Очертания естественного откоса сыпучих и связных грунтов

Если резкий перепад высотных отметок поверхности не поддерживается искусственно подпорным сооружением, то поверхность откоса примет некоторые естественные очертания. В очертаниях поверхности естественного откоса проявится разница в сопротивлении сдвигу сыпучих и связных грунтов. Откос сыпучего грунта имеет угол наклона, равный углу внутреннего трения φ_ест=φ. Откос грунта, обладающего и сцеплением и трением, имеет сложную криволинейную форму.

Если сыпучий грунт, лишенный сцепления между частицами, насыпать на горизонтальную поверхность, он образует конус с определенным углом наклона, который называется углом естественного откоса. Этот откос является устойчивым. При попытке сделать его более крутым, избыточные частицы скатываются вниз, и откос становится более пологим. Если откос имеет меньшую крутизну, чем следует при угле естественного откоса, то насыпаемые частицы будут на нем задерживаться. На поверхности естественного откоса частицы находятся в состоянии предельного равновесия, при котором силы тяжести, стремящиеся сдвинуть их вниз, уравновешиваются силами трения. Рассмотрим условия равновесия песчаной частицы на естественном откосе сыпучего грунта:

Т’=Nf; φест=α T=Рsinα; T=Рsinφест; N=Рcosα; N=Рcosφест; Т’=T; f=T/N=Рsinφест/Рcosφест; f=tgφест.

Вес частицы Р стремится сдвинуть ее вниз по откосу и в то же время прижимает ее к откосу. Возникает сила трения, которая стремится удержать ее на откосе. Условием предельного равновесия является равенство сдвигающей силы Т и силы трения Nf . Сила трения равна произведению нормальной силы N, прижимающей частицу к откосу на коэффициент трения между частицами f.

Из приведенных формул видно, что коэффициент трения сыпучего грунта равен тангенсу угла естественного откоса сыпучего грунта.

Угол естественного откоса сыпучих грунтов изменяется в пределах от 20° до 45°. Чем плотнее грунт, тем больше угол естественного откоса. Чем более закругленную и отшлифованную форму имеют частицы, тем меньше угол естественного откоса.

В связных грунтах угол естественного откоса зависит не только от трения, но и от сцепления между частицами. Глины, суглинки и мерзлые грунты, обладающие значительным сцеплением, могут держаться вертикальными стенами и даже образовывать своды. Для них понятие угла естественного откоса теряет смысл.

Максимальная высота вертикального откоса уидеально связного грунта, обладающего большим сцеплением и лишенного трения, определяется формулой:

где: с – удельное сцепление грунта [кПа];

γ – объемный вес грунта [кН/м³].

Откос, сложенный грунтами, обладающими и трением и сцеплением, имеет криволинейное очертание. Существуют простые табличные методы определения координат поверхности естественного откоса с учетом распределенной нагрузки на его бровке [ ].

Таблица 9.1.

φ >0; с=0	φ>0; с>0	φ=0; с>0
Идеально-сыпучий	Обычный	Идеально-связный