Предварительно намеченный профиль земляной плотины должен быть для средних и высоких плотин проверен на устойчивость откосов против оползания.
Предложено значительное количество приемов расчета земляных откосов против оползания: все они могут быть разделены на две группы.
В первую группу входят расчеты, устанавливающие очертание откоса, находящегося в состоянии предельного равновесия; всякое более пологое очертание откоса будет гарантировать его устойчивость с некоторым известным запасом; грунт при этом рассматривается однородным (изотропным), депрессионная поверхность грунтовых вод отсутствует *.
Во вторую группу входят расчеты, в которых учитывается различие в качестве грунтов плотины, основания, дренажа (считаемых также однородными каждый в своей области) и наличие депрессионной поверхности грунтовых вод.
Первая группа расчетных приемов проста по технике выполнения самих расчетов; вторая — сложна, расчеты ведутся длительным подбором. В производстве расчет устойчивости откосов чаще выполняется по второй группе, по-видимому, вследствие простоты расчетной схемы, которой, однако, по соответствует достаточная точность результатов расчета. Первая группа расчетных приемов менее принята в производстве, по-видимому, из-за сильных допущений, положенных в основу расчета: однако эти кажущиеся сильные допущения обычны в технике. Это обстоятельство дает основание расчетные приемы первой группы по точности результатов расчетов считать не уступающими приемам второй группы и заслуживающими использования в производстве предпочтительнее второй группы. Рассмотрение расчетных приемов начнем с первой группы.
Рассматривается плоская задача предельной устойчивости однородного грунта, при этом считается, что напряженное состояние массива грунта подчиняется гидростатическому закону распределения напряжении, т. е. на глубине h напряжение считается равным γh, где у — объемный вес грунта (первое допущение).
В таком массиве отыскивается очертание откоса предельной устойчивости; если по этому очертанию выполнить откос, то уравнение, по которому было построено его очертание в сплошном массиве грунта, сохранится и для случая откоса, т. е. для случая удаления грунта с правой стороны полученного очертания откоса на рисунке 14—1 (второе допущение).
Профессор Η. Н. Маслов предложил для очертания равнопрочного профиля откоса с коэффициентом устойчивости А = 1 следующее уравнение:
(14-1)
* В. В. Соколовский. Статика сыпучей массы. Изд. АН СССР, М., 1942; А. М. Сенков. Расчет устойчивости земляных масс. Доклад на совещании о путях развития механики грунтом. Лен. отд. ВПИТО строителей, Л., 1950. Η. Μ. Маслов. Некоторые новые принципы оценки степени устойчивости откосов и склонов. X научная конференция Ленинградского инженерно-строительного института. Тезисы докладов,
с — удельное сцепление грунта в m/м2;
φ — угол внутреннего трения грунта;
γ — объемный вес грунта в т/м3.
Более крутое очертание вызовет оползание откоса, более пологое с к>1 — устойчивое состояние откоса.
Недостатком расчетов равнопрочных откосов является отсутствие в них учета фильтрации, что вынуждает неявно компенсировать его введением повышенных значений коэффициентов устойчивости; вместе с тем эти расчеты просты и ясны, позволяют учитывать различие в геотехнических характеристиках грунтов.
Рис. 14—2. К расчету устойчивости откосов.
Грунты земляных плотин нет необходимости одинаково укатывать от основания до верха; нижняя часть плотины укатывается сильнее, грунт здесь укладывается плотнее; в среднем части плотность укатки несколько меньше, выше — еще меньше. Каждому такому слою грунта свойственны свои геотехнические характеристики.
Расчет устойчивости земляных откосов во круглоцилиндрическим поверхностям скольжения является приближенным приемом расчета, и степень устойчивости в нем оценивается отношением момента удерживающих сил к моменту сдвигающих относительно некоторой произвольно выбранной точки. Задача рассматривается как плоская, действующие силы — вес грунта в области скольжения, силы трения и силы сцепления — условно переносятся на поверхность скольжения, гидродинамическая сила фильтрационного потока учитывается как объемная. Ввиду произвольности выбора центра моментов приходится расчет вести для нескольких центров и принимать тот, для которого получается меньший коэффициент устойчивости.
Рассматриваемый способ расчета устойчивости откосов дает в большинстве случаев заниженные значения коэффициентов устойчивости (запаса) откоса.
Расчет заключается в следующем. Проводят одну из предполагаемых поверхностей скольжения радиусом Н (дуга АСD) на рис. 14—2); область, ограниченную поверхностью скольжения и внешним очертанием плотины, разбивают на отсеки шириной b—0,1R, размещая нулевой отсек под центром дуги и далее относительно центра кривизны дуги скольжения; составляют уравнение моментов сил, действующих на отсеки.
Действие фильтрационного потока, выклинивающегося па откос, в этом способе выражено внешней силой в виде эпюры давления BMNCC'В, ординаты которой нормальны к дуге скольжения (рис. 14—4). Равнодействующая этих сил давления проходит через центр окружности скольжения; тем самым ее момент относительно этого центра равен нулю.
Рис. 14—4. Расчетная схема к способу Р. Р. Чугаева.
В порах глинистых грунтов тела плотины и основания под влиянием приложенных внешних сил и собственного веса в процессе уплотнения грунта возникает давление (поровое давление консолидации). По СН и П Н-И. 4—62 это давление следует учитывать при расчете устойчивости откосов и осадки в земляных плотинах высотой свыше 25 м.
§ 14—3. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ЯДРА НАМЫВНЫХ ПЛОТИН
Расчет устойчивости ядра при очертании внешней призмы по трапеции методом, разработанным проф. Μ. М. Гришиным и инж. Б. Н. Федоровым, ведут при следующих допущениях:
- материал внешней призмы не обладает сцеплением;
- очертания ядра и внешней призмы прямолинейны;
- можно пренебречь гидродинамическими силами во внешней призме;
- материал ядра действует как тяжелая жидкость;
- материал основания обладает несущей способностью, не меньшей, чем материал внешних призм;
- поверхность возможного скольжения внешней призмы — плоскость1.
Проведем плоскость скольжения ОА (рис. 14—5); для устойчивости внешней призмы необходимо: 1) чтобы было соблюдено равновесие следующих сил: Р — давления ядра, Q — веса призмы и R — реакции на плоскости скольжения, откуда можно найти величину угла φ между R и нормалью к ОА\ 2) чтобы угол внутреннего трепня грунта призмы был больше φ.
Μ. М. Гришиным и Б. Н. Федоровым составлены графики (рис. 14—5) для отыскания угла скольжения φ в зависимости от заложений откоса
ряда т0, внешнего откоса плотины т и от величины отношений
, где γ, — объемный вес грунта внешней призмы, γ — объемный вес ядра.
В тех случаях, когда несущая способность грунтов внешней призмы больше, чем грунтов основания, расчет устойчивости ведут, как для укатных плотин.
14-4. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ЭКРАНА
Считается, что устойчивость экрана против сползания его по откосу будет обеспечена, если проекция на горизонтальное направление сдвигающей силы будет меньше суммы проекций на горизонталь силы трения и силы отпора грунта призмы abc (рис. 14—6).
1 Μ. М. Гришин. Гидротехнические сооружения, т. 1. Стройиздат, М., 1947.
Пренебрегая отпором грунта по плоскости cb (что увеличивает запас расчета), можно считать, что сдвигающая экран сила равна Т = Q sin θ,
Поверку устойчивости экрана и верхового откоса следует производить покривим скольжения (как и для низового откоса); при этом наиболее опасным случаем будет быстрое снижение уровней водохранилища, вызывающее появление гидродинамических сил, действующих на экран со стороны плотины.
