3.3. Зависимость очертания откосов от свойств грунтов

Откосы являются наиболее неустойчивой частью земляного полотна в насыпях и выемках. При нарушении условий равновесия откосы деформируются.

Опыт эксплуатации автомобильных дорог показал, что устойчивость откосов насыпей и выемок следует проверять расчетом при рабочих отметках более 12 м.

Очертание откосов зависит от свойств грунта: угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с.

Для того чтобы не допустить деформаций откосов земляного полотна сооружению следует придавать такое очертание, при котором обеспечивается устойчивое равновесие сил, действующих на откосы.

Силами, вызывающими деформации откосов, являются нагрузки от собственного веса грунтового массива, веса дорожной одежды и воздействия подвижной нагрузки.

Силами, удерживающими неизмененными очертания откосов. Являются силы внутреннего трения и сцепления в грунте.

Предельное очертание откоса может быть установлено из следующих соображений:

Представим себе массив грунта шириной l, имеющий вертикальную плоскость (рис. 3.3). Обрушение этого массива произойдет по поверхности скольжения.

Рассмотрим условия равновесия данного массива грунта.

Рис. 3.3. Поверхность устойчивого откоса: а – поверхность откоса, образующегося при обрушении, б – построение устойчивого откоса в многослойных грунтах методом Н.Н. Маслова; 1 – природный откос; 2 – расчетный откос; 3 – сглаженный расчетный откос

Обрушение призмы происходит под действием касательной силы, равной проекции силы тяжести на направление скольжения

Т = Q sinα.

Сопротивление сдвигу отказывают:

• сила сцепления, действующая между частицами грунта

;

сила внутреннего трения, равная нормальному давлению N, умноженному на коэффициент трения

.

Коэффициент трения равен тангенсу угла внутреннего трения tgφ

f = tgφ.

Удельное сцепление с и tgφ являются расчетными параметрами грунта и определяются в лаборатории.

Условие предельного равновесия, соответствующее равенству сдвигающих и удерживающих сил, выразится зависимостью

.

Разделим обе части выражения на получим

.

Поскольку

.

Из полученного уравнения следует, что чем больше высота откоса, тем меньше требуется угол α, то есть верхняя часть откосов устойчива при больших углах α, а в нижней части откосы должны быть более пологими.

Для различных грунтов численные значения tgφ и с меняются в широких пределах. Кроме того, для одного и того же грунта с увеличением влажности эти величины уменьшаются.

Различают две резко различные группы грунтов:

• Сыпучие грунты, обладающие большим внутренним трением и весьма малым сцеплением.

Например, для песка φ = 40°; tgφ = 0,7; с = 0,005–0,01 МПа.

Для этих грунтов полученное выражение примет вид, если вторым членом пренебречь

.

Вывод: Для сыпучих грунтов угол откоса не зависит от высоты откоса и равен углу внутреннего трения tgφ.

• Связные грунты, обладающие высоким сцеплением и малым углом внутреннего трения

Например, для глин φ = 10°; tgφ = 0,1; С = 0,1 – 0,15 МПа.

Для связных грунтов можно пренебречь первым членом в правой части приведенного выше выражения.

Тогда

.

Вывод: Высота откоса в связных грунтах влияет на очертание откоса, то есть для грунтов обладающих сцеплением линия устойчивого откоса должна иметь криволинейное очертание (рис. 3.4). Следует иметь в виду, что, применяя одинаковую крутизну откоса, возведенного из связных грунтов из удобства производства работ, обеспечивается разную степень устойчивости откоса земляного полона по высоте.

Для повышения устойчивости при высоких насыпях (h > 6 м) и глубоких выемках крутизну откосов устаивают переменной (рис. 3.5). Устойчивость откосов может быть повышена устройством берм – горизонтальных площадок на откосах насыпей и выемок шириной не менее 1,5–2,0 м. Бермы уменьшают скорость стекания воды по откосам, предотвращая его размывание.

Рис. 3.4. Откосы переменной крутизны:

а – с переменной крутизной откосов (без берм); б – с бермами; 1 – берма