Устойчивость откосов и склонов

27. Что называется откосом и склоном?

Откосом называют поверхность, ограничивающую 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 добычи полезных ископаемых и т. п.) или при перепрофилировании территорий.

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

28. Что такое заложение откоса? Где находится бровка откоса? Для чего устраиваются бермы?

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 положения откоса, а также по технологическим обстоятельствам (рис.М.15.2).

а - основные размеры; б, в, г - откосы с различным уклоном: 1 - подножье; 2 - поверхность; 3 - бровка; 4 - берма; 5 – гребень.

29. 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;

- крутизны откоса;

- высоты откоса;

- 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.\

30. 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.

31. Какие основные причины могут вызвать нарушение устойчивости откосов?

Выбор оптимальной крутизны откосов при проектировании насыпей и выемок позволяет, с одной стороны, избежать аварии, а с другой - снизить объемы земляных работ, т. е. существенно удешевить строительство.

Основными причинами потери устойчивости откосов и склонов являются:

- устранение естественной опоры массива грунта вследствие разработки котлованов, траншей, подмыва откоса и т. д.;

- устройство недопустимо крутого откоса;

- увеличение внешней нагрузки на откос (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 повышения влажности и других причин;

- увеличение гидродинамического давления воды, выходящей через поверхность откоса;

- проявление сейсмических сил, различного рода динамические воздействия (движение транспорта, забивка свай и т. п.);

- снижение сцепления и трения грунта при его увлажнении, которое часто обуславливается поднятием уровня подземных вод, а также при разрыхлении вследствие промерзания и оттаивания.

32. Какими мероприятиями можно увеличить устойчивость откосов?

Мероприятия по увеличению общей устойчивости:

1) выполаживание или создание уступчатого профиля с образованием горизонтальных площадок (берм) по высоте откоса (всегда связано с большим объемом земляных работ).2) пригрузка его нижней части (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.

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 большим объемом земляных работ. При относительно небольшой высоте откоса 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, принимаются дренажными устройствами с перебросом вод в ливнесточную сеть.

При необходимости разрабатываются 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.

Все эти мероприятия являются дорогостоящими и трудоемкими в исполнении, поэтому они могут применяться только при надлежащем технико-экономическом обосновании, тщательном анализе инженерно-геологической и гидрогеологической обстановки. Методы расчета и проектирования соответствующих мероприятий рассматриваются в специальной литературе.

33. 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, книзу он постепенно уполаживается и стремится к наклону, приближающемуся к углу внутреннего трения. Наиболее рациональное очертание откоса - близкое к предельно устойчивому.

. Предельный угол откоса сыпучего грунта равен его углу внутреннего трения. Этот угол носит название угла естественного откоса. Вес P разложен на две составляющие N нормальную к поверхности откоса и T касательную к ней.T” сила трения.

34. Начертите схему к расчёту устойчивости откоса сыпучего грунта. Какой предельный угол наклона сыпучего откоса?

Схемы к расчёту устойчивости откосов сыпучего грунта: а – сухого; б – фильтрующего воду. А – частица.

Предельное значение угла заложения откоса в сыпучих грунтах равно углу внутреннего трения грунта.

Вес F разложен на две составляющие N нормальную к поверхности откоса и T касательную к ней.T” сила трения. или .

Если угол заложения откоса равен или меньше угла внутреннего трения грунта, устойчивость откоса обеспечена. Теперь следует оценить запас устойчивости откоса при этих условиях. Очевидно, что в предельном состоянии условие принимает вид: ,

т. е. предельное значение угла заложения откоса в сыпучих грунтах равно углу внутреннего трения грунта. Такое значение α часто называют углом естественного откоса.

35. Начертите схему к расчёту устойчивости откоса идеально связного грунта. Какая предельная высота вертикального откоса? Как её найти?

В отличие от сыпучих грунтов предельный угол заложения откосов, сложенных связными грунтами, не является постоянным и меняется с увеличением высоты откоса. Более того, если высота не превышает предельного значения h₀ то связный грунт может держать вертикальный откос.

Коэффициент устойчивости вертикального откоса при можно получить в виде . Тогда высота вертикального откоса в идеально связных грунтах, отвечающего заданному запасу устойчивости, определится из как .

36. Какая основная идея положена в основу метода круглоцилиндрических поверхностей? Начертите схему.

Предположим, что потеря устойчивости откоса или склона, представленного на рис. 8.13, может произойти в результате вращения отсека грунтового массива относительно некоторого центра О.

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

где М_sr и M_sa - моменты относительно центра вращения О всех сил, соответственно удерживающих и смещающих отсек.

Для определения входящих в формулу 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 основания каждого элемента прочностные характеристики φ и с были постоянными.

37. Каким образом проводится расчёт 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).

Рис.М.15.7. Расчет устойчивости откоса по методу круглоцилиндрических поверхностей: а - проведение круглоцилиндрических поверхностей для поиска наиболее опасных (положение центра и радиуса из условия минимума); б - деление откоса на вертикальные отсеки.

38. Каким образом отыскивается положение центра и радиус дуги окружности, по которой наиболее вероятно скольжение в откосе?

Отыскивается такая дуга окружности, для которой отношение моментов сил удерживающих и сил сдвигающих минимально. Для этой цели берется не менее девяти положений центров дуг, а затем графически отыскивается минимальное значение отношения этих моментов.

По этой эпюре вновь оценивают минимальное значение коэффициента устойчивости . Полученное значение и является мерой оценки устойчивости откоса или склона. Соответствующая этому значению коэффициента устойчивости круглоцилиндрическая поверхность скольжения рассматривается как наиболее опасная.

39. Какой вид имеет формула для коэффициента запаса (надёжности)? Зависит ли коэффициент запаса устойчивости на сдвиг от радиуса окружности скольжения?

, l_i - длина дуги основания i -го элемента;

собственный вес грунта в объеме элемента P_gi и равнодействующая нагрузки на его поверхности Р_qi.

Да зависит, т.к. с изменением радиуса меняется угол α.

40. Какие силы оказывают сопротивление сдвигу по круглоцилиндрической поверхности скольжения?

Равнодействующая сил считается приложенной к основанию элемента и раскладывается на нормальную N_i и касательную T_i составляющие к участку дуги скольжения в точке их приложения.

Принимается, что удерживающие силы T_i’ в пределах основания каждого элемента обуславливаются сопротивлением сдвигу за счет внутреннего трения и сцепления грунта.

41. Что такое прислонённый откос и каковы предпосылки его расчёта?

Прислоненный откос покоится обычно на более плотном и крепком грунте (поверхность скольжения определена инженерно-геологическими условиями). Поэтому поверхностью скольжения служит контур поверхности более прочного грунта. Составляется условие равновесия массы грунта, которая может сползти, и вычисляется отношение суммарных сил, удерживающих откос и вызывающих его сползание. Это отношение и явится коэффициентом надежности.

42. Что такое оползни скольжения и разжижения?

Оползни скольжения имеют место при зафиксированных поверхностях скольжения, например у прислоненных откосов, когда при строительстве грунты укладывают на поверхность уже существующих уплотнившихся откосов земляных сооружений или когда природные склоны или насыпи при нарушении равновесия оползают по фиксированной поверхности скальных или других плотных пород.

Оползни разжижения имеют место в горных областях при катастрофическом выпадении дождей или при весьма быстром таянии снегов. Они представляют собой грязекаменные и водокаменные потоки, которые называют обычно селями.