениям на днище и боковой стенке отсчитывают высоту и заложение откоса и вычисляют тангенс угла естественного откоса; отсчеты ведут с точностью до 1мм.

Определение угла естественного откоса грунта в подводном состоянии отличается от предыдущего тем, что после того, как в малое отделение прибора насыпают испытываемый грунт, в большое отделения до верха наливают воду. Верхнюю створку подымают на несколько миллиметров, чтобы вода могла проникнуть в малое отделение. Когда весь грунт пропитается водой, поднимают створку выше и испытание продолжают так же, как и предыдущее. Результаты испытаний заносят в таблицу 2.4.

Гранулометрический состав. Практически характер и качество разрушения породы четко определяется ее гранулометрическим составом. Он характеризует разрыхленную горную породу по процентному содержанию в ней частиц различной крупности и может быть изображен кривой (рис. 2.1), если по оси абсцисс отложить диаметр частиц, мм, а по оси ординат — суммарное содержание частиц диаметром, меньшим данного, в процентах.
Для характеристики неоднородности рыхлых пород используется отношение d60/d10=Kн называемое коэффициентом неоднородности (d60, d10 — максимальные диаметры кусков, составляющих 60 и 10% общего объема рыхлой породы соответственно).
Особенно важное значение гранулометрический состав породы имеет при процессах гидромеханизации. От него зависят удельный расход воды на разработку и транспортирование, наименьший допустимый уклон подошвы забоя и лотков, критическая скорость воды.
Угол естественного откоса φ — максимальный угол, образуемый свободной поверхностью рыхлой раздробленной породы с горизонтальной плоскостью. Частицы породы, находящиеся на этой поверхности, испытывают состояние предельного равновесия. Если вес частицы Р (рис. 2.2), то в состоянии предельного равновесия на свободной поверхности на частицу действуют силы: Рп — сила нормального давления, прижимающая частицу к свободной поверхности; Рτ — сила, стремящаяся сдвинуть частицу вниз; Fт — сила трения, зависящая от Рn и коэффициента трения fтр, R — реакция опоры. Поскольку частица находится в равновесии, имеем

Таким образом, угол естественного откоса зависит от коэффициента трения между кусками породы и поверхностью, по которой возможно ее скольжение. Для рыхлой (сыпучей) среды, например песка, он может быть определен с помощью цилиндрической емкости без дна. Емкость устанавливают на горизонтальной площадке и заполняют породой. Затем емкость поднимают и порода формирует свободную поверхность, соответствующую углу естественного откоса.
В общем случае угол естественного откоса зависит от шероховатости зерен, степени их увлажнения, гранулометрического состава и формы, а также от плотности материала. С увеличением влажности до некоторого предела у таких горных пород, как уголь или песок, угол естественного откоса возрастает. С увеличением крупности и угловатости частиц он также увеличивается. В целом у рыхлых пород он находится в пределах 0-40°.
По углам естественного откоса определяют максимальные допустимые углы откосов уступов и бортов карьеров, насыпей, отвалов и штабелей.

Лабораторная работа 1. Определение величины угла ссыпания и угла естественного откоса зернисто-кускового материала

Цель работы. Определить величины угла естественного откоса и угла ссыпания зернисто-кускового материала.

Теоретические положения . Зернисто-кусковой материал, лежащий на наклонной плос­кости (например, на наклонной плоскости бункера , на наклон­ном ленточном транспортере и т. д.), при определенном угле наклона этой плоскости к горизонту начинает ссыпаться по ней. Такой предельный угол наклона называется углом ссыпания.

В зависимости от формы кусочков можно наблюдать два ви­да движения кускового материала по плоскости ссыпания: сколь­жение и перекатывание. Скольжение наблюдается при кусках с развитыми плоскими гранями; передвижению кусков здесь препятствует трение скольжения между гранями кусков и плос­костью ссыпания. Качение наблюдается при форме кусков, близкой к шару. В этом случае передвижение куска происходит как скатывание его, с сопротивлением трения качения.

Предельное состояние покоя слоя кускового материала на наклонной плоскости имеет место тогда, когда сила трения F равна проекции М силы тяжести G на эту плоскость (рисунок 1). С другой стороны, эта же сила трения пропорциональна нор­мальному давлению кускового материала на наклонную плос­кость

F = M = fN ,

откуда f = М / N = tgα

где f – коэффициент трения, определяемый свойствами самого материала, равный tga ;

α – угол ссыпания зернисто-кускового материала.

Если рассматривать весь слой сыпучего материала , который перемещается по гладкой наклонной плоскости, то здесь, даже в случае кусков шарообразной формы, происходит скорее сколь­жение материала по плоскости, чем перекатывание, так как весь материал «течет» сплошной массой.

Угол ссыпания зависит от коэффициента трения материала о плоскость ссыпания, от формы и крупности кусков, от структу­ры поверхности, по которой происходит ссыпание (поверхность может быть гладкой, шероховатой, ребристой и т. д.), а также он влажности самого кускового материала.

Если насыпать зернисто-кусковой материал на горизонталь­ную плоскость, то он располагается на ней в виде конуса. Угол между образующей этого конуса и горизонтальной плоско­стью называется углом естественного откоса зернисто-кускового материала.

Угол естественного откоса всегда больше угла ссыпания (для одного и того же материала), так как наличие неровностей на поверхности материала препятствует скатыванию, а тем более скольжению кусков. Угол естественного откоса в большой степе­ни зависит от фракционного состава кускового материала, ибо последний определяет собой общую структуру поверхности ко­нуса. Эта разнородность размера кусков вызывает в то же вре­мя преимущественное скатывание крупных кусков материала на край насыпаемой кучи, вследствие того, что неровности поверх­ности оказывают меньшее сопротивление перекатыванию крупн ых кусков, чем мелких (рисунок 2). Неравномерное распределение кусков по крупности необходимо учитывать при загрузке насадочных абсорберов, шахтных печей и т. д., так как в местах рас­положения крупных кусков, т. е. на-периферии, получается боль­шее сечение каналов и газ пойдет преимущественно по этим ка­налам, имеющим меньшее гидравлическое сопротивление.

Тонко измельченные материалы имеют больший угол естест­венного откоса, т. е. меньшую сыпучесть, в связи с более разви­той поверхностью трения.

Угол естественного откоса значительно зависит от влажности материала, потому что вода, располагаясь на поверхности кус­ков, вызывает слипание их и тем самым затрудняет движение отдельных кусков. Чем меньше куски материала, тем больше проявляется влияние влажности; но чрезмерное увлажнение приводит к увеличению послойной текучести жидкости между кусочками материала, и угол естественного откоса вновь умень­шается (таблица 1).

Угол естественного откоса, град, для породы

Угол естественного откоса

Угол естественного откоса — это наибольший угол, который может быть образован откосом свободно насыпанного грунта в состоянии равновесия с горизонтальной плоскостью.

Угол естественного откоса зависит от гранулометрического состава и формы частиц. С уменьшением размера зерен угол естественного откоса становится положе.
В воздушно-сухом состоянии угол естественного откоса песчаного грунта равен 30—40°, под водой — 24—33°. Для грунтов, не обладающих сцеплением (сыпучих), угол естественного откоса не превышает угла внутреннего трения

(9.25)

Для определения угла естественного откоса песчаного грунта в воздушно-сухом состоянии используют прибор УВТ ( рис. 9.11, 9.12 ), под водой — ВИА ( рис. 9.13 ).

Согласно рис. 9.12 при наклоне ящика песок осыпается и, разрыхляясь, образует откос с углом, который можно определить транспортиром или по формуле

(9.26)

Понятие об угле естественного откоса относится только к сухим сыпучим грунтам, а для связных глинистых оно теряет всякий смысл, так как у последних он зависит от влажности, высоты откоса и величины пригрузки на откос и может изменяться от 0 до 90°.

Рис. 9.11. Прибор УВТ-2: 1 — шкала; 2 — резервуар; 3 — мерительный столик; 4 — обойма; 5 — опора; 6 — образец песка

Рис. 9.12. Определение угла естественного откоса вращением емкости (а) и медленным снятием пластинки (б): А — ось вращения емкости

Рис. 9.13. Прибор ВИА: 1 — ящик ВИА; 2 — образец песка; 3 — емкость с водой; 4 — транспортир; 5 — ось вращения; 6— пьезометр; 7— штатив

При разработке и усадке разрыхленного грунта выемки и насыпи образуют естественные откосы различной крутизны. Наибольшую крутизну плоских откосов земляных сооружений, траншей и котлованов, устраиваемых без креплений, следует принимать согласно табл. 9.2. При обеспечении естественной крутизны откосов обеспечивается устойчивость земляных насыпей и выемок.

Таблица 9.2. Наибольшая крутизна откосов траншей и котлованов, град.

Откосы насыпей постоянных сооружений выполняют более пологими, чем откосы выемок.

Определение угла естественного откоса песчаного грунта в сухом и влажном состоянии

Лабораторная работа №1

Определение гранулометрического состава песка и степени его однородности

Цель работы: определение свойств грунта (песка) по его гранулометрическому составу. Зная его состав и содержание в нем определения фракций, можно судить о его свойствах и применении в практике строительства (растворы, песчаные подушки, фундаменты и т.п.).

Задачи работы: получить навыки определения процентного содержания каждой фракции, квартования, определения однородности и неоднородности грунтов по графику.

Обеспечивающие средства:сита, электронные весы, навеска воздушно-сухого песка.

Исполнители:Сельков Д.М., Старченко В.П., Яковлева Н.В.

Лабораторная работа №2

Определение угла естественного откоса песчаного грунта в сухом и влажном состоянии

Цель работы:исследовать зависимость изменения величины угла естественного откоса песка от его влажности.

Задачи работы: получить навыки работы с прибором Литвинова, научиться правильному взятию отсчетов и определению угла естественного откоса в градусах.

Обеспечивающие средства:прибор системы Литвинова, совок, сосуд с водой, песчаный грунт.

Таблица определения угла естественного откоса

Угол естественного откоса, угол внутреннего трения (в механике грунтов )- угол, образованный свободной поверхностью рыхлой горной массы или иного сыпучего вещества с горизонтальной плоскостью. Иногда может быть использован термин «угол внешнего трения».

Частицы вещества, находящиеся на свободной поверхности насыпи, испытывают состояние предельного (критического) равновесия. Угол естественного откоса связан с коэффициентом трения и зависит от шероховатости зёрен, степени их увлажнения, гранулометрического состава и формы, а также от удельного веса материала.

Угол естественного откоса грунта является параметром прочности почв, и он используется для описания сопротивления трения при сдвиге почвы вместе с нормальным эффективным напряжением.

По углам естественного откоса определяются максимально допустимые углы откосов уступов и бортов карьеров, насыпей, отвалов и штабелей.

При разработке (резании) грунты разрыхляются, структура их нарушается, и они теряют связность. Также изменяются силы трения и сцепления, уменьшаясь с увеличением влажности. Поэтому устойчивость незакрепленных откосов также непостоянна и сохраняется временно до изменения физико-химических свойств грунта, связанного в основном с атмосферными осадками в летнее время и последующим увеличением влажности грунта. Так, угол естественного откоса φ для песка сухого 25. 30°, песка влажного 20°, глины сухой 45° и глины влажной 15°. Установление безопасной высоты уступа и угла откоса является важной задачей. От правильного выбора угла откоса зависит безопасность разработки котлована, карьера.