14.3.5. Основные принципы определения требуемого контура откоса в сложных условиях

Вышеприведенные графики могут быть использованы также для построения контуров откосов первоначального рабочего профиля в неоднородных грунтовых условиях с последующим поверочным расчетом по принятой (одной из приводимых ниже) расчетной схеме.

В пределах каждого слоя предельные заложения уступов и ширина берм определяются, как показано в примере 14.2, соответственно по рис. 14.10 и 14.11. Контуры предельных откосов строятся по рис. 14.8 исходя из условия, что заложение откоса толщи, залегающей над подошвой каждого n-го слоя, должно быть не меньше заложения предельного откоса, построенного по характеристикам n-го слоя на всю высоту от подошвы до поверхности земли.

При неоднородном сложении грунтового массива, при необходимости учета фильтрационного и сейсмического воздействия и при нагрузках на поверхности грунта, превосходящих h₀γ_I [см. формулу (14.2)], требуемый контур (профиль) откоса отыскивается методом последовательных приближений. Первоначально задаются некоторой его конфигурацией и при необходимости размещением выбранных удерживающих и других защитных сооружений. При этом следует руководствоваться материалами и данными инженерно-геологических и гидрогеологических условий склона или откоса. Должны также учитываться требования по использованию территории, содержащиеся в задании на проектирование.

Для проверки правильности принятого решения по конфигурации откоса и размещения на нем защитных сооружений выполняются расчеты, которые ведут по выбранным характерным поперечникам, отражающим все особенности поверхности, геологического строения грунтового массива, гидрогеологических условий, свойств грунтов, характера и ориентации поверхностей ослабления в грунтовом массиве, трещиноватости. На поперечники наносят принятые профили откоса и проверяют возможность возникновения в грунтовом массиве предельного состояния по потере устойчивости грунта па сдвиг по разным расчетным поверхностям.

При первоначальном выборе очертания откосов учитываются все указанные выше особенности природных условий, а откосы и площадки уступов подбираются на основе рекомендаций, приведенных в п. 14.1, и с использованием рис. 14.10 и 14.11. При наличии в толще грунтового массива слабых прослоек можно использовать рис. 14.8, позволяющий установить предельный контур откоса над слабой прослойкой по его характеристикам. Расчетные поверхности предполагаемого сдвига намечаются с учетом обнаруженных при изысканиях ослаблений в грунтовом массиве (например, поверхностей смещения оползней, трещиноватости, зон тектонических нарушений) и других инженерно-геологических особенностей. Расчетные поверхности должны пересекать грунтовой массив как на отдельных участках, так и по всей его высоте до подножия, проходить по подошве и ниже подошвы удерживающих сооружений, Поверхности, проводимые в более прочном грунте, залегающем на менее прочном, должны захватывать также и подстилающий слой. При значительной прочности слоя, залегающего на слабом грунте, должна учитываться возможность образования в верхнем слое трещин. Рассматриваемые поверхности имеют плоское или ломаное очертание с плоскими или криволинейными участками и, как правило, с общим уклоном в сторону откоса. В частных случаях, когда в грунтовом массиве имеются ослабленные поверхности, которые могут быть аппроксимированы плоскостями, рассматриваются плоские поверхности, а при отсутствии таких плоскостей — круглоцилиндрические поверхности.

На рассматриваемых поверхностях проверяется условие устойчивости, вытекающее из формул (14.1) и (14.3) и приобретающее вид соответственно принятой расчетной схеме, или определяется коэффициент устойчивости против сдвига части грунтового массива, отсекаемого рассматриваемой поверхностью (отсека грунтового массива). Если на какой-нибудь поверхности условие устойчивости не соблюдается или коэффициент устойчивости окажется меньше требуемого его значения, то следует изменить выбранную конфигурацию откоса, усилить удерживающие или применить другие сооружения. Если в условии устойчивости соблюдается неравенство (коэффициент устойчивости больше нормируемого значения), то также допускается изменение профиля в сторону увеличения крутизны откоса или облегчение защитных сооружений (когда это технически возможно и экономически целесообразно). Такой подбор профиля откоса продолжается до соблюдения в условии устойчивости равенства или требуемого значения коэффициента устойчивости.

В основе расчета рекомендуется принимать метод вертикальных элементов, при котором отсек грунтового массива, ограниченный откосом и поверхностью, рассматриваемой в качестве поверхности сдвига, делится вертикальными отрезками на ряд элементов таким образом, чтобы можно было принимать основание каждого элемента плоским и прочностные характеристики на нем постоянными. Устойчивость отсека грунтового массива выявляется из рассмотрения условий предельного равновесия его отдельных элементов и всего отсека в целом. В некоторых частных случаях целесообразно вместо вертикальных границ между элементами принимать наклонные, но суть расчета при этом не меняется. Следует также учитывать, взвешенное состояние водоносных грунтов, залегающих ниже депрессионной поверхности.

Фильтрационное воздействие учитывается введением в расчет дополнительной горизонтальной объемной силы Р_ω, определяемой по формуле

где γ_ω и I — соответственно удельный вес воды, кН/м³, и уклон фильтрационного потока, принимаемый равным уклону депрессионной поверхности в пределах водоносной части рассматриваемого отсека грунтового массива.

Отсюда равнодействующая горизонтальных фильтрационных сил в i-м элементе P_ωi кН, определяется по формуле

где h_ωi — средняя высота обводненной части i-гo элемента, м; ∆h_ωi — разность отметок депрессионной поверхности на границах элемента.

Сейсмическое воздействие учитывается введением в расчет в пределах рассматриваемого отсека грунтового массива дополнительных горизонтальных объемных и сосредоточенных (или распределенных на каком-то участке) сил. Дополнительные горизонтальные объемные силы определяются путем умножения удельного веса грунта и сил фильтрационного давления на коэффициент K_hf. Дополнительные сосредоточенные (или распределенные на каком-то участке) горизонтальные силы определяются умножением веса подземных конструкций и сооружения на коэффициент K_hf. Значения K_hf — коэффициента, учитывающего сейсмическое воздействие на сдвигающийся отсек грунтового массива, рекомендуется принимать равными 0,05, 0,075 и 0,15 соответственно для расчетной сейсмичности 7, 8 и 9 баллов.

Равнодействующая сила веса грунта и подземных конструкций G_i (с учетом взвешивания и нагрузки на поверхности) и горизонтальной силы сейсмического воздействия, кН, в i-м элементе определяется по формуле

Равнодействующая веса воды в объеме между поверхностью подземных вод и основанием G_ωi и горизонтальной силы сейсмического воздействия в i-м элементе, кН, вычисляется по выражению

Равнодействующая горизонтальных фильтрационных сил P_ωi с учетом сейсмического воздействия в i-м элементе, кН, находится по зависимости

Угол между нормалью к основанию i-го элемента и направлением действия сил G'_i и G'_ωi, град, определяется следующим образом:

где ρ_hf — угол отклонения силы G'_i (G'_ωi) от вертикали, град, равный arctgK_hf; α_i — угол между нормалью к основанию i-гo элемента и вертикалью (имеет положительное значение при нисходящей подошве элемента и отрицательное — при восходящей подошве), град.

Все расчетные формулы приводятся в общем виде с учетом сейсмического и фильтрационного воздействия. При отсутствии сейсмичности K_hf = 0; при отсутствии фильтрационного воздействия P_ω = 0 и G_ω = 0.