4.5. 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, 0)

Пусть имеется откос с углом заложения  при заданном значении угла внутреннего трения  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.

Р ис.4.13. Схема к расчету устойчивости откосов сыпучего грунта:

а – сухого; б – фильтрующего воду

Проектируем все силы на наклонную грань откоса с учетом

N = Pcos, T = Psin, Psin – fPcos = 0. (4.30)

Отсюда tgf , а т.к. коэффициент трения f=tg, то получаем . 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:   '. Примем за коэффициент надежности _n, тогда _ntgtg . Обычно _n 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

D = _wni, (4.31)

где _w – 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 . В этом случае устойчивость угла откоса находим из условия

_ntg  tg(-). (4.32)