Расчет устойчивости откосов песчаных грунтов

Рекомендации по р асчёту устойчивости откосов земляного полотна

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО Р АСЧЁТУ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

Кондрашова Е.В., Скворцова Т.В. (ВГЛТА, г. Воронеж, РФ)

In given article recommendations about calculation of stability of slopes of an earthen cloth are presented. Calculation of stability of slopes and slopes on durability is reduced to definition of factor of a stock of stability.

Земляное полотно – один из основных элементов автомобильной дороги, от устойчивости, прочности и долговечности которого зависит работоспособность дорожных одежд и всего сооружения.

Геодезической основой расчетной схемы являются расчетные поперечники, характеризующиеся наиболее неблагоприятным сочетанием различных факторов, таких, как высота и крутизна склона, мощность смещающихся масс, расположение слабых прослоек, наклон слоев, уровень грунтовых вод и др.

Устойчивость склонов и откосов рассчитывают из условий плоской задачи:

по прочности (1-е предельное состояние);

деформируемости (2-е предельное состояние).

Расчет устойчивости склонов и откосов по прочности сводится к определению коэффициента запаса устойчивости с помощью различных расчетных методов (метод круглоцилиндрической поверхности скольжения, метод горизонтальных сил Маслова-Берера, метод Шахунянца, метод наклонных сил Чугаева и др.), а также к сравнению его с требуемой величиной.

Расчетные характеристики грунтов (объемная масса, угол внутреннего трения и сцепление) следует принимать соответствующими наименее благоприятным условиям устойчивости оползневого склона в годовом и многолетнем циклах.

Целью разработки проекта устройства насыпи был выбор технических решений наиболее рациональных с позиций экономических, технологических, экологических и временных, обеспечивающих надежную конструкцию земляного полотна [1,2].

Особенности при выполнении работ:

Выполнение работ по возведению насыпи требует особого внимания к контролю качества ведения работы и её результатов по каждому технологическому процессу и организации научного сопровождения хода строительства.

Своевременное регулирование технологии отсыпки и реакция на процесс и тенденции хода осадок и их стабилизации с регламентацией технологических перерывов.

Соблюдение указаний нормативных документов.

Порядок расчёта устойчивости откосов земляного полотна разработан в соответствии с «Указаниями по расчёту высоких насыпей и глубоких выемок автомобильных дорог».

Коэффициент запаса устойчивости откоса земляного полотна

где — нормальная, по отношению к поверхности скольжения, составляющая веса вышележащего слоя грунта, м;

— длина дуги скольжения в пределах грунта насыпи и основания, м;

— касательная к дуге скольжения составляющая сила веса, т;

— вес грунта в объёме отсека, т;

— угол внутреннего трения грунта насыпи и основания.

Таблица 1 – Допускаемые значения коэффициента П

Песчаные грунты с постоянной влажностью

Глинистые грунты с постоянной влажностью и песчаные с переменной влажностью

Глинистые грунты с переменной влажностью

Коэффициент запаса устойчивости откосов оползневых участков после проведения противооползневых мероприятий принимается при расчете по прочности не менее 1,3. При учете сейсмического воздействия величина активных сдвигающих сил должна быть увеличена на сейсмический коэффициент К с =1,031,1. Если общая устойчивость склонов и откосов земляного полотна обеспечена ( К зап =1,3), но есть опасность развития длительных деформаций ползучести во времени, необходимо дополнительно выполнять расчеты по деформируемости.

Устойчивость оползневых склонов по деформируемости особенно следует проверять в тех случаях, когда угол внутреннего трения грунтов, слагающих склон, незначителен, а структурное сцепление С с равно нулю (пластичные глинистые грунты и др.).

Если в формуле (2) задаться значением запаса устойчивости п у , то, решив ее относительно h , можно найти значение проектной мощности оползня, обеспечивающей заданный запас устойчивости, по формуле

где γ — объемный вес грунтов оползневой массы в элементарной призме;

φ’ и С’ — угол внутреннего трения и сцепление грунтов по поверхности скольжения оползня.

Определение вида и центра критической дуги скольжения, при которой коэффициент запаса устойчивости будет минимальным, проводится методом последовательного приближения с повторением расчёта устойчивости для нескольких дуг с наименее выгодным соотношением удерживающих и сдвигающих сил. При назначении радиуса дуги скольжения следует учитывать, что критическая дуга обычно образует центральный угол 100-135º. Центр критической дуги скольжения отыскивается следующим образом [3].

Расчётная схема №1 (рис. 1). Центр «О» располагается на линии, проходящей через бровку откоса и точку «В», лежащую на глубине Н и расстоянии 3Н от подошвы откоса. Для первого приближения центр критической дуги назначается на пересечении линии СВ и линией АО, проведённой под углом 25º к среднему откосу. При последующих этапах проверки центры О 1 ,О 2 . намечается выше через (0,25-0,3)Н.

Рис. 1 Расчётная схема №1 – для дуг скольжения, проходящих через подошву откоса, кроме случаев, когда угол откоса и .

Рис. 2 Расчётная схема №2 для дуг скольжения, проходящих через основание откоса и дуг, проходящих через подошву откоса при

Об устойчивости откосов и склонов, включая армогрунтовые

В последние годы инженерам все чаще приходится решать задачи, связанные со строительством сооружений на природных склонах, или же возводить искусственные откосы. В связи с этим оползневая опасность и предотвращение катастроф, связанных с ней, становятся все более актуальными проблемами.

В настоящей статье приводятся некоторые актуальные примеры аварий, вызванных некачественными инженерными изысканиями и проектированием на оползневых склонах и предлагаются пути повышения качества расчетов.

Значительная часть населения Земли живет в условиях оползневой опасности. Причин обрушения естественных склонов и искусственных откосов существует очень много. Это и деградация свойств грунтов при увлажнении, и сейсмика, и изменение конфигурации (подмыв, подрезка), и пригрузка, и техногенные воздействия и т.д. Устойчивость возводимых откосов можно оценить достаточно точно, поскольку в них свойства грунтов измеряются и контролируются. Грунтовые массивы можно укреплять нагелями, геосинтетикой, искусственными волокнами (фиброй), подпирать сваями и/или стенами. Для таких откосов нужны свои методы расчета.

Искусственные земляные массивы также подвержены авариям. Приведем для примера две известных крупных аварии, произошедших совсем недавно в США.

Разрушение ограждающей дамбы шламохранилища горной разработки меди и золота (компания British Imperial) в Британской Колумбии на западе Канады (Mount Pouley, Canada, B.C.) в августе 2015 г. привело к утечке ?10 миллионов м3 шлама в окружающие леса, озера и реки. По заключению независимой комиссии экспертов, авария произошла из-за недочетов изысканий (был пропущен прослой слабого грунта в основании дамбы), и проектирования (завышена крутизна откоса).

Вторая авария – это разрушение самой высокой в США армогрунтовой насыпи высотой 73 м, возведенной для удлинения взлетно-посадочной полосы в аэропорту Йигер, вблизи г. Чарльстоун, штат Западная Вирджиния США (Yеager Airport, Charlestone, West Virginia, USA). Причины этой аварии активно обсуждались в Интернете на англоязычном сайте Geotechnical Engineering. Выдвигались различные версии, но единодушия не было. На наш взгляд, армирующие полотнища были слабо скреплены друг с другом на внешней стороне откоса, т.е. фактически «драпировали», а не удерживали грунт от выдавливания наружу. Такие дефекты имеют тенденцию прогрессировать. Это привело к длительному (?2 года) разрушению за счет последовательного выдавливания грунта из насыпи наружу в местах нарушений слабых соединений армирующих элементов. Это началось, возможно, в одной или нескольких точках, а затем процесс разрушения начал прогрессировать.

Эти и множество других примеров показывают актуальность разработки и уточнения методов проектирования и расчета устойчивости искусственных откосов, включая армированные.

Методы расчёта устойчивости

Исследования устойчивости откосов/склонов продолжается уже 100 лет, за это время было разработано много методов расчета, которые можно разделить на три следующие группы:

Большинство методов расчета устойчивости откосов/склонов дают решения в условиях плоской задачи при допущении о форме линии скольжения (разрушения): прямая, окружность, логарифмическая спираль, ломаная линия, искомая линия. В некоторых методах учитывается образование закола в верхней части откоса. Решение получается минимизацией коэффициента устойчивости K=R/F, по геометрическим параметрам виртуальных линий скольжения, где F – сумма сдвигающих, а R – сумма удерживающих усилий вдоль линии скольжения. В отличие от этих методов в методе Моргенштерна-Прайса [1] форма линии скольжения определяется конечными приращениями.

К.Терцаги в своей книге [2] предложил учитывать закол (вертикальную трещину) в верхней части откоса, который предшествует разрушению, инициируя затем потерю общей устойчивости.

Решения В.В. Соколовского [3] разработаны для оценки устойчивости однородных откосов в условиях предельного состояния, которое достигается сразу во всех точках области разрушения (статическое разрушение). Очевидно, что устойчивость при прогрессирующем (кинематическом) разрушении меньше, чем при статическом.

Ко второй группе относятся методы построения «равнопрочного» или «равноустойчивого» профиля откоса в условиях плоской задачи. Такой профиль возникает после обрушения ранее существовавшего массива грунта. Предполагается, что, сравнивая форму такого откоса с формой существующих откосов, можно оценить, насколько устойчивы последние.

Впервые такие откосы рассматривал В.В.Соколовский [3] (не называя их «равнопрочными» или «равноустойчивыми»), который показал, что после обрушения существующего откоса образуется новый откос, который имеет выполаживающуюся нижнюю часть и вертикальную и даже нависающую верхнюю часть — «закол», ведь связный грунт может работать на растяжение. Такие откосы мы часто видим по берегам рек и водоемов.

Н.Н.Маслов предложил и термин, и метод определения «равнопрочного» контура откоса [4], напоминающего по форме профили берега рек и водоемов, которые периодически оползают за счет подмыва водой.

Контур такого «равнопрочного» откоса по Н.Н.Маслову возникает за счет разрушения однородного полубесконечного тела с горизонтальной поверхностью в условиях плоской задачи. Но такое разрушение невозможно без значительного внешнего воздействия, что физически необъяснимо. Кроме того, в разрешающем уравнении для определения «равнопрочной» линии разрушения такого откоса автором была допущена ошибка: неучет наклона линии скольжения при учете вклада сцепления грунта. Тем не менее, «равнопрочные» откосы Н.Н.Маслова по форме очень похожи на откосы, образовавшиеся после оползней.

В [5] дана форма аналогичного, но уже «равноустойчивого» откоса, и такая же, как у откосов Соколовского. Но в формуле 6.53 на стр. 155 допущена опечатка, т.к. эта формула дает высоту устойчивого вертикального откоса, а не нагрузку, как указано в [5].

Метод конечных элементов (PLAXIS, MIDAS) дает возможность упругопластического расчета двухмерных и трехмерных откосов/склонов. Но в этих методах не учитывается образование сдвиговых разрывов грунта в «пластических» зонах. Поэтому результаты решения зависят от влияния размера ячейки сетки разбиения расчетной области на конечные элементы.

Итак, за прошедшие 100 лет начиная с появления первого метода расчета устойчивости откоса по гипотезе о круглоцилиндрической форме поверхности скольжения, предложенного в 1916 г. Р.Петерсоном (позднее «метод Шведского Геотехнического Общества»), разработано много таких методов, но, в основном, они отличаются лишь принятой формой линии скольжения, что не является существенным фактором. Гораздо важнее учет пространственного характера разрушения и пространственной неоднородности грунтовых массивов. Но именно это в данном методе не учитывается.

Направления новых исследований

Два примера недавних аварий (см. выше) указывают направления новых исследований.

Авария дамбы хвостохранилища (см. рис.1) произошла, на наш взгляд, из-за растяжения этой дамбы вдоль ее продольной оси, имеющей неправильную кольцевую форму, давлением жидких отходов изнутри наружу. Этот эффект был усилен прослойкой слабых ледниковых глин, залегающих ниже основания дамбы. В данном случае проектный расчет в условиях плоской задачи не представителен. Это типичная пространственная задача. Такой расчет можно сделать методом конечных элементов, по крайней мере для осесимметричного случая, но именно решение пространственной задачи отражает реальность. Как уже указано выше, в программах МКЭ грунтовая среда – всегда сплошная и не учитывает возникновение сдвиговых разрывов при достижении предельного состояния, что ведет к завышению прочности грунта на сдвиг.

Прогрессирующее разрушение откоса армогрунтовой насыпи (рис. 2, 3) продолжалось около двух лет. Не было аварийных разрушений, постепенно армогрунтовый откос пришел в непригодное состояние.

Это важный случай из практики, т.к. сейчас широко используются методы армирования откосов различными материалами и способами.

Уточнение параметрической формы линии скольжения при расчете устойчивости откоса не является существенным, т.к. это мало влияет на величину расчетного коэффициента устойчивости. Гораздо важнее учесть влияние возможной неравномерности свойств грунтов, слагающих откос, между точками измерения параметров грунта. При отсутствии таких данных параметры грунтов можно варьировать с помощью аппроксимирующей функции между точками измерения, оценивая получаемую разницу результатов расчета, например, в %. Для этого нужно выполнять не один, а серию расчетов, учитывающих разброс исходных данных.

Большинство существующих методов расчета армогрунтовых откосов предполагают замену арматуры на усилия, равные ее прочности на разрыв, и иногда на срез. А.Savitzky [6] предложил заменять арматуру на эквивалентное сцепление грунта, что сводит расчет устойчивости армогрунтового откоса к расчету откоса с увеличенным сцеплением (В.А.Барвашов [7]).

Автор надеется, что представленная информация инициирует дискуссию по рассмотренным вопросам.

Расчет местной устойчивости откосов из глинистых грунтов

В отличие от определения общей устойчивости насыпи по п. настоящих указаний расчет местной устойчивости откосов осуществляется без учета влияния нагрузки от верхнего строения пути и подвижного состава применительно к схемам рис. 3 (хорда АБ кривой скольжения ) и рис. 4 (хорда ДБ кривой скольжения ). В практике нарушение местной устойчивости откосов с прохождением срыва вблизи торцов шпал наблюдаются в подавляющем большинстве случаев нарушения устойчивости насыпей.

Расчет местной устойчивости откоса производится в следующем порядке.

Для смещенных координатных осей X_m-Y_m (рис.3 и 4) последовательно рассчитываются:

— координата подошвы насыпи

,

— угол наклона хорды

,

,

— по значению задается максимальное заглубление кривой скольжения от середины хорды

,

— определяется радиус кривой скольжения

,

— определяется величина половины центрального угла кривой скольжения

,

определяются координаты центра кривой скольжения

,

.

При расчете местной устойчивости откоса сохраняются разделение блока Н отсеки, принятие при определении общей устойчивости насыпи в пределах всей ее высоты по схеме 1, и высоты свободного откоса при наличии бермы по схеме 2. В связи с перерасчетом координат изменяются номера отсеков, значение X и все зависящие от них величины :

,

,

.

Рис. 5. Схема к определению координат , при расчете местной устойчивости откоса

Значение сохраняется одинаковым для оценки общей и местной устойчивости по схеме и уменьшается на высоту бермы по схеме 2 с учетом изменения номеров отсеков.

Порядок проведения и пример расчета местной устойчивости приведен ниже. Пример продолжает условия определения прочности грунтов по разд.2 и оценки общей устойчивости насыпи.

Для оговоренных выше условий определяем:

м,

,

м,

м (принимает 1.1 м),

м,

,

м,

.

Далее расчет произведен в табличной форме (табл. 4).

Порядок проведения и пример расчета местной устойчивости откоса насыпи.

№№	Показатели №№отсеков	Порядок определения назначаются	№№ отсеков
Ширина отсеков	1,9	4,5	4,5	4,5	4,5
Ордината середины		0,95	4,15	8,65	13,15	17,65
Угол		34,15	30,18	24,86	19,75	14,80
Отметка верхнего откоса	См. таблицу 3	8,75	6,25	3,75	1,25
Отметка кривой скольжения		8,11	6,10	3,76	1,91	0,51
Высота отсека ,м		1,89	2,65	2,49	1,84	0,74
Вес отсека Qi		7,2	23,8	22,4	16,6	6,7
Сдвигающая сила , м		4,0	12,0	9,4	5,6	1,7
Сцепление С(h),т/м 2		0,68	0,931	0,877	0,667	0,370
Удерживающая сила		1,6	4,8	4,4	3,2	1,7
Коэффициент трения		0,245	0,250	0,249	0,245	0,238
Удерживающая сила		1,5	5,1	5,1	3,8	1,5

Аналогично оценке общей устойчивости данные расчета используются для определения показателей местной устойчивости К_1м и К_2м соответственно для нормализованной и экстремальной ситуации.

Для приведенного примера:

, .

Значения К_1м и К_2м используются при определении необходимых мероприятий по усилению местной устойчивости откосов.

Пример расчет устойчивости откосов насыпи

Законодательная база Российской Федерации

Бесплатная горячая линия юридической помощи

• Энциклопедия ипотеки
• Кодексы
• Законы
• Формы документов
• Бесплатная консультация
• Правовая энциклопедия
• Новости
• О проекте

Бесплатная консультация

Навигация

Федеральное законодательство

• Конституция
• Кодексы
• Законы

Действия

• Главная
• «ВЕДОМСТВЕННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ ВСН 49-86. УКАЗАНИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД С ПРИМЕНЕНИЕМ СИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ» (утв. Минавтодором РСФСР от 02.04.86)

4.2. Методика расчета общей устойчивости откосов при их армировании прослойками из синтетических материалов

4.2.1. При проектировании конструкций насыпей с армированными СМ откосами должны быть решены следующие задачи:

проведена оценка устойчивости откоса в виде расчета его коэффициента запаса и на основе этого подобрано необходимое число прослоек (пп. 4.2.2 — 4.2.5);

проведен расчет длины заделки прослойки (п. 4.2.6);

назначено распределение прослоек по высоте насыпи (п. 4.1.7).

4.2.2. Расчет коэффициента запаса устойчивости армированного СМ откоса выполняют по формуле

сигма_pi — предельное значение растягивающих напряжений для грунта (п. 4.2.3);

n, дельта — количество прослоек СМ, их толщина;

P_i = гамма, F_i, B — вес каждого из блоков, на которые разбивается откос над поверхностью скольжения (положение линии скольжения определяется любым известным методом, например с использованием графика Ямбу — рис. 11);

F_i, В, гамма_i, L_i — соответственно площадь, толщина, удельный вес блоков и длина поверхности скольжения в их пределах (как правило, В = 1);

сигма_д — расчетное значение допустимого растягивающего напряжения для СМ (п. 4.2.4);

бета_i — угол наклона поверхности скольжения к горизонту в пределах блока.

Схема к расчету приведена на рис. 10, в.

4.2.3. Для точного определения предельного значения растягивающих напряжений для грунта сигма_pi по стандартной методике ГОСТ 12248-78 проводят испытания грунта на сдвиг при значении нормального давления сигма_n соответствующего нормальному давлению на поверхности скольжения в данном блоке i, после чего сигма_pi, рассчитывают по формуле

тау_прi — предельное значение касательного напряжения при данном сигма_ni.

При известных фактических прочностных характеристиках фи и С значение сигма_pi для данного грунта может быть рассчитано по формуле

сигма_n = 0,1 МПа.

Для примерной оценки сигма_p_i с использованием табличных значений фи и С его величина может быть найдена из следующего выражения:

К_1 — коэффициент, принимаемый в зависимости от значения фи:

Рис. 11. График определения положения линии скольжения

4.2.4. Величину расчетного значения допустимого растягивающего напряжения для прослойки сигма_д назначают по результатам специальных испытаний (приложение 1В). Для проведения предварительных расчетов величину сигма_д допускается принимать в долях от прочности СМ при растяжении R_р (R_p назначается по паспортным данным или после испытаний по методике приложения 1А):

для тканых материалов, жестких сеток из полиамидного, полиэфирного сырья сигма_д = 0,6R_р/дельта, из полипропиленового сырья сигма_д = 0,3 R_р/дельта;

для нетканых иглопробивных СМ из полиамидного, полиэфирного сырья сигма_д = 0,25 R_р/дельта, полипропиленового сигма_д = 0,1 R_р/дельта.

В любом случае величина сигма_д не должна превышать значения КR_р/дельта (К — см. п.2.2.4).

4.2.5. Подбор числа прослоек арматуры выполняют по формуле

К_зап.тр — требуемый коэффициент запаса устойчивости откоса.

4.2.6. Длину заделки прослойки в грунт l_з определяют по формуле

R_р — предел прочности СМ на растяжение, определяемый по паспортным данным или методике приложения 1А;

гамма_i , h_i ; — удельный вес и толщина слоев грунта, расположенных над верхней из прослоек;

фи’ и С’ — прочностные характеристики по контакту «арматура-грунт», определяемые по результатам испытаний (приложение 1Д).

Для примерной оценки их значения даны в табл. 4.1 в зависимости от фи и С грунта.

Значения длины заделки материала l_з (см. рис.10, а, б) должны быть не менее 2 м.