3.4. Стійкість масивів грунту при зсувах

Причини порушення стійкості. Аналіз стійкості мас­ивів ґрунту має велике практичне значення при про­ектуванні ґрунтових споруд: насипів, виїмок, гребель, дамб, сучасних великих вскришних котлованів з глибиною 100 м і більш, і інших подібних споруд. Задача стійкості масивів ґрунту є задачею загальної теорії граничного напруженого стану ґрунтів, але має істотні особливості, обумовлені специфікою руху мас при порушенні їх стійкості.

Розрахунки стійкості масивів ґрунту є спеціальним розділом статики, і ми висловлюємо тут лише деякі основні положення, що дозволяють відтіняти єство даних задач, і даємо найважливіші прийоми їх рішення вживані у проектній практиці.

Причинами порушення стійкості можуть бути: 1 – ерозійні процеси і 2 - порушення рівноваги. Ерозійні процеси протікають, як правило, поволі, непомітно; залежать від зовнішніх метеорологічних і фізико-геологічних умов, а також від властивостей поверхні масиву ґрунту і звичайно не розглядаються у механіці ґрунтів.

Вивчення умов стійкості масивів ґрунту і їх порушень є прямою задачею механіки ґрунтів. Порушення рівноваги масивів ґрунту може відбуватися із сповзанням значних мас ґрунту - такі порушення рівноваги називають зсувами. Цей вид порушень рівноваги є найчастішим і відбувається у різного роду укосах і природних схилах, як при збільшенні діючих на масив навантажень, так і при зменшенні внутрішніх опорів. Збільшення навантажень може мати місце при зведенні споруд на укосах і схилах при тиску від них, перевищуючому межу, і при зміні ваги шарів ґрунту (його зростанні) при насиченні їх водою в умовах тривалих дощів і паводків, а також унаслідок підвищення капілярної вологи при зниженні рівня ґрунтових вод. Змен­шення опорів відбувається як при руйнуванні природних упорів масивів ґрунту, так і при зменшенні ефективного тертя (за наявності порового тиску) і сил зчеплення (при зволоженні і набряканні ґрунтів).

Розрізняють ос­новні види зсувів: 1 - зсуви обертання (з виникаючими криволінійними поверхнями); 2 – зсуви ковзання (по фік­сованих поверхнях) і 3 - зсуви розрідження (грязьові по­токи перенасичених водою ґрунтів по вироблених руслах і тальвегах) .

Розглянемо умови рівноваги (мал. 3.3). 1. Маємо укіс сипкого ґрунту, на якому вільно лежить тверда частинка М (мал. 3.3а). Сила Т прагне зсунути ча­стинки до підніжжя схилу, але їй протидіятиме сила тертя Т', пропорційна нормальному тиску, тобто Т' = f N (де f - коефіцієнт тертя).

Рис. 3.3. Схеми сил, діючих на частинку ідеально сипкого ґрунту (а) і на вертикальний масив зв'язного ґрунту (б).

Таким чином, граничний кут схилу сипких ґрунтів рівний куту внутрішнього тертя ґрунту. Цей кут носить назву кута природного укосу. Поняття про кут природного укосу відноситься тільки до сухих сипких ґрунтів, а для ґрунтів зв'язних глинястих воно втрачає значення, оскільки у останніх залежно від їх зволоженості кут укосу може мінятися від 0 до 90° і залежить також від висоти схилу.

2. Розглянемо умови рівноваги ідеально зв'язного ґрунту. Приймемо приблизно, що порушення рівноваги при деякій граничній висоті h відбудеться по плоскій поверхні зсуву, нахиленої під кутом а до горизонту (мал. 3.4б). Силу Р розкладемо на нормальне і дотичне до поверхні ковзання ас. Силами, що чинять опір ковзанню, будуть сили зчеплення с, розподілені по площині ковзання.

Оскільки у верхній точці призми abc тиск буде рівний нулю, а у нижній - максимальним, то в середньому слід враховувати лише половину сил зчеплення, що елементарним шляхом дозволяє прийти до рішення співпадаючому для даного випадку із строгим рішенням теорії граничної рівноваги. Таким чином, масив зв'язного ґрунту може мати вертикальний схил певної висоти. При висоті, більшій hw, відбудеться сповзання призми abc.

У природних умовах ґрунти мають не тільки зчепленням, але і тертя, і задача стійкості укосів стає значно складнішою, особливо при строгій її постановці. Метод круглоциліндричних поверхонь ковзання широко застосовується на практиці, оскільки дає деякий запас стійкості і ґрунтується на даних про форму поверхонь ковзання при зсувах обертання. За круглоциліндричне приймають при цьому найневи­гідніше їх положення, що визначається розрахунком (мал. 3.4). За коефіцієнт стійкості укосу приймають відношення мо­менту сил утримуючих до мо­менту сил зсовуючих. Прий­няття певної форми поверхонь ковзання і інших допущень робить цей метод набли­женим.

Рис. 3.5. Розрахунок стійкості схилу по кругло циліндричній поверхні ковзання: а - схема дії сил; б - положення небезпечних дуг ковзання; в - схема сил, діючих по поверхні ковзання

Проте рішення задачі визначенням коефіцієнту стійкості для довільно вибраної дуги поверхні ковзання не закін­чується, оскільки необхідно з усіх можливих дуг поверх­онь ковзання обрати найнебезпечнішу. Останнє виконується шляхом спроб, задаючись різними положеннями точок обертання. Для ряду намічених центрів дуг поверхонь ковзання визначають необхідне по умові стійкості зчеплення, відповідне граничній рівновазі заданого схилу. Далі, з усіх можливих центрів ковзання обирають той, для якого потрібна максимальна величина сил зчеплення. Цей центр приймають за самий небезпечний і для нього обчислюють коефіцієнт стійкості.

Зсуви ковзання і розрідження. Мають місце при зафіксованих поверхнях ковзання, наприклад

у притулених схилах, коли при будівництві укладають на поверхню вже існуючих схилів ґрунтових споруд або коли природні схили і насипи при порушенні рівноваги вповзли по фіксованій поверхні скельних або інших щільних порід.

Зсуви розрідження мають місце у гірських областях при катастрофічному випадінні дощів або при швидкому таненні снігів. Вони є грязєкам’яними і водокам'яними потоками, які називають селями. Селі діляться на зв'язні (структурні) потоки і турбулентні (неструктурні). Структурними вважають такі селеві потоки, при русі яких не відбувається помітного перемішування мас у ядрі потоку. Структурні потоки дають тільки позитивну акумуляцію і не утворюють розмивів. Турбулентні сіли, в яких відбувається значне перемішування ґрунтових мас, мають широке розповсюдження у гірських місцевостях.

Питання про рух селевих потоків розглядається на базі гідрологічних розрахунків і теорії руху в'язких рідин, складаючи спеціальну область розрахунків, що виходить за рамки курсу механіки ґрунтів. Розрахунок стійкості притулених схилів будь-якого контуру широко використовується при проектуванні споруд на схилах і розширенні земляних споруд: гребель, насипів і т.п.

Коефіцієнт стійкості притуленого масиву може бути визначений з рівнянь рівноваги, якщо розбити масив на ряд відсіків, так щоб в межах окремих відсіків поверхня ковзання була б плоскою і проходила по фіксованій поверхні більш щільних непорушених порід. Для будь-яких відсіків достатньо визначити і так званий “зсувний тиск”, величина якого необхідна для проектування протизсувних огорож.

Розглянемо умову рівноваги i-гo відсіку (рис 3.5). Усі зовнішні сили, включаючи навантаження, прикладені до поверхні відсіку, власна вага ґрунту в об'ємі відсіку і ін., приводимо до однієї рівнодіючої. Розкладаємо далі рівнодіючу зовнішніх сил в точці її додатку на нормальну N і дотичну Т складові до фіксованої площини ковзання. Якщо при напрямі поверхні ковзання у бік можливе сповзання відсіку, то значення кутів беруться із знаком «плюс», так само як і кутів, що відхилюють рівнодіючу Q у бік сповзання.

Рис. 3.5. Схема дії сил при визначенні зсувного тиску.

Висловлений спосіб дозволяє встановити відсік (за профілем), де найбільш доцільно розташувати протизсувні під­пірні споруди (у місцях якнайменших Et і не дуже великої обвальної товщі), наприклад по мал. 3.6 в кінці третього від­сіку.

Про заходи боротьби зі зсувами. Порушення стійкості ґрунтових мас часто супроводиться значними руйнуваннями доріг, мостів, житлових і промислових будівель і інших споруд, розташованих на масивах, що зповзли, а іноді і людськими жертвами, що викликає необхідність розробляти і здійснювати активні заходи боротьби зі зсувами і іншими порушеннями стійкості ґрунтових мас.

Заходи боротьби з цими порушеннями (обвалами, селями і ін.) встановлюють на основі ретельного вивчення природних фізико-геологічних умов, з'ясування основних причин нестійкості і аналітичних розрахунків граничної рівноваги даних масивів ґрунту. Основними заходами по збільшенню стійкості масивів ґрунту і боротьбі зі зсувами будуть:

1) відновлення і посилення природних упорів мас, що зповзали (зміцнення берегів від розмивів, пристрій хвильовідбійних споруд, застосування утримуючих підпірних стін, огорож, що направляють сельові потоки, і ін.);

2) регулювання водного режиму ґрунтових мас (осушення зсувних ділянок, устрій поверхневого водовідведення і спрямлення водотоків, застосування глибинного горизонтального і вертикаль­ного дренажів і ін.);

3) зменшення градієнту навантажень (виположування схилів; зменшення зовнішніх навантажень і ін.).