Коэффициент запаса устойчивости откосов и склонов

Коэффициент запаса устойчивости откосов и склонов

Коэффициент устойчивости часто принимается в виде: k_st=tgφ/ tgφ`=c/c`, где φ, с – расчетные значения характеристик сопротивления принятые в проекте; φ`, с` - то же, соответствующие предельному состоянию откоса или склона.

Устойчивость откоса или склона считается обеспеченной, если, k_st≥k^H_st, где k^H_st – 1,1…1,3 – нормативный коэффициент устойчивости.

Группы методов используемых для расчетов устойчивости откосов:

- элементарные решения;

- строгие решения;

- инженерные методы;

- численные методы.

При этом анализируются два типа задач:

1) Оценка устойчивости откоса или склона заданной крутизны

2) Определение оптимальной крутизны откоса или склона при заданом k^H_st.

 

Показатели характеризующие свойства сложных систем

Любую сложную систему можно рассматривать как совокупность обьектов, предназначенную для выполнения некоторого определенного вида работ или решения достаточно четко очерченного определенного вида работ или решения достаточно четко очерченного вида задач. В соответствии с этим процесс функционирования сложной системы представляется как совокупность действий ее элементов, подчиненных единой цели.

Показатель эффективности выбирают на заключительной стадии формирования целей и задач системы, без него эта стадия не приобретает необходимой четкости. Выбор этого показателя оказывает существенное влияние на интерпретацию свойств системы и результатов ее исследования.

Расчет показателя эфективности для сложных систем представляет собой весьма сложную задачу, которая требует превлечения специальных математических методов, и решается с помощью быстродействующих вычислительных машин. Он зависит от структуры системы, значений ее параметров, характера воздействия внешней среды, внешних и случайных внутренних факторов.

Функционал – оператор, заданный на некотором множестве функций (в некотором функциональном пространстве) и принимающий значения из области действительных чисел.

Вероятности некоторых случайных событий. Элементам множества процессов функционирования системы ставится множество случайных событий. Тогда вероятность будет равна среднему значению соответствующего функционала.

Для многих сложных систем выход некоторых элементов из робочего состояния не только не приводит к неожиданной потере работоспособности всей системы в целом, но иногда есть заранее планируемым событием.

ΔФ_надеж= ׀ ׀ _надеж* Ф- ⁰Ф

Ф* надеж - значение показателя эфективности, вычесленное в предположении, что отказы элементов имеют интенсивности, соответствующие заданым характеристикам, а Ф⁰ – в предположении что все элементы системы абсолютно надежны.

 

 

Работа грунта в основаниях сооружений

Под нагрузкой от сооружения в грунте возникают напряжения и деформации. Накопление деформаций по всей толще основания приводит к осадке сооружения. Перегрузка фундамента может вызвать разрушение грунта. Детально изучаются условия деформирования грунта под фундаментами и характер зависимости осадки S от нагрузки F.

Устанавливается стадийность деформирования оснований, причем на каждой стадии в грунте происходят деформации определенного вида, сказывающиеся на характере зависисмости осадки от нагрузки или давления по подошве фундамента р=F/A. Выделяют следующие стадии: 1 – уплотнение, 2 – сдвиг, 3 – разрушения.

В первой стадии деформации малы. Перемещения частиц грунта направлены преимущественно по вертикали, под подошвой формируется область (ядро) уплотненного грунта. Зависимость S=f(p) на этом участке близка к линейной.

Во второй стадии характер деформирования меняется: из-под краев фундамента происходит отжатие грунта и формируются области, в которых прочность грунта исчерпана – области сдвига. По мере их развития приращения осадок все более опережают приращения давлений, что отражается в существенной нелинейности зависимости S=f(p)/

Выход областей сдвига на поверхность грунта приводит к наступлению 3 стадии – разрушения основания с провальной осадкой.

 

Деформируемость грунтов

Деформация – свойства горных пород под нагрузкой менять форму сложения и обьем. Характер деформаций, возникающих в породах, зависит от характера передаваемого усилия, его размеров, способов передачи на породу и типа породы. При сжатии образца горной породы длина его уменьшается, а поперечное сечение увеличивается; при растяжении длина увеличивается, а поперечное сечение уменьшается.

Внешние усилия, передаваемые на породу, вызывают противодействующие этим усилиям внешние напряжения в породе. Под напряжением понимается интенсивность усилия на единицу площади.

Рассмотрим зависимость осадки штампа s от возрастающего давления р (рис. 2,1 а,б стр 7 лекция 2).

На рисунке б видно, что грунтам свойственна нелинейная деформируемость, причем в некотором начальном интервале изменения напряжений от 0 до Р1 она достаточна близка к линейной.

При нагружении и последующей разгрузки штампа общая осадка грунта может быть разделена на восстанавливающуюся (упругую) s^e и остаточную (пластическую) s^p (рис в).

Пластические деформации в грунтах можно разделить на обьемные и сдвиговые. Обьемные деформации приводят к изменению обьема пор в грунте, тоесть к его уплотнению, сдвиговые – к изменению его первоначальной формы и могут вызвать разрушение грунта.

 

Гидрогеологические задачи, решаемые с помощью «механики грунтов».

Основные задачи: теоретический прогноз поведения грунтов в толще, под влиянием внешних и внутренних воздействий, разнообразных нагрузок от сооружений, изменений под действием природных факторов и деятельности человека, условия равновесия (при размывах; колебаниях уровня грунтовых вод, разгрузке глубоких слоев грунта при копке котлованов).

Общие задачи:

- установление основных закономерностей механики грунтов как дисперсных тел и величины характеризующих их коэффициентов.

- исследование напряженно-деформационного состояния грунтов в различных стадиях их деформирования.

- разработка вопроса прочности и устойчивости грунтов и давления их на ограждениях.

 

Деформационные характеристики грунтов

Деформация – свойства горных пород под нагрузкой менять форму сложения и обьем. Характер деформаций, возникающих в породах, зависит от характера передаваемого усилия, его размеров, способов передачи на породу и типа породы. При сжатии образца горной породы длина его уменьшается, а поперечное сечение увеличивается; при растяжении длина увеличивается, а поперечное сечение уменьшается.

Внешние усилия, передаваемые на породу, вызывают противодействующие этим усилиям внешние напряжения в породе. Под напряжением понимается интенсивность усилия на единицу площади. В условиях равновесия внутреннее напряжение в породе равно действию внешних усилий, поэтому напряжения могут быть выражены через величину этих усилий: σ= dP/dF.

Каждую силу, действующую на любую произвольную выбранную площадку или сечение внутри породы, можно разложить на силы, нормальную к площадке и касательную к ней. Эти две силы, отнесенные к еденице площади, называют нормальными, или сжимающими, и касательными, или сдвигающими, напряжениями.

Деформация сжатия – уменьшение расстояния между двумя паралельными площадками под действием нормальной силы. Деформация сдвига – взаимное перемещение двух смежных площадок породы в направлении, паралельном этим площадкам, под действием тангенциального условия.

Деформация горных пород возникает тогда, когда внешние силы, действующие на породу, становятся больше внутренних сил в породе (трение и сцепление), стремящихся сохранить целостность породы – форму и размер составляющих ее зерен и связи между ними. Они возникают в наиболее неблагополучных сечениях, в которых действуют максимальные нормальное и касательное напряжения.

 

Водопроницаемость грунтов

Водопроницаемость – свойство водонасыщеного грунта под действием разности напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды.

Напор в любой точке движущегося потока воды Н определяется выражением: Н=p/y_w+z+v²/(2g)=p/y_w+z,

Где p/y_w – пьезометрическая высота (р – давление в воде; y_w – удельный вес воды); z – высота рассматриваемой точки над некоторой горизонтальной плоскостью сравнения; v²/(2g) – скоростной напор (v – скорость движения воды в потоке; g – ускорение свободного падения).

Скорость фильтрации, учитывая сложную неоднородную структуру порового пространства грунтов и наличие пленок связанной воды у частиц глинистых грунтов, не может быть определена через расход воды и площадь сечения элементарной трубки грунта.

 

Зерновой состав грунтов.

Гранулометрический (зерновой) состав грунта следует определять по весовому содержанию в нем частиц различной крупности, выраженное в процентах по отношению к весу сухой пробы грунта, взятой для анализа.

Упрощенная зерновая классификация грунтов

Грунты	Содержание глинистых частиц в % по весу	Диаметр шнура из грунта при пределе раскатывания в мм
глина	Больше 30	Менее 1
суглинок	30-10	1-3
супесь	10-3	Более 3
песок	Менее 3	Не раскатывается
Пылеватые грунты	Если в грунте содержится пылеватых частиц, больше чем песчаных, то к названию грунта прибавляется слово «пылеватый»

 

Виды грунтовых отложений

В зависимости от участия в формировании грунтовой толщи тех или иных агентов выветривания, различают элювиальные, делювиальные, аллювиальные, дельтовые, озерно-ледниковые, эоловые и морские отложения.

Элювиальные отложения состоят из продуктов выветривания горных пород, залегающих на месте своего первоначального образования. По составу они близки к исходной материнской породе. Вследствие значительной пористости и неоднородности состава элювий дает неравномерную осадку под сооружением. Однако, при плотном, однородном сложении и прочной коренной породе элювий может служить надежным основанием сооружений.

Продукты выветривания переносятся водными потоками, ветром и ледниками, образуя делювиальные, аллювиальные и дельтовые отложения.

Делювиальными называются отложения водных потоков, перемещаемые вне постоянных русел под действием силы тяжести дождевыми и снеговыми водами по склонам той же возвышенности, где образовались. Такие отложения представляют собой рыхлые неустойчивые, часто подвергающиеся оползанию образования, неоднородные по своему составу и залегающие на склонах разной мощности, увеличивающейся к подножию склона.

Аллювиальные отложения – это отложения водных потоков, переносимые постоянными водными потоками (ручьями, реками и пр.) на значительные расстояния от места их первоначального залегания.

Дельтовыми называются отложения водных потоков, образуемые при впадении постоянных потоков в водные бассейны.

Коэффициент устойчивости

Коэффициент устойчивости – это отношение моментов сил, удерживающих откос в состоянии равновесия, к моменту сил, сдвигающих откос:

(19)

Для расчетов этих сил призму ABC разделяют на несколько отсеков. Силы взаимодействия в вертикальных плоскостях между отсеками не учитываются. Вес грунта в откосе раскладывается на две составляющие: касательные (Т_i), направленные вдоль линии скольжения, и нормальные (N_i) перпендикулярные направле­нию касательных напряжений. При расчете учитываются следующие основные параметры:

1) физико-механические свойства:

g – удельный вес, кН/м³;

j – угол внутреннего трения, град;

с – удельное сцепление, кПа;

2) геометрические параметры откоса:

H – высота откоса, м;

A_i – площадь блока, м²;

l_i – длина дуги скольжения, м;

3) силовые параметры:

Q_i – вес блока, кН/м;

T_i – сдвигающая сила, кН/м;

N_i – нормальная сила, кН/м;

F_i – сила трения грунта о грунт, кН/м.

Откос считается устойчивым, если h /1,2.

Влияния Электролитов

Водопроницаемость глин при прочих равных условиях (одинаковый минералогический состав, дисперсность, плотность) в значительной степени зависит от состава и концентрации электролитов в фильтрующейся воде и состава обменных катионов. Исследования, выполненные В. С. Шаровым, Б. В. Дерягиным и др., показывают, что проницаемость глин при фильтрации пресной воды значительно меньше, чем при фильтрации растворов электролитов с концентрацией больше 0,1—1 н. Увеличение коэффициента фильтрации при фильтрации электролитов происходит в наибольшей степени при концентрациях до 2—3 нормалей. Так, при фильтрации раствора NaCl с концентрацией 10% через монтмориллонитовую глину коэффициент фильтрации увеличился в 2,7 раза по сравнению с коэффициентом фильтрации с водой. При дальнейшем увеличении концентрации NaCl наблюдалось снижение коэффициента фильтрации, так как вязкость фильтрующегося раствора заметно возрастала. Увеличение К_ф при повышении концентрации до 10% объясняется исключительно сжатием диффузных слоев (слоев рыхлосвязанной воды) вокруг глинистых частиц, в результате чего увеличивается эффективный диаметр пор. Водопроницаемость глин по отношению к электролитам в сильной степени зависит от вида глинистого минерала. По степени влияния электролитов на изменение проницаемости минералы располагаются в следующем порядке (в порядке убывания влияния электролитов): монтмориллонит, гидрослюда, каолинит, палыгорскит. Влияние концентрации фильтрующегося через грунт электролита уменьшается по мере уменьшения количества глинистых частиц.

Прочность и устойчивость грунтов оснований оцениваются сопротивлением грунтов сдвигу, которое зависит от угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта. Эти характеристики определяются в соответствии с законом сопротивления грунтов сдвигу, который для сыпучих грунтов формулируется следующим образом: предельное сопротивление сыпучего грунта есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению. Деформируемость грунтов во времени и сопротивление сдвигу во многом зависят от распределения давления, воспринимаемого скелетом грунта и водой, находящейся в порах.

Как описывается напряжённо-деформированное состояние в точке?

Напряженно-деформированное состояние в точке тела называется предельным, если в окрестности этой точки происходит разрушение материала или возникают пластические деформации.

 

Свойства грунтов	Закономерности	Показатели	Где применяется закономерность
Прочность	Закон сопротивления грунта сдвигу (закон Кулона)	Коэффициент внутреннего трения (<р) и сцепления (с)	Расчет предельной прочности, устойчивости и давления на ограждения

 

Образование грунтов.

Свойства горных пород в большой степени зависят от условий и места их образования – от ГЕНЕЗИСА. Поэтому все горные породы делят, в зависимости от генезиса, на три типа:

§ магматические (МГП), образовавшиеся при застывании магмы в глубине земной коры или лавы на её поверхности;

§ осадочные (ОГП), образовавшиеся на земной поверхности вследствие осаждения материала выветривания пород в воздушной или водной среде;

§ метаморфические (МетГП) – появившиеся в результате преобразования (метаморфизма) уже существующих горных пород.

В зависимости от условий и места образования каждый тип горных пород делится на несколько групп.

 

Континентальные отложения:

– элювиальные (форма зерен угловатая) – продукты выветривания горных пород, оставшиеся на месте образования;

– делювиальные (перемещенные атмосферными водами и силами тяжести, напластования неоднородны);

– аллювиальные (перенесенные водными потоками на значительные расстояния – окатанные частицы);

– ледниковые (образовавшиеся в результате действия ледников, неоднородные грунты);

– эоловые (продукты выветривания, пески дюн, барханов, характерно наличие пылеватых и илистых фракций).

Морские отложения: илы, заторфованные грунты, пески, галечники – низкая несущая способность.

Эпюры напряжений

Характер эпюры природного давления зависит от грунтовых условий массива. Если грунт однородный, эпюра имеет вид треугольника. При слоистом залегании эпюра изображается ломанной линией. Причем у более легкого грунта график круче, а у более тяжелого - положи. Для нахождения вертикальных напряжений от действия веса грунта на глубине Z мысленно вырежем столб грунта до этой глубины с единичной площадью основания и найдем ее суммарное напряжение?zg от веса столба

Виды деформаций грунтов

Все деформации основания можно разделить на несколько видов.

1. Осадки — такие деформации, которые не вызывают коренного изменения структуры грунта и происходят вследствие уплотнения грунта под влиянием внешних нагрузок или (в отдельных случаях) собственного веса грунта.

2. Просадки — деформации в результате коренного изменения структуры грунта под воздействием внешних нагрузок, собственного веса грунта и влиянием дополнительных факторов (замачивание присадочного грунта, оттаивание льдовых прослоек в мерзлом грунте и т. д.).

3. Подъемы и осадки — деформации, обусловленные изменением объемов некоторых грунтов при изменении их влажности или воздействии химических веществ (набухание и усадка),) замерзании воды и оттаивании льда в порах грунта (морозное пучение и оттаивание грунта).

4. Оседания — деформации поверхности грунта в результате разработки полезных ископаемых, понижением уровня подземных вод и т. д.

5. Горизонтальные перемещения — деформации в результате воздействия горизонтальных нагрузок на основание (подпорные стены и т. д.) или как следствие значительных вертикальных перемещений поверхностей грунта при оседаниях, просадках грунта от собственного веса и т. п.

Сопротивление грунтов.

Если к поверхности грунта основания приложить нагрузку, то в нем образуется напряженное состояние. Внутреннее сопротивление грунта сдвигу происходит в результате сил трения на элементарных площадках между частицами и сцепления между ними. Силы же трения зависят от нормальных к площадкам давлений. В свою очередь нормальные напряжения зависят от той доли общего напряжения в грунте, которую составляют эффективные напряжения. Нейтральные напряжения в поровой воде на величину сил трения не влияют. Следовательно, сопротивление грунта сдвигу зависит от его физического и напряженного состояния. Взвешивающие действия воды, увеличение доли нейтральных напряжений, вибрационная нагрузка (при низкой частоте) уменьшают нормальные напряжения, а вместе с тем и величину коэффициента трения. В крупнозернистых водонасыщенных грунтах с жестким скелетом все внешнее давление передается на скелет (становится эффективным) и здесь трение между частицами проявляется полностью.

Для глинистых грунтов величина внутреннего трения зависит от того, какая часть внешней нагрузки передалась на скелет грунта, а от этого, в свою очередь, зависит величина трения между частицами и, следовательно, сопротивление грунта сдвигу.

Сцепление (связность) определяется наличием капиллярного давления в грунте, поверхностного натяжения воды в порах, силами молекулярного притяжения между частицами грунта и наличием в грунте вяжущих веществ, например, различных солей.

Напряжения массива грунтов.

Напряжение в массивах грунтов, служащих основанием, средой или материалом для сооружения, возникают под воздействием внешних нагрузок и собственного веса грунта.

Основные задачи расчета напряжений:

- распределение напряжений по подошве фундаментов и сооружений, а также по поверхности взаимодействия конструкций с массивами грунта, часто называемыми контактными напряжениями;

- распределение напряжений в массиве грунта от действия местной нагрузки, соответствующей контактным напряжениям;

- распределения напряжений в массиве грунта от действия собственного веса, часто называемых природным давлением.

Составные элементы грунтов.

В состав природных грунтов входят разнообразные элементы, которые можно объединить в следующие три группы: 1) твёрдые минеральные частицы; 2) вода в различных видах и состояниях; 3) газообразные включения. Кроме того, в состав некоторых грунтов входят органические и органоминеральные соединения, также влияющие на физические свойства грунтов. Свойства этих компонентов, их количественные соотношения, а также электромолекулярные, физико-химические, механические и прочие взаимодействия между компонентами и агрегатами определяют природу грунтов. Если грунт состоит из твёрдых частиц, все поры между которыми заполнены водой, то он является двухкомпонентной (двухфазной) системой. Иногда его называют грунтовой массой. В большинстве же случаев в грунте кроме твёрдых частиц и воды имеется воздух или иной газ, растворённый в поровой воде или находящийся в виде пузырьков, окружённых поровой водой, или свободно сообщающийся с атмосферой. Такой грунт является трёхкомпонентной (трёхфазной) системой. В мёрзлом грунте, содержится лёд (пластичное тело). Лёд придаёт грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строительстве в районах распространения вечномёрзлых грунтов. Мёрзлый грунт является четырёхкомпонентной (четырёхфазной) системой. В некоторых грунтах содержатся органические вещества в виде растительных остатков или гумуса. Наличие даже сравнительно небольшого количества органических веществ в грунте (свыше 3% в песках и 5% в глинистых грунтах) существенно отражается на его свойствах.

Коэффициент запаса устойчивости откосов и склонов

Коэффициент устойчивости часто принимается в виде: k_st=tgφ/ tgφ`=c/c`, где φ, с – расчетные значения характеристик сопротивления принятые в проекте; φ`, с` - то же, соответствующие предельному состоянию откоса или склона.

Устойчивость откоса или склона считается обеспеченной, если, k_st≥k^H_st, где k^H_st – 1,1…1,3 – нормативный коэффициент устойчивости.

Группы методов используемых для расчетов устойчивости откосов:

- элементарные решения;

- строгие решения;

- инженерные методы;

- численные методы.

При этом анализируются два типа задач:

1) Оценка устойчивости откоса или склона заданной крутизны

2) Определение оптимальной крутизны откоса или склона при заданом k^H_st.