при каком значении коэффициента устойчивости оползневой склон находится в устойчивом состоянии

11.01.202430.06.2023 admin 0 Comments

Расчет устойчивости откоса и склона

Основные положения по расчету устойчивости откосов и склонов

Расчет устойчивости откоса и склона предполагает, во-первых, определение схемы наиболее вероятного разрушения, и, во-вторых, определение расчетного коэффициента устойчивости для этой схемы. Необходимость расчета устойчивости откоса и склона крайне часто возникает в инженерной практике. В данной статье описан современный подход к выполнению этого расчета, и приведены рекомендации для Заказчиков и инженеров.

Коэффициент устойчивости откоса (склона) – это отношение суммы всех сил, удерживающих откос в равновесии, к сумме всех сдвигающих сил, стремящихся вывести его из равновесия.

Коэффициент устойчивости подразделяют на:

– расчетный коэффициент устойчивость, который определяется в ходе геотехнических расчетов;

– нормативный (требуемый, допустимый) коэффициент устойчивость, который установлен нормативными документами.

Расчетный коэффициент устойчивости kst должен быть более или равен нормативному коэффициенту устойчивости [kst], определяемому согласно СП 116.13330.2012.

Из определения коэффициента устойчивости видно, что по результатам расчетов возможны четыре основных варианта:

Варианта №1

Значение коэффициента устойчивости выше единицы (kst>1) – это означает, что анализируемый откос или склон устойчив.

Вариант №2

Значение коэффициента устойчивости приблизительно равно единице (kst≈1) – это означает, что анализируемый откос или склон находится в состоянии предельного равновесия.

Вариант №3

Значение коэффициента устойчивости менее единицы (kst

Вариант №4.

Вариант №4. По расчету склон не устойчив, а по факту – устойчив, или наоборот. Это особый случай, который подробнее рассмотрим ниже.

Порядок работ по оценке устойчивости откосов и склонов

Оценка устойчивости существующего и проектируемого склона должна включать:

Выполняя расчеты, следует учитывать следующие положения СП 436.1325800.2018:

Исходные данные для расчета устойчивости склона

Для расчета устойчивости склонов и откосов необходимо построить расчетные сечения, которые в общем случае содержат следующую основную информацию:

Источник

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Вследствие освоения под строительство территорий, которые раньше считались непригодными, все чаще приходится возводить здания и сооружения на косогорах и неустойчивых склонах. При этом, кроме задач обеспечения надежности возводимых корпусов, требуется решать вопросы сохранения окружающей среды и экономного использования территории. В решениях XXVII съезда КПСС, в новой Конституции СССР, а также в принятом ЦК КПСС и Советом Министров СССР постановлении «О дополнительных мерах по усилению охраны природы и улучшению использования природных ресурсов» указывается на необходимость разработки и осуществления мероприятий по охране окружающей среды, более экономного использования свободных земель при строительстве промышленных и гражданских сооружений.

В связи с этим вопрос рационального проектирования и строительства на неустойчивых склонах в настоящее время приобрел наиболее актуальное значение. Для организаций Министерства монтажных и специальных строительных работ, которые не только возводят специальные сооружения на оползнеопасных территориях, но также занимаются проектированием и строительством самих противооползневых конструкций, вопрос достоверной оценки степени устойчивости склона является особенно важным.

Однако четких рекомендаций о том, какими методами следует оценивать степень устойчивости склона, на котором необходимо вести строительство, а также какие способы применять для определения давления на противооползневое сооружение, в настоящее время в нормативной литературе не существует. Разбросанные по большому количеству литературных источников методы расчета нередко весьма противоречивы и трудно применимы для практических вычислений.

Поэтому в настоящих рекомендациях проанализированы основные из существующих методов расчета, сделаны выводы о том, для каких условий какие методы целесообразнее применять. Кроме того, все методы расчета приведены к формам, удобным для практического применения.

Простота выведенных конечных формул позволит пользоваться ими не только проектным организациям, но также и монтажным специализированным управлениям и трестам, которым нередко требуется оперативно оценить степень устойчивости склона, на котором необходимо устанавливать механизмы и производить специальные и монтажные работы.

Кроме целей выбора наиболее рациональных способов расчета, анализ существующих методов позволит, во-первых, ознакомить проектировщиков и строителей с существующим уровнем знаний по данному вопросу, во-вторых, использовать ими способ оценки устойчивости склонов параллельно различными методами (что дает большую достоверность оценки), в-третьих, благодаря настоящим рекомендациям, выбрать из всех существующих именно те методы, которые в каждом конкретном случае помогут получить наиболее верный результат.

В работе приведены существующие способы расчета коэффициента устойчивости склона и величины оползневого давления в преобразованном (для удобства применения) виде, разработаны рекомендации по способам учета грунтовых вод и сейсмических воздействий, произведено сравнение различных методов расчета и даны рекомендации по областям применения каждого из них, а также по способам построения эпюры оползневого давления, необходимой для проектирования противооползневых конструкций.

При проектировании любых противооползневых мероприятий, при строительстве на неустойчивых склонах или при размещении механизмов на откосах, склонах или бортах оврагов работы следует начинать с оценки степени устойчивости наклонной поверхности земли. Такая оценка производится путем вычисления так называемого коэффициента устойчивости, который характеризуется отношением сил, удерживающих массив грунта на наклонной поверхности, к силам, сдвигающим этот массив. Для проектирования противооползневых мероприятий нередко требуется еще определять величину давления грунта от смещающегося массива на ограждающую конструкцию (оползневое давление). Для таких вычислений существует очень большое количество расчетных методов, которые, по существу, не регламентированы нормативными документами.

Большинство из существующих методов расчета устойчивости склонов было разработано для вычисления коэффициента устойчивости склона. Затем эти расчеты (как правило, автором данной работы) преобразовывались для определения так называемого оползневого давления, т.е. давления, передающегося от неустойчивых грунтовых масс оползневого склона. При этом для расчета противооползневых удерживающих конструкций разработаны способы построения эпюры оползневого давления по протяженности оползня.

Все расчетные методы оценки степени устойчивости склонов основаны на применении теории предельного равновесия, рассматривающей предельное напряженное состояние грунтового массива. В расчетной модели принимается ряд условных допущений:

используется гипотеза затвердевшего тела (призма возможного смещения рассматривается в виде затвердевшего клина);

рассматривается узкая полоса склона шириной 1 м; условия ее работы сохраняются для всего склона;

допускается определенная форма поверхности скольжения;

при пользовании основным критерием прочности (τ = s tg φ + c ) напряжения заменяются силами;

в некоторых методах силы взаимодействия между отсеками, на которые разбивается оползневой блок, не учитываются;

принимаются излагаемые далее допущения о значениях и проявлениях давления грунтовых вод и сейсмической силы;

в некоторых методах при рассмотрении равновесия массива принимается одно уравнение статики;

в отдельных случаях теория предельного равновесия применяется к грунтовому массиву, находящемуся в запредельном состоянии (при K _у

Несмотря на перечисленные допущения и исходя из необходимости охватить как можно больше встречающихся на практике случаев (разнородное геологическое сложение склонов, наличие грунтовых вод, воздействие сейсмических сил и т.д.), эти методы расчета, хотя и не вполне математически и физически строгие, необходимы для разработки простых инженерных способов оценки устойчивости склонов и откосов.

Для практических расчетов возможно применять метод учета реологических свойств грунтов, разработанный проф. Н.Н. Масловым [ 15 ]. Как известно, по Н.Н. Маслову сопротивляемость грунта сдвигу представляется выражением:

Ползучесть проявляется, когда действительные сдвигающие напряжения τ лежат в пределах

В таком случае прочность грунта обеспечивается на тот или иной период, однако в связи с деформацией ползучести возможно нарушение необратимого сцепления c _с во времени с общим падением прочности грунта.

По методике Н.Н. Маслова может быть выполнен прогноз скорости перемещения вниз по склону оползневых масс на длительный период и интенсивности деформаций смещения подпорных сооружений.

В случаях, когда по материалам инженерно-геологических изысканий и имеющихся теоретических методов положение наиболее опасной поверхности скольжения установить не удается, расчетные методы оценки устойчивости склонов в прямом виде применить не представляется возможным. В таких случаях следует использовать вариационные методы расчета, предложенные А.Д. Гиргидовым, М.Н. Гольдштейном, А.Г. Дорфманом, У.Х. Магдеевым и др.

В справочниках по основаниям и фундаментам приводятся значения коэффициента устойчивости K _у при укреплении склонов с помощью обычных противооползневых мероприятий. При таком укреплении степень неопределенности задачи достаточно высока, поэтому указанные значения K _у сравнительно велики. С повышением точности расчетов и с применением более рациональных противооползневых конструкций значение требуемого коэффициента устойчивости должно снижаться.

В одной из своих работ Н.Н. Маслов писал, что возникает вполне оправданное представление о возможности при закреплении действующих оползней ограничиваться лишь весьма небольшим превышением значения K _у над единицей. В большинстве случаев при подобных обстоятельствах оказывается достаточным задаваться значениями K _у от 1,05 до 1,1. При этом далее слабое торможение может остановить оползень.

При проектировании удерживающих сооружений глубокого заложения тем более не следует задаваться слишком большим коэффициентом устойчивости, поскольку такие конструкции рассчитываются на весь избыток сдвигающих сил.

В связи с изложенным, при расчете противооползневой удерживающей конструкции задаваемый коэффициент устойчивости рекомендуется принимать в пределах [ 6 ]:

Действие грунтовых вод на состояние оползневого склона проявляется различными путями. Вода оказывает взвешивающее действие на слагающие склон породы, изменяя силы гравитации. Насыщая грунты, вода изменяет их физико-механические характеристики и, в частности, сдвиговые характеристики, уменьшая величину сопротивления сдвигу. Кроме того, грунтовые воды, смачивая возможные поверхности скольжения, в виде смазки уменьшают силы трения. При этом вода, взвешивая грунтовый скелет, снижает за счет порового давления нормальные напряжения σ в плоскости сдвига и может привести к почти полному снятию внутреннего трения в грунте [ 7 ]. Механизм этого явления ясен из уравнения сдвига

Рис. 1 . Наклонный пласт водонасыщенного грунта

Разберем действие фильтрационного давления для случая наклонного пласта грунта, залегающего на водоупоре, параллельном поверхности (рис. 1 ). Этот случай благодаря своей простоте позволяет отчетливо представить сущность рассматриваемого вопроса [ 16 ]. Кроме того, он имеет и практическое значение, так как весьма часто встречается в задачах об устойчивости оползневых склонов и, в виде одного из допущений, может быть использован в большинстве действительных случаев.

Пусть поры грунта полностью насыщены водой и линии тока воды параллельны поверхности откоса. Тогда последняя является, вместе с тем, верхней линией тока, а также и линией депрессии, так как на нее непосредственно действует во всех точках атмосферное давление.

Таким образом, градиент окажется равным:

Гидродинамическое (фильтрационное) давление на единицу объема грунта равно градиенту (разности напоров на единицу длины, т.е. объему столба воды), умноженному на удельный вес воды:

Общее давление на некоторый слой грунта объемом V будет равно:

Это давление направлено вдоль линий тока, параллельно поверхности откоса, и является сдвигающей силой.

При отсутствии фильтрационного и взвешивающего давлений этот коэффициент был бы равен:

(11)

(12)

Такой способ оценки устойчивости склона обычно называют «методом взвешивания» и нередко применяют при практических расчетах. Физический смысл этого метода заключается в том, что напор грунтовых вод способен оказать на покровную толщу пород взвешивающее противодавление и тем самым снизить действующие в контактной зоне силы сопротивления сдвигу за счет снижения сил трения. Вместе с тем в этих условиях возникает возможность дополнительного водонасыщения грунтов и снижения сопротивляемости их сдвигу. Сдвигающее же усилие в этом случае останется без изменения, так как силы гравитации сохраняются прежней величины (имеется водонасыщение не по всей высоте грунтовой толщи).

Итак, учет действия напорных грунтовых вод может производиться двумя способами.

собственный вес грунта во всех расчетах принимается с учетом взвешивания в воде части оползневого отсека между кривой депрессии и поверхностью скольжения;

При выполнении расчетов устойчивости склонов, как правило, будем принимать, что направление гидродинамической силы параллельно поверхности скольжения в данном отсеке (основанию отсека). В таком случае эту силу можно целиком (без разложения на составляющие) прибавлять к сдвигающей силе. Это, разумеется, не совсем правильно, однако, значительно упрощает расчет и идет в запас прочности. Раскладывать гидродинамическую силу рекомендуется лишь тогда, когда ее наклон будет значительно отличаться от наклона поверхности скольжения (более чем на 10 %). Следует отметить, что при необходимости разложения гидродинамической силы на составляющие (при значительных ее наклонах) его следует выполнять с учетом градиентов потока в соответствующих направлениях, отвечающих гидродинамической сетке фильтрационного потока. При рассмотрении метода Ю.И. Соловьева будет показано, что разложение гидродинамической силы на составляющие значительно усложняет расчет. Этот первый способ учета действия грунтовых вод будем преимущественно применять в таких методах расчета устойчивости склона или величины оползневого давления, в конечных формулах которых нет явно выраженных отдельных величин удерживающей и сдвигающей сил. Однако этот способ приемлем и в любых других случаях.

при определении сил, сдвигающих массив грунта, принимается полный вес отсеков без учета взвешивающего действия грунтовых вод, а при определении сил, удерживающих массив грунта, принимается вес отсеков с учетом взвешивающего действия грунтовых вод в части, находящейся между кривой депрессии и поверхностью скольжения (при этом в вес отсека включается полный объемный вес грунта, находящегося в зоне капиллярного насыщения выше кривой депрессии).

Этот второй способ учета действия грунтовых вод используется для методов расчета, в которых удерживающие и сдвигающие силы оказываются явно выраженными. В целом же оба рассмотренных способа учета действия напорных грунтовых вод равноценны и могут в одинаковой степени применяться в инженерных расчетах.

При отсутствии напорных грунтовых вод и наличии обычного водонасыщения грунтов откоса в расчете коэффициента устойчивости или величины оползневого давления учитываются лишь все физико-механические характеристики пород в замоченном состоянии. Взвешивающее же действие воды или гидродинамическое давление в таком случае не учитывается.

Для возможности оперирования имеющимися в каждом конк ретном случае физико-механическими характеристиками грунтов вспомним различные способы определения объемного веса грунта при его водонасыщении или увлажнении. Объемный вес γ грунта в естественном состоянии с влажностью W равен:

Объемный вес γ_бр грунта, полностью насыщенного водой (вес грунта брутто), определяется по формуле

Объемный вес γ_в грунта, взвешенного в воде (взвешенный объемный вес грунта), определяется по следующим формулам:

для водопроницаемых грунтов (пески, гравий, щебень, трещиноватые полускальные породы и т.д.)

для непроницаемых и слабопроницаемых грунтов (глинистых, монолитных скалистых, супесей, плотных песков и т.д.)

В заключение данного параграфа необходимо оговориться, что приведенные здесь способы учета действия грунтовых вод являются далеко не единственными. Например, И.В. Федоров [ 26 ] предложил способ расчета устойчивости откосов с учетом фильтрационных сил, удовлетворяющий всем условиям статики, графоаналитическим методом. Некоторые элементы данного способа будут нами использованы при рассмотрении соответствующих методов оценки устойчивости склонов и откосов. Этим же автором [ 27 ] проанализированы выведенные различными исследователями уравнения движения воды в пористых средах и предложена для практического использования методика расчета эффективного давления по подошве элемента при учете фильтрационных сил.

Следует заметить, что оценка коэффициента устойчивости с учетом фильтрационных сил по упрощенной формуле будет давать приемлемые результаты только в тех случаях, когда эквипотенциальные линии несущественно отличаются от вертикальных линий.

Применение более сложных методов учета гидродинамического давления оправдывается в тех случаях, когда имеются значительные напоры грунтовых вод или когда склон омывается акваториями, уровень воды в которых может резко изменяться, и т.д.

Учет сейсмического воздействия при расчете противооползневых удерживающих конструкций осуществляется добавлением к расчетным усилиям так называемой сейсмической силы.

Сейсмическая сила Q _с приближенно определяется как доля от веса массы грунта, которая претерпевает сейсмическое воздействие:

Коэффициент динамической сейсмичности μ

Источник

При каком значении коэффициента устойчивости оползневой склон находится в устойчивом состоянии

ОТРАСЛЕВОЙ ДОРОЖНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ УСТОЙЧИВОСТИ ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ СКЛОНОВ (ОТКОСОВ) И ОПРЕДЕЛЕНИЮ ОПОЛЗНЕВЫХ ДАВЛЕНИЙ НА ИНЖЕНЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

2. ВНЕСЕН Управлением строительства и проектирования автомобильных дорог Федерального дорожного агентства (РОСАВТОДОР).

4. ИМЕЕТ РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР.

5. ВВОДИТСЯ ВПЕРВЫЕ.

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий методический документ распространяется на расчеты устойчивости оползневых и оползнеопасных склонов, а также расчеты оползневых давлений на инженерные сооружения автомобильных дорог с учетом многоярусного расположения конструкций, инженерно-геологических особенностей региона Северного Кавказа, а также высокой сейсмичности силой до 10 баллов.

В методическом документе приведены указания по выбору исходных данных, методике и оценке результатов расчетов устойчивости и оползневых давлений.

Методический документ предназначен для применения в области проектирования, обследования и экспертной оценки устойчивости оползневых и оползнеопасных откосов и склонов, а также оползневых давлений на существующие и проектируемые конструкции инженерной защиты автодорог.

2. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящем методическом документе применяются следующие термины с соответствующими определениями, обозначениями и сокращениями:

3. НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В настоящем методическом документе использованы ссылки на следующие документы:

12. Krahn, J. Stability modeling with Slope/W. An engineering methodology. First Edition. Revision 1 / J.Krahn // Calgary, Alta: Geo-Slope International Ltd., 2004.

4. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

4.1. Основные указания

4.1.1. Анализ устойчивости оползневого склона с привлечением расчетных методов выполняется как составной элемент комплексной инженерно-геологической оценки и прогноза устойчивости оползневого склона в естественных условиях и с учетом намечаемого его использования.

4.1.2. При недостаточной инженерно-геологической обоснованности расчетных схем и без исчерпывающего предоставления о достоверности использованных в расчете величин расчетных параметров прочностных и деформационных свойств грунтов выполнять расчеты устойчивости оползневого склона не следует.

4.1.3. Оценка устойчивости склона (откоса), а также защищаемых объектов на склоне или в его среде должна включать:

— сбор исходных данных;

— выбор расчетных створов;

— составление расчетной схемы;

— определение (уточнение) расчетных параметров грунтов;

— выбор метода расчета в соответствии с зафиксированным (предполагаемым) механизмом оползня, природными и техногенными условиями;

— выполнение и анализ результатов расчетов устойчивости;

— определение и построение эпюр оползневого давления;

— рекомендации по мероприятиям инженерной защиты.

4.2. Требования к составу, объему и качеству изысканий

4.2.1. Объем, содержание и сроки инженерных изысканий зависят от стадии проектирования, сложности природных условий, категории дороги.

4.2.2. Инженерные изыскания выполняются с соблюдением требований СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения»; СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов».

4.2.3. Основные виды инженерных изысканий включают: инженерно-геодезические, инженерно-геологические, инженерно-гидрометеорологические.

4.2.4. Инженерно-геодезические изыскания должны содержать:

— продольные и поперечные профили проектируемых и существующих трасс автомобильных дорог; направление поперечников должно совпадать с направлением наибольшего падения уклона рельефа местности.

Рекомендуемые параметры инженерно-геодезических работ приведены в таблице 1.

Источник

При каком значении коэффициента устойчивости оползневой склон находится в устойчивом состоянии

1. Метод расчета устойчивости оползней, имеющих наклонную поверхность скольжения [10].

Расчет обычно ведут не для всего объема оползня, а для массива пород, шириной 1 м, выделяемого по линии расчетного геологического разреза. Определив по геологическому разрезу площадь S (м 2 ) и соответственно объем V (м 3 ) выделенного массива, определяют его вес:

Если оползень находится в предельном равновесии, коэффициент устойчивости η должен быть равным единице. Если удерживающие силы превалируют над сдвигающими, оползень имеет запас устойчивости, коэффициент η в этом случае больше единицы.

Расчет устойчивости оползня усложняется, если поверхность скольжения имеет плоско-ступенчатую форму (примерная расчетная схема показана на Рис. 11).

Если оползень испытывает действие гидродинамического давления от фильтрационного потока, устойчивость его снижается. Как показано выше, суммарная составляющая силы тяжести увеличивается на величину гидродинамического давления. Согласно теоретическим основам механики горных пород (Н. Н. Маслов, 1955г., Н. А. Цытович, 1963г.; И. В. Федоров, 1962г.; Г. Л. Фисенко, 1905г.) фильтрационные силы в этом случае распределяются перпендикулярно к поверхности скольжения в пределах каждого расчетного блока и соответственно уменьшают нормальное давление. Поэтому в уравнении, определяющем коэффициент устойчивости оползня, нормальная составляющая записывается с учетом величины гидродинамических сил, которая равна:

Отсюда коэффициент устойчивости оползня с учетом действия гидродинамического давления:

2. Метод расчета устойчивости оползней, имеющих вогнутую условно круглоцилиндрическую поверхность скольжения [10]..

Затем составляют уравнение равновесия оползневого массива и определяют коэффициент устойчивости:

Расчет производят для каждой из намеченных поверхностей скольжения, из которых устанавливают наиболее вероятную. При расчете оползней, имеющих вогнутую поверхность скольжения, действие гидростатического взвешивания, гидродинамического давления и сейсмического ускорения учитывают тем же способом, что и при расчете оползней с наклонной поверхностью скольжения.

3. Метод Н.Н. Маслова оценки устойчивости склонов и откосов [10].

Это один из широко известных приближенных методов, названный автором методом равнопрочного откоса или методом F_p. Равнопрочным принято называть такой откос, у которого в любом горизонтальном сечении обеспечена устойчивость слагающих его горных пород, т.е.

Угол сопротивления горных пород сдвигу определяют из уравнения:

В склоне или откосе, где действуют напряжения от собственного веса горных пород, коэффициент сдвига на любой глубине Z равен:

Для равнопрочного откоса при предельном равновесии на каждом горизонте Z_i угол наклона откоса в пределах этого горизонта α_cp численно должен быть равен углу сопротивления сдвигу пород рассматриваемого горизонта.

Таким образом, зная угол сопротивления сдвигу горных пород каждого горизонта, слагающих склон или откос, и учитывая распределение напряжений от собственного веса пород, можно наметить очертание устойчивого склона или откоса.

Источник

Онлайн-портал learn.doctruyen3qon.com

при каком значении коэффициента устойчивости оползневой склон находится в устойчивом состоянии

Расчет устойчивости откоса и склона