Приложение 1. Характеристика нарушений местной устойчивости, методика определения расчетных характеристик

Приложение 1

Оценка местной устойчивости

Нарушения местной устойчивости связаны с локальными деформациями в зонах, непосредственно примыкающих к поверхности откоса. Глубина захвата их обычно не превышает 2 м. Они могут возникать в любой части откоса (по его длине) независимо от степени обеспечения общей устойчивости и носят, как правило, прогрессирующий характер. Возникновение таких деформаций обусловлено снижением прочности грунта поверхностных слоев в результате циклического промерзания - оттаивания, набухания - высушивания, увлажнения, а также силовым воздействием поверхностных и грунтовых вод.

При оценке местной устойчивости следует учитывать:

- тип грунта, слагающего поверхностную зону откоса;

- влияние погодно-климатических факторов (увлажнения, высыхания, промерзания, оттаивания) на прочность грунта;

- условия увлажнения поверхностными и выклинивающимися на откос грунтовыми водами;

- условия залегания различных грунтов в откосе;

- экспозицию откоса;

- климатические особенности района строительства (глубину промерзания, величину снегового покрова, осадки, температуру и т. п.);

- вид земляного полотна: насыпь, выемка;

- высоту откоса.

В результате оценки местной устойчивости устанавливают вероятность возникновения деформаций, уточняют конструкции откосов земляного полотна, намеченные предварительно на основе оценки общей устойчивости, и выбирают комплекс мероприятий по обеспечению местной устойчивости.

Основные формы нарушения местной устойчивости

Наблюдения позволили установить следующие основные формы нарушения местной устойчивости откосов:

эрозионные деформации и размывы, которые обычно характерны для слабосвязных грунтов и возникают в результате движения воды по поверхности откоса; опасность эрозионных деформаций увеличивается с уменьшением сцепления грунта, увеличением крутизны и длины откоса, а также с повышением количества попадающей на откос воды;

вывалы - деформации, характерные для откосов в скальных, полускальных и других породах с резко выраженными цементационными связями; опасность вывалов возрастает с увеличением степени трещиноватости и подверженности пород выветриванию, а также степени их выветрелости при наличии опасного напластования, увлажнения, динамического воздействия (сейсмические условия, взрывы и т. д.);

локальные деформации скольжения, приводящие к полному нарушению устойчивости поверхностного слоя откоса с образованием явно выраженной поверхности скольжения, стенки отрыва, а также призмы выпирания; при этом в первом приближении смещающиеся части откоса можно рассматривать как монолитные блоки;

деформации пластического течения, носящие характер медленных перемещений, вызывающих образование трещин, заколов, наплывов, взбугриваний и т. п., связанных с постоянным изменением конфигурации откоса.

Такой характер деформаций откоса свидетельствует о наличии некоторой зоны пластических деформаций без явно выраженной поверхности скольжения;

Деформации локального скольжения и пластического течения развиваются в откосах выемок, сложенных тяжелыми глинистыми грунтами, и являются переходной стадией к развитию сплывов и оплывин;

оплывины - деформации, характерные для откосов из глинистых влагоемких грунтов и мелких водонасыщенных песков. Возникают эти деформации в результате резкого (без предварительной подготовки) перехода в текучее состояние грунтов в поверхностных зонах с соответствующими оплываниями их по откосу;

сплывы - деформации, по своему происхождению аналогичные оплывинам и отличающиеся от последних большей шириной зоны действия. Опасность возникновения сплывов и оплывин увеличивается в результате постепенного проявления деформаций пластического течения и локальных деформаций скольжения в поверхностных слоях откосов, сложенных глинистыми грунтами. Кроме того, независимо от локальных деформаций скольжения и пластического течения, сплывы и оплывины возникают на откосах, сложенных пучинистыми и набухающими грунтами, особенно при сооружении земляного полотна в зимнее время;

выносы - локальные деформации откосов выемок, происходящие при выходе на откос водоносных горизонтов, представленных песчаными разностями, способными выноситься фильтрационным потоком грунтовых вод.

Опасность таких деформаций увеличивается с повышением содержания в породе частиц размером от 0,005 до 0,25 мм (пылеватые и мелкопесчанистые фракции); с повышением однородности песка; уменьшением содержания в породе глинистых фракций; увеличением окатанности зерен и уменьшением плотности породы.

Оценка степени местной устойчивости откосов может быть выражена качественно, когда при определенных условиях достаточно иметь данные о составе и состоянии грунтов, чтобы судить о характере поведения поверхностных слоев откоса в тех или иных условиях, и количественно на основе разработанных расчетных методов.

Качественная оценка

Качественная оценка местной устойчивости основывается:

- на накопленном ранее опыте проектирования, строительства и эксплуатации высоких откосов в данном конкретном районе;

- на интерпретации физических свойств глинистых грунтов, слагающих поверхностные слои высоких откосов.

В результате качественной оценки устанавливают:

- вероятность и характер возникновения деформаций в поверхностных слоях высоких откосов;

- необходимость назначения специальных мероприятий по обеспечению местной устойчивости, в данном случае - применение решетчатых конструкций.

Для проведения качественной оценки необходимы следующие данные физических свойств грунтов, слагающих поверхностные слои откосов:

- естественная влажность (для откосов выемок);

- оптимальная влажность (для откосов насыпи);

, - пределы пластичности;

- влажность на границе усадки;

- объемная усадка (на пределе усадки).

Зерновой состав (количество песчаных, пылеватых, глинистых частиц).

Указанные данные позволяют быстро (в полевых условиях или в лаборатории на стадии проектного задания) определять простейшие показатели, необходимые для качественной оценки. К таким показателям относятся:

- коэффициент консистенции;

- коэффициент относительной влажности в пределе усадки.

Коэффициент консистенции В показывает, в каком состоянии (степень пластичности) будут находиться грунты поверхностных слоев при (естественной влажности), полученной в полевых условиях. При помощи этого показателя может быть осуществлен ориентировочный прогноз изменения консистенции грунта поверхностных слоев. Для этой цели определяют с учетом расчетной влажности, которой может обладать грунт в поверхностных слоях после набухания или оттаивания.

,

где - расчетная влажность, устанавливаемая в лаборатории (см. раздел "Определение расчетных параметров").

Коэффициент относительной влажности на пределе усадки позволяет классифицировать глинистые грунты по степени их усадочности. Для этой цели можно использовать зависимости , приведенную на рис. 1. По значению глинистые грунты подразделяют:

- на малоусадочные и безусадочные

;

- усадочные и среднеусадочные

;

- сильноусадочные

.

График (см. рис. 1) дает также возможность по значению определять величину и .

Наиболее опасными, с точки зрения развития сплывов и оплывин, являются грунты с . Для малоусадочных и безусадочных грунтов имеется вместе с тем опасность развития эрозионных деформаций.

На стадии качественной оценки должна быть определена глубина активной зоны h воздействия погодно-климатических факторов на грунты поверхностных слоев высоких откосов. Ее определяют по результатам наблюдений за деформациями откосов на ранее построенных и эксплуатируемых участках земляного полотна.

Ориентировочно за глубину активной зоны может быть принята глубина промерзания (рис. 2) или глубина высушивания, определяемая по формуле

м, (1)

где - величина испарения (см. Климатический атлас СССР);

а - показатель изменения объема глинистых грунтов при высушивании, а = 0,111;

- обобщенный показатель набухания и усадки глинистых грунтов,

, (2)

, - объем образца грунта соответственно после набухания и после усадки (по данным лабораторных испытаний).

Прогнозы вероятности развития деформаций, связанных с резким переходом глинистых грунтов в текучее состояние, осуществляют в зависимости от расчетных воздействующих факторов на основе сопоставления:

а) расчетной величины опасного набухания и свободного набухания (расчетный воздействующий фактор - набухание-высушивание);

б) расчетной влажности после оттаивания (с учетом предварительного набухания-высушивания) с влажностью грунта (поверхностного слоя) на пределе текучести (расчетный воздействующий фактор - промерзание-оттаивание).

Величину находят по формуле

, (3)

где - влажность грунта (поверхностного слоя) на пределе текучести;

- объемный вес скелета грунта (для выемок - по данным инженерно-геологических изысканий, для насыпей - плотность при оптимальной влажности и коэффициенте уплотнения, равном 0,85-0,9), ;

п - пористость грунта, соответствующая ;

G - коэффициент водонасыщения;

- объемный вес воды, .

Величину свободного набухания определяют в лабораторных условиях (см. раздел "Определение расчетных характеристик").

Если , то имеется опасность перехода грунта некоторой части поверхностного слоя в текучее состояние. Глубину слоя, который может перейти в текучее состояние, находят по выражению

 м, (4)

где Р - величина нормальных напряжений, определяемая по графику (рис. 3); при значении находят величину набухания при данном Р.

Величину определяют в лаборатории или ориентировочно, с учетом известной ранее величины и относительной величины морозного пучения f, принимаемой по табл. 1, по следующей формуле:

, (5)

где - коэффициент водонасыщения после оттаивания, равный .

Для определения мощности слоя, который может перейти в текучее состояние, на основе лабораторных испытаний или по формуле (5) строят график с учетом затухания величины набухания при увеличении значений нормальных напряжений Р (см. рис. 3).

Пример. По данным инженерно-геологических изысканий грунт после вскрытия откоса обладает следующими характеристиками:

; n = 0,425; ; ;

;

- грунт находится в текучем состоянии.

По графику (см. рис. 3) находим, что при ,

.

Толщина сплывоопасного слоя грунта равна

м.

Вероятность возникновения сплывов, оплывин и выносов при наличии водоносных горизонтов, которые выклиниваются в пределах активной зоны, устанавливают по данным инженерно-геологических изысканий.

Количественная оценка

Количественную оценку местной устойчивости проводят для уточнения принятой конструкции высоких (выше 12 м) откосов насыпей и сухих выемок, сложенных глинистыми грунтами, а также выемок глубиной не менее 3 м при наличии водоносных горизонтов. Расчетную схему и метод расчета назначают в зависимости от ожидаемых деформаций в поверхностных слоях откосов.

Для проведения расчетов необходимы следующие данные:

- конструкция откоса, назначенная на основе оценки общей устойчивости;

- глубина активной зоны - зоны активного воздействия погодно-климатических факторов в поверхностных слоях откоса (по длине его образующей);

- силы, действующие в пределах активной зоны откоса (в том числе и на его поверхность);

- расчетные значения прочностных характеристик грунта активной зоны угол внутреннего трения и сцепления c учетом ожидаемых воздействий основных погодно-климатических факторов (на что указывает индекс N).

Таблица 1

Ориентировочные значения величины относительного пучения f в зависимости от числа пластичности и расчетной влажности в зоне промерзания

W_т-W_p	Значения при влажности, %
	16	18	20	22	24	26	28	30	32	34	36
1	0,015	0,018	0,021	0,025	0,028	0,031	0,034	0,037	0,041	0,044	0,047
2	0,022	0,025	0,029	0,032	0,035	0,038	0,041	0,045	0,048	0,051	0,054
3	0,034	0,037	0,040	0,044	0,047	0,050	0,053	0,056	0,060	0,063	0,066
4	0,050	0,054	0,057	0,060	0,063	0,066	0,070	0,073	0,076	0,079	0,082
5	-	0,075	0,078	0,081	0,084	0,088	0,091	0,094	0,097	0,100	0,103
6		0,097	0,100	0,104	0,107	0,110	0,113	0,116	0,120	0,123	0,126
7			0,130	0,133	0,136	0,139	0,143	0,146	0,149	0,152	0,155
8			0,164	0,167	0,170	0,173	0,176	0,170	0,183	0,186	0,189
9				0,205	0,208	0,212	0,215	0,218	0,221	0,224	0,227
10				0,248	0,251	0,254	0,258	0,261	0,264	0,267	0,270

Примечание. Объемный вес скелета грунта принят равным 1,6 . Интенсивность пучения для других значений определяют по формуле

.

Количественная оценка необходима в случае проявления деформаций локального скольжения, пластического течения и выносов.

Расчеты по недопущению развития эрозионных деформаций не проводят в связи с назначением типа укрепления поверхности откосов уже на стадии качественной оценки.

Методы расчета и условия их применения

В основу количественной оценки местной устойчивости откосов с учетом возможности развития в пределах активной зоны деформаций локального скольжения или пластического течения положены следующие критерии:

1) недопущение полного нарушения устойчивости поверхностных слоев (в пределах активной зоны) откоса с образованием некоторой поверхности скольжения;

2) ограничение пластических деформаций в поверхностных слоях активной зоны.

Расчет по недопущению полного нарушения устойчивости

Расчет осуществляется по схемам:

1) единичного элемента;

2) единичного элемента с упорной призмой;

3) круглоцилиндрической поверхности скольжения.

1. По схеме единичного элемента следует оценивать степень местной устойчивости откосов насыпей, сложенных глинистыми грунтами.

Коэффициент запаса местной устойчивости определяют по формуле

, (6)

где , - расчетные значения угла внутреннего трения и сцепления при расчетной влажности с учетом погодно-климатических воздействий;

h - максимальная глубина активной зоны, м;

- угол наклона откоса к горизонту.

2. При оценке местной устойчивости откосов выемок из глинистых грунтов необходимо учитывать в расчетной схеме влияние упорной призмы. В этом случае коэффициент запаса местной устойчивости вычисляют по формуле

, (7)

где - коэффициент, равный ;

H - высота откоса или его яруса при заданном заложении, м;

- величина приведенного сцепления, ;

- коэффициент пассивного отпора, определяемый по формуле

; (8)

- угол сдвига, который находят по формуле

, (9)

- сопротивляемость грунта сдвигу с учетом воздействий погодно-климатических факторов, .

При заданном заложении откоса и его высоте (или высоте яруса) целесообразно определять безопасную длину откоса (до зоны предполагаемого выпора):

м. (10)

3. В случае использования в качестве расчетной схемы круглоцилиндрической поверхности скольжения в пределах активной зоны h коэффициент запаса местной устойчивости вычисляют по формуле

, (11)

где А и В - коэффициенты, принимаемые по графику (рис. 4) в зависимости от отношения и показателя заложения m.

Расчет по условию ограничения пластических деформаций

Степень обеспечения местной устойчивости по второму критерию выражают через коэффициент стабильности , представляющий собой отношение величины порога ползучести с учетом воздействий основных погодно-климатических факторов (промерзания - оттаивания, набухания - высушивания) к величине касательных напряжений, которые являются функцией крутизны откоса:

; (12)

, (13)

где - порог ползучести,

- часть общего сцепления, обусловленная наличием невосстанавливающихся связей;

- текущая координата рассматриваемого горизонта активной зоны h м от поверхности откоса по нормали к ней

Минимальное значение коэффициента стабильности устанавливают путем графического построения зависимости, точки которой вычисляют по выражению (13) для различных горизонтов z в зависимости от расчетных значений , на этих горизонтах, определяемых с учетом всех влияющих факторов, в том числе и напряженного состояния).

Приближенно минимальное значение коэффициента стабильности можно определить по формуле

. (14)

В тех случаях, когда еще нет данных о значениях , для сугубо ориентировочных расчетов рекомендуется формула

, (15)

где - значение угла внутреннего трения при расчетной влажности (но без учета погодно-климатических факторов). Условие отсутствия пластических деформаций соблюдается в любой точке активной зоны, если

Учет силового воздействия подземных вод

Силовое воздействие подземных вод для откосов выемок учитывают при наличии:

а) трещиноватых глинистых грунтов;

б) выклинивающихся горизонтов подземных вод на поверхность откоса

В первом случае местную устойчивость оценивают в предположении развития сплывов и оплывин в пределах активной зоны h при величине возможного напора

Коэффициент запаса определяют по следующим формулам, соответственно для единичного элемента и при учете пассивного отпора:

; (16)

; (17)

. (18)

Фиктивный угол внутреннего трения, входящий в выражение , вычисляют по формуле

, (19)

где - коэффициент сдвига;

- объемный вес грунта с учетом гидростатического взвешивания.

Безопасную длину откоса с учетом силового воздействия подземных вод определяют по формуле

м. (20)

Во втором случае местную устойчивость оценивают в предположении развития деформаций в виде выносов (при наличии в откосе выемки водоносных песчаных или супесчаных слоев или прослоек). Коэффициент запаса рекомендуется определять по формуле Н.Н. Маслова (Н.Н. Маслов. "Основы механики грунтов и инженерной геологии", М., 1968).

. (21)

Максимальный угол наклона участка откоса, в пределах которого возможно развитие деформаций в виде выносов, рекомендуется определять по формулам, предложенным Ю.А. Соболевским (Ю.А. Соболевский. Устойчивость откосов мелиоративных каналов", Минск, "Урожай", 1965):

а) для случая направления фильтрации вдоль поверхности откоса

; (22)

б) для случая выхода фильтрационного потока под углом к нормали откоса

; (23)

в) для случая фильтрации параллельно поверхности водоупорного слоя

. (24)

Требуемые минимальные значения коэффициентов запаса местной устойчивости при различных методах расчета приведены в табл. 2.

Таблица 2

Требуемые минимальные значения коэффициентов запаса

Метод расчета	Однородный сухой откос, сложенный глинистыми грунтами на прочном основании	Прочие случаи
Метод единичного элемента. . . . . . . . Метод единичного элемента с учетом пассивного отпора. . . . . . . . . . . . Метод круглоцилиндрической поверхности скольжения. . . . . . . . . . . . . . . Расчет по условию ограничения пластических деформаций. . . . . . . . .	1,25 - 1,5 1,0 (коэффициент стабильности К ) стаб	1,3 1,2 1,5 1,0 (коэффициент стабильности)

Определение расчетных характеристик

Для качественной и количественной оценки местной устойчивости должны быть определены следующие расчетные характеристики глинистых грунтов в поверхностных слоях высоких откосов:

- расчетная влажность;

- максимальная величина набухания;

- максимальная величина пучения;

, , - общее сцепление, невосстанавливающаяся часть сцепления и угол внутреннего трения при расчетной влажности с учетом циклических воздействий погодно-климатических факторов.

Расчетные значения максимальных величин относительного набухания и пучения, а также соответствующие им значения определяют:

для выемок на образцах (2-5) грунта с ненарушенной структурой, отобранных из глубины активной зоны расчетного контура откоса;

для насыпей на предварительно подготовленных путем искусственного уплотнения образцах при оптимальной влажности до плотности, равной 0,8-0,9 от стандартной.

Для определения образцы грунта помещают в приборы для набухания (целесообразно использовать приборы предварительного уплотнения); после первого набухания фиксируют по мессуре установившуюся деформацию набухания (мм) и вычисляют величину относительного набухания :

,

где - замер на мессуре, мм;

- исходная высота испытываемого образца грунта, мм.

Затем образцы грунта высушивают сначала на воздухе, при комнатной температуре, далее в термостатах до влажности на пределе усадки.

Значение может быть определено по графику (см. рис. 1). После высушивания образцы набухают повторно, для них определяют:

,

где - деформация набухания после первого высушивания.

Таким образом проводят несколько циклов набухания - высушивания. Как правило, максимальная величина относительного набухания соответствует второму или третьему циклам (по набуханию). Ее находят путем построения зависимости

,

где N - число циклов набухания-высушивания.

При определении (на стадии качественной оценки) мощности грунта, переходящего в текучее состояние, указанные испытания следует проводить под несколькими бытовыми нагрузками, максимальная из которых должна соответствовать величине нормальных напряжений от веса грунта в пределах всей мощности активной зоны.

Максимальную величину относительного морозного пучения определяют в специальных приборах, позволяющих промораживать грунт только сверху при постоянном подтоке воды снизу.

После каждого промерзания определяют

,

где - деформация пучения, мм;

- исходная высота образца грунта, мм.

Максимальное значение и соответствующее ему значение расчетной влажности находят после нескольких циклов (3-5) промерзания-оттаивания путем построения зависимости

,

где N - число циклов промерзания-оттаивания.

Сдвиговые параметры , , определяют по методике плотности - влажности, предложенной проф. Н.Н. Масловым.

Учет циклических воздействий погодно-климатических факторов осуществляют следующим образом.

Для малоусадочных, безусадочных и непучинистых глинистых грунтов поверхностных слоев откосов учитывают только увлажнение жидкими атмосферными осадками и водами снеготаяния. Сдвиговые испытания проводят по стандартной методике плотности - влажности с построением итоговых зависимостей: угла нвутреннего# трения и величины общего сцепления от влажности. Расчетные величины получают путем экстраполяции кривых до значений, которые соответствуют расчетной влажности.

Для усадочных, среднеусадочных, сильноусадочных, а также пучинистых грунтов (количество пылеватых частиц больше 50%) циклические воздействия (набухание - высушивание или промерзание - оттаивание) моделируют в лаборатории. Для каждой серии образцов, сдвигаемых по методике плотности - влажности, задают определенное число моделируемых циклов 1, 5, 10. Результаты обрабатывают путем построения сначала зависимостей сопротивляемости сдвигу от влажности при различном числе циклов, а затем зависимостей , от числа циклов при расчетной влажности в зоне сдвига.

В качестве расчетных принимают минимальные значения , , определяемые графически.

Подобную методику следует принимать только для наиболее ответственных земляных сооружений в сложных условиях.

В менее сложных случаях целесообразно использовать следующую методику. Сдвиговые испытания по методике плотности - влажности для каждого образца грунта осуществляют дважды: сначала производят обычный сдвиг, а затем разрезают образец по плоскости сдвига (фиксированная плоскость с искусственно разрушенной структурой), обе половинки ("плашки") соединяют вместе, прикладывают первоначальную вертикальную нагрузку в течение 2-5 мин и осуществляют повторный сдвиг ("плашка по плашке"). По результатам аналогично строят итоговые зависимости и от влажности по данным "плашковых" испытаний.

Величины и принимают в качестве расчетных при полученной ранее расчетной влажности, определенной по данным испытаний на набухание-высушивание или промерзание-оттаивание.

Величину находят как разность между величиной сопротивляемости сдвигу при расчетной влажности и величиной "плашковой" прочности при той же влажности.

, (25)

где - сопротивляемость сдвигу при расчетной влажности;

- то же, по результатам испытаний "плашка по плашке".

Все сдвиговые испытания проводят при нормальных напряжениях от 0,05 до 0,5 , на одноплоскостном сдвиговом приборе.

При сугубо ориентировочных расчетах для некоторых разновидностей пылеватых грунтов Западной Сибири расчетные значения и можно определять по выражениям

; ,

где и - нормативные значения угла внутреннего трения и сцепления, принимаемые по графику (рис. 5), в зависимости от коэффициента пористости грунта при расчетной влажности и влажности грунта на границе раскатывания ;

- коэффициент морозной чувствительности,

,

определяют по графику (рис. 6) в зависимости от числа пластичности.