МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СПОЛЗАНИЯ ГРУНТА СКЛОНА ЗЕМЛЯНЫХ ОТКОСОВ

Дюсембин Е. А., к.т.н.

Казахская академия транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева, Казахстан

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СПОЛЗАНИЯ ГРУНТА СКЛОНА ЗЕМЛЯНЫХ ОТКОСОВ

Исследование сползания земляных откосов было произведено в 1943 г. в ВНИИ ВОДГЕО С.И. Мигиным [1] методом центробежного моделирования. Опыты позволили выявить условия, при которых происходит обрушение откосов, и изучить форму и положение поверхностей сползания земляных масс.

Модели откосов были выполнены из сухого песка средней крупности и глины; опыты производились как без напора воды, так и при наличии напора.

На центрифуге были испытаны три песчаные модели, каждая с двумя откосами, которые делались, возможно, более крутыми. Высота профиля модели до опыта составляла 13 см, что соответствовало натуре 12,9 м. После вращения каретки в течение 5 мин., что соответствовало 34 суткам в условиях натуры, осадка модели составила 0,3 см (в натуре 0,3 м). Среднее значение угла наклона откоса к горизонту после опытов для всех трех моделей получилось равным 32°05', что лишь на 3% отличается от угла естественного откоса данного песка (33°06'), полученного в стеклянной банке (рис. 1).

1– до опыта; 2 – после опыта

Рис. 1 – Результаты испытания модели откоса

В процессе опыта ничто не указывало на сползание в откосах целых, хотя бы и малых, призм песка. Вместе с тем откосы сделались несколько положе, приняв более устойчивое положение. Поверхность их осталась плоской.

Откосы, сложенные из глины, обладающей значительным сцеплением, были подвергнуты центрифугированию в течение 1 часа, что соответствовало в натуре приблизительно 20 месяцам.

При этом откос крутизной 1:1, высотой 12 см (13,7 м) понизился на 1,9 см (2,16 м), а откос крутизной 1:3, высотой 10,4 см (13,2 м) – на 1,2 см (1,2 м). Обрушению откоса из глинистого грунта в большинстве случаев предшествовало образование трещин на гребне откоса, параллельных образующей откоса.

Обрушение откоса происходило одновременно по нескольким поверхностям скольжения, имеющим один и тот же характер. В большинстве случаев поверхности скольжения близки к круглоцилиндрическим, причем радиусы этих поверхностей увеличиваются по мере приближения их к поверхности откоса.

Из простых физических закономерностей вытекает, что в модели, которая меньше натурного объекта, напряжения, обусловленные силой тяжести, во столько раз меньше, чем в натуре, во сколько раз линейные размеры модели меньше натурных линейных размеров. Это приводит к существенному снижению нагрузки на грунт и искажению его поведения на модели в сравнении с натурой.

Чтобы избежать этого искажения, наиболее простым и радикальным средством является замена на модели действия силы тяжести другими силами, например, силами инерции. Наиболее удобной формой постоянных во времени сил инерции являются центробежные силы, возникающие при вращении. Именно эти силы и могут быть использованы при моделировании. В этом состоит физическая основа центробежного моделирования. Модель изучаемого объекта помещают в каретку, подвешенную к специальной цетрифуге. При вращении этой машины на модель в каретке действуют силы, которые можно увеличивать или уменьшать в зависимости от скорости вращения.

В центробежных машинах ВНИИ ВОДГЕО, МИИТ, ЦНИИС, МПС значительно усовершенствована конструкция привода, позволяющего осуществлять плавный пуск и плавную остановку машины, не вызывая вредных перегрузок, действующих отрицательно на результаты испытаний.

Современные центробежные машины, как, например, машины Днепропетровского института инженеров транспорта и Всесоюзного научно-исследовательского института ВОДГЕО, в настоящее время оснащены телевизионными установками, позволяющими осуществлять во время опытов передачу и прием результатов деформации модели и других процессов моделирования на экран и затем на кинопленку.

Изучение устойчивости откосов на моделях приобретает особый интерес, тем более что такое изучение может быть осуществлено сравнительно просто. При решении подобной задачи можно представить себе несколько путей.

Простейшим из них является проверка устойчивости так или иначе запроектированного откоса в данном однородном грунте. Здесь возможны два случая.

В первом случае испытание необходимо производить, пользуясь монолитом грунта с ненарушенной структурой, взятым на месте будущего сооружения. Этот монолит тщательно обрезается по форме каретки и вставляется в нее (в случае исследования устойчивости песчаных откосов песок насыпается в каретку и уплотняется центробежными силами в течение 30 мин). Щели между стенками и монолитом забиваются тем же грунтом, предварительно размельченным. Далее к монолиту подводится вода. Удобнее это сделать, отделив в каретке часть прочной металлической решеткой с сеткой, куда наливается вода до уровня, определяемого положением грунтовых вод. Таким образом, размеры модели в вертикальном направлении определяются необходимостью достижения грунтовых вод. Отсек каретки, наполненный водой, снабжается сливом для удаления избыточной воды при осадке грунта.

Капиллярное увлажнение монолита стабилизируется, монолит подвергают центрифугированию в течение времени, определяемого необходимостью стабилизации деформаций.

При любых опытах по моделированию на центрифуге следует избегать
быстрых изменений числа оборотов, так как быстрое изменение скорости вращения вызовет тангенциальные силы, искажающие рассмотренное выше силовое поле и могущие даже разрушить модель.

Сопоставляя значительное число экспериментов, удалось также установить и средний профиль обрушенного откоса, несколько отличный от прямолинейного (рис. 2). Отдельные обрушения дают обычно довольно неправильную картину, позволяющую в лучшем случае найти с точностью порядка нескольких градусов угол устойчивого откоса.

Необходимо отметить, что во многих случаях оказывается почти невозможным получить обрушение откоса и чаще всего наблюдаются оседание и оползание отдельных частей грунта, так что вся масса подвергается деформации скашивания.

а) сравнение среднего профиля

обрушения откоса с обычным откосом

б) обрушения откоса после

центрифугирования

Рис. 2 – Сравнение среднего профиля

обрушения откоса при воздействий центробежных сил

Приведем некоторые результаты опытного определения распорного давления песчаного грунта тс/м³ при рыхлом заложении) на вертикальный щит размером 220,2 м, в торце жесткой камеры с внутренними размерами 2,52,35 м [2;3]. Под щитом был оставлен слой песка 30 см. Щит с песком подвергался горизонтальному воздействию с поворотом в плане. С помощью специальных упоров осуществлялись независимые поступательные перемещения щита по осям х, у и поворотные на плоскости симметрии камеры, которые измерялись с точностью 0,01 мм. Интенсивности давления измеряли струнными динамометрами с ценой деления шкалы 0,003-4 располагались в трех вертикальных рядах.

Фундаментная плита, жестко присоединенная к стене, приводила к смягчению интенсивностей давления и выравниванию ординат, особенно в нижней части граней, где грунтовый массив получает перемещения, близкие к перемещениям корпуса. У щитовой стены наблюдалась тенденция к уменьшению модуля сопротивления среды при перемещениях порядка 0,005 Н.

Литература

1. Мигин С.И. Исследования оползня земляных откосов на моделях в центрифуге ВОДГЕО // Тр. лаб. гидротехн. сооружений. – М: Госстройиздат, 1939. – Вып. 1. (Основания гидротехнических сооружений). – С. 66-77.

2. Емельянов Л.М. Расчет подпорных сооружений: справ. пособие. – М.: изд. Стройиздат, 1982. – 288 с.

3. Толмачев К.Х. Автомобильные дороги. Специальные сооружения. – М.: Трансп., 1986. – С. 20.