Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

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

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Оценка устойчивости двухслойных грунтовых откосов и склонов на основе анализа их напряженного состояния"

На правах рукописи

Кашлев Руслан Игоревич

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ДВУХСЛОЙНЫХ ГРУНТОВЫХ ОТКОСОВ И СКЛОНОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ИХ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

25 00.08 - " Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2005 г.

Работа выполнена в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете (Води'АСУ).

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Цветков Владимир Константинович

Официальные оппоненты: - доктор геолого-мияералогических наук,

профессор Шубин Михаил Алексеевич - кандидат технических наук, доцент Кондратов Владимир Александрович

Ведущая организация: - Кубанский государственный

аграрный университет г. Краснодар

Защита диссертации состоится 17 мая 2005 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.01 в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВолгГАСУ.

Автореферат разослан 14 апреля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

тот

J

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с все увеличивающимся дефицитом свободных земельных площадей, освоением оползнеопасных территорий под строительство, а также активизацией имеющихся и появлением новых оползней, обусловленных вмешательством человека в геологическую среду, оценка устойчивости откосов и склонов и их укрепление, а также прогноз оползневых явлений продолжает оставаться актуальной проблемой Оползни вызывают значительное осложнение в транспортном и гидротехническом строительстве, что нередко приводит к остановке транспорта и аварийным последствиям. При этом ставится под угрозу жизнь людей, разрушаются культурные памятники, исключаются из плана застройки наиболее ценные городские территории.

Поэтому, разработка надежного и эффективного способа расчета устойчивости откосов и склонов явчяется актуальной задачей

Объектом исследования являются естественные склоны и огкосы различных инженерных сооружений, расположенных ча территории т Волгограда.

Целью диссертационной 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.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи

- проанализировать и обобщить имеющуюся информацию об оползнях на территории г. Волгограда, выявить главные оползнеобраз>юшие породы и

установить диапазон изменения физико-м гтов гео-

метрических характеристик естественных склонов и откосов, подверженных оползням;

- обосновать выбор методов решения и разработать математико-механическую расчетную модель;

- исследовать влияние различных факторов на распределение напряжений в приоткосной области;

- провести анализ атияния геометрии и свойств грунтов на коэффициент устойчивости двухслойных откосов и склонов;

- разработать инженерный способ расчета коэффициента устойчивости двухслойных откосов и склонов;

- сравнить полученные результаты аналитических исследований с другими расчетными методами и сопоставить их с данными натурных наблюдений.

При решении поставленных задач использовались методы:

- теории упругости (конечных элементов - для определения напряжений и построения их изолиний в приоткосных областях);

- теории п частичности (условие пластичности в форме прямолинейной огибающей наибольших кругов напряжений - при построении пластических зон),

- линейной теории ползучести три прогнозировании изменения во времени прочности грунтовых массивов;

- профессора В К. Цветкова - для построения наиболее вероятных поверхностей разрушения (НВПР) и определения минимальных коэффициентов устойчивости К откосов и склонов,

- графоаналитический - при разработке инженерного способа расчета устойчивости откосов и склонов.

Научная новизна:

- исследовано влияние различных факторов (физико-механических свойств фунтов, в том числе модулей упругосж и коэффициентов Пуассона фунтов, геологического сфоения и геомефичеа их 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 резутьтатов 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 стучаях прогнозировать оползневые явления, что сократит большие материальные затраты, связанные с ликвидацией их последствий, а в других может быть использована для определения рациональных параметров откосов и склонов

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.)

На защиту выносится:

- методика расчета устойчивости двухслойных откосов и склонов, учитывающая все основные параметры, влияющие на их устойчивость,

- результаты исследования влияния физико-механических характеристик слоев грунта, а также геометрии поперечного сечения двухслойных откосов и склонов на распределение напряжений в приоткосиой области;

- инженерный способ оценки устойчивости откосов и склонов с ис-польюванием удобных графиков и простых формул, а также определения величин коэффициентов устойчивости откосов при условии отсутствия в приоткосиой области зон нарушения сплошности (ЗНС),

- апробация расчетной методики посредством расчета устойчивости конкретных оползневых склонов.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в пяти научных статьях.

Структура и объем диссертации Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка используемой литературы из 93 наименований, содержит 177 стр машинописного текста, 51 рисунок, 13 таблиц и приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цели и задачи работы нзучная новизна, основные положения, выносимые на защиту, а также отражено краткое содержание диссертации

Первый раздел работы посвящен обзору современного состояния существующих методов расчета устойчивости откосов и склонов, анализу их недостатков Исследованиями напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов, их устойчивостью и процессами разрушения успешно снимались многие советские и зарубежные ученые Ахпателов Д М , Бабков В Ф , Бишоп А , Богомо юв А Н , Бурмейстер Б А . Гольдштейн М Н , Гату-стьян Э Л. Дудинцева И. Л Демин А М , Дорфман А Г, Емельянова Г П , Зо-

лотарев Г". С., Иванов А. И , Курленя М. В , Маслов Н Н , Миренков В Е , Попов В. Н, Пузыревский Н П, Соколовский В В , Спенсер, Тер-Мартиросян 3. Г., Тейлор Д , Трумбачев В Ф., Феллениус В , Федоров И. В , Фисенко Г. Л., Хуан Я X , Цветков В К., Цытович Н. А., Чугаев Р. Р., Ша-дунц К Ш., Шахунянц Г. М., Шемякин Е И., и многие другие

К основным методам прогноза устойчивости склонов и откосов относятся !) натурных наблюдений (в том числе метод аналогий); 2) аналитический; 3) моделирования в лабораторных и натурных условиях

Приведенные расчетные методы позволяют оценивать степень устойчивости как однородных, так и неоднородных грунтовых массивов, а также склонов с фиксированной поверхностью скольжения, совпадающей, например, с трещиной или слабой прослойкой И только совместное использование этих трех методов гарантирует надежность и долговечность получаемых результатов исследований.

Методы расчёта устойчивости откосов и склонов можно разделить нч следующие группы.

1. Приближенные (инженерные) методы (Терцаги, Маслова-Берера, Г. Л. Фисенко, Крея, Р Р. Чугаева, Г. М Шахунянца и многие др.). В методах исполыуется модель отвердевшего отсека трунта и предположение о том, что поверхность разрушения известна и может быть круглоцитандрической, плоской или в виде логарифмической спирали. Способы этой группы до сих пор применяются в инженерной практике для расчета устойчивости земляных сооружений (насыпи, выемки, земляные плотины).

2. Методы, основанные на строгих положениях теории предельного равновесия, заключающиеся в совместном решении дифференциальных уравнений равновесия произвольного элемента, выделенного из грунтовой среды, и условия предельного напряженного состояния, записываемого в виде зависимости Мора (прежде всего труды В. В. Соколовского). Так как решение В В Соколовского плоской ¡адачи предельного напряженного сп-сюяния сыпучей среды громозтко бы ш <_оианы графики и приближенные

формулы (Б А Бурмсйсгера, И С Мухина и А И. Сраговича, А М Сенко-ва, Т. К Клейна) для построения откоса в состоянии предельного равновесия Эти методы часто сводятся к решению двух практически важных задач' определение величины максимального давления на горизонтальную поверхность массива, при котором откос заданного очертания остается в равновесии, и определение формы устойчивого откоса предельной крутизны

3 За последние 40 лет появитесь решения, позволяющие аналитически в замкнутом виде определять напряжения в грунтовых массивах при воздействии их собственного веса и других поверхностных нагрузок. Среди аналитических методов в настоящее время можно выделить два направления' численные методы (метод конечных разностей и метод конечных элементов) и методы, основанные на строгих решениях ("метод комплексных переменных, разработанный Г. В. Колосовым и Н И. Мусхелишвили). Знание напряженного состояния грунтового массива и физико-механических характеристик позволяет определять степень его устойчивости (В К. Цветков, 3. Г. Тер-Мартирасян, Д. М. Ахпателов и А. Н. Богомолов).

Основными недостатками большинства аналитических методов является отсутствие строгого анализа напряженного состояния приоткосных областей, а именно наиболее вероятная поверхность разрушения принимается заранее известной и не зависит от физико-механических характеристик грунтов; при рассмотрении равновесия массива вместо трех уравнений равновесия часто используется одно; при решении рассматривается полубесконечный откос, то есть не учитывается влияние подошвы на распределение напряжений в лриоткосной области; вместо трех составляющих напряжений в каждой точке приоткосной области при решении плоской задачи учитывается только одна, вертикальная равная весу столба вышележащих пород, при расчете коэффициентов устойчивости не принимаются во внимание такие важные характеристики пород, как коэффициент бокового распора и модуль упругости слоев

Во втором разделе на основании работ А. Ф. Чепрасова, В. Н. Синя-кова, С. В Кузнецовой, М А Шубина, С. Н. Егорова, Н А. Самуся приводится краткая характеристика рельефа, геологического строения, гидрогеологических условий, физико-геологических явлений и процессов, а также, устанавливается диапазон изменения геометрических характеристик естественных склонов, расположенных на территории города Волгограда, и физико-механических характеристик грунтов, влияющих на их устойчивость.

Рис. 1. Местоположение оползневых склонов в хвалынских и майкопских глинах в г. Волгограде 1 - майкопские глины, 2 - хвалынские глины; 3 - граница городской черты

Наиболее распространенными породами, участвующих в образовании оползней, являются хвалынские шоколадные и майкопские глины. Менее распространены оползни, связанные с хазарскими песками и элювиально-делювиальными отложениями. В резульга е проведенных проф М. А Шубиным исслеловашш и обобщения имеют йся информации о I 17 опоиняч.

осуществлено их картирование Так, на рис 1 представлена схема расположения оползневых склонов в хвалынеких и майкопских глинах на территории города.

В разделе отмечается, что, кроме геологических, геоморфологических и гидрогеологических условий, на развитие оползней г. Волгограда оказывает влияние следующая группа факторов: эрозионная деятельность Волги; сезонные изменения метеорологических условий; изменение прочностных свойств пород, связанные с выветриванием, набуханием; инженерная деятельность человека и др.

На основании данных, приведенных в разделе, были выделены для дальнейших исследований, следующие варианты расположения слоев грунта в двухслойных склонах- хватынская глина (X, верхний слой) - песчано-алевритовые породы (Па, нижний слой)1'; майкопская глина - песчано-аленритовые породы, М-П.а; Хвалынска» глина - хазарский песок, Х-П; скифская глина - ергенинский песок, С-П; хвалынская глина ательские глинистые породы, Х-А; насыпные фунты - хвалынская глина, Н-Х. Значения основных физико-механических свойств пород приведены в табл 1.

Таблица 1

Физико-механические свойства .фунтов слагающих оползневые склоны

Наименование грунта Ус чов-нос обозначение Плотность грунта у,кН/м3 Козффици-ент внутреннего трення tgф Сцеп-тение с кПа Модуть деформации £ ч11а Ко1ф-фици-ент боковою распора

Хвалынская пина X 17,2-19,8 0,07-0 22 28-80 5-28 | 0,75

Майкопская, скифская глина М.С 16,8-18.4 0,176-0,363 32-60 6-42 0,75

Песчано-алевритоные породы П а 19 6-21 4 0,46-0.72 31-62 14-45 | 0,5

Песок (хазар ерген) П 15 3 172 0 52-0 74 3-6 13-70 ' 0.5

Атетьские пиьистые породы, насыпные грун гы А, Н 165-176 0 176-0 364 1 30-58 ! 1 4-38 0,75

"В дальнейшем вариант с -мим расположением слоев будет обозт-чагься так' Х-П а

Проведенный в диссертации анализ (обзор) рельефа, ! еологических и гидрогеологических устовий территории г. Волгограда показал, что природные условия Волгограда являются неблагоприятными для развития инженерно-хозяйственной деятельности города и строительства различного вида объектов

В третьем разделе исследуется влияние коэффициента бокового распора ц, отношения модулей упругости слоев грунта Е^Е2, угла наклона поверхности контакта слоев а и крутизны откоса (3 на распределение напряжений в приоткосной области двухслойных склонов и откосов (рис. 2, индекс «1» при у, с и Е обозначает верхний слой, «2» - нижний).

При определении напряжений используется МКЭ. Размеры математи-ко-механической расчетной модели, число и размеры треугольных элементов, а также граничные условия определены таким образом, чтобы оказались равными напряжения, вычисленные в одних и тех же точках однородной приоткосной области МКЭ и методом функции комплексного переменного Результаты расчетов получены в виде изолиний безразмерных (деленные на уН) вертикальных горизонтальных ст^ и касательных т( напряжений

,0,1 '0 2

/I

ь2

уя

Рис 2 Эпюры безразмерных горизонтальных напряжений по контакту стоев Анализ распределения напряжений в приоткосной области (при Р = 26°, а. = 11 'и Ь=10 м) показал, что увеличение коэффициента бокового распора от 0,5 до 0.75 \ветичиваег горизонтальные напряжения на 30 -50%, а

касательные - на 27+42%. Вертикальные напряжения, за исключением при-контурной зоны, практически о г ц не зависят.

Исследование влияния отношения модулей упругости Е, ¡Ег на распределение напряжений вдоль контакта слоев (для р = 30о,а=11°, h=20 м) рассматривалось при 3 (слабое осчование) и EjE7=\/3 (прочное ос-

нование) Обработка результатов расчета показала, что вертикальные составляющие напряжений существенно зависят от величины отношения EjE, Так, при слабом основании они больше на 40%, чем при прочном С удалением от приоткосной области напряжения становятся равны друг другу и не зависят от отношения модулей упругости слоев. Касательные напряжения в точках, находящихся вблизи от подошвы склона (точки 1 -4, рис. 2), больше при слабом основании на 10+88%. Их максимальное значение концентрируется в точке с координатами y--!,7h, x=0,6h и достигают 0,19- 0,22yh. Зависимость горизонтальных составляющих напряжений от отношения модулей упругости слоев показана на рис. 2 Из рисунка видно, что при слабом основании в точках 1+4 напряжения больше в 1,2-2,3 раза, чем при прочном основании, но, начиная с точки 5 становятся меньше в среднем на 28%

При исследовании влияния геометрии откоса на величины напряжений быто установлено, что изменение угла контакта слоев а с 6° до 17° при р - const не оказывает существенного влияния на значения напряжений в приоткосной области, но с увеличением угла оiкоса |3 от 1 8° до 36° при постоянном а все напряжения в приоткосной области увеличиваются среднем в 2-3 раза.

В четвертом разделе разрабатывается методика расчета устойчивое ги двухслойных откосов и склонов с учетом всех основных факторов, влияющих на их устойчивость Для этого исследуется взаимное влияние свойств верхнего и нижнего слоев грунта, а также геометрии откоса на коэффициент устойчивости двухслойных склонов для шести вариантов расположения в них слое а грунта, выделенных во втором разделе

При решении этого вопроса необходимо учитывать тринадцать параметров (десять физико-механических характеристик - у, 2,с, ,,<р, 2 ,,Е,, и три геометрических - Ъ,а и Р), что возможно осуществить с использованием метода проф. В. К. Цветкова Согласно этому методу форма и положение наиболее вероятной поверхности разрушения в приоткосной области определяется из условия минимальности величины коэффициента устойчивости К (т е. отношения удерживающих к сдвигающим силам) в каждой точке поверхности. Величина коэффициента устойчивости определяется известной формулой теории упругости

К ах + Су + (ау - ах)соз2а' + 2тХу • 81п2а' + X

tg^p (ох -Оу)'5т2а' + 2тХу -со82а'

2с

где: X =--- параметр устойчивости; (2)

у И ■ tg(p

а' - угол между положительным направлением оси ОХ и касательной к НВГТР в рассматриваемой точке (рис 3)

Коэффициент ^ойчиыэсы 1С пр>: ^иаг.гг"« фнзгно рактеристиках массива ч его геометрических размерах яв >чется функчией угла а', величина которого при Ктт определяется выражением

51п2а' = 2Ы тХу + (ох - оу) - ¿V" , (3)

где: £=•(<?£ ~ауУ +4-тдгу'", Л'= ^с^. + л.^ .

На основе этой методики для схемы, изображенной на рис. 3, рассмотрено влияние на устойчивость двухслойных склонов характеристик верхнего и нижнего слоев (параметра устойчивости /,, тангенса угла внутреннего трения , отношения модулей упругости).

При расчете устойчивости слоистых откосов возможны следующие два случая построения ЕГО ПР. наиболее вероятная поверхность разрушения пересекает слои, частично или полностью совпадает с контактом слоев.

В первом случае решение проводится аналогично решению для однородною откоса, т е берется несколько точек на подошве (точка О) и на контуре о 1 коса, из которых по вышеизложенной методике строятся поверхности разрушения и определяется та поверхность, для которой коэффициент устойчивости минимален

г

I

Рис. 3. Схема построения наиболее вероятной поверхности разрушения (Р = 26°, а = 11°)

Во втором случае на контакте слоев берется несколько точек (1, 2, 3, рис. 3), из которых по вышеуказанной методике строятся наиболее вероятные поверхности разрушения и вычисляются удерживающие и сдвигающие силы для этих поверхностей и соответствующих участков контакта слоев А1, А2, АЗ, А4 Складывая удерживающие и сдвигающие силы, действующие на участке поверхности разрушения, совпадающей с контактом слоев и поверхностью разрушения выходящей из её точек (1С, 2В. ЗД рис 3), а затем, вычисляя их отношение, находится коэффициент устойчивости К вдоль всей поверхности разрушения После этого из графиков зависимости К от ЫЬ (£ -расстояние от подошвы откоса до точек 1, 2, 3, 4) определяется местоположение точки, через которую проходит наиболее вероятная поверхность разрушения, и наименьшее значение К. Сравнивая эту величину К с коэффициентом устойчивости, полученным в первом случае, определяем фактическое положение НВПР и наименьшее значение коэффициента устойчивости (К0) для рассматриваемого склона.

Проведенные исследования показали, что коэффициент устойчивости склона линейно (с точностью до 5%) зависит ог К-,, и отношения Е,/ Е,

Так, на рис. 4 приведены для нескольких вариантов графики зависимости К0 (минимальный коэффициент устойчивости, полученный при средних значениях характеристик верхнею слоя) от / , и ^ср-,.

ч;

и»'

ш

4-

-1—1-

Н

(г 7 гбф;

(14----07- - и«/;

1И I) о

Рис. 4. График зависимости Кп от Л2 (а) и от ге<р2 (б) Обработка результатов расчета показала, что с уменьшением параметра

устойчивости основания Х2 (увеличением /г, ф2,у2 или уменьшением с2) и tgф2oт максимального до минимального значения (табл 1), устойчивость склона уменьшается соответственно на 8^55% и на 12-^33% а изменение отношения модулей упругости слоев грунта Е, '£_, от максимального до минимального значения увеличивает ветичину Л" на 25- 60% в зависимости от варианта распочожения слоев грунта в склоне Установлено, что изменение А.2^ф2 и в указаннык пределах оказывает наибольшее влияние на

устойчивость склонов с глиной в основании, а наименьшее - с песчаным основанием.

Анализ влияния на устойчивость двухслойных склонов параметра устойчивости и угла внутреннего грения верхнего слоя (л, и ср,), выполнялся при средних значениях характеристик основания по той же схеме (рис. 3) По резулыатам расчетов построены графики зависимости Киот и ф,, имеющие для всех шест вариантов аналогичные зависимости. Один из этих графиков изображен на рис 5а. Из рисунка видно, что с заменой песчаного основания песчано-алевритовым устойчивость склона увеличивается Установлено, чго наиболее устойчивым склоном при (3 -26° и а~11° является ва-риаН|Х-Па а наименее устойчивым Н-Х Дтя исс I ювачия влияния упа

откоса Р дополнительно были рассмотрены два варианта. В первом Р~36°, во втором -18°, угол а в обоих случаях равнялся 11°.

Ко

34^

>44-.

З» Г-

!Нг

И

2.8Ц I—1—

А ,

2 6| 2 4 2 2^ 20 ],Я 1,6| 1,4 1,2

\>Ч1 Г^ГА I

оЧ^

5к,

0 325

Ж

0.726

1еЭ

а)

б)

Рис. 5. График зависимости Кп от А, и ф, (а) для вариантов Х-П.а

(сплошные), Х-П (пунктирные) и от (б) На рис 56 для шести вариантов расположения слоев грунта в двухслойных склонах построены графики зависимости К{) ог tg$, при средних значениях ).,, ср,, ср. Из них видно, что наибольшее влияние угла р на устойчивость склона имеет место в варианте Х-П.а, который так же остается самым устойчивым, наименьшее влияние и наименее устойчивым склоном является Н-Х. Проведенный анализ вшячия угла наклона контакта слоев «, изменяющийся в интервале от 6°до 17°, на коэффициент устойчивости склона, при постоянном р, показал незначительное изменение в устойчивости склонов (в пределах 10%). А так как, графики, полученные в этом разделе, построены при среднем значении и , то с точностью то 5% угол а в расчетах учитывается.

Кроме этого, в диссертации исследуется устойчивость двухслойных склонов при наличии в их приогкосных областях пластических зон. По результатам расчетов (при Р=26") были получены ми щмальные значения ко-

эффициентов устойчивости К' для шести вариантов расположения слоев, при котором в приоткосной области появляются пластические зоны Так для' Х-П.а, Х-П /С*=1,4; М-Г1 а, Н-Х Л"=1,8, С-П А"=1,7; Х-А К"^ 1,6.

Исходя из этого, предлагается следующая классификация степени устойчивости склонов: при К £ 1 склон неустойчив (ЗНС максимальных размеров); при К > К* склон вполне устойчив (ЗНС отсутствуют); неравенство 1 <К<К' означает, что в приоткосной области имеются пластические зоны, поэтом> склон - относительно устойчив

В литературе встречается следующая оценка степени устойчивости откосов и склонов: вполне устойчивые при К >2; относительно устойчивые 1,2<К"<2,0, мало устойчивые 1<Л"<1,2; неустойчивые К < 1

Отсюда следует, что предлагаемая классификация степени устойчивости склонов не содержит категории "мало устойчивые" откосы и склоны Дтя выяснения, что понимается под этой категорией были определены д 1я вари антов Х-П а, М-П.а, Х-А размеры ЗНС при /С-1 и 1,2 Оказалось, что при \<К< 1,2 пластические зоны составляют 56-2Я% от плошади АЕВ2 (ря^ 3)

В пятом разделе на основании исстедований, проведенных в гре^ы дущем разделе получена формула для определения наименьшего ¿начегия коэффициента устойчивости двухслойных откосов и склонов

К-К0( а,Х2 Ь,) (а21§Ф, ^Ъ2) (алЕ,/Е2 гЬ3) (а41§2[3 - Ь4:ёр - с), (4) где а1,Ь1,а2,Ь2,а3,Ьз - безразмерные коэффициенты уравнений прямо ти-нейных зависимостей К0 от и Е^Е2 \ <з4,Ь4,с - безразмерные ко>ф-

фициенты уравнений кривых изображенных на рис. 56, Ка - коэффициент устойчивости, определяется из графиков рис 5а. Первые три скобки учитывают влияние на устойчивость склона параметра устойчивости основания, тангенса угла внутреннего трения основания и отношения модулей упру гости слоев грунта, а четвертая - влияние уI ла (3.

Методика определения К состоит в следующем Для заданных значений физико-механических характеристик грунтов верхнего слоя, основания и

крутизны склона определяются ,tg(p,, EjE2 и igß. Затем для рассматриваемого варианта из таблицы, приведенной в диссертации, выписываются безразмерные коэффициенты, входящие в формулу (4), а из графиков рис 5а и аналогичных ему для остальных вариантов определяется Ка Подставляя эти значения в формулу (4) находим К Проиллюстрируем методику определения К двухслойного склона, на примере.

Дано: ß=32°, а = 16°, А=26 м, E¡¡E2-1,5, верхний слой - хвалынская глина (с=60 кПа, ср=8°, ^ =0,75, у=19 кН/м3); нижний слой - песок (с=5 кПа, ф=30°, р.=0,5, у=15,8 кН/м3). Определить К

По этим данным находим, что tg(p2 =0,577, tgß=0,624, а по формуле (2) и трафикам рис. 5а определяем >.,=1,74, >.2 =0,042 и А'0=1,64 Для варианта Х-П коэффициенты аиb,,a2,b2,a3,b3,aí,bi,с, имеют следующие значения-1,64; 0,94; 0,94; 0,416; -0,105; 1,026; 2,165; -3,347, 2,12 Подставляя их в фор-чулу (4) получим, что К -1,2 Сравнивая эту величину с Ä" = l,4 видим, что К<К',т.е склон относительно устойчив

Для сравнения результатов расчета устойчивости по предлагаемой методике с другими известными аналитическими методами определялся коэффициент устойчивости одного и того же двухслойного склона со следующими характеристиками- заложение склона 1.1,5; высота h= 16 м; угол наклона контакта слоев а=18°; характеристики верхнего слоя (плотность грунта y = 18KH/MJ, угол внутреннего трения ф = 24°, сцепление с^17,4 кПа); характеристики нижнего слоя (у = 16кН/м^, ф = 10°, с-Ю кПа).

В табл. 2 представлены результаты расчета коэффициента устойчивости К этого склона четырьмя известными методами, а также методом проф В К. Цветкова и предлагаемым автором. Первых четыре метода не учитывают ни распределение напряжений в приоткосной области, ни коэффициент бокового распора ц, ни отношение модулей упругое i и слоев £", 1Е-,

Таблица 2

Сопоставление различных методов расчета устойчивости

№ Метод Значение коэффициента устойчивости К ет/ь 2

1 Маслова (Fp) 0.76 5,64

2 Терцати и Чугаева 0 84 4,21

3 Чугаева (весового давления) 0.97 1,71

4 Маслова- Берера 0,99 1,36

5 Цветкова 1,03-0,78 1-8

6 Предлагаемый 1-0,63 1-8

В методе 5 вышеуказанные недостатки устраняются, но не учитывается коэффициент бокового распора нижнего слоя и вошожность прохождения НВПР ниже контакта слоев. Сопоставление результатов расчетов, выполненных с использованием методов 5, 6 показывает, что величины А* отличаются на 3-20%, это объяснятся тем, что при E:l'E2~l поверхность разрушения частично совпадает с контактом слоев, а при Е,/Е2 =8 - проходит ниже контакта

Вычислив по известной величине К, с помощью формулы (4), для первых четырех методов значения отношении Е,/Е? видим, что при EJF-, >5,64 ни один из этих методов не позволяет проводить оценку устойчивости откосов и склонов (табл 2) Следовательно, первые четыре метода являю ся частными случаями предлагаемого метода, так как коэффициент устойчивости К соответс гвуег некоторому фиксированному значению отношения Ь,, Е2

Оценка эффективности использования пред тагаемой методики проведена на конкретных примерах Данные о физико-механических характеристиках пород, слагающих склоны, отсутствуют, поэтому расчеты по оценке устойчивости проведены при минимальных и средних их значениях (табл !) Для минимальных значений физико-механических свойств грунтов имеем

1 Оползень 1941 года на 10-м километре а д Вотгоград-Са тьск В расчетах принимаются стетуюшие характеристики склона до оползни yiui

склона ¡3 = 18°, высота Ь=30 ч Верхний слой - хвалынская глина, нижний слой - песок Отношение Е,/Е2-0,9 На основании графиков, таблиц и формул (2), (4), приведенных в реферате и диссертации, пол>чим К-0,71, то есть рассматриваемый двухслойный склон находился в неустойчивом состоянии, и появление оползня следовало ожидать. Для этих же данных, используя например, метод "горизонтальных сил" Маслова-Берера, коэффициент устойчивости равен А=2,1, что не соответствует натурным наблюдениям

2. Оползень у стапепроволочно-канатного завода 1952 г. До оползня (3 = 30°, 11=20 м. Верхний слой - хвалынская глина, нижний слой - песок Отношение £,1/£2=0,9. По результатам расчетов значение коэффициента устойчивости А" получилось равным 0,72. При этом коэффициент устойчивости, вычисленный по методу "круглоцилиндрических поверхностей скольжения" равняется 1,08 После оползня угол откоса (3 = 17°. Новое значение коэффициента устойчивости Я=1,06 Сравнив этот результат с коэффициентом К'=1,4 видим, что склон из неустойчивого состояния перешел в "относительно устойчивое". Подтверждением этому являются трещины, образовавшиеся в октябре 1965 г.

3 Оползень правого склона балки "Солянка" До оползня угол склона р = 23°, высота Ь=20 м. Верхний и нижний слой - майкопская глина. Отношение Ех/Е2 =1 Расчет устойчивости показал, что коэффициент устойчивости А=0,98. По методу "круглоцилиндрических поверхностей скольжения" коэффициент устойчивости равняется 1,12 После оползня Р = 16°. Ь=17 м, т.е. 2 = 1,32, ЛГо=1,5 и А=1,37. Сравнив его с коэффициентом К*=1,6 видно, что в результате оползня склон из категории "неустойчивых" перешел в разряд "относительно устойчивых".

Проведенный аналогичный расчет при средних значениях характеристик грунтов (табл. 1) показал, что величииы коэффициентов устойчивости в

среднем увеличились на 40%, т е в рассматриваемых примерах величина К в среднем равна 1,15

Полученные результаты дают основание считать, что к моменту образования оползня прочностные свойства грунтов имеют промежуточные значения между минимальными и средними Об этом говорят и результаты лабораторных исследований физико-механических свойств оползневых глин, проведенных Гидропроектом и НижневолжТИСИЗом на участке опотзня, рассмотренного в примере 2, и оползня, произошедшего в 1971 г вблизи Иркутского оврага аналогичного оползню, рассмотренному в примере 1 tgф1 -0,118. с,~44,8 кПа; tg(pl =0,087, с 1 =36 кПа. Сравнив эти значения с данными, приведенными в табл. 1, видим, что они близки к минимальным

Таким образом, результаты расчетов устойчивости откосов и склонов с использованием предлагаемой методики, учитывающей все основные параметры, влияющие на их устойчивость, в значительно большей мере по сравнению с другими методами, соответствуют натурным наблюдениям

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Анализ существующих методов расчета устойчивости грунтовых массивов ггозвотил установить, чю основными недостатками большинства аналитических методов являются отсутствие строгого анатиза напряженно!о состояния прио1 косных областей и научно обоснованной методики пос!роения наиболее вероятной поверхности разрушения. Сформутированы основные задачи исследования и выбран метод их решения

1 Выполнен анализ рельефа, геологическою 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, наиботьшую опасность представляют опо пни берегов р Волги, балок и овраюв В ре ¡у тьтате обобщения всей имеющееся информации об оползнях на иррп,1.

рии г. Волгограда было выделено для последующего анализа устойчивости восемь типов грунтов и тесть 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 ц, например, от 0,5 до 0,75 увеличивает горизонтальные напряжения на 30-50%, 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 E¡/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 18-^-36°.

4 Исследовано взаимное влияние верхне1 о 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 -70-г140% Увеличение угла откоса от 18°до Зб^уменьшает величину К на 32-44% Влияние утла 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 гюро-

да, а наименее устойчивыми - с глиной в основании. Определены минимальные значения коэффициентов устойчивости, при которых в приогкосной области появляются пластические зоны, что позволяв! классифицировав откосы и склоны по степени их устойчивое!и

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 грунтоь 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 Е1/Ег>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, распочоженных на территории г Волгограда, установлено, что к моменту образования оползня прочностные характеристики 1рунтов близки к своим минимальным значениям

Сопосгзв тение результ ггов расчетов устойчивости реальных обосаов с использованием предлагаемой расчетной методикой (в отличии от других методов) показало хорошую сходимость с данными натурных наблюдений (во всех случаях К<\)

Основное содержание работы опубтиковано з следующих работах 1 Цветков, В К Прогно! и расчет устойчивости грунтовых откосов V склонов / В К. Цветков Р И Кашлев // Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций материалы Ш Междунар ьауч-гехн ч-онф Ч 2 - Волгограт Изд-во ВолгГАСЛ - 2003 - С 99-101

2 Цветков, В К Анализ напряженного состояния неоднородных грун-грунтовых откосов / В. К Цветков, Р И Кашлев//Городские агломерации на оползневых территориях- материалы Международ науч. конф 4 2.- Волгоград Изд-во ВолгГАСА. - 2003 - С. 118- 121.

3 Кашлев, Р. И. Влияние угла наклона контакта слоев и крутизны откоса на распределение напряжений в приоткосной зоне / Р. И Кашлев // Вестн. ВолгГАСУ. Сер Естеств науки - 2004, - Выпуск 3(10). - С 46-48

4. Цветков, В. К Влияние физико-механических свойств грунтов на устойчивость двухслойных склонов / В К Цветков, Р И. Кашлев // Вестн. ВолгГАСУ. Сер Техн. науки. 2004, - Вып 4(12). - С. 12-16

5 Цветков, В. К Разработка методики расчета устойчивости двухслойных склонов и откосов 1 В. К Цветков, Р И. Кашлев // Вестн. ВолгГАСУ. Сер Техн. науки. - 2004, - Вып. 4(12). - С. 17-20.

В работе [1] автором поставлены задачи и выбран метод их решения; в работе [2] - исследуется влияние различных факторов на распределение напряжений в приоткосной области, в работах [4], [5] - разрабатывается методика исследования устойчивости двухслойных откосов и склонов, и инженерный способ расчета устойчивости

Кашлев Руслан Игоревич Оценка устойчивости двухслойных фунтовых откосов и склонов на основе анализа их напряженного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 6 апреля 2005 i формат 60x84/16. Бумага офсетная Печать трафаретная Гарнитура "Times New Roman" Усл.-печ. л. -1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 49S

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет 400074 t Волгоград уп Академическая 1 11ентр информационных техно-ioi ий Сектор оперативной полиграфии

f-7 h7 1

PH Б Русский фонд

2006-4 3787

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Кашлев, Руслан Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИЗУЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ И СКЛОНОВ

1.1. Обзор существующих методов расчета устойчивости откосов и склонов.

1.1.1. Методы оценки устойчивости массива грунта однородного сложения.

1.1.2. Оценка устойчивости неоднородных откосов и склонов

1.2. Анализ недостатков существующих расчетных методов

1.3. Постановка задачи. Выбор методов решения

Выводы

2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРРИТОРИИ г. ВОЛГОГРАДА

2.1. Общие сведения об инженерно-геологических условиях, исследуемой территории.

2.1.1. Рельеф

2.1.2. Геологическое строение

2.1.3. Грунтовые воды

2.2. Особенности инженерно-геологических процессов на территории города

2.3. Физико-механические свойства грунтов, подверженных оползням.

Выводы

3. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ДВУХСЛОЙНЫХ ОТКОСОВ И СКЛОНОВ

3.1. Выбор математико-механической расчетной модели. Влияние коэффициента бокового распора на распределение напряжений в приоткосной области

3 .2. Зависимость напряжений от отношения модулей упругости слоев

3.3. Влияние угла наклона контакта слоев и крутизны склона на распределение напряжений в приоткосной области

Выводы

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ДВУХСЛОЙНЫХ ОТКОСОВ И СКЛОНОВ

4.1. Методика расчета устойчивости откосов и склонов

4.2. Влияние свойств основания на устойчивость склонов

4.2.1. Параметр устойчивости.

4.2.2. Угол внутреннего трения

4.2.3. Отношение модулей упругости слоев

4.3. Влияние свойств грунтов верхнего слоя на устойчивость двухслойных склонов

4.4. Влияние угла наклона контакта слоев и крутизны склона на их устойчивость

4.5. Пластические зоны (ЗНС). Минимальный коэффициент устойчивости склона, при котором появляются ЗНС

4.6. Равноослабленные области. Ширина призмы обрушения

Выводы

5. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ДВУХСЛОЙНЫХ

ОТКОСОВ И СКЛОНОВ

5.1. Инженерный способ расчета устойчивости двухслойных откосов и склонов.

5.2. Сравнение полученных результатов с известными результатами аналитических исследований

5.3. Сопоставление предлагаемой расчетной методики с данными натурных наблюдений

Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "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 массива; априорно 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.

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Кашлев, Руслан Игоревич

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).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Кашлев, Руслан Игоревич, Волгоград

1. Агишев И. А. Зависимость между пористостью и модулем деформации, установленная полевыми испытаниями глинистых грунтов // Основания и фундаменты. Научно-техн. бюлл. 1957. - № 20. - С. 23-28.

2. Амусин Б. 3., Фадеев А. Б. Метод конечных элементов в горной геомеханике. -М.: Недра, 1975. -142 с.

3. Бабков В. Ф. Устойчивость земляного полотна автомобильных дорог. М.: Высшая школа, 1966.

4. Богомолов А. Н. Устойчивость нагруженных и укрепленных рядом свай откосов: Дис. .канд. техн. наук.— Пермь, 1987. —218 с.

5. Вопросы инженерной геологии, проектирования и строительства оснований и фундаментов в Нижнем Поволжье: Тез. докл. и науч. сооб. Конф. ВолгИИГХ. Волгоград, 1973. - 157 с.

6. Вопросы инженерной геологии, проектирования и строительства оснований и фундаментов в Волгоградском Поволжье: Сб. тез., докл. и науч. со-общ. конф. ВолгИСИ. Волгоград, 1977. - 104 с.

7. Геология района сооружений Волго-Дона / В. Д. Галактионов, Г. И. Горец-кий и др. Волгоград.: Госэнергоиздат, 1960. - 86 с.

8. Гинзбург Л. К. Рекомендации по выбору методов расчета коэффициента устойчивости склона и оползневого давления. М.: ЦБНТИ Минмонтаж-спецстроя СССР, 1986. - 124 с.

9. Голушкевич С. С. Плоская задача теории предельного равновесия. М.: Гостехиздат, 1948. - 148 с.

10. Гольдштейн М. Н. Вариационный метод решения задач об устойчивости грунтов // Вопросы геотехники: Межвуз. сб. науч. трудов. Днепропетровск, 1969. - № 16. - С. 3-23.

11. Добров Э. М. К оценке напряженного состояния откосов и склонов: Сб. трудов / Союздорнии. вып. 24. - Балашиха.: Изд. Союздорнии, 1968. - С. 75-85.

12. Добров Э. М., Хоружий Э. Ф. Учет напряженного состояния склонов и откосов при оценке их устойчивости: Тр. Союздорнии. — вып. 51 (1). М.: Изд. Союздорнии, 1972. - С. 45-89.

13. Добров Э. М., Саккаев Ю. Г., Хоружий Э. Ф. Оценка напряженного состояния откосов земляного полотна на базе теории дискретных сред: Тр. Союздорнии. -вып. 74. -М.: Изд. Союздорнии, 1974. С. 39-46.

14. Дорфман А. Г. Вариационный метод исследования устойчивости откосов // Вопросы геотехники: Межвуз. сб. науч. трудов. — М.: Транспорт, 1965. -№9.-С. 17-26.

15. Дорфман А. Г. Расчет свободных и удерживаемых склонов // Тр. Союз-дорНИИ. Вып. 74. М., 1974. - С. 23-32.

16. Дорфман А. Г., Туровская А. Я. Исследование устойчивости склонов // Вопросы геотехники: Межвуз. сб. научн. Трудов. Днепропетровск, 1975. -№24.-С. 132-156.

17. Дудинцева И. Л. Определение поверхности выпора и коэффициента устойчивости склона // Инж. геология. 1984. - №5. - С. 47-56.

18. Егоров С. Н. Физико-механические свойства хвалынских шоколадных глин территории Волгограда // Материалы совещания по оползням Волгограда: Сб. ВСЕГИНГЕО. М., 1963. - С. 65- 58.

19. Егоров С. И. Нормативные и расчетные показатели сопротивления сдвигу некоторых типов грунтов Волгоградского региона // Изв. вузов. Геология и разведка. 1964. - №1. - С. 24-27.

20. Емельянова Е. П. О теоретических основах сравнительного метода оценки устойчивости склонов // Гидрогеология и инженерная геология: Сб. 22. -М.: Недра, 1969.

21. Емельянова Е. П. Основные закономерности оползневых процессов. М.: Недра, 1972.-281 с.

22. Ержанов Ж. С., Каримбаев Т. Д. МКЭ в задачах механики горных пород. -Алма-Ата: Наука, 1975. 238 с.

23. Жумбаев Б., Степанов В. Я. Исследование напряженного состояния оснований и бортов склонов методами теории упругости // Аналитические методы и вычислительная техника в механике горных пород. — Новосибирск, 1975.-С. 37-43.

24. Зелинский И. П., Каменева Ю. А. и др. Моделирование напряженного состояния и устойчивости пород оползневого склона. — М.: Изд. ВНИТИ, 1970.

25. Зелинский И. П., Пангаев В. Ю. и др. К вопросу оценке напряженно-деформированного состояния оползневых склонов // Инж. Геология. — 1989.-№ 6.-С. 112-118.

26. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и механике сплошных сред. — М.: Недра, 1974. — 238 с.

27. Зиангиров Р. С., Воскресенская JI. С. и др. Инженерно-геологическая характеристика техногенных отложений Москвы // Инженерная геология. -1980. -№ 1.-С. 38-50.

28. Золотарев Г. С., Максимов С. Н. Изучение напряженного состояния массивов пород в инженерно-геологических целях. — М.: Изд. МГУ, 1968. -136 с.

29. Золотарев Г. С. Опыт оценки устойчивости склонов сложного геологического строения методом конечных элементов и экспериментами на моделях. М.: Изд. МГУ, 1973. - 276 с.

30. Изыскание, проектирование и строительство в сложных инженерно-геологических условиях Волгограда: Сб. док. и науч. сообщений ВолгИ-ИГХ. Волгоград, 1966. - 233 с.

31. Кандауров И. И. Механика зернистых сред и её применение в строительстве. JI. — М.: Стройиздат, 1966. - 319 с.

32. Канов Ю. С. Моделирование предельного состояния откосов // Тр. ВНИ-МИ. сб. 64.- 1968.

33. Кашлев Р.И. Влияние угла наклона контакта слоев и крутизны откоса на распределение напряжений в приоткосной зоне // Вестник ВолгГАСУ. Сер.: Естеств. науки. 2004. Выпуск 3(10). С. 46-48.

34. Клейн Г. К. Строительная механика сыпучих тел. — М.: Гостройиздат, 1956.-252 с.

35. Козлов Ю. С., Могалов А. М. Подбор и определение физико-механических и деформационных характеристик искусственных смесей для моделирования откосов // Тр. ВНИМИ. сб. 60. — 1966.

36. Костерин Э. В. Расчет общей устойчивости откосов траншей трубопроводов // Вопросы устойчивости и деформируемости грунтов: Сб. науч. тр. СибирАДИ. Омск: Запсибиздат, 1970.

37. Костерин Э.В. Напряженное состояние и устойчивость крутых откосов выемок. — Омск: Запсибиздат, 1973.

38. Кюнтцель В. В. и др. Некоторые теоретические аспекты региональных прогнозов оползней // Гидрогеология. Инженерная геология и строительные материалы: Сб. М.: Недра, 1980, - С. 193- 199.

39. Магдеев У. X. Пространственная задача об устойчивости откосов // вопросы геотехники: Межвуз. сб. науч. трудов. Днепропетровск, 1972. - № 21.-С. 120-129.

40. Макеев 3. А. Инженерно-геологическая характеристика майкопских глин (южная часть Волгоградской области Центральное Предкавказье). — М.: наука, 1963.- 114 с.

41. Маслов Н. Н. Механика грунтов в практике строительства. — М.: Стройиз-дат, 1977.-319 с.

42. Маслов Н. Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. М.: Высшая школа, 1987. - 511 с.

43. Мелихикер Ш. Г. Общий гидрогеологический очерк // Геология района сооружений Волго-Дона. М. - Д.: Госэнергоиздат, 1960.

44. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов, уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. Л.: ВНИ-МИ, 1972.- 165 с.

45. Метод конечных элементов в статике сооружений / Я. Шмельтер, М. Дац-ко, С. Доброчинский и др.; Пер. с польского М. В. Предтегенского; Под ред. В. Н. Сидорова. М.: Стройиздат, 1986. - 220 с.

46. Муллер А. К. К статической теории распределения напряжений в зернистом грунтовом основании // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1962.-№4.-С. 4-6.

47. Мусхелишвили Н. И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Изд. АН СССР, 1954. - 647 с.

48. Мухин И. Е., Срагович А. И. Построение предельных контуров равноус-тойчивых откосов. М.: Изд. АН СССР, 1954.

49. Покровский Г. И. Исследование по физике грунтов. М.: ОНТИ, 1937. — 135 с.

50. Покровский Г. И., Федоров И. С. Центробежное моделирование в строительном деле. -М.: Стройиздат, 1968. 247 с.

51. Потапова Н. Н. Оценка устойчивости грунтовых откосов и несущей способности оснований сооружений на основе анализа распределения напряжений и перемещений: Дис. . канд. Техн. наук. Волгоград, 2001. - 205 с.

52. Резников М. А. Вариационный метод в расчетах устойчивости горных пород. М.: Недра, 1991. - 184 с.

53. Рекомендации по инженерно-геологической типизации оползневых склонов применительно к задачам оценки устойчивости и инженерной защиты / ПНИИИС Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1984. - 80 с.

54. Рекомендации по количественной оценке устойчивости оползневых склонов. -М.: Стройиздат, 1984. 78 с.

55. Рогозина 3. И. Методы "горизонтальных сил" и "наклонных сил" в свете оценки степени устойчивости реальных оползневых склонов: Тр. Союз-дорнии, вып. 74. М.: Изд. Союздорнии, 1974. - С. 23-37.

56. Розовский JI. Б. Введение в теорию геологического подобия и моделирования (Применение природных аналогов и количественных критериев подобия в геологии). М.: Недра, 1969.

57. Сахаров А. С., Кислоокий В. Н. Метод конечных элементов в механике твердых тел. Киев: Высшая школа, 1982. - 480 с.

58. Синяков В. Н., Кузнецова С. В. Современные геологические процессы на территории Волгоградской городской агломерации: Анализ прогноз, принципы и перспективы управлений: Деп. в ВИЭМС, № 258 МГ от 27.01.1987.-2 п. л.

59. Синяков В. Н., Кузнецова С. В. Инженерно-геологическое райнирование Нижнего Поволжья и прилегающих территорий // Инженерная геология. -1981.-№4.-С. 26-37.

60. Синяков В. Н., Цветков В. К., Кузнецова С. В. Типизация оползневых склонов и прогноз их устойчивости на основе анализа напряженного состояния (на примере Г. Волгограда): Реферат. ВолгГАСА, 1999, - 16 с.

61. Соколовский В. В. Статика сыпучей среды. М.: Физматгиз, 1960. - 243 с.

62. Соловьев Ю. И. Устойчивость откосов из гипотетического грунта // Тр. ин- та / Новосибитский ин-т инж. ж.-д. Тр-та. 1962. Вып. 28. С. 37-41.

63. СниП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений. М.: Госстрой СССР, 1988.

64. СниП 2.06.05-84*. Плотины из грунтовых материалов. М.: Госстрой СССР, 1991.

65. Справочник по инженерной геологии. М.: Недра, 1981. — 283 с.

66. Тихвинский И. О. Оценка и прогноз устойчивости оползневых склонов. -М.: Наука, 1988.-144 с.

67. Трумбачев В. Ф., Молодцева JI. С. Применение оптического метода для исследования напряженного остояния пород во круг горных выработок. -М.: Изд. АН СССР, 1963. 95 с.

68. Туманов С. JI. Разработка способа расчета устойчивости уступов и бортов карьеров с учетом их взаимного влияния: Дис. . канд. Техн. наук. Волгоград, 1990.-229 с.

69. Ухов С. Б. Метод конечных элементов и его возможности при расчете совместной работы гидротехнических сооружений и оснований // Гидротехническое строительство. 1973. - № 11.

70. Фисенко Г. J1. Устойчивости бортов карьеров и отвалов. М.: Недра, -1965.-378 с.

71. Хуан Я. X. Устойчивость земляных откосов. М.: Стройиздат, 1977.

72. Цветков В. К. Расчет устойчивости откосов и склонов. Волгоград: Ниж-не-Волжское кн. изд., 1979. - 238 с.

73. Цветков В. К. разработка метода расчета устойчивости откосов и склонов на основе анализа напряженного состояния горных пород: Дис. . д-ра техн. наук. Новосибирск, 1983. - 334 с.

74. Цветков В. К. Расчет рациональных параметров горных выработок: Справ, пос. М.: Недра, 1993. - 251 с.

75. Цветков В.К. Анализ напряженного состояния неоднородных грунтовых откосов / В.К. Цветков, Р.И. Кашлев // Городские агломерации на оползневых территориях: Материалы Межд. науч. конференции. Ч. 2. Волгоград, 2003. С. 118- 121.

76. Цветков В. К. Прогноз и расчет устойчивости грунтовых откосов и склонов / В.К. Цветков, Р.И. Кашлев // Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций: Материалы третий Межд. науч-техн конференции. Ч. 2. Волгоград, 2003. С. 99-101.

77. Цветков В. К. Влияние физико-механических свойств грунтов на устойчивость двухслойных склонов / В. К. Цветков, Р. И. Кашлев // Вестник Волг-ГАСУ. Сер.: Тех. Науки. Волгоград: ВолгГАСУ, 2004. Вып. 4(12). С. 12-16.

78. Цветков В. К. Разработка методики расчета устойчивости двухслойных склонов и откосов / В. К. Цветков, Р. И. Кашлев // Вестник ВолгГАСУ. Сер.: Тех. Науки. Волгоград: ВолгГАСУ, 2004. Вып. 4(12). С. 17-20.

79. Чепрасов А. Ф. Оползни Волгограда // Мат-лы к совещанию по оползням Волгограда. М.: Изд. Инст. ВСЕГИНГЕО, 1963.

80. Чепрасов А. Ф. Оползни и опыт борьбы с ними. Волгоград: НижнеВолжское кн. изд., 1972. - 87 с.

81. Чугаев Р. Р. Расчет устойчивости земляных откосов и бетонных плотин на нескальном основании по методу круглоцилиндрических поверхностей обрушения . M.-JL: Госэнергоиздат, 1963. - 44 с.

82. Чугаев Р. Р. Расчет устойчивости земляных откосов по методу плоских поверхностей сдвига грунта. M.-JI.: Энергия, 1964. 178 с.

83. Шубин М. А. Охрана природы наш долг // Проблемы защиты геосреды Нижнего Поволжья. - Волгоград: Нижне-Волжское кн. изд., 1986. - 142 с.

84. Шубин М. А. Основные закономерности формирования оползней в хва-лынских глин и их прогнозирование (на примере г. Волгограда): Дис. .канд. геол.-минер. наук. -М., 1974. 187 с.

85. Шахунянц Г. М. Железнодорожный путь. М.: Транспорт, 1987. - 479 с.

86. Akai К. On the stress distribution in the earth embankment and the foundation. Proc. 4-th Japan Nat. Cong. Appl. Mech., 1954, Tokio, pp. 1-15.

87. Bishop A. The use of the slip in the stability analysis of slopes. Geotechnique, 1955, vol. 5, № l,pp. 7-17.

88. Henkel D. I. Investigations of two long-term failures in London clay slopes at Wood Green and North Holt. London: 4-th ICOSOMEF, 1957. - v. 2, - pp. 315-320.

89. Keizo U. Three-dimensional Stability analysis of cone sieve slopes // Proc., Jap., Soc., Civil Engineering. 1985. № 364. Pp. 153-159.

90. Skempton A. W. Long-term Stability of clay slopes. London: Geotechnique, 1964; v. 14, N2.-pp. 75-103.

91. Taylor D. Stability of Earth Slopes. Journal of the Boston Society of Civil Eng. N 1937, v. 24, N 3, pp. 197-346.