Мурашко В.А. ПЗ (1216042), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Легко видеть, что при достаточном возрастании порового давления u величина σ - u может оказаться равной нулю, и тогда сопротивление грунта сдвигу τ будет определяться только сцеплением. Таким образом, вода снижает несущую способность грунта [18].

Важным фактором является также проявление фильтрационного давления грунтовых вод. Как известно, фильтрационное давление создается во всех случаях движения подземных вод. Где есть градиент, где наблюдается уклон поверхности свободного подземного потока или линии пьезометрического уровня для напорных вод, там есть падение напора. Падение напора вызывается преодолением сопротивления течению воды в грунте. Это сопротивление в виде реакции и создает фильтрационное давление. Обычно подземный поток течет в сторону поверхности склона. Понятно, что при этом толща, слагающая склон, испытывает фильтрационное давление, имеющее одинаковое основное направление с оползневым давлением. Следовательно, фильтрационное давление является одним из факторов - побудителей к развитию оползневых явлений.

Рис. 2.9 Наклонный пласт водонасыщенного грунта

Разберем действие фильтрационного давления для случая наклонного пласта грунта, залегающего на водоупоре, параллельном поверхности (рис. 2.9). 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.

Как известно из гидравлики, линии, перпендикулярные к линии тока, представляют собой эквипотенциальные линии, то есть во всех точках каждой такой линии вода поднялась бы в пьезометрических трубках до одного и того же пьезометрического уровня. Отсюда следует, что вдоль отрезков линий тока, проведенных между двумя эквипотенциальными линиями, будет наблюдаться одинаковая разность пьезометрических уровней, а, следовательно, и одинаковая разность напоров. В данном случае разность напоров Δh между двумя соседними эквипотенциальными линиями, например, ab и ed , будет равна разности отметок точек a и e , т.е. z_a - z_e . Следовательно, Δh = z_a - z_e . Соответствующая длина линии тока будет равна:

Δ l = Δh/ sin α = ( z_a - z_e)/ sin α. (2.18)

Таким образом, градиент окажется равным:

i = Δh/Δl = ( z_a - z_e) sin α/( z_a - z_e) = sin α. (2.19)

Но поскольку принято α = β _ф, то

i = sin β _ф. (2.20)

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

j _един. = i γ_ω = γ_ωsin β _ф. (2.21)

Общее давление на некоторый слой грунта объемом V будет равно:

j = Vj _един. = V γ_ωs in β _ф = V γ_ω sin α. (2.22)

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

Пусть поверхностью скольжения является кровля водоупора. Собственный вес грунта в объеме V с учетом взвешивания будет равен: P _в = ( γ - γ_ω ) V . Сдвигающая составляющая этого веса Q также направлена вдоль откоса книзу и равна: Q = P _в sin α , а нормальная к поверхности скольжения составляющая N = P _в cos α. Таким образом:

Q = ( γ - γ_ω ) V sin α ; N = (γ - γ_ω )V cos α. (2.23)

Общая сдвигающая сила равна Q + j , а удерживающая сила трения T = N tg φ (если в грунте отсутствует сцепление, в противном случае следует добавить силу cL ). Коэффициент устойчивости склона для слоя объемом V будет равен:

. (2.24)

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

. ( 2.25)

Следовательно, при насыщении откоса водой коэффициент устойчивости снижается в γ / ( γ - γ_ω ) раз, то есть во столько раз, во сколько вес скелета грунта в воздухе больше веса скелета с учетом взвешивания в воде.

Легко видеть, что ту же формулу коэффициента устойчивости можно получить, не рассматривая отдельно фильтрационного давления, а определяя сдвигающую силу исходя из объемного веса грунта γ (то есть веса скелета вместе с водой), а удерживающую силу трения - исходя из веса скелета с учетом взвешивания ( γ - γ_ω ):

. ( 2.26)

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).

Поскольку пьезометрический уровень, соответствующий какой-либо точке поверхности скольжения, находится на отметке пересечения с поверхностью депрессии эквипотенциали, проходящей через эту точку, то нейтральное (поровое) давление в этой точке равно γ_ω h (гдеh - пьезометрическая высота в данной точке) и направлено по нормали к поверхности скольжения. Следовательно, оно должно быть вычтено из нормального давления, создаваемого весом грунта, находящегося выше поверхности скольжения. Приближенно можно принимать, что пьезометрическая высота h в каждой точке поверхности скольжения равна вертикальному расстоянию между этой точкой и поверхностью депрессии. Это почти точно для пологих откосов (с крутизной меньшей, чем 1:2,5) и идет в запас устойчивости для более крутых откосов. Тогда учет действия воды в порах при расчете устойчивости может выполняться следующим образом. При определении нормального давления по поверхности скольжения от него отнимается величина, равная γ_ω h , а при определении сдвигающих сил учитывается полный объемный вес грунта без взвешивания (т.е. вес скелета плюс вес воды в порах). То есть опять приходим к методу взвешивания.

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

Первый способ учета действия грунтовых вод - метод использования величины гидродинамического давления. Заключается он в следующем:

- сдвиговые характеристики грунта в уровне поверхности скольжения принимаются для случая его водонасыщения ( c _в , φ_в);

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

- к величине сдвигающей силы добавляется величина гидродинамического давления j = V γ_ωsin β _ф.

Поскольку, как правило, к оползневому грунту приурочен грунтовый поток, разгружающийся вблизи основания склона, можно с некоторым приближением считать, что в пределах каждого отсека равнодействующая гидродинамического давления параллельна депрессионной кривой, а средний градиент напора в отсеке i_i = sin β _{ф i} , где β _{ф i} - угол наклона к горизонту хорды, соединяющей точки пересечения депрессионной кривой с границами отсека. То есть принимаем, что уклон кривой депрессии совпадает с наклоном равнодействующей гидродинамического давления. Положение депрессионной поверхности определяется по материалам инженерно-геологических изысканий и длительных наблюдений с помощью поропьезометров. По результатам экспериментальных данных [35] установлено, что направление грунтового потока в сторону напорного откоса приближается (стремится) к линии откоса, поэтому в пределе гидравлический градиент иногда может быть принят равным sin β , где β - угол наклона откоса к горизонту.

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.

Второй способ учета действия грунтовых вод - метод взвешивания. Заключается он в следующем:

- сдвиговые характеристики грунта в уровне поверхности скольжения принимаются для случая его водонасыщения (c _в , φ_в);

- 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 конкретном 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:

γ = γ _r (1 + 0,01 W )/(1 + e ). (2.27)

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

γ_бр = ( γ_r + γ_ωe )/(1 + e ) = γ _в + γ_ω = γ _ск + n γ_ω . (2.28)

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.)

Характеристики

Список файлов ВКР