Расчет устойчивости откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений в условиях риска

Смирнов, Алексей Анатольевич

Автореферат диссертации по теме "Расчет устойчивости откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений в условиях риска"

На правсос рукописи

СМИРНОВ Алексей Анатольевич

РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ И ПОДПОРНЫХ СТЕН КОТЛОВАНОВ ГОРОДСКИХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ РИСКА

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2005

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Половое Борис Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Туринцев Юрий Иванович

кандидат технических наук Яковлев Алексей Викторович

Ведущая организация - Уральский филиал межотраслевого научного центра ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела» (ВНИМИ)

Защита состоится 27 декабря 2005 г. в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при Уральском государственном горном университете по адресу: 620144, г. Екатеринбург, 1-й учебный корпус, ул. Куйбышева

30.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Уральского государственного горного университета

Автореферат диссертации разослан «26> ноября 2005 г

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор У Половое Б. Д.

наук,

ША.

£263770

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из основных причин аварийности при строительстве городских подземных комплексов и отдельных сооружений открытым способом являются деформации откосов и стен котлованов, причем тяжесть последствий аварий резко возрастает в условиях тесной городской застройки. Как показывает мировая практика, в таких ситуациях ошибки при проектировании котлованов осложняют горно-строительные работы, эксплуатацию близкорасположенных городских объектов и могут привести к разрушению последних, сопровождающемуся массовым летальным травматизмом. Между тем существующие методы оценки устойчивости фунтового массива и параметров удерживающих систем котлованов, применяемые в Российской Федерации, базирующиеся на методе предельных состояний, не позволяют получить количественные значения рисков, характеризующих вероятность возникновения аварий. Возможность оценки риска не предусматривается и в зарубежной программной продукции, предназначенной для обоснования геомеханических решений. Поэтому действующие методики расчета устойчивости откосов и удерживающих систем котлованов, с одной стороны, не могут гарантировать полную безопасность горно-строительных работ, с другой - не исключают завышения запасов устойчивости и несущей способности проектируемых конструкций, что приводит к неоправданным издержкам на их возведение и поддержание. Таким образом, определение уровней рисков при расчетах устойчивых откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений, строящихся открытым способом, является весьма актуальной проблемой.

Объектом исследований диссертации являются откосы и подпорные стены котлованов городских подземных сооружений, строящихся открытым способом.

Предмет исследований - методы расчетов устойчивости откосов и подпорных стен котлованов.

Цель диссертации - количественная оценка рисков, обеспечивающих безопасность и экономичность принимаемых решений при расчетах устойчивости откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений.

Идея работы состоит в создании методик риск-анализа параметров откосов и стен котлованов на основе метода Монте-Карло с учетом особенностей строительства городских подземных сооружений открытым способом.

Задачи диссертации:

1) формализовать инженерные методы расчетов устойчивости откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений;

2) сформировать модели и разработать методики количественной оценки рисков при расчетах откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений в типичных геомеханических ситуациях;

3) разработать алгоритмы и программы для и подпорных стен на основе метода Монте-Кар.1

откосов

ОС. НАЦИипялвнп* 10 БИБЛИОТЕКА С.Пс

1«1! Пи I |

Методы исследований. В работе использован комплекс методов, включающий: научный анализ, обобщение опыта проектных работ и практики строительства городских подземных сооружений, вероятностно-статистические исследования, математическое и имитационное моделирование с применением современных компьютерных технологий.

Защищаемые научные положения.

1. Для достоверного геомеханического анализа откосов и стен котлованов подземных сооружений следует использовать взаимосвязанные интегральные показатели «коэффициент запаса устойчивости» и «уровень риска», причем поверхности скольжения при определении коэффициентов запаса устойчивости целесообразно формализовать системой «пучков» из сплайн-функций - «биар-ков», а уровни риска определять методом Монте-Карло.

2. Расчет подпорных стен в условии ях риска должен выполняться в следующей очередности: 1 - формирование методом Монте-Карло шкалы «нагрузка - риск» и шкалы «ширина призмы обрушения - риск»; 2 - цикличная оценка рисков по факторам несущей способности и устойчивости конструкции с варьированием параметров конструкций, нагрузок, размеров призм обрушения (с найденными уровнями риска или заданными достоверностями); 3 - выбор инженерного решения по критериям минимума суммы затрат на конструкцию и потенциального ущерба от последствий аварий.

Достоверность научных положений обеспечивается:

- сопоставлением результатов, полученных в условиях риска, с фактическими параметрами подземных сооружений, построенных открытым способом;

- результатами моделирования с использованием методов математической статистики.

Научная новизна исследований состоит в:

- разработке методики построения семейства поверхностей скольжения в откосах в форме «биарков»;

- разработке имитационных методик оценки геомеханического риска при расчетах устойчивости откосов котлованов городских подземных сооружений;

- разработке методики расчета устойчивости откосов котлованов, предусматривающей совместную реализацию методов Монте-Карло и конечных элементов и установлении рациональной области применения метода конечных элементов для расчетов устойчивости откосов котлованов в условиях риска;

- формировании подхода к расчету подпорных стен в условиях риска, предусматривающего поэтапное имитационное моделирование нагрузок на стену и ширины призмы обрушения, несущей способности, устойчивости конструкции.

Практическое значение работы заключается в разработке алгоритмов и программ для оценки рисков при расчетах устойчивости откосов и подпорных стен котлованов.

Личный вклад автора состоит в сборе и обобщении материалов по теме диссертации, постановке задач, проведении исследований, обосновании научных положений, выводов и рекомендаций.

Результаты работы переданы Екатеринбургскому муниципальному унитарному предприятию «Управление заказчика по строительству подземных сооружений и метрополитена».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века. Опыт и перспективы» Тоннельная ассоциация России, г. Москва, 28 * 31 октября 2002 г.; Уральской горнопромышленной декаде, УГТУ, г. Екатеринбург, 10 -г 20 апреля 2003 г.; Международной конференции «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений», ТулГУ, г. Тула, 23 + 25 сентября 2003 г.; Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», УГТУ, г. Екатеринбург, 18 -г 20 мая 2004 г.; на семинарах кафедры шахтного строительства в мае и октябре 2005 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в четырех печатных трудах.

Объем и структура работы. Диссертация включает общую характеристику работы, три главы, заключение, список используемой литературы из 116 наименований. Объем диссертации - 176 страниц компьютерного текста (14 кегль, шрифт «Times New Roman»), 35 таблиц, 53 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе проведен анализ изученности проблемы по направлениям: оценка инженерно-геологической ситуации при проектировании и строительстве подземных объектов открытым способом, методы расчета устойчивости откосов и подпорных стен котлованов, геомеханический риск-анализ, критерии и модели выбора инженерных решений с учетом риска.

Изученные материалы показали, что в области геомеханических расчетов устойчивости откосов и подпорных стен получены важные научные и практические результаты.

О высоком уровне изученности проблемы оценки инженерно-геологической ситуации свидетельствуют классификационные системы инженерной оценки вмещающих массивов, методики получения характеристик изменчивости свойств грунтов, выделения инженерно-геологических и расчетно-геологических элементов, включенные в действующие нормативные документы. Следует отметить достаточную изученность точных, отвечающих строгим методам строительной механики (В. В. Соколовский, В. Г, Березанцев), и инженерных методов расчета откосов и подпорных стен (В. Фелениус, К. Терцаги, Н. Н. Маслов, Н. К. Снитко, Г. К. Клейн, Г. М. Шахунянц, Г. JI. Фи-сенко и др.) сооружений различного назначения, в т. ч. котлованов подземных сооружений. Общий недостаток точных теоретических методов расчета откосов и стен - ограничение области применения относительно однородными по физико-механическим свойствам и строению фунтами. Альтернативу им составляют инженерные методы расчета, обладающие достаточной достоверностью и

широко используемые на практике в самых разнообразных геомеханических ситуациях. Однако применяемые «строгие» и инженерные методы оценки устойчивости грунтового массива и параметров удерживающих систем котлованов не позволяют получить количественные значения рисков, характеризующих вероятность возникновения аварий. Возможность оценки риска не предусматривается в зарубежной программной продукции (2_8оН, Р1ах1Э и др.), предназначенной для обоснования геотехнических решений. Другой недостаток основных инженерных методов оценки устойчивости откосов - необходимость графических построений в ходе расчетов, что снижает их оперативность и качество получаемых результатов.

Анализ достоинств и недостатков вероятностных методов, применяемых при оценке геомеханических рисков (расчет «по фактору безопасности», линеаризация функций случайных аргументов, случайный процесс, имитационное моделирование), позволяет выбрать имитационное моделирование по методу Монте-Карло в качестве основного инструмента исследований параметров откосов и стен котлованов. Этот метод обеспечивает получение исчерпывающих оценок геомеханических рисков, может применяться для решения любых геомеханических задач независимо от числа и характера распределения случайных параметров. Погрешности вычисления по методу Монте-Карло на современных ЭВМ за счет увеличения количества генераций случайных чисел несложно привести в соответствие с любой задаваемой точностью решения геомеханической задачи.

К настоящему времени получены вероятностные критерии и модели, в т. ч. в современной рыночной трактовке (А. Р. Ржаницын, Р. Рибицки, Б. Д. Половое, В. А. Иванов), позволяющие оптимизировать экономическую безопасность конструкции, отражать эффективность мониторинга горнотехнического объекта, учитывать в денежной форме последствия травматизма, оценивать целесообразность страхования строительных и эксплуатационных рисков. На основе этих разработок легко организовать выбор рационального инженерного решения с учетом потенциального ущерба от последствий аварий откосов и стен котлованов.

Таким образом, продуктивными направлениями исследований в рамках темы диссертации можно считать:

1) формализацию инженерных методов расчета устойчивости откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений;

2) формирование моделей и разработку методик оценки рисков при расчетах откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений в типичных геомеханических ситуациях;

3) разработку алгоритмов и программ для расчетов устойчивости откосов и подпорных стен в условиях риска на основе метода Монте-Карло.

Во второй главе диссертации рассматриваются методики инженерных расчетов устойчивости откосов котлованов в условиях риска: алгебраическое сложение сил; многоугольник сил; расчет по напряжениям, устанавливаемым численным способом. Задачи решаются в плоской постановке. Мерой устойчивости откоса служит коэффициент запаса устойчивости - отношение суммы

удерживающих сил к сумме сдвигающих в призме, ограниченной поверхностью откоса, верхней площадкой и поверхностью скольжения.

Коэффициент запаса устойчивости не является исчерпывающей характеристикой состояния откоса. Достоверная оценка устойчивости может быть получена только в том случае, когда для коэффициента запаса устойчивости устанавливается количественное значение риска - вероятности возникновения аварийной ситуации. Поэтому расчет устойчивости откосов должен выполняться по схеме: задание множества поверхностей скольжения - вычисление коэффициентов запаса устойчивости по каждой из заданных поверхностей - генерация входных случайных чисел - получение выходного случайного массива коэффициентов запаса устойчивости - оценка риска по соотношению И = = (Мкзт < «норм) / N. здесь Я - уровень риска, Л^мп < Ктри - число случайных значений коэффициента запаса устойчивости меньших нормативного значения или единицы, N - общее число значений коэффициента запаса устойчивости в выходном случайном массиве.

Откосы и стены котлованов городских подземных объектов, как правило, размещаются в породах коры выветривания, структурные типы которых, неоднородность и изменчивость физико-механических характеристик предопределяют сложность геомеханической ситуации, в частности, вследствие наличия во вмещающем массиве поверхностей ослабления, обводненных участков, подстилающих пластов с низкими прочностными характеристиками. Негативным фактором, ухудшающим геомеханическую обстановку, являются внешние воздействия, в первую очередь нагрузки от окружающих зданий и сооружений -весьма характерное явление, обусловленное теснотой городской застройки.

В диссертации рассматриваются наиболее часто встречающиеся геомеханические ситуации, отражающие типичные подходы к формированию множества поверхностей скольжения в осложненных природных условиях: откос, сложенный грунтовым массивом с системой контактов крутого или наклонного падения в направлении котлована; откос с ослабленным основанием; откос с нагрузкой, размещаемой на верхней площадке. Для задания криволинейных участков поверхностей скольжения предлагается использовать систему «биар-ков» - плавных кривых (сплайн-функций) из двух сопряженных дуг, имеющих равную производную (общую касательную) в точке сопряжения (рис. I). Частными случаями «биарков» являются круглоцилиндрическая поверхность и наклонная плоскость. Параметры «биарков»: радиусы сопряженных дуг Л| и координаты центров вращения х0\, Уо\. Уаг. координаты у: точки 5 сопряжения двух дуг в ситуациях, показанных на рис. 1, устанавливаются по формулам:

{

Фо+Фг 2

Ф1

2вш

(3)

*о, =ха -^згаф,, Уо, =Уа+Я\ соэф,, •*о, =л0-Л2зт<р2, Уо, =У0+Я-2С05<Рг>

*5 =Л1 ЗШ(р0 + Х01>

=Уо, - Л, созф0.

где ф, = а - 45° + р/2; ф2 = 45° + р/2, рис. 1а, фг = 5 - 0, рис. 16; фо = (фг - ФО хА, уА, х0, у о - координаты начальной и конечной точек криволинейного участка поверхности скольжения; а - угол наклона откоса; р - угол внутреннего трения; 5 - угол падения поверхности ослабления; 9 - угол «встречи» криволинейного участка поверхности скольжения с поверхностью ослабления; ф0 - угол наклона радиуса-сопряжения в точке касания двух дуг; п - задаваемое число «биарков» в «пучке» поверхностей скольжения.

Рис. 1. Схемы задания поверхностей скольжения - «биарков»: а- в однородном откосе; б - в откосе с поверхностью ослабления

Разработанный метод задания поверхностей скольжения «биарками» не сложнее, чем построение семейства из круглоцилиндрических поверхностей.

Предлагаемый метод, во-первых, не имеет недостатка ныне практикуемого метода построения семейства поверхностей скольжения с вводом коэффициентов запаса в физико-механические характеристики фунтов. Во-вторых, он легко

реализуется на- современных ЭВМ, обеспечивая полноту покрытия потенциальной призмы скольжения множеством поверхностей скольжения (рис. 2), исключая, за счет высокой информативности, неточности при выявлении наиболее опасной поверхности. В-третьих, предложенное решение является универсальным и составляет первый этап машинно-ориентированных методик инженерных расчетов устойчивости откосов котлованов в условиях риска, как в простых, так и в сложных геомеханических ситуациях.

Второй этап методики «алгебраического сложения сил» состоит в вычислении коэффициентов запаса устойчивости по найденным пучкам «биарков» по формуле:

ГП2 ТП\

Из = (2 « р, N. + I Су ¿,) (I ту, (4)

1=1 У=1 (=1

где щ - коэффициент запаса устойчивости; ./V, - интеграл нормальной составляющей нагрузки по поверхности скольжения; с, - сцепление; - интеграл длины поверхности скольжения; Т, - интеграл касательной составляющей нагрузки по поверхности скольжения; ти т2 - величины, характеризующие особенности расположения поверхностей скольжения и условия залегания фунтов, например, абсциссы точек В, С, Д Е, см. рис. 1.

твШ пяищт эти ни эммм лшош стигм к- ьвяи

Рис. 2. Примеры построения пучков «биарков»: а - в однородном откосе; б - в откосе с поверхностью ослабления

Для оценки геомеханического риска - завершающего этапа методики «алгебраического сложения сил» использована обобщенная схема имитационного моделирования, разработанная в УТТУ: генерация входных случайных параметров в соответствии с законами их распределения; получение массива случайных значений коэффициента запаса устойчивости по системе множественного выбора; отбраковка грубых погрешностей; сортировка коэффициентов запаса устойчивости; построение гистограммы случайного массива коэффициентов запаса; оценка риска. Сущность третьего этапа рассматриваемой методики поясняется конкретным примером. Исходные данные приведены в табл. 1. Методом

«биарков» задано 18 поверхностей скольжения. Коэффициенты запаса, найденные по формуле (4), представлены в табл. 2.

Таблица 1

Наименование параметра Единицы Показатель

измерения

Глубина котлована м 10

Угол наклона откоса котлована град. 60

Объемный вес грунта тс/м' 2,7

Среднее квадратичное отклонение объемного веса грунта тс/м' 0,4

Угол внутреннего трения грунта град. 30

Среднее квадратичное отклонение угла внутреннего трения

грунта град. 5

Сцепление грунта тс/м2 7

Среднее квадратичное отклонение сцепления грунта тс/м2 1,5

Угол внутреннего трения грунта по поверхности ослабления град. 20

Среднее квадратичное отклонение угла внутреннего трения

грунта по поверхности ослабления град. 3

Сцепление грунта по поверхности ослабления тс/м2 0,6

Среднее квадратичное отклонение сцепления грунта по по-

верхности ослабления тс/м2 1,5

Среднее квадратичное отклонение угла внутреннего трения

грунта град. 5

Угол падения поверхности ослабления град. 60

Расстояние по горизонтали от нижней бровки откоса до по-

верхности ослабления м 6,77

Расстояние от верхней бровки откоса до начальной точки при-

ложения внешней нагрузки м 4

Расстояние от верхней бровки откоса до конечной точки при-

ложения внешней нагрузки м 14

Нагрузка на верхнюю площадку откоса тс/м2 50

Таблица 2

1,353506 1,(5) = 1,331717 п,(9) = 1,315157 я,<13) = 1,281011 «,(16) = 1,248517

«,(2) = 1,350751 л,(6) = 1,332345 л,(Ю) = 1,296392 я,(14) = 1,263339 1,(17) = 1,241405

1,(3) = 1,284035 <7) = 1,247215 1,(Ю = 1,214040 я,(15) = 1,193502 1,(18) = 1,221511

и.(4) = 1.281884 1,(8) = 1.248291 1,(12) = 1,225314

Наименьший детерминированный коэффициент запаса устойчивости равен и,(15) = 1,193502. Отсортированный по возрастанию выходной массив из 135* случайных значений коэффициентов запаса устойчивости приведен в табл. 3

Таблица 3

0,846 0361 0387 0,905 0,910 0,919 0,920 0,950 0,952

0,953 0,972 0,995 1,006 1,006 1,017 1,02! 1,028 1,042

1,057 1,059 1,062 1,062 1,068 1,071 1,075 1,077 1,085

1,085 1,086 1.089 1.094 1,095 1.100 1.103 1,105 1,106

' Пример носит демонстрационный характер Для решения реальных задач с высокой точностью число генераций должно быть не менее 5000 с продолжительностью вычислений на современной ЭВМ 15 т 30 мин

При КШ1 < 1 уровень риска Л = 12/135 = 0,088. Гистограмма распределения коэффициентов запаса устойчивости показана на рис. 3.

Рис. 3. Гистограмма

распределения случайных значений коэффициента запаса устойчивости

В целях выбора оптимальной конструкции откоса процедура расчета устойчивости откоса с оценкой риска повторяется при различных значениях угла наклона откоса, внешних нагрузок и т. п. В частности, этим путем получена совокупность результатов (табл. 4), позволяющая приступить к поиску наилучшего варианта в рассмотренной геомеханической ситуации.

Таблица 4

И * 3 4 8 5 \ >. в 4 К я . г- Я 0 и V 1 03 Угол паде- ния поверхности ослаб- =1 я а. и к X и Ч Расстояние | от нижней | бровки откоса до поверхности ' ослабления, и Г* I:- 3 * 1 й £ е- Расстояния, »растеризующие положение внешней нагрузки на верхней площадке откоса, м | Коэффициент запаса устойчивости Риск

45 10 60 11.00 50 4 14 1,465 0,000

50 10 60 9,39 50 4, 14 1,361 0,000

55 10 60 7,80 50 4, 14 1,272 0,022

60 10 60 6,77 50 4; 14 1,193 0,088

65 10 60 5,60 50 4- 14 1,137 0,133

35 10 60 15,28 100 4 14 1,215 0,067

40 10 60 12.92 100 4 14 1,088 0,192

45 10 60 11,00 100 4 14 1,053 0,311

50 10 60 9,39 100 4 14 0,983 0,570

Метод расчета «многоугольник сил» или «прислоненный откос» в контексте строительства котлованов подземных сооружений целесообразно

использовать при расчетах устойчивости природных склонов, косогоров и техногенных массивов грунтов, возникших на активном рельефе. Главная особенность этого метода связана с размещением потенциально неустойчивых грунтовых масс на устойчивом основании из одного или нескольких плоских участков и наличием криволинейного участка в общей поверхности скольжения. В традиционной постановке расчет сводится к расчленению объекта на «отсеки» и к графическому построению замкнутого многоугольника сил в "результате варьирования физико-механических характеристик вмещающего массива за счет ввода в характеристики коэффициента запаса устойчивости.

Отличительная особенность предлагаемой методики заключается в задании криволинейного участка поверхности по технологии «биарк» и аналитическом вычислении коэффициента запаса устойчивости, что позволяет отказаться от графических построений и, главное, организовать оценку геомеханических рисков. В основу алгоритма вычисления коэффициента запаса устойчивости положены аксиомы и теоремы аналитической геометрии. В ходе цикличных вычислений последовательно определяются координаты векторов сил по отсекам, цикл заканчивается определением невязки, характеризующей «незамкнутость» многоугольника сил. На вход программы подаются физико-технические характеристики горных пород «с запасом» единица или менее единицы. После проверки невязки запас в характеристиках повышается с заданным шагом и производится новое аналитическое построение многоугольника сил. Эта процедура повторяется до тех пор, пока невязка не составит допустимую величину или знак невязки не изменится на противоположный, в последнем случае коэффициент запаса находится по методу интерполяции.

Демонстрационные результаты оценки риска по результатам 135 генераций входных случайных параметров показаны в табл. 5.

Таблица 5

0,903 0,943 0,966 1,008 1,030 1,041 1.076 1,092 1,115 1,139 1,158 1,196 1,226 1,322 2,400

0,905 0,944 0,975 1,009 1.030 1,050 1,078 1,097 1,115 1,141 1,161 1,197 1,228 1,368 2.400

0,917 0,944 0,979 1,011 1,033 1,065 1,080 1,098 1,116 1,142 1,164 1,200 1,228 1,441 2,400

0,918 0,946 0,981

1,016 1,034 1,068 1,084 1,106 1,118 1,143 1,172 1,201 1,233 1,476 2,400

0,929 0,953 0,989 1,016 1,035 1,069 1,085 1,109 1,121 1,144 1,174 1,202 1,244 2,400 2,400

0,930 0,956 0,990 1,017 1,035 1,072 1,085 1,109 1,124 1,144 1,177 1,214 1,246 2,400 2,400

0,937 0,960 0,991

1,020 1,035 1,072 1,086 1,111 1,129 1,145 1.180 1,216 1,251 2,400 2,400

0,941 0,961 0,997 1,026 1,037 1,072 1,088 1,112 1,132 1,153 1,184 1,223 1,272 2,400 2,400

0,942 0,965

1,005 1,027 1,037 1,074 1,089 1,113 1,135 1,154 1,195 1,225 1,295 2,400 2,400

При К,ап < I уровень риска Л = 26/135 = 0,192. Коэффициент запаса устойчивости, вычисленный аналитическим путем по детерминированным средним значениям входных случайных параметров, равен 1,054.

Разработанная методика оценки рисков при расчетах устойчивости откосов по напряжениям предусматривает:

1) вычисление напряжений стХ*), СТуОО, т1у(л:) методом конечных элементов;

2) задание поверхностей скольжения по технологии «биарк»;

3) вычисление углов наклона поверхности скольжения (3 = ат^(у'(х)) в координатах х, у, совпадающих с целыми значениями абсцисс узлов конечно-элементной расчетной схемы;

4) определение нормальных ап(х) и касательных т„(х) напряжений в точках х поверхности скольжения (методом интерполяции по напряжениям в узлах конечно-элементной схемы);

5) поиск удерживающих напряжений по паспорту прочности т\(.г) = = ^ р + с;

6) вычисление сумм, характеризующих удерживающие и сдвигающие силы по поверхностям скольжения, и коэффициента запаса устойчивости откоса:

£-су(х,) = ху(х^0,51х1 + ху(х2)1х2 + ... + ху(хлмУхлм + ху(хц)0,51хц\ £т„(х,) = т^лО 0,5/Х| + х„{х2)1х2 + ... + х„(хлмХ,*-! + хп(хы)0,51хц;

К™ = 2ту(х,) / 1т„(х,).

где !х, ~ Ах / сов(аг^ (у'(х))); ¡е1, /V; N - количество точек х на поверхности скольжения, в которых найдены напряжения т„(х) и ту(х); Дх - горизонтальный интервал между смежными точками х„ х1+1.

7) поиск геомеханического риска по обобщенной схеме имитационного моделирования.

В диссертации разработан второй вариант оценки риска при расчете устойчивости откосов методом конечных элементов (МКЭ) с использованием готовой программной продукции, появившейся на компьютерном рынке. По этому варианту производится генерация входной информации по методу Монте-Карло (ММК), затем выполняется многократное решение по МКЭ соответственно с проведенной генерацией в сочетании с интерактивной обработкой полученного информационного массива системой фильтров. В табл. 6 приведены отфильтрованные результаты оценки рисков по 44 расчетам МКЭ (программа /. БоИ.РС, \vw\v. zace.com) для 135 генераций входных случайных чисел.

Таблица б

Номер генерации 1 4 6 14 31 32 35 45 49 50 53 65

Коэффициент запаса устойчивости 1,06 1,16 1,11 1,01 1,21 1,17 1,27 0,95 1,20 1,05 1,03 1,06

Номер генерации 73 91 92 97 106 108 113 114 117 121 126

Коэффициент запаса устойчивости 0,97 1,15 1,17 1,00 1.18 1,21 1,34 1,13 1,21 1,10 1,20

При ЛТзап < 1 уровень риска 2/135=0,014. Общее время ввода 44 наборов генерированных входных параметров и итерационных вычислений коэффициентов запаса устойчивости составляет около 35 мин.

Вместе с тем расчеты рисков по методике «ММК+МКЭ» достаточно сложны. В связи с этим в диссертации рассмотрена целесообразность совместного использования методов Монте-Карло и конечных элементов по результатам сопоставительных расчетов коэффициентов запаса устойчивости по напряжениям и алгебраическому сложению сил. На рис. 4 показана одна из проанализированных расчетных схем: по МКЭ коэффициент запаса устойчивости составил 1,0381; по методу алгебраического сложения сил - 1,0001. Аналогичные результаты получены в серии сопоставительных исследований, выполненных для откосов, сложенных однородными грунтами, откосов с единичными поверхностями ослабления и откосов с наклонными грунтовыми слоями. В перечисленных ситуациях погрешность метода алгебраического сложения сил относительно метода конечных элементов не превышает 3 +25 %, что свидетельствует об эффективности инженерных расчетов устойчивости откосов. В результате существенно упрощается оценка геомеханических рисков. Очевидная область применения методики «ММК+МКЭ» - задачи в трехмерной постановке, оценка деформаций откосов в динамике, вмещающие массивы сложных структурных типов.

Рис. 4. Схема расчета устойчивости откоса на ослабленном основании

Третья глава посвящена геомеханическому риск-анализу гибких и монолитных подпорных стен котлованов. Совокупность рассмотренных геомеханических схем оценки риска в связи с ограничениями на объем работы отражает отдельные типичные геомеханические задачи:

а) расчет нагрузок и ширины призмы обрушения для подпорных стен: с вертикальной задней гранью и горизонтальной незагруженной поверхностью, вмещающие породы - однородный насыпной и связанный грунты; с наклонной задней гранью, поверхность плоская наклонная, вмещающие породы - одно-

1 I

^ родный насыпной грунт; с вертикальной задней гранью, поверхность плоская

1 горизонтальная, вмещающие породы - две разновидности грунта с плоским

' контактом; с вертикальной задней гранью, поверхность плоская горизонталь-

1 ная, грунт двухслойный с плоской поверхностью, обводненный;

' б) расчет несущей способности подпорной стены гибкого типа;

в) расчет устойчивости заанкеренной подпорной стены и устойчивости 1 стены по схеме глубокого сдвига.

Особенности проведенных исследований по оценке параметров подпорных стен состоят в следующем. ' 1. Наряду с известным решением - имитационным моделированием нагру-

^ зок на подпорную стену (А. К. Бугров, В. Г. Шилин) - метод Монте-Карло реа-

1 лизован при расчетах ширины призмы обрушения, устойчивости стены и ее не* сущей способности.

! 2. Имитационное моделирование рассматриваемых расчетных схем вы-

полняется по обобщенной схеме, приведенной на с. 7.

3. Используются дифференцированные процедуры оценки рисков, предусматривающие:

1 А. Формирование шкал «нагрузка - риск», «ширина призмы обруше-

1 ния - риск» (пример приведен в табл. 7).

, Таблица 7

Расчетная нагрузка, кН/м 320,8 374,3 427,9 481,4 535,0 588,5 642,1 695,6 749,2 802,7

Риск 0,418 0,321 0,231 0,157 0,104 0,082 0,045 0,022 0,015 0,000

Ширина призмы обрушения, м 8.81 8,98 9,15 9,32 9,48 9,65 9,82 9,99 10,16 10,33

Риск 0,425 0,358 0,306 0,231 0,172 0,134 0,090 0,030 0,022 0,000

Примечание. Глубина котлована А = 15 м; средние значения объемного веса грунта у, угла внутреннего трения р и сцепления составляют' 26 кН/м3; 30°; 40 кН/м\ средние квадратичные отклонения у, р, с равны соответственно 4 кН/м3; 5°; 8,5 кН/м2.

Б. Использование условий ВИДЗ CF > &пред» ^зая ^ I И С00ТН0Ш6НИЙ1 R = <V„>„ ^) / N; R = %тап <0 / ¡V, здесь а и апрсл - напряжения; - коэффициент запаса.

В. Определение номера п случайного числа с заданной достоверностью D: п= int(TVD) + 1; п = int(/V( 1 - £>)), здесь int - функция округления к целому значению; N - размер случайного отсортированного массива (пример определения номера межсвайного пролета с достоверностью 0,95 выполнен по данным табл. 8: п = int(135(l- 0,95)) = 6).

Таблица 8

!

1,050 1,155 1,159 1,177 1,181 1,186 1,195 1,202 1,204

1,221 1,246 1,249 1,249 1,265 1,265 1,279 1,281 1,282

1.282 1,283 1,288 1,296 1,296 1.305 1,312 1,315 1,319

1,326 1,331 1,337 1,339 1,341 1,349 1,351 1,357 1,358

1,362 1,364 1,366 1,369 1,370 1,371 1,380 1,381 1,382

1,386 1,386 1.389 1,390 1,395 1,402 1,403 1,413 1,414

t

1,415 1,418 1,418 1,422 1,430 1,438 1,447 1,454 1,455

1,459 1,459 1,460 1,471 1,473 1,479 1,484 1,485 1,505

1,509 1,522 1,529 1,530 1,539 1,540 1,540 1,543 1,548

1,552 1,562 1,563 1,566 1,568 1,568 1,575 1,581 1,584

1,584 1,599 1,613 1,617 1,619 1,623 1,631 1,643 1,665

1,677 1,679 1,686 1,686 1,689 1,691 1,696 1,704 1,726

1,730 1,734 1,740 1,760 1,764 1,777 1,788 1,792 1,815

1,824 1,846 1,912 1,920 1,940 1,966 1,970 1,996 2,000

2,017 2,036 2,055 2,083 2,177 2,193 2,204 2,204

Межсвайный пролет с достоверностью 0,95, 1Л = 1,185542

Г. «Отложенное» использование случайных массивов (нагрузок, незагруженных участков свай и др.) с их занесением в оперативную память ЭВМ).

Д. Вариантные оценки рисков при геомеханическом анализе несущей способности подпорных стен, например, с цикличным изменением глубины заделки сваи в фунт, межсвайного расстояния и параметров, характеризующих сечение сваи. Пример вариантных оценок приведен в табл. 9 (для консольной свайной стены с использованием Методических рекомендаций по проектированию свайной крепи котлованов метрополитенов, ЦНИИТС, 1986 г.).

Исходные данные: глубина котлована Я« = 5 м; объемный вес пород, у = 21 кН/м3; угол внутреннего трения р = 21°; сцепление с = 0,01 МПа; коэффициент пропорциональности (учитывающий вид фунта) К„9 = 8000 Н/м4; модуль упругости стали 210 000 МПа; коэффициент условий работы пг = 0,8; средние квадратичные отклонения приняты по предельно допустимым коэффициентам вариации 0,15 - для физических параметров и 0,3 - для механических. Таким образом, от - 0,15ту, ар = 0,3тр, ас = 0,3тс.

Таблица 9

1, У1 г=//3, ч а„,„ МПа ст„,МПа Уровни рисков по факторам

сг, о1 м/п> ^суи

1 2 3 4 5 6 7 8

/=1.15 м; двутавр X» 40: №Ч),000953 ,9062 10" м\ 6-0,150 м, достоверность определения параметров /, IV, ат„ а„„ - равна 0,95

4,8 5.0 1,60 1.67 0,4788 0,4978 1,3426 1,3997 0,2090 0,1418 0,0150 0,0000 0,1818 0,2045 0,3625 0.3173

/=1.25 м; двутавр № 45' ^=0,001231 >2,7696 Ю" м\ 6=0,160 м, достоверность определения параметров /, IV, ст„„„ ат. равна 0,85

4.6 1 1',53 4,8 1,60 5,0 | 1,67 0,4222 0,4391 0,4568 1.2476 1,2978 1,3477 0,4328 0,3507 0,2388 0,2331 0,0677 0,0000 0.0909 | 0,6046 0,0910 0,4002 0,1136 1 0,3225

/=(,15 м; двутавр № 50' (^=0,001589 м', ./=3,9727 !0Н м\ 6=0,170 м, достоверность определения параметров /, IV, а„„„ ат: равна 0,95

4,4 4,6 4,8 5.0 1,47 1,53 1,60 1,67 0,4056 1 1,1359 0,4230 1,1818 0,4405 1,2276 0,4578 | 1,2796 0,3731 0,2836 0,2090 0.1493 0,4286 0.1880 0,0303 0,0000 0.0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,6418 0,4183 0,2330 0,1493

/= 1.00 м; двутавр № 50' ^=0.001589 м>3,9727 10" м", 6-0,170 м, достоверность определения параметров /, IV. ат„ равна 0,95

1 2 3 4 5 6 7 8

4,8 1.6 0,4019 1,0842 0,1493 0,0301 0,0000 0,1749

/=0,75 м; двутавр № 50: W=0,001589 м\ J=3,9727- 10J м\ А-0,170 м.

достоверность определения параметров /, IV, <У„С„ ат: равна 0,95

4,8 1,6 0,3258 0,8340 0,0672 0,0000 0,0000 0,0672

Обозначения в табл 9• / - глубина заделки сваи; z - расчетная глубина; ^пр i> ^пр : ~ предельная величина давления сваи на грунт на глубине t, z\ er,, а: - расчетная интенсивность давления сваи на грунт на глубине i,z\M - изгибающий момент в свае; W - момент сопротивления сечения сваи; I - расстояние между сваями; J - момент инерции сечения сваи; b -ширина полки двутавра; /?сум - суммарный риск по факторам «интенсивность давления сваи на грунт на глубине г», «интенсивность давления сваи на грунт на глубине /», «прочность сваи на изгиб». Суммарный риск (столбец 8 табл. 9) находится по формуле

Ясу« = 1 - 0 ~ )(1 - К, X1 - Rmiw ) • (5)

На основании приведенных материалов разработан поэтапный подход к имитационному моделированию подпорных стен, учитывающий особенности проектирования удерживающих конструкций.

На первом этапе, имеющем самостоятельное значение, методом Монте-Карло формируются шкала «нагрузка - риск» и шкала «ширина призмы обрушения - риск».

Второй этап включает цикличные вычисления рисков по факторам устойчивости и несущей способности конструкции с варьированием параметров конструкций, нагрузок и ширины призмы обрушения (с найденными уровнями риска или заданными достоверностями).

Завершающим этапом является выбор рационального инженерного решения с учетом потенциального ущерба от последствий аварий, например, по критерию А Р. Ржаницына (С = С0 + Р ■ С, —> min, здесь С - суммарная стоимость конструкции; С0 - первоначальная стоимость изготовления конструкции; Р -вероятность разрушения; С„ - затраты на восстановление конструкции, включая убытки, вызванные временным прекращением нормальной эксплуатации конструкции), либо по аналогичным критериям, (см. с 4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой решена задача расчета устойчивости откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений в условиях риска, имеющая существенное значение для геомеханического обоснования инженерных решений при проектировании и строительстве котлованов подземных сооружений.

Основные научные и практические результаты диссертации состоят в следующем.

1. Установлено, что для достоверного геомеханического анализа состояния откосов и стен котлованов подземных сооружений следует использовать взаимосвязанные интегральные показатели «коэффициент запаса устойчивости» и «уровень риска». При поиске минимального значения коэффициента запаса поверхности скольжения целесообразно формализовать системой «пучков» из сплайн-функций - «биарков», а уровни риска определять методом Монте-Карло.

2. Разработан поэтапный подход к расчету подпорных стен в условиях риска.

На первом этапе методом Монте-Карло формируются шкала «нагрузка -риск» и шкала «ширина призмы обрушения - риск».

Второй этап включает цикличное моделирование рисков по факторам устойчивости и несущей способности конструкции с варьированием параметров конструкций, нагрузок, размеров призм обрушения (с найденными уровнями риска или заданными достоверностями).

Третий этап состоит в выборе инженерного решения по критериям минимума суммы затрат на конструкцию и потенциального ущерба от последствий аварий.

3. Практическое значение диссертации заключается в разработке алгоритмов и программ для оценки рисков методом Монте-Карло при расчетах откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений.

4. Разработанные методики оценки рисков, алгоритмы и программы предназначены, в первую очередь, для проектных, научно-исследовательских и производственных организаций, выполняющих научно-техническое сопровождение горно-строительных работ, проектирование подземных сооружений, ведущих строительство и эксплуатацию городских подземных объектов.

5. Результаты работы переданы для использования ЕМУП «УЗПС МЕТРО» (Екатеринбургское муниципальное унитарное предприятие «Управление заказчика по строительству подземных сооружений и метрополитена», г. Екатеринбург).

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Половов Б. Д., Смирнов А. А., Чуприянов А. М. Компьютерные исследования оценки устойчивости стен, откосов н обнажений подземных сооружений // Труды Международной научно-практической конференции «Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века. Опыт и перспективы», Тоннельная ассоциация России, г Москва, 28 — 31 октября 2002 г М.. ТАР, 2002. С 479 - 482.

2. Смирнов А. А. Моделирование геомеханических ситуаций для оценки надежности подпорных стен // Известия ТулГУ. Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений». Выпуск 1. Тула: Издательство ТулГУ, 2003. С. 289 - 294.

3 Смирнов А. А. Оценка геомеханических рисков при проектировании подпорных стен // Известия УПТА. Специальный выпуск. Материалы Уральской горнопромышленной декады 10 - 20 апреля 2003 г. Екатеринбург УГГУ, 2003. С 157-161.

4 Смирнов А А Оценка рисков при проектировании удерживающих систем в условиях обводненности II Труды Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений». 18-20 мая 2004 г Екатеринбург' УГГУ, 2004. С 286-290.

Подписано в печать 22(105 Формат 60x84 1/16 Бумага писчая Печать на ризографе Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 193_

Отпечатано в лаборатории множительной техники УГГУ. 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30. Уральский государственный горный университет

РНБ Русский фонд

2006-4 29907

«2 2 5 7 1 1

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Смирнов, Алексей Анатольевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

1. АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА.

1.1. Откосы и стены котлованов городских подземных сооружений

1.2. Оценка физико-технических характеристик грунтов

1.3. Методы расчета откосов и стен котлованов.

1.4. Методы оценки геомеханического риска.

1.5. Выбор решений в условиях риска.

1.6. Выводы по главе.

2. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ КОТЛОВАНОВ В УСЛОВИЯХ РИСКА.

2.1. Методика построения поверхности скольжения.

2.1.1. Принципы задания поверхностей скольжения.

2.1.2. Построение поверхностей скольжения в сложных геомеханических ситуациях.

2.2. Оценка риска при расчете коэффициента запаса устойчивости откосов.

2.2.1. Расчет откосов по методу алгебраического сложения сил.

2.2.2. Расчет откосов по методу многоугольника сил.

2.2.3. Расчет откосов по напряжениям на основе метода конечных элементов.

2.3. Выводы по главе.

3. РАСЧЕТ ПОДПОРНЫХ СТЕН КОТЛОВАНОВ В

УСЛОВИЯХ РИСКА.

3.1. Особенности расчета стен котлованов.

3.2. Оценка риска при расчетах подпорных стен.

3.2.1. Оценка риска при расчете предельной высоты незакрепленной вертикальной стены.

3.2.2 Оценка риска при расчете нагрузок на подпорные стены и ширины призмы обрушения.

3.2.3. Оценка риска при расчете устойчивости подпорных стен.

3.2.4. Оценка риска при расчете несущей способности подпорных стен.

3.3. Выводы по главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Расчет устойчивости откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений в условиях риска"

Актуальность работы. Одной из основных причин аварийности при строительстве городских подземных комплексов и отдельных сооружений открытым способом являются деформации откосов и стен котлованов, причем тяжесть последствий аварий резко возрастает в условиях тесной городской застройки. Как показывает мировая практика, в таких ситуациях ошибки при проектировании котлованов осложняют горно-строительные работы, эксплуатацию близкорасположенных городских объектов и могут привести к разрушению последних, сопровождающемуся массовым летальным травматизмом. Между тем существующие методы оценки устойчивости фунтового массива и параметров удерживающих систем котлованов, применяемые в Российской Федерации, базирующиеся на методе предельных состояний, не позволяют получить количественные значения рисков, характеризующих вероятность возникновения аварий. Возможность оценки риска не предусматривается и в зарубежной программной продукции, предназначенной для обоснования геомеханических решений. Поэтому действующие методики расчета устойчивости откосов и удерживающих систем котлованов, с одной стороны, не могут гарантировать полную безопасность горно-строительных работ, с другой - не исключают завышения запасов устойчивости и несущей способности проектируемых конструкций, что приводит к неоправданным издержкам на их возведение и поддержание. Таким образом, определение уровней рисков при расчетах устойчивых откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений, строящихся открытым способом, является весьма актуальной проблемой.

Объектом исследований диссертации являются откосы и подпорные стены котлованов городских подземных сооружений, строящихся открытым способом.

Предмет исследований — методы расчетов устойчивости откосов и подпорных стен котлованов.

Цель диссертации - количественная оценка рисков, обеспечивающих безопасность и экономичность принимаемых решений при расчетах устойчивости откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений.

Идея работы состоит в создании методик риск-анализа параметров откосов и стен котлованов на основе метода Монте-Карло с учетом особенностей строительства городских подземных сооружений открытым способом.

Задачи диссертации: 4

1) формализовать инженерные методы расчетов устойчивости откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений;

2) сформировать модели и разработать методики количественной оценки рисков при расчетах откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений в типичных геомеханических ситуациях;

3) разработать алгоритмы и программы для расчетов устойчивости откосов и подпорных стен на основе метода Монте-Карло.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов, включающий: научный анализ, обобщение опыта проектных работ и практики строительства городских подземных сооружений, вероятностно-статистические исследования, математическое и имитационное моделирование с применением современных компьютерных технологий.

Защищаемые научные положения.

1. Для достоверного геомеханического анализа откосов и стен котлованов подземных сооружений следует использовать взаимосвязанные интегральные показатели «коэффициент запаса устойчивости» и «уровень риска», причем поверхности скольжения при определении коэффициентов запаса устойчивости целесообразно формализовать системой «пучков» из сплайн-функций - «биарков», а уровни риска определять методом Монте-Карло.

2. Расчет подпорных стен в условии ях риска должен выполняться в следующей очередности: 1 - формирование методом Мопте-Карло шкалы «нагрузка - риск» и шкалы «ширина призмы обрушения — риск»; 2 - цикличная оценка рисков по факторам несущей способности и устойчивости конструкции с варьированием параметров конструкций, нагрузок, размеров призм обрушения (с найденными уровнями риска или заданными дос-товерностями); 3 - выбор инженерного решения по критериям минимума суммы затрат на конструкцию и потенциального ущерба от последствий аварий.

Достоверность научных положений обеспечивается:

- сопоставлением результатов, полученных в условиях риска, с фактическими параметрами подземных сооружений, построенных открытым способом;

- результатами моделирования с использованием методов математической статистики.

Научная новизна исследований состоит в:

- разработке методики построения семейства поверхностей скольжения в откосах в форме «биарков»;

- разработке имитационных методик оценки геомеханического риска при расчетах устойчивости откосов котлованов городских подземных сооружений;

- разработке методики расчета устойчивости откосов котлованов, предусматривающей совместную реализацию методов Монте-Карло и конечных элементов и установлении рациональной области применения метода конечных элементов для расчетов устойчивости откосов котлованов в условиях риска;

- формировании подхода к расчету подпорных стен в условиях риска, предусматривающего поэтапное имитационное моделирование нагрузок на степу и ширины призмы обрушения, несущей способности, устойчивости конструкции.

Практическое значение работы заключается в разработке алгоритмов и программ для оценки рисков при расчетах устойчивости откосов и подпорных стен котлованов.

Личный вклад автора состоит в сборе и обобщении материалов по теме диссертации, постановке задач, проведении исследований, обосновании научных положений, выводов и рекомендаций.

Результаты работы переданы Екатеринбургскому муниципальному унитарному предприятию «Управление заказчика по строительству подземных сооружений и метрополитена».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века. Опыт и перспективы» Тоннельная ассоциация России, г. Москва, 28-^-31 октября 2002 г.; Уральской горнопромышленной декаде, УГГУ, г. Екатеринбург, 10 -ь 20 апреля 2003 г.; Международной конференции «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений», ТулГУ, г. Тула, 23 -ь 25 сентября 2003 г.;

Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», УГГУ, г. Екатеринбург, 18 20 мая 2004 г.; на семинарах кафедры шахтного строительства в мае и октябре 2005 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в четырех печатных трудах.

Объем и структура работы. Диссертация включает общую характеристику работы, три главы, заключение, список используемой литературы из 116 наименований. Объем диссертации - 176 страниц компьютерного текста (14 кегль, шрифт «Times New Roman»), 35 таблиц, 53 рисунка.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Смирнов, Алексей Анатольевич

5. Результаты работы переданы для использования ЕМУП «УЗПС МЕТРО» (Екатеринбургское муниципальное унитарное предприятие «Управление заказчика по строительству подземных сооружений и метрополитена», г. Екатеринбург).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой решена задача расчета устойчивости откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений в условиях риска, имеющая существенное значение для геомеханического обоснования инженерных решений при проектировании и строительстве котлованов подземных сооружений.

Основные научные и практические результаты диссертации состоят в следующем.

1. Установлено, что для достоверного геомеханического анализа состояния откосов и стен котлованов подземных сооружений следует использовать взаимосвязанные интегральные показатели «коэффициент запаса устойчивости» и «уровень риска». При поиске минимального значения коэффициента запаса поверхности скольжения целесообразно формализовать системой «пучков» из сплайн-функций - «биарков», а уровни риска определять методом Монте-Карло.

2. Разработан поэтапный подход к расчету подпорных стен в условиях риска.

На первом этапе методом Монте-Карло формируются шкала «нагрузка - риск» и шкала «ширина призмы обрушения - риск».

Второй этап включает цикличное моделирование рисков по факторам устойчивости и несущей способности конструкции с варьированием параметров конструкций, нагрузок, размеров призм обрушения (с найденными уровнями риска или заданными достоверностями).

Третий этап состоит в выборе инженерного решения по критериям минимума суммы затрат на конструкцию и потенциального ущерба от последствий аварий.

3. Практическое значение диссертации заключается в разработке алгоритмов и программ для оценки рисков методом Монте-Карло при расчетах откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений.

4. Разработанные методики оценки рисков, алгоритмы и программы предназначены, в первую очередь, для проектных, научно-исследовательских и производственных организаций, выполняющих научно-техническое сопровождение горно-строительных работ, проектирование подземных сооружений, ведущих строительство и эксплуатацию городских подземных объектов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Смирнов, Алексей Анатольевич, Екатеринбург

1. Арсеньева А. С., Мещанский А. Б., Смирнов С. Н. Защита сооружений ТРК от подземных вод // Подземное пространство мира. — 1997. — № 2. — С. 47 -5- 49.

2. Барон Л. И., Логунцов Б. М., Позин Е. 3. Определение свойств горных пород. М.: Высшая школа, 1978. - 447 с.

3. Белов С. В., Девисилов В. А., Ильницкая А. В. И др. Безопасность жизнедеятельности. М.: Высшая школа, 2005. - 606 с.

4. Березанцев В. Г. Расчет оснований сооружений. Л.: Стройиздат, Ле-ниградское отделение, 1970. - 207 с.

5. Болдырев Г. Г. Устойчивость и деформируемость оснований анкерных фундаментов. М.: Стройиздат, 1987. - 80 с.

6. Бугров А. К., Шилин В. Г. Определение вероятностных характеристик активного давления грунта методом Монте-Карло // Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2002. - № 5 (Интернет-журнал http://www.georec.spb.ru/mag/2002n5/index.htm).

7. Бугров А. К., Шилин В. Г. Расчет надежности по осадке упругопла-стического основания методом статистических испытаний // Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2000. - № 3 (Интернет-журнал http://www.georec.spb.ru/mag/2000n3/index.htm).

8. Булычев Н. С. Механика подземных сооружений. 2-е изд. - М.: Недра, 1994.-382 с.

9. Бучацкий Г. В., Зайцев А. Н., Малышев Л. И. Опыт крепления котлованов подземных сооружений // М.: Тоннельная ассоциация России, 2000. С. 294 ч- 300.

10. Варшавский В. В. Несущие конструкции торгово-рекреационного комплекса на манежной площади. Подземное пространство мира. - 1997. -№2.-С. 37-38.

11. Введение в механику скальных пород / Классификация скальных массивов.-М.: Мир, 1985.-С. 159-183.

12. Вентцель Е. С. Исследование операций: задачи, принципы, методология. М.: Наука, 1988. - 208 с.

13. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. -М.: Наука, 1969. 576 с.

14. Волков В. П., Наумов С. Н., Пирожкова А. Н., Храпов В. Г. Тоннели и метрополитены. М.: Транспорт, 1975. - 552 с.

15. ВСН 190-78. Инструкция по инженерно-геологическим изысканиям для проектирования и строительства метрополитенов, горных железнодорожных и автомобильных тоннелей. М.: Министерство транспортного строительства, 1978.-40 с.

16. ГОСТ 20522-96. Грунты. Методы статистической обработки результатов измерений. М.: МНТКС, 1996. - 23 с.

17. ГОСТ 6183-52. Широкополочный прокат. Сортамент. М.: МНТКС, 1994. - 36 с.

18. ГОСТ 8239-72. Сталь горячекатаная. Балки двутавровые. Сортамент. М.: МНТКС, 1989.-38 с.

19. Гримайло В. Н. Применение метода Монте-Карло для оценки сил контактного взаимодействия в неоднородных упругих средах // Проблемы надежности в строительной механике. Вильнюс: «Вайздас», 1968. - С. 139 - 143.

20. Далматов Б. И., Бронин В. Н., Карлов В. Д. и др. Механика грунтов. Часть 1. Основы геотехники. М.: Издательство АСВ; СПбГАСУ, 2000. - 201 с.

21. Далматов Б. И., Бронин В. Н., Карлов В. Д. и др. Основания и фундаменты. Часть 2. Основы геотехники. М.: Издательство АСВ; СПбГАСУ, 2002. - 392 с.

22. Ермолаев Н. Н., Михеев В. В. Надежность оснований сооружений. JI.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1976. 152 с.

23. Зерцалов М. Г., Миллерман А. С. Экспертная оценка технических рисков в подземном строительстве // Метро и тоннели. 2003. - № 2. - С. 44 4- 45.

24. Иванов В. А., Морозков Е. В., Шестаков И. В., Корнилков М. В., Половов Б. Д., Зотеев О.В. Выбор решений по доработке полезных ископаемых на основе теории риска // Известия вузов. Горный журнал. 2004. - № 2. - С. 70 4- 88.

25. Ильичев В. А. В. П. Петрухин, Михеев В. В. Трофименков Ю. Г., Мариупольский JI. Г. О «Геотехнической категории объекта строительства» // Основания, фундаменты и механика грунтов». 2003. - № 1. - С. 20 4- 24.

26. Шахтное и подземное строительство: в 2 т / Б. А. Картозия, Б. И. Федунец, М. Н. Щуплик и др. М.: Изд-во Академии горных наук, 2001, т. 1. 607 е., т. 2. 582 с.

27. Катков Н. Н. Затраты предприятия на один несчастный случай с летальным исходом на рудниках Норильска (по методике ВостНИИ) // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. - № 7. - С. 28 4- 29.

28. Конюхов Д. С. Использование подземного пространства. М.: Архитектура - С, 2004. - 296 с.

29. Корчак А. В. Методология проектирования строительства подземных сооружений. М.: МГГУ, 2001. - 416 с.

30. Крамер Г. Математические методы статистики. М.: Издательство «Мир», 1976. - С. 246 -г 253.

31. Ларичев О. И. Теория и методы принятия решений. М.: Логос, 2002. - 392 с.

32. Лернер В. Г., Петренко Е. В. Систематизация и совершенствование технологий строительства подземных объектов. — М.: ТИМР, 1999. 188 с.

33. Ломтадзе В. Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований. Л.: Недра, 1990.-328 с.

34. Львовский Е. Н. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая школа, 1988. - 239 с.

35. Маковский J1. В. Городские подземные транспортные сооружения. -М.: Стройиздат, 1985.-439 с.

36. Малый И. М. Современные методы крепления котлованов // Подземное строительство на рубеже XXI века. М.: Тоннельная ассоциация России, 2000.-С. 323 4-335.

37. Маслов Н. Н. Механика грунтов в практике строительства. М.: Стройиздат, 1977. - 320 с.

38. Меркин В. Е. Комплексное использование подземного пространства при строительстве метрополитенов // Под земное пространство мира -1995. -№ 2. С. 19 20.

39. Меркин В. Е., Маковский JI. В. Прогрессивный опыт и тенденции развития современного тоннелестроения. М.: ТИМР, 1992. - 192 с.

40. Методические материалы по страхованию строительных рисков. -М.: Минстрой РФ. Методика № ВБ-13-185/7 от 30.08.96.-42 с.

41. Методические рекомендации по определению эффективности подземного городского строительства. М.: Госстрой СССР. НИИЭС, 1976. - 65 с.

42. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования". М.: НПКВЦ "Терин-вест", 1994. - 80 с. (утвержденные Госстроем России, Минэкономики РФ, Минфином РФ, Госкомпромом России 31.03.94 № 7 - 12/47).

43. Методические рекомендации по проектированию свайной крепи в котлованах метрополитенов. М.: ЦНИИС, 1986. - 87 с.

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

45. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов РД 03-418-01 // Безопасность труда в промышленности. -2001.-№ 10.-С. 40-ь 50.

46. Миллерман А. Управление рисками в строительной отрасли теория или необходимость, -http://www.gefest.ru/publ030204.shtml.

47. Муравьева JI. В. Вероятностная оценка продольной устойчивости участка газопровода // Известия вузов. Строительство. -2003. -№ 4. С. 125 ч-128.

48. Оползни. Исследование и укрепление. Под редакцией Р. Шустера и Р. Кризека.-М.: Мир, 1981.-С. 368.

49. Пешкова М. X. Методы риск-анализа горных проектов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. — № 1. - С. 62-^- 64.

50. Перегудова А. А. Отдельные инженерные решения при строительстве ТРК // Подземное пространство мира. 1997. - № 2. - С. 39 ч- 42.

51. Петренко Е. В. Освоение подземного пространства. М.: Недра, 1988. -150 с.

52. Поддубный В. В. Оценка влияния изменчивости инженерно-геологических свойств массива при проектировании и строительстве городских подземных сооружений / Семинар «Гидроизоляция подземных сооружений». М.: Тоннельная ассоциация России, 2005- С. 83 ч- 85.

53. Поддубный В. В. Принципы формирования проектных решений по строительству подземных гаражей и паркингов в г. Екатеринбурге // Известия вузов. Горный журнал, 2005. № 4. - С. 66 ч- 70.

54. Поддубный В. В., Половов Б. Д. Методика расчета надежности оснований зданий и сооружений на основе статистических испытаний // Известия ТулГУ. Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений». Вып. 3. Тула: Издательство ТулГУ, 2005. - С. 113 -г 119.

55. Подземный комплекс «Площадь 1905 г.» // Эскизный проект. Екатеринбург: УГГГА, 2001. - 40 с.

56. Подземный комплекс «Площадь Малышева» // Эскизный проект. -Екатеринбург: УГГГА, 2001. 32 с.

57. Половов Б. Д. Имитационная геомеханика // Геомеханика в горном деле. 2000: Доклады Международной конференции 29 мая -г 2 июня 2000 г. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2000. - С. 78 -ь 85.

58. Половов Б. Д. Проблема освоения подземного пространства крупных промышленных центров Урала // Горный журнал Известия вузов. - 1994. -№9-10.-С. 89-92.

59. Половов Б. Д., Волков М. Н. Имитационная геомеханика // Известия Уральской государственной горно-геологической академии. 2002. - Вып. 14.-С. 107 ч-123.

60. Половов Б. Д., Сурин В. М. Анализ изменчивости физико-технических свойств массива горных пород и оценка уровней геомеханического риска при строительстве городских подземных сооружений // Уральское горное обозрение. 1998. - № 3 - 4. - С. 158 4- 170.

61. Половов Б. Д., Черев Д. А., Попов А. В., Зиганшин С. У. Перспективы освоения подземного пространства в г. Екатеринбурге // Известия вузов. Горный журнал. 2005. - С. 38 -f 48.

62. Потапов В. Д., Яризов А. Д. Имитационное моделирование производственных процессов в горной промышленности.-М.: Высшая школа, 1981.-191 с.

63. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. -СПб.: Издательство ВНИМИ, 1998. 207 с.

64. Рекомендации по количественной оценке устойчивости оползневых склонов. М.: Стройиздат, 1984. - 79 с.

65. Речицкий В. И., Корябин И. А. Оценка надежности скальных массивов по методу Монте-Карло // XI Российская конференция по механике горных пород. Санкт-Петербург, 9 -г 11 сентября 1997 г. - С. 389 - 395.

66. Ржаницын А. Р. Определение характеристики безопасности и коэффициента запаса из экономических соображений // Вопросы теории пластичности и прочности строительных конструкций. М.: Госстройиздат, 1961. - С. 5 4- 21.

67. Ржаницын А. Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. М.: Стройиздат, 1978. — 239 с.

68. Рибицки Р. Повреждения и дефекты строительных конструкций. -М.: Стройиздат, 1982. 432 с.

69. РодионовД А Статистические решения в гсологии.-М.: Недра, 1981.-231 с.

70. Рудяк М. С. Использование городского подземного пространства для гражданских объектов. М.: МГГУ, 2003. - 235 с.

71. Руководство по проектированию и устройству заглубленных инженерных сооружений. -М.: Стройиздат, 1986. 116 с.

72. Руководство по комплексному использованию подземного пространства при строительстве и реконструкции метрополитенов (проект). -М.: Корпорация «Трансстрой», АССОДСтройметро, ТА, АО «ЦНИИС» (НИЦТМ), 1995.- 151 с.

73. Руководство по проектированию оснований зданий и сооружений. -М.: Стройиздат, 1977.-376 с.

74. Смирнов А. А. Моделирование геомеханических ситуаций для оценки надежности подпорных стен // Известия ТГУ. Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений» Выпуск 1. Тула: Издательство ТулГУ, 2003.-С. 289 + 294.

75. Смирнов А. А. Оценка геомеханических рисков при проектировании подпорных стен / Известия УГГГА. Специальный выпуск. Материалы Уральской горнопромышленной декады 10 -г 20 апреля 2003 г. Екатеринбург: УГГУ, 2003.-С. 157ч- 161.

76. Смородинов М. И. Строительство заглубленных сооружений. М.: Стройиздат, 1993. - 208 с.

77. СНиП 11-02-97. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 1997. - С. 14 ч- 22.

78. СНиП 2.01.15-90. Инженерная защита территорий зданий и сооружений от опасных геологических процессов. М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 1996.-56 с.

79. СНиП 2.01.54-82. Защитные сооружения гражданской обороны в подземных горных выработках / Минстрой России. М.: ГП ЦПП, 1985. - 20 с.

80. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений / Минстрой России. М.: ГП ЦПП, 1995. - 48 с.

81. СНиП 2.05.02-85. Автомобильные дороги / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 56 с.

82. СНиП 2.06.07-87. Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения / Госстрой СССР. М.:ЦИТП, 1987 - 60 с.

83. СНиП 2.07.01-89*. Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений / Госстрой России. -М.: ГП ЦПП, 1994. 64 с.

84. СНиП 2.09.03-85. Сооружения промышленных предприятий / Минстрой России. М.: ГП ЦПП, 1996. - 56 с.

85. СНиП 21-02-99. Стоянки автомобилей / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2000. - 11 с.

86. СНиП 3.02.01-87. Земляные сооружения основания и фундаменты / М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988. 62 с.

87. СНиП 32-02-2003. Метрополитены. -М.: ООО «Техно-Сервис», 2002. 24 с.

88. СНиП 32-04-97. Тоннели железнодорожные и автомобильные / Госстрой России. М.: ГП ЦПП, 1997. - 31 с.

89. СНиП Н-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой СССР М.: ЦИТП, 1990.- 160 с.

90. СНиП П-25-80. Деревянные конструкции / Минстрой России М.: ГПЦПП, 1995.-66 с.

91. Снитко Н. К. Статистическое и динамическое давление грунтов и расчет подпорных стенок. JI.: Стройиздат, 1970. - 207 с.

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

93. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Ч. 1. Общие правила производства работ. М.: Госстрой России. ПНИИС, 1997.-48 с.

94. СП 32-105-2004. Метрополитены. М.: Госстрой России. ФГУП ЦПП, 2004.-253 с.

95. Справочник инженера-тоннельщика / Г. М. Богомолов, Д. М. Голи-цинский, С. И. Сеславинский и др.; Под ред. В. Е. Меркина, С. И. Власова, О. Н. Макарова. М.: Транспорт, 1993. - 389 с.

96. Справочное пособие к СНиП / Проектирование подпорных стен и стен подвалов. М.: Стройиздат, 1990. - 101 с.

97. Стрелецкий Н. С. Основы статистического учета коэффициента запаса прочности сооружений. М.: Стройиздат, 1947. - 95 с.

98. Сурин В. М. Оценка эффективности подземных сооружений крупнейших и крупных городов // Уральское горное обозрение, 1998. -№ 1. С. 133 + 146.

99. Ухов С. Б., Семенов В. В., Знаменский В. В. И др. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.; Высшая школа, 2004. - 566 с.

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

101. Хан Г., Шапиро С. Статистические модели в инженерных задачах. -М.: Мир, 1969.-395 с.

102. Хрусталев JT. Н., Пустовойт Г. П. Вероятностно-статистические рпсчеты оснований зданий в криолитзоне. Глава IV. Численный метод вероятностно-статистического расчета оснований. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1988. - С. 74 т 99.

103. Черегукин В. В. Применение метода Монте-Карло к некоторым статистическим задачам устойчивости и надежности // Проблемы надежности в строительной механике. Вильнюс: «Вайздас», 1968. - С. 79 85.

104. Швецов П. Ф., Зильберборд А. Ф., Папернов М. М. Подземное пространство и его освоение. М.: Недра, 1992. - 164 с.

105. Шемякин Е. И. Проблемы освоения подземного пространства // Подземное и шахтное строительство. 1991. -№ 1. - С. 3 4.

106. Шилин А. А., Зайцев Н. В., Золотарев И. А., Ляпидевская О. Б. Гид-. роизоляция подземных и заглубленных сооружений при строительстве и ремонте. Тверь: Изд-во «Русская торговая марка», 2003. - 278 с.

107. Штоль Т. М., Теличенко В. И., Феклин, В. И. Технология возведения подземной части зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1990. - 288 с.

108. Щуплик Н. М., Месхидзе Я. М., Королев И. О. и др. Строительство подземных сооружений. М.: Недра, 1990. - 384 с.114. HTTP^/WWW.PLAXIS.COM.

109. HTTP://WWW.ROCKSCIENCE.COM/116. HTTP.7/WWW.ZACE.COM.