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).

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 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.                                                               
 

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;  
•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; 

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. 

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

                (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_kctg 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) 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