Основные положения по расчету устойчивости откосов и склонов
Расчет устойчивости откоса и склона предполагает, во-первых, определение схемы наиболее вероятного разрушения, и, во-вторых, определение расчетного коэффициента устойчивости для этой схемы. Необходимость расчета устойчивости откоса и склона крайне часто возникает в инженерной практике. В данной статье описан современный подход к выполнению этого расчета, и приведены рекомендации для Заказчиков и инженеров.
Коэффициент устойчивости откоса (склона) – это отношение суммы всех сил, удерживающих откос в равновесии, к сумме всех сдвигающих сил, стремящихся вывести его из равновесия.
Коэффициент устойчивости подразделяют на:
– расчетный коэффициент устойчивость, который определяется в ходе геотехнических расчетов;
– нормативный (требуемый, допустимый) коэффициент устойчивость, который установлен нормативными документами.
Расчетный коэффициент устойчивости kst должен быть более или равен нормативному коэффициенту устойчивости [kst], определяемому согласно СП 116.13330.2012.
Из определения коэффициента устойчивости видно, что по результатам расчетов возможны четыре основных варианта:
Варианта №1
Значение коэффициента устойчивости выше единицы (kst>1) – это означает, что анализируемый откос или склон устойчив.
Вариант №2
Значение коэффициента устойчивости приблизительно равно единице (kst≈1) – это означает, что анализируемый откос или склон находится в состоянии предельного равновесия.
Вариант №3
Значение коэффициента устойчивости менее единицы (kst<1) – это означает, что анализируемый откос или склон не устойчив.
Вариант №4.
Вариант №4. По расчету склон не устойчив, а по факту – устойчив, или наоборот. Это особый случай, который подробнее рассмотрим ниже.
Порядок работ по оценке устойчивости откосов и склонов
Оценка устойчивости существующего и проектируемого склона должна включать:
- сбор и анализ исходных данных;
- выбор расчетных створов;
- составление расчетной схемы;
- выбор подходящего расчетного метода;
- выполнение расчета и анализ результатов;
- определение и построение эпюр оползневого давления;
- рекомендации по мероприятиям инженерной защиты.
Выполняя расчеты, следует учитывать следующие положения СП 436.1325800.2018:
- Расчетная модель должна быть максимально простой и содержать только существенные элементы. Следует избегать подробного моделирования микрорельефа поверхности земли, мелких геологических элементов или антропогенных образований.
- Количество расчетных сценариев должно быть минимизировано. Вместе с тем расчеты должны учитывать все наихудшие сценарии (сочетания нагрузок, геометрических и физико-механических условий) как на этапе строительства, так и на этапе эксплуатации в нормальных и особых условиях.
Исходные данные для расчета устойчивости склона
Для расчета устойчивости склонов и откосов необходимо построить расчетные сечения, которые в общем случае содержат следующую основную информацию:
- инженерно-геологический разрез;
- существующие и проектируемые сооружения;
- сведения о нагрузках на склон;
- гидрогеологические условия;
- существующие и прогнозируемые области распространения опасных инженерно-геологических процессов;
- расчетные величины прочностных и деформационных свойств грунтов, слагающих склон;
- расчетную величину сейсмичности.
Примеры расчетных сечений склона
Методы расчета устойчивости откосов и склонов
Согласно СП 116.13330.2012 нахождение коэффициента устойчивости склона (откоса) может производиться как с использованием традиционных методов теории предельного равновесия (с разбиением призмы оползания на отсеки или без оного), так и упругопластическими расчетами методом конечных элементов с использованием метода снижения прочностных характеристик.
В соответствии с пунктом 6.1.16 СП 436.1325800.2018 для сооружений классов ответственности КС-3 и КС-2 и грунтовых условий категории сложности III (СП 47.13330) расчеты устойчивости следует выполнять не менее чем двумя различными методами. В качестве обязательного в состав расчетов должен быть включен метод снижения прочностных характеристик, реализуемый в рамках теории предельного равновесия или с использованием МКЭ с упругопластической моделью грунта.
В первую группу расчетных методов входят:
- метод Феллениуса;
- метод касательных сил;
- метод Янбу;
- метод Бишопа;
- метод Моргенштерна-Прайса;
- метод Шахунянца;
- метод Спенсера.
Эти методы неплохо описаны здесь и здесь.
Важно заметить, что каждый из этих методов имеет свою ограниченную область применения. Причем есть методы, которые наши широкое применение в конкретной отрасли строительства, например — метод Шахунянца в железнодорожной отрасли.
Все эти методы имеют существенные недостатки, главный из них заключается в том, что поверхность скольжения задается, а не определяется в ходе расчета.
Пример расчета устойчивости склона методом Шахунянца
На сегодняшний день наиболее корректным методом расчета устойчивости откосов и склонов является метод снижения прочности, реализуемый с использованием метода конечных элементов и упругопластической модели грунта.
Данный метод позволяет наиболее точно составить расчетную модель, учесть практически любые условия строительства, точно определить схему разрушения и значение коэффициента устойчивости склона (откоса).
Недостатком этого метода являются повышенные требования к расчетчику, нужно иметь соответствующую подготовку в области численного решения задач геотехники.
Суть метода снижения прочности заключается в постепенном снижении сдвиговой прочности и угла трения , до тех пор пока вычисления не перестанут сходиться — такой момент считается моментом разрушения склона (откоса).
Примеры расчетов устойчивости склона методом снижения прочностных характеристик
Достаточно часто в ходе расчетов получается ситуация, когда по расчету склон не устойчив, а по факту устойчив. В этом случае следует руководствоваться пунктом 6.1.17 СП 436.1325800.2018:
«Если расчеты устойчивости по прочностным характеристикам из отчета инженерно-геологических изысканий не подтверждают наблюдаемую ситуацию, то для сооружений классов ответственности КС-1 и КС-2 (ГОСТ 27751) допускается уточнение прочностных характеристик грунтов методом «обратных расчетов». Для сооружений класса КС-3 необходимо выполнение дополнительных инженерно-геологических изысканий».
Выполнив расчет устойчивости откоса и склона, важно проанализировать результаты, и при необходимости назначить рекомендации по инженерной защите. При проектировании инженерной защиты важно выполнять геотехнический прогноз (оценку) влияния строительства сооружений инженерной защиты на окружающие объекты. А чтобы проектные решения по инженерной защите были оптимальными, необходимо выполнять геотехническое обоснование.
Расчет устойчивости откоса и склона – это достаточно сложный расчет, для правильного выполнения которого во многих случаях требуется проведение численного моделирования методом конечных элементов. Мы готовы выполнить этот расчет на высоком техническом уровне с полным сопровождением в экспертизе.