УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ
Расчет устойчивости откосов земляных масс остается до сих пор наименее изученной и наиболее ответственной частью проектирования грунтовых гидротехнических сооружений. Первый значительный шаг в этом направлении был сделан Кулоном, который, исследуя работу подпорных стенок, установил, что поверхностью обрушения в песках является плоскость, и, исходя из этого положения, разработал метод расчета давления грунтов на подпорную стенку. В1916 г. шведские инженеры Петерсен и Гюлтин, исследуя работу морских набережных, обнаружили, что поверхности их обрушения в глинистом грунте криволинейны и могут быть приблизительно приняты цилиндрическими. В поперечном сечении эта поверхность дает примерно дугу круга. С этого времени началась усиленная разработка метода круглоцилиндрических поверхностей обрушения. Этот метод во всех вариантах является приближенным инженерным приемом оценки устойчивости откосов. При использовании этого метода необходимо удовлетворить три условия статики для предполагаемого к обрушению массива, однако количество неизвестных обычно больше трех и в зависимости от принимаемых допущений можно получить множество методов, известных в настоящее время.
Предпринимались попытки отказаться от круглоцилиндрической поверхности, заменив ее логарифмической спиралью или какойлибо плавной криволинейной поверхностью, но во всех этих случаях основное противоречие, когда количество неизвестных превышает количество уравнений, сохранялось, а расчеты усложнялись и создавались новые трудности теоретического характера. Постепенно в проектной практике остановились на предположении о круглоцилиндрической поверхности обрушения с довольно простыми допущениями, выдвинутыми в 30х годах К. Терцаги.
Иногда при решении задачи об устойчивости грунтовых откосов появляется необходимость расчета устойчивости по заранее установленной плоской поверхности скольжения (плотина с тонким глинистым экраном или, например, наличие прослойки слабого грунта в основании сооружения). Для этого случая кривая депрессиинерные приемы.
Метод расчета устойчивости по круглоцилиндрической поверхности обрушения . Предположим, что сползающий грунтовый массив обрушения в теле грунтовой плотины ограничен круглоцилиндрической поверхностью и разделен на отсеки обрушения вертикальными плоскостями (рис. 12.27). Расчет выполняется в
Поровое давление может быть вызвано давлением грунта лежащей выше толпш, давлением воды, фильтрацией или динамическими воздействиями (см. п. 12.3).
Учет порового давления в выражении (12.41) предложил В.А. Флорин. Величина включает сдвигающую составляющую фильтрационных сил, которая присутствует здесь косвенно, так как в числителе учитывается взвешенный в воде грунт, когда поровое давление равно вертикальной составляющей фильтрационных сил W$, а в знаменателе грунт, насыщенный водой.
Другими словами знаменатель формулы (12.41) можно представить в случае учета фильтрационных сил как
Фильтрационные силы площадь отсека. В этом случае, что и имеем в формуле (12.41).
Таким образом, при выводе выражения (12.41) использовались гипотеза «отвердевшего массива обрушения», так как предполагается, что весь массив обрушения движется вдоль поверхности обрушения как единое целое, не мен» своей формы.
Для определения коэффициента запаса устойчивости откоса необходимо выполнить цикл расчетов, задаваясь различным положением кривой обрушения и отыскивая такую кривую, которая даст минимальное значение кн. Поиск наиболее опасной кривой выполняют последовательно, задаваясь центрами дуги обрушения. Из каждого центра проводят несколько поверхностей и за основу сравнения выбирают такую поверхность, которая дает минимальный коэффициент запаса. Для различных центров строят графики ки (рис. 12.29, а). Если расчеты выполняются на ЭВМ, необходимо задаться полем центров скольжения (рис. 12.29, б). В каждом узле поля, варьируя радиус скольжения, находят kg При расчете на ЭВМ удобно воду принимать как материал с ср=0 и с=0, обращая внимание на то, чтобы кривая скольжения целиком располагалась в выбранной системе координат. Целью построения этих графиков является определение Aminmm. Допустимые значения Ащш min ПРИ нормальных условиях эксплуатации и особых сочетаниях нагрузок для плотин зависят от их класса.
Следует обратить внимание на то, что для плотин Ш и IV классов нормативные значения коэффициентов запаса невелики. Это объясняется тем, что в самих методах расчета (в силу допущений, которые идут в запас прочности), в методике назначения расчетных характеристик грунтов (чаще всего назначаются характеристики обеспеченностью 95 %) уже заложены существенные запасы.
Учет сейсмических сил в решении задачи об устойчивости плотины изложен в гл. 17.
Все расчеты устойчивости низового откоса обычно выполняют при уровне воды в верхнем бьефе на отметке НПУ, ФПУ и соответственно минимальном и максимальном уровнях воды в нижнем бьефе.
Расчет устойчивости верхового откоса выполняют при различных положениях воды в верхнем бьефе на отметке НПУ, УМО, от основания (Н глубина воды в ВБ), если такая схема возможна при производстве работ и эксплуатации плотины. Если уровень 1/3# является расчетным только в период наполнения водохранилища и не может держаться долго, то к нему применим критерий особых сочетаний нагрузок.
При расчете устойчивости верхового откоса интерес представляет случай быстрого снижения уровня воды в водохранилище. В этом случае в водохранилище образуется неустановившийся фильтрационный поток из тела плотины в водохранилище. Приближенно можно считать грунт выше уровня воды в водохранилище в водонасыщенном состоянии. О критерии, позволяющем различай) расчетные случаи при сработке водохранилища, см. [109].При предварительном назначении положения поверхности обрушения можно руководствоваться следующим:
а) если грунт основания прочнее грунта тела плотины, то поверхность обрушения может не захватывать основание;б) если грунт основания или прослойка грунта в основании менее прочны, чем грунт плотины, то необходимо стремиться, чтобы максимально возможная часть поверхности обрушения прошла через основание.
Проверка опасности вымывания и сползания (оплывания) части грунта по откосу. При вытекании (высачивании) фильтрующей воды на откосе плотины скорость фильтрации в точке высачивания А (рис. 12.30) направлена по касательной к линии депрессии (по откосу) и равна. В различных точках зоны высачивания АВ направление выходной скорости постепенно изменяется» становясь нормальной к откосу в точке В. Касательная составляющая скорости, остается постоянной, нормальная составляющая возрастает и теоретически к точке В достигает бесконечности (эпюра АВ, на рис. 12.30, о), а практически некоторого конечного значения.
Под уровнем воды на участке откоса ВС линии токов выходят нормально откосу со скоростями, меньшими скорости на участке высачивания, поэтому устойчивость частиц грунта на участке высачивания меньше, чем на подводном участке откоса.
Единичный объем несвязного фунта в точке М (см. рис. 12.31, а), находящийся под действием силы веса и удельного фильтрационного давления fj направленного под углом а к откосу, удерживается на откосе благодаря силе трения. Условие равновесия записывают (проектируя все силы на линию откоса) следующим образом:
В случае возведения плотины на проницаемом основании величина tgOi должна быть, по данным В.М. Шестакова, несколько меньше (примерно на 15%).
При увеличении угла а ниже точки А значение должно возрасти, но на откосе А будет уже не только фильтрационный поток, но и открытый поток с иными закономерностями.
Четкого решения для этих условий пока нет; практически можно пользоваться выражением (12.45), вводя лишь некоторый запас.
Для предотвращения оплывания откоса достаточно уложить наслонный дренаж. Этот дренаж практически всегда укладывают и из условия защиты от промерзания. Более радикально задача решается устройством дренажа в теле плотины, благодаря которому кривая депрессии вообще не выходит на откос.
Устойчивость откоса из связных грунтов, обладающих сцеплением между частицами, на участке высачивания обеспечена лучше.
Расчет устойчивости экранов плотин из связного грунта сводится к проверке возможности оползания:
1) защитного слоя из пористого грунта по экрану;2) самого экрана вместе с защитным слоем.
Проверка защитного слоя и экрана вместе с защитным слоем может быть выполнена по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения, проводимых внутри защитного слоя и внутри экрана.
Для случая тонких экранов проверку можно проводить по методу плоской поверхности скольжения.
Расчет защитного слоя ведут в предположении, что часть его ССДВ (см. рис. 12.30, б) весом может сползти по наклонной плоскости СД под действием составляющей веса чему препятствует сила трения и реакция призмы АС (У. Основание плотины обычно принимается прочным. Условие равновесия защитного слоя
Фактически отпор Ер призмы АСС (может быть определен по Понселе или Кульману [200]).
При расчете следует проверить наиболее опасный случай быстрого опорожнения водохранилища, когда вес защитного слоя, расположенного выше сниженного уровня воды верхнего бьефа, надо принимать как для насыщенного или полунасыщенного водой, а не взвешенного.
