автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Критерий оценки длительной устойчивости откосов грунтовых насыпей автотранспортных сооружений

На правах рукописи СОЛОВЬЕВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ ДЛИТЕЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ ГРУНТОВЫХ НАСЫПЕЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ

СООРУЖЕНИЙ

Специальность: 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог,

метрополитенов, аэродромов и транспортных тоннелей»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 а

Волгоград 2009

003468775

Работа выполнена в государственных образовательных учрежден высшего профессионального образования Волгоградском государственно архитектурно-строительном университете и Тюменском государственно архитектурно-строительном университете.

Научные руководители

доктор технических наук, профессор ¡Дубина Михаил Михайлович)

доктор технических наук, профессор Богомолов Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бондарев Борис Александрович, Липецкий государственный технический университет

доктор технических наук, профессор Добров Эдуард Михайлович, Московский автомобильно-дорожный институт (Государственный технический университет)

Ведущая организация: Пермский государственный

технический университет

Защита состоится «28» мая 2009 года в 13.00 часов на заседай диссертационного совета Д 212.026.04 в ГОУ ВПО «Волгоградск государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Волгоградск государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан «24» апреля 2009 г

Ученый секретарь диссертационного совета

профессор У У/' ' Акчурин Т.К.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертационной работы. В начале 2001 года Правительством Российской Федерации была утверждена Федеральная целевая Программа «Модернизация транспортной системы России на 2002-2010 годы», неотъемлемой частью которой является подпрограмма «Автомобильные дороги». Обеспечение долговечности и надежности объектов дорожного хозяйства и оптимизации стоимости дорожных работ за счет применения прогрессивных технологий, конструкций, материалов, дорожной техники, современных методов организации дорожных работ, информационных технологий является одной из основных задач программы. На 2002 - 2010 годы предусматривается увеличение объемов строительства и реконструкции автомобильных дорог до 11000 км, а их общая протяженность достигнет 50000 км.

Поэтому задача о разработке надежного критерия оценки длительной устойчивости откосов грунтовых насыпей дорожного полотна и других транспортных сооружений является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка нового критерия оценки длительной устойчивости откосов однородной грунтовой насыпи дорожного полотна и других транспортных сооружений на основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Обосновать необходимость разработки нового критерия длительной устойчивости однородной грунтовой насыпи дорожного полотна и других транспортных сооружений на основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива.

2. Провести верификацию компьютерных программных продуктов, которые будут использоваться при теоретических исследованиях.

3. Обосновать и ограничить пределы изменения параметров, оказывающих влияние на длительную устойчивость насыпи автомобильной дороги. Составить и отработать расчетные схемы.

4. Предложить и экспериментально обосновать новый критерий оценки длительной устойчивости откосов, качественным признаком которого является отсутствие областей предельного состояния в грунтовом массиве, а количественным показателем - значение угла внутреннего трения <р, при котором этот признак присутствует.

5. Методом компьютерного моделирования получить графические зависимости, а затем их математические аппроксимации для отыскания величины количественного показателя предложенного критерия, а на его основе - предельно допустимой высоты откоса и оптимальной комбинации значений физико-механических свойств грунта и геометрических параметров откоса, при которых будет обеспечена длительная устойчивость грунтового сооружения.

6. Провести примеры использования разработанного критерия для обеспечения длительной устойчивости откосов на основе управления напряженно-деформированным состоянием грунтового массива в результате проведения геотехнических мероприятий.

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлены:

1. Теоретическими предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории упругости, пластичности, механики грунтов и инженерной геологии.

2. Использованием верифицированных компьютерных программных продуктов при проведении теоретических исследований.

3. Удовлетворительной сходимостью результатов моделирования процесса разрушения моделей грунтовых насыпей с результатами теоретических исследований.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. В предлагаемой диссертации предложен новый критерий оценки длительной устойчивости грунтовых откосов, разработанный на основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива и процесса зарождения областей предельного состояния грунта.

2. Получены новые экспериментальные данные по разрушению моделей вертикальных откосов при имитации образования областей предельного состояния грунта, подтверждающие правомочность заложенной в новом критерии идеологии.

3. Получены формулы и графики для отыскания величины количественного показателя предложенного критерия, что позволяет определить оптимальную комбинацию значений физико-механических свойств грунта и геометрических параметров откоса исходя из требований проектного задания, при которых будет обеспечена длительная устойчивость грунтового сооружения.

4. Теоретически показано, что обеспечить длительную устойчивость грунтового откоса - это значит, применяя различные методы и приемы геотехники, исключить внешние и внутренние причины образования в приоткосной зоне областей предельного состояния грунта. Отсутствие в грунтовом массиве областей предельного состояния фунта гарантирует длительную и безопасную эксплуатацию откосов насыпей автомобильных дорог и транспортных сооружений.

Практическая значимость работы. Диссертационная работа является частью научных исследований, проведенных на кафедрах «Проектирование автомобильных дорог», «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ в 2007-2009 гг. и «Строительные конструкции, основания и фундаменты» ТюмГАСУ в 2003-2009 гг.

Результаты, полученные в процессе работы над диссертацией могут быть использованы для:

• оценки длительной устойчивости откосов насыпей земляного полотна и других строящихся и эксплуатируемых транспортных сооружений; прогноза изменения степени надежности и устойчивости насыпи вследствие влияния природных и техногенных факторов на физико-механические свойства фунта;

• оценки надежности грунтовых транспортных сооружений при их ремонте и реконструкции;

• проведения учебных занятий (курсового и дипломного проектирования) на соответствующих кафедрах строительных и дорожных вузов.

Апробация работы. Основные научные результаты, полученные при работе над диссертацией, были доложены, на научно-методических семинарах кафедр «Гидротехнические и земляные сооружения» и «Проектирование автомобильных дорог» ВолгГАСУ (2002-2007гг.); обсуждены и опубликованы в материалах ежегодных научно-технических конференций ТюмГАСУ (20042005гг.) и ВолгГАСУ (2007-2009гг.); ежегодной научно-технической конференции СПбГАСУ (2009г.); IV Международной научно-технической конференции «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2008г.); Международной конференции «Развитие идей М.И.Агашкова в области оценки и рационального освоения месторождений полезных ископаемых» (Москва, РАН, 2008г.); V Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2009г.); Волгоградском центре научно-технической информации (2007-2009гг.); на годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии в рамках научной конференции «Моделирование при решении геоэкологических задач» (Москва, 2009г.).

Личный вклад автора заключается в:

• анализе методов расчета устойчивости грунтовых откосов и обосновании необходимости разработки нового критерия;

• проведении компьютерного моделирования процесса зарождения областей предельного состояния грунта при различных значениях физико-механических свойств и геометрических параметров массива;

• разработке идеологии нового критерия оценки длительной устойчивости грунтовых откосов, определении его качественного признака и количественного показателя;

• проведение экспериментальных исследований на моделях, сопоставительных расчетов, обработке и анализе их результатов.

На защиту выносятся:

1. Новый критерий оценки длительной устойчивости насыпей автомобильных дорог и других транспортных сооружений, его идеология, качественный признак и количественный показатель.

2. Графические зависимости и формулы, позволяющие определить численное значение количественного показателя предлагаемого критерия.

3. Результаты компьютерного моделирования процессов зарождения областей предельного состояния грунта и разрушения вертикальных откосов при имитации образования и развития ОПСГ.

4. Выявленные закономерности процесса зарождения областей предельного состояния грунта.

5. Результаты внедрения рекомендаций диссертационной работы.

Результаты научных исследований внедпены при проектировании автомобильных дорог проектно-исследовательским институтом "Тюменьдорпроект". Экономический эффект составил 60 тыс. рублей на один километр насыпи дорожного полотна.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 15 научных статьях, 4 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ (отмечены знаком *).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений общим объемом 141 страница, включает в себя 50 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и дается ее общая характеристика.

В первой главе диссертации рассматриваются и дается анализ методам расчета устойчивости откосов, наиболее часто используемых в инженерных расчетах.

В настоящее время известно множество методов расчета устойчивости откосов, но работы по их совершенствованию не прекращаются. Многие ученые продолжают поиски решений, наиболее полно отражающих природу склоновых процессов. Основным направлением, по которому ведутся исследования, начиная с 70-х годов прошлого века, является совершенствование методов расчета устойчивости, укрепления и стабилизации оползнеопасных объектов на основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива.

Работы в этой области связаны с именами многих наших соотечественников. Это: Д.М. Ахпателов, В.Ф. Бабков, А.Н. Богомолов, М.Н. Гольдштейн, JI.K. Гинзбург, Э.М. Добров, А.Г. Дорфман, Е.П. Емельянова, Ю.К. Зарецкий, Г.С. Золотарев, Ю.С. Козлов, Б.М. Ломизе, У.Х. Магдеев, A.JL Можевитинов, H.H. Маслов, В.В. Соколовский, З.Г. Тер-Мартиросян, P.P. Чугаев, В.К. Цветков, H.A. Цытович, К.Ш. Шадунц, Г.М. Шахунянц и многие другие.

Достойный вклад в дело развития методов расчета устойчивости откосов внесли зарубежные ученые. Это: M. Aurnould, A.S. Azzous, A.W. Bishop, A.K. Ghuqh, R.G. Hennes, J. Karstedt, U. Keizo, S. Makoto, J. Kiyoshi, N.Morgenstern, C.Narajan, D.J. Palladino, S. Sarma, T.W.Smith, S.D.Wilson, G.P. Tschebotarioff, K. Terzagi, N. Janby и др.

Подавляющее большинство методов расчета устойчивости откосов и склонов основаны на допущениях, которые в значительной степени идеализируют грунтовую среду. Результаты расчетов устойчивости одних и тех же объектов различными методами зачастую значительно отличаются. Ни в одном из этих методов не рассматривается вопрос об образовании областей предельного состояния грунта, их развитии, о постепенном накоплении пластических деформаций, что в конечном итоге приводит к разрушению откоса. Ведь известно: время необходимое, чтобы процесс «накопления пластических деформаций» достиг своей критической стадии, завершающейся разрушением откоса, определяет его длительную устойчивость. Поэтому не один из рассмотренных методов расчета не пригоден для оценки длительной устойчивости откосов.

Для достижения поставленных в диссертационной работе целей будем использовать компьютерную программу, разработанную в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете, в которой формализованы указанные выше теоретические решения. Для надежного прогнозирования длительной устойчивости откосов и склонов необходимо разработать надежный критерий прогнозирования длительной устойчивости откосов, базирующийся на результатах анализа напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов. Этот критерий должен характеризоваться качественным признаком и количественным показателем, определяющими длительную устойчивость сооружений и безопасность окружающей среды при различных режимах и условиях эксплуатации.

Во второй главе диссертационной работы проведена верификация компьютерных программ, которые использованы при проведении численного моделирования процесса зарождения областей предельного состояния грунта (ОПСГ).

Верификация проведена путем сопоставления экспериментальных данных, полученных при проведении физического моделирования процесса разрушения нагруженного откоса и определения предельной высоты вертикального откоса.

На рис. 1 приведены фотографии экспериментального лотка с моделями нагруженного и вертикального откоса. Для изготовления моделей откосов использовался песок средней крупности со следующими физико-механическими характеристиками: модуль общей деформации Ео=20000 кПа, коэффициент бокового давления £о=0,43, удельное сцепление С=0,9 кПа, угол внутреннего трения <р=35°, удельный вес у=17,66 кН/м3.

Модели нагруженного откоса имели высоту Ь=500 мм и угол заложения Р=64°.

Усилие, создаваемое гидравлическим домкратом, передавалось на жесткий прямоугольный металлический штамп размерами 125x400 мм и площадью А=500 см2.

Штамп последовательно устанавливался на дневную поверхность откоса на расстоянии Ь=0; 0,25; 0,5; 0,75 и 1Ь от бровки откоса, что составляло соответственно 0; 125; 250; 375 и 500 мм. Ступень нагружения составляла С>=498Н, что соответствовало увеличению давление под штампом на величину ДР=1 кН/м2. Нагружение модели завершается при ее разрушении, а разрушающая нагрузка фиксируется.

Рис. 1. Лотки для проведения экспериментов и модели нагруженного (а) и вертикального (б)

откосов до начала опытов

Экспериментальное определение предельной высоты вертикального откоса проводилось в том же лотке на моделях, выполненных из того же материала.

Технология изготовления моделей была следующей. Грунт в лоток укладывался слоями мощностью 100 мм. Каждый последующий слой укладывался через 20 минут после укладки предыдущего, что обеспечивало некоторое уплотнение материала модели гравитационными силами. В итоге формировалась модель вертикального откоса высотой 700 мм (рис. 16).

После этого с подошвы сформированной модели откоса производилась равномерная выемка грунта на глубину 25 мм. Каждой последующей выемке грунта предшествует 20 - минутный промежуток времени для обеспечения процесса перераспределения напряжений в грунтовом массиве после увеличения высоты модели откоса. Эта процедура повторялась до тех пор, пока не происходило обрушение откоса.

После этого разрушившаяся модель откоса фотографировалась, измерялись ее высота и высота призмы обрушения.

Всего разрушено три модели вертикального откоса, соответствующие значения предельной высоты оказались равными Н1=0,9м; Н2=0,85 м и Н3=0,925 м, что соответствует среднему значению Нср=0,89 м.

После завершения физического моделирования проведен обсчет их результатов при помощи компьютерных программ, выбранных для проведения численного моделирования. Графическая интерпретация полученных результатов для нагруженного откоса приведена на рис.2.

Из рисунка видно, что численные значения коэффициентов запаса устойчивости моделей нагруженных откосов К, вычисленные на основе использования программного комплекса ТюмГАСУ, и соответствующие значения этих коэффициентов Кь определенные по программе ВолгГАСУ, отличаются друг от друга на 6-23%. Отличие этих коэффициентов от единицы не превышает 12-17%. Кроме того, из рис. 2(6) видно, что реализованная линия скольжения 1 практически совпадает с наиболее вероятной линией скольжения, построенной при помощи компьютерной программы. Небольшое их несоответствие объясняется наличием равноослабленных зон в при откосной области.

....... — 1— ......—

—--

— 3"

0 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

а)

б) в)

Рис.2. График зависимостей вида дРаз=/(Ь) (1); К=/(Ь) (2) и К1=/(Ъ) (3), построенные по результатам численного моделирования (а); реализованная (1) и теоретическая (2) линии скольжения (б); модель вертикального откоса после разрушения (в)

Расчет предельной высоты вертикального откоса при помощи выбранных программ дает ее значение Н90=0,92 м, что всего на 3% отличается от усредненной опытной величины.

и

10

Следовательно, можно утверждать, что результаты физического I эксперимента с достаточно большой степенью точности соответствуют результатам расчетов, основанных на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива. Поэтому выбранные нами программы можно | использовать для проведения компьютерного моделирования процессов зарождения областей предельного состояния грунта.

В третьей главе диссертационной работы обосновывается необходимость решения задачи об установлении критерия оценки длительной устойчивости 1 откоса, вырабатывается его идеология и проводится ее экспериментальное I обоснование. |

Количественная оценка кратковременной устойчивости откосов и склонов \ заключается в отыскании величины коэффициента запаса устойчивости К различными методами геомеханики. Однако эта величина не может быть использована для оценки их длительной устойчивости. Подтвердим это I положение следующим примером.

На рис. 3 изображен однородный откос с углом |3=450, сложенный суглинком со следующими физико-механическими свойствами: угол внутреннего трения ср=16с; удельный вес у=2\ кН/м3; удельное сцепление С=0,016 МПа. >

Результаты расчетов, проведенных при помощи верифицированной | компьютерной программы, говорят о том, что при высоте откоса Н=8 м, ОПСГ в приоткосной зоне отсутствуют, при высоте откоса Н=10 м - их размер весьма незначителен, а при высоте Н=13 м - эта область в продольном и поперечном направлении имеет размеры 0,9 Н и 0,4 Н соответственно.

а) б)

Рис. 3. Области предельного состояния грунта в откосе высотой Н=10 м (а) и Н=13 м (б)

Расчетные значения величины коэффициента запаса устойчивости во всех трех случаях оказались больше единицы К1=1,87; К2=1,67 и К3=1,14. Однако совершенно ясно, что в последнем случае размеры области предельного состояния грунта недопустимо велики и откос не может существовать в устойчивом состоянии.

Количественную оценку длительной устойчивости откосов традиционно связывают с расчетами величин оползневых смещений и скоростей их развития во времени на основе анализа напряженно-деформированного состояния

массива и теории наследственной ползучести. Если области предельного состояния грунта отсутствуют или очень малы, то для отыскания напряжений можно использовать «упругие решения», а деформации, смещения и их скорости вычислять по известным формулам (см. формулы 3.5-3.8 диссертационной работы). Если области пластических деформаций занимают существенный объем грунтового массива и наиболее вероятная поверхность (линия) скольжения частично расположена в этом объеме, то изложенный выше подход становится неприемлемым. В этом случае достоверное прогнозирование длительной устойчивости откосов и склонов является весьма трудным, т.к. приходится решать смешанную задачу теории упругости и теории пластичности грунтов. В результате решения необходимо определить время, которое должно пройти с момента начала наблюдения за откосом до момента его разрушения. Это время равно времени протекания процесса перераспределения напряжений, в результате которого в каждой точке сформировавшейся поверхности скольжения будет выполнено условие равенства удерживающих и сдвигающих

сил (см. формулы 1.52 и 1.53 диссертационной работы). В настоящее время задача об отыскании времени, необходимого для завершения процесса перераспределения напряжений не решена.

Нами сделано предположение, что процесс перераспределения напряжений автоматически «запускается» при определенных условиях: если сочетание физико-механических свойств и геометрических параметров грунтового откоса таковы, что в нем предопределено возникновение областей предельного состояния грунта, то обусловленный этим перманентный процесс перераспределения напряжений обязательно завершится его разрушением.

Если ОПСГ изначально отсутствуют, и нет причин для их образования, то целостности грунтового откоса ничто не угрожает, и он может существовать сколь угодно долго.

Таким образом, одним из условий, обеспечивающих длительную устойчивость грунтового откоса, является отсутствие в грунтовом массиве областей предельного состояния. Это условие может определять качественный признак некоего критерия длительной устойчивости грунтового откоса.

Количественным показателем этого критерия может являться одна из величин, определяющих напряженно-деформированное состояние и прочность грунтового массива. Анализ формул (1.52-1.54; 3.4) диссертационной работы показывает, что такой величиной может служить, например, значение угла внутреннего трения грунта <р.

Все сказанное выше и определяет идеологию нового критерия оценки длительной устойчивости откосов грунтовых насыпей автомобильных дорог и транспортных сооружений.

Для экспериментального подтверждения идеологии нового критерия оценки длительной устойчивости нами проведены эксперименты по разрушению моделей вертикальных откосов путем имитации образования и развития ОПСГ.

В лотке из материала и по технологии, которые описаны в главе II настоящей диссертационной работы, формировались модели вертикальных откосов высотой Н=500 мм (согласно расчетам при такой высоте модели в ее теле отсутствуют области предельного состояния грунта). Выбор угла модели откоса р=90° обоснован тем, что в этом случае разрушение модели наступит при минимальном значении глубины щели, имитирующей ОПСГ.

После формирования моделей на высоте 50 мм (определено расчетом) выше поверхности ее подошвы проводилась постепенная подработка грунта - создание по всей ширине модели щели высотой 20 мм, которая призвана имитировать ОПСГ. Глубина щели увеличивалась постепенно, этапами каждый раз на величину не более 10 мм. Перед каждым этапом модель откоса «отдыхала» в течение 15 минут для обеспечения процесса перераспределения напряжений.

На рис. 4 приведены изолинии трех компонент напряжения в приоткосной зоне при условии, что области предельного состояния грунта отсутствуют, даже в том случае, когда глубина имитационной щели равна усредненному опытному значению этой величины. Расчеты выполнены при помощи компьютерной программы, разработанной в ВолгГАСУ.

а)

-0.6 -03

б)

к гО-

п \

шш од / 111 \\\ 1 1 0.025 \ 0.05 | \ -0.025^__

в)

Рис. 4. Картины изолиний вертикальных сг (а), горизонтальных <5Х (б) и касательных хХг (в) напряжений и положение наиболее вероятной линии скольжения (НВЛС) при отсутствии в приоткосной зоне областей предельного состояния грунта (слева); тоже -при усредненной величине глубины имитационной щели в модели откоса

После разрушения модели измерялась глубина щели, проводилось фотографирование линии (поверхности) скольжения (рис. 5). Всего было проведено разрушение трех идентичных по всем параметрам моделей и определены три значения глубины искусственной щели, соответствующие моменту разрушения: 1!=160 мм; 12= 130 мм; 13=150 мм.

а) б)

Рис. 5. Модель вертикального откоса после разрушения вследствие имитации образования области предельного состояния грунта в приоткосной зоне (а) и компьютерная интерпретация этого процесса (б)

Имитация области пластического состояния грунта (щели) достигалась тем, что конечным элементам, находящимся внутри ОПСГ, присваивали следующие физико-механические свойства: Е0—»0, а >1; С=0, <р и у полагались равными соответствующим значениям материала модели (на рис. 5(6) имитационная щель изображена в виде черного прямоугольника).

Из рис. 5 видно, что искусственное образование области предельного состояния грунта вызывает такое перераспределение напряжений, которое в свою очередь провоцирует интенсивное увеличение размеров ОПСГ, нарушение сплошности грунтового массива и образование четко выраженной призмы обрушения.

Если сравнить призмы обрушения, полученные экспериментально и при помощи расчета (рис. 5), то нетрудно убедиться в идентичности их положения, размеров и формы.

Из рис. 5(6) также видно, что линия АВ, которая практически совпадает с границами областей предельного состояния грунта и весьма близка по положению и форме к наиболее вероятной линии скольжения, построенной при условии, что ОПСГ отсутствуют в приоткосной зоне (рис. 4).

Экспериментальные данные приведенные выше, говорят о том, что предложенный новый критерий оценки длительной устойчивости откосов грунтовых насыпей автомобильных дорог и транспортных сооружений отвечает заложенной в него идеологии.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена определению численного значения количественного показателя предложенного критерия. Если выполняются условия К=1 или Г|п=1 (см. п. 3.1 диссертации), то точка грунтового массива находится в предельном состоянии.

Переменные параметры, определяющие выполнение этих условий можно разбить на две группы, первая из которых определяет напряженное состояние массива. Это геометрические параметры откоса - высота Н, угол заложения р и физические свойства грунта: удельный вес у и коэффициент бокового давления Только от этих величин зависят напряжения в точках однородного свободного от внешних нагрузок грунтового откоса. Вторая группа параметров определяет прочность грунтового массива. Это угол внутреннего трения грунта ср и величина удельного сцепления С.

Таким образом, можно записать:

К=/(С;ср; ¿¡0; у; Д- Н). (1)

Следовательно, условие К=1 может выполняться при некоторых сочетаниях численных значений переменных параметров, входящих в правую часть выражения (1).

Число независимых параметров можно существенно сократить, если при вычислениях напряжений их численные значения будут выражаться в долях (уН), и ввести новый безразмерный параметр - приведенное давление связности, величина которого определяется выражением стсв=С(уШ£ф)"1.

Проведя анализ значений величин удельного сцепления С, угла внутреннего трения ср и объемного веса у песчаных и пылевато-глинистых грунтов, приведенных в нормативной литературе, учитывая реальные значения высот откосов, встречающихся при строительстве автомобильных дорог и транспортных сооружений, принято, что величина приведенного давления связности при проведении компьютерного моделирования будет принимать десять значений в интервале Gcв=C(yhtg(p-j[ & [0,02-2].

Коэффициенту бокового давления грунта будут поочередно присваиваться значения £,=0,3; 0,5; 0,75; 0,9, а углу откоса - Р= 25°; 35°; 45°; 60°; 75°; 90°.

Целью компьютерного моделирования напряженного состояния откосов насыпи автомобильных дорог и транспортных сооружений является определение таких значений угла внутреннего трения грунта, когда при всех возможных сочетаниях численных значений переменных параметров, входящих в правую часть выражения (1), в точках грунтового массива будут отсутствовать области предельного состояния грунта.

При составлении расчетных схем сетка конечных элементов сделана максимально однородной: все элементы имеют форму прямоугольных треугольников, катеты которых ориентированы только в вертикальном и горизонтальном направлениях; площади и форма элементов одинаковы по обеим сторонам от откоса. Все расчетные схемы состоят из 14300 элементов,

сопряженных в 7336 узлах; а их размеры - 13Нх6Н - исключают влияние граничных условий на численные значения напряжений. Ширина матрицы жесткости системы -126.

а) б)

в) г)

0,5 1 1.5 2 О 0.5 1 1,5 2

д) е)

Рис. 6. Графики зависимостей вида <р=$(оп) для однородных откосов с углами (5=25° (а); Р=35°(Ф; $=45°(в); Р=60°(г); р=75° (д) и (3=90° (е)

Вычислительная процедура состоит в следующем: для одной из расчетных схем задаются минимальные значения величины приведенного давления связности стсв и коэффициента бокового давления грунта подбирается такое значение угла внутреннего трения грунта фр, при котором в каждом узле расчетной схемы, расположенном в приоткосной области, выполняется условие К-1 <0,001. Завершение процесса подбора угла ф фиксируется визуально - на расчетной схеме отсутствуют области предельного состояния грунта. Такие же углы фр определяются для всех оговоренных выше значений переменного параметра осв, после чего весь вычислительный процесс повторяется при всех значениях другого переменного параметра \0■

В результате проведенных вычислений построены графические зависимости вида (р=Ц<5ж) (рис. 6), которые с точностью до 5% аппроксимированы выражением:

<РР =<*Щ<те1)+Ь, (2)

где: а и Ъ- коэффициенты, определяемые по графикам, приведенным на рис. 7, и имеющие размерность [град].

В свою очередь, кривые, приведенные на рис. 6, также могут быть с достаточной степенью точности аппроксимированы логарифмической зависимостью, аналогичной зависимости (2).

а) б)

в) г)

Рис.7. Графики зависимостей вида а=/(Р) и Ь=/(Д) при £,=0,3 (а); ¿,=0,5 (б); £,=0,75 (в) и 6=0,9 (г)

Тогда выражение (2) примет вид:

9р + (3)

где: р- значение угла откоса в град, но без размерности; коэффициенты с; <1; е и к - определяются по графикам, приведенным на рис. 8 и имеют размерность [град].

а)

б)

0 6 08

в)

г)

(4)

Рис. 8. Графические зависимости с=/С&) (а); (б); е=/(&) (в) и к=/(,(#) (г)

Применяя полиноминальную аппроксимацию, удалось записать уравнения кривых, изображенных на рис. 8, в следующем виде: с = -32,017^03 +59,733^ -39,039£о +6,8729 с! = 137,42£03 - 257,86^02 +170,4£о - 40,555 е = 98,443^ -153,61£02 + 66,65^ + 5,0414 к = -168,89£03 +179,47£02 -10,615^ -48,522

Используя полученные аналитические зависимости (4) и формулу (3), легко определить значение угла внутреннего трения фр, которой должен обладать грунт, чтобы в приоткосной зоне не возникали области предельного состояния, а геометрические параметры откоса и физико-механические свойства грунта имели бы проектные значения.

Максимально допустимая высота откоса Нр, имеющего проектные геометрические параметры, сложенного грунтом с заданными физико-механическими свойствами, определяется обратным расчетом, исходя из условия равенства величин проектного и расчетного значений приведенного давления связности. Этот подход позволяет определить также оптимальную комбинацию значений физико-механических свойств грунта и геометрических параметров откоса исходя из требований проектного задания, при которых не будут возникать области предельного состояния грунта, т.е. будет обеспечена длительная устойчивость грунтового сооружения.

В пятой главе диссертационной работы приведены примеры некоторых геотехнических мероприятий, позволяющих обеспечить длительную устойчивость грунтовых откосов. Основной вывод, вытекающий из содержания четырех глав диссертационной работы, заключается в следующем: если в теле грунтового сооружения отсутствуют области предельного состояния грунта и влияние внешних дестабилизирующих факторов (эрозия, суффозия, выветривание и т.д.) исключается, то длительная устойчивость такого сооружения обеспечена.

Если в грунтовом массиве имеются ОПСГ, то для обеспечения длительной устойчивости грунтового сооружения необходимо провести такие геотехнические мероприятия, в результате которых области предельного состояния грунта были бы ликвидированы.

Рассмотрим несколько примеров использования инженерных мероприятий для обеспечения длительной устойчивости грунтовых откосов.

Пример № 1. Рассмотрим реально существующий откос высотой Н=20 м и углом заложения Р=80°. На его поверхности откоса на расстоянии Ь=30 м от его бровки расположено здание, создающее нагрузку на основание шириной Ь=12 м и интенсивностью q=l,177 МПа. Глубина заложения фундамента И3=3 м (см. рис. 9). Откос сложен однородным суглинком, имеющим модуль общей деформации Ео=80 МПа, удельное сцепление С=0,075 МПа, угол внутреннего трения ф=20° и плотность у=27 кН/м3.

На рис. 9 показаны области предельного состояния грунта, которые расположены непосредственно под фундаментом и охватывают значительную часть приоткосной зоны. Соотнося эту картину с принятым критерием длительной устойчивости откосов можно утверждать, что последняя не обеспечена.

Нагрузка ог здания

Ян] «о.оо-

0.00 2000 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00

у[м] 40.00-

х[м]

а) С2Д

о.ос

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00

х[м]

б)

Рис. 9. Области предельного состояния грунта в откосе до (а) и после (б) укрепления

В качестве мероприятия, призванного ликвидировать ОПСГ, было предложено использование армогрунта для усиления подошвы и поверхности самого откоса. Армогрунт имеет модуль общей деформации Ео=30 МПа и объемную долю армирования 5%. Толщина слоя армогрунта принята равной (1=2м.

Из рис. 9(6) видно, что проведение этого мероприятия заметно уменьшает размеры ОПСГ, расположенной непосредственно под фундаментом. Дальнейшее увеличение объемов, замещаемых армогрунтом, позволяет полностью ликвидировать области предельного состояния и обеспечить длительную устойчивость объекта.

Пример № 2. На грунтовом откосе высотой Н=20 м и углом заложения (3=80° расположено здание, создающее полосовую нагрузку шириной с1=15 м и интенсивностью ц=0,5 МПа. Грунт обладает следующими физико-механическими свойствами: модуль общей деформации Ео=20 МПа, коэффициент бокового давления грунта ^О=0,75, удельное сцепление С=0,1 МПа, угол внутреннего трения ф=14°, объемный вес грунта у=18 кН/м3.

На рис. 10 приведены полученные в результате расчета на компьютере с использованием программы, область предельного состояния грунта и вероятные линии скольжения (следы поверхностей скольжения). Как показали результаты расчетов численные значения коэффициентов запаса устойчивости соответственно равны К]=0,9978; К2=0,964; К3=0,9639, что ниже предельного значения.

35-00 30 ло

25.00 20.00 15.00

75.00 00.00 85 00 30.00 95 00 100Ш 105.00 ПОЛ0115.00 & Щ в)

Рис. 10. Области предельного состояния грунта и вероятные линии скольжения в откосе до (а) и после укрепления откоса свайным рядом с глубиной заложения концов свай 1у=13 м (б) и 1ъ=20 м (в)

/ / \

Армфующш

/ , -элемент

/

—сУ

-А

Одним из наиболее эффективных геотехнических мероприятий, позволяющих повысить величину коэффициента запаса устойчивости грунтового откоса и ликвидировать области предельного состояния грунта, является устройство вертикальных армирующих конструкций из буронабивных железобетонных свай.

На рис. 10(в) изображен армирующий элемент и показаны изолинии коэффициентов запаса устойчивости К. Из этого рисунка видно, что ОПСГ, обрамляемые изолиниями К=1, остались только непосредственно под краями фундамента и на участке перехода откоса в подошву.

Незначительное увеличение диаметра свайного элемента, его длины или его жесткости обеспечит длительную устойчивость откоса, т.к. при этом будут ликвидированы области предельного состояния грунта.

Пример № 3. В этом примере рассмотрены различные варианты закрепления берегового откоса подхода к мостовому переходу с целью обеспечения его длительной устойчивости при помощи габионов и свайных армирующих конструкций, подводимых под фундаментную плиту вблизи расположенного здания.

Из рис. 11 (а) видно, если геотехнические мероприятия по закреплению откоса не проведены, то область предельного состояния грунта, расположенная в приоткосной зоне, имеет значительные размеры (выделено красным цветом), а величина коэффициента запаса устойчивости откоса К=0,97. Это значит, что не обеспечена ни кратковременная, ни длительная устойчивость объекта. В данном случае в качестве геотехнических мероприятий могут выступать: перенос сооружения вдаль от бровки откоса, поверхностное закрепление откоса габионами, армирование сваями, использование георешеток различного типа (например, решеток Прудона), армирование фунтового массива «системой террамеш», применение шпунтовых стенок и различные варианты объемного армирования.

а)

б)

Рис. 11. Грунтовый откос до (а) и после укрепления габионами (б)

На рис. 11(6) в качестве примера приведена графическая интерпретация расчета напряженно-деформированного состояния откоса, при закреплении которого использована комбинация габионов и «системы террамеш». Из этого рисунка видно, что область предельного состояния грунта в приоткосной зоне практически исчезла, наиболее вероятная линия скольжения (выделено зеленым цветом) изменила свою форму, а величина коэффициента запаса устойчивости равна К=1,46. Все это говорит о том, что длительная устойчивость откоса обеспечена.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. При расчете величины коэффициента запаса устойчивости следует использовать методы, основанные на анализе напряженно-деформированного состояния приоткосной зоны. Однако численное значение величины коэффициента запаса устойчивости К не может характеризовать степень длительной устойчивости грунтового массива.

2. При помощи программных продуктов, разработанных в ВолгГАСУ и ТюмГАСУ, получены результаты, которые практически совпадают с результатами соответствующих экспериментальных исследований. Считаем, что они прошли верификацию и поэтому использованы для проведения компьютерного моделирования.

3. Для оценки длительной устойчивости откосов необходимо разработать критерий, который базируется на результатах анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива. Его качественным признаком является отсутствие областей предельного состояния в грунтовом массиве, а количественным показателем - значение угла внутреннего трения грунта фр (при всех прочих равных условиях), когда этот признак присутствует.

4. В результате лабораторных экспериментов по имитации процесса развития областей предельного состояния грунта установлено: экспериментальное и расчетное значения глубины имитационной щели совпадают, а положение, размеры и форма призм обрушения, полученных при помощи расчета и опытным путем одинаковы; реализованная поверхность скольжения соответствует границе ОПСГ. Следовательно, идеология предлагаемого критерия оценки длительной устойчивости откосов грунтовых насыпей автомобильных дорог выбрана правильно.

5. Определен перечень и диапазон изменения переменных параметров, определяющих величину количественного показателя нового критерия оценки длительной устойчивости откосов и склонов. Составлена и реализована вычислительная процедура, позволившая получить графические зависимости и соответствующие математические аппроксимации для отыскания величины количественного показателя критерия.

6. Исходя из условия равенства значений проектного и расчетного приведенного давления связности, определяемого по величине количественного показателя критерия, вычисляют предельную высоту откоса и находят оптимальную комбинацию значений физико-механических свойств грунта и геометрических параметров откоса, при которых будет обеспечена его длительная устойчивость.

7. Обеспечить длительную устойчивость грунтового откоса - это значит, применяя различные методы и приемы геотехники, исключить внешние и внутренние причины образования в приоткосной зоне областей предельного состояния грунта. Перечень геотехнических мероприятий, позволяющих обеспечить длительную устойчивость откосов, очень широк, их выбор должен осуществляться в каждом конкретном случае, опираясь на результаты расчетов устойчивости подкрепленных откосов методами, основанными на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива.

Основное содержание диссертации опубликовано в 15 работах, из которых 4 -в изданиях, рекомендованных ВАК РФ (отмечено знаком (*))

1. Богомолов, А.Н. К вопросу об устойчивости вертикального откоса / А.Н. Богомолов, С.И. Шиян, A.B. Соловьев, И.В. Якименко // Вестник гражданских инженеров. Научно-теоретический журнал. Вып. 4(17). СПбГАСУ - Санкт-Петербург 2008 - С. 40-43.(*)

2. Богомолов, A.A. Некоторые новые характеристики процесса развития областей пластических деформаций в однородном связном основании заглубленного фундамента. / A.A. Богомолов, А.Н. Богомолов, М.Ю. Нестратов, С.И. Шиян, A.B. Соловьев // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. / Серия: Строительство и архитектура. Вып. 9 (28). - Волгоград 2008. - С.12-17. (*)

3. Богомолов, A.A. Экспериментальные исследования несущей способности связанных оснований ленточных фундаментов мелкого заложения / A.A. Богомолов, Я.В. Качурин, A.B. Соловьев, Д.П.Торшин // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета./ Серия: Строительство и архитектура. Вып. 10 (29).- Волгоград 2008. - С.171-174.(*)

4. Шестопал, А.О. Оценка устойчивости нижней головы шлюза № 1 ВолгоДонского водного пути / А.О. Шестопал, А.Н. Богомолов, Я.В. Качурин, A.B. Соловьев, М.Ю. Нестратов, И.В. Якименко, В.Н. Кужель // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. / Серия: Строительство и архитектура. Вып. 13 (32). - Волгоград 2009. - С.164-169.(*)

5. Дубина, М.М. О постановке задачи расчета устойчивости откоса / М.М. Дубина, A.B. Соловьев // Сборник материалов научной конференции преподавателей молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСА/ под общей редакцией д.т.н., профессора Шаповала А.Ф., д.ф.-м.н., профессора Кутушева А.Г.- Тюмень: ИПЦ «Экспресс», 2004 - С.23-27.

6. Дубина, М.М. Исследование устойчивости подкрепленного откоса с сооружением / М.М.-Дубина, A.B. Соловьев, Д.К. Тесленко // Международная геотехническая конференция «Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов» - Алматы 2004. - С. 237-240.

7. Дубина, М.М. Управление устойчивостью откоса с сооружением / М.М. Дубина, А.В Соловьев, Д.К. Тесленко // Сборник трудов кафедры механики грунтов, оснований и фундаментов ТюмГАСА. Под ред. М.М. Дубины. - Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2005-С. 128-133.

8. Дубина, М.М. Повышение устойчивости откоса с сооружением / М.М. Дубина, А.В Соловьев // Доклады V-ro Всероссийского семинара «Проблемы оптимального проектирования сооружений» - Новосибирск 2005. -С. 149-155

9. Дубина, М.М. Численное исследование устойчивости подкрепленного грунтового откоса / М.М Дубина, Д.К. Тесленко, А.В Соловьев // Материалы III Международной научной конференции «Городские агломерации на оползневых территориях» - Волгоград 2005. С. 114-120.

10. Богомолов, А.Н. Определение критерия безопасности эксплуатации грунтового откоса. / А.Н. Богомолов, О.А Богомолова, С.И. Шиян, A.B. Соловьев // Бу/цвелып конструкцй. Мгжвщомчий науково техтчний зб!рник. Мехашка грунпв та фундаменто-будування. Книга 2. - Кшв. НД1БК. 2008. - С.221-228.

11. Богомолов, А.Н. Определение безопасных параметров вертикального откоса / А.Н. Богомолов, О.А Богомолова, С.И. Шиян, A.B. Соловьев, И.В. Якименко // Развитие идей М.И. Агошкова в области оценки и рационального освоения месторождения полезных ископаемых./ Под редакцией академика РАН К.Н. Трубецкого, член корреспондента РАН Д.Р. Каплунова - Москва 2008-С. 112-116.

12. Соловьев, A.B. К вопросу оценки рисков возникновения оползневого процесса / A.B. Соловьев, В.Н. Кужель, A.C. Статун, И.В. Якименко, O.A. Богомолова, Я.В. Качурин // Материалы II всеросийской научно-практической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование.» Михайловка. 2008. - С. 92-99.

13. Соловьев, A.B. К вопросу о пространственном характере задачи о расчете величины коэффициента устойчивости грунтового откоса / A.B. Соловьев, В.Н. Кужель, A.C. Статун, И.В. Якименко, O.A. Богомолова, Я.В. Качурин // Материалы И всеросийской научно-практической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование.» - Михайловка. 2008. - С. 99-106.

14. Богомолов, А.Н. Лабораторное и компьютерное моделирование процесса разрушения вертикального грунтового откоса. / А.Н. Богомолов, С.И. Шиян, О.А Богомолова, A.B. Соловьев, И.В. Якименко // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Сергеевские чтения. Моделирование при решении геоэкологических задач. Выпуск 11. - Москва 2009. - С. 272-278.

15. Богомолова, O.A. К вопросу о расчете устойчивости однородных нагруженных откосов / О.А Богомолова, Я.В. Качурин, И.В. Якименко, В.Н. Кужель, A.B. Соловьев // Межвузовский тематический сборник трудов. «Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники» Том 2. -Санкт-Петербург 2009- С. 54-58.

В работах [5-8] приведены решения задачи об устойчивости откоса находящегося под действием нагрузки от сооружения. В работе [9] исследуете устойчивость подкрепленного грунтового откоса. В работах [2-3] приведень результаты экспериментальных и теоретических исследований несуще' способности связных оснований сооружений. В работах [10-11] определяютс критерии и параметры безопасной эксплуатации грунтовых откосов. В работе [12 оцениваются риски возникновения оползневых процессов. В работах [1;4;12-15 рассмотрены различные вопросы, связанные с исследованием устойчивост грунтовых откосов.

Подписано в печать «_»_2009г. Формат 60x84 1/16.

Бумага тип № 1. Усл. Печ. Л. 1,5. Тираж 110 экз. Заказ №_

400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 • Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Типография «Автограф-VIP» ОКВД 22.22 (полиграфическая деятельность) Свидетельство ОГРН № 1067203347420 от 12.09.2006 г.

Отпечатано с готового набора в типографии «Автограф-VIP» 62500, г. Тюмень, ул. Луначарского, 53 Тел.: (3452) 43-50-63, 78-43-02

Введение

Глава I. Анализ современных методов расчета устойчивости грунтовых откосов и склонов

1.1. Расчетные методы первой группы.

1.1.1. Метод К. Терцаги [23;99;100].

1.1.2. Метод проф. Г.Н. Шахунянца

1.1.3.метод Маслова-Берера. (метод «Горизонтальных сил»)

1.1.4. Ускоренный метод проф. М.Н. Гольдштейна

1.1.5. Метод Б.М. Ломизе

1.1.6. Метод проф. А.Л. Можевитинова

1.1.7. Метод проф. P.P. Чугаева

1.2. Расчетные методы второй группы

1.2.1. Метод В.В. Соколовского

1.2.2. Метод равнопрочного откоса «F »

1.3. Расчетные методы третьей группы

1.3.1. Метод Ю.С. Козлова

1.3.2. Метод Никитина

1.3.3. Методы В.К. Цветкова и А.Н. Богомолова

1.4. Расчетные методы четвертой группы

1.4.1. Метод А.Г. Дорфмана

1.4.2. Метод У.Х. Магдеева

1.5. Выбор расчетного метода и постановка задачи 34 Выводы по главе I.

Глава II. Экспериментальная верификация программных продуктов, использованных при проведении исследования. 38 2.1. Физическое моделирование процессов разрушения моделей откосов

2.1.1. Лабораторная установка и оборудование

2.1.2. Последовательность проведения эксперимента

2.1.3. Результаты физического (модельного) эксперимента

2.4. Компьютерное (численное) моделирование и его результаты

2.5. Экспериментальное определение предельной высоты вертикального откоса

Выводы по главе II.

Глава III. Постановка задачи о критерии длительной устойчивости грунтового откоса

3.1. Определение областей предельного состояния грунта

3.2. О величине коэффициента запаса как о критерии, определяющем длительную устойчивость откоса

3.3. Новый критерий оценки длительной устойчивости откосов и его идеология

3.4. Экспериментальное обоснование идеологии нового критерия оценки длительной устойчивости грунтовых откосов

Выводы по главе III.

Глава IV. Определение количественного показателя критерия длительной устойчивости откосов дорожно-транспортных сооружений

4.1. Переменные параметры, определяющие возможность «перехода» точки грунтового массива в предельное состояние. Цель компьютерного моделирования

4.2. Параметры расчетных схем и вычислительная процедура при проведении компьютерного моделирования

4.3. Определение количественного показателя критерия оценки длительной устойчивости откосов насыпей автомобильных дорог и транспортных сооружений 87 4.4. Пример практического использования нового критерия оценки длительной устойчивости откосов

Выводы по главе IV.

Глава V. Использование методов геотехники для обеспечения длительной устойчивости существующих объектов.

Выводы по главе V.

Актуальность темы диссертационной работы. В начале 2001 года Правительством Российской Федерации была утверждена Федеральная целевая Программа «Модернизация транспортной системы России» на 2002-2010 годы, неотъемлемой частью которой является подпрограмма «Автомобильные дороги». Обеспечение долговечности и надежности объектов дорожного хозяйства и оптимизации стоимости дорожных работ за счет применения прогрессивных технологий, конструкций, материалов, дорожной техники, современных методов организации дорожных работ, информационных технологий является одной из основных задач программы. На 2002 - 2010 годы предусматривается увеличение объемов строительства и реконструкции автомобильных дорог до 11000км, а их общая протяженность достигнет 50000км.

Поэтому задача о разработке надежного критерия оценки длительной устойчивости откосов грунтовых насыпей дорожного полотна и других транспортных сооружений является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка нового критерия оценки длительной устойчивости откосов однородной грунтовой насыпи дорожного полотна и других транспортных сооружений на основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Обосновать необходимость разработки нового критерия длительной устойчивости однородной грунтовой насыпи дорожного полотна и других транспортных сооружений на основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива.

2. Провести верификацию компьютерных программных продуктов, которые будут использоваться при теоретических исследованиях.

3. Обосновать и ограничить пределы изменения параметров, оказывающих влияние на длительную устойчивость насыпи автомобильной дороги. Составить и отработать расчетные схемы.

4. Провести компьютерное моделирование процесса образования областей предельного состояния в однородной грунтовой насыпи. Построить зависимости размеров областей пластических деформаций от физико-механических свойств грунта насыпи и ее геометрических параметров. Построить зависимости, позволяющие определять такие физико-механические свойства грунтов, когда в теле насыпи отсутствуют области пластических деформаций.

5. Предложить и экспериментально обосновать новый критерий оценки длительной устойчивости откосов, качественным признаком которого, является отсутствие областей предельного состояния в грунтовом массиве, а количественным показателем - значение угла внутреннего трения ср, при котором этот признак присутствует. Методом компьютерного моделирования получить графические зависимости и их математические аппроксимации для отыскания величины количественного показателя предложенного критерия, а на его основе - предельно допустимой высоты откоса и оптимальной комбинации значений физико-механических свойств грунта и геометрических параметров откоса исходя из требований проектного задания, при которых будет обеспечена длительная устойчивость грунтового сооружения.

6. Провести примеры использования разработанного критерия для обеспечения длительной устойчивости откосов на основе управления напряженно-деформированным состоянием грунтового массива в результате проведения геотехнических мероприятий.

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлены:

1. Теоретическим предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории функций комплексного переменного, теории упругости, пластичности, механики грунтов и инженерной геологии.

2. Использованием верифицированных компьютерных программных продуктов при проведении теоретических исследований.

3. Удовлетворительной сходимостью результатов моделирования процесса разрушения моделей грунтовых насыпей с результатами теоретических исследований.

Научная новизна диссертационной работы:

1. В предлагаемой диссертационной работе может быть в одной из первых предложен новый критерий оценки длительной устойчивости грунтовых откосов, разработанный на основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива и процесса зарождения областей предельного состояния грунта.

2. Получены новые экспериментальные данные по разрушению моделей вертикальных откосов при имитации образования областей предельного состояния грунта, подтверждающие правомочность заложенной в новом критерии идеологии.

3. Получены формулы и графики для отыскания величины количественного показателя предложенного критерия, что позволяет определить оптимальную комбинацию значений физико-механических свойств грунта и геометрических параметров откоса исходя из требований проектного задания, при которых будет обеспечена длительная устойчивость грунтового сооружения.

4. Теоретически показано, что обеспечить длительную устойчивость грунтового откоса - это значит, применяя различные методы и приемы геотехники, исключить внешние и внутренние причины образования в приоткосной зоне областей предельного состояния грунта. Отсутствие в грунтовом массиве областей предельного состояния грунта гарантирует длительную и безопасную эксплуатацию откосов насыпей автомобильных дорог и транспортных сооружений.

Практическая значимость работы. Диссертационная работа является частью научных исследований, проведенных на кафедрах: «Проектирование автомобильных дорог», «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ в 2007-2009 гг. и «Строительные конструкции, основания и фундаменты» ТюмГАСУ в 2003-2009 гг.

Результаты, полученные в процессе работы над диссертацией могут быть использованы для:

- оценки длительной устойчивости откосов насыпей земляного полотна и других строящихся и эксплуатируемых транспортных сооружений;

- прогноза изменения степени надежности и устойчивости насыпи вследствие влияния природных и техногенных факторов на физико-механические свойства грунта;

- оценки надежности грунтовых транспортных сооружений при их ремонте и реконструкции;

- проведения учебных занятий (курсового и дипломного проектирования) на соответствующих кафедрах строительных и дорожных вузов.

Апробация работы. Основные научные результаты, полученные при работе над диссертацией, докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах ежегодных научно-технических конференций ТюмГАСУ (2004-2005гг) и ВолгГАСУ (2007-2009гг.); ежегодной научно-технической конференции СПбГАСУ (2009г.); V Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2009г.); IV Международной научно-технической конференции «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2008г.); Волгоградском центре научно-технической информации (2007-2009гг.); Международной конференции «Развитие идей М.И.Агашкова в области оценки и рационального освоения месторождений полезных ископаемых» (Москва, РАН, 2008г.); на годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии в рамках научной конференции «Моделирование при решении геоэкологических задач» (Москва, 2009г.), на научно-методических семинарах кафедр «Гидротехнические и земляные сооружения» и «Проектирование автомобильных дорог» ВолгГАСУ (2002-2007гг.).

Личный вклад автора заключается в:

- анализе методов оценки устойчивости грунтовых откосов и обосновании необходимости разработки нового критерия;

- разработке идеологии нового критерия оценки длительной устойчивости грунтовых откосов, определении его качественного признака и количественного показателя; проведении компьютерного моделирования процесса зарождения областей предельного состояния грунта при различных значениях физико-механических свойств и геометрических параметров массива;

- проведение экспериментальных исследований на моделях, сопоставительных расчетов, обработке и анализе их результатов.

На защиту выносятся:

1. Новый критерий оценки длительной устойчивости насыпей автомобильных дорог и других транспортных сооружений, его идеология, качественный признак и количественный показатель.

2. Графические зависимости и формулы, позволяющие определить численное значение количественного показателя предлагаемого критерия.

3. Результаты компьютерного моделирования процессов зарождения областей предельного состояния грунта и разрушения вертикальных откосов при имитации образования и развития областей предельного состояния грунта (ОПСГ).

4. Выявленные закономерности процесса зарождения областей предельного состояния грунта.

5. Результаты внедрения рекомендаций диссертационной работы.

Результаты научных исследований внедрены при проектировании автомобильных дорог проектно-исследовательским институтом "Тюменьдорпроект". Экономический эффект составил 60 тыс. рублей на один километр насыпи дорожного полотна.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 15 научных статьях, 4 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений общим объемом 141 страница, включает в себя 50 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Использование аналитического решения первой краевой задачи теории упругости для полуплоскости (А.Н.Богомолов, 1996) и процедуры МКЭ для определения полей напряжений в однородных и неоднородных откосах, а также методики построения наиболее вероятной поверхности разрушения и вычисления величины коэффициента запаса устойчивости (В.К.Цветков, 1968) позволяет исключить подавляющее большинство недостатков, присущих расчетным методам всех четырех групп при определении кратковременной устойчивости откосов грунтовых насыпей. Однако, численное значение величины коэффициента запаса устойчивости откоса не может использоваться в качестве количественного показателя критерия его длительной устойчивости.

2. Для проведения теоретических исследований использованы программные продукты, разработанные в ВолгГАСУ и ТюмГАСУ, которые прошли верификацию, основанную на сопоставление экспериментально полученных данных и результатов расчетов при помощи этих программ.

3. Для надежного прогнозирования длительной устойчивости откосов и склонов необходимо разработать критерий безопасной длительной эксплуатации грунтового сооружения, который базируется на результатах анализа напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов и. характеризуется качественным признаком и количественным показателем. Последние определяют безопасность (устойчивость) сооружений и безопасность окружающей среды при различных режимах и условиях эксплуатации, технического обслуживания и ремонта, ввода и вывода сооружения из эксплуатации.

4. Предлагается новый критерий, качественным признаком которого является отсутствие областей предельного состояния в грунтовом массиве, а количественным показателем — значение угла внутреннего трения грунта ср (при всех прочих равных условиях), когда этот признак присутствует. Результаты лабораторных экспериментов по разрушению моделей вертикальных откосов путем имитации образования областей предельного состояния грунта нашли свое полное теоретическое подтверждение: расчетное значение глубины имитационной щели соответствует состоянию перехода модели откоса в запредельное состояние; положение, размеры и форма призм обрушения, полученных теоретическим и опытным путем практически совпадают; реализованная поверхность скольжения соответствует границе ОПСГ. Поэтому можно утверждать, что предложенный новый критерий оценки длительной устойчивости откосов грунтовых насыпей автомобильных дорог и транспортных сооружений отвечает заложенной в него идеологии и может быть рекомендован для практического использования.

5. Определен перечень и диапазон изменения переменных параметров, определяющих величину количественного показателя нового критерия оценки длительной устойчивости откосов и склонов. Составлена и реализована вычислительная процедура, позволившая получить графические зависимости и соответствующие математические аппроксимации для отыскания величины количественного показателя предложенного критерия.

6. Максимально допустимая высота откоса, имеющего проектные геометрические параметры, сложенного грунтом с заданными физико-механическими свойствами, определяется обратным расчетом, исходя из условия равенства величин проектного и расчетного приведенного давления связности, которое определяется на основе количественного показателя предложенного критерия. Этот подход позволяет определить оптимальную комбинацию значений физико-механических свойств грунта и геометрических параметров откоса исходя из требований проектного задания, при которых не будут возникать области предельного состояния грунта, т.е. будет обеспечена длительная устойчивость грунтового сооружения.

7. Обеспечить длительную устойчивость грунтового откоса - это значит, применяя различные методы и приемы геотехники, исключить внешние и внутренние причины образования в приоткосной зоне областей предельного состояния грунта. Отсутствие в грунтовом массиве областей предельного состояния грунта гарантирует длительную и безопасную эксплуатацию откосов насыпей автомобильных дорог и транспортных сооружений.

8. Перечень геотехнических мероприятий, позволяющих обеспечить длительную устойчивость откосов, очень широк, по этому выбор того или иного из них должен осуществляться в каждом конкретном случае, опираясь на результаты расчетов устойчивости подкрепленных откосов, методами, основанными на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива.