Откосы каналов и обеспечение их устойчивости

Одной из главных задач при проектировании осушительных каналов является установление такого угла наклона откосов, чтобы последние могли противостоять силам, стремящимся их разрушить, т.е. чтобы они были устойчивыми.

Под устойчивостью грунтовых откосов каналов понимается способность сохранять заданную и выполненную в натуре форму и размеры как в поперечном, так и в продольном профиле.

Устойчивость поперечных сечений каналов определяется качеством слагающих грунтов, глубиной каналов и коэффициентом откоса m. Силами, разрушающими откос канала являются:

- внешняя нагрузка (например, вес машины и кавальер);

- собственный вес грунта;

- силы гидродинамического давления и течения воды.

Гидродинамическое давление представляют силу давления фильтрационного потока на частицы грунта. Его величина D, отнесенная к единице объема, равна

D = ΔΙ , (3.13)

где Δ – объемный вес воды; I – гидравлический градиент фильтрационного (грунтового) потока.

Гидродинамическое давление направлено по касательной к поверхности грунтового потока (рис 3.26). Так как градиент имеет наибольшее значение в первоначальный момент после вскрытия канала, когда он только что начинает заполняться водой, то и гидродинамическое давление в это время имеет наибольшее значение, увеличивающееся с приближением к откосу. Этим объясняется неустойчивость глубоких каналов, выполненных в водонасыщенном грунте сразу на всю глубину выемки. Неосушенный грунт обладает ничтожными силами сцепления и поэтому давлением воды у подошвы откоса вытесняется в выемку.

Такое явление можно предотвратить, если устраивать канал постепенно, углубляя его в несколько приемов (подробнее см. п. ).

Рис. 3.26. Направление гидродинамического давления

Удерживающими от обрушения откоса силами являются:

-силы внутреннего трения;

- силы сцепления грунта.

Условием предельной устойчивости откоса будет равенство сил удерживающих и сил сдвигающих. Если же последние будут более первых, то откос обрушится по некоторым плоским или (что чаще) по кривым поверхностям, близким в случае однородного грунта к круглоцилиндрическим.

С увеличением глубины канала угол, под которым держится неукрепленный откос, уменьшается. То же явление наблюдается и при повышении влажности грунта, так как водонасыщенные грунты обладают меньшей силой сцепления и меньшим углом внутреннего трения, чем более сухие.

Рис. 3.27. Схема сил, действующих на откос канала

Ниже приведена упрощенная методика определения устойчивого положения откосов каналов, необходимая для принципиального понимания механизма взаимодействия сил, действующих на призму обрушения [6]. Схема действующих сил и обрушения откоса канала по плоскости без учета действия гидродинамических сил приведена на рисунке 3.27, где Р – вес слоя грунта АВМ, приложенный в точке О. Разложим вес Р на две составляющие: нормальную N и тангенциальную Т. Вес слоя грунта АВМ можно выразить формулой

, (3.14)

где γ0 – объемный вес грунта.

Сдвигающая сила Т будет равна

. (3.15)

Нормальная сила , а вызываемая ею сила трения Fтр будет равна

, (3.16)

где tg φ – коэффициент трения, а φ – угол внутреннего трения.

Сила сцепления по плоскости АМ равна

. (3.17)

Приравняв сумму сил удерживающих силам сдвигающим, будем иметь

Fсц + Fтр = Т, (3.18)

или . (3.19)

После ряда преобразований и исследования функции на максимальное значение α, получим, что высота откоса Н при которой грунт с углом откоса θ будет находится в равновесии найдется из уравнения

(3.20)

Что касается форм поверхностей, по которым происходит обрушение откосов, то опыт показывает, что очертание этих поверхностей может быть весьма разнообразным. В общем случае линия сползания откосов в верхней его части может быть принята вертикальной, ниже они приближаются к линии боковой поверхности цилиндра, а у основания откоса угол наклона линии скольжения приближаются к нулю.

Более подробная методика расчета устойчивости откосов каналов приведена в учебном пособии [18].

Осушительные каналы, устраиваемые в торфяном грунте в целях добычи торфа, как правило, имеют высоту откоса меньшую по сравнению с высотой, определенной по формуле (3.20) и относятся к классу сооружений, разрушение которых не несет за собой катастрофических последствий и поэтому крутизна (угол q) или коэффициент заложения откоса m таких каналов может назначаться на основании данных практики и опыта проектирования (табл. 3.8) [7].

Таблица 3.8.

Коэффициенты заложения откосов каналов