Применение принципа возможных перемещений для оценки степени устойчивости нагруженных откосов как оснований сооружений

В настоящее время задачи оценки и прогноза устойчивости откосов грунтовых сооружений, а также определения их рациональных и безопасных параметров приобретают все большее значение.

Основными причинами этого являются использование под строительство новых территорий, которые во многих случаях могут быть оползнеопасными, а также стремление минимизировать степень вмешательства в окружающую среду при возведении грунтовых сооружений, открытой разработке полезных ископаемых, устройстве полигонов ТБО и многое другое.

Нарушение устойчивости нагруженных техногенных откосов, являющихся основаниями зданий или составными частями грунтовых сооружений (дамбы, насыпи, плотины и т. д.), сопровождается огромным материальным ущербом, а нередко и возможными человеческими жертвами. Поэтому определение рациональных параметров нагруженных откосов в промышленном, гражданском, транспортном, гидротехническом строительстве, а также бортов карьеров и отвалов при устройстве полигонов твердых бытовых отходов и разработке полезных ископаемых открытым способом с учетом максимального количества различных факторов, влияющих на их устойчивость, имеет большое практическое значение.

Кроме того, существующие аналитические и численные методы расчета вне зависимости от того, на какой теоретической базе они построены, содержат большое количество недостатков и необоснованных допущений, ставящих под сомнение достоверность получаемых результатов. Поэтому, задача, посвященная совершенствованию методов расчета устойчивости нагруженных грунтовых откосов, является актуальной и предопределяет необходимость проведения дальнейших исследований.

Исследованием напряженного состояния грунтовых массивов и процессов разрушения успешно занимались отечественные и зарубежные ученые: Д. М. Ахпателов, В. Ф. Бабков, А. А. Бартоломей, А. Н. Богомолов,.

JI. К. Гинзбург, М. Н. Гольдштейн, Э. М. Добров, А. Г. Дорфман, Е. П. Емельянова, Г. С. Золотарев, Н. Н. Маслов, У. X. Магдеев, 3. Г. Тер-Мартиросян, Р. Р. Чугаев, В. К. Цветков, Н. А. Цытович, К. Ш. Шадунц, Г. М. Шахунянц, A. S. Azzous, A. W. Bishop, С. S. Desai, М. Garber & R. Baker, А. К. Ghuqh, R. G. Hennes, J. Karstedt, U. Keizo, S. Makoto & J. Kiyoshi, N. Morgenstern, C. Narajan, D. J. Palladino, Peterson, Т. W. Smith, S. Sarma, S. D. Wilson, G. P. Tschebotarioff, D. W. Taylor, K. Terzagi, N. Janby и Другие.

Однако, многие вопросы до сих пор еще недостаточно изучены, а используемые в настоящее время методы расчета устойчивости нагруженных откосов и склонов содержат ряд недостатков.

Целью настоящего диссертационного исследования является разработка инженерного метода расчета устойчивости нагруженных откосов, базирующегося на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива и использовании принципа возможных перемещений.

Этот метод должен включать в себя простые формулы и графики, позволяющие вычислять величину коэффициента запаса устойчивости однородного откоса прямолинейного профиля, имеющего изменяющиеся в широком диапазоне значения геометрических параметров и физико-механических свойств грунта, и находящегося под действием равномерно распределенной нагрузки произвольной ширины и интенсивности, произвольным образом расположенной на берме откоса.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

— выявить факторы, оказывающие определяющее влияние на напряженно-деформированное состояние и степень устойчивости нагруженных откосов;

— получить количественные зависимости величины коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса от этих факторов;

— проанализировать их и записать аналитические аппроксимации этих зависимостей;

— разработать инженерный метод расчета устойчивости нагруженных откосов и формализовать его в компьютерной программе;

— провести сопоставление результатов аналитических исследований с результатами лабораторных исследований, полученных нами и независимо от нас другими авторами, и данными натурных наблюдений.

При решении поставленных задач использовались методы:

— теории упругости (метод конечных элементов — для определения напряжений и построения их изолиний в приоткосных областях, методы теории функций комплексного переменного для отработки граничных условий, накладываемых на расчетную конечно-элементную схему);

— теории пластичности в форме прямолинейной огибающей наибольших кругов напряжений — при определении наиболее вероятных поверхностей скольжения;

— аналитической механики — принцип возможных перемещений;

— ВолгГАСУ, включающий компьютерную программу «Устойчивость (напряженно-деформированное состояние)» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2 009 613 499 от 30 июня 2009 г.) для построения НВПР и определения минимальных коэффициентов устойчивости откосов;

— графоаналитический — при разработке инженерного метода расчета устойчивости нагруженных откосов и склонов;

— моделирования на эквивалентных материалах — при проведении лабораторных исследований.

Научная новизна. Установлено и исследовано влияние численных значений переменных расчетных параметров (физико-механические свойства грунтов, геометрические параметры откосов и внешней нагрузки, ее интенсивности и т. д.) на распределение напряжений и перемещений в приоткосных областях и устойчивость откосов. Разработан метод оценки устойчивости нагруженных откосов и склонов, в котором, в отличие от существующих, сделана попытка исключить из рассмотрения природное напряженно-деформированное состояние грунтового массива, использовав для этого принцип возможных перемещений. При этом особым образом выбираются величины перемещений, а методика построения наиболее вероятной поверхности скольжения опирается на анализ напряженного состояния грунтового массива с учетом величины коэффициента бокового давления грунта и т. д.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована: использованием при проведении исследований фундаментальных положений теории упругости, пластичности, линейной теории ползучести, механики грунтов и инженерной геологииудовлетворительной сходимостью полученных аналитических результатов исследований с известными результатами натурных наблюдений и результатами моделирования процесса разрушения нагруженных откосов на моделях из эквивалентных материалов.

Практическая ценность работы заключается в возможности применения результатов исследований в гражданском, промышленном и транспортном строительстве, отраслях промышленности, связанных с добычей полезных ископаемых при определении рациональных параметров нагруженных откосов различных инженерных сооружений. Использование предлагаемого расчетного метода позволяет в одних случаях избежать аварийных ситуаций, а в других — определить рациональные параметры откосов грунтовых сооружений, обеспечивающие получение экономического эффекта за счет существенного сокращения объема земляных работ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСУ (Волгоград, 2010;2012г.г.) — VI Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2011 г.) — The International Practical Conference on the subject «The mutual activities of the local executive power and municipalities in the preparation of people, economy and environment for the protection» (Baki, 2011), Международной научнотехнической конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (Пермь, 2012 г.), семинарах кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ (2010;2012г.г.).

Личный вклад автора заключается в:

— разработке на основе МКЭ математико-механической модели для решения поставленных задач;

— разработке алгоритма вычисления величины коэффициента запаса устойчивости, исключающего влияние природного напряженно-деформированного состояния на получаемый результат;

— вычислении на персональном компьютере напряжений и перемещений в приоткосных областях, построении наиболее вероятных линий скольжения и вычислении коэффициентов запаса устойчивости при различных значениях физико-механических характеристиках грунтов, интенсивности нагрузки и геометрических параметров объектов (рассмотрено более 9216 вариантов);

— разработке инженерного метода расчета устойчивости нагруженных откосов, включающего в себя удобные графики и формулы для решения различных задач оценки и прогноза устойчивости нагруженных откосов и склонов, а также в разработке на его основе компьютерной программы;

— проведении сравнения полученных аналитических результатов с известными результатами лабораторных исследований и натурных наблюдений.

На защиту выносятся-. результаты исследования влияния различных факторов на распределение напряжений и перемещений в приоткосных зонах исследуемых объектов, положение и форму наиболее вероятной поверхности скольжения и величин соответствующих коэффициентов запаса устойчивости;

— алгоритм расчета величины коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса, позволяющий исключить влияние начального напряженно-деформированного состояния на конечный результат;

— инженерный метод расчета устойчивости нагруженных однородных откосов, разработанный на основе анализа напряженно-деформированного состояния приоткосных областей с учетом большинства параметров, влияющих на их устойчивость, включающий удобные графики и простые формулы, а также разработанная на его основе компьютерная программа;

— результаты сравнения результатов, полученных в диссертационной работе аналитических решений, с результатами моделирования процессов разрушения нагруженных откосов, выполненных нами и сторонними исследователями на моделях из эквивалентных материалов и результатами натурных инструментальных наблюдений за поведением реальных объектов.

Результаты исследований внедрены: в учебном процессе при выполнении курсового и дипломного проектирования на кафедрах «Строительные конструкции, основания и надежность сооружений» и «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета и в ООО «НПФ Инженерный центр «Югстрой» при уточнении устойчивости и оценки возможности дальнейшей нормальной эксплуатации нагруженных откосов строительного котлована в ходе обследования на объекте «Комплекс трех 24-х этажных жилых домов со встроенными помещениями, подземной автостоянки и многофункционального здания».

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 научных статьях, три из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка литературы из 121 наименований и приложений общим объемом 163 страницы, включает 46 рисунков и 18 таблиц.

Работа выполнена на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам кафедры и научному руководителю заслуженному работнику ВШ РФ доктору технических наук, профессору А. Н. Богомолову за ценные советы, замечания, помощь и поддержку, оказанную автору во время работы над диссертацией.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Существующие методы расчета устойчивости откосов вне зависимости от того, на какой теоретической основе они базируются, содержат большое количество недостатков и необоснованных допущений, ставящих под сомнение достоверность получаемых результатов. Поэтому решение задачи совершенствовании методов расчета устойчивости грунтовых откосов, является актуальной.

2. Природное напряженно-деформированное состояние грунта невозможно адекватно оценить методами теории упругости. Игнорирование природного НДС при расчете устойчивости откосов обуславливает существенные ошибки, возникающие при решении задачи.

3. Предложен алгоритм расчета величины коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса, основанный на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива и принципе возможных перемещений, отличающийся от известных тем, что из рассмотрения исключается природное напряженно-деформированное состояние грунта, при этом особым образом выбираются величины возможных перемещений, методика построения наиболее вероятной поверхности скольжения, учитывается величина коэффициента бокового давления грунта и т. д.

4. Использование анонсированного алгоритма позволяет в одних случаях избежать аварийных ситуаций, а в других — определить рациональные параметры откосов грунтовых сооружений, обеспечивающие получение экономического эффекта за счет существенного сокращения объема земляных работ. Кроме того, существует ряд задач, которые могут получить адекватное решение только на основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива.

5. На основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива и нового подхода к применению принципа возможных перемещений получены графические зависимости величины коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса от численных значений переменных расчетных параметров, рассмотренных в диссертационной работе. В частности, установлено, что при любых значениях угла заложения откоса (3, его высоты Н, интенсивности внешней нагрузки q и физико-механических свойств грунта, минимальное значение коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса К* соответствует условиям Ь=0,5Н, ¿-/=0,8Н и при дальнейшем увеличении с1 и Ъ практически не меняется.

Введение

в рассмотрение корректирующих коэффициентов к и к2 позволяет определять значения К при Ь<0,5Н, ¿-/<0,8Я.

6. Полученные на основе анализа результатов множества численных решений задач об устойчивости нагруженных откосов база данных, графические зависимости и расчетные формулы послужили основой компьютерной программы, в которую формализован разработанный инженерный метод. Тестирование этой компьютерной программы путем сопоставления получаемых с ее помощью результатов с результатами расчетов, выполненных с использованием КП «Устойчивость. Напряженно-деформированное состояние», имеющей государственную регистрацию, показывают, что они отличаются друг от друга на 6,9−7,7%, что говорит о возможности ее использования в практических целях.

7. Обработка экспериментальных данных, полученных нами, и не зависимо от нас другими исследователями, показала, что численные значения коэффициентов запаса устойчивости, вычисленные на основе предлагаемого инженерного метода, отличаются не более чем на 10% от их предельного значения К=1, которое соответствует разрушению модели.

При проведении расчета устойчивости реального нагруженного откоса получен результат К=0,97, что совершенно адекватно отражает поведение исследуемого объекта в натуре — его разрушение.

Поэтому, предложенный алгоритм расчета устойчивости нагруженных грунтовых откосов, разработанный на его основе инженерный метод и формализующая его компьютерная программа, могут быть рекомендованы для практического применения.