Ширина призмы возможного обрушения. Безопасность основных строительно-монтажных работ

Основными элементами открытой разработки карьера, котлована или траншей без крепления откосов является высота Н и ширина l уступа, его форма, крутизна и угол естественного откоса α (рис. 9.3 ). Обрушение уступа происходит чаще всего по линии ВС , расположенной под углом θ к горизонту. Объем ABC называется призмой обрушения. Призма обрушения удерживается в равновесии силами трения, приложенными в плоскости сдвига.

Нарушение устойчивости земляных масс часто сопровождается значительными разрушениями мостов, дорог, каналов, зданий и сооружений, расположенных на оползающих массивах. В результате нарушения прочности (устойчивости природного склона или искусственного откоса) формируются характерные элементы оползня (рис. 9.4 ).

Устойчивость откосов анализируется с помощью теории предельного равновесия или путем рассмотрения призмы обрушения или сползания по потенциальной поверхности скольжения как твердого тела.

Рис. 9.3. Схема откоса грунта: 1 - откос; 2 - линия скольжения; 3 - линия, соответствующая углу внутреннего трения; 4 - возможное очертание откоса при обрушении; 5 - призма обрушения массива грунта

Рис. 9.4. Элементы оползня
1 - поверхность скольжения; 2 - тело оползня; 3 - стенка срыва; 4 - положение склона до оползневого смещения; 5 - коренные породы склона

Устойчивость откоса в основном зависит от его высоты и вида грунта. Для установления некоторых понятий рассмотрим две элементарные задачи:

• устойчивость откоса идеально сыпучего грунта;
• устойчивость откоса идеально связного массива грунта.

Устойчивость откоса идеально сыпучего грунта

Рассмотрим в первом случае устойчивость частиц идеально сыпучего грунта , слагающего откос. Для этого составим уравнение равновесия твердой частицы М , которая лежит на поверхности откоса (рис. 9.5,а ). Разложим вес этой частицы F на две составляющие: нормальную N к поверхности откоса АВ и касательную Т к ней. При этом сила Т стремится сдвинуть частицу М к подножию откоса, но ей будет препятствовать противодействующая сила Т" , которая пропорциональна нормальному давлению.

Устойчивость откоса идеально связного массива грунта

Рассмотрим устойчивость откоса АД высотой Н k для связного грунта (рис. 9.5,6 ). Нарушение равновесия при некоторой предельной высоте произойдет по плоской поверхности скольжения ВД , наклоненной под углом θ к горизонту, так как наименьшей площадью такой поверхности между точками В и Д будет обладать плоскость ВД . По всей этой плоскости будут действовать силы удельного сцепления С .

Понятие призмы обрушения используется при расчётах откосов , устойчивых к обрушению и предотвращения оползней .

См. также

Напишите отзыв о статье "Призма обрушения"

Примечания

Литература

• А. З. Абуханов, «Механика грунтов»
• Шубин М. А. Подготовительные работы при сооружении земляного полотна железной дороги. - М .: Транспорт, 1974.

Ссылки

• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.

Отрывок, характеризующий Призма обрушения

Если откос массива грунта имеет крутизну больше предельной, то произойдет обрушение грунта. Удержать массив в равновесии можно при помощи подпорной стенки. Подпорные стенки широко применяются в различных областях строительства. На рис. 5.9 показаны некоторые случаи применения подпорных стенок.

а) б) в)

Давление грунта, передаваемое призмой обрушения на грань стенки, носит название активного давления Е а . При этом подпорная стенка смещается в сторону от засыпки. Если же подпорная стенка смещается в сторону грунта, то грунт засыпки будет выпирать вверх. Стенка будет преодолевать вес грунта призмы выпирания, что потребует значительно большего усилия. Это соответствует пассивному давлению (отпору) грунта Е р .

Поскольку в пределах призмы обрушения возникает предельное равновесие, задача по определению давления грунта на подпорную стенку решается методами теории предельного равновесия со следующими допущениями: поверхность скольжения плоская, а призма обрушения соответствует максимальному давлению грунта на подпорную стенку. Эти допущения адекватны только для определения активного давления.

5.5.1. Аналитический метод определения давления грунта

на подпорную стенку

Рассмотрим условие предельного равновесия элементарной приз-

мы, вырезанной из призмы обрушения вблизи задней грани подпорной стенки при горизонтальной поверхности грунта и вертикальной задней грани подпорной стенки, при с = 0 (рис. 5.10). На горизонтальную и вертикальную площадки этой призмы при трении о стенку, равном нулю, будут действовать главные напряжения и .

Из условия предельного равновесия на глубине z

,(5.17)

здесь – горизонтальное давление грунта, величина которого прямо пропорциональна глубине z , т.е. давление грунта на стенку будет распределяться по закону треугольника с ординатами = 0 на поверхности грунта и у подошвы стенки. На глубине, равной высоте стенки Н , давление . Тогда согласно условию (5.17) боковое давление на глубине Н

, (5.18)

а активное давление характеризуется площадью эпюры и равно

. (5.19)

Равнодействующая этого давления приложена на высоте от подошвы стенки.

Учет сцепления грунта. Для связного грунта, обладающего внутренним трением и сцеплением, условие предельного равновесия может быть представлено в виде

Сопоставляя (5.19) с (5.20), отметим, что выражение (5.19) характеризует давление сыпучего грунта без учета сцепления, а (5.20) показывает, насколько снижается интенсивность давления вследствие того, что грунт обладает сцеплением. Тогда это выражение можно представить в виде

, (5.21)

где , . (5.22)

Таким образом, сцепление грунта уменьшает боковое давление грунта на стенку на величину по всей высоте. Напомним, что связный грунт способен держать вертикальный откос высотой , определяемой по формуле

, (5.23)

поэтому до глубины от свободной поверхности засыпки связный грунт не будет оказывать давления на стенку. Полное активное давление связного грунта определяется как площадь треугольной эпюры со сторонами и (рис. 5.11).

. (5.24)

Пассивное сопротивление связных грунтов определяется аналогично, с учетом того, что в формулах (5.20) и (5.22) знак минус в скобках аргумента тангенса изменится на плюс.

5.5.2. Давление грунтов на подземные трубопроводы

Давление грунта на трубопровод определяют на основе общей теории предельного напряженного состояния. Вертикальное давление в грунтовом массиве, ограниченном горизонтальной поверхностью, на глубине z (рис. 5.12, а ) с удельным весом грунта определяют по формуле

Боковое давление грунта на той же глубине

где – коэффициент бокового давления грунта в условиях естественного залегания, равный .

Если в зоне, контуром которой является трубопровод, грунт в точности заменить самим трубопроводом (рис. 5.12, б ), то естественно, что этот трубопровод будет испытывать давление, которое определяется зависимостями (5.26) и (5.27).

Давление на трубопровод передается сверху и с боков и вызывает равную и противоположно направленную реакцию основания: оно принимается в виде среднего равномерно распределенного давления – вертикального интенсивностью р и горизонтального интенсивностью q , причем имеет место соотношение р > q . Следует различать три принципиально различных способа прокладки трубопроводов: в траншее (рис. 5.13, а ), с помощью закрытой проходки (прокола) (рис. 5.13, б ) и под насыпью (рис. 5.13, в ).

При одинаковой глубине заложения Н трубопроводов давление р будет различным: при траншейной укладке р < ; в насыпи р > и при проколе, если Н сравнительно мало, р = , при больших значениях Н – р < .

При укладке трубопроводов в траншеи грунт, находящийся сбоку от траншеи, уже ранее уплотнился под действием собственного веса, в то время как грунт, засыпанный в траншею после укладки трубопровода, находится в рыхлом состоянии. Поэтому уплотнению этого грунта-засыпки и его осадке противодействуют силы трения по бортам траншеи, и грунт-засыпка как бы зависает на стенках траншеи и тем более, чем больше будет глубина траншеи.

Составим условия равновесия для элементарного слоя , выделенного на глубине z (рис. 5.13, а ). На этот элемент будут действовать собственный вес слоя грунта засыпки сверху и снизу , а у стенок траншеи сопротивление грунта сдвигу на единицу площади (где с – сцепление грунта; – угол трения о стенку траншеи). Примем далее коэффициент бокового давления грунта постоянным, т.е.

.

Проектируем силы на вертикальную ось z , получим

После приведения подобных членов и интегрирования при граничных условиях (z = 0; = 0) получим полное давление грунта на глубине z , максимальное значение которого (введя коэффициент перегрузки n ≈ 1,2) можно представить в виде

, (5.28)

где – коэффициент давления грунта на трубопровод в траншее.

Значение для труб, закладываемых в траншеи, не может быть больше единицы ( ≤ 1). Для приближенного определения можно пользоваться кривыми графика профессора Г.К. Клейна, которые дают с некоторым запасом (полагая сцепление с = 0).

где h с – расчетная высота свода обрушения; B – ширина свода обрушения; f" – коэффициент крепости (по М.М. Протодьяконову), принимаемый для насыпных грунтов 0,5; влажных и водонасыщенных песков – 0,6; глинистых грунтов – 0,8.

Контрольные вопросы

1.Какие инженерные задачи рассматриваются в теории предельного равновесия грунтовой среды?

2.На какие две группы подразделяются предельные состояния?

3.Запишите условия предельного равновесия песка.

4.Запишите условие предельного равновесия связного грунта,

выраженное через главные напряжения.

5.Какая нагрузка считается критической? При каких условиях она определяется?

6.Что такое расчетное сопротивление грунта основания?

7.Какая нагрузка является предельной нагрузкой на основание?

8.Какие вы знаете решения по определению предельной нагрузки на основание?

9.От каких факторов зависит устойчивость откоса?

10.Какие основные причины могут вызвать нарушение устойчивости откосов?

12.Каков предельный угол наклона сыпучего откоса?

13.С какой целью применяют подпорные стенки?

14.Что называется активным давлением грунта на стенку?

15.Что называют пассивным давлением грунта на стенку?

16.Каким образом влияет на величину активного и пассивного давлений на стенку удельное сцепление в грунте?

Раздел 6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

Площадки, ограничивающие не рабочие уступы, называются – бермами. Различают предохранительные бермы, бермы механической очистки и транспортные бермы. Предохранительные бермы равны 1/3 расстояния по высоте между смежными бермами. Бермы механической очистки обычно больше либо равны 8 метров (для заезда бульдозеров для очистки осыпанной породы).

Транспортные бермы – это площадки, оставляемые на нерабочем борту карьера для передвижения транспортных средств. Предохранительные бермы – это площадки, оставляемы на нерабочем борту карьера для повышения его устойчивости и задержания осыпающихся кусков породы. Обычно они слегка наклонены в сторону вышележащего откоса уступа. Бермы должны оставляться не более чем через 3 уступа. Призма обрушения – это неустойчивая часть уступа между откосом уступа и плоскостью естественного обрушения и ограниченная верхней площадкой. Ширина основания призмы обрушения (Б) называется бермой безопасности и определяется по формуле: .

Порядок развития открытых горных работ

Порядок развития открытых горных работ в пределах карьерного поля не может устанавливаться произвольно. Он зависит от типа разрабатываемого месторождения, рельефа поверхности, формы залежи, положения залежи относительно господствующего уровня поверхности, угла её падения, мощности, строения, распределения по качеству полезных ископаемых и типов вскрышных пород. Дальнейшим следствием является выбор вида открытых горных разработок: поверхностного, глубинного, нагорного, нагорно-глубинного или подгорного. Дальнейшим нашим действием является принципиальное предварительное решение о карьерном поле – его возможных глубине, размерах по дну и поверхности, углах откосов бортов, а так же общих запасов гонной массы и полезных ископаемых в частности. Устанавливаются так же возможные места расположение потребителей полезных ископаемых, отвалов, хвосто-хранилищ и их ориентировочные вместимости, что позволяет наметить возможные направления и пути перемещения карьерных грузов. На основании вышеуказанных рассуждений устанавливаются возможные размеры карьерного поля, его местоположении в увязке с рельефом поверхности, а так же примерные контуры горного отвода будущего предприятия. Только после этого с учётом планируемой мощности карьера приступают к решению задачи о порядке развития горных работ в пределах карьерного поля. Для ускоренного ввода карьера в эксплуатацию и сокращения уровня капитальных затрат горные работы начинают вести там где залежь полезного ископаемого находится ближе к поверхности. Главная цель открытых горных работ – добыча из недр полезных ископаемых с одновременной выемкой большого объёма покрывающей и вмещающей залежь вскрышных пород достигается при чёткой и высокоэкономичной организации ведущего и наиболее дорого процесса открытых горных работ – перемещение горной массы из забоев в пункты приёма на складах и отвалах (до 40%). Эффективность перемещения карьерных грузов достигается организацией устойчиво действующих потоков полезных ископаемых и вскрышных пород применительно к которым решаются вопросы вскрытия рабочих горизонтов карьерного поля, а так же и мощностей используемых транспортных средств. Технические решения при открытой разработке месторождений и экономические её результаты определяются соотношениями объёмов вскрышных и добычных работ в целом и по периодам деятельности карьера. Количественная оценка этих соотношений производится с применением коэффициента вскрыши.

Крутые траншеи и полутраншеи

По углу наклона капитальные траншеи делятся на крутые. Крутые траншеи глубинного вида обычно имеют внутреннее заложение. По расположению относительно борта карьера они подразделяются на поперечные и диагональные. Поперечные крутые траншеи применяются в тех случаях когда общий угол откоса борта карьера меньше. Диагональные крутые траншеи обычно применяются для размещения конвейерных и автомобильных подъёмников. Крутые траншеи характерны при оставлении на нерабочем борту транспортных берм (съездов).

Временные съезды

Основное отличие временных съездов от скользящих – следующее:

1. Временные съезды не перемещаются (не скользят) при попеременной отработке верхнего и нижнего под уступов в пределов съездов;

2. Строительство временных съездов как правило (в скальных и полу скальных породах) включает обуривание и взрывание породного блока в пределах съезда на высоту уступа и проходку съезда чаще всего с перемещением взорванной породы пол откос экскаватором или бульдозером;

3. Отработка старых съездов осуществляется путём выемки взорванной породы с погрузкой в автомобильный транспорт;

Трасса временных съездов простая или петлевая, коэффициент удлинения простой временной трассы зависит в основном от ширины рабочей площадки. Автомобильные съезды могу примыкать к горизонтам на руководящем уклоне, смягчённом уклоне (с пологой вставкой) и на площадке. Примыкание на руководящем уклоне характерно для съездов на верхних, уже отработанных горизонтах при сквозном движении автомобилей по этим съездам.