Электронный учебно-методический комплекс «Механика грунтов, основания и фундаменты» (часть 1) для специальности 1-70 02 01 «Промышленное и гражданское строительство»

ТЕМА 10. ДАВЛЕНИЯ ГРУНТОВ НА ОГРАЖДЕНИЯ: АКТИВНОЕ, ПАССИВНОЕ И СОСТОЯНИЯ ПОКОЯ

Ограждающие конструкции предназначены для защиты от обрушения находящегося за ними грунтового массива. Наиболее распространенной ограждающей конструкцией является подпорная стенка. По конструктивному исполнению подпорные стенки делятся на:

–массивные (гравитационные);

–тонкостенные.

Устойчивость массивной стенки на сдвиг и опрокидывание обеспечивается ее собственным весом. Тонкостенной — собственным весом и весом грунта, вовлеченного в работу, либо защемлением в основание.

По характеру работы подпорные стенки делятся на:

–жесткие;

–гибкие.

Жесткие под действием давления грунта изгибаются незначительно и их деформации не изменяют характер давления грунта на стенку. Гибкие подпорные стенки под воздействием нагрузки изгибаются и характер эпюры давления зависит от деформации стенки.

Равнодействующая давления грунта на стенку Е зависит от направления, величины и характера ее смещения (рисунок 10.1).

Если под действием внешней нагрузки стенка не смещается и не изгибается (коробчатое сечение), давление, реализуемое при отсутствии горизонтальных смещений, называется давлением покоя Е0. Ордината горизонтального давления грунта определяется с учетом коэффициента бокового давления l.

Под действием давления грунта стенка может смещаться в сторону от засыпки. При некотором значении горизонтального смещения в грунте засыпки формируется область обрушения грунта, граница которой называется

поверхностью скольжения, а сама область призмой обрушения. Давление,

передаваемое призмой обрушения, называется активным давлением.

Если под действием внешней нагрузки подпорная стенка смещается в сторону грунта, при некотором перемещении в грунте засыпки возникает поверхность скольжения, формирующая призму выпирания. Давление грунта в этом случае называется пассивным или отпором.

112

ТЕМА 11. УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ

Устойчивость грунтов в откосах оценивается при:

—разработке котлованов,

—вертикальной планировке грунтов с уступами,

—устройстве выемок и насыпей,

—возведении сооружений на склонах и др.

Выбор оптимальной крутизны откосов при проектировании насыпей и выемок позволяет с одной стороны избежать аварий, а с другой снизить объемы земляных работ.

11.1Основные причины потери устойчивости откосов

1.Устранение естественной опоры массива грунта вследствие разработки котлованов, подмыва откоса и т. д.

2.Увеличение внешней нагрузки на откос (возведение сооружений или складирование грунта у бровки).

3.Устройство недопустимо крутого откоса.

4.Увеличение веса грунта в призме обрушения при насыщении пор водой.

5.Влияние взвешивающего действия воды в основании.

6.Увеличение гидродинамического давления воды, выходящей через поверхность откоса.

7.Снижение сцепления и трения грунта при его увлажнении и разрыхлении вследствие промерзания и оттаивания.

8.Динамические воздействия при движении транспорта, забивке свай, землетрясениях и т.д.

Часто нарушение устойчивости откосов является результатом нескольких причин.

При расчете откосов необходимо оценивать вероятные изменения условий работы грунтов в течение всего периода эксплуатации. Своевременно принимать меры по исключению возможного уменьшения коэффициента надежности по устойчивости.

11.2. Устойчивость откосов, обладающих только трением или только сцеплением

Основные допущения

Данный тип задачи является наиболее простым и наиболее приближенным. Решения получены при следующих допущениях:

Грунт считается однородным и анизотропным по всей высоте откоса.

116

Грунт рассматривается либо как идеально сыпучая среда (θ≠0; с=0), либо как идеально-связанная среда (θ=0; с≠0).

Поверхность обрушения принимается плоской.

Как видим данные допущения существенно искажают фактическое поведение грунта при обрушении и не отражают основные особенности его свойств. Поэтому они применяются лишь для предварительных расчетов.

Устойчивость откосов, обладающих только трением

Принятая расчетная схема при данной постановки задачи приведена на рис.11.1. Для идеально сыпучего грунта правильнее говорить не об обрушении грунта, а об его осыпании. Поэтому необходимо рассматривать равновесие частицы грунта на поверхности откоса.

Рисунок 11.1 – Схема действия сил на частицу откоса для идеально сыпучего грунта.

Условие равновесия в принятых на расчетной схеме обозначениях будет иметь вид:

Т = Т’,

где Т – сила, сдвигающая частицу вниз (наклонная составляющая веса частицы Р)

Т’ - сила, сдерживающая частицу на откосе (сила трения) при этом,

где f – коэффициент трения, который для идеально связанных грунтов равен tg θ, т.е.

f = tg θ

После подстановок и сокращений получим:

117

sinf cos

или

(11.1)

Таким образом: предельный угол заложения откоса для идеально сыпучих грунтов α равен углу внутреннего трения φ.

Следует отметить, что если песчаные грунты обладают хоть небольшим сцеплением (с≠0) уравнение (11.1) даст заниженное значение предельного угла заложения. Условие устойчивости идеально-связанных грунтов

Устойчивость откосов, обладающих только сцеплением

Видеально связанных грунтах (к ним с некоторым приближением можно отнести глины) откосы могут быть выполнены с практически вертикальной стенкой.

Вэтом случае можно определить максимально возможную высоту вертикального откоса, при которой он будет находиться в устойчивом равновесии. Расчетная схема в данной постановке задачи представлена на рис.

11.2.

Рисунок 11.2 – Расчетная схема при определении максимальной высоты устойчивого откоса

Рассмотрим равновесие призмы обрушения abc. Как и в предыдущем случае запишем:

T T ' ,

где Т – сдвигающаяся сила (наклонная составляющая веса призмы обрушения Р);

T ' - сумма сил удерживающих призму abc от обрушения;

При этом вес призмы (шириной из плоскости рисунка = 1 единицы длины):

118

Так как линия ac была проведена произвольно, следует найти такую поверхность скольжения при которой h будет минимальным, а значит sin2α должно быть максимальным, т.е. равным 1:

sin2α=1,

откуда α=450

Окончательно получаем

Следует достаточно осторожно назначать высоту вертикальных откосов по полученной зависимости (11.3), так как оно справедливо лишь для однородных и изотропных на всю высоту откоса грунтов. В большинстве случаев глинистые грунты характеризуются слоистой текстурой и как правило не однородны по глубине. В этом случае значение предельной высоты откоса с вертикальной стенкой может получиться больше фактического значения, при котором произойдет обрушение откоса.

11.3 Устойчивость откосов, обладающих трением и сцеплением. Метод круглоцилиндрических поверхностей

Данный метод нашел широкое применение на практике, как наиболее универсальный. Он позволяет:

учесть неоднородность грунтового массива по всей высоте откоса. оценить устойчивость откосов различного очертания при любой форме

склона и бровки откоса;

учесть действие внешних поверхностных и объемных сил (в том числе и фильтрационных);

Метод круглоцилиндрических поверхностей основывается на опытных данных, свидетельствующих, что при оползнях вращения очертание поверхности скольжения практически соответствует круглоцилиндрическому. Задавшись формой поверхности скольжения и зная силы, действующие на ее границе можно составить уравнения статического равновесия и вывести условие устойчивости откоса.

Для того что бы учесть свойства различных грунтов, слагающих откос и нагрузки, приложенные в различных зонах откоса, область обрушения откоса

120