Н.В. Крупина Расчет устойчивости откосов методами равноустойчивогооткоса Fp, КЦПС и ППС

1

ВВЕДЕНИЕ

Массив грунта, ограниченный наклонной поверхностью, называется откосом. Откосы могут быть естественными (природными) и искусственными, образованными в результате инженерной деятельности человека.

При проектировании различных объектов вблизи естественного откоса или земляного сооружения, включающего откос, необходимо произвести расчет устойчивости этого откоса, т.к. потеря устойчивости выемки или насыпи автомобильной дороги может на длительное время вывести автомобильную дорогу из эксплуатации, прервать сообщение между населенными пунктами. Восстановление автомобильной дороги требует привлечение больших дополнительных финансовых и людских трудозатрат. Поэтому расчет устойчивости откосов является одним из важных вопросов при проектировании автомобильных дорог.

Каждому студенту предлагается согласно своего варианта, указанного в задании, выбрать по инженерно-геологической карте (прил. 1) и таблице (прил. 2) свой геологический разрез, направление рассчитываемого борта и глубину выемки. Геологический разрез представлен в плоскости, перпендикулярной проектируемому откосу, расположенному в его геометрическом центре. Вид и мощность слоев грунта, а также уровень грунтовых вод по скважинам определяют по таблице прил.3. В таблице прил. 4 даны физико-механические характеристики грунта.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Курсовая работа состоит из расчетно-пояснительной записки с необходимыми таблицами, схемами и графиками объемом 25-30 страниц и одного листа форматом А1, на котором расположены: геологический разрез, чертежи откосов методами Fр, КЦПС, ППС (без учета и с учетом воздействия воды).

Расчетно-пояснительная записка должна содержать:

--бланк задания на проектирование с необходимыми исходными данными;

-оглавление;

-оценку инженерно-геологических условий;

-метод расчета равноустойчивого откоса Fр;

2

-метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения (КЦПС);

-метод плоских поверхностей скольжения (ППС);

-список использованной литературы

Графическая часть курсовой работы должна содержать:

-инженерно-геологический разрез (М 1:50; 1:100; 1:200), горизонтальный и вертикальный масштабы могут быть различными;

-схемы для расчета устойчивости откоса (методами Fр, КЦПС, ППС) с учетом и без учета воздействия воды.

ОЦЕНКА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

При оценке инженерно-геологических условий строительной площадки студент на основании полученных исходных данных должен осветить в пояснительной записке:

1)географическое положение площадки;

2)геологическую характеристику площадки (описание грунтов в порядке их залегания сверху вниз, мощность слоев и особенности их залегания);

3)гидрогеологические условия строительной площадки (наличие и уровень грунтовых вод);

4)показатели физико-механических свойств грунтов для каждого слоя, средние значения физико-механических свойств основных грунтов, слагающих откос, заносят студенты в табл. 1

Однако эти характеристики еще не дают исчерпывающих данных для выполнения курсовой работы. Для этого необходимо вычислить дополнительные физико-механические характеристики и показатели свойств грунтов.

4

РАСЧЕТ ОБЩЕЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСА БЕЗ УЧЕТА СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОДЫ

Различают местную и общую устойчивость откоса. В результате нарушения общей устойчивости происходит смещение значительных по размерам массивов грунта, слагающего откос. Нарушения местной устойчивости возникают в приоткосной зоне, непосредственно подверженной воздействию природно-климатических факторов, вызывающих циклические процессы набухания-высушивания, промерзания, оттаивания и связанного с ними нарушения сплошности и снижения прочности грунта (выветривания). Основные формы нарушения общей устойчивости: скольжение, выдавливание, расползание.

Известны аналитические, графические и численные методы расчета устойчивости откоса. Наиболее широкое применение нашли методы:

1)круглоцилиндрических поверхностей скольжения (КЦПС);

2)плоских поверхностей скольжения (ППС)

3)расчет на выдавливание грунта основания из под подошвы откоса методом СоюздорНИИ;

4)расчет насыпи на расползание;

5)расчет равноустойчивого откоса (метод Fр);

Выбор метода расчета зависит от конкретных условий работы сооружения. Применять один метод расчета можно лишь в тех случаях, когда с большей вероятностью известна форма нарушения устойчивости.

Расчет откоса состоит в определении коэффициента устойчивости и сравнении его с требуемым [Ку]. Если Ку>[Ку], считается, что устойчивость откоса обеспечена. В противном случае необходимо перепроектировать откос или провести конструктивные мероприятия, повышающие его устойчивость.

Комплексный расчет необходимо проводить в сложных условиях, при этом можно руководствоваться табл. 2 [2].

Заведомо прочными можно считать основания на скальных, полускальных и песчано-гравийных грунтах.

5

Из оснований, сложенных глинистыми грунтами, к прочным следует относить основания, отвечающие условию

где с - сцепление грунта; γ - удельный вес грунта насыпи; h - ее высота; M ϕ -коэффициент, являющийся функцией угла внутреннего тре-

нияϕ ; при ϕ =0; M ϕ =3,14; при ϕ=100, Mϕ =4,2; при ϕ =200, Mϕ=5,7; при

ϕ =30, Mϕ= 7,9

Требуемое значение коэффициента устойчивости зависит от применяемого метода расчета и инженерно-геологических у словий и может определяться по табл.2.

Примечания:

1.При учете сейсмических сил требуемый коэффициент устойчивости по методам 1-3 принимается равным 1,1.

2.Приведенные значения коэффициентов устойчивости предусматривают введение в расчет гарантированных значений ϕ и С.

6

МЕТОД КРУГЛОЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СКОЛЬЖЕНИЯ

Наиболее широкое применение нашел метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения (КЦПС). Сущность применения этого метода сводится к следующему. Задаются центром вращения 0 откоса АВ (рис. 1). Проводят след круглоцилиндрической поверхности радиусом R через точку A. Призму обрушения делят вертикальными плоскостями на n отсеков. Ширина блоков принимается примерно одинаковой не более (2-3 м). Граница блоков должна проходить через точки перелома линии поперечного профиля откоса и через точки пересечения различных слоев, слагающих откос, с поверхностью скольжения. На каждый блок действуют следующие силы:

1)Сила Fi, равная весу блока и приложенная в центре тяжести;

2)Реакция грунта, действующая в основании блока, слагающаяся

из сил трения и сцепления

Силу Fi для каждого откоса раскладывают на две составляющие: Ni, действующую нормально к заданной поверхности скольжения, и Ti, касательную к этой поверхности. Кроме того, учитывают сцепление грунта по всей поверхности скольжения. Коэффициент запаса устойчивости определяют для каждой поверхности скольжения АС1, АС2, АС3, АС4 (построение поверхности показано на рис.2, m=ctgα) из следующей формулы:

где fi, ci, – соответственно коэффициент внутреннего трения и удельное сцепление на i-м участке поверхности скольжения fi=tgϕ ;

li - длина дуги поверхности скольжения на i-м участке; Ti - касательная составляющая, направленная по ходу движения призмы обрушения;

7

Рис. 1. Схема к расчету устойчивости откоса методом круглоцилиндрической поверхности скольжения

Рис. 2. Определение центра вращения наиболее опасной поверхности скольжения

n - число отсеков, приводящих к сдвигающим силам Tiсд.

После построения поверхностей скольжения АС1 АС2 АС3 АС4 и

8

вычисления коэффициента запаса устойчивости по формуле (10) откладывают в произвольном масштабе значения а1 = η1 -1; а2 = η 2 -1; а3= η 3 -1 и а4= η 4 -1 в виде отрезков, перпендикулярных линии ВО в

соответствующих точках. Через концы этих отрезков строят плавную кривую. К этой кривой проводят касательную, параллельную линии ВО4. Для полученной точки О делают пятое построение, аналогичное рис. 1., и по формуле (10) находят минимальное значение коэффициента запаса устойчивости, которое должно быть не менее 1,1-1,3 в зависимости от класса сооружения.

Если в основании откоса залегают относительно слабые грунты с углом внутреннего трения менее 10, необходимо дополнительно рассмотреть возможность потери устойчивости по круглоцилиндрической поверхности скольжения, указанной пунктиром на рис. 2, с выпиранием грунтов основания откоса.

Все произведенные расчеты необходимо занести в табл.3.

Таблица 3

Расчет устойчивости откоса методом КЦПС

МЕТОД ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СКОЛЬЖЕНИЯ

Метод плоских поверхностей скольжения (ППС) основан на методе горизонтальных сил (рис. 3). Расчет выполняется в следующем порядке. Для каждой намеченной наиболее вероятной поверхности скольжения отсек обрушения разделяют вертикальными сечениями на отдельные блоки с таким расчетом, чтобы границы блоков соответствовали местам перелома поверхностей скольжения и в пределах каждого блока на поверхности скольжения сохранились значения сдвиговых характеристик грунта. Вычисляют силы, действующие на каждый из блоков, начиная сверху вниз. При рассмотрении i-го блока (рис.3) учи-

9

тывают приложенную к нему внешнюю нагрузку и силу тяжести грунта отсека P, сумму которых Qi раскладывают на два направления: перпендикулярное плоскости сдвига этого отсека по основанию и параллельное ей. Вычисляют силы, удерживающие откос от обрушения Fуд . Сдвигающие Fсд определяют аналогично методу КЦПС. Дополнительно на блок действуют неуровновешенное оползневое давление от вышележащих отсеков Ei-1 и неизвестное оползневое давление на нижележащие отсеки E1.

Условие равновесия любого блока можно получить, приравняв к нулю сумму проекций на плоскость скольжения всех сил, действующих на блок.

Для 1 блока:

Рис. 3. Схема к расчету устойчивости прислоненного откоса

Расчет начинают с 0 отсека, на который не давит сверху оползне-