Anodtorgmet.ru

Строительный журнал
15 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Расчет устойчивости откосов методом шахунянца

Рекомендации по расчету устойчивости земляного полотна (Приложение Г к СП 32-104-98)

Рекомендации
по расчету устойчивости земляного полотна

Оценку общей устойчивости земляного полотна (насыпей и откосов выемок) рекомендуется осуществлять по первому предельному состоянию — несущей способности (по условиям предельного равновесия).

Устойчивость откосов должна быть проверена по возможным поверхностям сдвига (круглоцилиндрическим или по другим, в том числе ломаным поверхностям) с нахождением наиболее опасной призмы обрушения, характеризуемой минимальным отношением обобщенных предельных реактивных сил сопротивления к активным сдвигающим силам.

Критерием устойчивости земляных массивов является соблюдение (для наиболее опасной призмы обрушения) неравенства

где — коэффициент сочетания нагрузок, учитывающий уменьшение вероятности одновременного появления расчетных нагрузок;

T — расчетное значение обобщенной активной сдвигающей силы;

— коэффициент условий работы;

— коэффициент надежности по назначению сооружения (коэффициент ответственности сооружения);

R — расчетное значение обобщенной силы предельного сопротивления сдвигу, определенное с учетом коэффициента надежности по грунту .

Расчетные значения T и R определяются с учетом коэффициента надежности по нагрузке . Учет коэффициента надежности по нагрузке осуществляется путем умножения на него всех действующих сил (в том числе веса призмы обрушения или ее отсеков).

Сейсмические нагрузки следует принимать с коэффициентом надежности по нагрузке , равным единице (СНиП 2.06.05-84*, СНиП 2.02.01-83*, СНиП 2.01.07-85).

Значения коэффициента принимаются при расчете устойчивости откосов высотой более 3 м для выемок равным 1,1, а при расчете устойчивости насыпей — 1,15 (СНиП 2.01.07-85).

В тех случаях, когда снижение устойчивости может произойти за счет уменьшения действующих сил, следует принимать .

Значения коэффициента надежности по грунтам устанавливаются в соответствии с указаниями СНиП 2.02.01-83*, а также ГОСТ 20522.

Учет коэффициента надежности по грунтам осуществляется путем деления нормативных значений прочностных характеристик грунтов (удельного сцепления, угла внутреннего трения) на величину коэффициента надежности, устанавливаемую в зависимости от изменчивости этих характеристик, числа определений и значения доверительной вероятности, принимаемой d = 0,95.

Численные значения коэффициентов , , приведены в таблицах Г.1 — Г.З.

Категория линийСкоростные и
особогрузонапря-
женные
I-IIIIIIV
Значение гамма_n1,251,201,151,10
Сочетание нагрузокОсновноеОсобое (сейсмика)Строительного
периода
Значение гамма_fc1,000,900,95
Методы расчетаУдовлетворяющие
условиям
равновесия
Упрощенные
Значение
гамма_c
1,000,95

При поиске наиболее опасной призмы обрушения за критерий устойчивости может быть принята зависимость для оценки коэффициента устойчивости в следующем виде:

Полученные расчетом значения коэффициента устойчивости при соответствующем сочетании нагрузок не должны превышать величины более чем на 10% и его численное значение должно быть не менее чем 1,05*.

Для оценки воздействия землетрясений на объекты с расчетной сейсмичностью 7 и более баллов расчеты устойчивости откосов следует выполнять по формуле (Г.1) с учетом сейсмической силы, прикладываемой к призме обрушения (или ее отсекам), определяемой по формуле

где — коэффициент сейсмичности, равный 0,025, 0,05, 0,10 — соответственно для интенсивности расчетного сейсмического воздействия 7, 8 и 9 баллов (СНиП II-7-81*);

G — вес призмы обрушения (или ее отсеков) с учетом коэффициента надежности по нагрузке.

Угол наклона вектора сейсмичности силы к горизонту принимается наиневыгоднейшим для устойчивости — обычно параллельно поверхности смещения призмы (или ее отсеков).

Устойчивость откосов можно считать обеспеченной, если условия, определяемые формулой (Г.1), удовлетворяются, в противном случае принимается решение о перепроектировании очертаний земляного полотна, об армировании откосов, устройстве берм, контрбанкетов и т.д. либо о стратегии восстановления его при землетрясении.

При проектировании проверяется общая и местная устойчивость откосов земляного полотна [8, 43, 18, 44].

Проверка местной устойчивости необходима при глинистых грунтах, характеризуемых влажностью на границе текучести , а также при легковыветривающихся скальных грунтах в выемках с целью выявления возможности появления поверхностных сплывов на откосах и прогнозирования интенсивности осыпания продуктов выветривания с откосов в процессе эксплуатации.

Нагрузки и воздействия

Расчеты общей устойчивости земляного полотна, его основания и поддерживающих сооружений следует выполнять на основное сочетание действующих нагрузок и воздействия:

веса и давления грунтов;

веса сооружений и их частей, в том числе верхнего строения пути, подпорных стен и т.п.;

подвижной временной нагрузки;

гидростатического и гидродинамического воздействия воды на участках подтопления.

При этом необходимо учитывать сопротивляемость грунтов силовым воздействиям и возможное изменение прочностных свойств грунтов (угол внутреннего трения, удельное сцепление).

В сейсмических районах расчеты следует выполнять на особое сочетание постоянных и временных нагрузок, реакций и сейсмического воздействия.

Нагрузка на основную площадку от веса верхнего строения пути [18, 44] принимается равной:

17 кПа (1,7 ) для железных дорог линий высокоскоростных, особогрузонапряженных I — III категорий;

15 кПа (1,5 ) для линий IV категории.

С учетом средней ширины балластного слоя нагрузка от верхнего строения пути на один метр по длине земляного полотна составит соответственно кН (8,3 тс) и 64 кН (6,4 тс).

Временная нагрузка на основную площадку от подвижного состава принимается равной воздействию грузовых вагонов, с нагрузкой на ось 4-осного вагона 294 кН (30 тс).

Значение временной нагрузки устанавливается исходя из напряжений на уровне основной площадки, определяемых для расчетной единицы подвижного состава по Правилам расчетов верхнего строения железнодорожного пути на прочность [18].

При оценке прочности грунтов непосредственно основной площадки следует принимать максимальное значение напряжения, соответствующее подрельсовому сечению. При оценке общей устойчивости откосов насыпей к указанному значению следует вводить коэффициент 0,85, учитывающий неравномерность распределения напряжений в продольном и поперечном направлениях. При этом нагрузка от поезда на один метр по длине насыпи определяется по формуле

где — длина шпалы, м;

— величина, численно равная толщине балластного слоя под шпалой, м;

— напряжение на уровне основной площадки в подрельсовом сечении, кПа .

При расчете устойчивости насыпи воздействие на земляное полотно временной нагрузки и веса верхнего строения пути учитывается посредством введения в расчет фиктивного слоя грунта высотой h, определяемой по формуле

где — удельный вес грунта в верхней части насыпи .

Эпюру нагрузки рекомендуется принимать трапецеидальной формы шириной поверху, равной длине шпалы, понизу — .

Для ориентировочных расчетов устойчивости насыпей при вибродинамическом воздействии на грунты проходящих поездов повышенного веса и с высокими скоростями может использоваться методика МИИТа, тестируемая в МПС, или методика Ленгипротранса, разработанная на основании научных исследований ЛИИЖТа.

По методике МИИТа учет динамического состояния насыпи как системы (единого целого) в статической расчетной схеме производится интегрально с помощью единого показателя — интегрального параметра — I.

При определении высоты фиктивного слоя в расчет вместо вводится приведенное значение нагрузки от поезда . Значение I принимается по прилагаемому графику [18, 44], рисунок Г.1.

Читать еще:  Обшивке дома желтым кирпичом

По методике Ленгипротранса динамическое состояние насыпи учитывается в расчетах устойчивости посредством снижения прочностных характеристик грунта.

Вибродинамическое воздействие измеряется амплитудой среднечастотной составляющей колебаний. Амплитуда колебания грунтов является функцией многих переменных, значение ее существенно изменяется по глубине и при удалении от источника колебаний.

При проверке устойчивости насыпи для каждого отсека определяется амплитуда колебаний и соответствующие ей значения угла внутреннего трения и удельного сцепления ( , ). Дальнейшие расчеты выполняются по обычной методике.

Для уточненных расчетов устойчивости и прочности земляного полотна поездная нагрузка должна учитываться исходя из реальной расстановки осей в экипаже, статических и динамических нагрузок от колес на рельсы, типа верхнего строения и т.д.

Соответствующие пакеты прикладных программ разработаны в лаборатории конструкций земляного полотна АО ЦНИИС.

Расчет устойчивости откосов в нескальных грунтах

В расчетах необходимо проверять поперечники с наиболее неблагоприятными для устойчивости условиями (большая высота откоса, наличие подтопления, прослойки слабых грунтов и т.д.).

Расчетные схемы следует принимать с учетом возможных форм нарушения общей устойчивости. При расчетах проектируемых насыпей, при однородном строении существующих массивов или расположении в них слоев близком к горизонтальному рекомендуется расчет по круглоцилиндрической поверхности скольжения.

При этом в качестве основной рекомендуется методика проф. Г.М. Шахунянца (рисунок Г.2).

Возможно применение других методов, известных по литературным источникам или разработанных в проектных организациях и проверенных практикой. К числу таких методов относится, например, метод инж. Л.Л. Перковского по расчету насыпей на слабых основаниях (иольдиевых глинах, илах), широко апробированный Ленгипротрансом.

При наличии в рассматриваемом грунтовом массиве фиксированных поверхностей ослабления следует применять методику расчета по ломаным поверхностям скольжения [43, 44].

При расчете устойчивости откосов по круглоцилиндрической поверхности обрушения рекомендуется использовать формулу проф. Г.М. Шахунянца

где K — коэффициент устойчивости откоса;

— коэффициент внутреннего трения для основания i-го отсека;

— удельное сцепление, Па;

— длина плоскости возможного смещения в пределах i-го отсека;

— равнодействующая всех сил;

— нормальная составляющая сила;

— тангенциальная составляющая направлена в сторону, обратную направлению возможного смещения блока, удерживающая отсек от возможного смещения;

— тангенциальная составляющая , стремящаяся сдвинуть отсек по своему основанию.

Расчет устойчивости откосов скальных выемок [8]

Расчет общей устойчивости скальных откосов и склонов необходимо начинать с изучения решетки трещиноватости скального массива, с установления положения возможных поверхностей обрушения (скольжения), которые определяются ориентацией по отношению к проектируемому откосу поверхностей ослабления (трещиноватости, слоистости).

При оценке общей устойчивости скальных откосов рекомендуется руководствоваться расчетными схемами, представленными на рисунке Г.3. Условия применения указанных схем приведены в таблице Г.4.

Как правило, поверхности обрушения совпадают с существующими в массиве поверхностями ослабления, но в некоторых условиях этого не наблюдается.

Все приведенные на рисунке Г.3 формы поверхностей обрушения можно объединить в четыре группы:

плоские поверхности (схемы А, Б);

призматические и полигональные поверхности (схемы В, Г, Д, Е);

криволинейные и комбинированные поверхности (схемы Ж, З, И, К);

объемные желобчатые поверхности обрушения (схема Л).

Порядок построения возможных поверхностей обрушения откосов, методика установления расчетных параметров, последовательность выполнения расчетов и расчетные формулы для определения обобщенных значений активной сдвигающей силы Т и силы предельного сопротивления сдвигу R представлены в Руководстве по проектированию противообвальных сооружений [8].

После выявления решетки трещиноватости для рассматриваемого объекта выбирается по рисунку Г.3 одна или несколько расчетных схем. Расчеты выполняются по всем выбранным схемам.

Оценка устойчивости скального массива производится по формулам Г.1, Г.2 настоящего приложения.

Решение об устойчивости откосов принимается на основании анализа результатов расчетов по всем рассмотренным схемам — по наименьшему из полученных значений.

Расчет устойчивости откосов

Геотехническая постановка задачи

Расчет устойчивости откосов и склонов, противооползневых удерживающих инженерных сооружений, всегда основывается на данных инженерно-геологических и геотехнических изысканий, на количественном и качественном анализе оползневых факторов.

В настоящее время существует много методик по расчету устойчивости откосов, все они сводятся к трем базовым классам методов:

  • методы предельного (пластического) равновесия;
  • методы конечных элементов;
  • комбинированные методы.

Выбор тех или иных методов в первую очередь определяется типом оползневого процесса и механизмом возможного смещения оползневых масс. Каждый оригинальный способ расчета характеризуется своей оригинальной системой, полученной в данном способе с использованием того или иного допущения (необходимость которого связана со статической неопределенностью задачи).

Класс методов предельного равновесия, может быть представлен методами Моргенштерна-Прайса, упрощенным методом Бишопа и обобщенным методом Янбу. Методы Бишопа и Моргенштерна-Прайса рассматриваются действующими нормативными документами (п. 4.2.11 СП 11-105-97, Часть II [4]) в качестве общепринятых методов расчета устойчивости склонов. Метод конечных элементов, представляющий класс численных методов и рекомендованный к применению в актуализированных редакциях нормативных документов (п. 5.2.3 СП 116.13330).

Метод Бишопа

При расчете устойчивости откосов, в упрощенном методе Бишопа удовлетворяются условия равновесия общих моментов и вертикальных сил (равновесие сдвигающих сил не соблюдается). Несмотря на то, что условия равновесия удовлетворяются не полностью, тем не менее, метод обеспечивает хорошие результаты и рекомендуется для проведения большинства практических расчетов, проводящихся по круглоцилиндрической поверхности. Многоугольник сил, построенный на основе метода Бишопа, показан на рисунке.

Вследствие того, что коэффициент устойчивости FS входит в обе части уравнения, для его решения необходимо задаться предположением о начальном значении коэффициента устойчивости. Далее решение данного уравнения сводится к итерационному процессу (до тех пор, пока вычисляемый FS не окажется меньше заданной допустимой погрешности).

Бишоп провел сопоставление коэффициентов запаса, полученных с помощью упрощенного и более строгих методов, которые удовлетворяют всем условиям равновесия. Он установил, что вертикальная составляющая сил взаимодействия может быть принята равной нулю, не приводя к существенным ошибкам, обычно с расхождением менее 5%. Следовательно, упрощенный подход, в котором вертикальные составляющие сил взаимодействия приводятся к нулю, обеспечивает тот же результат, что и строгий, при котором удовлетворяются все условия равновесия.

Метод Янбу

Метод Янбу был разработан в 1954 году норвежским профессором геотехники Нилмаром Оскаром Чарльзом Янбу. Он очень схож с методом Бишопа. С его помощью также, в геотехнической практике, выполняются расчеты оползневых склонов. Отличием является то, что в данном методе осуществляется удовлетворение равновесию сдвигающих сил, при этом не соблюдается удовлетворение равновесию моментов. Диаграмма распределения сил в отсеке и многоугольник сил, построенные при расчёте по упрощённому методу Янбу показаны на рисунке

Читать еще:  Как сделать откосы вокруг дома

Анализируя многоугольник сил в отсеке, можно сказать что многоугольник, получающийся по методу Янбу, замкнут лучше, чем в методе Бишопа. Стоит отметить, что при расчёте по круглоцилиндрической поверхности результаты по методу Янбу получаются заниженными.

Уравнение для вычисления коэффициента устойчивости по упрощённому методу Янбу показано на рисунке.

Упрощённый метод Янбу является наиболее близким к методу Маслова-Берера, рекомендованному российскими нормативными документами для расчёта устойчивости склонов, так как относится к группе методов горизонтальных сил, действующих на границе отсеков.

Метод конечных элементов

Метод конечных элементов (МКЭ, FEM) наряду с методами конечных разностей является одним из основных численных методов решения задач механики сплошной среды.

Одна из особенностей МКЭ состоит в том, что он базируется скорее на интегральной формулировке анализируемого явления, нежели на дифференциальной форме, которую представляют уравнения в частных производных и граничные условия. Эта интегральная формулировка может быть вариационного (если это возможно) либо проекционного типа.

Основная концепция метода конечных элементов состоит в том, что искомую непрерывную величину аппроксимируют кусочным набором простейших функций, заданных над ограниченными конечными подобластями (элементами). С помощью такой процедуры интегрирование дифференциальных уравнений аналитической постановки задачи сводится к решению системы линейных уравнений. Количественные значения неизвестной величины отыскиваются в ограниченном числе точек (узлов) области, а в пределах элементов значения неизвестной функции и ее производных определяются уже аппроксимирующими функциями и их производными.

Наиболее важными преимуществами МКЭ благодаря которым он так широко используется, являются:

  • свойства материалов смежных элементов могут быть различными, что позволяет применять метод для моделирования напряженно-деформированного состояния неоднородных сред;
  • методом можно пользоваться для областей с любой формой внешних и внутренних границ;
  • размеры элементов могут быть переменными, что позволяет укрупнить или измельчить сеть разбиения области на элементы;
  • с помощью МКЭ не представляет труда рассмотрение граничных условий с разрывной поверхностной нагрузкой, а также смешанных граничных условий.

Большое практическое применение МКЭ получил при решении геотехнических задач, касающихся расчета устойчивости откосов и склонов, так как позволяет учесть сложную геометрию откосов и их неоднородность.

В отличие от методов, основанных на анализе предельного равновесия, в МКЭ нахождение нормальных и касательных напряжений по поверхности скольжения осуществляется с учетом деформационных свойств грунтов (модуля Юнга и коэффициента Пуассона).

Анализ напряженного состояния методом конечных элементов удовлетворяет условиям статического равновесия и позволяет оценить изменения напряжений, вызванные варьированием деформационных свойств, неоднородности и геометрических форм.

Поле напряжений в откосе определяется решением двухмерной задачи плоской деформации с использованием конечных элементов треугольной формы. На рисунке выше показана конечно-элементная дискретизация, применяемая при расчетах откосов. Жесткие границы заданы на значительном расстоянии от откоса, поэтому наличие их не влияет на напряженное состояние откоса. В методе конечных элементов матрица жесткости элементов, которая связывает силы и перемещения в узлах, определяется исходя из минимизации полной потенциальной энергии. Эти матрицы жесткости затем накладываются, образуя общую матрицу жесткости системы. Задав силы и перемещения в каждом узле на границах, система совместных уравнений, базирующихся на общей матрице жесткости, может быть разрешена относительно перемещений каждого узла. После того как установлены перемещения, для каждого элемента можно определить напряжения.

Решение краевой задачи о напряженно-деформированном состоянии рассматриваемой расчетной области сводится к численному решению системы уравнений:[K] = , — вектор узловых перемещений; — вектор нагрузок.

При решении нелинейной задачи механики деформируемого твердого тела совместно с уравнением решается также другая система уравнений, задаваемая соотношением F(<σ>, <ε>) = 0.

При этом решение задачи сводится к подбору исходных параметров <ε0>или <σ0>(соответственно при использовании метода начальных деформаций или начальных напряжений), которые удовлетворяют условиям равновесия рассматриваемой расчетной области. Подбор этих параметров осуществляется итерационными методами.

Определение устойчивости склона выполняется методом редукции (ступенчатого уменьшения) прочностных параметров материалов модели, доводя модель до искусственного разрушения. Состояние математической модели, при котором не может быть получено устойчивое решение краевой задачи вследствие безграничного нарастания деформаций расчетной области, трактуется как предельное.

Коэффициент запаса несущей способности откосов и склонов определяется как отношение исходных прочностных параметров пород, слагающих рассматриваемый откос (склон) к их минимальным значениям, при которых решение краевой задачи еще возможно.

За рубежом, при моделировании устойчивости склонов, наиболее часто используется нижняя предельная теорема пластического разрушения.

В основе расчетных методов оценки устойчивости оползневых и оползнеопасных склонов лежат две предельные схемы (Р.Р. Чугаев, Ж. Косте, Г. Санглера).

Идея первой предельной схемы (фактических и уменьшенных прочностных характеристик) состоит в нахождении таких критических значений прочностных характеристик грунта, что бы расчетный склон перешел в состояние предельного равновесия. Соответственно коэффициент устойчивости при подобном подходе определяется как отношение фактических прочностных характеристик к их критическим значениям.

Идея второй предельной схемы (удерживающих и сдвигающих усилий) заключается в изучении соотношения сдвигающих и удерживающих усилий, действующих на склон. Коэффициент устойчивости в этом случае может быть определен как отношение удерживающих моментов к сдвигающим.

Стоит отметить, что определение коэффициента устойчивости в первом и во втором случае различно и использование первой предельной схемы с точки зрения механики более обосновано. Однако на практике оба определения коэффициента устойчивости дают близкие результаты.

Наша организация предлагает комплексный подход с целью оценки устойчивости склонов и откосов, а также разработке мероприятий по предупреждению развития и предотвращению активизации оползневого процесса. А также разработку документации для устройства инженерной защиты от оползней.

Более полную информацию по разработке геотехнического проекта инженерной защиты от оползней, по выполнению геотехнических расчетов вы можете получить позвонив нам по телефону + 7 (499) 350-23-58, или оставив заявку по форме или по электронной почте.

© 1999-2021 Научно-проектное конструкторское бюро «СтройПроект»

Библиотека: книги по архитектуре и строительству | Totalarch

Вы здесь

Устойчивость земляных откосов. Хуан Я.Х. 1988

Устойчивость земляных откосов
Хуан Я.Х.
Перевод с английского: В.С. Забавин; редактор: В.Г. Мельник
Стройиздат. Москва. 1988
ISBN 5-274-00224-2
Stability analysis of earth slopes
Yang H. Huang
University of Kentucky. Van Nostrand Reinhold Company Inc. New York. 1983
240 страниц

В книге автора из США изложены методы расчета устойчивости откосов различных грунтовых сооружений, в том числе гидротехнических, транспортных, хранилищ промышленных отходов и др. Приведена классификация методов расчета по их основным признакам, что позволяет проектировщику выбрать наиболее рациональный дли данной стадии проектирования и конкретных условий. Приведена программа для машинного расчета устойчивости откосов. Для научных и инженерно-технических работников.

Предисловие к русскому изданию
Предисловие

Читать еще:  Каким размером кирпич для дома

Часть 1. Основные сведения по устойчивости откосов
Введение
Движение склонов
Предельное пластическое равновесие
Статически определимые задачи
Статически неопределимые задачи
Методы расчетов устойчивости
Механика оползней
Типы поверхностей скольжения
Плоские поверхности сдвига
Круглоцилиндрические поверхности скольжения
Полные и эффективные напряжения
Блок-схемы для анализа устойчивости
Коэффициент запаса
Прочность на сдвиг
Изыскательские работы
Полевые испытания
Лабораторные испытания
Типичные диапазоны и корреляции
Депрессионные поверхности
Фильтрационные сетки
Земляные плотины без дренажа
Земляные плотины с дренажом
Коэффициент порового давления
Укрепительные мероприятия для стабилизации оползней
Полевые исследования
Предварительное планирование
Методы стабилизации

Часть 2. Упрощенные методы расчетов устойчивости
Упрощенные методы для сдвига по плоскостям
Бесконечные откосы
Треугольное поперечное сечение
Трапецеидальное поперечное сечение
Примеры
Упрощенные методы круглоцилиндрических поверхностей скольжения
Существующие графики устойчивости
Насыпи треугольного профиля на скальных склонах
Трапецеидальные насыпи на скальных склонах
Треугольные насыпи на грунтовых склонах
Анализ однородных плотин в эффективных напряжениях
Анализ в эффективных напряжениях неоднородных плотин
Анализ откосов в полных напряжениях
Краткий обзор методов

Часть 3. Методы расчетов устойчивости на ЭВМ
Программа SWASE для сдвига по плоскостям
Вводные сведения
Теоретические основы
Описание программы
Данные ввода
Примеры расчетов
Версия Бейсик
Программа REAME для круглоцилиндрических поверхностей скольжения
Вводные сведения
Теоретические основы
Описание программы
Основные особенности
Данные ввода
Примеры расчетов
Версия Бейсик
Практические примеры
Область применения при открытых горных разработках
Применение программы SWASE
Применение программы REAME

Часть 4. Некоторые другие методы расчетов устойчивости
Методы, предназначенные для однородных откосов
Метод круга трения
Метод логарифмической спирали
Методы, предназначенные для неоднородных откосов
Метод давления грунта
Метод Янбу
Метод Моргенштерна и Прайса
Метод Спенсера
Метод конечных элементов

Вероятностный метод
Условные обозначения

Инженерные методы расчета устойчивости откосов и склонов

Устойчивость откосов и склонов

Общие положения

Откосом называется искусственно созданная поверхность, ограничивающая 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 и .п.) или при перепрофилировании территорий.

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

При неблагоприятном сочетании разнообразных факторов массив грунтов, ограниченный откосом или склоном, может перейти в неравновесное состояние и потерять устойчивость.

Основными причинами потери устойчивости откосов и склонов являются:

устройство недопустимо крутого откоса или подрезка склона, находящегося в состоянии, близком к предельному;

увеличение внешней нагрузки (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, например повышения влажности;

проявление гидродинамического давления, сейсмических сил, различного рода динамических воздействий (движение транспорта, забивка свай и. т.п.).

Инженерные методы расчета устойчивости откосов и склонов

В проектной практике применяются инженерные методы расчета устойчивости, содержащие различного рода упрощающие предположения. Наиболее распространенный из них – метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения, относящий к схеме плоской задачи.

Рис. 1. Схема к расчету устойчивости откосов методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения: а) – расчетная схема; б) – определение положения наиболее опасной поверхности скольжения; 1, 2, … — номера элементов.

Этот метод был впервые применен К. Петерсоном в 1916 г. для расчета устойчивости откосов (тогда и долгое время назывался методом шведского геотехнического общества).

Рассмотрим широко используемую модификацию этого метода. Предположим, что потеря устойчивости откоса или склона, представленного на рис. 1, а, может произойти в результате вращения отсека грунтового массива относительно некоторого центра . Поверхность скольжения в этом случае будет представлена дугой окружности с радиусом r и центром в точке . Смещающийся массив рассматривается как недеформируемый отсек, все точки которого участвуют в общем движении. Коэффициент устойчивости принимается в виде

, (1)

где и — моменты относительно центра вращения всех сил, соответственно удерживающих и смещающих отсек.

Для определения входящих в формулу (1) 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 отрезка дуги скольжения основания каждого i-го элемента прочностные характеристики грунта j и с были постоянными. Вычисляются силы, действующие на каждый элемент: вес грунта в объеме элемента и равнодействующая нагрузки на его поверхность . При необходимости могут быть также учтены и другие воздействия (фильтрационные, сейсмические силы и т.д.). Равнодействующие сил считаются приложенными к основанию элемента и раскладываются на нормальную и касательную составляющие к дуге скольжения в точке их приложения. Тогда

; (2)

Соответственно момент сил, вращающих отсек вокруг 0, определился как

(3)

где п – число элементов в отсеке.

Принимается, что удерживающие силы в пределах основания каждого элемента обусловливаются сопротивлением сдвигу за счет внутреннего трения и сцепления грунта. Тогда с учетом выражения для закона кулона можно записать

, (4)

где — длина дуги основания i-го элемента, определяемая как . Здесь — ширина элемента)

Отсюда момент сил, удерживающих отсек, будет иметь вид

. (5)

Учитывая формулу (1), окончательно получим

. (6)

При устойчивость отсека массива грунта относительно выбранного центра вращения 0 считается обеспеченной. Основная сложность при практических расчетах заключается в том, что положение центра вращения 0 и выбор радиуса r, соответствующие наиболее опасному случаю, неизвестны. Поэтому обычно проводится серия таких расчетов при различных положениях центров вращения и значениях r. Чаще всего наиболее опасная поверхность скольжения проходит через нижнюю точку откоса или склона. Однако если в основании залегают слабые грунты с относительно низкими значениями прочностных характеристик j и с, то это условие может не выполняться.

Один из приемов нахождения наиболее опасного положения поверхности скольжения заключается в следующем. Задавясь координатами центров вращения 01, 02, …, 0n на некоторой прямой, определяют коэффициенты устойчивости для соответствующих поверхностей скольжения и строят эпюру значений этих коэффициентов (рис.1,б). Через точку 0min, соответствующую минимальному коэффициенту устойчивости, проводят по нормали второй отрезок прямой и, располагая на нем новые центры вращения , , …, вновь оценивают минимальное значение коэффициента устойчивости. Тогда и определит положение наиболее опасной поверхности скольжения. При устойчивость откоса или склона будет обеспечена.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector