автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Оценка устойчивости грунтовых откосов и несущей способности оснований сооружений на основе анализа распределения напряжений и перемещений

Введение.

Глава 1. Обзор и анализ существующих методов расчета устойчивости грунтовых массивов, цели и задачи исследования.

1.1 .Современное состояние вопроса изучения устойчивости откосов и склонов, оснований сооружений.

1.1.1. Методы оценки устойчивости массивов однородного сложения.

1.1.2. Аналитические методы оценки устойчивости неоднородных откосов и склонов.

1.2. Анализ недостатков расчетных методов, цели и задачи исследования.

Выводы.

Глава 2. Теоретические основы расчета устойчивости откосов и склонов по напряжениям и перемещениям.

2.1. Выбор модели исследования, метода решения задачи, расчетной схемы и граничных условий.

2.2. Определение величины коэффициента устойчивости в точке.

2.3. Построение наиболее вероятной поверхности разрушения и определение коэффициента устойчивости.

2.4. Общая схема расчета устойчивости откосов и склонов на основе предлагаемого критерия устойчивости.

Выводы.

Глава 3. Расчет устойчивости откосов.

3.1. Определение коэффициентов устойчивости для различных значений углов наклона откосов однородного сложения и коэффициентов бокового давления грунтового массива.

3.2. Построение графиков для определения параметров однородных откосов.

3.3. Примеры решения практических задач и сравнение полученных результатов с известными.

3.4. Расчет устойчивости нагруженного откоса.

3.5. Расчет устойчивости двухслойных откосов в случае, когда наиболее вероятная поверхность разрушения совпадает с контактом слоев.

3.6. К решению упругопластической задачи.

Выводы.

Глава 4. Экспериментальная проверка полученных теоретических результатов моделированием на эквивалентных материалах.

4.1. Экспериментальное определение предельных высот откосов.

4.2.Определение физико-механических характеристик эквивалентного материала модели.

4.3. Аналитический расчет предельной высоты модели.

Выводы.

Глава 5. Применение полученных результатов при расчете устойчивости грунтовых массивов и оснований сооружений.

5.1. Сопоставление результатов аналитических исследований с натурными наблюдениями.

5.2. Экономическая эффективность предлагаемого метода расчета устойчивости откосов и склонов.

Выводы.

Современное строительство характеризуется не только количественным ростом, но и качественным. Все больше строится исключительных по своим масштабам сооружений. Их надежность в значительной мере зависит от устойчивости оснований, на которых они возводятся. Из-за дефицита площади городской застройки на практике в качестве оснований иногда приходится использовать откосы и склоны, сохраняя природный ландшафт и решая важные экологические проблемы. Нарушение устойчивости откоса или склона, являющегося основанием сооружения приводит к перемещению и самого сооружения. Особую опасность представляют оползни и обвалы [44] для всех видов инженерных сооружений, так как они связаны, помимо огромного мате-риаль-ного ущерба, с человеческими жертвами. Оползни опасны для зда-ний, промышленных объектов, железнодорожных линий, автомобильных до-рог, особенно расположенных на берегах рек и склонах. Известны многочисленные случаи деформаций мостов как следствие оползневых явлений. Наряду с требованием обеспечения необходимой устойчивости и прочности толщи грунта при строительстве выдвигается условие наиболее экономичного решения проблем. В этой связи определение углов наклона и высот откосов и склонов имеет большое значение. Отметим, что в практике разработки месторождений открытым способом устойчивость бортов карьеров обеспечивается правильным выбором этих параметров. От точности расчетов зависит стоимость инженерного сооружения и безопасность ведения работ. Изменение объема вскрышных пород при изменении угла наклона борта карьера пропорционально квадрату его глубины, что особенно важно для глубоких карьеров. Так, например, при увеличении угла откоса с 30° до 35° при глубинах 100-700 м объем вскрышных пород уменьшается соответственно на 1,5-74,5 млн. м3 на 1 км протяженности борта [91]. Потеря устойчивости бортов и уступов является и может стать причиной обрушения, принести значительный материальный ущерб [16].

В связи с вышеизложенным разработка надежного и эффективного способа расчета устойчивости грунтовых массивов и в частности откосов и склонов, а также оснований сооружений является актуальной задачей.

Исследованием напряженного состояния массивов, их устойчивостью и процессами разрушения, несущей способности оснований сооружений успешно занимались многие советские и зарубежные ученые: Авершин С.Г., Ахпате-лов Д.М., Бартоломей А.А., Ватутин С.А., Богомолов А.Н., Витке В., Вернер X., Газиев Э.Г., Гольдштейн М.Н., Грицко Г.И., Гулакян КА., Демин A.M., Дорош-кевич Н.М., Дорфман А.Г., Емельянова Е.П., Зелинский И.П., Золотарев Г.С., Курленя М.В., Маслов Н.Н., Миренков В.Е., Мочалов A.M., Никифоровский B.C., Попов И.В., Пшеничкин А.П., Ревуженко А.Ф., Сапожников В.Т., Степанов В.Я., Соколовский В.В., Тейлор Д., Тер-Мартиросян З.Г., Терцаги К., Трумбачев В.Ф., Федоров И.В., Фисенко Г.Л., Цветков В.К., Цытович Н.А., Чугаев P.P., Ша-дунц К.Ш., Шахунянц Г.М. Шемякин Е.И., Файрхарст Ч., Феллениус В. и другие.

В решение этих проблем значительный вклад внесли коллективы институтов ВНИМИ, ВИОГЕМ, Московского и Свердловского горных, Магнитогорского горно-металлургического, Геотехнической механики АН Украины, Физики и механики горных пород АН Кыргызстана, ИГД им. А.А.Скочинского, ГИДРОПРОЕКТ им. СЛ.Жука, ВолгГАСА, МГУ им. М.В.Ломоносова, МИСИ, МАДИ и др. Однако, многие вопросы еще не достаточно изучены, используемые методы расчета устойчивости откосов и склонов содержат ряд недостатков.

Существующие недостатки в той или иной степени влияют на точность результатов расчетов устойчивости откосов и склонов, подчеркивают актуальность проблемы и открывают перспективы для дальнейших поисков.

Основная идея настоящего исследования, которая принадлежит проф. Цветкову В.К., заключается в том, чтобы используя известный в механике принцип "возможных перемещений" и понятие коэффициента устойчивости, сформулировать критерий, в котором учитываются как действующие в массиве силы, так и перемещения. Предполагается, что для равновесия грунтового массива необходимо и достаточно, чтобы сумма работ всех действующих сил (удерживающих и сдвигающих) на действительных перемещениях точек приоткосной зоны равнялась нулю. Математически это выражается уравнением: =IFy;i iriCosaj+ ZFC;( ,г; cosai=0, где ¥уд i и FCii; - удерживающие и сдвигающие силы;

- величины перемещений точек приложения этих сил; oii - углы между положительными направлениями сил и перемещений. Отсюда следует, что, если величина Ка=1А Уд ; / DA сд i, то при КА>1 - массив устойчив, при КА<1 - неустойчив, при КА=1 - находится в предельном состоянии.

В настоящее время при общепринятом подходе к оценке устойчивости откосов и склонов коэффициент устойчивости определяется как отношение суммы удерживающих к сумме сдвигающих сил, действующих вдоль наиболее вероятной поверхности разрушения (поверхности, вдоль которой KA=min). Перемещения, происходящие в приоткосной зоне под действием гравитационных сил, а также в результате выемки грунта, при расчете коэффициента устойчивости не учитываются.

В механике горных пород, геомеханике, строительной механике существуют различные методы определения перемещений (аналитические, графические, с помощью непосредственного измерения, используя датчики). Анализируя значения этих перемещений, оценивают устойчивость массива пород, прочность инженерного сооружения или конструкции.

В предлагаемом критерии эти методы объединяются и учитываются как действующие в массиве силы, так и перемещения.

Научная новизна заключается в том, что разработана методика расчета устойчивости грунтовых массивов, которая в отличие от существующих, учитывает в точках наиболее вероятной поверхности разрушения не только действующие напряжения, но и перемещения; в однородном и двухслойном (когда поверхность разрушения полностью или частично совпадает с контактом слоев) откосах выявлено влияние основных физико-механических характеристик пород, перемещений точек приоткосной зоны на величину коэффициента устойчивости.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:

- теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных положениях теории упругости, пластичности, линейной теории ползучести и механики грунтов;

- сравнением полученных численных результатов с известными решениями;

- удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов (отличие не превышает 10%);

- подтверждением аналитических исследований натурными наблюдениями.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная в диссертации методика оценки устойчивости грунтовых массивов может быть использована в практике строительства инженерных сооружений, при определении устойчивости существующих откосов и склонов, несущей способности оснований сооружений; ее применение позволит в одних случаях прогнозировать оползневые явления, то есть сократить огромные материальные затраты, связанные с ликвидацией их последствий, в других - уменьшить объем земляных работ, в том числе объем вскрыши при открытом способе разработки полезных ископаемых.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСА (Волгоград, 1984-92 г.г., 2000-01 г.г.);

- Всесоюзной конференции по механике горных пород (Тбилиси, 1985 г.);

- IX Всесоюзной конференции по механике горных пород (Фрунзе, 1989 г.);

- Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2000 г.);

- Международной научно-технической конференции «Современные проблемы фундаментостроения» (Волгоград, 2001 г.).

Тема диссертации являлась составной частью госбюджетных научно-исследовательских работ, выполнявшихся в ВолгИСИ: в 1981-85 г.г. по отраслевому плану НИР Мннцветмета СССР "Вопросы оптимальной устойчивости оснований и открытых горных выработок" (номер гос. регистрации 81053681); в 1985-90 г.г. по координационному плану НИР Минвуза СССР "Разработка методов решения задач деформирования сред с усложненной структурой грунтов, включая задачи механики отвальных процессов" (номер гос. регистрации 01860019543).

Результаты диссертационной работы, реализованные в виде компьютерной программы для расчета коэффициентов устойчивости грунтовых откосов и несущей способности оснований сооружений (Информационный листок N 51-106-01, 2001 г.), внедрены в учебный процесс на кафедре "Строительные конструкции, основания и надежность сооружений" при изучении курсов «Механика грунтов», «Основания и фундаменты» в курсовом проектировании по специальностям "Промышленное и гражданское строительство", "Автомобильные дороги", "Городское строительство и хозяйство", в дипломном проектировании, а также в инженерных и научных исследованиях и на кафедре ИиВМ в курсе "Аналитические и численные методы решения уравнений математической физики" для магистров.

На защиту выносятся:

- методика расчета устойчивости грунтовых массивов и несущей способности оснований сооружений, которая, в отличие от существующих, учитывает в точках наиболее вероятной поверхности разрушения не только действующие напряжения, но и перемещения;

- инженерный способ расчета устойчивости однородных откосов и склонов с использованием удобных графиков и простых формул, а также методика расчета устойчивости двухслойных откосов с учетом влияния их физико-механических характеристик;

- компьютерная программа для расчета величины коэффициента устойчивости однородных и слоистых откосов и склонов вдоль заданной наиболее вероятной поверхности разрушения.

В работе содержится пять глав. Первая глава посвящена обзору современного состояния существующих методов расчета устойчивости грунтовых массивов, в частности, откосов и склонов и несущей способности оснований, анализируются их недостатки. Во второй главе дано теоретическое обоснование расчета устойчивости откосов по напряжениям и перемещениям, приведены основные зависимости, используемые в последующих главах. В третьей главе приводится расчет устойчивости однородных откосов для различных углов откоса и коэффициентов бокового давления; на основе полученных результатов строятся инженерные графики для определения параметров устойчивых однородных откосов при изменении коэффициента бокового давления от 0,1 до 1; рассматриваются примеры решения практических задач; выполняется расчет устойчивости нагруженного откоса, а также двухслойного откоса, когда наиболее вероятная поверхность разрушения совпадает с контактом слоев. В четвертой главе описываются эксперименты, проведенные на моделях откосов из эквивалентных материалов, подтверждающие хорошее согласование теоретических и экспериментальных результатов. В пятой главе приводятся результаты практического использования предлагаемой методики для расчета устойчивости реальных объектов, сопоставляются результаты аналитических исследований с натурными наблюдениями; оценивается экономическая эффективность от внедрения предлагаемого метода.

Работа выполнена на кафедре теоретической механики ВолгГАСА. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю доктору технических наук, профессору Цветкову В.К. за помощь, ценные советы и замечания в процессе работы над диссертацией, большую благодарность научному консультанту доктору технических наук, профессору Богомолову А.Н. за сделанные замечания и пожелания. Под коэффициентом бокового давления понимается отношение горизонтальных напряжений к вертикальным в ненарушенном массиве горных пород. Он зависит от прочностных характеристик массива, тектонических сил и изменяется в широких пределах [4, 92].