6. Устойчивость откосов

Перемещение грунтовых масс на склонах в природных условиях является следствием нарушения равновесия сил, удерживающих грунты в статическом состоянии, в пользу сил сдвигающих. Потеря устойчивости склонов проявляется в форме оползней и обвалов, когда часть склона сползает по явно выраженной поверхности скольжения. Если же поверхность скольжения выражена неявно, то нарушение устойчивости проявляется в виде сплывов и выдавливания. Последние явления наиболее точно подчиняются законам гидродинамики, поскольку при этом происходят течения, близкие к течению тяжелой жидкости.

Причинами потери устойчивости склонов во всех случаях являются внешние или внутренние силовые воздействия, вызывающие нарушение предельного равновесия откоса. К таким силовым воздействиям относятся: воздействие искусственных сооружений на склонах, повышение или понижение уровня грунтовых вод, изменение гидродинамических сил фильтрационных потоков, уменьшение пассивного давления подошвы за счет подмыва или отрыва канав и др.

Очертания поверхностей скольжения в склонах, теряющих устойчивость, обычно криволинейные. Если склон сложен разнородными по свойствам грунтами, то поверхность скольжения будет иметь криволинейные очертания с изломами и прямолинейными участками на границах слоев.

В ряде случаев, когда несущая способность основания оказывается ниже прочности самого склона, может произойти разрушение основания.

6.1. Устойчивость откоса, сложенного сыпучими грунтами

Рассмотрим устойчивость откоса, сложенного грунтами, обладающими только трением (с = 0). Устойчивость откоса будет обеспечена, если каждая элементарная частица на поверхности откоса будет находиться в равновесии (рис. 6.1). При этом предельное равновесие выразится соотношением:

(6.1)

и

(6.2)

т.е. для сыпучей среды устойчивость откоса обеспечивается, если угол естественного откоса α равен или меньше угла внутреннего трения среды φ.

Рис. 6.1. Устойчивость откоса, сложенного сыпучей средой.

Устойчивость откоса сыпучего грунта, фильтрующего воду (рис. 6.2), находится из условия:

(6.3)

Рис. 6.2. Параллелограмм сил собственного веса грунта Р и гидродинамического давления D. R – результирующее давление.

6.2. Устойчивость откоса, сложенного связными грунтами

Если грунты, слагающие откос, обладают только сцеплением (φ = 0), до некоторой глубины h_пред (рис. 6.3) откос может быть вертикальным, ниже он должен иметь криволинейные очертания.

Рис. 6.3. Схема определения равноустойчивого откоса для связного грунта.

Предельная высота h_ср, до которой откос может удерживаться силами сцепления в вертикальном положении, равна:

.

(6.3)

Текущие координаты откоса ОО₁ ниже предельной высоты вертикальной части откоса согласно решению В.В. Соколовского связаны уравнением:

.

(6.4)

При практическом использовании уравнений (6.3) и (6.4) для определения устойчивой формы откосов необходимо вводить соответствующий коэффициент запаса, поскольку эти уравнения выражают предельное равновесие грунтов.

Как показано В.В.Соколовским, равноустойчивый откос, находящийся в предельном состоянии, может поддерживать на горизонтальной поверхности грунтового массива равномерно распределенную нагрузку (рис. 6.4), интенсивность которой определяется выражением:

Рис.6.4. Нормальное давление для откоса в предельном равновесии.

(6.5)