Оценка устойчивости двухслойных грунтовых откосов и склонов на основе анализа их напряженного состояния

Оценка устойчивости откосов и склонов, прогноз оползней и их укрепление, продолжает оставаться актуальной проблемой в связи с все увеличивающимся дефицитом свободных земельных площадей, освоением оползнео-пасных территорий под строительство, а также активизацией имеющихся и появлением новых оползней, обусловленных вмешательством человека в геологическую среду. Особо остро этот вопрос стоит применительно к оползневым явлениям, происходящих на территории города Волгограда. Этому способствуют, во-первых, сильная расчлененность рельефа, во-вторых, сложные инженерно-геологические условия [58−60, 85]. Оползни вызывают значительное осложнение в транспортном и гидротехническом строительстве. Нередко оползни на дорогах приводят к более или менее длительным недопустимым перерывам в движении и к аварийным последствиям. Ставится под угрозу жизнь людей. Разрушаются культурные памятники. Вследствие этого наиболее ценные городские территории приходится исключать из плана застройки. Все эти обстоятельства вызывают необходимость разработки надежного и эффективного способа расчета устойчивости грунтовых массивов, в частности, откосов и склонов.

К настоящему времени опубликовано большое количество работ, издано ряд методических указаний [44, 54, 8], посвященных исследованиям устойчивости нагруженных и свободных от нагрузок откосов и склонов.

Устойчивость природных склонов и откосов обычно рассматривается с двух точек зрения. Геологи изучают эти процессы, на базе метода натурных наблюдений, используя опыт накопленный веками. Прямое использование этого метода без учета конкретных условий во многих случаях приводит к серьезным ошибкам: причиной тому — разнообразие природной обстановки и типов грунтов, условий их залегания, а также гидрогеологических условий. Инженеры исследуют надежность земляных сооружений, основываясь на законах механики грунтов. При таком подходе число ошибок, как правило, значительно сокращается, так как степень устойчивости оценивается количественно, а не качественно, что обеспечивает в ряде случаев определенный экономический эффект. Одновременно расчетные методы позволяют установить истинную причину потери устойчивости откосов и склонов (например, их чрезмерная крутизна при подрезке). Наиболее перспективным в решение данной проблемы является изучение напряженно-деформированного состояния НДС грунтового массива с применением метода конечных элементов МКЭ. Поэтому совершенствование методов исследования и расчета устойчивости откосов на основе анализа НДС, является актуальной задачей механики грунтов и горных пород [78].

Однако многие вопросы ещё недостаточно изучены, а в постановке и решении задач об устойчивости откосов и склонов имеется ряд недостатков. Основными недостатками существующих в настоящее время расчетных методов, является: отсутствие строгого анализа НДС грунтового массивааприорно принимается положение, что в приоткосной области вертикальные напряжения равны весу столба вышележащих пород, а горизонтальные составляют, примерно 1/3 от них (в зависимости от коэффициента бокового распора) — расчет устойчивости откосов и склонов проводится с использованием только вертикальной составляющей напряжений и без учета таких важных характеристик грунтов, как коэффициент бокового распора и модуля упругости.

Указанные недостатки во многих случаях не позволяют достаточно точно и надежно определять их устойчивость. Требуют дальнейшего изучения и совершенствования методы расчетов устойчивости неоднородных откосов и склонов, с помощью которых можно было бы устанавливать влияние всех факторов, влияющих на их устойчивость.

В предлагаемой работе в той или иной мере устраняются указанные недостатки. Все расчеты по определению величин коэффициентов устойчивости К выполняются с учетом трех составляющих напряжений в каждой точке приоткосной области с различными значениями коэффициентов бокового распора и модуля упругости. Форма и положение наиболее вероятных поверхностей разрушения бортов откосов определяется из условия минимальности величины К в каждой точке поверхности и зависит от физико-механических характеристик грунтов.

Таким образом, целью работы является:

— исследование влияния всех основных факторов на устойчивость двухслойных откосов и склонов;

— разработка инженерного способа расчета устойчивости двухслойных откосов и склонов;

— обоснование полученных результатов аналитических исследований посредством их сопоставления с натурными наблюдениями и результатами, полученными с использованием других расчетных методов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— исследовано влияние различных факторов (физико-механических свойств грунтов, в том числе модулей упругости и коэффициентов Пуассона грунтов, геологического строения и геометрических характеристик откосов) на распределение напряжений в приоткосных областях и устойчивость двухслойных откосов и склонов;

— разработана методика оценки устойчивости двухслойных откосов и склонов, которая, в отличие от существующих, учитывает все основные факторы и позволяет прогнозировать устойчивость склонов при условии мониторинга физико-механических характеристик грунтов.

Достоверность научных положений, выводов и полученных результатов обоснована и подтверждена:

— теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных положениях теории упругости, пластичности, линейной теории ползучести, механики грунтов и инженерной геологии;

— сравнением полученных численных результатов с известными решениями, которые, как частные, входят в разработанную расчетную методику;

— удовлетворительной сходимостью теоретических результатов с данными натурных наблюдений.

Практическая ценность работы заключается в возможности применения результатов исследования в практике строительства инженерных сооружений, а также при расчете и прогнозе устойчивости откосов и склонов. Применение методики в практике позволит в одних случаях прогнозировать оползневые явления, что сократит большие материальные затраты, связанные с ликвидацией их последствий, а в других может быть использована для определения рациональных параметров устойчивых откосов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСУ (Волгоград, 2002;2004 г. г.) — III Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, март 2003 г.) — Международной научной конференции «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2003 г.).

В работе содержится пять разделов. Первый раздел посвящен обзору современного состояния существующих методов расчета устойчивости откосов и склонов и анализу их недостатков. Второй — посвящен описанию географической среды, геологическому строению, гидрогеологическим условиям, физико-механическим свойствам грунтов, физико-геологическим явлениям и процессам происходящих на территории города Волгограда. В третьем разделе исследуется распределение напряжений в приоткосной области двухслойных откосов и склонов в зависимости от коэффициента бокового распора, отношения модулей упругости слоев Е]/Е2, угла наклона поверхности контакта слоев, а и крутизны откоса (3 в двухслойном откосе. В четвертом — исследуется взаимное влияние свойств верхнего и нижнего (основания) слоёв на устойчивость двухслойных склонов, для шести вариантов расположения в них слоев грунта выделенных в разделе 2. В пятом разделе приводится инженерный способ расчета коэффициента устойчивости двухслойных откосов и склонов, учитывающий все параметры, влияющие на их устойчивость с обоснованием полученных результатов аналитических исследований путем сопоставления их с известными расчетными методами и данными натурных наблюдений.

Все расчеты, выполненные в диссертации, проведены с помощью компьютерной программы, разработанной в ВолгГАСУ на кафедре информатики и вычислительной математики, включающей фрагменты расчетных методов профессоров В. К. Цветкова и А. Н. Богомолова.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю докт. техн. наук, профессору В. К. Цветкову за помощь, ценные советы и указания, полученные в процессе работы над диссертацией.

ВЫВОДЫ.

1. Разработан инженерный способ расчета устойчивости двухслойных откосов и склонов для шести вариантов расположения в них слоев грунта с построением удобных графиков и выводом простых формул, позволяющий упрощать расчеты и определять величины коэффициентов устойчивости в любой момент времени, если известно, изменение свойств пород с течением времени.

2. Произведено сравнения коэффициентов устойчивости, вычисленных различными известными методами, которое показало, что в двухслойных откосах результаты каждого расчетного метода, не учитывающего все три составляющие напряжения и коэффициент бокового распора, соответствуют одному конкретному значению отношения модулей упругости слоев грунта Е1/Е2 — при Е1/Е2 >5,64 ни один из перечисленных методов (табл. 5.2), не позволяет проводить оценку устойчивости откосов и склонов. Игнорирование этого отношения при определении коэффициентов устойчивости может привести к ошибкам до 45%.

3. Результаты расчетов устойчивости реальных оползневых объектов с использованием предлагаемой методики показали хорошую сходимость с данными натурных наблюдений (во всех случаях iCd). Установлено, что к моменту образования оползня прочностные свойства грунтов имеют значения близкие к их минимальным значениям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Совершенствование методов оценки устойчивости откосов и склонов, а также несущей способности оснований сооружений относится к числу актуальных задач. Надежность строительных сооружений в значительной мере зависит от устойчивости основания, на котором они возводятся. Строительство сооружений зачастую проходит в сложных грунтовых условиях, когда основаниями являются естественные откосы и склоны. Основная задача настоящей работы, заключается в дальнейшем развитии предложенного профессором В. К. Цветковым метода расчета устойчивости грунтовых массивов на основе анализа напряженного состояния их приоткосных областей с учетом всех основных физико-механических характеристик пород. Полученные данные позволяют сделать основные выводы по работе.

1. Анализ существующих методов расчета устойчивости грунтовых массивов позволил установить, что основными недостатками большинства аналитических методов являются отсутствие строгого анализа напряженного состояния приоткосных областей и научно обоснованной методики построения наиболее вероятной поверхности разрушения. Сформулированы основные задачи исследования и выбран метод их решения.

2. Выполнен анализ рельефа, геологического строения, гидрогеологических условий, физико-геологических явлений и процессов, а также геометрических характеристик естественных склонов, расположенных на территории г. Волгограда. Установлено, что среди современных инженерно-геологических процессов, происходящих на территории города, наибольшую опасность представляют оползни берегов р. Волги, балок и оврагов. В результате обобщения всей имеющейся информации об оползнях на территории г. Волгограда было выделено для последующего анализа устойчивости восемь типов грунтов и шесть вариантов их расположения в двухслойных склонах, которые чаще всего подвержены разрушению. Установлены пределы изменения основных физико-механических свойств грунтов естественных склонов, подверженных оползням.

3. Проанализировано влияние различных факторов на распределение напряжений в двухслойных откосах. Увеличение коэффициента бокового распора |л, например, от 0,5 до 0,75 увеличивает горизонтальные напряжения на 30н-50%, а касательные — на 27+42%. Вертикальные напряжения, за исключением приконтурной области, практически от ц. не зависят. С уменьшением отношения модулей упругости верхнего и нижнего слов Ei/E2 в большинстве точек приоткосной области значительно уменьшаются горизонтальные и касательные напряжения и перераспределяются вертикальные. Изменение угла наклона контакта слоев от 6 до 17″ оказывает меньшее влияние на распределение напряжений в приоткосной области, чем изменение угла наклона откоса в интервале 184−36°.

4. Исследовано взаимное влияние верхнего и нижнего (основание) слоев на устойчивость двухслойных склонов для шести вариантов расположения в них слоев грунта. Определено влияние на коэффициент устойчивости: плотности, сцепления, угла внутреннего трения, модулей упругости грунтов, угла наклона контакта слоев, высоты и крутизны склона.

Исследования показали, что в зависимости от варианта расположения слоев максимальное влияние свойств грунта основания на коэффициент устойчивости склона составляет 40+86%, а влияние свойств верхнего слоя — 704−140%.

Увеличение угла откоса от 18° до 36°уменынает величину К на 32+44%. Влияние угла наклона контакта слоев при его изменении от 6° до 17° на коэффициент устойчивости склона незначительно (не более 10%). Установлено, что среди естественных склонов города Волгограда наиболее устойчивыми являются те, у которых нижний слой песчано-алевритовая порода, а наименее устойчивыми — с глиной в основании. Определены минимальные значения коэффициентов устойчивости, при которых в приоткосной области появляются пластические зоны, что позволяет классифицировать откосы и склоны по степени их устойчивости.

5. На основе проведенных исследований разработан инженерный способ расчета устойчивости двухслойных склонов и откосов с построением удобных графиков и выводом простых формул, позволяющий упрощать расчеты и оперативно определять величины коэффициентов устойчивости в любой момент времени, если известно изменение свойств грунтов. Сравнение результатов расчета коэффициентов устойчивости с другими известными расчетными методами показало, что при расчете двухслойных откосов и склонов результаты каждого расчетного метода, не учитывающего все три составляющие напряжений, соответствуют некоторому фиксированному значению отношения Ех/Е2, и при Ех/Е2 >5,64 ни один из перечисленных методов не позволяет проводить оценку их устойчивости. Игнорирование этого отношения при определении коэффициента устойчивости может привести к значительным ошибкам (до 45%). При аналитическом исследовании оползневых склонов, расположенных на территории г. Волгограда, установлено, что к моменту образования оползня прочностные характеристики грунтов близки к своим минимальным значениям.

Сопоставление результатов расчетов устойчивости реальных объектов с использованием предлагаемой расчетной методикой (в отличии от других методов) показало хорошую сходимость с данными натурных наблюдений (во всех случаях К<1).