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).
| Рис.1 Откосы: а — основные размеры; б, в, г — откосы с различным уклоном:
1 — подножье; 2 — поверхность; 3 — бровка; 4 — берма; 5 — гребень |
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
- 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
Осыпание происходит при превышении силами сдвига сопротивления несвязного грунта на незакрепленной поверхности.
Оплыванием (сплывом)
Основными причинами потери устойчивости откосов являются:
•устройство недопустимо крутого откоса;
- 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.
| Рис. 2. Характерные виды деформаций откосов:
а — обрушение; б — сползание; в — оползень; г — оползень с выпором; д — оплывание; 1—плоскость обрушения; 2 — плоскость скольжения; 3 — трещина растяжения; 4— выпор грунта; 5 — слабый прослоек; 6, 7— установившийся и первоначальный уровни воды; 8 — поверхность оплывания; 9—кривые депрессии |
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;
- Методы расчета устойчивости откосов
- устойчивость откоса идеально сыпучего грунта;
- устойчивость откоса идеально связного массива грунта.
- задан угол наклона плоского откоса, определяется интенсивность
внешней нагрузки на верхней горизонтальной поверхности грунта, офаниченного откосом массива;
- задана интенсивность нагрузки на верхней горизонтальной поверхности грунта, офаниченного откосом массива, определяется форма равноустойчивого откоса, находящегося в предельном напряженном состоянии.
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;
| Рис. 3. Типы разрушения откосов:
а — разрушение передней части откоса; б — разрушение нижней части откоса; в — разрушение внутреннего участка откоса |
•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.
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
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:
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
(1) (2)
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:
(3)
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 k ctg θ, получим
(4)
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:
(5) (6)
Полагая sin 2θ = 1 при θ = 45°, получим
(7)
Из выражения (7) видно, что при высоте котлована (откоса) Нк > 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:
Задача первого типа, при однородных грунтах и плоском откосе (рис. 7) решена В.В. Соколовским в безразмерных величинах q (табл. 1).
