8.4.2. Определение угла естественного откоса грунтов

Углом естественного откоса φ₀, град., называется угол, при котором неукрепленный откос песчаного грунта сохраняет равновесие или угол наклона поверхности свободно насыпанного грунта к горизонтальной плоскости.

Определение угла естественного откоса имеет важное значение при проектировании грунтовых сооружений: насыпных и намывных плотин, дорожных насыпей, дамб обвалования, хвостохранилищ, а также для оценки устойчивости естественных откосов и для проведения мероприятий по их укреплению.

В тех случаях, когда сопротивление сдвигу частиц определяется лишь силами трения, угол естественного откоса совпадает с углом внутреннего трения (φ = φ₀). Однако в реальных грунтах сопротивление сдвигу зависит не только от сил трения, но также от зацепления частиц и других факторов, влияющих на φ, т. е.:

φ=φ_Т+φ_з+φ_с+…,

где φ_Т – составляющая за счет трения; φ_з – то же' за счет зацепления; φ_с – то же за счет среза частиц.

Составляющая φ_Т зависит от минерального состава частиц, наличия поверхностных пленок и др., φ_з – от шероховатости поверхности и плотности упаковки частиц, а φ_с – от окатанности и формы частиц грунта. Поэтому значения φ и φ₀ обычно различаются, особенно для плотных и неоднородных по структуре песков. Однако угол естественного откоса φ₀ является легко определяемой и удобной характеристикой прочности несвязных грунтов. Способ применяется только для приближенного определения величины внутреннего трения сыпучих грунтов – чистых песков. В чистых песках приближенно величина угла внутреннего трения соответствует углу естественного откоса, т. е. углу, при котором неукрепленный откос песчаного грунта является устойчивым [50].

Угол естественного откоса определяют на приборе УВТ (рис. 8.44), который состоит из металлического столика-поддона, обоймы и резервуара. Поддон установлен на трех опорах и перфорирован отверстиями диаметром 0,8–1 мм для водонасыщения песка. Шкала, укрепленная в центре столика-поддона, имеет деления от 5 до 45°, по которым определяется угол откоса.

Определение угла естественного откоса в воздушно-сухом состоянии. На столик устанавливают обойму, в которую через воронку насыпают песок до ее заполнения, слегка постукивая по обойме. Осторожно, стараясь не рассыпать песок, вертикально поднимают обойму и по вершине образовавшегося песчаного конуса берут отсчет по шкале.

Опыт повторяют 3 раза и рассчитывают среднее арифметическое показание, расхождение между повторными определениями не должно превышать 1 градус.

При определении угла естественного откоса песка под водой после заполнения обоймы песком резервуар наполняют водой и после полного насыщения пробы определяют угол естественного откоса вышеописанным способом.

Для предварительного назначения откосов котлованов и карьеров рекомендуется руководствоваться значениями углов, близкими к углам естественного откоса грунта, приведенными в табл. 8.61.

Таблица 8.61

Угол естественного откоса насыпных грунтов

Наименование грунта	Угол естественного откоса φ0, град
	Сухой	Влажный	Мокрый
Органический	40	35	25
Песчаный	28	35	25
Гравийно-песчаный	45	40	35
Суглинок	45–50	35–40	25–30
Глина	45–60	35	15–20
Скальный грунт	45	40	40

На величину угла естественного откоса (φ₀), несвязных грунтов влияет одно­родность их гранулометрического состава: монодисперсные грунты обладают большим значением φ₀, чем полидисперсные грунты такого же минерального состава. Это объясняется тем, что в смеси мелкие частицы заполняют проме­жутки между крупными, что облегчает их смешение по поверхности откоса.

Большое влияние на трение между частицами несвязного грунта оказывает наличие в грунте жидкостей, присутствие которых снижает φ₀. В несвязных песчаных грунтах влажность существенно влияет на угол внутреннего трения. С ростом влажности песка до максимальной моле­кулярной влагоемкости величина φ₀ закономерно снижается за счет постепенного уменьшения трения и достигает минимума при максимальной моле­кулярной влагоемкости. Дальнейшее увеличение влажности песка приводит к образованию капиллярной связности между частицами; за счет этого угол внутреннего трения начинает увеличиваться, и достигает максимума при влажности капиллярной влагоемкости, когда силы капиллярного притяжения между частицами наибольшие. Последующее увеличение влажности песка снижает капиллярную связность, трение на контактах частиц снижается, и угол внутреннего трения посте­пенно уменьшается, достигая минимального значения в состоянии полного водонасыщения песка [50].