Dessadecor-nn.ru

Журнал Dessadecor-NN
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Устойчивость откосов по теории предельного равновесия

Проектируем все силы на наклонную грань откоса с учетом

Устойчивость откосов и склонов

При разработке котлованов, вертикальной планировке площадок с уступами, устройстве выемок и насыпей, возведении сооружений на склонах и в ряде других случаев приходится оценивать устойчивость массивов грунтов в откосах. Устройство пологих откосов резко удорожает строительство. Крутые откосы могут привести к аварии. Нужно находить оптимальные крутизны откосов или проектировать подпорные стенки.

Причины потери устойчивости откосов:

— устранение естественной опоры массива грунта вследствие разработки котлованов, траншей и т.д.;

— увеличение внешней нагрузки на откос;

— увеличение удельного веса грунта в призме обрушения в результате насыщения пор водой;

— влияние капиллярной влаги при понижении уровня грунтовых вод;

— снижение сцепления и трения грунта при увлажнении, промерзании и оттаивании грунтов;

— динамические воздействия (движение транспорта, сейсмические проявления);

— большая крутизна откосов.

Нарушение равновесия массива грунта может происходить внезапно со сползанием значительных масс грунта. Такие нарушения равновесия называются оползнями. Оползни бывают следующих видов:

а) оползни вращения (с криволинейными поверхностями обрушения);

б) оползни скольжения (по зафиксированным поверхностям);

в) оползни разжижения (грязевые потоки перенасыщенных водой грунтов).

4.5.1. Устойчивость откосов идеально сыпучего грунта (с=0, j¹0)

Пусть имеется откос с углом заложения a при заданном значении угла внутреннего трения j песка, слагающего откос.

Рассмотрим равновесие частицы грунта М, свободно лежащей на поверхности откоса (рис.4.13,а). Вес частицы Р разложим на нормальную N к линии ab и касательную Т, стремящуюся сдвинуть частицу вниз. Грунт обладает только внутренним трением, поэтому устойчивость частицы будет обеспечена, если сдвигающая сила Т равна удерживающей силе трения Т ‘=fN или меньше нее.

Рис.4.13. Схема к расчету устойчивости откосов сыпучего грунта:

а – сухого; б – фильтрующего воду

Проектируем все силы на наклонную грань откоса с учетом

N = Pcosa, T = Psina, Psina – fPcosa = 0. (4.30)

Отсюда tga=f , а т.к. коэффициент трения f=tgj, то получаем a=j. Следовательно, предельный угол откоса сыпучих грунтов равен углу внутреннего трения. Этот угол носит название угла естественного откоса.

Для обеспечения устойчивости откоса сила, удерживающая частицы М, должна быть больше сдвигающих сил: T T ‘. Примем за коэффициент надежности gn, тогда gntga£tgj . Обычно gn принимают равным 1,1¸1,2.

Если уровень подземных вод в массиве сыпучих грунтов находится выше подошвы откоса, возникает фильтрационный поток,выходящий на поверхность откоса. В грунте появляется гидродинамическое давление, что приводит к снижению устойчивости откоса. Поэтому рассматривая равновесие частицы М на поверхности откоса, к сдвигающей силе необходимо добавить гидродинамическую составляющую

где gw – удельный вес воды; n – пористость грунта, i – градиент напора.

В точке выхода воды через поверхность откоса действуют силы D и P, которые приводятся к равнодействующей R, отклоняющейся от вертикали на угол b. В этом случае устойчивость угла откоса находим из условия

4.5.2. Устойчивость вертикального откоса грунта, обладающего только сцеплением (j=0,c¹0)

Рассмотрим для такого грунта устойчивость вертикального откоса ab высотой h (рис.4.14). Проведем линию ас возможной поверхности скольжения под углом a к горизонту. По всей этой плоскости будут действовать удельные силы сцепления.

Составим уравнение равновесия всех сил, действующих на оползающую призму abc. Действующей силой будет вес Р призмы abc.

Учитывая, что bc=hctga, получаем

. (4.33)

Силу Р разложим на нормальную N и касательную Т составляющие к поверхности скольжения ас. Силами, сопротивляющимися скольжению, будут лишь силы сцепления с, распределенные по плоскости скольжения .

Так как в верхней точке с призмы abc давление равно нулю, а в нижней а оно максимально, то в среднем следует учитывать лишь половину сил сцепления.

Составим уравнение равновесия, взяв сумму проекций всех сил на направление ас и приравняв ее нулю:

, (4.34)

. (4.35)

Определим значение высоты h=h90, соответствующей максимальному использованию сил сцепления. Очевидно, при этом sin2a=1, a=45 0 . Тогда, подставляя sin2a=1 в выражение (4.35) и решая его относительно h90, получим

. (4.36)

При коэффициенте надежности gn имеем

. (4.37)

В данном случае h – максимально возможная высота откоса без крепления.

4.5.3. Устойчивость откосов по теории предельного равновесия

Для грунтов, обладающих и внутренним трением и сцеплением, В.В.Соколовским решены две задачи:

1. Определение максимального давления на горизонтальную поверхность массива грунта, при которой откос данного очертания остается в равновесии.

2. Определение формы равноустойчивого откоса предельной крутизны.

На основании численного интегрирования дифференциальных уравнений предельного равновесия при различных углах внутреннего трения j и углах наклона плоского откоса к горизонту a можно найти предельные значения Р:

, (4.38)

где – безразмерная величина предельного давления (табл.III.5 приложения III), принимается в зависимости от j, a и относительной координаты :

, . (4.39)

Очертания равноустойчивого откоса строят, начиная с его верхней кромки.

Горизонтальная поверхность равноустойчивого откоса может нести равномерно распределенную нагрузку

. (4.40)

Если P рассмотреть как давление слоя грунта Р = gh , то

. (4.41)

При j = 0 h = .

4.5.4. Расчет устойчивости откосов приближенным методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения

Этот метод, широко используемый в практике, впервые был применен К.Петерсоном в 1916 г. и долгое время назывался «методом шведского геотехнического общества». Сущность применения метода сводится к следующему. Задаются центром вращения О откоса АВ. Уравнением равновесия будет SМ=0. Для составления уравнения моментов относительно точки вращения О разбиваем призму скольжения АВС вертикальными сечениями на ряд отсеков и принимаем вес каждого отсека условно приложенным к точке пересечения веса отсека Pi с соответствующим отрезком дуги скольжения. Раскладываем силы веса Pi на направление радиуса вращения и ему перпендикулярное (рис.4.17,а) и составляем уравнение равновесия, приравнивая нулю момент всех сил относительно точки вращения:

. (4.42)

Сокращая это выражение на R, получим

, (4.43)

где L – длина дуги скольжения; c, j – угол внутреннего трения и сила сцепления; Ti и Ni – соответственно касательная и нормальная составляющие силы веса: , .

Рис.4.17. Схемы расчета устойчивости откосов по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения: а – схема действия сил; б – положение опасных дуг скольжения

За коэффициент устойчивости откоса принимают отношение момента сил удерживающих к моменту сил сдвигающих:

или (4.44) .

Необходимо из всех возможных дуг поверхностей скольжения выбрать наиболее опасную (рис.4.17,б). Для намеченных центров дуг О1, О2, О3 определяем необходимое по условию устойчивости сцепление, соответствующее предельному равновесию,

. (4.45)

Из всех возможных центров скольжения выбираем тот, для которого требуется максимальная величина сил сцепления. Коэффициент устойчивости h принимаем равным 1,1…1,5. Изложенный метод уточнен М.Н.Гольдштейном и Г.И.Тер-Степаняном:

, (4.46)

где А и В – коэффициенты (табл.III.6 приложения III, пример 8), табулированные в зависимости от соотношения заложения откоса m и x=(0,25; 0,5; 1,0; 1,5)h

. (4.47)

4.5.5. Устойчивость прислоненных откосов и склонов

Устойчивость прислоненного откоса определяется из уравнений равновесия. При этом разбивают массив грунта на ряд отсеков так, чтобы в пределах отдельных отсеков поверхность скольжения была плоской и проходила по фиксированной поверхности более плотных ненарушенных пород (рис.4.18).

Читать еще:  Дождь стучит по откосам

Рис.4.18. Схема действия сил при определении оползневого давления

При рассмотрении i-го отсека учитывают все внешние силы, включая нагрузку, приложенную к поверхности отсека, и вес грунта в объеме отсека. Сумму внешних сил Qi раскладывают на нормальную Ni и касательную Тi. Нормальная сила Ni позволяет учитывать силы трения по основанию nm. Кроме того, учитывают силы сцепления при сдвиге по этой плоскости. Дополнительно на отсек действует неуравновешенное оползневое давление от вышележащих отсеков Еi-1 и неизвестное оползневое давление на нижележащий отсек Еi. Если откос подвержен еще действию сейсмических сил, отклоняющих равнодействующую внешних сил от вертикали на некоторый угол qi, то получим

и . (4.48)

По уравнениям равновесия – сумме проекций всех сил на направление nm и нормаль к этому направлению – можно найти значение оползневого давления Еi, передаваемого на следующий отсек:

, (4.49)

где h – коэффициент устойчивости.

Расчет начинают с первого верхнего отсека, для которого Еi-1=0. Переходя от отсека к отсеку, достигают последнего отсека, который должен быть устойчивым при En £ 0.

4.5.6. О мерах борьбы с оползнями

Нарушение устойчивости земляных масс сопровождается разрушением дорог, мостов, жилых и промышленных зданий, иногда с человеческими жертвами.

К мерам по увеличению устойчивости массивов грунта и борьбе с оползнями относятся:

— восстановление и усиление естественных упоров оползающих масс;

— регулирование водного режима грунтовых масс;

|следующая лекция ==>
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ|КЛИНИКА И ДИАГНОСТИКА ГЕСТОЗА

Дата добавления: 2016-05-11 ; просмотров: 1702 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Устойчивость откосов и давление грунтов на ограждения и подпорные стены

Главная > Документ

Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

9.4. Расчет устойчивости откосов с использованием

строгих решений теории предельного равновесия

На основе системы уравнений теории предельного равновесия (9.23) задачи об устойчивости откосов можно решать без принятия предварительных предположений о форме поверхностей скольжения. Для некоторых частных случаев имеются замкнутые аналитические решения, но основные результаты получены численным интегрированием уравнений (9.23) с построением сеток линий скольжения.

В практике проектирования чаще всего рассматриваются задачи двух типов:

1. Задано очертание откоса и характеристики грунта . Требуется определить интенсивность нагрузки на поверхности, при которой массив грунта будет находиться в предельном равновесии.

2. Задана интенсивность нагрузки на верхней горизонтальной поверхности грунта. Требуется определить такое очертание поверхности откоса, при котором ограниченный им массив грунта находится в предельном равновесии. Это задача об очертании равноустойчивого откоса.

Расчетная схема к задаче первого типа представлена на рис.9.9.

Рис.9.9 — Схема определения предельного давления

при заданном очертании откоса

Решение задачи в безразмерных коэффициентах имеет вид:

, (9.20)

где и — безразмерная координата и давление.

Значения в зависимости от при соответствующих принимаются по табл.9.1.

Расчеты по формуле (9.20) проводят следующим образом. Для заданных на горизонтальной поверхности точек с координатой рассчитывают безразмерные координаты . Далее по табл.9.1 при известных и определяют значения . Затем по (9.20) рассчитывают для принятых точек значения ординат эпюры предельного давления .

Для решения второй задачи используют графики в безразмерных координатах . Кривые на графике (рис.9.10) показывают очертание равноустойчивого откоса при данном значении . Здесь ; и — действительные координаты соответствующих точек откоса при задании начала координат в точке .

Таблица 9.1 — Значения в формуле (9.20)

Значения при , равном

при , равном

Построение равноустойчивого откоса проводят в следующей последовательности. На рис.9.10 выбирается кривая для заданного значения . Начало координат располагается на верхней границе откоса. Задаются положением нескольких точек кривой и по безразмерным их координатам при известных вычисляют действительные координаты

.

Кривая, проведенная через точки с этими координатами, будет давать очертание равноустойчивого откоса при известных исходных данных.

Построенный таким образом откос может нести на горизонтальной поверхности равномерно распределенную нагрузку , эквивалентную слою грунта высотой по (9.13), (9.14):

. (9.21)

При отсутствии нагрузки верхняя часть откоса на высоту может иметь вертикальное положение. В этом случае построенную кривую следует опустить по оси так, чтобы она выходила из точки (). Соответственно равноустойчивый откос будет заканчиваться в верхней части вертикальным уступом.

Если в рассмотренных задачах требуется определить нагрузку на поверхности или очертание откоса с заданным коэффициентом устойчивости (в частности, нормативным), в приведенных выше вычислениях следует использовать прочностные характеристики, определенные по формулам (9.22)

. (9.22)

9.5. Условия применения различных методов расчета

и мероприятия для повышения устойчивости

откосов и склонов

Изложенное выше показывает, что основными в методах расчета устойчивости откосов являются: 1) принятие наиболее вероятной формы разрушения откоса и соответствующей поверхности скольжения и 2) учет по ней действительных для принимаемой предельной ситуации прочностных характеристик грунтов.

Сложность первого условия и соответствующей задачи состоит в том, что чаще всего ее приходится решать без детального анализа напряженно-деформированного состояния откоса и его изменения во времени. Это задача прогноза и ее успех определяется правильной оценкой вероятных изменений условий существования откоса в течение длительного периода и возникающих при этом опасностей.

Причины потери устойчивости многообразны. Основными из них являются:

подрезка склона, уже находящегося в близком к предельному состоянию;

устройство чрезмерно крутого склона;

увеличение внешней нагрузки на откос из-за возведения сооружений, складирования материалов на откосе или вблизи его бровки;

изменение удельного веса грунтов – увеличение при дополнительном увлажнении или, наоборот, снижение из-за взвешивающего действия воды;

ошибки при назначении расчетных характеристик прочности грунтов;

снижение сопротивления грунтов сдвигу за счет переувлажнения или других причин;

проявление гидродинамического давления фильтрующей воды, развитие суфорозионных явлений;

динамические воздействия (вибрации, сотрясения, удары) при движении транспорта, забивные сваи и др.;

Часто нарушение устойчивости является результатом нескольких причин, т.е. связано с взаимодействием ряда факторов. Их прогноз возможен только на основе тщательного анализа всего комплекса инженерно-геологических условий.

Сложное положение также зависит от решения второй задачи – назначения расчетных значений прочностных характеристик. Часто грунт даже во внешне однородном слое обладает прочностной анизотропией, т.е. неодинаковостью показателей прочности по различным направлениям. Для таких условий ясно, что результаты испытаний в обычном срезном приборе образцов, отобранных вдоль линии скольжения, вырезанных из монолитов по высоте сверху вниз, будут искажены влиянием анизотропии (рис.9.11). В то же время при инженерно-геологических изысканиях положение поверхности скольжения заранее неизвестно. Этот, а также другие факторы должны учитываться при выборе расчетных прочностных характеристик.

Рис.9.11 — Влияние анизотропии грунта на сопротивление сдвигу

Большое значение имеет использование рассмотренных выше методов расчета для количественной оценки влияния различных факторов на коэффициент устойчивости. Нейтрализация опасных факторов достигается специальными мероприятиями по повышению устойчивости. Наиболее эффективно выполаживание откосов (склонов) или создание горизонтальных площадок (берм) по их высоте. Однако это связано с увеличением объема земляных работ, а также может оказаться неприемлемым по условиям планировки территории.

Читать еще:  Крепление откосов котлованов траншей

Эффективными могут быть закрепление поверхности откоса одерновкой, мощением камнем, укладкой бетонных или железобетонных плит. Возможны пригрузка подошвы в низовой части откоса или устройство подпорной стенки, поддерживающей откос.

Важным мероприятием является регулирование гидрогеологического режима откоса или склона. С этой целью сток поверхностных вод перехватывают нагорными канавами; вода отводится также с берм. Подземные воды, высачивающиеся на поверхности откоса, перехватываются дренажными устройствами с отведением вод в специальную ливнесточную сеть.

При необходимости проводятся сложные конструктивные мероприятия. Например, применяется прорезка потенциально неустойчивого массива грунтов системой свай, вертикальных шахт и горизонтальных штолен, заполняемых бетоном и заглубленных в подстилающие неподвижные части массива. Используются также армирование и анкерное крепление неустойчивых объемов грунта, часто в сочетании с подпорными стенками или свайными конструкциями.

Устойчивость откосов и давление грунтов на ограждения и подпорные стены значение вопроса и общие положения

УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ И ДАВЛЕНИЕ ГРУНТОВ

НА ОГРАЖДЕНИЯ И ПОДПОРНЫЕ СТЕНЫ

9.1. Значение вопроса и общие положения

Откосы образуются при отсыпках различных насыпей (дороги, дамбы, плотины) и устройстве выемок (дороги, канавы, траншеи, котлованы, каналы, карьеры) или при перепрофилировании территорий. Природный откос, ограничивающий массив грунта естественного сложения, называется склоном.

Для характеристики откоса используют термины: подошва откоса (рис.9.1, точка А), бровка откоса (рис.9.1, точка С), высота откосаН, заложение – В. Крутизна откоса характеризуется углом наклона или его тангенсом ; на практике чаще используют задание откоса в виде , где . Например, при имеем , при , т.е. вертикальный откос или уступ.

Рис.9.1 — Элементы откоса

Откос – постоянно встречающийся в инженерной практике элемент искусственного сооружения из грунта. Потеря устойчивости с обрушением откоса или его части может привести к катастрофам с тяжелыми последствиями, особенно для высоких дорожных насыпей, плотин, глубоких карьеров.

Закономерности формирования склонов и склоновые процессы изучают в инженерной геологии. Откосы искусственных грунтовых сооружений находятся под влиянием различных природных и техногенных воздействий. Поэтому проектированию откосов с количественной оценкой их устойчивости методами механики грунтов должен предшествовать детальный анализ инженерно-геологических условий. Только на его основе можно обосновать адекватные расчетные схемы и методы расчета, выбрать расчетные показатели механических свойств грунтов, а при необходимости рекомендовать оптимальные меры повышения устойчивости.

Можно выделить два подхода к решению задач устойчивости откосов:

  • детальный анализ напряженно-деформированного состояния откоса и его изменения во времени вплоть до предельного состояния;
  • рассмотрение напряженного состояния откоса в предельном состоянии с принятием наиболее вероятной схемы его разрушения.

Первый, более общий подход, используется в особо сложных и ответственных ситуациях, например, при проектировании высоких плотин в гидротехнике. Он требует применения сложных моделей грунта, трудоемких вычислений, а также очень тщательного определения механических характеристик грунтов, в том числе реологических.

В проектной практике промышленного и гражданского строительства обычно используют второй подход, называемый иногда «предельным анализом». Это связано с тем, что он проводится методами теории предельного напряженного состояния (предельного равновесия), различаясь лишь в отношении степени принимаемых гипотез или упрощений.

Известно много способов, реализующих второй подход. Их можно разделить на следующие три группы.

1. Методы, основанные на упрощенных расчетных схемах с принятием плоских поверхностей (плоскостей) скольжения.

2. Методы, рассматривающие возможность разрушения откосов со смещением грунта по некоторым криволинейным поверхностям скольжения. Форма их принимается заранее (метод отсеков), а также выявляется в ходе решения (вариационные методы).

3. Методы, основанные на решении системы уравнений теории предельного равновесия (9.23) с построением сетки линий скольжения в образующем откос массиве грунта.

Количественно степень устойчивости откоса обычно характеризуется коэффициентом устойчивости или надежности, определяемым отношением

, (9.1)

где — фактор, учитывающий действие всех сил, обеспечивающих устойчивость; — то же, вызывающих обрушение откоса.

Сущность факторов – силы или моменты сил – зависит от формы вероятного обрушения откоса и, следовательно, от принятой расчетной схемы.

При проектировании откосов могут ставиться и решаться задачи двух типов:

1. Для данного, т.е. принятого, назначенного или существующего очертания откоса определить коэффициент устойчивости. Очевидно, по смыслу определения (9.1) при откос устойчив, при — неустойчив, при имеет место предельное равновесие.

2. Задавшись значением , найти соответствующее ему очертание откоса.

Основанием для назначения коэффициента устойчивости могут быть нормативные рекомендации (обычно ), а также специальные предпроектные исследования.

Далее рассмотрим только наиболее простые, но часто используемые методы расчета устойчивости откосов для условий плоской задачи.

^ 9.2. Устойчивость откосов при плоских

поверхностях скольжения

9.2.1. Откос в идеально сыпучем грунте (). Рассмотрим предельное равновесие, предшествующее сдвигу части массива грунта АВС вниз по плоскости АС (рис.9.2). Для такой схемы разрушения имеем

(9.2)

где — вес массива АВС.

Рис.9.2 — Схема расчета устойчивости откоса из несвязного грунта

В предельном равновесии , откуда и . Поскольку максимальное значение , то условие предельного равновесия для откоса из сыпучего грунта можно записать в виде

. (9.3)

4.5.2. Устойчивость вертикального откоса грунта, обладающего только сцеплением ()

Рассмотрим для такого грунта устойчивость вертикального откоса ab высотой h (рис.4.14). Проведем линию ас возможной поверхности скольжения под углом  к горизонту. По всей этой плоскости будут действовать удельные силы сцепления.

Составим уравнение равновесия всех сил, действующих на оползающую призму abc. Действующей силой будет вес Р призмы abc.

Учитывая, что bc=hctg, получаем

. (4.33)

Силу Р разложим на нормальную N и касательную Т составляющие к поверхности скольжения ас. Силами, сопротивляющимися скольжению, будут лишь силы сцепления с, распределенные по плоскости скольжения .

Так как в верхней точке с призмы abc давление равно нулю, а в нижней а оно максимально, то в среднем следует учитывать лишь половину сил сцепления.

Составим уравнение равновесия, взяв сумму проекций всех сил на направление ас и приравняв ее нулю:

, (4.34)

. (4.35)

Определим значение высоты h=h90, соответствующей максимальному использованию сил сцепления. Очевидно, при этом sin2=1, =45 0 . Тогда, подставляя sin2=1 в выражение (4.35) и решая его относительно h90, получим

. (4.36)

При коэффициенте надежности n имеем

. (4.37)

В данном случае h – максимально возможная высота откоса без крепления.

4.5.3. Устойчивость откосов по теории предельного равновесия

Для грунтов, обладающих и внутренним трением и сцеплением, В.В.Соколовским решены две задачи:

1. Определение максимального давления на горизонтальную поверхность массива грунта, при которой откос данного очертания остается в равновесии.

2. Определение формы равноустойчивого откоса предельной крутизны.

На основании численного интегрирования дифференциальных уравнений предельного равновесия при различных углах внутреннего трения  и углах наклона плоского откоса к горизонту  можно найти предельные значения Р:

, (4.38)

где – безразмерная величина предельного давления (табл.III.5 приложения III), принимается в зависимости от ,  и относительной координаты :

, . (4.39)

Очертания равноустойчивого откоса строят, начиная с его верхней кромки.

Горизонтальная поверхность равноустойчивого откоса может нести равномерно распределенную нагрузку

Читать еще:  Заделать откос искусственным камнем

. (4.40)

Если P рассмотреть как давление слоя грунта Р = h , то

. (4.41)

При  = 0 h = .

4.5.4. Расчет устойчивости откосов приближенным методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения

Этот метод, широко используемый в практике, впервые был применен К.Петерсоном в 1916 г. и долгое время назывался «методом шведского геотехнического общества». Сущность применения метода сводится к следующему. Задаются центром вращения О откоса АВ. Уравнением равновесия будет М=0. Для составления уравнения моментов относительно точки вращения О разбиваем призму скольжения АВС вертикальными сечениями на ряд отсеков и принимаем вес каждого отсека условно приложенным к точке пересечения веса отсека Pi с соответствующим отрезком дуги скольжения. Раскладываем силы веса Pi на направление радиуса вращения и ему перпендикулярное (рис.4.17,а) и составляем уравнение равновесия, приравнивая нулю момент всех сил относительно точки вращения:

. (4.42)

Сокращая это выражение на R, получим

, (4.43)

г де L – длина дуги скольжения; c,  – угол внутреннего трения и сила сцепления; Ti и Ni – соответственно касательная и нормальная составляющие силы веса: ,.

Рис.4.17. Схемы расчета устойчивости откосов по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения: а – схема действия сил; б – положение опасных дуг скольжения

За коэффициент устойчивости откоса принимают отношение момента сил удерживающих к моменту сил сдвигающих:

или (4.44) .

Необходимо из всех возможных дуг поверхностей скольжения выбрать наиболее опасную (рис.4.17,б). Для намеченных центров дуг О1, О2, О3 определяем необходимое по условию устойчивости сцепление, соответствующее предельному равновесию,

. (4.45)

Из всех возможных центров скольжения выбираем тот, для которого требуется максимальная величина сил сцепления. Коэффициент устойчивости  принимаем равным 1,1…1,5. Изложенный метод уточнен М.Н.Гольдштейном и Г.И.Тер-Степаняном:

, (4.46)

где А и В – коэффициенты (табл.III.6 приложения III, пример 8), табулированные в зависимости от соотношения заложения откоса m и =(0,25; 0,5; 1,0; 1,5)h

. (4.47)

Основные виды нарушения устойчивости и расчетные модели

Оценка возможности выпора грунта из-под сооружения и потери устойчивости откосов грунтовых сооружений и естественных склонов во многих случаях является определяющей в процессе проектирования сооружений. Для гидротехнических сооружений, обычно воспринимающих большие давления воды и грунта, выполнение условий их устойчивости в значительной мере определяет их конструкцию, размеры, объемы и, как следствие, стоимость. В нормативных документах оценка и обеспечение устойчивости сооружений обычно называются проектированием по первому предельному состоянию.

Характер нарушения устойчивости. В общем случае нарушение устойчивости происходит путем образования области существенных смещений массивов грунта с появлением зоны его выпора или обрушения, полным или частичным нарушением структуры грунта, нередко последующими разрывами сплошности массива, образованием трещин, сплывов и др.

Потеря устойчивости основания может возникать при превышении вертикальной нагрузкой предельной несущей способности грунтов основания. В этом случае может наблюдаться как односторонний (рис. 7.1, а), так и двусторонний (рис. 7.1, б) выпор грунтов основания. При действии горизонтальных нагрузок потеря устойчивости возникает в результате сдвига сооружения по плоскости подошвы фундамента (рис. 7.1, в) (плоский сдвиг) или с захватом грунта основания (рис. 7.1, г) (глубинный сдвиг). Возможен промежуточный случай — частичный сдвиг (проскальзывание) сооружения по подошве с образованием в низовой части подошвы области выпора грунта, т. е. с частичным захватом грунтов основания (рис. 7.1, д) (смешанный сдвиг). При наличии слабой прослойки или подстилающих слоев основная часть поверхности сдвига может проходить по этим слоям или линзам (рис. 7.1, е).

Обрушение откосов возможно как в пределе самого откоса (рис. 7.1, ж), так и с захватом грунтов основания, т. е. с образованием области выпора. На расположение поверхностей скольжения оказывает влияние наличие менее прочных элементов грунтового сооружения (рис. 7.1, з) или слабых прослоек в основании (рис. 7.1, и).

Основные расчетные схемы и модели. Для оценки устойчивости применяют две основные расчетные модели.

Первая модель предполагает, что либо вся область выпора или обрушения (рис. 7.2, а), либо ее отдельные отсеки (рис. 7.2, б) являются жестким недеформируемым телом. Такую модель нередко называют моделью отвердевших отсеков обрушения или выпора. На всей поверхности скольжения выпора или обрушения принимается одновременное наличие состояния предельного равновесия грунта, т. е. по всей границе справедливость зависимости Кулона. Грунт за пределами отсеков обрушения также принимается недеформируемым.

В большинстве способов расчета форма поверхности скольжения (сдвига) отвердевших отсеков принимается заданной. Для условий плоской задачи наиболее часто используют плоские и круглоцилиндрические, а иногда ломаные поверхности сдвига (скольжения).

Вторая модель для оценки устойчивости грунтовых массивов основана на использовании решений теории предельного равновесия. В этой модели принимается, что одновременно во всех точках грунтовой среды имеет место предельное напряженное состояние, т. е. везде справедлива зависимость Кулона и везде имеется система поверхностей скольжения (рис. 7.2, г). В отличие от модели «отвердевших» отсеков в ней поверхности скольжения определяются из самой постановки и решения задачи. Методы оценки устойчивости оснований и откосов, основанные на модели теории предельного равновесия, кратко рассмотрены в гл. 9.

Таковы две основные и весьма противоположные по своим физическим предпосылкам модели, используемые для оценки устойчивости
сооружений и склонов. Процесс нарушения устойчивости реальных грунтовых сред весьма сложен. Формирование области пластических деформаций и поверхностей сдвига происходит постепенно и сопровождается существенными деформациями объема и формы грунта. В то же время во многих случаях часть грунта остается недеформированной и выделяется в виде действительных отсеков, а иногда формируется ярко выраженная поверхность скольжения — сдвига, выше и ниже которой грунт далек от предельного напряженного состояния и даже после обрушения или выпора остается частично в ненарушенном состоянии.

Рис. 7.2. Расчетная модель монолитных отсеков обрушения (а—в) и модель теории предельного равновесия (г)

Поэтому в последние годы делаются попытки оценить устойчивость сооружений на основе более общих нелинейных моделей, в частности, упругопластической, т. е. на основе решения смешанной задачи. В отличие от рассмотренных такие модели позволяют для действующих нагрузок оценить развитие областей пластических деформаций, величины смещений сооружений, учесть деформации грунтов. Однако принципов или даже приемов, удовлетворительных для оценки степени устойчивости сооружений, по этим менее абстрактным моделям пока не имеется.

Основные практические, инженерные способы оценки устойчивости сооружений основаны на модели отвердевших отсеков обрушения при заданных очертаниях поверхностей сдвига. Развитию этих способов способствовала многочисленная плеяда исследователей, а число публикаций в этом направлении исчисляется сотнями. Можно отметить в качестве основных работы Г. Е. Паукера, С. И. Бельзецкого, Н. М. Герсеванова, В. Феллениуса, Г. Крея, К- Терцаги, Д. Тейлора, Р. Р. Чугаева, Н. Н. Маслова, М. Н. Гольдштейна, А. Скемптона, А. Бишопа, А. Л. Можевитинова. Некоторые из предложенных способов будут рассмотрены ниже в этой главе.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector