Архивный экспертный контент и серьезный риск: в статье сохранены исторические сведения об устойчивости склонов, символы, формулы и диаграммы из оригинального текста. Это не геотехническое исследование, проект земляных работ или насыпи, расчет устойчивости, план дренажа, оценка оползней или рабочие инструкции. Неустойчивый склон может внезапно похоронить людей, здания и дороги; обнаруженные трещины, вздутия, мутная вода, внезапное проседание или смещение следует рассматривать как повод для ухода из опасной зоны и срочного проведения профессиональной экспертизы.
Саво Кусич сегодня специализируется на деревянных окнах, дерево-алюминиевых окнах, окнах на заказ, дверях и запросах цен. Эта статья остается в качестве технического архива и не представляет собой предложение геотехнического проектирования, надзора или выполнения земляных работ.
При возведении земляных сооружений, таких как выемки, насыпи и каналы, последние откосы иногда обрушиваются. А естественный склон без искусственных сооружений может двигаться внезапно и с большой силой или очень медленно. Эти явления уже давно являются предметом геологических и геомеханических исследований с целью оценки устойчивости исходя из физических характеристик грунта и условий каждого отдельного случая.
Причины движения земных масс
Условием устойчивости любого грунта, будь то искусственный земляной объект или природный грунт, является наличие баланса между внешними силами и внутренним сопротивлением грунта. Внешние силы — это, прежде всего, собственный вес почвы, который обычно является единственной внешней силой, за которой следует любая другая внешняя нагрузка, действующая на склон, постоянная или движущаяся. Внутреннее сопротивление состоит из сцепления и трения в связанном грунте и только трения в несвязанном грунте.
Рис. 1. Склон насыпи из рыхлого грунта
Если мы увидим насыпь высотой h, выполненную из полностью рыхлого грунта, например сухого утрамбованного песка, то определим, что уклон этой насыпи наклонен под углом β к горизонту (рис. 1). Размер угла β зависит от нескольких факторов, таких как размер зерна, форма зерна и уплотнение. Если увеличить высоту насыпи h до h1, h2 и т. д. тем же несвязанным материалом того же уплотнения, то угол β не изменится, уклон насыпи останется прежним до неограниченной высоты h. Для данного рыхлого грунта естественный угол уклона β не зависит от высоты уклона h. Величина угла β для несвязанного грунта зависит от угла внутреннего трения грунта φ и считается несколько меньшей его или равной ему, β ≤ φ.
Рис. 2. Откос для резки связанной почвы
Если мы посмотрим разрез, сделанный в связанном грунте, мы обнаружим, что наклон разреза сохраняется под более сильным уклоном 1:m, т.е. под большим углом β из-за того, что внутреннее сопротивление связанного грунта увеличивается за счет сцепления, которого нет в сухом песке (рис. 2). В некоторых типах грунтов, например в сухом лёссе, сцепление может увеличить внутреннее сопротивление до такой степени, что почву можно будет удерживать вертикально срезанной стороной, т.е. под углом β = 90°. Однако если мы увеличим высоту среза h в связанном грунте до h1, h2 и т. д., угол наклона откоса среза β необходимо уменьшить, чтобы сохранить устойчивость уклона. Для каждого угла наклона β уклона выемки в данном ограниченном грунте существует одна критическая высота hc. Если мы превысим эту высоту, скат AB не удержится в равновесии и будет скользить по поверхности скольжения CD (рис. 3). Скольжение произошло из-за нарушения баланса между внешней силой, собственным весом земляной массы и внутренним сопротивлением, которого уже не хватало, чтобы противостоять возросшей внешней силе, т.е. возросшему весу грунтового массива, вызванному увеличением высоты откоса h.
Рис. 3. Склон, скользящий по связному грунту
Из вышеизложенного следует, что угол естественного уклона грунта не может быть принят как постоянная величина для данного грунта, так как его значение при всех остальных условиях зависит от высоты уклона и уменьшается с увеличением этой высоты. Однако для откосов небольшой высоты его часто принимают как постоянную величину, зависящую от угла внутреннего трения грунта φ.
Нарушение равновесия может возникнуть и без увеличения высоты среза h, например, при уменьшении внутреннего сопротивления почвы. Элементы внутреннего сопротивления связанного грунта — сцепление и трение — весьма изменчивы и зависят от количества воды в грунте. Поэтому во многих случаях причиной скольжения является перенасыщение водосвязанного грунта, которое может быть настолько велико, что грунт уже не в состоянии поддерживать себя ни под каким уклоном, а сползает под действием собственного веса.
Рис. 4. Скольжение грунта за счет образования поверхностей скольжения
Существуют различные случаи скольжения грунта из-за уменьшения внутреннего сопротивления, из которых мы упомянем здесь несколько характерных.
Образование поверхностей скольжения
Если на склоне ниже поверхностного слоя водопроницаемого грунта (рис. 4a) имеется непроницаемый слой глины (рис. 4a), или если в слое глины имеется наклонный слой песка (рис. 4b), в который могут проникать атмосферные или поверхностные воды (например, из заброшенной дренажной канавы), могут возникнуть оползни. Большее количество воды проходит через проницаемый слой к слою глины, который сильно смачивает, уменьшая его сопротивление на поверхности, где верхний слой скользит.
Нарушение баланса при порезе
Выемка срезов при строительстве железных и автомобильных дорог нарушает прежнее состояние равновесия, поскольку в профиле среза грунт остается без опоры и имеет тенденцию смещаться вниз под действием силы тяжести. Состояние равновесия можно поддерживать, если внутреннее сопротивление грунта достаточно велико, чтобы противодействовать этой тенденции, что также возможно, когда срезаемый грунт состоит из сильно наклоненных в сторону среза слоев.
Рис. 5. Скольжение местности из-за врезания в слоистый грунт
Однако, если слои водопроницаемого и водопроницаемого грунта разрезаются попеременно (рис. 5), существует вероятность вымывания водопроницаемого грунта и намокания непроницаемого грунта, на котором может произойти проскальзывание.
Неоднородность почвы
Тонкие слои непроницаемого материала в насыпи из водопроницаемого грунта, так называемые глиняные линзы (рис. 6), также могут стать причиной проскальзывания, если к ним попадает большое количество воды и образуется скользящая поверхность.
Рис. 6. Случай оползня насыпи из-за неоднородного состава
Эффект мороза
Под действием мороза вода скапливается в поверхностном слое в виде ледяных линз. При таянии линзы льда превращаются в воду, которая перенасыщает почву на глубину действия мороза, в результате чего она превращается в жидкую массу и теряет устойчивость.
Этот случай встречается только в морозоопасных почвах и при большей продолжительности морозов, так как для образования ледяных линз требуется много времени.
Понижение уровня грунтовых вод
При постоянном понижении уровня грунтовых вод, например, из-за проведения работ в земле, почва пересыхает и, если это глина, имеющая большое набухание, появляются трещины. В них попадает большее количество поверхностных и атмосферных вод, смачивая почву и снижая ее внутреннее сопротивление, что также может привести к оползням.
Известно также множество других случаев оползня местности, поэтому можно считать, что любой связный грунт может при определенных обстоятельствах в большей или меньшей степени потерять свое внутреннее сопротивление и под действием внешних сил прийти в движение.
Несвязный грунт устойчив до тех пор, пока угол наклона склона меньше угла внутреннего трения грунта. При этом типе грунта скольжение происходит только в том случае, если угол наклона больше угла внутреннего трения. Однако если насыпь сделана из несвязанного материала на глинистом грунте, глинистый грунт может сползти и обрушиться насыпь, и необходимо проверить устойчивость.
Проверка устойчивости земляных откосов
Форма поверхности скольжения
Условие баланса между внешними силами и внутренним сопротивлением грунта было задано Кулоном с помощью его уравнения
τ ≤ c + σ tgφ
где τ — напряжение сдвига грунта, c — сцепление, σ — нормальное напряжение на поверхности скольжения, φ — угол внутреннего трения.
Если внутреннее сопротивление грунта, сцепление c и трение σ tgφ недостаточны, чтобы противостоять сдвиговому напряжению грунта, скольжение происходит по поверхности скольжения внутри грунта. Существуют разные формы поверхностей скольжения, которые зависят от физических свойств почвы, наслоения, влажности, внешней нагрузки и других факторов.
Следующие типичные раздвижные корпуса различаются в зависимости от положения:
Рис. 7. Типичные случаи оползней
a) Скольжение вертикальных сторон разреза. В случае каналов водоснабжения, канализации и т.п., выкапываемых с вертикальными бортами (рис. 7a), при превышении критической высоты hc, зависящей от физических свойств грунта, происходит скольжение по поверхности ADC. Эти скольжения обычно происходят не по всей длине русла, а носят локальный характер, что объясняется неравномерной прочностью грунта на сдвиг.
b) Частичные сдвиги (рис. 7b). Эти оползни часто появляются весной на железнодорожных и автомобильных выемках и являются результатом перенасыщения почвы водой.
c) Склон скользит ночью (рис. 7c). Это скольжение всего откоса выемки или насыпи к опоре С.
d) Скат, скользящий под ногами (рис. 7d). Это скольжение всего откоса выемки или насыпи и грунта под фундаментом. Эту горку еще называют трещиной земляного полотна или шведской трещиной, по имени шведов, которые впервые ее описали.
Что касается формы поверхности скольжения, то можно утверждать только, что поверхность скольжения в связанном грунте не прямая, а изогнутая. Некоторые авторы принимают в качестве формы поверхности скольжения дугу окружности (Феллениус), логарифмическую спираль (Рендулич) или комбинацию этих изогнутых линий (Бринч Хансен).
Влияние фильтрации воды на устойчивость склона
При наличии внешней воды с уровнем N1 (рис. 8) перед откосом, в грунте за склоном возникает течение воды, что вызывает внутреннее давление воды в порах, в результате чего уменьшается трение между твердыми частицами и увеличивается напряжение сдвига в грунте.
Если уровень воды N1 перед склоном постоянный, то столб воды H*γW вызывает давление воды в порах почвы, что уменьшает трение между твердыми частицами, в результате чего увеличивается опасность оползня склона. Однако при постоянном уровне N1 давление столба воды H*γW выталкивает твердые частицы внутрь грунта, благодаря чему в некоторой степени снижается опасность оползня склона. В этом случае при постоянном уровне воды N1 перед откосом возникает опасность оползня нижнего откоса, поскольку под действием фильтрации воды в почве твердые частицы выталкиваются наружу от нижнего откоса.
Рис. 8. Влияние фильтрации на устойчивость грунтового откоса
Если внешний уровень воды резко упадет с уровня N1 до N2, то устойчивость верхнего склона окажется под угрозой. В этом случае внутренняя вода течет по порам к внешней стороне склона верхнего бьефа, выталкивая твердые частицы в эту сторону.
Поэтому, если грунтовый откос погружен в воду, при проверке устойчивости откоса также следует учитывать эффект фильтрации воды.
Эффект фильтрации воды в почве зависит от нескольких факторов, наиболее важными из которых являются проницаемость почвы, гидростатическое давление внешней воды, скорость снижения уровня внешней воды и однородность почвы.
Если предположить, что насыпь на рис. 8 однородно-изотропной массы, под действием гидростатического давления внешней воды уровня N1 вода будет течь в порах насыпи в направлении нижнего откоса, при этом уровень грунтовых вод в насыпи будет уменьшаться по мере пройденного пути. Если ввести в насыпь пьезометрические трубы AA’, BB’ и CC’ (рис. 9), то поровая вода под действием гидростатического давления будет поступать в эти трубы и подниматься до уровня N1, который может быть одинаковым во всех трубах, если точки A, B и C выбраны так, что высоты столба воды в трубах равны h1, h2 и h3.
Рис. 9. Линии эквипотенциала и тока
Если обозначить через h высоту уровня воды N1 относительно некоторой произвольно выбранной плоскости О-О, то потенциал h для всех точек 3, A, B и C одинаков. Линия, соединяющая эти три точки, называется эквипотенциальной линией. Грунтовые воды в почве не могут течь по этой линии, а только в направлении точек с более низким потенциалом.
Аналогичным способом можно выделить в одной массе точки D, E и F с меньшим потенциалом h ― Δh. Линия, соединяющая эти три точки, является эквипотенциальной линией потенциала h ― Δh. Поток воды от точки A эквипотенциальной линии ABC до некоторой бесконечно близкой точки D эквипотенциальной линии DEF будет существовать в направлении наибольшего гидравлического падения imax, т.е. в направлении наименьшего расстояния Δlmin = AD. Это означает, что линия AD, по которой течет вода, перпендикулярна обеим эквипотенциальным линиям, поскольку
imax = Δh / Δlmin
где Δlmin перпендикулярен обеим эквипотенциальным линиям. Эти нормали к эквипотенциальным линиям представляют собой направления потока воды в проницаемой массе и называются линиями тока. Совокупность эквипотенциальных и токовых линий, взаимно перпендикулярных друг другу, образует проточную сеть.
Проточные сети имеют различную форму в зависимости от массовой проницаемости. Наиболее распространенным случаем является насыпь из проницаемой массы на непроницаемом грунте, т.е. на грунте, который можно сделать непроницаемым (рис. 10). В этом случае, если внешний уровень воды постоянен, линии тока находятся в средней части параболы.
Рис. 10. Сеть потоков в проницаемой насыпи на непроницаемом грунте
На верхнем склоне параболы соединяются с линиями, перпендикулярными склону, что представляет собой эквипотенциальную линию, поскольку при постоянном уровне N1 вода не стекает по склону. При нисходящем уклоне параболы заканчиваются по касательной к наклону, который не является ни эквипотенциальной линией, ни линией тока. Поверхность непроницаемого грунта под насыпью представляет собой линию тока, поскольку вода у дна насыпи течет параллельно этой поверхности. В верхней части сеть потоков заканчивается основной параболой, называемой «линией просачивания», которая представляет собой границу почвы, находящейся под действием фильтрации. Ниже этого предела почва находится под действием гидростатического давления внешней воды H*γW, а выше этого предела в почве фильтрация отсутствует. Линию просачивания еще называют линией насыщения, так как предполагается, что почва ниже нее полностью насыщена водой, а выше — частично.
Фактическая оценка уклона должна включать исследование, расслоение, параметры прочности, грунтовые и поверхностные воды, изменения уровня, дренаж, сейсмические исследования, этапы земляных работ или заполнения, прилегающие конструкции и временные условия. Раскопки без должной защиты и попадание в зону возможного оползня небезопасны, исходя из общего текста или формы самого склона.