автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Обеспечение устойчивости откосов грунтовых сооружений автомобильных дорог с учетом их взаимного влияния

На правах рукописи

Кужель Владимир Николаевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ ГРУНТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ С УЧЕТОМ ИХ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ

Специальность 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов и транспортных тоннелей»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 НОЯ 2011

Волгоград 2011

005002740

Работа выполнена в Федеральном Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Богомолов Александр Николаевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Бондарев Борис Александрович ФГБОУ ВПО Липецкий государственный технический университет

кандидат технических наук, доцент Казначеев Сергей Васильевич Управление автомобильных дорог Администрации Волгоградской области

Ведущая организация

Московский автомобильно-дорожный институт - технический университет (МАДИ-ТУ)

Защита состоится «24» ноября 2011 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Автореферат разослан октября 2011

Ученый секретарь диссертационного совета

Акчурин Т.К.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертационной работы. Еще в 1967 году во вступительном докладе на координационном совещании «Расчет общей устойчивости транспортных и гидротехнических сооружений» проф. Н.А.Цытович отмечал, что «современное состояние разработки методов устойчивости сооружений во многих случаях не удовлетворяет запросам практики проектирования. Действительно, в настоящее время получено мало математически строгих решений теории предельного равновесия и лишь для простейших граничных условий, а ряд инженерных методов расчета базируется на основании заранее заданных (на основании, например, опытных данных) очертаниях поверхностей скольжения или очертаниях, полученных аналитически, но без учета действия объемных сил».

В настоящее время рост объемов дорожного строительства сопровождается огромными затратами, обусловленными разработкой и перемещением большого количества грунта при возведении насыпей дорожного полотна, устройстве выемок, прокладке траншей и других фунтовых сооружений. Поэтому работа по совершенствованию методов расчета устойчивости откосов земляных сооружений, основанных на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива, которые позволяют снизить экономические затраты на строительство или обосновать расчетные геометрические параметры сооружений, обеспечивающих их длительную безопасную эксплуатацию, является весьма актуальной.

Цель диссертационной работы. Большинство методов расчета устойчивости откосов и склонов, основанных на гипотезах о круглоциллиндрической форме наиболее вероятной поверхности скольжения либо теории предельного равновесия разработаны для отдельно стоящего изолированного откоса. Они не позволяют учесть взаимное влияние близ расположенных откосов выемок и насыпей грунтового сооружения, которое предопределяет существенное отличие полей напряжений, возникающих от собственного веса грунта в приоткосных зонах таких объектов, от полей напряжений, возникающих в теле одиночною откоса.

Учесть данное отличие возможно лишь на основе проведения анализа напряженного состояния грунтового массива и использования методов построения наиболее вероятных поверхностей скольжения и вычисления величин коэффициентов запаса устойчивости, которые используют результаты данного анализа.

Учитывая вышесказанное, цель диссертационного исследования сформулирована следующим образом: На основе анализа напряженного состояния грунтового массива разработать инженерный метод расчета устойчивости откосов насыпей и выемок грунтовых сооружений автомобильных дорог с учетом их взаимного влияния. Дать рекомендации по определению расчетных параметров, обеспечивающих кратковременную и длительную устойчивость откосов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1. Провести тщательный анализ существующих методов расчета и выбрать для проведения исследований те из них, которые позволяют решить поставленную задачу.

2. Определить границы проведения исследований, т.е. определить значения ширины основания выемки Ь или верхнего основания насыпи Ь, при которых величина их коэффициента запаса устойчивости, при всех прочих равных условиях, будет такой же, как у изолированного откоса.

3. На основе анализа напряженного состояния грунтовых массивов получить графические зависимости и соответствующие аналитические аппроксимации для вычисления коэффициентов запаса откосов выемок и насыпей с учетом их взаимного влияния. На этой основе разработать инженерный метод расчета устойчивости откосов грунтовых сооружений, позволяющий определить значения геометрических параметров грунтовых сооружений (выемок, насыпей, траншей), при которых за счет учета взаимного влияния откосов можно получить существенный экономический эффект, определяемый сокращением объемов земляных работ.

4. Выработать рекомендации по назначению проектных значений коэффициентов запаса устойчивости откосов грунтовых сооружений, обеспечивающих их кратковременную устойчивость.

5. Разработать предложения по назначению геометрических параметров выемок и. насыпей грунтовых сооружений, обеспечивающих их длительную устойчивость и безопасную эксплуатацию.

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлена:

I .Теоретическими предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории упругости, теории пластичности, методов конечных элементов, механики грунтов и инженерной геологии.

2. Использованием при проведении численного моделирования сертифицированных и имеющих государственную регистрацию компьютерных программ.

3. Удовлетворительным совпадением результатов поверочных расчетов и физического моделирования взаимного влияния моделей откосов грунтовых сооружений на их устойчивость в лабораторных условиях.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1.На основе использования метода конечных элементов проведен анализ взаимного влияния близ расположенных откосов грунтовых сооружений (выемок, насыпей, траншей), включающий в себя исследование процессов трансформации напряженно-деформированного состояния, развития областей предельного состояния грунта в приоткосных областях, и, как следствие, изменения устойчивости откосов.

2. Получены графические зависимости и соответствующие аналитические аппроксимации, позволяющие оценить изменение величины коэффициента запаса устойчивости откосов, возникающего за счет учета их взаимного влияния при работе в составе грунтового сооружения.

3. Предложен инженерный метод расчета устойчивости откосов выемок и насыпей с учетом их взаимного влияния.

4. Сделаны предложения по определению геометрических параметров откосов фунтовых сооружений, обеспечивающих их кратковременную и длительную устойчивость.

5. Предложены рекомендации по назначению проектных значений коэффициентов запаса устойчивости откосов и склонов.

Практическая значимость работы. Результаты, полученные в процессе выполнения диссертации, могут быть использованы для:

- расчета устойчивости откосов выемок и насыпей с учетом их взаимного влияния, работающих в составе транспортных сооружений, обеспечивающего получение экономического эффекта;

- определения геометрических параметров откосов выемок и насыпей, обеспечивающих их кратковременную и длительную устойчивость.

- курсового и дипломного проектирования студентов дорожно-строительных и строительных специальностей вузов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и были опубликованы в материалах II Всероссийской конференции «Стратегия развития строительного комплекса и ЖКХ в регионе и инноватика в технике и технологиях» (Михайловка. 2008 г.), III Всероссийской научно-технической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона (Михайловка, 2009 г.), V Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2009 г.), V Международной конференции по геотехнике «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2010 г.), Казахстано-Корейского геотехнического семинара «Геотехническая инфраструктура больших городов и новых столиц» («Geotechnical Infrastructure in Megacities and New Capitals») (Казахстан, Астана, 2010 г.), Всероссийского научно-технического семинара «Технические проблемы нового строительства и реконструкции» (Новосибирск, 2011 г.), Международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011 г.)

Личный вклад автора заключается в:

- обосновании возможности использования метода конечных элементов для анализа напряженно-деформированного состояния откосов грунтовых сооружения при учете их взаимного влияния;

- проведении численных экспериментов, обработке и анализе результатов; получении графических зависимостей и их аналитических аппроксимаций, совокупность которых позволила решить поставленные в диссертационной работе задачи;

-разработке предложений о принципах назначения численных значений проектных (задаваемых) коэффициентов запаса устойчивости;

- разработке компьютерных программ, в которых формализованы анонсированные инженерные методы.

На защиту выносятся:

1. Результаты численного моделирования, в результате которого установлены особенности процесса взаимного влияния откосов грунтовых сооружений.

2. Графические зависимости и их аналитические аппроксимации, позволяющие определять величину коэффициентов запаса устойчивости откосов грунтовых сооружений с учетом их взаимного влияния и формализованные в инженерный метод.

3. Предложения по назначению проектных (задаваемых) значений коэффициентов запаса устойчивости откосов грунтовых сооружений.

4. Компьютерная программа, разработанная при непосредственном участии автора.

Результаты научных исследований внедрены в учебном процессе кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета в 2008-2011 гг. при проведении курсового и дипломного проектирования.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 15 научных трудах, в числе которых патент и информационный листок с описанием разработанной при участии соискателя компьютерной программы. Четыре работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, одна публикация имеет международный статус.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка из 121 наименования и приложений общим объемом 140 страниц, включает в себя 61 рисунок и 8 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность коллективу кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ, научному руководителю доктору технических наук профессору Богомолову А.Н. и доктору технических наук МациюС.И. за поддержку и постоянное внимание к работе, ценные научные консультации и советы.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации отмечается большой вклад в разработку методов расчета устойчивости откосов отечественных и зарубежных ученых:

B.Ф. Бабкова, А. Бишопа, А.Н. Богомолова, О.В. Вяземского,

C.С. Голушкевича, М.Н. Гольдштейна, М.М.Гришина, Э.М.Доброва, А.Г. Дорфмана, А.И. Иванова, А. Како, Ф. Кеттера, Э.В. Костерина, Б.М. Ломизе, Ю.Н. Малюшицкого, H.H. Маслова, С.И. Мация,

A.A. Ничипоровича, Н.В. Орнатского, К.Е. Петерсона, И.И.Попова, С.И.Попова, А.-А. Резаля, В. Ренкина, В.В.Соколовского, Д.Тейлора, К. Терцаги, З.Г. Тер-Мартиросяна, И.В. Федорова, В. Феллениуса, Г.Л. Фисенко, Р.Г. Хеннеса, В.К. Цветкова, H.A. Цытовича, P.P. Чугаева, К.Ш. Шадунца, Г.М. Шахунянца и многих других.

Проведен анализ наиболее часто употребляемых методов, которые условно разделены на четыре группы. Сделан вывод о том, что при проведении диссертационного исследования целесообразно использовать методику построения наиболее вероятной поверхности скольжения, разработанную проф.

B.К. Цветковым, основываясь на результаты анализа напряженного состояния приоткосной области методом конечных элементов, которые формализованы в компьютерной программе «Устойчивость. Напряженно-деформированное состояние», разработанной в ВолгГАСУ.

Во второй главе определяется цель работы, для чего методом конечных элементов проведен сравнительный анализ напряженного состояния откосов насыпей и выемок трапециевидного и треугольного сечений.

Рис. 1. Изолинии безразмерных напряжений а,.; а* и тк (а; б ив) в грунтовом массиве вокруг выемки и насыпи (г; дне) трапециевидного сечения, сложенных однородным связным грунтом

I к?

-0.ал \ -

Рис. 2. Изолинии безразмерных напряжений а/, стх и тчг (а; б не) 1 грунтовом массиве вокруг выемки и насыпи (г; д и е) треугольного сечения, сложенных однородным связным грунтом

На рис. 1 и 2 изображены изолинии безразмерных (в долях уЩ вертикальных (ст2), горизонтальных (стх) и касательных (тх2) напряжений возникающих от сил гравитации в однородных грунтовых массивах выемок и насыпей, при величине коэффициента бокового давления £„=0,75 (глинистый грунт). Анализ изображений показывает, что напряжения в соответствующих точках приоткосной зоны выемок и насыпей трапециевидного сечения значительно отличаются, причем это отличие достигает порой 25-35%. Еще более эти отличия заметны в грунтовом массиве вокруг выемки и насыпи треугольного сечения (см. рис. 2).

Данное обстоятельство предопределяет, что и величины коэффициентов запаса устойчивости, вычисленные для откосов насыпей и выемок по методике, основанной на анализе напряженного состояния грунтового массива, будут отличаться.

Обработав результаты вычислений величины коэффициента запаса устойчивости для изолированного откоса Кт, откосов выемки К„ и насыпи К„ с углами Р=45° при различных значениях величины приведенного давления связности, выполненные при помощи анонсированной компьютерной программы, построим линии, определяющие зависимость вида К=/(<уС9), приведенные на рис. 3.

к

з

2.5 2 и

1 О ОХО 0.1 0.15 0.2 0.25

Рис. 3. Графики зависимостей вида К=Д(Уса) для изолированного откоса, откосов насыпи и выемки

В С

Рис. 4. Расчетная схема для вычисления объемов сокращения земляных работ

Анализ графических зависимостей, приведенных на рис. 3, позволяет установить, что значения коэффициентов запаса устойчивости для откосов выемки в рассмотренном случае примерно на 30-35% больше при всех прочих равных условиях соответствующих значений для насыпи. Численные значения коэффициентов запаса устойчивости для изолированного откоса лежат между ними. Это означает, что при расчете откосов выемок и насыпей без учета их взаимного влияния коэффициенты запаса устойчивости для первых получаются несколько заниженными, а для вторых, напротив, завышенными. Это, в свою очередь, обуславливает в первом случае необоснованные дополнительные экономические затраты, а во втором - возможность возникновения аварийной ситуации.

Пример. Пусть угол заложения откоса выемки, определенный с учетом влияния противоположного откоса, равен a, a без учета этого влияния (3. Площадь треугольника ABC (рис. 4), определяющую разницу объемов земляных работ на единицу длины выемки, вычислим по формуле

SAABC = 0,5H\ctg/3~ ctga). (2.1)

Пусть расчетами установлено, что а=28°, a (3=25°. При глубине выемки Н=10м сокращение объемов земляных работ на I км ее длины составит V = 2 х 102 х (2,145 -1,881) х 1000 = 52,8 х 105 (м!), что весьма существенно.

Вышесказанное может быть отнесено к вертикальным откосам траншей и котлованов, т.к. учет взаимного влияния их бортов позволит увеличивать максимальную глубину без выполнения дополнительных мероприятий.

В связи с этим цель диссертационного исследования сформулирована следующим образом: На основе результатов анализа напряженного состояния грунтового массива разработать инженерный метод расчета устойчивости откосов насыпей и выемок грунтовых сооружений автомобильных дорог с учетом их взаимного влияния. Дать рекомендации по определению расчетных параметров, обеспечивающих кратковременную и длительную устойчивость откосов.

В третьей главе приводятся результаты расчета устойчивости однородных изолированных откосов, откосов выемок и насыпей треугольного и

трапециевидного сечения и излагается инженерный метод расчета устойчивости откосов грунтовых сооружений с учетом их взаимного влияния, разработанный на их основе. Расчеты проведены при углах заложения откосов 3=25°; 35°; 45°; 55°; 65°, численных значениях давления связности ссве[0,0375 - 0,3] для трех значений угла внутреннего трения грунта (р=15°, 25°,35° при величине коэффициента бокового давления грунта £о=0,75 и среднем значении удельного весау=2т/м3.

На рис. 5 приведены фрагменты расчетной схемы изолированного откоса, которая сгенерирована компьютерной программой. Размеры расчетной схемы приняты 13,5Нх7Н, что позволяег свести к минимуму влияние граничных условий на получаемые результаты. Расчетная схема состоит из 16900 конечных элементов, которые сопряжены в 8646 узлах. Ширина матрицы жесткости системы равна 146.

...........................¡ж^^^фШЩЩШ-.

¡¡Ш1Ш|| 11 :

~------- ; - - уптм ор(трвтчшп! тзпноолм ; '

:-•'_::•:- ~ яерццгнычмооидов ездита \\

Рис. 5. Фрагменты расчетной схемы МКЭ для расчета устойчивости изолированного откоса

На основе анализа результатов вычислений удалось построить графические зависимости, приведенные на рис. 6, позволяющие определять значения коэффициента запаса устойчивости однородного изолированного откоса в зависимости от его геометрии и физико-механических свойств слагающих его грунтов.

Оказалось, что все кривые, приведенные на рис. 6, могут быть аппроксимированы выражением (3.1), причем, погрешность не превысит4%.

К = ат^т, (3.1)

где К - коэффициент запаса устойчивости откоса; а - коэффициент, определяемый по графику, приведенному на рис. 6, г: т=щР~ заложение откоса.

Используя графики, приведенные на рис. 6, формулу (3.1) и метод линейной интерполяции можно легко вычислить численные значения величины коэффициента запаса устойчивости для изолированного откоса, если его угол |3е[250 - 65°], а физико-механические и геометрические параметры таковы, чтостсве[0,0375-0,3].

Аналогичные расчеты и графические построения проведены для откосов выемки и насыпи, фрагменты расчетных схем которых приведены на рис. 7.

Геометрические параметры выемки ¿„=/>0 выбраны из соображений, что при этих значениях взаимное влияние откосов максимально.

) ер

а)

в)

25°

1 0.5 I 1.5 1 ^ ' "

Рис. 6. Графические зависимости для определения величины коэффициента запаса устойчивости изолированного откоса при трех значениях угла внутреннего трения ср=15° (а). <р =25° (б) и <р=35° (в) в зависимости от величины его заложения и график для определения коэффициента а, входящего в формулу (1) (г)

г)

Рис. 7. Фрагменты расчетной схемы МКЭ для расчета устойчивости откоса выемки при условии Ье=0 (а; б) и насыпи при условии Ь=0 (в; г)

Расчетная схема, фрагменты которой приведены на рис. 7, состоит для выемки из 19400 конечных элементов, соединенных между собой в 9911 узлах, ширина матрицы жесткости системы равна 146. Для насыпи соответственно из 17000 элементов, сопряженных в 8701 узле. Ширина матрицы жесткости системы та же.

В результате обработки полученных результатов построены кривые, аналогичные кривым, приведенным на рис. 6.

к

<г„=<У

5 а.5

а-Ч.)

2 *1>б)

в,.***

з 'ИЛ

«А

д)

и в.ь

1 1.}

Рис. 8. Графические зависимости вида для четырех значениях давления

связности сг„=0,3; 0,15; 0,075; 0,0375 и трех значений угла внутреннего трения ф=15° (а);

Ф=25° (б) и (¡>=35° (в) для откосов выемки и соответственно откосов насыпи (г-в) при условии Ь„=1.=0

Для того, чтобы проанализировать, как ослабевает взаимное влияние противоположных откосов выемки и насыпи в зависимости от ширины их оснований, аналогичные расчеты и соответствующие построения графических зависимостей проведены и для условий: Ь„=1= 1,0; 2,0; 4,0; 6,0Я.

Ниже в качестве примера приведена таблица численных значений коэффициентов устойчивости откосов выемки и графические зависимости вида при условии, что Ьв=Ь=Н. Оказалось, что, как и ранее, все кривые, представленные на рис. 8 и 9, могут быть аппроксимированы выражением

К = ат", (3.2)

где К - коэффициент запаса устойчивости откоса; а и Ь - коэффициенты; т=^р-уклон откоса.

При этом погрешность аппроксимации ни в одном из вариантов не превышает 5%.

Ниже, на рис. 10 и 11, приведены кривые, позволяющие определять численные значения коэффициентов а и 6, входящих формулу (3.2).

1 «у» "о 0 6 1 1.5 е)

в)

Рис. 9. Графические зависимости вида К=/^Р) для четырех значениях давления^ связности <тс(,=0,3; 0,15; 0,075; 0,0375 и трех значений угла внутреннего трения ф=15°(а);

25°(б); 35°(в) для откосов выемки и откосов насыпи соответственно (г-е) при £„=£=#

Кроме того, установлено, если 1=0, то коэффициент Ь может быть принят вне зависимости от величины приведенного давления связности <за< и угла внутреннего трения грунта <р постоянным и равным Ь = -0,354, что повлечет за собой погрешность в вычислениях не превышающую 7%.

Таким образом, формула (3.2) и приведенные выше графики позволяют вычислять численные значения коэффициентов запаса устойчивости для откосов выемок и насыпей для всех возможных сочетаний численных значений расчетных параметров ((3=25°; 35°; 45°; 55°; 65°; сгсв=0,3; 0,15; 0,075; 0,0375; ф=15°; 25°; 35°) при условии, что Ъ,=1=0 и Ь„=Ь=Н.

Проводя анализ более чем 1000 результатов вычислений, формализованных в графические зависимости вида К=/^/3), можно сказать следующее. Численные значения коэффициентов устойчивости откосов насыпи и выемки при увеличении размеров ¿„и I устремляются к соответствующим значениям коэффициентов запаса устойчивости изолированного откоса. Причем коэффициенты запаса устойчивости откосов

«.Сй СИ № и им 11.1 б)

<р=з/

а.® (И Мб е.! ш и "мв) .............." а«г)

Рис. 10. Графики для определения коэффициентов а и Ь, определяющих величину коэффициентов запаса устойчивости откосов выемки при Ь=0 (а;б) и при 1=Н (в/г)

0.05 0,1 0.15 а,г 0.2£ с,3 а) ' УА ьв ш а1 °а

Рис. 11. График для определения коэффициента а, определяющего величину коэффициента запаса устойчивости откоса насыпи, при ¿=0 (а) и при (б)

б)

«> 0.5 1 1.5 2

Рис. 12. Графики для определения предельных значений параметров Ь„ти 1шпм при достижении которых взаимным влиянием откосов насыпей и выемок можно пренебречь

Анализ и обобщение результатов проведенных исследований позволил свести процесс вычисления величины коэффициента устойчивости откосов

насыпи К„ас возрастают, а коэффициенты запаса устойчивости откосов выемки, напротив, уменьшаются. Кроме того, на основе анализа результатов вычислений, проведенных при Ьв=1=0,0; 1,0; 2,0; 4,0; 6,ОН, установлено, что взаимным влиянием откосов при значениях Ьат и Ьтп превышающих соответствующие значения, которые могут быть с достаточной для инженерной практики точностью определены цо графикам, приведенным на рис. 12, можно пренебречь.

насыпи или выемки с учетом их взаимного влияния к выполнению следующих несложных процедур.

1. Используя графики, приведенные на рис. 12, определяем необходимость вычисления искомой величины с учетом взаимного влияния откосов сооружения.

2. Исходя из геометрических параметров исследуемого объекты и физико-механических свойств грунта, по формуле (3.1) и графикам, приведенным на рис. 6 (или при помощи таблицы № 3.1, приведенной в диссертационной работе), определяем величину коэффициента запаса устойчивости изолированного откоса Кио.

3. Если рассматривается устойчивость откосов выемки, то величина коэффициента запаса устойчивости вычисляется по эмпирической формуле

К.=к, хк2хКт1. (3.3)

I 1 ; I*

а) 6) в)

Рис. ¡3. График для определения коэффициента А, {а), к? (б) и к3 (в)

Если рассматривается задача об определении величины коэффициента запаса устойчивости откосов насыпи, то расчетная формула имеет вид

Кт=кгхКт. (3.4)

Численные значения коэффициентов к^\к2\ку определяются по графикам, приведенным на рис. 13.

Рассмотрим пример. Пусть необходимо вычислить величину коэффициента запаса устойчивости откосов однородной выемки с углами заложения откосов Р=35°. Физико-механические свойства грунта и геометрические размеры выемки таковы, что величина приведенного давления связности стсв=0,15, угол внутреннего трения грунта <р=15°, а отношение основания выемки к ее высоте 6„=0,8.

Фрагмент расчетной схемы МКЭ, сгенерированной программой [23], представлен на рис. 13. Она состоит из 6571 конечных элемента, сопряженных в 12800 узлах. Ширина матрицы жесткости равна 126. Следуя алгоритму решения задачи, изложенному выше, по таблице 3.1 определим, что величина коэффициента запаса устойчивости изолированного откоса равна К„о=0,93.

а)

Величины коэффициентов, входящих в формулу (3.3), определены по графикам, приведенным на рис. 13, следующими:

к{ =0,99; к2= 1,14. Тогда

=0,93x0,99x1,14 = 1,06. На рис. 14 приведена копия листинга результата вычисления величины Кеыем, выполненного на основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива при помощи программы [22]. Как видно разница полученных результатов составляет 3,6%.

Сравнение результатов этого и многих других проведенных нами сопоставительных расчетов, говорят о том, что их отличия не превышают в среднем 3-6%. Такая точность вычислений является весьма приемлемой при решении инженерных задач.

В четвертой главе рассматриваются вопросы назначения проектных значений коэффициентов запаса устойчивости обеспечивающих безопасную эксплуатацию откосов грунтовых сооружений при проектировании и строительстве автомобильных дорог.

Обсуждаются и даются рекомендации по назначению тех или иных показателей, характеризующих устойчивость грунтового массива.

В.А. Флорин указывал: «как правило, в зависимости от класса и типа сооружения, а также от степени достоверности определения расчетных параметров сопротивления сдвигу и применяемых методов расчета рекомендуемые значения коэффициентов запаса могут изменяться от 1 до 1,5 при среднем значении 1,25 - 1,3». Данная рекомендация не отличается большой определенностью, но указывает три позиции, которые должны в обязательном порядке учитываться при назначении коэффициентов запаса. Наше предложение сводится к тому, что величина общего коэффициента запаса может быть определена выражением, обеспечивающим независимость коэффициентов запаса по отдельным позициям

№ 1 X г I а 1 Г удер | Г сдвиг

И 6 510 -1 0301163 101| 0 139 | 0 224

21 6 610 -1 060 1172 0301 0 1461 0 214

31 6 710 -1 074¡172 030| 0 166 | 0 215

41 6 810 -1 088{175 855| 0 178| 0 215

51 6 910 -1 096| 179 5111 0 1881 0 216

61 7 010 -1 096| 2 525| 0 197 | 0 217

71 7 110 -1 091| 6 057 1 0 2031 0 217

81 7 210 -1 081| 13 303| 0 199| 0 214

51 7 310 -1 0571 11 6901 0 2101 0 214

101 7 410 -1 0361 21 187 | 0 199| 0 206

111 7 510 -0 9981 15 5091 0 2121 0 206

121 7 610 -0 570 | 19 105| 0 210| 0 201

131 7 710 -0 935| 21 0331 0 204| 0 194

111 7 810 -0 891| 20, 7601 0 209 1 0 185

15| 7 910 -0 853! 28 1361 0 197 | 0 176

- 161 В 010 -0 7991 30 396 1 0 191! 0 163

17 1 В 110 -0 741 [ 35 760| 0 173! 0 145

13 | 8 210 -0 669! 37 2321 0 169! 0 127

191 0 310 -0,593| 37, 7021 0 160! 0 108

201 8 410 -0 515| 39. 464| 0 1481 0 086

211 8 510 -0 433| 37 740| 0 137| 0 0 64

22| 8 610 -0 356| 40, 411| 0 123| 0 042

23| 8 710 -0 2701 42, 449| 0 107 | 0 018

24 | 8 810 -0 1791 36, 7511 0 090| 0 007

25| 8 910 -0 1041 41, 129| 0 0751 0 026

26| 1 9 010 -0 017 | 1 40, 0Э6| 1 0 0671 1 0 036

Площадь эпюры удерживающих сил: 0,4158726 Пяогцадь эпюры сдвигающих сил: 0,3806192 Коэффициент устойт^ивосши : 1, 1031310

б)

Рис. 14. Фрагмент расчетной схемы (а) и копия листинга результата вычислений (б)

П П1ХП}ХП3.

(4.5)

Класс и тип сооружения. Коэффициент запаса nt по этой позиции устанавливаться на государственном уровне, должны быть едиными и обязательными для применения, исходя из оценки стоимости сооружения, его значения для народного хозяйства, риска человеческих потерь и суммарного экологического и экономического ущерба, могущего возникнуть при разрушении сооружения.

Расчетные параметры сопротивления сдвигу. Коэффициенты запаса по этой позиции должны назначаться на основе оценки статистической погрешности при лабораторных испытаниях грунтов саморегулирующейся организацией, осуществляющей инженерно-геологические изыскания, она должна гарантировать максимальную достоверность расчетных характеристик, выдаваемых проектировщику, обеспечивая тем самым минимальные значения коэффициентов запаса по этой позиции.

Методы расчета. Коэффициенты запаса по этой позиции должны назначаться исходя из оценки степени адекватности применяемых расчетных методов и расчетных схем реальным условиям эксплуатации объекта. Этот коэффициент должен выбираться расчетчиком и проектировщиком, определяться их опытом и эрудицией, назначаемые по этой позиции, должны устанавливаться исполнителем.

Однако при строительстве дорожно-транспорных сооружений обычно проводят расчет кратковременной устойчивости откосов. Определить величины коэффициентов запаса, соответствующих кратковременной устойчивости откосов выемок и насыпей, можно на основе формул и графиков, приведенных в главе III диссертационной работы.

Рассмотрим кратковременную устойчивость откосов вертикальных траншей. Э.В.Костериным делается допущение о том, что «обрушение откоса (траншеи) произойдет тогда, когда высота опасной зоны (в нашем случае ОПСГ) h„, в которой угол максимального отклонения 0О > ср достигает величины 0,25/г» (h - высота траншеи). Мы сделаем это условие более жестким и будем считать, что обрушение вертикального откоса происходит тогда, когда размер поперечника ОПСГ достигает 0,25/, где / - ширина траншеи. Если поперечный размер ОПСГ не превышает 0,25/, то кратковременная устойчивость вертикального откоса обеспечена. Была поставлена задача отыскать такие сочетания физико-механических свойств фунта и геометрических параметров траншеи, при которых, поперечный размер областей пластических деформаций во всех направлениях находится в пределах 0</К//4 (рис. 15).

Для проведения компьютерного моделирования процесса зарождения областей пластических деформаций, необходимо определить пределы изменения переменных параметров, определяющих форму и размеры ОПД.

/ / след поверхности / скольжения

Щ-

1 V-ОПД

Рис. 15. Расчетная схема вертикальной трашлеи

Принято, что максимальная глубина траншеи или котлована #=5м, их ширина поочередно принимала значения / = (0,4;0,6;0,8;1,0)# ; (р е [7°-30°], а величина приведенного давления связности

а^=С(уН1ё(рУ'=ЪА\ 0,6; 0,8; 1,4; 2.

I 1

-,.,=0.1 0.1106 И | Ч —»-¡Л",| „"0.12ЧКя>И).073 (</) 1-

К' ,„,=(),(1'Ю5ф-0.0.11 (с)

/ /р„м'Прплч-йМЫ И I

[л-,,,|1уЛ» -0,0! йчн-1,72321

5 1(1 15 20 25 30 35

Рис. 16. Кривые вида К=/(ч>) при 1/Н= 1 (а); II Н=0,8 (¿); ИН= 0,6 (с) и //Я=0,4 (</) для значений давления связанности сгСв=0,4; 0,6; 0,8; 1,4; 2(я-е) (в рачках)

На рис. 16 приведены графические зависимости вида К=/(<р), построенные на основе результатов вычислений, проведенных для всех перечисленных выше значений переменных расчетных параметров. Особенностью построенных кривых является то, что каждая из них берет начало при таком значении угла внутреннего трения ф, превышение которого обеспечивает отсутствие областей пластических деформаций в бортах траншеи. Через начала этих кривых проведены прямые линии, делящие поле значений К=/((р) на две части. В нижней части поля, лежащей ниже означенной прямой, находится множество значений К> 1, которые не обеспечивают длительной устойчивости бортов траншеи, даже если это значение больше той величины К, которая указана в нормативном документе. И наоборот, может случиться, что при величине расчетного коэффициента запаса устойчивости меньшей нормативного значения и кратковременная и длительная устойчивость бортов траншеи будет обеспечена.

Для объяснения этого обратимся к рис. 16, а. Из рисунка видно, что при (р=35° величина К=\,05<К,юр=\,2 обеспечивает длительную устойчивость бортов траншеи, а при значении угла внутреннего трения, например, ф=10° длительная устойчивость бортов траншеи обеспечена лишь при К= 1,4, что больше нормативной величины.

В своих практических действиях мы руководствуемся положением о том, что если в массиве изначально отсутствуют области предельного состояния грунта и отсутствуют причины для их возникновения, то целостности грунтового сооружения (откоса выемки, насыпи, траншеи) ничто не угрожает, и оно может существовать сколь угодно долго.

На основе анализа результатов проведенных нами вычислений для трех видов грунтовых сооружений (вертикальная траншея, одиночный, в том числе, вертикальный откос, насыпь трапециевидного сечения) получены графические зависимости и формулы, позволяющие определить такие сочетания физико-механических свойств грунта и геометрических параметров этих объектов, при которых заведомо отсутствуют области предельного состояния грунта.

Вертикальная траншея.

ч—

.....

0,6 \

Г

П1 №

ад V-

-Л

¡ад

N а

-ч

ат

б)

Рис. 17. График для определения предельной величины приведенного давления связности (асв) (а) и коэффициента а в формуле (4.12)

а)

По графику, приведенному на рис. 17, а, можно определять величину приведенного давления связности, обеспечивающего длительную устойчивость траншеи. Зная эту величину и выражение для ат можно вычислить соответствующую высоту траншеи.

Кривые, приведенные на рис. 17, с погрешность, не превышающей 3,5%, могут быть аппроксимированы выражением (4.12), в котором а - безразмерный коэффициент, определяемый по графику (рис. 17, б) или вычисляемый по формуле (4.13), а второй - так же безразмерный, численно равен соответствующему значению угла внутреннего трения.

-0,0770

о = 0,46641п(£*/Я) + б,3652 .

(4.12)

(4.13)

Изолированный вертикальный откос. Первая и третья из графических зависимостей (рис. 18, а, в) позволяют определить для каждого из рассмотренных значений угла внутреннего трения <р и коэффициента бокового давления величину приведенного давления связности стсв, которая гарантирует отсутствие в приоткосной зоне областей пластических деформаций. Вторая (рис. ] 8, б) - величину расчетного коэффициента запаса устойчивости К, обеспечивающую длительную устойчивость вертикального откоса.

Рис. 18. График зависимости вида аСв=Я$о) (а); (Ь) и стсе=/(<р) (с)

для определения безопасных параметров вертикального откоса

Рис. 19. Графики зависимостей вида (р=/(асй) для однородных откосов с углами Р=25° (а): $=25°(Ь); ¡3=45"(с); Р=60Р=75° (д) и р=90° (е)

Используя кривые, приведенные на рис. 19, можно определить вену приведенного давления связности, а, следовательно, и высоту откоса Н, при которых исключается возникновение областей пластических деформаций в приоткосной зоне. Эти кривые могут с точностью до 5% быть аппроксимированы зависимостью

<р = аЩ{тс,) + Ь, (4.14)

где а и Ь - коэффициенты [град], определяемые по графикам, приведенным в диссертационной работе.

Насыпь дорожного полотна трапециевидного сечения На рис. 20 приведены графические зависимости вида ас«=/(<р) для определения величины предельных физико-механических свойств грунта (либо асв, либо ср), при

которых в массиве насыпи отсутствуют области пластических деформаций, т.е. обеспечена его длительная устойчивость). При расчетах рассматривались насыпи с углами откосов (3=20°; 30°; 40°, сложенные грунтами, имеющими угол внутреннего трения ф=10°; 15°; 20°; 25°; 30°, а величина удельного сцепления грунта С и высота насыпи принимают такие значения, что давление связности изменяется в пределах 0,03 <огсвпр <12.

Как видно, графики приведены для трех значений угла откоса (3, если угол (3 принимает некоторое промежуточное значение, то соответствующие величины рекомендуется определять при помощи операции линейной интерполяции, нении грунта его величина изменяется в гораздо меньшей степени, чем величина удельного сцепления, а высота откоса назначается исходя требований проекта.

Кривые, приведенные на рис. 20, с точностью не менее 96% аппроксимируются выражением

, Р 40" 1 1

г\

\\

- \№* -

р=20':' 1 | -

~\К-ты А \ к т п

20« 9,222 -0,194 0,151а

30» 6,509 -0.146 0,123а

40^ 7,614 -0,149 0.176а

су= /

+ п.

б)

(4.17)

Коэффициенты к и т - безразмерные, коэффициент п - размерность [град"1], их численные значения.

Рис. 20. Графические зависимости вида Сти^ф) для определения величины предельных значений физико-механических свойств грунта (а) и таблица коэффициентов аппроксимирующего выражения (б)

Инженерные мероприятия для обеспечения длительной устойчивости откосов. Из контекста работы ясно, что наиболее эффективным способом повышения устойчивости откосов грунтовых сооружений это ликвидация в приоткосных зонах областей предельного состояния грунта. Для этих целей могут быть использованы следующие приемы: замена слабого грунта армогрунтом, применение свайных удерживающих конструкций, шпунтовых рядов, габионов, пространственных армирующих конструкций. На рис.21 в качестве примера показано как изменится напряженное состояние грунтового массива после замещения слабого грунта армогрунтом.

В пятой главе диссертации приводятся результаты экспериментов по определению предельной высоты вертикальных откосов траншеи с учетом взаимного влияния. Установлено, что численные значения предельной высоты вертикального откоса траншеи (ее глубины), вычисленные по предлагаемым нами формулам и определенные на основе эксперимента, отличаются друг от друга не более, чем на 12%.

Области лредстько!^ С ОС ГОДОМ ф)М!а

"1

- 1 ■ '■:•:.•. ^

О 3 20 00 «ООО 60£0 8003 Х[М]

13с1с0 '0 00 160 00 0.

0.00 20 00 40.00 60 00

00 120.00 140.00 160.00

а) б)

Рис. 2!. Области предельного состояния грунта в откосе до (а) и после (б) укрепления

Мг Н„(|[р)(м)

0.1 1,00 1.12

0,16 0,89 0,994

0,5 0,87 0,912

1,0 0,83 0,869

2,0 0,74 0,827

Ж

а) б)

Рис. 22. Таблица с результатами сопоставление расчетных и экспериментальных данных (а), график зависимости вида Н„Р=Л1/И) (б), фотографии моделей вертикальных откосов траншей глубиной Н~0,70м (в),Н^Н„р(,)=0,№м (г) при величине отношения ///¡=1

Показано, что формулы, разработанные для определения величин предельных значений высот вертикальных откосов, дают значительно заниженные значения, что предопределяет существенный объем технически не обоснованных затрат. Поэтому расчет откосов, работающих в составе грунтовых сооружений, следует проводить с учетом их взаимного влияния.

Основные выводы

1. Большинство рассмотренных в работе методов не учитывают взаимное влияние откосов грунтовых сооружений, - результаты, полученные при расчете устойчивости одних и тех же объектов, могут значительно отличаться. Совместное использование метода конечных элементов и методик построения наиболее вероятной поверхности разрушения и вычисления величины коэффициента устойчивости, разработанных проф. В.К. Цветковым, позволяет построить адекватную расчетную схему и получить достоверные результаты, т.е. решить поставленные задачи. Поэтому для проведения диссертационного исследования использована компьютерная программа «Устойчивость. Напряженно-деформированное состояние», в которой формализованы МКЭ и методики проф. В.К. Цветкова.

2. Анализ напряженного состояния приоткосных областей выемок и насыпей показывает, что при достаточно близком расположении их откосов, взаимное влияние последних на НДС грунтового массива весьма существенно: значения коэффициентов запаса устойчивости для откосов выемки примерно на 30-35% больше (при всех прочих равных условиях) соответствую-

щих значений для насыпи; численные значения коэффициентов запаса устойчивости для изолированного откоса лежат между ними. Увеличение угла откоса выемки всего на 3° при ее глубине 10 м позволяет получить сокращение объема земляных работ, исчисляющийся десятками тысяч кубических метров. В тоже время, получение завышенных расчетных значений углов заложения для насыпей грозит возникновением серьезной аварийной ситуации. Поэтому проведение расчета устойчивости откосов грунтовых сооружений с учетом их взаимного влияния необходимо. Учет взаимного влияния откосов накладывает существенный отпечаток на результаты расчета величины коэффициента запаса устойчивости К. Увеличение расчетного значения К для откосов выемки и его уменьшение для откосов насыпи может достигать 535% по сравнению с величиной коэффициента запаса устойчивости, вычисленной для изолированного откоса, в зависимости от физико-механических свойств грунта и геометрических параметров рассматриваемого объекта.

3. На основе анализа результатов серий расчетов получены графические зависимости для определения геометрических параметров откосов грунтовых сооружений, при которых нет необходимости рассматривать их устойчивость с учетом взаимного влияния.

4. Получены графические зависимости и их аналитические аппроксимации, позволяющие с достаточной для инженерной практики степенью точности вычислять численные значения коэффициентов запаса устойчивости откосов грунтовых сооружений с учетом их взаимного влияния для широкого диапазона изменения геометрических параметров откосов и физико-механических свойств грунта, слагающего исследуемые объекты.

5. Величина проектного (задаваемого) коэффициента запаса устойчивости откосов грунтовых сооружений должна устанавливаться индивидуально для каждого из них с учетом трех основных позиций: класса и типа сооружения, расчетных параметров сопротивления грунта сдвигу, используемых методов расчета. Наши исследования показали, что в подавляющем большинстве случаев величина коэффициента запаса, вычисленная по формуле (4.5), больше величины коэффициента запаса, обеспечивающего присутствие качественного признака предложенного нами критерия безопасной эксплуатации грунтовых массивов - отсутствие зон областей предельного состояния грунта. При этом численные значения коэффициентов, входящих в формулу (4.5) при условии их равенства, находятся в интервале 1,091 < я, < 1,145.

6. На основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива получены графические зависимости и соответствующие аналитические аппроксимации для определения расчетных параметров траншей и котлованов, обеспечивающих их кратковременную устойчивость.

7. Используя предложенный нами критерий обеспечения безопасной эксплуатации откосов грунтовых сооружений, получены формулы и графики, позволяющие определить численные значения расчетных параметров, обеспечивающих их длительную устойчивость, которые формализованы в компьютерную программу.

8. В результате экспериментальных исследований установлено, что отличие численных значений предельной высоты вертикального откоса траншеи, полученных на основе предлагаемых в работе формул и графиков, отличаются от соответственных значений Н9(), полученных опытным путем, не более чем на 12%. Формулы, разработанные для определения величин предельных значений высот вертикальных откосов, дают значительно заниженные значения, что предопределяет существенный объем технически не обоснованных затрат. Поэтому расчет откосов, работающих в составе грунтовых сооружений, следует проводить с учетом их взаимного влияния.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 15 статьях, 4 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК (отмечены *):

1. Кужгль В.Н. К вопросу оценки рисков возникновения оползневого процесса / В.Н. Кужель и др. / Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование: материалы II Всероссийской научно-практической конференции. - Волгоград: ВолгГАСУ, 2009. - Ч. I. - С. 92-98.

2. Кужель В.Н. К вопросу о пространственном характере задачи о расчете величины коэффициента устойчивости грунтового откоса / В.Н. Кужель и др. / Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование: материалы II Всероссийской научно-практической конференции. - Волгоград: ВолгГАСУ, 2009. - Ч. I. - С. 99-105.

3. Кужель В.Н. Расчет устойчивости однородного откоса, подкрепленного конструкциями из вертикальных буронабивных свай/ В.Н. Кужель и др. / Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов: материалы V Международной научно-технической конференции. - Волгоград, 2009. - Ч. III. - С. 9-15.

4. Кужель В.Н. Проектирование противооползневых удерживающих свайных элементов для стабилизации оползня Егошихинского косогора в г. Перми / В.Н. Кужель и др. / Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов: материалы V Международной научно-технической конференции. - Волгоград, 2009.-Ч. III.-С. 16-23.

5. Кужель В.Н. Обоснование обеспечения длительной устойчивости откосов при помощи различных инженерных мероприятий / В, Н. Кужель и др. / Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов: материалы V Международной научно-технической конференции. - Волгоград, 2009. - Ч. III. - С. 23-29.

6. Кужель В Н. К вопросу о расчете устойчивости однородных нагруженных откосов / В.Н. Кужель и др. / Научно-практические и теоретические проблемы геотехники: межвузовский тематический сборник трудов / СПбГАСУ. - Том 2. - СПб, 2009. - С. 54-57.

7. Кужель В.Н. Расчет устойчивости откосов земляных сооружений с учетом их взаимного влияния устойчивость / В.Н. Кужель и др. / Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета: Серия: Строительство и архитектура. - 2010. - Вып. 18 (37). -С. 4-8.*

8. Кужель В.Н. Расчет устойчивости откосов выемок и насыпей различных геометрических параметров с учетом их взаимного влияния / В.Н. Кужель и др. / Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета: Серия: Строительство и архитектура. -2010.-Вып. 18 (37).-С. 9-13.*

9. Кужель В.Н. О назначении коэффициентов запаса при расчете грунтовых откосов и оснований сооружений на устойчивость / В.Н. Кужель и др. / Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета: Серия: Строительство и архитектура. -2010.-Вып. 19 (38).-С. 39-43.*

10. Kuzhel V.N. The settlement of manual influence in the calculation of stability of homogeneous slopes as a compound part of soil construction / V.N. Kuzhel et. al. / Geotechnical Infrastructure in Megacities and New Capitals: proceedings of the Kazakhstan-Korean Joint Geotechnical Seminar. - Astana, 2010.-P. 105-110.

11. Кужель В.Н. Мониторинг в противооползневой защите автомобильных дорог / В.Н. Кужель, СИ. Маций / Для всех, кому дороги дороги. -2010-2011.-№ 15.-С. 18-19.

12. Кужель В.Н. Предельная высота вертикального борта траншеи в однородном связном грунте / В.Н. Кужель и др. / Геотехнические проблемы нового строительства и реконструкции: сборник трудов Всероссийского научно-технического семинара / НГАСУ (СИБСТРИН). - Новосибирск, 2011.-С. 30-35.

13. Кужель В.Н. К вопросу о длительной устойчивости грунтовых сооружений / В.Н. Кужель и др. / Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета: Серия: Строительство и архитектура.-2011.-Вып. 23 (42).-С. 5-16.*

14. Кужель В.Н. Уголковая подпорная стена / В.Н. Кужель и др. - Патент РФ № 2250964 по заявке № 2003127183 от 08.09.2003.

15. Кужель В.Н. Компьютерная программа ВВ для расчета устойчивости откосов грунтовых сооружений с учетом их взаимного влияния / В.Н. Кужель и др.1 Информационный листок № 51-119-11. - Волгоградский Центр научно-технической информации, 2011. - 2 с.

КУЖЕЛЬ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ ГРУНТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ С УЧЕТОМ ИХ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ

05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов и транспортных тоннелей.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 7.10.2011. Заказ № 209. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,2. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет Отдел оперативной полиграфии 400074, Волгоград, ул. Академическая, 1

61 12-5/2030

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КУЖЕЛЬ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ ГРУНТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ С УЧЕТОМ ИХ

ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ

Специальность 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов и транспортных тоннелей»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор

А.Н.Богомолов

Волгоград, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................................5

Глава I. Анализ методов расчета грунтовых откосов различных

дорожно-транспортных сооружений..............................................11

1.1. Условная классификация существующих методов расчета................11

1.1.1. Первая группа методов........................................................................12

1.1.2. Вторая группа методов........................................................................14

1.1.3. Третья группа методов........................................................................18

1.1.4. Четвертая группа методов............................................20

1.5. Выбор метода проведения аналитических исследований..................34

Выводы по главе 1..........................................................................................35

Глава II. Постановка задач диссертационного исследования........................37

2.1. Анализ напряженного состояния откосов в составе грунтового сооружения................................................................................................37

2.2. Сопоставление величин коэффициентов запаса устойчивости и размеров областей пластических деформаций....................................44

2.3. Формулировка цели и постановка задач исследования......................48

Выводы по главе II............................................................................................50

Глава III. Инженерный метод расчета величины коэффициента запаса устойчивости откосов земляных сооружений автомобильных дорог с

учетом их взаимного влияния..........................................................................52

3.1. Расчет устойчивости изолированного откоса......................................53

3.2. Расчет устойчивости откосов выемки и насыпи при условии, что длины нижнего основания выемки и верхнего основания насыпи, равны ЬВ=Ь=0 и Ьн=Ь=Н (треугольное сечение)..................................57

3.2.1. Расчет устойчивости откосов выемки................................................58

3.2.2. Расчет устойчивости откосов насыпи................................................68

3.3. Инженерный метод расчета устойчивости откосов выемок и

насыпей с учетом их взаимного влияния.......................... 77

Выводы по главе III............................................. 81

Глава IV. Определение численных значений коэффициентов запаса устойчивости при проектировании и строительстве автомобильных дорог, обеспечивающих безопасную работу откосов грунтовых сооружений............................. 83

4.1. Обоснование численных значений проектных коэффициентов запаса устойчивости, обеспечивающих безопасную работу откосов грунтовых сооружений.............................. 83

4.1.1. Коэффициент запаса прочности............................. 83

4.1.2. Коэффициент запаса устойчивости.......................... 85

4.1.3. Расчет по предельным значениям характеристик сопротивления сдвигу.................................................. 86

4.1.4. Предложения по назначению численных значений коэффициентов запаса устойчивости........................ 87

4.2. Обеспечение кратковременной и длительной устойчивости

откосов насыпей, выемок, траншей и котлованов.............. 91

4.2.1. Устойчивость вертикальных откосов траншей................. 91

4.2.2. Длительная устойчивость вертикальных откосов траншеи (частный случай)........................................ 97

4.2.3. Изолированный вертикальный откос........................ 99

4.2.4. Изолированный откос произвольного заложения.............. 101

4.2.5. Насыпь дорожного полотна трапециевидного сечения.......... 104

4.3. Инженерные мероприятия для обеспечения длительной устойчивости откосов..................................... 106

Выводы по IV главе............................................. 113

Глава V. Экспериментальное определение предельной высоты

вертикальных откосов траншеи с учетом их взаимного влияния. 115

5.1. Опытная установка, физико-механические свойства

эквивалентного материала, изготовление моделей............. 115

5.2. Экспериментальное определение предельной высоты

вертикального откоса....................................... 117

Выводы по главе V.............................................. 121

Основные выводы.............................................. 122

Список литературы............................................. 126

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертационной работы. Рост объемов дорожного строительства сопровождается огромными затратами на земляные работы, связанные с разработкой и перемещением большого количества грунта при возведении насыпей дорожного полотна, устройстве выемок, прокладке траншей и других грунтовых сооружений. Поэтому работа по совершенствованию методов расчета устойчивости откосов земляных сооружений, основанных на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива, которые позволяют существенно снизить экономические затраты на строительство или обосновать расчетные геометрические параметры сооружений, обеспечивающих их длительную безопасную эксплуатацию, является весьма актуальной.

Цель диссертационной работы. Большинство методов расчета устойчивости откосов и склонов, основанных на гипотезах о круглоциллиндрической форме наиболее вероятной поверхности скольжения либо теории предельного равновесия разработаны для отдельно стоящего изолированного откоса. Они не позволяют учесть при проведении расчетов взаимное влияние близ расположенных откосов выемок и насыпей грунтового сооружения, которое предопределяет существенное отличие полей напряжений, возникающих от собственного веса грунта в приоткосных зонах таких объектов, от полей напряжений, возникающих при всех прочих равных условиях в массиве грунта, слагающего одиночный откос.

Учесть данное отличие возможно лишь на основе проведения анализа напряженного состояния грунтового массива и использования методов построения наиболее вероятных поверхностей скольжения и вычисления величин коэффициентов запаса устойчивости, которые используют результаты данного анализа.

Учитывая все выше сказанное цель настоящего диссертационного исследования можно сформулировать следующим образом:

На основе анализа напряженного состояния грунтового массива разработать инженерный метод расчета устойчивости откосов насыпей и выемок грунтовых сооружений автомобильных дорог с учетом их взаимного влияния. Дать рекомендации по определению расчетных параметров, обеспечивающих кратковременную и длительную устойчивость откосов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие

задачи:

1. Провести тщательный анализ существующих методов расчета и выбрать для проведения исследований те из них, которые позволяют решить поставленную задачу.

2. Определить границы проведения исследований, т.е. определить значения ширины основания выемки Ъ или верхнего основания насыпи Ь, при которых величина их коэффициента запаса устойчивости, при всех прочих равных условиях, будет такой же, как у изолированного откоса.

3. На основе анализа напряженного состояния грунтовых массивов получить графические зависимости и соответствующие аналитические аппроксимации, позволяющие вычислять коэффициенты запаса откосов выемок и насыпей с учетом их взаимного влияния. На их основе разработать инженерный метод расчета устойчивости откосов грунтовых сооружений, позволяющий кроме того определить значения геометрических параметров грунтовых сооружений (выемок, насыпей, траншей), при которых за счет учета взаимного влияния откосов можно получить существенный экономический эффект, определяемый сокращением объемов земляных работ.

4. Выработать рекомендации по назначению проектных значений коэффициентов запаса устойчивости откосов грунтовых сооружений, обеспечивающих их кратковременную устойчивость.

5. Разработать предложения по назначению геометрических параметров выемок и насыпей грунтовых сооружений, обеспечивающих их длительную устойчивость и безопасную эксплуатацию.

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлена:

1. Теоретическими предпосылками, опирающимися на фундаментальные

положения теории упругости, теории пластичности, методов конечных элементов, механики грунтов и инженерной геологии.

2. Использованием при проведении численного моделирования сертифицированных и имеющих государственную регистрацию компьютерных программ.

3. Удовлетворительным совпадением результатов поверочных расчетов с

результатами физического моделирования взаимного влияния моделей откосов грунтовых сооружений на их устойчивость в лабораторных условиях.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. На основе использования метода конечных элементов проведен анализ взаимного влияния близ расположенных откосов грунтовых сооружений (выемок, насыпей, траншей), включающий в себя исследование процессов трансформации напряженно-деформированного состояния, развития областей предельного состояния грунта в приоткосных областях, и, как следствие, изменения устойчивости откосов.

2. Получены графические зависимости и соответствующие аналитические аппроксимации, позволяющие оценить изменение величины коэффициента запаса устойчивости откосов, возникающего за счет учета их взаимного влияния при работе в составе грунтового сооружения.

3. Предложен инженерный метод расчета устойчивости откосов выемок и насыпей с учетом их взаимного влияния.

4. Сделаны предложения по определению геометрических параметров откосов грунтовых сооружений, обеспечивающих их кратковременную и длительную устойчивость.

5. Предложены рекомендации по назначению проектных значений коэффициентов запаса устойчивости откосов и склонов.

Практическая значимость работы. Результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, могут быть использованы для:

- расчета устойчивости откосов выемок и насыпей с учетом их взаимного влияния, работающих в составе транспортных сооружений, обеспечивающего получение экономического эффекта;

- определения геометрических параметров откосов выемок и насыпей, обеспечивающих их кратковременную и длительную устойчивость.

- курсового и дипломного проектирования студентов дорожно-строительных и строительных специальностей вузов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и были опубликованы в материалах III Всероссийской научно-технической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона (Михайловка, 2009 г.), V Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2009 г.), V Международной конференции по геотехнике «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2010 г.), Казахстано-Корейского геотехнического семинара «Геотехническая инфраструктура больших городов и новых столиц» («Geotechnical Infrastructure in Megacities and New Capitals») (Казахстан, Астана, 2010 г.), Всероссийского научно-технического семинара «Технические проблемы нового строительства и реконструкции» (Новосибирск, 2011 г.), Международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011 г.)

Личный вклад автора заключается в:

- обосновании возможности использования метода конечных элементов для

анализа напряженно-деформированного состояния откосов грунтовых сооружения при учете их взаимного влияния;

- проведении численных экспериментов, обработке и анализе результатов;

получении графических зависимостей и их аналитических аппроксимаций,

совокупность которых позволила решить поставленные в диссертационной работе задачи;

- разработке предложений о принципах назначения численных значений проектных (задаваемых) коэффициентов запаса устойчивости; разработке компьютерных программ, в которых формализованы анонсированные инженерные методы.

На защиту выносятся:

1. Результаты численного моделирования, в результате которого установлены особенности процесса взаимного влияния откосов грунтовых сооружений.

2. Графические зависимости и их аналитические аппроксимации, позволяющие определять величину коэффициентов запаса устойчивости откосов грунтовых сооружений с учетом их взаимного влияния и формализованные в инженерный метод.

3. Предложения по назначению проектных (задаваемых) значений коэффициентов запаса устойчивости откосов грунтовых сооружений.

3. Компьютерные программы, разработанные при непосредственном участии автора.

Результаты научных исследований внедрены:

- в учебном процессе кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета в 2008-2011 гг. при проведении курсового и дипломного проектирования.

- ООО «НТЦ ГеоПроект» при реконструкции малой объездной дороги от транспортной развязки в районе спортивного комплекса «Стадион» до моста через реку Сочи в районе Краснодарского кольца при проведении расчетов устойчивости оползнеопасных склонов.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в пятнадцати научных статьях, четыре из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка из 121 наименования и приложений общим объемом 140 страниц, включает в себя 61 рисунок и 8 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность коллективу кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ, научному руководителю доктору технических наук профессору Богомолову А.Н. и доктору технических наук Мацию С.И. за поддержку и постоянное внимание к работе, ценные научные консультации и советы.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ГРУНТОВЫХ ОТКОСОВ РАЗЛИЧНЫХ ДОРОЖНО-ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

1.1. Условная классификация существующих методов расчета

Успешное решение задачи об устойчивости грунтовых откосов возможно лишь тогда, когда будет разработан метод расчета, результаты которого с достаточной для практики степенью точности будут всегда совпадать с результатами лабораторных испытаний, а, самое главное, с поведением реальных грунтовых массивов в натуре.

К сожалению, существующие методы расчета позволяют получать для одних и тех же рассматриваемых объектов результаты, которые существенно отличаются друг от друга и, порой, не соответствуют результатам натурных наблюдений.

В аналитических исследованиях устойчивости грунтовых откосов и склонов используется большое количество аналитических методов. Условно их часто разделяют на четыре основные группы.

1. Методы, основанные на теории предельного равновесия, предполагающие, что весь грунтовый массив мгновенно переходит в предельное состояние.

2. Методы отвердевшей призмы обрушения, предполагающие, что форма поверхности разрушения (скольжения) заранее известна. В этом случае определяется форма поверхности разрушения при условии, что предельное равновесие наступает одновременно во всех точках этой поверхности.

3. Методы расчета углов откосов по углам сдвига.

4. Методы расчета, в которых положение и форма поверхности скольжения не считаются заранее известными, а определяются исходя из результатов анализа максимального количества факторов (физико-механические свойства грунта, внешние нагрузки, геометрические параметры и т.д.), определяющих устойчивость откоса, в том числе, и напряженно-деформированного состояния грунтового массива. Определение полей напряжений осуществляется в большинстве случаев для однородных откосов на основе решений первой основной граничной задачи линейной теории упругости, а для откосов неоднородного сложения - на основе метода конечных элементов (МКЭ).

1.1.1. Первая группа методов

Основные положения теории предельного равновесия сформулированы почти 240 лет назад К. Кулоном (1773), который впервые применил их для определения давления грунта засыпки на подпорную стенку.

Адаптации и развитию этих положений применительно к задаче о расчете устойчивости откосов посвящены работы В. Ренкина (1857), Ф. Кеттера (1903), А.-А. Резаля (1884) и других исследователей.

Р(х)

Рис. 1.1. Расчетная схема к определению формы предельно устойчивого откоса

Рис. 1.2. Сетка линий скольжения и форма предельного откоса при <р=30°

Рис. 1.3. Расчетная схема

предельного незагруженного откоса из связного грунта (а) и графики формы поверхности равноустойчивых откосов (б)

Завершение своего развития теория предельного равновесия нашла в работах отечественных ученых В.В. Соколовского [87] и С.С.Голушкевича [33]. Первый из них разработал общий метод решения задач для плоского предельного равновесия весомой сыпучей среды с испол