Влияние отпора грунта низового склона на взаимодействие грунта оползня со сваями однорядных удерживающих сооружений

Противооползневая защита инженерных объектов на склонах часто производится с использованием железобетонных конструкций из буронабивных свай, защемленных в устойчивых породах и объединенных монолитным ростверком. С целью обеспечения устойчивости площадки строительства часто применяются удерживающие сооружения, расположенные со стороны низового склона.

Вопросами взаимодействия оползневого грунта укрепляемого склона с контрфорсными, в частности свайными, элементами удерживающих сооружений занимались Шадунц К. Ш. [1], Гинзбург Л. К. [2], Маций С. И. [3], Ито Т., Мацуи Т. [4], Адаши [5] и многие другие. Некоторые из исследований учитывают отпор грунта низового склона. Однако в силу принятых в них допущений (замена арочной формы зоны пластических деформаций на трапециевидную, жесткопластическая модель процесса продавливания, неучет трения грунта по свае и т. п.), они обеспечивают значительные погрешности при проектировании противооползневых удерживающих сооружений.

Автором проведены исследования [6], уточняющие и дополняющие результаты этих работ. С целью упрощения вычислений пассивный отпор грунта нижерасположенного склона в них в явном виде не учитывается. В результате несущая способность низового сооружения по продавливанию грунта получает заниженную оценку.

Методика исследования. Исследования проведены численным методом с использованием пакета конечно-элементного анализа PLAXIS. Расчеты проводились с учетом следующих условий и допущений.

Моделировалась работа однорядной свайной конструкции, предназначенной для удержания вышерасположенного склона без подрезки со стороны низового склона. Рассматривалась плоская задача — осесимметричный фрагмент бесконечно протяженного сооружения в горизонтальной плоскости (рисунок 1). Закрепление свай принято жестким. Поведение грунта описывалось упругой, идеально пластической моделью Кулона — Мора. Предельное давление грунта на сооружение q_max из условия непродавливания между сваями учитывалось как разница давлений грунта перед свайным сооружением (p_a) и за ним (p_b).

Рисунок 1. Расчетная схема модели продавливания грунта между сваями В рамках средств используемой программы сваи в расчетной модели представлены одной из симметричных половин «тоннеля» круглого сечения. Материалу обделки тоннелей-свай заданы достаточно высокие значения изгибной и нормальной жесткости, позволяющие пренебречь их собственными деформациями. Для моделирования работы грунта на контакте со сваями с возможностью проскальзывания или отрыва к «тоннелям» применены контактные поверхности («интерфейсы»). Моделирование активного оползневого давления p_a и пассивного отпора грунта p_b производилось соответствующими распределенными нагрузками по левой и правой границам расчетной схемы.

Вся расчетная область разбивалась на элементы средней крупности. В области влияния сооружения производилось измельчение сетки. Дополнительное сгущение сетки конечных элементов осуществлялось в непосредственной близости от свай при использовании соответствующего «тоннеля» без обделки и контактных поверхностей.

Рассмотрена однорядная удерживающая свайная конструкция при средних грунтовых условиях и разном расположении свай:

диаметр свай D, 1000 мм

шаг свай в ряду L, 1.25−6.0 D

удельное сцепление c, 20 кПа

угол внутреннего трения, 10.

модуль деформации E, 30 МПа

коэффициент Пуассона µ, 0.38.

коэффициент трения по свае, 0.6.

отпор грунта низового склона p_b, 0−250 кПа

Поскольку численные исследования выполнены для оползневых глинистых грунтов, угол дилатансии принят равным нулю.

Первоначальное нагружение в каждом численном эксперименте производилось до величины отпора грунта p_b посредством одновременного приложения одинакового давления выше и ниже свайного ряда по склону (p_a = p_b). Дальнейшее увеличение активного давления p_a проводилось при постоянной величине отпора грунта p_b в режиме автоматического пошагового нагружения вплоть до разрушения грунтового тела в межсвайном пространстве и начала пластического течения грунта. Изучение влияния отпора грунта на напряженно-деформированное состояние грунта околосвайного пространства производилось посредством изменения расстояния между сваями в ряду при разных величинах давления p_b.

Напряженно-деформированное состояние грунта. Исследовались поля относительных деформаций продольных и поперечных перемещений грунта, а также пластических зон по критерию Кулона — Мора. Перемещения грунта приняты продольными и поперечными относительно вектора оползневого давления.

В условиях отсутствия отпора грунта ниже сооружения по склону (p_b = 0 кПа) перед сваями формируются характерные области пластических деформаций, известные из более ранних исследований [3, 6]. В предельном пластическом состоянии они приобретают форму симметричных криволинейных треугольников или «лепестков», опирающихся на клинья уплотненного грунта перед сваями и обращенных в сторону верхового склона. Позади сооружения отмечается отрыв грунта от свай. При относительно небольшом расстоянии между сваями в ряду (L < 3.0D) «лепестки» смежных элементов смыкаются. Взаимодействие грунта со сваями характеризуется типом «однорядного сооружения» [6, 8] (рисунки 2, а…8, а).

Появление пассивного отпора грунта p_b существенно меняет характер взаимодействия грунта со сваями. При достаточно тесном расположении свай в ряду (L = 1.25D) и незначительном отпоре грунта между смежными элементами возникают новые смыкающиеся «лепестковые» области (рисунок 2, б).

Рисунок 2. Деформации грунта. Шаг свай L = 1.25 D.

Они имеют незначительные размеры и обращены в сторону низового склона. По мере роста отпора p_b «обратные лепестки» развиваются в этом же направлении. Внешняя граница пластической области достигает обратной стороны свай (рисунок 2, в). «Обратные лепестки» несколько смещаются от свай с образованием позади них клина грунта в растянутом состоянии (рисунок 2, г). Завершение формирования «обратных лепестков» сопровождается прекращением отрыва грунта позади свай и образованием здесь клина уплотненного грунта (рисунок 2, д). Дальнейшее увеличение отпора грунта не приводит к заметному изменению характера взаимодействия грунта со сваями (первый ряд «отдельно стоящих рядов свай» [6]).

оползневой давление сопротивление свая Рисунок 3. Деформации грунта. Шаг свай L = 1.75 D.

С увеличением шага свай L до (2.753.0)D растут величины отпора грунта p_b, соответствующие появлению и окончательному формированию «обратных лепестков». Пластические зоны «фронтальных» и «обратных лепестков» обособляются. Однако качественно характер деформирования грунта в зависимости от пассивного отпора p_b не меняется (рисунки 3−4).

Рисунок 4. Деформации грунта. Шаг свай L = 2.75 D.

Рисунок 5. Деформации грунта. Шаг свай L = 3.00 D (начало) По мере увеличения межсвайного интервала приблизительно до L = 3.0D в условиях отсутствия отпора грунта p_b, взаимовлияние между смежными элементами заметно ослабевает. «Фронтальные лепестки» практически размыкаются (рисунок 5, а), сваи работают как «отдельно стоящие» упоры [6]. Однако создание даже незначительного давления со стороны низового склона p_b приводит к смыканию фронтальных «лепестковых» зон у смежных свай, что обеспечивает их совместное сопротивление продавливанию грунта (рисунок 5, б). Просвет между областями пластических деформаций грунта перед сооружением и позади свай заметно увеличивается.

Рисунок 5 Деформации грунта. Шаг свай L = 3.00 D (окончание) Между сваями образуются новые поверхности сдвига, которые развиваются от точек смыкания смежных «лепестковых» зон к боковой поверхности свай со стороны межсвайного пространства. Образуется характерная область в форме ромба. В пределах «ромбовидной» зоны грунт испытывает только упругие деформации. По мере дальнейшего увеличения отпора грунта p_b развитие пластических областей приобретает характер, аналогичный более тесному расположению свай (рисунки 5, в… д).

При расстоянии между сваями в ряду L около 3.5D характер деформирования грунта в зависимости от величины отпора грунта p_b меняется. Интенсивность перемещений грунта в «ромбовидной» области выравнивается практически по всей ширине межсвайного интервала.

Рисунок 6. Деформации грунта. Шаг свай L = 3.50 D (начало) В непосредственной близости от боковой поверхности свай образуется «круговая» область пластических деформаций (рисунок 6, в), ограниченная поверхностью сдвига в форме дуги радиусом около (0.40.5)D. Поверхность развивается от основания уплотненного клина перед сваями к их боковой поверхности с обратной стороны. Ближе к моменту пластического течения она достигает основания уплотненного клина грунта позади свай (рисунки 6, г… д). Отмечается постепенная концентрация максимальных продольных перемещений грунта в «круговой» области.

Рисунок 6. Деформации грунта. Шаг свай L = 3.50 D (окончание) С увеличением шага свай до L = 4.25D и по мере роста пассивного отпора грунта p_b формирование «круговой» пластической области сопровождается образованием новой дугообразной поверхности сдвига радиусом около 0.85D (рисунок 7, г). Вторая поверхность развивается вдоль первой границы: от вершины уплотненного клина перед сваями к вершине клина грунта с обратной стороны. Одновременно с расширением «круговой» пластической зоны практически исчезают «лепестковые» области перед сваями (рисунок 7, в) и появляются «обратные лепестки» (рисунок 7, д).

Рисунок 7. Деформации грунта. Шаг свай L = 4.25 D (начало) В непосредственной близости от свай отмечается увеличение продольных перемещений грунта (в пределах «круговой» пластической зоны).

При расстоянии между сваями в ряду L около 4.75D «лепестковые» области пластических деформаций позади свай не образуются (рисунок 8).

Рисунок 7. Деформации грунта. Шаг свай L = 4.25 D (окончание) При достаточно большом давлении отпора p_b, максимальные перемещения грунта межсвайного пространства концентрируются в «круговых» пластических зонах. Между смежными «круговыми» зонами грунт перемещается равномерно. Свайные элементы работают в качестве своеобразных режущих элементов. При L > 4.75D характер деформирования грунта в зависимости от давления пассивного отпора p_b существенно не меняется.

Рисунок 8. Деформации грунта. Шаг свай L = 4.75 D (начало) Рисунок 8. Деформации грунта. Шаг свай L = 4.75 D (окончание).

Анализ предельных давлений. В результате расчетов однорядных свайных конструкций получены графики зависимостей критического оползневого давления (рисунок 9, а) и предельного давления на сваи (рисунок 9, б) при различных величинах пассивного отпора грунта p_b ниже сооружения по склону.

Анализ полученных данных позволяет установить следующее. Наличие отпора грунта способствует увеличению предельных оползневых давлений и давлений на сваи (далее — предельных давлений). Степень влияния давления отпора зависит от его величины p_b и расположения свай. Малые значения отпора грунта влияют не так сильно — предельные давления увеличиваются на 12−20%. При высоких величинах p_b влияние отпора существенно больше — коэффициент повышения предельных давлений составляет от 4.9 до 5.5 при p_b до 250 кПа. Влияние расположения свай на предельные давления более заметно сказывается при малых величинах отпора p_b < 100 кПа и шаге свай L < 2.5D (взаимовлияние смежных свай), а также при высоких значениях давления отпора p_b > 160 кПа и редком расположении свай L > 4.25D (работа свай как «режущих» элементов).

При величинах отпора грунта до некоторой пограничной величины (в нашем случае p_b 140 кПа) характер зависимостей аналогичен графикам без учета отпора грунта [6, 7]. С увеличением расстояния в осях между сваями предельные давления уменьшаются. Критическое давление на сваю уменьшается до определенного шага свай, определяющего взаимовлияние смежных контрфорсных элементов.

Увеличение отпора грунта p_b сверх критического значения приводит к заметному снижению предельных давлений на сваи при расстоянии между ними в ряду L > 4.25D. Видимо, это связано с концентрацией напряжений и сдвиговых деформаций в непосредственной близости от свай, что способствует образованию здесь «круговых» пластических зон.

Заключение

В результате исследования взаимодействия оползневого грунта со сваями однорядного свайного удерживающего сооружения (в рассмотренных грунтовых условиях) установлено следующее:

• 1. Учет пассивного отпора грунта ниже сооружения по склону позволяет повысить расчетное сопротивление конструкции продавливанию грунта минимум на 15−440% при шаге свай L = 2.5D.
• 2. Степень влияния отпора грунта с глубиной уменьшается, сопротивление продавливанию грунта повышается не менее чем на 20% при шаге свай до L = 6.0D.
• 3. При редком шаге свай (L > 4.25D) и на относительно большой глубине (p_b > 160 кПа) грунт деформируется около свай интенсивнее, чем в пролете. Сваи работают как «режущий» элемент.

Рисунок 9. Зависимости (а) критического оползневого давления грунта и (б) давления на сваю от шага свай L и пассивного отпора грунта pb.

• 1. Шадунц К. Ш. К расчету контрфорсных сооружений // Вопросы геотехники: Тр. ДИИТа, 1962. Вып. № 5. С. 24−42.
• 2. Гинзбург Л. К. Противооползневые удерживающие конструкции. М: Стройиздат, 1979. 81с.
• 3. Маций С. И. Взаимодействие свайных рядов с грунтом оползней: Автореферат диссертации. СПб., 1991.
• 4. Ito T. Extended design method for multi-row stabilizing piles against landslide. / T. Ito, T. Matsui, W.P. Hong // Soils and foundations. 1982. Vol. 22, № 1, pp. 1−13.
• 5. Adashi T. Model tests on the preventive mechanism of landslide stabilizing piles. / T. Adashi, M. Kimura, S. Tada // Doboku gakkoy rombunsu: proc. of JSCE, 1988. № 400, pp. 243−252
• 6. Деревенец Ф. Н. Взаимодействие оползневого грунта со сваями с учетом конфигурации удерживающего сооружения: Дисс. … канд. техн. наук. — Краснодар: КубГАУ, 2006 — 259 с.
• 7. Маций С. И. Применение метода конечных элементов для исследования взаимодействия грунтов оползня со сваями / С. И. Маций, Ф. Н. Деревенец // Основания, фундаменты и механика грунтов. — М.: Стройиздат, 2005. — № 4. — С. 8−12.
• 8. Маций С. И. Взаимодействие оползневого грунта со сваями с учетом конфигурации удерживающего сооружения / С. И. Маций, Ф. Н. Деревенец // Основания, фундаменты и механика грунтов. — М.: Стройиздат, 2007. — № 2. — С. 8−12.