Как понять крутизна откоса

Безопасность при разработке грунта. Работы с применением инструментов. Меры по предотвращению обрушения грунта

Страницы работы

Фрагмент текста работы

231. Безопасность при разработке грунта [7, с. 179; 24, c. 165; 32]

Основными причинами травматизма при выполнении земляных работ являются:

· · отсутствие или недостаточное крепление грунта;

· · превышение критической высоты разработки грунта без крепления;

· · нарушение правил разработки креплений;

· · скатывание по откосу кусков грунта, камней на работающих в котлованах и траншеях;

· · движение транспортных средств и механизмов в пределах призмы обрушения;

· · несоблюдение безопасных способов погрузки грунта в транспортные средства;

· · возможность падения людей по откосу;

· · недостаточный надзор за безопасным состоянием забоя.

Особая опасность при производстве земляных работ заключается в возможности засыпки людей грунтом. Такая опасность наступает особенно быстро после ливневых дождей, при появлении подземных грунтовых вод. Поэтому котлованы или траншеи с вертикальными стенками в грунтах естественной влажности с ненарушенной структурой можно рыть без крепления на глубину не более: 1 м — в песчаных грунтах, включая гравелистые, 1,25 м — в суглинках, глинах.

Рытье котлованов и траншей с откосами без крепления в нескальных грунтах выше уровня грунтовых вод или в грунтах, предварительно осушенных искусственным водопонижением, допускается при глубине выемки и крутизне откосов согласно СНиП III-4

Крутизна откосов выемок глубиной более 5 м во всех случаях и глубиной менее 5 м при гидрогеологических условиях и видах грунтов, не предусмотренных выше, должна устанавливаться проектом. Выбор высоты уступа влияет на эффективность и безопасность производства земляных работ. Состояние предельного равновесия грунта откоса связано в связных грунтах с высотой уступа. На рис. 100 показаны геометрические элементы такого уступа. Расчет высоты уступа при глубине котлованов и траншей не более 5 м можно выполнить по следующему методу [24].

Рис. 100. Геометрические элементы уступа: Н – высота уступа; q — угол предельного равновесия откоса a — угол между плоскостью обрушения и горизонтом (АВС — призма обрушения); j — угол естественного откоса

В момент предельного равновесия (призма АВС не обрушилась, но может обрушиться) cоставляющая массы призмы в плоскости АС будет F=m*sinq . Эта сила уравновешена силой сцепления с (АС) и силой трения, равной Ntgj = m*cosq tgj , т.е. m*sinq = с (АС) + m*cosq tgj .

Тогда сила сцепления в плоскости АС

.

Масса призмы АВС длиной 1 м составит

Введем некоторые обозначения: k=c/g — коэффициент сцепления, AB = H* sin a и получим

.

Отсюда, заменив k на k_max, получим выражение для высоты уступа

.

Для вертикальных стенок (a = 90° ) предельная высота

.

Для реальных условий производства земляных работ в последние две формулы вводят поправки

, где с — сила сцепления (применяется по справочным данным); r – плотность грунта; k_уст — коэффициент устойчивости, равный 1,5…3; tg j — коэффициент трения.

.

Этот расчет справедлив для условий строительства, когда глубина котлованов и траншей не превышает 5 м.

По этому методу можно проверять устойчивость уступов в самых разнообразных условиях.

Например, при заданном угле откоса можно определить максимальную глубину разработки.

Безопасную глубину разработки котлованов и траншей с вертикальными стенками без креплений в зависимости от вида грунта устанавливает СНиП III-4.

Для других условий крепелние вертикальных стенок необходимо выполнять по проекту.

236. Безопасность при производстве монтажных работ [7, с.122, 163; 24, c. 109, 130]

Основные причины травм при монтажных работах: несоблюдение

Общие сведения о земляных работах

Земляными работами называют работы, связанные с разработкой и перемещением грунта с целью образования выемок или насыпей, которые по своему назначению могут иметь постоянный или временный характер. Например, выемки для железнодорожного пути или канала являются постоянными земляными сооружениями, а выемки для подземной прокладки трубопровода- временными, так как подлежат обратной засыпке после прокладки трубопровода. Технические требования к земляным сооружениям постоянного и временного назначения различны.

Грунты по трудности их разработки и способу производства работ в ДБН на земляные работы объединены в группы, различные для разных машин и ручной разработки.

Выемки небольшой ширины по сравнению с длиной называют траншеями. Выемки, ширина которых мало отличается от длины, или квадратные в плане, называют котлованами. Наклонные боковые поверхности выемок и насыпей называют откосами.

Крутизну откосов принимают в зависимости от глубины выемки или высоты насыпи, свойств грунта и его влажности, характера сооружения (постоянного или временного) и других факторов, влияющих на устойчивость откосов. Для постоянных земляных сооружений крутизна откосов предусматривается проектом. Для временных выемок и насыпей при грунтах естественной влажности крутизну откосов принимают, исходя из требований техники безопасности по СНиП.

Крутизну откосов выражают отношением высоты откоса к его заложению. Например, для выемок в песчаном грунте глубиной до 1,5 м это отношение составляет 1:0,5, а при глубине до 3 м — 1:1. Крутизну откосов иногда выражают углом между горизонтом и наклонной линией откоса. При неблагоприятных геологических условиях, например при повышенной влажности грунта и при наличии на поверхности у краев выемки нагрузок, крутизну откосов назначают для каждого отдельного случая по расчету.

При разработке выемок без откосов, т.е. с вертикальными стенками, последние во избежание обвалов крепят. По условиям техники безопасности рытье траншей и котлованов с вертикальными стенками без их крепления допускается только в грунтах естественной влажности на глубину, не превышающую 1 м в насыпных, песчаных и гравелистых грунтах; 1,25 м -в супесях; 1,5 м — в суглинках и глинах; 2,0 м — в особо плотных нескальных грунтах.

Грунт при разработке разрыхляется, и объем его по сравнению с первоначальным увеличивается. В связи с этим различают объем грунта в плотном теле, т.е. в естественном состоянии, и его объем в разрыхленном состоянии. Увеличение объема при разрыхлении у разных грунтов различно и колеблется в пределах от 8% (у песка) до 50% (у скальных фунтов).

Разрыхленный грунт с течением времени под действием нагрузок от вышележащих слоев в влиянием атмосферных осадков снова постепенно уплотняется. Для ускорения этого процесса применяют искусственное уплотнение катками или трамбованием. Степень разрыхленности грунта после его осадки и уплотнения, выраженная в процентах по отношению к грунту в плотном теле, называют остаточным разрыхлением, которое колеблется от 1% (для песка) до 30% (для скальных разрыхленных грунтов). Показатели степени первоначального и остаточного разрыхления грунтов даны в ЕНиР на земляные работы.

Разработка и транспортировка грунта при работе экскаватором. Механизированная разработка грунта осуществляется землеройными машинами — одноковшовыми и многоковшовыми экскаваторами, тракторными прицепными и самоходными скреперами, бульдозерами. Одноковшовые строительные экскаваторы по виду ходового оборудования бывают на гусеничном, пневмоколесном, железнодорожном ходу и шагающие; по роду двигателя — дизельные, электрические и дизель-электрические; по вместимости ковша — от 0,15 до 100 м 3 .

Одноковшовый экскаватор может иметь различное сменное рабочее оборудование — прямую и обратную лопаты, драглайн и грейфер, применяемые в зависимости от местных условий производства работ.

Экскаватор с прямой лопатой (рис. 4.1) применяют для разработки широких выемок в грунтах нормальной влажности. Экскаватор перемещается по дну выемки, копает «от себя» снизу вверх с погрузкой разрабатываемого грунта на транспортные средства- автосамосвалы, железнодорожные вагоны, подаваемые в радиус действия стрелы экскаватора.

Место, где ведут работы по выемке грунта, называют забоем. Забой — это рабочая зона экскаватора, т.е. площадка, на которой он размещается, часть поверхности массива, с которой производят выемку грунта, а также площадка для подачи транспортных средств под погрузку грунта или для его отвала. Высота забоя для наиболее полного заполнения ковша должка быть не меньше трехкратной высоты ковша. Выемку, образованную одним ходом экскаватора, называют проходкой. При широких выемках делают несколько проходок.

Экскаватор с обратной лопатой (рис. 4.2) перемещается по верху забоя, копает «на себя», разрабатывая грунт, лежащий ниже уровня его стоянки. Обратная лопата применяется, главным образом, для разработки траншей при прокладке подземных коммуникаций, а также при планировочных работах и рытье небольших котлованов, не допускающих применения прямой лопаты. Обратная лопата может брать грунт из-под воды.

Разрабатываемый грунт обычно отсыпают в отвал на бровку траншеи, а излишки, не нужные для обратной засыпки, — на транспортные средства.

Экскаватор-драглайн (рис. 4.3) имеет удлиненную стрелу и ковш, свободно подвешенный на тросе. Его применяют при разработке глубоких котлованов, каналов и траншей с отсыпкой грунта в отвал или на транспортные средства. Разработка грунта производится ниже уровня стоянки экскаватора с работой его «на себя». Заполнение ковша происходит во время его волочения по грунту. На строительстве применяют экскаваторы-драглайны с ковшами различной вместимости. Более того, заводы могут по отдельному техническому заданию изготовить и поставить машину с ковшом по просьбе заказчика.

Преимуществом экскаватора-драглайна перед экскаватором с прямой лопатой является то, что он может брать грунт со дна водоема или из выемок, заполненных грунтовой водой.

На строительных площадках наибольшее распространение имеют экскаваторы с ковшом вместимостью 1-1,5 м 3 дающие производительность на грунтах нормальной влажности от 1000 до 1200 м 3 в смену (в зависимости от группы грунта).

Экскаватор с грейферным ковшом, свободно подвешенным на тросе (рис. 4.4), может разрабатывать легкие грунты I и II групп, а более тяжелые — при условии предварительного их разрыхления. Наиболее часто применяют его для разработки глубоких выемок с вертикальными стенками.

Экскаватор с грейферным ковшом может брать грунт из-под воды. Его широко применяют при массовой погрузке сыпучих материалов (песка, щебня, шлака и пр.). Вместимость грейферного ковша — от 0,25 до 2,5 м 3 . Производительность экскаватора с грейферным ковшом меньше, чем у других экскаваторов, и при ковше 0,5 м 3 составляет до 350 м 3 в смену.

При разработке грунта экскаваторами с погрузкой его на транспортные средства вид и количество транспортных средств определяют в зависимости от производительности экскаватора и условий его работы. График работы транспорта при этом должен быть составлен так, чтобы не было простоев экскаватора в ожидании подачи транспортных средств, а также простоев транспортных средств в ожидании погрузки.

Многоковшовые экскаваторы. Разработку узких траншей с вертикальными стенками для прокладки различных трубопроводов (водопроводных, канализационных, газовых и др.) производят многоковшовыми цепными или роторными экскаваторами (рис. 4.5) с отвалом грунта вдоль траншеи.

Роторный многоковшовый траншейный экскаватор роет траншеи с вертикальными стенками глубиной до 3,5 м и шириной 0,8 м, а с уширителями шириной 1,1 м. Производительность такого экскаватора 600-700 м 3 в смену.

Разработка и перемещение грунта скреперами и бульдозером. Для послойного срезания и транспортирования грунта при планировочных, дорожных и вскрышных работах, а также при разработке неглубоких выемок и устройстве насыпей применяют тракторные прицепные или самоходные скреперы и бульдозеры.

Скрепер представляет собой ковш вместимостью от 3 до 25 м 3 и более на колесном ходу. В передней части ковша имеются заслонка и нож. При наборе грунта заслонка поднимается, ковш наклоняется и нож врезается в грунт на глубину от 5 до 30 см. После заполнения ковша заслонка опускается, а ковш поднимается и принимает транспортное положение. При выгрузке заслонка поднимается и грунт выталкивается из ковша задней передвижной стенкой.

Скреперы эффективны тем, что ими осуществляется весь комплекс механизации земляных работ — разработка, перемещение, разгрузка равномерным слоем и уплотнение грунта (при повторном проходе по отсыпанному грунту).

Максимальной рациональной дальностью возки грунта для прицепного скрепера с ковшом вместимостью до 6 м 3 считается не более 300 м, а для самоходных с ковшом 15 м 3 — от 1000 до 5000 м.

Бульдозером называют гусеничный или колесный трактор с передним навесным отвалом, приспособленным для резания и перемещения грунта на небольшие расстояния (100-150 м).

В отличие от скрепера, перемещающего грунт в ковше, бульдозер перемещает грунт, толкая его впереди себя. Бульдозер широко и эффективно используют на планировочных работах, на засыпке траншей и котлованов грунтом, вынутым из них и лежащим на бровке, а иногда на рытье небольших и неглубоких котлованов или на устройстве невысоких насыпей. Для увеличения производительности бульдозера рекомендуется на отвале иметь открылки, препятствующие утере грунта во время его перемещения.

Свайные работы

Сваи применяют для устройства фундаментов под здания и инженерные сооружения, для укрепления слабых грунтов, устройства ограждений у котлованов для удержания вертикальных стенок грунта от обрушения и в качестве ограждений, предназначенных для защиты сооружений от подмыва их водой. Основное назначение свай — устройство фундаментов. В настоящее время свайные основания получили самое широкое распространение, как в промышленном, так и гражданском строительстве. В основном применяются сваи железобетонные, квадратные 30×30 см и 35×35 см. В практике наиболее часто применяются несоставные сваи (длиной до 11-12 м) и составные (при большей длине).

Забивка (погружение) свай в грунт производится самоходными сваебойными агрегатами (рис. 4.8) и копрами. Наибольшее распространение получили самоходные агрегаты на базе широко применяющейся землеройной техники. Универсальное применение на базе какой-либо техники сваебойных агрегатов наиболее экономически выгодно, т.к. весьма сложно обеспечить специальную технику для забивки свай постоянным фронтом работ.

Но железобетонные забивные сваи бывают не только квадратного, но и прямоугольного и круглого сечения, сплошные и полые. Нижний конец сплошных свай имеет четырехгранное или круглое заострение, заканчивающееся специальным стальным башмаком из отогнутых к острию и сваренных в пучок продольных стержней арматуры.

Стальные сваи применяют преимущественно для шпунтовых рядов по устройству ограждений котлованов. Профили поперечного сечения свай даны на рис. 4.9.

Преимуществом стального шпунта являются его прочность, возможность забивки по кривой и возможность многократного использова­ния; недостатком — подверженность коррозии.

Дата добавления: 2016-07-27 ; просмотров: 1442 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Глубина котлована под фундамент

Котлован – выемка в грунте, предназначенная для монтажа заглубляемых конструкций или их частей: туннелей, колодцев, фундаментов зданий. Их разновидность – траншеи, имеющие при малой ширине большую длину, и шахты, уходящие глубоко при небольших размерах в плане. Глубина котлована определяется расчетом, а проект разработки – неотъемлемая частью общего проекта объекта.

Выкопанная траншея под фундамент

Когда на разработку котлована требуется проект

Часть проекта, согласно которой на объекте производятся земляные работы, называется ПРК (проект разработки котлована). Такой проект составляют, когда глубина разработки превышает 2 м (это может быть дом с подвалом), а также когда для безопасности работ надо укрепить стенки или сделать глубинное водопонижение.

ПРК (или ППР котлована) включает в себя чертежи в плане и разрезе, технологические и другие схемы, в которых содержится информация, вплоть до мест расстановки землеройной техники и самосвалов.

Если котлован разрабатывают рядом с существующим сооружением, либо его глубина превышает уровень заложения последнего, в проекте определяют меры против осадки грунта и деформации конструкций.

Это может быть возведение шпунтовых стен, усиление грунтов цементацией либо силикатизацией, устройство нового, более глубокого фундамента под старым.

Защита фундаментов существующих зданий

Как форма стенок котлована зависит от его глубины

Свойства грунтов и наличие в них подземных вод определяют структуру котлована, который может иметь вертикальные стенки или пологие.

Вертикальные без креплений можно делать в плотных сухих грунтах, и только, когда котлован не остаётся открытым на продолжительное время.

Стенки котлована ступенчатой формы

Если есть вертикальные откосы (если рядом нет сооружений), глубина не может превышать:

• в твёрдых глинах и суглинках – 3м;
• в полутвёрдых глинах и суглинках – 2м;
• в тугопластичных глинах – 1,5 м;
• в текучих глинах и твёрдых супесях – 1,25 м;
• в песчаных, гравийных и лёссовых грунтах – 1,0 м.

Когда надо рыть на большую глубину, в котловане предусматривают пологие (иногда ступенчатые) стенки, либо выбирают один из вариантов крепления стенок.

Отвесные стенки котлована с анкерным креплением

Когда глубина более 5 метров, крутизна откосов принимается по таблице в СНиП и зависит от типа грунта. Этот параметр – отношение глубины к проекции откоса на горизонталь (на схеме снизу).

Чертеж: крутизна откоса котлована 1:1

Определение размеров котлована

Глубина котлована – важный параметр, который определяется сложением толщин фундамента и подстилающих слоёв. Это: песчано-щебневые подушки, бетонные подготовки и пластовый дренаж.

Разницы нет, под ленточный фундамент роют котлован или под монолитную плиту. Она тоже может значительно заглубляться, когда в здании предусмотрен цокольный этаж или подвал.

Глубина – сумма всех слоёв, начиная от уровня земли

Основные параметры при расчете размеров котлована

Размеры дна в плане назначают при проектировании, учитывая параметры фундамента и способ возведения, необходимое пространство для опалубки, удобство бетонирования или монтажа сборных элементов.

Часто размеры котлована по дну и поверху различаются незначительно, потому что пологие стенки увеличивают объём земляных работ. На практике чаще делают вертикальные откосы, не смотря на необходимость укрепления.

Этапы работ при рытье котлована под фундаменты

Ленточный фундамент можно возводить в траншее и в полноценном котловане, это зависит от глубины заложения. Если это траншеи, их ширина принимается на 30 см больше ширины ленты.

1. Строительную площадку очищают от растительности и снимают растительный слой почвы около 20 см. При необходимости проводят осушение или дренаж участка.
2. Траншеи роют в местах расположения внешних и внутренних несущих стен. Их размечают, выставляя угловые колышки со шнурами.
3. Копают от угла, продвигаясь по периметру будущего фундамента и контролируя глубину выемки опускаемой в траншею вехой.
4. Если глубина превышает 70 см, вдоль стенок устанавливают боковые щиты, поддерживаемые распорками, которые одновременно могут служить и элементами опалубки.

Глубокая траншея под ленту

Рытьё большого котлована под монолитную плиту зависит от глубины. Если она незначительная, стенки делают вертикальными, а размеры верха и дна будут одинаковыми.

Периметр каждой последующей выемки сужается, пока размер не уменьшится до проектного размера дна. Копку производят от центра к краям котлована, с выравниванием каждого слоя.

Копку начинают от центра

Что касается точечных фундаментов: столбчатых, свайных, стаканных, выемку грунта под них можно делать комбинированно. Сначала копают сам котлован, на дне которого забивают сваи и роют траншеи под ростверки или квадратные шурфы под опоры колонн.

Определение угла естественного откоса песчаного грунта в сухом и влажном состоянии. Определение угла естественного откоса песчаного грунта Естественный откос грунта

Угол естественного откоса — это наибольший угол, который может быть образован откосом свободно насыпанного грунта в состоянии равновесия с горизонтальной плоскостью.

Угол естественного откоса зависит от гранулометрического состава и формы частиц. С уменьшением размера зерен угол естественного откоса становится положе.
В воздушно-сухом состоянии угол естественного откоса песчаного грунта равен 30-40°, под водой — 24-33°. Для грунтов, не обладающих сцеплением (сыпучих), угол естественного откоса не превышает угла внутреннего трения

Для определения угла естественного откоса песчаного грунта в воздушно-сухом состоянии используют прибор УВТ (рис. 9.11, 9.12 ), под водой — ВИА (рис. 9.13 ).

Согласно рис. 9.12 при наклоне ящика песок осыпается и, разрыхляясь, образует откос с углом, который можно определить транспортиром или по формуле

Понятие об угле естественного откоса относится только к сухим сыпучим грунтам, а для связных глинистых оно теряет всякий смысл, так как у последних он зависит от влажности, высоты откоса и величины пригрузки на откос и может изменяться от 0 до 90°.

Рис. 9.11. Прибор УВТ-2: 1 — шкала; 2 — резервуар; 3 — мерительный столик; 4 — обойма; 5 — опора; 6 — образец песка

Рис. 9.12. Определение угла естественного откоса вращением емкости (а) и медленным снятием пластинки (б): А — ось вращения емкости

Рис. 9.13. Прибор ВИА: 1 — ящик ВИА; 2 — образец песка; 3 — емкость с водой; 4 — транспортир; 5 — ось вращения; 6- пьезометр; 7- штатив

При разработке и усадке разрыхленного грунта выемки и насыпи образуют естественные откосы различной крутизны. Наибольшую крутизну плоских откосов земляных сооружений, траншей и котлованов, устраиваемых без креплений, следует принимать согласно табл. 9.2. При обеспечении естественной крутизны откосов обеспечивается устойчивость земляных насыпей и выемок.

Таблица 9.2. Наибольшая крутизна откосов траншей и котлованов, град.

Откосы насыпей постоянных сооружений выполняют более пологими, чем откосы выемок.

Цель работы:

Ознакомление с методикой определения угла естественного откоса для песчаных грунтов.

Приобретение навыков в работе с прибором для определения угла естественного откоса сыпучих грунтов.

Определение угла естественного откоса песка в воздушно-сухом и подводном состоянии.

Необходимое оборудование и материалы

Методические указания к выполнению работы.

Журнал лабораторных работ.

Прибор для определения угла естественного откоса полевой лаборатории Литвинова.

Емкость с водой.

Отсутствие сцепления в песках позволяет определять угол внутреннего трения φ 0 по углу естественного откоса грунта в условиях предельного равновесия (рис. 2.3.).

Рис.2.3. Схема к определению угла естественного откоса песчаного гранта.

T 1 =

где φ – угол внутреннего трения; tg φ – коэффициент трения

Углом естественного откоса песчаного грунта называют максимальное значение угла, образуемого с горизонтальной плоскостью, поверхностью грунта, отсыпанного без толчков и динамических воздействий.

Угол естественного откоса определяют для песчаного грунта в воздушно-сухом состоянии и под водой. Для испытания используем прибор Литвинова.

Порядок выполнения работы

Определение угла естественного откоса грунта в воздушно-сухом состоянии производят следующим образом. Прибор устанавливают на стол, выдвижная створка при этом опущена до дна. В малое отделение прибора до верха засыпают испытываемый песок (рис.2.4). После этого постепенно поднимают выдвижную створку без толчков; при этом прибор придерживают рукой. Грунт постепенно частично пересыпается в другое отделение до наступления положение равновесия.

Рис. 2.4. Общий вид прибора для определения угла естественного откоса песков (Ящик Кулона).

Угол между плоскостью свободного откоса и горизонтальной плоскостью и есть угол естественного откоса. По делениям на днище и боковой стенке отсчитывают высоту и заложение откоса и вычисляют тангенс угла естественного откоса; отсчеты ведут с точностью до 1мм.

Определение угла естественного откоса грунта в подводном состоянии отличается от предыдущего тем, что после того, как в малое отделение прибора насыпают испытываемый грунт, в большое отделения до верха наливают воду. Верхнюю створку подымают на несколько миллиметров, чтобы вода могла проникнуть в малое отделение. Когда весь грунт пропитается водой, поднимают створку выше и испытание продолжают так же, как и предыдущее. Результаты испытаний заносят в таблицу 2.4.

Гранулометрический состав. Практически характер и качество разрушения породы четко определяется ее гранулометрическим составом. Он характеризует разрыхленную горную породу по процентному содержанию в ней частиц различной крупности и может быть изображен кривой (рис. 2.1), если по оси абсцисс отложить диаметр частиц, мм, а по оси ординат — суммарное содержание частиц диаметром, меньшим данного, в процентах.
Для характеристики неоднородности рыхлых пород используется отношение d60/d10=Kн называемое коэффициентом неоднородности (d60, d10 — максимальные диаметры кусков, составляющих 60 и 10% общего объема рыхлой породы соответственно).
Особенно важное значение гранулометрический состав породы имеет при процессах гидромеханизации. От него зависят удельный расход воды на разработку и транспортирование, наименьший допустимый уклон подошвы забоя и лотков, критическая скорость воды.
Угол естественного откоса φ — максимальный угол, образуемый свободной поверхностью рыхлой раздробленной породы с горизонтальной плоскостью. Частицы породы, находящиеся на этой поверхности, испытывают состояние предельного равновесия. Если вес частицы Р (рис. 2.2), то в состоянии предельного равновесия на свободной поверхности на частицу действуют силы: Рп — сила нормального давления, прижимающая частицу к свободной поверхности; Рτ — сила, стремящаяся сдвинуть частицу вниз; Fт — сила трения, зависящая от Рn и коэффициента трения fтр, R — реакция опоры. Поскольку частица находится в равновесии, имеем

Таким образом, угол естественного откоса зависит от коэффициента трения между кусками породы и поверхностью, по которой возможно ее скольжение. Для рыхлой (сыпучей) среды, например песка, он может быть определен с помощью цилиндрической емкости без дна. Емкость устанавливают на горизонтальной площадке и заполняют породой. Затем емкость поднимают и порода формирует свободную поверхность, соответствующую углу естественного откоса.
В общем случае угол естественного откоса зависит от шероховатости зерен, степени их увлажнения, гранулометрического состава и формы, а также от плотности материала. С увеличением влажности до некоторого предела у таких горных пород, как уголь или песок, угол естественного откоса возрастает. С увеличением крупности и угловатости частиц он также увеличивается. В целом у рыхлых пород он находится в пределах 0-40°.
По углам естественного откоса определяют максимальные допустимые углы откосов уступов и бортов карьеров, насыпей, отвалов и штабелей.

Лабораторная работа 1. Определение величины угла ссыпания и угла естественного откоса зернисто-кускового материала

Цель работы. Определить величины угла естественного откоса и угла ссыпания зернисто-кускового материала.

Теоретические положения . Зернисто-кусковой материал, лежащий на наклонной плос­кости (например, на наклонной плоскости бункера , на наклон­ном ленточном транспортере и т. д.), при определенном угле наклона этой плоскости к горизонту начинает ссыпаться по ней. Такой предельный угол наклона называется углом ссыпания.

В зависимости от формы кусочков можно наблюдать два ви­да движения кускового материала по плоскости ссыпания: сколь­жение и перекатывание. Скольжение наблюдается при кусках с развитыми плоскими гранями; передвижению кусков здесь препятствует трение скольжения между гранями кусков и плос­костью ссыпания. Качение наблюдается при форме кусков, близкой к шару. В этом случае передвижение куска происходит как скатывание его, с сопротивлением трения качения.

Предельное состояние покоя слоя кускового материала на наклонной плоскости имеет место тогда, когда сила трения F равна проекции М силы тяжести G на эту плоскость (рисунок 1). С другой стороны, эта же сила трения пропорциональна нор­мальному давлению кускового материала на наклонную плос­кость

F = M = fN ,

откуда f = М / N = tgα

где f – коэффициент трения, определяемый свойствами самого материала, равный tga ;

α – угол ссыпания зернисто-кускового материала.

Если рассматривать весь слой сыпучего материала , который перемещается по гладкой наклонной плоскости, то здесь, даже в случае кусков шарообразной формы, происходит скорее сколь­жение материала по плоскости, чем перекатывание, так как весь материал «течет» сплошной массой.

Угол ссыпания зависит от коэффициента трения материала о плоскость ссыпания, от формы и крупности кусков, от структу­ры поверхности, по которой происходит ссыпание (поверхность может быть гладкой, шероховатой, ребристой и т. д.), а также он влажности самого кускового материала.

Если насыпать зернисто-кусковой материал на горизонталь­ную плоскость, то он располагается на ней в виде конуса. Угол между образующей этого конуса и горизонтальной плоско­стью называется углом естественного откоса зернисто-кускового материала.

Угол естественного откоса всегда больше угла ссыпания (для одного и того же материала), так как наличие неровностей на поверхности материала препятствует скатыванию, а тем более скольжению кусков. Угол естественного откоса в большой степе­ни зависит от фракционного состава кускового материала, ибо последний определяет собой общую структуру поверхности ко­нуса. Эта разнородность размера кусков вызывает в то же вре­мя преимущественное скатывание крупных кусков материала на край насыпаемой кучи, вследствие того, что неровности поверх­ности оказывают меньшее сопротивление перекатыванию крупн ых кусков, чем мелких (рисунок 2). Неравномерное распределение кусков по крупности необходимо учитывать при загрузке насадочных абсорберов, шахтных печей и т. д., так как в местах рас­положения крупных кусков, т. е. на-периферии, получается боль­шее сечение каналов и газ пойдет преимущественно по этим ка­налам, имеющим меньшее гидравлическое сопротивление.

Тонко измельченные материалы имеют больший угол естест­венного откоса, т. е. меньшую сыпучесть, в связи с более разви­той поверхностью трения.

Угол естественного откоса значительно зависит от влажности материала, потому что вода, располагаясь на поверхности кус­ков, вызывает слипание их и тем самым затрудняет движение отдельных кусков. Чем меньше куски материала, тем больше проявляется влияние влажности; но чрезмерное увлажнение приводит к увеличению послойной текучести жидкости между кусочками материала, и угол естественного откоса вновь умень­шается (таблица 1).

Угол естественного откоса, град, для породы