КОЭФФИЦИЕНТ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСА – это число, которое показывает, во сколько раз силы, удерживающие откос от разрушения, больше сил, пытающихся разрушить откос.
Иными словами, коэффициент устойчивости откоса – это количественный показать, отражающий степень устойчивости откоса.
Коэффициент устойчивости откоса является расчетным показателем, и рассчитывается в ходе специальных геотехнических расчетов. При этом важно различать расчеты устойчивости скальных откосов и расчеты устойчивости откосов, сложенных дисперсными грунтами (песками, глинами, суглинками, супесями). Дело в том, что механизмы разрушения скальных откосов и дисперсных откосов несколько отличаются, поэтому и расчетные подходы используются разные.
Нормативная база расчета коэффициента устойчивости откоса
Нормативная база расчета коэффициента устойчивости откоса включает в себя следующие основные документы:
- СП 116.13330.2012 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения
- СП 436.1325800.2018 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от оползней и обвалов. Правила проектирования
- СП 248.1325800.2016 Сооружения подземные. Правила проектирования
- СП 342.1325800.2017 Защита железнодорожного пути и сооружений от неблагоприятных природных явлений. Правила проектирования и строительства
- СП 45.13330.2017 Земляные сооружения, основания и фундаменты
- ОДМ 218.2.006-2010 Рекомендации по расчету устойчивости оползнеопасных склонов (откосов) и определению оползневых давлений на инженерные сооружения автомобильных дорог
- ВСН 04-71/Минэнерго СССР Указания по расчету устойчивости земляных откосов
- СП 39.13330.2012 Плотины из грунтовых материалов
Возможные значения коэффициента устойчивости откоса
Коэффициент устойчивости откоса (Куст), рассчитываемый в ходе геотехнических расчетов, может иметь следующие значения:
Куст > 1
Если коэффициент устойчивости откоса выше единицы, это означает, что откос устойчив.
Куст ≈ 1
Если коэффициент устойчивости откоса приблизительно равен единице, это означает, что имеет место состояние предельного равновесия, это очень опасно, т.к. в любой момент может произойти разрушение откоса.
Куст ⥶ 1
Если коэффициент устойчивости откоса меньше единицы, это означает, что откос может разрушиться с высокой вероятностью, это крайне опасная ситуация, требуются немедленные действия.
Минимально требуемое значение коэффициента устойчивости откоса
С точки зрения проектирования объектов, совершенно недостаточно, чтобы коэффициент устойчивости откоса был просто выше единицы (без дополнительных условий), т.к. для обеспечения безопасность и надежности требуются определенные запасы прочности, поэтому нормативные документы устанавливают минимально требуемый коэффициент устойчивости откоса, который обозначается следующим образом [Куст].
Минимально требуемый коэффициент устойчивости откоса принимается в соответствии с СП 116.13330.2012 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения», и для каждого объекта имеет свое значение.
Заказчик имеет право корректировать минимально требуемый коэффициент устойчивости откоса в сторону увеличения. Мы рекомендуем ориентироваться на следующие значения:
[Kуст] = 1,3…1,5 – для основного сочетания нагрузок
[Kуст] = 1,1…1,25 – для особого сочетания нагрузок (например, включающего сейсмические воздействия).
Поверхность скольжения и коэффициент устойчивости откоса
Понятия «коэффициент устойчивости откоса» и «поверхность скольжения» неразрывно связаны, и не имеют смысла, если рассматривать их по отдельности.
Поверхность скольжения – это поверхность, по которой смещается оползневой грунтовый массив, иначе говоря – это та поверхность, по которой произойдет разрушение откоса.
Поверхностей скольжения может быть бесконечное множество, с практической точки зрения интерес представляет наиболее опасная поверхность скольжения, которой соответствует наименьший коэффициент устойчивости откоса. Именно эту поверхность скольжения и именно этот коэффициент устойчивости откоса необходимо определить в ходе геотехнического расчета.
Методы расчета коэффициента устойчивости откоса
Существует множество методов расчета коэффициента устойчивости откоса, которые можно условно разделить на две группы:
- традиционные методы теории предельного равновесия (метод Моргенштерна-Прайса, метод Шахунянца, метод Спенсера и др.)
- современные методы расчета, главный из которых – метод снижения прочностных характеристик (SRM – shear reduction method).
Основная проблема традиционных методов заключается в том, что инженер сам должен задать поверхность скольжения, т.е. в расчет закладывается большая субъективная составляющая, и точность расчетов во многом будет зависеть от опыта и знаний инженера. Расчетные программы позволяют автоматизировать и оптимизировать процесс расчета, однако опасность пропустить наиболее опасную поверхность скольжения остается.
Метод снижения прочностных характеристик является большим достижением в области геотехнических расчетов, т.к. наиболее опасная поверхность скольжения определяется в ходе расчета, причем одновременно с коэффициентом устойчивости откоса. Таким образом, метод SRM является объективным, достоверным и весьма надежным.
Справедливость всего вышенаписанного подкрепляется пунктом 6.1.16 СП 436.1325800.2018 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от оползней и обвалов. Правила проектирования»:
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, наряду с методами круглоцилиндрических поверхностей скольжения или различных модификаций метода отсеков, в состав расчетов должен быть включен метод снижения прочностных характеристик, реализуемый в рамках теории предельного равновесия или с использованием МКЭ с упругопластической моделью грунта.
Пример расчета коэффициента устойчивости откоса традиционными методами теории предельного равновесия грунтов
Пример расчета коэффициента устойчивости откоса современным методом снижения прочностных характеристик
Помимо метода снижения прочностных характеристик существуют и другие современные методы, например – Discontinuity layout optimization, но они менее апробированы, поэтому использовать нужно с осторожностью и только после изучения теоретических основ. Данный метод хорошо реализован в геотехнической программе LimitState:GEO. Метод DLO дает неконсервативную оценку коэффициента устойчивости, это нужно учитывать.
Пример расчета коэффициента устойчивости откоса современным методом Discontinuity layout optimization
Важно не противопоставлять различные методы расчета коэффициента устойчивости откоса, а использовать с пониманием тех особенностей, которые в них заложены. В нашей практике мы используем методом SRM как основной, а традиционные методы предельного равновесия как проверочные.
В заключении отметим еще одну особенность традиционных методов расчета коэффициента устойчивости откоса: в зависимости от конкретной реализации они дают количественно разный прогноз устойчивости откоса. В этой связи важно знать теоретические основы используемого метода расчета, чтобы правильно его применять.
Программы для расчета коэффициента устойчивости откоса
Поскольку расчет коэффициента устойчивости откоса – это крайне распространенная задача, то разработано множество расчетных программ в этом направлении.
Мы выполняем такие расчеты в лицензионном и сертифицированном программном комплексе Rocscience, это передовое расчетное ПО, в котором реализованы как традиционные методы предельного равновесия, так и инновационные численные методы.
Для неэкспертизных объектов мы используем бесплатные геотехнические программы с открытым исходным кодом: ADONIS, HYRCAN, OpenGeoSys и др.
В нашей стране популярны следующие программы, выполняющий данный расчет: PLAXIS, midas GTS NX, ZSoil, Rocscience, GEO5 и др.
Исходные данные для расчета коэффициента устойчивости откоса
Расчет коэффициента устойчивости откоса в большинстве случаев выполняется в плоской 2D постановке. Это означает, что необходимо подготовить расчетные сечения / разрезы / поперечники.
Для выполнения расчетов также необходимо предоставить отчет по инженерно-геологическим и инженерно-геодезическим изысканиям. Заметим, что для оползневых откосов прочностные характеристики грунта следует определять с учетом положений ОДМ 218.2.006-2010.
Кроме этого, необходимо в Техническом задании прописать нагрузки и воздействия, которые нужно учесть в расчетах. Сюда же входят нагрузки от существующих и проектируемых сооружений, расположенных вблизи откоса.
Последствия неправильного расчета коэффициента устойчивости откоса
Коэффициент устойчивости откоса необходимо рассчитывать, чтобы соблюсти требования Федерального закона от 30 декабря 2009 г. N 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».
В случае отсутствия расчетов или ошибок в расчетах может произойти разрушение откоса с катастрофическим последствиями. Подобные случаи, к сожалению, происходят постоянно, и одна из причин заключается именно в отсутствии расчетного обоснования. Непонимание всей серьезности данного вопроса может приводить к гибели людей, что совершенно недопустимо.
