Исследование физико-механических свойств глинистых грунтов для оптимального подбора инженерных мероприятий для усиления основания железной дороги (на примере участка Краснодар-Туапсе)

дипломная работа

4. Расчеты устойчивости склона

При проектировании любых противооползневых мероприятий на откосах и склонах работы следует начинать с оценки степени устойчивости наклонной поверхности земли.

Существует три основные группы методов оценки устойчивости склонов и прогноза развития обвалов и оползней:

- Сравнительно-геологические методы

- Расчетные методы;

- Экспериментальные (методы моделирования).

К сравнительно-геологический метод - метод аналогий. Суть метода заключается в том, что для оцениваемого оползневого склона подбирается его природный аналог, для которого известны условия его устойчивости.

Расчетные методы заключаются в вычислении коэффициента устойчивости, который характеризуется отношением сил, удерживающих массив грунта на наклонной поверхности, к силам, сдвигающим этот массив. В настоящее время существует много методов расчета устойчивости склонов. Выбор тех или иных методов определяется типом оползневого процесса и механизмом возможного смещения оползневых масс.

К экспериментальным методам оценки устойчивости оползневых склонов относятся различные методы моделирования (физического, центробежного, оптического и т.п.).

Для выявления причин проявления оползневых процессов и прогнозирования их дальнейшего развития на участке земляного полотна на 1659-1660км. выполнены расчеты устойчивости склона по профилям.

Рекомендуется выполнять расчет устойчивости методом алгебраического сложения сил применительно к конкретной инженерно-геологической обстановке с учетом фильтрационных сил и гидростатического давления (при обводненности пород, слагающих уступ), а также сейсмических воздействий. [4].

1. Для необводненных уступов и откосов (точнее, при отсутствии водоносных горизонтов, пересекаемых поверхностью скольжения) и при отсутствии сейсмических воздействий вычисление коэффициента устойчивости для оценки возможности образования срезающих оползней сдвига производится по формуле «алгебраического сложения сил»

( 1 )

Где

рi - вес i -го расчетного отсека, ограниченного вертикальными гранями (см. рис. 16), МН (в подошве отсека дуга линии скольжения заменяется отрезком прямой линии; количество отсеков и расстояния между их боковыми гранями выбирается таким образом, чтобы образованная подошвами отсеков ломаная линия достаточно близко соответствовала дуге окружности);

ўi - угол наклона подошвы отсека, град, для участков, где линия скольжения направлена в сторону падения поверхности уступа;

a Іi - угол наклона подошвы отсека, град, для участков, где линия скольжения имеет уклон, обратный падению поверхности уступа;

Li - длина подошвы отсека, м;

ji , Ci - соответственно угол внутреннего трения, град, и сцепление, МПа, для пород, определяющих величину сопротивления сдвигу по подошве отсека.

Примечани я:

А. Для непригруженных отсеков вес отсека

pi = Vi g i Ч 1 м , ( 2)

где Vi - площадь сечения отсека, м2;

gi - средний удельный (объемный) вес в пределах отсека, МН/м3.

При наличии на поверхности отсека сооружений, оборудования, насыпей и других нагрузок их вес при определении суммируется с весом пород, слагающих отсек.

Б. Величины a ўi и a Іi принимаются положительными; величины ai при уклоне подошвы отсека в сторону падения уступа считаются положительными, при обратном уклоне - отрицательными.

Рис. 16 . Схема положения наиболее опасной линии скольжения для пригруженого уступа

2. Фильтрационные силы, представляющие собой одновременное воздействие гидростатического взвешивания и фильтрационного давления, при определении коэффициента устойчивости необходимо учитывать для участков поверхности скольжения, находящихся в пределах водоносного горизонта.

Гидростатическое взвешивание уменьшает вертикальные напряжения в скелете обводненной породы и численно равно весу воды в объеме рассматриваемой части водоносного горизонта. Фильтрационное давление направлено по линиям тока воды и равно для каждой единицы объема водоносного горизонта произведению гидравлического (напорного) градиента этого горизонта на объемный вес воды.

При наличии фильтрационных сил в условиях отсутствия сейсмических воздействий формула ( 1) видоизменяется следующим образом:

( 3 )

Где р ў i = (р i - g в w i 1м) - вес отсека с учетом гидростатического взвешивания, МН;

р i - вес отсека без учета гидростатического взвешивания, МН;

g в - удельный (объемный) вес воды, равный 0,01 МН/м3;

w i - площадь сечения обводненной части отсека, м2 (см. рис. 17);

Ii - гидравлический градиент в пределах отсека;

a i - угол наклона подошвы отсека, град (величина a i при уклоне подошвы отсека в сторону падения уступа принимается положительной, при обратном уклоне - отрицательной);

bi - угол наклона равнодействующей фильтрационного давления, град (величины bi при направлении фильтрационного потока в сторону падения уступа принимаются положительными, при обратном направлении потока - отрицательными); остальные значения - приняты по формуле ( 1).

Уклон равнодействующей фильтрационного давления принимается равным: для безнапорных вод - средней величине между уклоном депрессивной поверхности (поверхности обводненной зоны) и уклоном подошвы водоносного горизонта, для напорных вод - средней величине между уклонами кровли и подошвы водоносного горизонта.

Гидравлический градиент допускается принимать равным отношению разности отметок депрессионной или (для напорных вод) пьезометрической поверхности водоносного горизонта между правой и левой гранями отсека к длине отрезка, проведенного через середины обводненной зоны для упомянутых граней отсека.

Рис. 17 . Схема расчетного отсека в пределах водоносного горизонта

1 - уровень подземных вод; 2 - равнодействующая фильтрационного давления; 3 - поверхность смещения; 4 - подошва водоносного горизонта

Примечание. Для отсеков, подошва которых не пересекает обводненную зону, при использовании формулы ( 3) вместо величины p ўi следует подставлять значения pi.

3. Гидростатическое давление при определении коэффициента устойчивости требуется учитывать в двух типичных случаях:

если по кровле напорного водоносного горизонта проходит поверхность оползневого смещения;

если на поверхности уступа или откоса имеются заполненные водой вертикальные или крутонаклонные трещины, доходящие до поверхности оползневого смещения (причем трещины гидравлически разобщены и заключенная в них вода не образует единый водоносный горизонт).

В первом случае воздействие напоров вызывает гидростатическое взвешивание вышезалегающих пород, с учетом чего формула для определения коэффициента устойчивости принимает вид

( 4 )

где gв - удельный вес воды, равный 0,01 МН/м3; hi - средняя высота напора подземных вод относительно подошвы отсека, м; остальные значения приняты по формуле ( 1).

Во втором случае заполнение трещины водой вызывает появление силы гидростатического давления, направленной по нормали к поверхности трещины и равной

Нв - высота столба воды в трещине относительно поверхности оползневого смещения.

При оценке возможности образования оползня, охватывающего весь рассматриваемый уступ (откос), силу гидростатического давления необходимо учитывать только для трещин, образующихся по верхней границе потенциально неустойчивой части массива пород (т.е. для трещин закола). На остальной территории неустойчивой части массива силы гидростатического давления воды, заполняющей трещины, оказываются внутренними и не влияющими на возможность образования оползня, охватывающего весь уступ. Однако при наличии в низовой части уступа трещин, заполненных водой, силы гидростатического давления могут способствовать отчленению небольших оползающих блоков с последующим постепенным распространением побочных отчленений вверх по уступу.

В данном случае расчеты выполнены по формуле «алгебраического сложения сил» при отсутствии дополнительного пригруза с учетом воздействия сейсмических сил.

Сейсмические силы вызывают дополнительные горизонтальные и вертикальные нагрузки в массиве пород, причем роль вертикальной составляющей сейсмической силы сравнительно мала и может не учитываться при оценке устойчивости[2].

При определении коэффициента устойчивости сейсмические силы учитываются для сейсмически активных районов (с землетрясениями 6 баллов и более). Направление горизонтальной сейсмической силы принимается соответствующим направлению возможного оползневого смещения, а ее величина для каждого отсека - равной произведению веса отсека (для обводненных пород без поправки на гидростатическое взвешивание) на коэффициент сейсмичности т ,определяемый по табл. 8 в зависимости от расчетной сейсмичности для района выполняемых изысканий.

Таблица 8

Расчетная сейсмичность в баллах

6

7

8

9

10

Коэффициент сейсмичности т

0,01

0,025

0,05

0,10

0,25

Величина расчетной сейсмичности определяется по карте-схеме, помещенной в главе [15]; при глубине грунтовых вод менее 4 м для уступов (откосов), сложенных глинистыми породами и песками, расчетная сейсмичность увеличивается на один относительно среднего балла для данного района.

Формулы для определения коэффициента устойчивости с учетом сейсмических воздействий имеют вид:

при отсутствии водоносных горизонтов в массиве пород

( 5 )

при наличии водоносного горизонта (водоносных горизонтов), пересекаемого линией скольжения оползня

( 6 )

Где

рi - вес отсека без учета гидростатического взвешивания, МН;

p ўi - вес отсека с учетом гидростатического взвешивания, МН (для отсеков, подошва которых находится в пределах водоносного горизонта);

т - коэффициент сейсмичности. Остальные обозначения приняты по формуле ( 3).

В моей работе так как водоносный горизонт в массиве пород отсутствует расчет выполнялся по формуле ( 5 ), где:

Ky - коэффициент устойчивости откоса;

Сi - вес i -го расчетного отсека без учета гидростатического взвешивания, МН ;

??i - угол наклона подошвы отсека, град, для участков, где линия скольжения имеет уклон, обратный падению поверхности уступа;

??i, - угол наклона подошвы отсека, град, для участков, где линия скольжения направлена в сторону падения поверхности уступа;

J i ,Ci - соответственно, угол внутреннего трения(градус) и сцепление для пород, определяющих величину сопротивления сдвигу по подошве отсека;

Li - длина подошвы отсека, м;

m - коэффициент сейсмичности.

Расчет устойчивости склонов в сейсмических районах должен производиться с учетом силы возможных землетрясений. Расчет устойчивости выполнен по восьми поперечным профилям (приложение 4).

По результатам расчета получены следующие коэффициенты устойчивости склона (вар 1) из предположения полного водонасыщения грунтов с показателями прочности, полученными по заранее подготовленной поверхности:

По профилю XII-XII - 1,10 д.е.;

По профилю XIII-XIII - 1,20 д.е.;

По профилю XIV-XIV - 1,07 д.е.;

По профилю XVII-XVII - 1,45 д.е.;

По профилю XVIII-XVIII - 1,13 д.е.;

По профилю XIX-XIX - 1,34 д.е.;

По профилю XXI-XXI - 0,98 д.е.;

По профилю XXII-XXII - 1,08 д.е.

Учитывая сейсмичность района, а также влияние поверхностных вод и динамических воздействий, откос периодически переходит в неустойчивое состояние. Таким образом, при самом неблагоприятном стечении обстоятельств, откос оказывается неустойчив по профилю XXI-XXI; по профилям XII-XII, XIV-XIV, XXII-XXII откос находится в состоянии предельного равновесия.

При расчете с учетом архивных данных на соседнем участке [18] получены следующие коэффициенты устойчивости склона (вар 2):

По профилю XII-XII - 0,79 д.е.;

По профилю XIII-XIII - 0,77 д.е.;

По профилю XIV-XIV - 0,74 д.е.;

По профилю XVII-XVII - 1,08 д.е.;

По профилю XVIII-XVIII - 0,71 д.е.;

По профилю XIX-XIX - 1,05 д.е.;

По профилю XXI-XXI - 0,61 д.е.;

По профилю XXII-XXII - 0,75 д.е.

При самом неблагоприятном стечении обстоятельств при расчете по варианту 2 откос оказывается неустойчив по профилю XXII-XXII - XIV-XIV, XIII-XIII, XXI-XXI - XXII-XXII; по профилям XVII-XVII и XIX-XIX откос находится в состоянии предельного равновесия.

Для обеспечения эксплуатационной надежности изученного участка железной дороги, земляное полотно необходимо укрепить с применением удерживающих сооружений.

Делись добром ;)