Устойчивость откосов сыпучего грунта

Устойчивость откосов сыпучего грунта

Сообщение

Прочность и устойчивость грунтовых массивов. Давление грунтов на ограждения — Мероприятия по повышению устойчивости откосов и склонов

Содержание материала

• Прочность и устойчивость грунтовых массивов. Давление грунтов на ограждения
• Критические нагрузки на грунты основания
• Начальная критическая нагрузка
• Нормативное сопротивление и расчетное давление
• Предельная критическая нагрузка
• Практические способы расчета несущей способности и устойчивости оснований
• Понятие о коэффициенте запаса устойчивости откосов и склонов
• Простейшие методы расчетов устойчивости
• Учет влияния фильтрационных сил
• Инженерные методы расчёта устойчивости откосов и склонов
• Мероприятия по повышению устойчивости откосов и склонов
• Определение активного давления на вертикальную грань стенки для сыпучего грунта и связного грунта, учёт пригрузки на поверхности засыпки
• Учёт сцепления грунта
• Все страницы

4.5.2. 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.

При относительно небольшой высоте откоса эффективна пригрузка подошвы в его низовой части или устройство подпорной стенки, поддерживающей откос. Закрепление поверхности откоса может быть осуществлено мощением камнем, одерновкой, укладкой бетонных плит.

Важнейшим мероприятием является регулирование гидрогеологического режима откоса или склона. Устройство канав для перехватывания поверхностных вод, отвод воды с берм, устройство дренажа.

Конструктивные мероприятия типа прорезания потенциально неустойчивого массива грунтов системой забивных или набивных свай, анкерное закрепление во взаимодействии с подпорными стенками или свайными конструкциями.

4.6. Понятия о взаимодействии грунтов с ограждающими конструкциями (давление покоя, активное и пассивное давление)

Ограждающие конструкции предназначены для удерживания от обрушения находящихся за ними грунтовых массивов. К таким конструкциям относится подпорная стенка, а также стены подвалов и заглубленных частей здания, стены подземных сооружений и т.п. Различают массивные (или гравитационные) и тонкостенные подпорные стенки (рис. 4.6). По характеру работы подразделяются на жесткие и гибкие (шпунтовые стенки).

Устойчивость массивных стенок на сдвиг и опрокидывание обеспечивается прежде всего их собственным весом. Устойчивость тонкостенных конструкций – собственным весом стенки и грунта, вовлеченного в совместную работу, либо защемлением нижней части стенки в основание.

Равнодействующая давления грунта на стенку Е зависит от направления, величины и характера её смещения.

Давление, реализуемое в условиях отсутствия горизонтального смещения при u=0 (рис. 4.7, б) называют давлением покоя Е₀.

где — коэф. бокового давления; ν – коэф. Пуассона.

При смещении стенки под действием давления в сторону от засыпки на величину u_a (рис.4.7, а) в грунте засыпки формируется область обрушения грунта, граница которой называется поверхностью скольжения, а сама область – призмой обрушения. Давление, передаваемое призмой обрушения на грань стенки, называют активным давлением, а его результирующую обозначают Е_а.

При смещении стенки в сторону грунта под действием каких-либо сил в засыпке также образуются поверхности скольжения, при величине смещения +u_п формируется призма выпирания грунта (рис.4.7, в). При этом реакция грунта достигает максимального значения и соответствует пассивному давлению (отпору) грунта, результирующую которого обозначают Е_п.

Устойчивость откосов и склонов, давление грунта на подпорные стены

6.1. Общие положения

Откосом называется искусственно созданная поверхность, ограничивающая природный грунтовый массив, выемку или насыпь. Откосы образуются при возведении различного рода насыпей (дорожное полотно, дамбы, земляные плотины и т. д.), выемок (котлованы, траншеи, каналы, карьеры и т. п.) или при перепрофилировании территорий.

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

Откос отличают от склона большим углом наклона свободной поверхности к горизонтали. По различным литературным источникам откосом называют склон с углом наклона свободной поверхности к горизонтали более 30°. Нормативная классификация грунтовых массивов, подразделяющая их на склоны и откосы, отсутствует. В связи с эти приведенные выше определения откоса являются условными.

Массив грунта при определенных условиях может потерять устойчивость и в результате этого перейти из состояния статического равновесия в состояние движения. Такое состояние грунтового массива называется оползнем. Принятая классификация оползней основана на схемах потери устойчивости грунтового массива. Различают следующие виды оползней: оползни вращения; оползни скольжения; оползни разжижения(рис. 6.1).

Рис. 6.1. Виды оползней:

а – оползень вращения, б – оползень скольжения (пристенный оползень); 1 – поверхности скольжения в теле оползня, 2 – стационарная плоскость скольжения на границе оползня
с подстилающим устойчивым массивом

Для оползней вращения характерна форма потери устойчивости грунтового массива в виде движения по криволинейной поверхности с вращением. Оползни скольжения называют также пристенными оползнями, так как их движение при нарушении равновесия происходит по заранее известным плоскостям, являющимся плоскостями контакта грунтового массива с устойчивыми горными породами. Оползнями разжижения называют грязевые потоки разжиженного водой грунта по выработанным руслам рек и тельвегам, например, селевые потоки. Механика грунтов изучает первые два типа оползней. Нарушение равновесия массива грунта может происходить внезапно со сползанием значительных масс грунта.

Основными причинами потери устойчивости откосов и склонов являются:

· устройство недопустимо крутого откоса или подрезка склона, находящегося в состоянии, близком к предельному;

· увеличение внешней нагрузки (возведение сооружений, складирование материалов на откосе или вблизи его бровки);

· изменение внутренних сил (увеличение удельного веса грунта при возрастании его влажности или, напротив, влияние взвешивающего давления воды на грунты);

· неправильное назначение расчетных характеристик прочности грунта или снижение его сопротивления сдвигу за счет, например, повышения влажности;

· проявление гидродинамического давления, сейсмических сил, различного рода динамических воздействий (движение транспорта, забивка свай и. т. п.).

Устойчивость откоса из идеально сыпучего грунта. Откос из идеально сыпучего грунта имеет свободную поверхность, наклоненную к горизонтальной плоскости под углом α (рис. 6.2).

Элементарная частица грунта на свободной поверхности испытывает силу тяжести G, которую можно разложить на нормальную N и касательную T к наклонной поверхности компоненты:

. (6.1)

Элементарная частица грунта удерживается на наклонной поверхности силой трения, равной произведению нормальной компоненты силы тяжести на коэффициент трения. Обозначим коэффициент трения как тангенс угла внутреннего трения φ. Тогда из уравнения равновесия проекций всех сил на наклонную плоскость получим:

(6.2)

(6.3)

Полученный результат можно обобщить в виде следующего определения: угол наклона к горизонтальной плоскости свободной поверхности откоса, сложенного идеально сыпучим грунтом, равен углу внутреннего трения этого грунта. Этот результат можно использовать в качестве теоретической основы экспериментального метода по определению угла внутреннего трения сыпучего грунта.

6.2. Инженерные методы расчета устойчивости откосов и склонов

В проектной практике применяются инженерные методы расчета устойчивости, содержащие различного рода упрощающие предположения. Наиболее распространенный из них – метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения, относящий к схеме плоской задачи.

Этот метод был впервые применен К. Петерсоном в 1916 г. для расчета устойчивости откосов и долгое время назывался методом шведского геотехнического общества.

Рассмотрим широко используемую модификацию этого метода. Предположим, что потеря устойчивости откоса или склона, представленного на рис. 6.3, а, может произойти в результате вращения отсека грунтового массива относительно некоторого центра .

Поверхность скольжения в этом случае будет представлена дугой окружности с радиусом r и центром в точке . Смещающийся массив рассматривается как недеформируемый отсек, все точки которого участвуют в общем движении. Коэффициент устойчивости принимается в виде

, (6.3)

где и – моменты относительно центра вращения всех сил, соответственно удерживающих и смещающих отсек.

Рис. 6.3. Схема к расчету устойчивости откосов методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения: а – расчетная схема; б – определение положения наиболее опасной поверхности скольжения; 1, 2, … – номера элементов

Для определения входящих в формулу (6.4) моментов отсек грунтового массива разбивается вертикальными линиями на отдельные элементы. Характер разбивки назначается с учетом неоднородности грунта отсека и профиля склона так, чтобы в пределах отрезка дуги скольжения основания каждого i-го элемента прочностные характеристики грунта j и с были постоянными. Вычисляются силы, действующие на каждый элемент: вес грунта в объеме элемента и равнодействующая нагрузки на его поверхность . При необходимости могут быть также учтены и другие воздействия (фильтрационные, сейсмические силы и т. д.). Равнодействующие сил считаются приложенными к основанию элемента и раскладываются на нормальную и касательную составляющие к дуге скольжения в точке их приложения. Тогда

; . (6.5)

Соответственно момент сил, вращающих отсек вокруг 0, определился как

, (6.6)

где п – число элементов в отсеке.

Принимается, что удерживающие силы в пределах основания каждого элемента обусловливаются сопротивлением сдвигу за счет внутреннего трения и сцепления грунта. Тогда с учетом выражения для закона кулона можно записать

, (6.7)

где – длина дуги основания i-го элемента, определяемая как . Здесь – ширина элемента).

Отсюда момент сил, удерживающих отсек, будет иметь вид

. (6.8)

Учитывая формулу (6.4), окончательно получим

. (6.9)

При устойчивость отсека массива грунта относительно выбранного центра вращения 0 считается обеспеченной. Основная сложность при практических расчетах заключается в том, что положение центра вращения 0 и выбор радиуса r, соответствующие наиболее опасному случаю, неизвестны. Поэтому обычно проводится серия таких расчетов при различных положениях центров вращения и значениях r. Чаще всего наиболее опасная поверхность скольжения проходит через нижнюю точку откоса или склона. Однако если в основании залегают слабые грунты с относительно низкими значениями прочностных характеристик j и с, то это условие может не выполняться.

Один из приемов нахождения наиболее опасного положения поверхности скольжения заключается в следующем. Задаваясь координатами центров вращения 0₁, 0₂, …, 0_n на некоторой прямой, определяют коэффициенты устойчивости для соответствующих поверхностей скольжения и строят эпюру значений этих коэффициентов (рис. 6.3, б). Через точку 0_min, соответствующую минимальному коэффициенту устойчивости, проводят по нормали второй отрезок прямой и, располагая на нем новые центры вращения , , …, , вновь оценивают минимальное значение коэффициента устойчивости. Тогда и определит положение наиболее опасной поверхности скольжения. При устойчивость откоса или склона будет обеспечена.

М.15.3. От каких факторов зависит устойчивость откосов?

Устойчивость откосов зависит от:

— прочности грунтов под откосом и в его основании, причем характеристики прочности могут изменяться со временем;

— удельного веса грунтов под откосом и в его основании;

— нагрузок на поверхности откоса;

— фильтрации воды через откос;

— положения уровня воды, насыщающей грунт в теле откоса.

Откосы земляных плотин и дамб в подводной части обычно более пологие, чем в надводной.

М.15.4. Какой характер может носить разрушение откоса?

Разрушение откоса может происходить внезапно и носить характер обвала или оплыва, а также проявляться в виде длительного оползания, что особенно характерно для глинистых грунтов. В ряде случаев грунты оснований под откосом являются менее прочными, чем грунты в теле откоса. Тогда становится возможным их выдавливание из-под откоса, с обрушением всего откоса или его части.

М.15.5. Какие основные причины могут вызвать нарушение устойчивости откосов? Какими мероприятиями можно увеличить устойчивость откосов?

Возможные причины нарушения устойчивости откоса:

— излишняя его крутизна;

— подрезка откоса в нижней части;

— утяжеление откоса вследствие увлажнения грунта;

— уменьшение величины прочностных характеристик грунта тела откоса вследствие увлажнения или других обстоятельств;

— нагрузка на гребне откоса;

— динамическое воздействие и т.д.

Мероприятия по увеличению общей устойчивости:

1) уположение откоса (рис.М.15.2,б); 2) пригрузка его нижней части (рис.М.15.2,г); 3) дренирование откоса; 4) закрепление грунтов тела откоса; 5) применение свай; 6) устройство подпорной стены и т.д. Укрепление поверхности откоса может быть достигнуто устройством одежды, высевом трав с прочной корневой системой
и т.д.

М.15.6. Какой откос называется предельно устойчивым?

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.М.13.25), книзу он постепенно уполаживается и стремится к наклону, приближающемуся к углу внутреннего трения. Наиболее рациональное очертание откоса — близкое к предельно устойчивому.

М.15.7. Каким образом проводится расчет устойчивости откосов по методу круглоцилиндрических поверхностей? Как рассчитать разнородный откос по методу круглоцилиндрических поверхностей?

По методу круглоцилиндрических поверхностей проводится серия возможных дуг окружностей и для каждой из них составляется отношение моментов удерживающих и сдвигающих сил. Далее отыскивается методом пробных поисков минимум этого отношения. В том случае, если откос разнородный, то зона, ограничиваемая поверхностью откоса и дугой проведенной окружности, делится на вертикальные равные по ширине отсеки, а для каждого из них составляются величины моментов удерживающих и сдвигающих сил. Далее моменты удерживающих и сдвигающих сил отдельно суммируются и отыскивается их отношение, которое называется коэффициентом надежности. Следующий заключительный этап — поиск минимального значения коэффициента надежности (рис.М.15.7).

6. Устойчивость откосов плотины

Минимально возможный профиль земляной плотины представляет собою трапецию с откосами, обычно не круче 1: 1,5. Вес плотины такого профиля настолько значителен, что о сдвиге ее под действием горизонтальных сил от давления воды верхнего бьефа не может быть речи. Поэтому расчет земляной плотины на сдвиг не производят.

Неустойчивыми могут оказаться откосы плотины как сами по себе, так и в связи с недостаточной устойчивостью основания.

1. В насыпях из сыпучих (несвязных) грунтов, лишенных сцепления и обладающих лишь внутренним трением, если отсутствуют фильтрационные силы, устойчивый откос представляет собою плоскость, наклоненную к горизонту под углом ?, где ? — угол внутреннего трения или естественного откоса. Всякий откос с углом наклона ? ? ? является неустойчивым.

Для песчаных грунтов естественной влажности углы внутреннего трения варьируют от 25 0 для песков до 43 0 для гравелистых грунтов в зависимости от плотности.

2. Связные грунты (глина, суглинки) кроме внутреннего трения частиц (угла ?) располагают силами сцепления с, измеряемые в единицах давления (паскалях и др.).

В литературе [2] приведен график приближенного метода расчета для однородных земляных откосов из связных грунтов, предполагающий поверхность сползания откоса круглоцилиндрической. По этому графику, зная объемный вес грунта ?₁ (т/м 3 ), угол внутреннего трения ? сцепление с (т/м 2 ), и высоту откоса h (м), можно определить угол безопасного откоса ?.

Рис. 6.1. График расчета устойчивости откосов для однородных связных грунтов [2].

Вычисленное значение заложения откоса m по графику для плотин 1-го и 2-го класса следует увеличить на коэффициент безопасности по СНиП.

3. Как правило, откосы земляной плотины не являются однородными по составу; даже в плотине из однородного грунта часть последнего, лежащая ниже кривой депрессии, имеет иные физические свойства, чем вышележащий сухой грунт: иной объёмный вес, иное сцепление, наличие фильтрационных сил. Кроме того, в большинстве случаев основание плотины может деформироваться вместе с откосами.

Для таких случаев приходится пользоваться при расчете общим методом круговых (цилиндрических) поверхностей скольжения (метод К. Терцаги) [3, 2]. Этот метод сводится к вычислению отношения момента силы веса отсека к моменту сил сцепления относительно произвольно выбранного центра кривой скольжения. По этому отношению определяется коэффициент устойчивости откоса с учетом влияния фильтрационных сил.

Вычисления продолжаются с многократно переносимым центром скольжения, из которых выбирается наиболее опасный центр с минимальным коэффициентом устойчивости.

Расчеты громоздки и требуют много времени для вычисления.

Для проведения расчета необходимо знать фактические величины сцепления, трения, объемного веса участков грунтов, которые определяются лабораторными испытаниями, а также фильтрационных сил, вычисляемых по построенной фильтрационной сетке.

В настоящее время расчет устойчивости выполняется по разработанным программам для ЭВМ. Эти расчеты выполняются специализированными проектными организациями (ОАО «Гидропроект» и др.). Расчетную схему устойчивости приводим ниже. [2].

Подробные методики расчетов приведены во многих справочниках по гидротехнике и механике грунтов, повторять их в нашем пособии нецелесообразно.

На устойчивость откосов плотины существенное влияние оказывает быстрое изменение горизонта воды в водохранилище. При быстром снижении уровня вода в «мокром» клине плотины не успевает фильтровать обратно в водохранилище, что приводит к появлению порового давления, которое нужно учитывать в расчетах. Такое быстрое изменение уровня воды характерно для водохранилищ ГАЭС (гидроаккумулирующих ГЭС), где уровень воды изменяется несколько раз в сутки до 10 м. Так на плотине нижнего бассейна Загорской ГАЭС [10] при эксплуатации произошли местные оползания низового откоса. Поверочными расчетами была выявлена недостаточная устойчивость низового откоса и были приняты меры по доработке дренажной системы плотины. Для плотин ГАЭС и приливных ГЭС с переменным и быстро меняющимся уровнем воды водохранилища необходимо дренировать оба откоса плотины.

В расчетах плотины также необходимо учитывать возможное сейсмическое воздействие в зависимости от географического района и класса плотины по безопасности.

Рис.6.2. а) оползание откоса; в) схема к расчету устойчивости откоса.

При сбросе через высокую водосливную плотину паводковых вод происходит вибрация местности, которая передается на значительные расстояния, в том числе и на земляную плотину. Это явление также учитывают при назначении коэффициента запаса устойчивости откосов плотины.

Кроме обрушения массива откоса, особенно в процессе намыва, на устойчивость откоса влияет суффозия (вымывание) мелких частиц грунта под действием фильтрационных вод, и оно может привести к постепенному обрушению откоса.

Кроме этого, приводим простой расчет устойчивости откоса на оплывание (суффозию) в месте выхода фильтрационного потока на поверхность [Л. 3 стр. 629].

4. Расчет устойчивости низового откоса нa оплывание в месте выхода фильтрационного потока на поверхность (фиг. 22—15)

Этот расчет выполняется по формуле:

где ? — объемный вес воды, принимаемый равным 1 г/см 3 или т/м 3 ;

?_r — объемный вес влажного грунта (в воздухе), приближенно принимаемый ?_r ? 2 т/м 3 ;

? — угол наклона откоса к горизонту;

? — угол внутреннего трения грунта, из которого выполнен откос;

I — градиент фильтрационного потока на выходе, принимаемый J_пред = sin ?.

Фиг. 22—15. Схема для расчета устойчивости откоса на оплывание.

При решении равенства (22—15) поручается приближенно для отсутствия оплывания:. (22—16)

Примерные значения угла внутреннего трения ? для песков даны в таблице 2 [4 стр. 23].

Таблица 2.

Для расчета плотин 1 — 2 классов необходимы лабораторные определения угла внутреннего трения для конкретных грунтов плотины.

Примерные значения заложения откосов земляных плотин приведены в таблице раздела 6 [2].

При проектировании плотины сначала выбирают профиль плотины и заложение откосов по таблице или аналогам, а затем проверяют выбранный профиль на сдвиг, устойчивость откосов и фильтрацию.