автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета грунтовых сооружений мелиоративных систем

1 8'п'1 - ?

ьСШОШи, ОРЛЛА ТР/ДЪОГО КРАСНОГО иш.иш

1Ш'>дю-ксиш;йьАТ1-ШзСРш ыгстшт гидР0Т1Ш[Ш1 и

^«ЛЮРАЦШ; и..е1Ш Л.П.КООТ^ЮВА

На правах рукописи '. УЖ 6Л.8.001/6,37.824,131

¡ЛШЛи ШЖОЛАл 1ША,лОЫ'Л кандааат технических наук ■

СОЬЕРШШЫЪАШК ЬИТОлОЬ РАСЛТЛ ГРЛПШЛ СООРУШПл МЫИОРАТШЬл СЬСТЕМ

Специальность: 05.23.07-Гидротехническое и

мелиоративное строительство

1 в т о р е 5 е р.а г

диссертьции на соискание ученой степени доктора технически наук

Москва 1':.,(Л

Работа шпслнена в научно-производственно!/ объединении по гидротехнике и мелиорации зеыель Украйни illiû УкрЛПГь.!.

Официальные оппоненты; доктор технических ньук, про^иосор Казаков ii,С., доктор технических наук, Профессор г.азириовскнй ь.Д., доктор технических наук, профессор Усенко u.c. Ьедущая организащл ПО "Совннтервод".

во Всесоюзном ордена Трудового красного Зна-енп научно-исследова-тельокок. институте гидротехника и целиорацип ы...А.11.Костикова.

ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации 1л...А.11.Кост«шва. ■ / Отзыш и замечания на автореферат в двух экзегллярах, завеянные печатью, проси.; направлять ученому секретари спецналпзпро-ванного совета по адресу: 127550, г.Москва, ул.Е.Академическая,44, БШГиЫ.

С диссертацией ьошю ознакомиться в библиотеке Всесоюзного

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

и.о.швщшшш

'ЛИ':**:-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

. "л

"'Актуальность проблемы . Обеспечение прочности и устойчивости грунтовых сооружен^ мелиоративных систем является главным требованием, подлежащим обоснованию и доказательству при разработке проекта, а затем при их строительстве и эксплуатации. В комплексе мелиоративной систем грунтовые сооружения могут быть представлены плотинами, каналами, дамбами обвалования и оградительным дамбами. Как правило, эти сооружения относятся к 111 или Г/ классам капитальности, а характернш/л особенностями являются линейная протяженность, небольшая высота до 20 м, работа конструктивных элементов в условиях не только полного или частичного обводнения, но к суточного, а то и сезонного колебания уровня вода и обусловленного и;, силового воздействия.

В целях сохранения сельскохозяйственных угодий, с учетом специфики развития мелиоративного строительства возведение названных сооружений осуществляется обычно в неблагоприятных шкенерно-гео-логических и гидрогеологических условиях, в том числе в поймах рек, в акваториях озер, лиманов и заливов, где основанием их нередко являются заиленные или заторуоЕанныз супеси и суглинки, которые характеризуются низкими прочностными показателями. При возведешь грунтовых сооружений в таких условиях и.еют место многочисленные деформации и разрушения их в строительный период и в первое время эксплуатации. Б этом случае интенсификация и повышение эффективности мелиоративного строительства требуют коренного совершенствования методов проектирования и технологии возведения грунтовых сооружений. Ь решении данной вакной задачи первостепенное значение при-надленит расчетно-теоретическоку аппарату оценки несущей способности оснований к устойчивости сооружений, поскольку хя.-енно на его основе должно осуществляться совершенствование методов проектирования, реконструкция, строительство х: эксплуатация каналов, дамб, плотин в сложных индекерно-геологлческих и гидрогеологических условиях.

Анализ опыта проектирования к строительства грунтовых сооруке-ний мелиоративных систем показал, что пока отсутствует единый научно обоснованный подход к конструировании, возведению и оценке их состояния в неблагоприятных геологических и гидрогеологических условиях.

Сооружения из грунтовых материалов в реальных условиях их строительства и эксплуатации рг-боаавт в ус^.угопластпческой стадии.

Поэтому в последние года делаются попытки оценить устойчивость соо-рукений на основе теории линейно-деформируемой среда и среды теории предельного равновесия, т.е. на основе решения смешанной задачи ¡/одели упругопластической среда. Однако принципов или даже приемов, удовлетворительных для оценки устойчивости сооружений по атой менее абстрактной [/.одели по сравнению с существующими расчет-ниш моделш.л устойчивости, пока не имеется. В связи с изложенным представилось целесообразным провести комплекс исследований с целью совершенствования методов проектирования г расчета на основе использования положений 1/.одели упругопластической среды для разработки сравнительно простых удобных для практики мелиоративного строительства инженерных способсз анализа устойчивости сооружений, возводима и эксплуатируемых в неблагоприятных инкзнерно-геологи-ческих условиях.

Основные этапы работы выполнены по заданиям, связанным с проектированием, строительством и эксплуатацией крупных водохозяйственных ойьектов Украины : озерно-морской вариант какала Дунай-.Днепр, строительный котлован основных сооружений по перекрытию Дне-нровско-Бугского лимана, оценка состояния приканальных дамб СевероКрымского канала, Главный Каховский магистральный канал, магистральный канал Северо-Рогачикской оросительной системы и др., а также, в рамках програи.ы по решению отраслевой научно-технической ; проблема 0.04 "Гидротехнические сооружения мелиоративных систем".

Цель и задачи исследований. Основной целью исследований является совершенствование методов расчета грунтовых сооружений мелиоративных систем с учетом упругопластических свойств грунта в области возможного обручения для обоснования рациональных конструктивных решений, совершенных технологий строительства и заданных режимов эксплуатации атих сооружений, возводимых и эксплуатируемых в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях.

Достижение поставленной цели потребовало решения следа^их основных задач :

изучить механизм упругопластического деформирования и разрушения грунтовых сооружений, условия, причины и факторы, влияющие на развитие механических процессов в упругой и пластической областях потенциально-неустойчивой части массива, а затем их класоифи-цировать ;

разработать практические методы реализации теоретических решений на основе модели упругопластического отсека обрушения по возникновению и развитию поверхности скольжения, прогнозу ее формы в

грунтовом сооружении и инженерной оценке его устойчивости ;

разработать общ-'з модель расчета грунтового сооружения, составной частью которой долкны стать формализованные приемы выбора поперечного сечения сооружения и его конструктивных элементов

дренан,оценка щильтрационной прочности и ьестной устойчивости, крепление откосов для инженерного обеспечен^ задачи по их проектированию и строительству ;

дать технико-экономическую оценку предложение.! по совершенствованию расчетно-теорзтического аппарата и разработать алгоритм) для практических расчетов грунтовых сооружений мелиоративных систем.

Методы исследования. При прсведенпц теоретических исследова-нкй использовались методы и аппарат механики грунтов к инженерной геологии, механики сплош-юй среда, механики твердого тела, механики разрушения и теории фильтрации, пр;:менялпсь также численные метода анализа и итерационные методы.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на грунтовом логке размером 7,6x0,94x1,18 м,а также в натурных условиях на грунтошх сооружениях мелиоративных систем - плотины высотой от 5 до 40 I.". и каналы расходом от 10 до 530 м3/с.

достоверность результатов исследований . Применение модели уп-ругопластической среди к оценке устойчивости сооружений из грунтовых материалов должно дать результаты, приблп.-каюциеся к наблюдаемом в действительности, и только сложность правильного выбора расчетных значена прочностных характеристик грунта, неучет в расчетах ряда дополнительных факторов, влияюцпх на степень устойчивости, и, наконец, неизбе;шая неоднородность сложения тела и основанм сооружений будут препятствовать их полнеть совпадению. Это положение в целом. подтверждено результатами исследований на реальных сооружениях, возведших путем отсыпки к экскавации грунта, ь частности, достигнуто качественное л количественное совпадение натурных данных, характеризующих предаварийное состояние низового откоса двух грунтошх плотин еысотою соответственно до ц 40 м, а т^кке пяти неустойчивых областей строительного котлована глубиной до ЬОм, с результата'.^ расчетов по предлагаемому инженерно;, у способу.Внедрение рекомендаций, разработанных на основе результатов проведенных исследований, и их народнохозяйственный э^ект позволяет утверждать, что они являются достаточно обоснованными и обеспечат надежность грунтовых сооружений :. елиоративных систем, возводи,их в неблагоприятных .геологических и гидрогеологических условиях.

Научная новизна работы заключается в тог,;, что : раскрыта сущность I. еханпческпх процессов, развивающихся в упругой и пластической областях потенциально-неустойчивой части сооружения, показана их роль к значение в развитии и стабилизации оползневых процессов в грунтовой массиве, сфор1.улмрованы основные положения механизма упругопластического разрушения сооружений из грунтовых материалов ;

систематизированы в подсистемы общенормативные положения, инженерно-геологические и гидрогеологические изыскана, расчетные модели, способы и схемы, условия производства работ, условия эксплуатации, основные факторы, влияющие на устойчивость, и классифицировано явление упругопластического разрушения по признаку причин, условий и характеру о целью диагностики, прогноза и предотвращения деформаций и разрушений грунтовых сооружений мелиоративных систем;

установлена природа обьемно-поверхнистного деформирования грунта призии скольжения и раскрыта его взаимосвязь с объемными и поверхностными активными и реактивными садами, действующими в пределах области возможного обрусения ;

разработана методика анализа устойчивости сооружений из грунтовых штериалов с помощью методов нелинейной механики грунтов ;

раскрыт механизм гидравлического разрушения поверхностного слоя грунта фильтрационным потоком, возникающим в основании и теле откосов канала при колебании уровня воды в нем.

Практическая ценность научных исследований заключается в : разработке схем количественного описания поведения упругой и пластической областей призмы обручения грунтового массива и зависимости от вида напряженного состояния ;

разработке формализованного поиска поверхнисти сколькения в сооружении из грунтовых материалов ;

разработке инженерного способа расчета устойчивости грунтовых сооружений на основе модели упругопластического отсека обрушения;

установлении зависимости между параметрами сооружения, характеристиками фильтрационного потока в не!.;, размерами дренажа и критериям его назначения ;

предложении блока схем расчета очертания откоса,местной устойчивости и крепления его из фильтрующих материалов, дренажных устройств.

Предлагаемые методы расчета устойчивости, основанные на нелинейной механике Грунтов, позволяют повысить степень обоснованности ремений сооружений из грунтовых материалов, что в овою очередь

способствует улучшению качества проектов и эффективности капитальных вложений. Наиболее рационально они могут быть использовали при организации вариантного проектирования'плотин, каналов, дамб, возводимых в неблагоприятных инженерно-геологических условиях.

На защиту выносятся: ■ основные положения механизма упругопластического деформирова-. нкя и разрупения сооружений из грунтовых материалов ;

практические метода реализации теоретических решений на основе модели упругопластического стсека обрушения по возникновению и развитию поверхности обрушЬиил, прогнозу ее формы в грунтовом сооружении мелиоративной систем и инженерной оценке степени его устойчивости ;

блок расчетных схем конструктивных элементов сооружения для инженерного обеспечения задачи по проектированию и строительству каналов, плотин и дамб в неблагоприятных геологических и гидрогеологических условиях.

Внедрение результатов работы осуществлено Укргилроводхозом, Залорожьегипроводхозом, Львовгипроводхозом и др. при разработке проектов сооружений из грунтовых материалов на основаниях из илистых грунтов, входящих в водохозяйственные комплексы. В частности, . при проектировании двух плотин еысотой до 7 м в Сергеевском заливе озера Сиваш, двух плотин еысотой до 9 м в Утлюкском лимане Азовского" моря, отдельных участков дсмб обвалования высотой до 9 м и общей протяженностью 16 км озерно-морского варианта канала Дунай-Днепр, грунтовых плотин высотой до 50 м на толще илистых грунтов до 25 м г Тилицульсксм и Хаджи бейском лиманах, грунтовых плотин высотой до 20 м в поймах рек Днестр, Белая, Борот,'ля, Евсуг, при разработке технического проекта дамб обвалования и откосов строительного котлована под гидротехнические сооружения по перекрытию Днепровско-Еугского гидроузла, при анализе деформации низовых.от-косоз грунтовых плотин хвостохранилища Стебниковского калийного завода и откосов строительного котлована ГНС Северо-Рогачикской оросительной системы, а .также откосов отдельных участков канала Днепр-Ингулец, проходящего в глубокой выемке /до 30 м/, и анализа состояния приканальных дамб Северо-Крымского канала.

Оценка фильтрационной прочности грунта откосов и местной устойчивости, а также расчеты размеров фильтрующего крепления приняты ., Укргилроводхозом Украины и использованы при проектировании СеверсЦ.. Рогачи^ской оросительной системы / магистральный, первый и второй ^ < зональные и другие каналы /, магистратьного канала Приазовской сио- ■

тег,и, обводного канала для отвода речки Утлюк в лиман Азовского моря и др. ; общая протяженность этих каналов превышает 120 км при расходах от 10 до 104 м3/с-

Более 20 лет в Укрводканалпроекте в Укргипроводхозе используется способ расчета параметров дренажных устройств, характерной особенностью которого является простота и небольшая трудоемкость выполнения вычислительных операций по сравнению с существующими.

Ькономический эффект от внедрения рекомендаций при проектировании и строительстве грунтовых сооружений мелиоративных систем организациями Иинводхоза УССР за период с 1581 г по 1988 г составил 1432,1 тыс.рублей.

Материалы исследований посдукшш основой для подготовки ведомственных документов - "Руководство по проектированию и строительству грунтовых плотин и дамб на основаниях из слабых грунтов"/1^85г/ и "Инструкции по инженерного способу расчета прочности и устойчивости грунтовых соорунений на основаниях из слабых грунтов с помощью йШ /1988г./.

Апробация работы . Материалы диссертации и отдельные результаты исследований докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах различного уровня, в том числе на Республиканском семинаре "Инженерно-геологические условия строительства на слабых грунтах" в г.Киеве /февраль 1974 г./, на Республиканском семинаре "Радиоизотопные методы контроля качества земляных работ 11 сооружен^ и результаты их внедрения в строительное производство" в г.Луганске /апрель 1974 г./, на Всесоюзном научно-техническом совещании по строительству на слабых грунтах в г.Одессе /сентябрь 1375 г./,на Республиканской научно-технической конференции "Актуальные проблемы водохозяйственного строительства в г.Ровно /октябрь 1980 г./, на постоянно действующем семинаре главных инженеров проектов в Укргипроводхозе в г.Киеве /декабрь 1980 г., октябрь 1984 г./, на Республиканской научно-технической конференции "Мелиоративным и водохозяйственным объектам продовольственной программы - надежное научное обоснование " в г.Киеве / декабрь 1983 г./, на Ученом'Со-вете УкрШШГиМ /май 1985 г./, на объединенном НТС лаборатории гидротехнических сооружений и лаборатории сооружения из грунтовых материалов ВШЛ ВОДИ» / февраль 1986 г./, на Республиканской научно-технической конференции" Достижения научно-технического прогресса-в проекты мелиоративного строительства" в г.Киеве /декабрь 1986г./, на совместном заседании кафедр "Основания, фундаменты и механика грунтов" и "Гидротехнические сооружения" 0ИСИ / декабрь 1986 г./,

на НТС отдела оснований и грунтовых сооружений ВНИИ ик.Б.Е.Веденеева / апрель 1987 г./, на кашедре "Подземные сооружения, основания и фундаменты " ЛПИ пм.М.И.Калинина /июнь 1987 г./, на Гидротехнической секции Ученого Совета. ВНШГиМ / ноябрь 1989 г./, на ежегодных координационных Советах по отраслевой научно-технической проблеме 0.0-1 "Гидротехнические сооружения мелиоративных систем" / 1981-1988 г.г./.

Публикации . Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 36 статьях, в том числе три в соавторстве ; общий обьем. работ по теме диссертации 14,В п.л., из них 13,6 п.л. написаны автором.

Структура и обьем . диссертация общим объемом 403 страницы машинописного текста состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемых источников, включающего 358 наименований. Основной текст диссертации изложен на 293 страницах и иллюстрирован 67 рисунками ; кроме того-, имеется 9 приложений, которые включают показатели свойств грунта е лотке, краткую характеристику программ расчета напряженного состояния грунтовых сооружений с помощью ЭВМ, алгоритм и программное обеспечение по расчету прочности и устойчивости сооружения из грунтовых материалов на основе модели упругопластического отсека обручения, первичный материал технико-вконо-мической оценки предложений по совершенствованию расчетно-теорети-ческого аппарата.

СОДЗРЛНИЕ РАБОТЫ

I. -Состояние и тенденции развития расчетно-теоре-тического аппарата оценки прочности и устойчивости грунтовых сооружений мелиоративных систем

Проанализировано современное состояние проблемы оценки общей и местной устойчивости плотин, дамб и каналов, входящих в мелиоративные системы. При этом рассмотрены основные расчетные модели и схемы /рис.1а,б,в / устойчивости.

Основные физические предпосылки существующих, и предлагаемой расчетных моделей устойчивости

а,б - модель монолитных /кесткопластических / отсеков обрушения; в - модель теории предельного равновесия ; г - модель упругоплас-тического отсека обрушения ; I-- недефоршруемое твердое тело ; 2 - область работы грунта в пластической стадии ; 3 - облаоть работы грунта в упругой стадии.

Отмечено, что существенный вклад в решение задач, связанных о исследованием, проектированием и строительством грунтовых сооружений, внесли отечественные ученые Абелев М.Ю., Алтунин B.C., Бугров А.К., Васильев И.М., Гольдин А,Л., Гольдштейн М.Н., Гришин М.М., Евдокимов П.Д., Зароцкий Ю.К., Иванов П.Л., Казаков B.C., Казарнов-окий В.Д., Малышев М.В., Маслов H.H., Мельник В.Г., Молевитинов А.Д., Титов В.П., Недрьга В.П., Раооказов Л.И., Соболевский Ю.А., Фисен- , ко Г.Л., Чугаев Р.Р., Цытович H.A., Лковлев П.И. и др., а также эа-

Рис.1

рубежные - Бипоп А., Како И., Крей Г., Моргенштейи K.P..Прайсг. В.Е., Тейлор Д., Тешдаги К., ч>релих 0. а др.

Развитие современных основ теории НДС грунтовых сооружений в , значительной мере отражено з работах М.И.Горбуиова-ПосадоЕа.М.В.Ма-лыпева, и.В.Ъятова. Ог ■• чтение НДС в вооружении может быть осуществлено на основе различных моделей грунта: деформационных /А.Л.Кры-•кановеккй, Л.К.Бугров, С.Я.Пгн и др./ ; упрочняющейся пластической-среды /ь.К.Заредкий, А.и.Бугров, А.Л.Гольдгн и др./ ; энергетической / Л.Н.Рассказов/ . С помощью существукячих вычислительных программ, разработанных на основе углзанных моделей грунта, можно достаточно точно описать напряжения л деформации в окрестностях той или иной точки грунтового массива. Однако условия, при которых эти напряжения и деформации приведут к распространению поверхности скольжения, полностью еще не выяснены, ¿опрос заключается в том, что формулировка критериев устойчивости сооружений в целом не совпадает с критерием локальной прочности грунта. Локальное разрушение грунта ь некоторой точке грунтового сооружения еце не означает, это оно в целом находится в аварийном состоянии. Поэтому совершенно справедливо сплочено Л.Н.Рассказовым, В.П.Недригой и А.Л.Мо-кевитиновым, что изучение НДС плотин не решает вопроса оценки устойчивости откосов плотины.

Принимая во внимание, что достаточного совпадения результатов расчета с реальный состоянием сооружения можно достигнуть непосредственно на основе теорий упругости и пластичности,но при условии правильного их применения, актуальной задачей стало научное обрс-нование расчетной модели устойчивости, которая бы позволгла учесть* работу грунта в упругой и пластической стадиях. Решение этой задачи потребовало изучения механизма упругопластического разрушения, чтобы на его результатах установить рациональную область применения расчетно-теоретического аппарата теории упругости и пластичности к анализу устойчивости грунтовых сооружений.

Техническое состояние и работоспособность грунтовых сооружений мелиоративных систем в целом являетзя функцией работоспособности отдельных конструктивных элементов и связей между ниш. Математическое .описание процесса изменения технического состояния сооружения, состоящего из большего числа конструктивных элементов,представляет большие трудности. Решение задачи существенно упрощается " при отдельном рассмотрении каздого элемента фактора л системе целого сооружения. Поэтому современный расчет грунтовых сооружений мелиоративных систем должен основываться ка системно!.: подходе, в

/

соответствии с которым необходило рассматривать конструктивную систем сооружения в целом, а также вероятностный анализ, предполагающий учет-изменчивости различных факторов, оказывающих влияние на прочность и устойчивость сооружения.

В конструктивную схелу грунтового сооружения мелиоративной сиотеш / как один из возмогших вариантов / можно включить следув>-щве основные элементы : профиль сооружения /очертание откосов/, основание /система "основание-сооружение"/, дренажные устройства, крепление откосов, а также прогноз развития поверхности скольжения и оценку устойчивости сооружения /рис.2/. Каждый элемент должен рассматриваться в системе целого сооружения, а выбор его конструкции должен основываться па специально разработанных формализованных приемах. Таким образом, общая модель расчета грунтового сооружения должна представлять собой блок-схему инженерных расчетов конструктивных элементов грунтового сооружения.

Вариант конструктивной схемы грунтового сооружения мелиоративной системы '

Рис.2

Технология выполнения расчетов сооружений по атой блок-схеме позволит самостоятельно рассматривать и анализировать работу отдельного конструктивного элемента /фактора/, представленного на рис.2. Выбранные конструктивные элементы /факторы / наиболее суще-сгаенно влияют на конструкцию грунтового сооружения мелиоративьоЗ окотд и его состояние в целом.

2. Механизм упругопластического разрушения грунтовых сооружений мелиоративных систем

В осноёу программы изучения механизма разрушения положено критериальное условие - развитие предельного состояния и достижение' предельных деформаций перемещений в сооружении или в его конструктивных' элементах. Приведена краткая характеристика объектов исследования, в частности, грунтового лотка и сооружений из грунтовых материалов / плотин, каналов,.дамб /, на которых производились последов анид.

В процессе изучения механизма разрушения на основе натурных наблюдений и лабораторных опытов прежде всего выяснен вопрос: что представляет собой область возможного нарушения устойчивости? Установлено, что потенциально неустойчивый массив грунта на первом этапе развития оползневых деформаций - это монолит, который на последующих этапах развития оползня расчленяется на более мелкие, обладающие твердостью и способностью к деформированию, присущими данному грунту. При этом в предельное состояние переходит лишь ограниченная область грунта и названное состояние развигается в ней постепенно. Распространение' поверхности скольжения в грунтовом массиве определяется процессами, происходящими как на макроуровне,так и на микроуровнях различного масштаба. Первоначально при нагружении грунтового массива внутри некоторой области его возникают упругие деформации, переходящие в пластические по поверхности скольжения. В таком случае предельное состояние будет иметь место только п? по- , верхности сдвига, при котором развиваются пластические деформации; вне зоны пластических деформаций грунт будет находиться в допре- ' дельном состоянии, характерной особенностью которого является работа грунта в упругой стадии.

Следовательно, при анализе состояния грунтового сооружения область возможного нарушения устойчивости - так называвши призму скольжения кожяо представить состоящей из двух взаимосвязанных чао-тей: упругой и пластической, т.е. в. виде упругопластического отсека обрушения /рис.1г /. Эти физические предпосылки делают возможный при расчете устойчивости сооружения, с одной стороны, применять теорию прочности О.Ыора-И.Кулона к области развития пластических деформаций, т.е. к поверхности скольжения, а с другой -позволяет оперировать силами, действующими в пределах грунтового монолита, в соответствии с законш.,и твердого деформируемого тела, в частнооти, подчиняющейся закону Р.Гукз. Кроме того, монолитность тела ополз-

ия накануне развития предельных деформаций по поверхности"сдвига предопределяет'необходимость рассмотрения совместной работы всех /фрагментов / .

Система уравнений, онисыващих напряженное состояние упруго-пластической среда в области возможного нарушения устойчивости, имеет вид

д&х. , дСы , у п . -Г- + + л = и ,

сис ох д!

/I /

__ + + Я = 0 ; 7г (к* т б~к) = - ~ '

(е, - бг) ~ (<5, ->- е2 + 2 <Вс) ■ зся ^ / з /

где (эх I е-« , , '¿»л - нормальные и. касательные напряжения по граням , сб? элемента среда ; X и % - составляющие объемных сш /например, собственного веса грунта /; - оператор Лапласа V = + -^р- ; } - коэффициент Пуассона ; С/ , е"г -Главные напряжения ; <з*с = с/{¡У.

В случае модели упругопластического отсека обрушения уравнения равновесия /I/ должны выполняться во всем грунтовом массиве, уравнение совместности /2/ - только в упругой области, т.е. вне пределов позерхнооти скольжения, а уравнение /3/ - только в области предельного равновесия, т.е. по поверхности сдвига. Для определения состояния грунта в массиве может быть полезным равенство

%% = ¿уУ- е'~(3г = с . в точках, где левая часть этого равенства меньше правой, грунт работает в упругой стадии ; напротив, в точках, где левая часть превышает правую, грунт находится в пла-отичеоком состоянии.

Основное отличие неупругой работы грунта в области возможного обрушения от упругой - это отсутствие потенциала внутренних сил. Данное отличив меаду' облаотями развития упругих и пластических деформаций в пределах призмы окольжения и будет соот: етствующим образом реализовано при определении активных и реактивных сил в рамках разрабоатц вае.дой расчетной модели упругопластического отсека обрушения /см.рисЛг /. Так к.' образом, по своим физически.; предпосылкам названная модель принципиально отличается от существущ:.х -/ рис Ла-в /. Соглаоно этим моделям в одном случае область обруые-

нин принимается жестким, недеформируемым телом, ограниченным снизу наперед заданной поверхностью сдвига, на которой имеет место одновременное наличие предельного равновесия грунта , а в

другом - предполагается, что во всех точках грунтовой среда одновременно сформировалось предельное напряженное состояние Т^ ' и везде имеется система поверхностей скольжения.

Конструктивные элементы поперечного сечения грунтовых сооружений, их размеры и форма / рис.2 / оказывают существенное влияние на прочность и устойчивость. Поэтому при изучении механизма разрушения сооружена из грунтовых материалов возникла необходимость в рассмотрении механических процессов, обусловленных названными факторами. С этой целью, имея в виду плоскую задачу, грунтовая насыпь трапецевидной формы била представлена тремя частями : центральной, ограниченной вертикальными плоскостями в виде гипотетических подпорных стенок и двух откосных. Б дальнейшем был изучен механизм взаимодействия между этими частями и влияние каждой части насыпи на несувдп способность основания. Б результате этого установлено, что одним из основных составляющих активного силового фактора, который способствует нарушению прочности грунта тела и основания и потери устойчивости сооружения и который не учитывался пока при паочетах устойчивости, является перепад горизонтального давления. Величина этого давления зависит от высоты сооружения и свойств грунта тела и основания. Область действия 'названного давления находится в пределах призмы обруаения или выпора. |

Обобщение результатов наблюдений за поведением грунтового основания при его нагружении / рис.За / показало, что в основу изучения механизма разрушения массива грунта должно.быть положено рассмотрение движения анергии в твердом теле, которое осуществляется в связи о последовательной передачей уоилий от одной чаоти сечения к другой / рис.3 б,в /.

В соответствии с этой концепцией равновесное состояние внутренних усилий представляет собой установившийся силовой поток. ^ ' При последовательной перэдаче усилий от сечения к сечению призм* скольжения могут проявляться различные возмущения силового потока, вызванные концентраторами напряжений, локальной текучестью / грунта в сеязи с концентрацией напряжений. При этом происходит перераспределение усилий, имеющее градиентный характер. Энергетический обмен мевду взаимодействующим.!! частями элемента грунтового сооружения при отсутствич притока внешних сил в исследуемую область /приз!.у скольжения / обусловливается принятием или отда-

чей анергии через«границы контрольных объемов этого тела /рис.Зг/,

Характер развития механических процессов в грунтовом лотке при действии нагрузки

(о(расспя.ж ) _

нааришни я. /ч. тЪ^,

у ^чб^сжояу с£Л'Г&я|°

' ' NN

в

Рис.3

а - границы области потери несущей способности основанием и схема сил, действующих в пределах этой области ; б - основные параметры силового потока ; в - вероятная схема движения энергии в пределах • призмы выпора ; г - схема передачи усилий через элементарный контрольный объем в призме выпора.

■ Мерой передачи усилий является количество напряжений сэ-с^ , передаваемое вследствие обмена усилиями между частицами грунта призмы скольжения через плоский элемент с площадью за контролируемое время

В грунтовом сооружении, в том числе и в пределах области возможного обрушения, напряжения в разных точках имеют различное направление и величину. Действующие поля напряжений в грунтовом .массиве способны создать шшротрещины, Развитие шкротрещин приводит к образованию локальных линий / поверхностей / скольжения. Это процесс, в котором сочетаются необходимые акты пластической деформации и чисто упругие явления возникновения и распределения упругих и пластических областей обусловливает необходимость выполнения вдоль ах границ условий непрерывности напряжений, в соответствии с 1 которой нормальные и касательные напряжения о той и другой отороны . условной границы должны быть одинаковыми. Заметил .что данное уело-

виз не только характеризует напряженное состояние грунта в массиве, но и определяет контуры упругих и пластических областей /рис. 1г /. Причем необходимость расчета полей напряжений и деформаций ' при изменяющихся нагрузках на грунтовое основание и сооружение потребует пересценки существующих схем расчета устойчивости/рис.1а-в/ с точки зрения возможности обьясненкя с их помощью деформационных .эффектов в массиве.

Анализ механических процессов в пределах упругой части призмы скольжения показал, что при устройстве насыпи эти процессы имеют свои особенности и отличаются от аналогичных процессов,развивающихся в грунтовом .массиве при устройстве выемок. Однако общим для них можно считать, что одной из составляющих активного силового фактора является перепад горизонтального давления грунта.

На основании обобщения результатов проведенных нами натурных наблюдений за деформацией плотин и каналов и лабораторных опытов в грунтовом лотке, можно прийти к выводу,что само разрушение грунтовых сооружений представляет собой лив бурное' проявление процесса, предварительно подготавливаемого в течение длительного времени. В этом случае оценга состояния объекта должна быть связана о необходимостью применения новых критериев и методов анализа его .работоспособности. К таким критериям относятся параметры кинетики натружения, деформирования и разрушения, способы определения которых ойнованы на достижениях механики разрушения. Под кинетикой процесса разрушения обычно понимают закономерность его развития во времени. Применительно к грунтовому сооружению это означает^ что модель расчета его должна основываться на анализе процесса перехода сооружения из допредельного в предельное состояние и последующее разрушение о учетом условий, факторов и особенностей,влияющих на несущую способность основания и устойчивость в целом.

Процесс деформирования и разрушения сооружений, из грунтовых материалов условно можно характеризовать несколькими периодами:

1 - инкубационными или ускоренными с постоянно возрастающей скоростью и положительным ускорением развития оползневых деформаций ;

2 - периодом торможения с убывающей скоростью и отрицательным Торможением ; 3 - стационарным периодом с постоянной окоростью и нулевым ускорением ; 4 - заключительным ускорением /иногда лавинообразным / периодом с возрастающей скоростью и положительным ускорением до полного разрушения грунтового основания или сооружения. 5тот период может протекать быстро, нередко при отсутствии внешних воздействий и нагрузок за счет сил, обусловленных разностью потенциалов напряжений в грунтовой конструкции.

В соответствии с названными периодами развития разрушения сооружения из грунтовых материалов оно может находиться в двух состояниях: I•- в докритическом /устойчивом/ , когда сохранение величины достигнутой на данный момент'нагрузки приводит к замедлению процесса разрушения /с отрицательным ускорением развития оползневых деформаций / или к развитию процесса разрушения с постоянной скоростью /с нулевым ускорением / ; 2 - в закритическом /неустойчивом /, которое характеризуется снижением внешней нагрузки и положительным ускорением процесса разрушения.

В первом сдучае в зависимости от состояния сооружения, а также вида и свойства грунта прогноз его поведения рекомендуется осуществлять на основе модели упругопластнческого отсека обрушения, которая позволяет описать условия объемно-поверхностного деформирования. В соответствии с этой моделью реактивное предельное сопротивление грунта действию разрушающей нагрузки должно быть Представлено несущей способностью грунтовой'конструкции или прочностью по поверхности скольжения, а также силами упругости,развивающимися внутри некоторой части потенциально-неустойчивой области. Активные' силы должны быть выражены касательными составляющими объемных сил Вх и Вх , включая и величину перепада горизонтального давления грунта в пределах сползающего массива, по отношению к поверхности скольжония.

Диагноз состоянш сооружения, находящегося в неустойчивом /за-критическом / состоянии, не представляет практической ценности. Вместе с тем, по чисто формальным признакам это состояние характеризуется наличием поверхности скольжения в массиве, разрывом сплошности грунтовой среды, а также полей деформаций и скоростей;сползающий массив грунта по своему состоянию ближе всего к жесткоплас-тичному телу, а вдоль поверхности обрушения развиваются силы трения и сцепления. Оценка устойчивости в этом случае должна выполняться из условия поверхностного деформирования, при котором реактивные силы представлены трением и сцеплением по поверхности сдвига, а активные - касательными составляющими объемных сил, ва исключением перепада горизонтального давления грунта, по отношению к поверхности сдвига.

На основе изучения механизма упругоплаатического разрушения Грунтовых сооружений мелиоративных опстеы, а также обобщешл опыта их проектировангя, строительства и эксплуатации систематизированы факторы, влияющие на степень устойчивости, а следовательно, На оценку надежности рассматриваете сооружений. Сгруктурцат охо-

кй основных факторов включает пять подсистем, а именно: общенормативные положения, инженерно-геологические и гидрогеологические условия, принятые расчетные модели, способа и схемы, условия производства работ и условия эксплуатации. С помощью составляющих • этих подсистем можно не только учесть практически вое мяогообра--зие условий и факторов, оказывающих влияние на надежность и долговечность сооружений из грунтовых материалов, но и целенаправленно управлять названными характеристиками.

Кроме того, в результате изучения механизма разрушения грунтовых сооружений мелиоративных систем, а также анализа основных факторов, под действием которых разрушается структурная прочность • грунта, нарушается сплошность грунтовой среда и образуются поверхности скольжения, классифицировано явление разрушения по причинам,-условиям и характеру с целью диагностики, прогноза и предотвращения деформаций и разрушений рассматриваемых сооружений.

3. Обоснование методики прогноза возникновения и развития поверхности сдвигов в грунтовом сооружении мелиоративной системы

Результаты проведенных нами исследований линейно-протяженных грунтовых сооружений /каналов и плотин / мелиоративных систем, построенных на Украине в различных инженерно-геологических условиях посредством выемки и отсыпки грунта,а также обобщение а анализ данных, полученных другими исследователями, позволили прийти к выводу, что возникновение и развитие .трещин на поверхности откоса, склона или гребня, а также поверхности сдвига внутри массива зависит от : прочности грунта тела и основания, а следовательно,и его несущей способности ; формы д размеров сооружения /длина и крутизна откосов, наличие берм и т.д. / ; способа приложения внешней нагрузки и времени ее приложения / метода производства работ, темп возведения сооружения, режш эксплуатации /; число циклов нагрузки и разгрузки и их интенсивности ; скорости и предыстории деформирования грунтового сооружения. Т

В зависимости от конкретных инженерно-геологических условий процесс образования поверхностей скольжения может происходить как ври снимающих /например, в основании /, так и растягивающих / по гребню сооружения/ усилиях,что соответствующий образом должно быть учтено при составлении схег.ы инженерного прогноза развития поверхности обрушения. Наряду с эт^: в прогнозах следует учитывать дру-

гие факторы, обусловленные наличием трещин и отрицательно воздействующих на устойчивость, а именно : гидростатическое давление воды из фильтрата в трещинах, снижение прочностных показателей грунта в окрестностях ее, проникание воды ь тело плотины через трещину и т.д. Касаясь же вопроса образования трещин в рамках ренкин-ской модели, очевидно, следует признать, что действующие при этом усилия внутри массива могут привести к разрушениям, однако по величине они будут значительно меньшими по сравнению с усилиями,обусловленными таким фактором, как несущая способность основания.

На практике трудно связать возникновение и развитие трещины с тем ми иным единственным условием или фактором. Однако,исходя из того, что сопротивление любого материала /в том числе и грунта/ является главным образом функцией напряженного состояния,поэтому действие бесконечного числа факторов, прямо или косвенно влияющих на закономерность деформирования и величину прочности грунта в зоне поверхности сдвига, следует выразить через напряжения, а характер напряженного состояния можно считать .определяющим фактором рассматриваемых процессов. В целом изучение механизма возникновения и развития поверхности скольжения в грунтовом массиве показало,что для количественного описания рассматриваемого процесса следует исходить из двух основополагающих положений: I- решение упругоплас-тической задачи с учетом конечности пластической деформации и с удовлетворением граничным условиям на дефорьхруемой границе призг.и обрушения ; 2 - нахождения условия образования поверхности сдвига в грунтовом массиве, который претерпел значительную пластическую деформацию, сопровождающуюся накоплением микродефектов.

Стремясь к повышению адекватности математического описания модели разрушения грунта вдоль потенциальной поверхности сдвига, необходимо указать на исключительно большую сложность и трудоемкость кинетических расчетов деформирования грунтовых сооружений и их конструктивных элементов. Для решения этой задачи пока не имеется ни экспериментального, ни математического обеспечения. В таких случаях допустим разумный компромисс между трудоемкостью и точностью получаемых результатов. Причем, если принять во внимание,что в теории пластичности при идеализации материала пренебрегают временными эффектами и считают,что пластические и упругие деформации отделы/и, то в ряде случаев можно вообще отказаться от кинетических расчетов и, основываясь на известных закономерностях поведения гдентов и грунтовых конструкций при переходе из допредельного в предельное, а затем и в запредельное состояние, получить информа-

цйю о состоянии объекта, достаточную для оценки его устойчивости.

В рамках проводимого изучения механизма разрушения проанализировано как соотносятся между собой характернотикл поля напряжений с характеристиками поля скоростей /линий скольжения /.С этой целью, используя аппарат теории пластичности, рассмотрены разрывы 'в напряжениях и в скоростях перемещения, которые возможны в бесконечно малом элементе грунта в форме параллелепипеда, выделенного из пластической области сооружения, т.е. из зоны поверхности сдвига. Рассмотрение разрывов в напряжениях и в скоростях перемещений показало несоответствие характеристик поля скоростей /линии скольжения / характеристикам поля напряжений. Касаясь же проблемы в целом, на основании приведенного в работе материала можно прийти к выводу,ч^о решение задачи по прогнозу возникновения и развития поверхности скольжения в грунтовом массиве строго теоретически.! путем на данном этапе развития механики разрушения и механики грунтов пока не представляется возможным. Совершенно очевидно, что удовлетворяя запросы практики сегодняшнего дня и ближайшего будущего, решение данной задачи должно пока базироваться на полуэмпирических подходах, в основе которых должен лежать ясный физический смысл отправных положений.

Приняв во внимание, что задача по установлению очертания поверхности скольжения является одной из труднейших в комплексе оценки и устойчивости, общее теоретическое решение ее осуществлено на основе единичных. Такой подход согласуется о распространенным в механике грунтов и механике упругопластического разрушения индуктивным методом исследования, в основе которого лежит комплеко материал /грунт/ - конструктивный элемент /например, участок поверхности скольжения /- сооружение-среда-условия нагружения.Руководствуясь изложенным, в общем случае очертание поверхности скольжения, более или менее близким к наблюдаемым в натуре, представлено состоящим из нисходящего, восходящего и переходного участков, над которыми условно можно считать расположены области активного, пассивного и переходного состояния грунта.

Для оценки исходны;: предпосылок по составлению уравнения поверхности скольжения рассмотрено состояние, при котором оно зарождается на какдом из учьсткоз. Причем, первый этап изучения данного вопроса осуществлен на основе анализа состояния песчаной среда, что дало возможность затем воспользоваться опытными данными, подученным! другими исследователями, для сспоставления их с найденными теоретическими зашли,остяки, оа^етим, что анализ фор-

ш поверхностей скольжения /разрушения / как метод исследования и способ обнаружения дефектов применялся многие годы для изучения причин разрушения. Его возможности связаны с тем, что трещина выявляет наиболее слабые места конструкции или сооружения,поскольку именно они представляют траекторию ее движения. Б данном случае втот метод позволил установить, как соотносятся между собой 6/ , <5з , и б* . Иными словами, использовались возможности двух задач динамики точки : прямой и обратной в выявлении структуры сил и напряжений и в описании физической сущности рассматриваемого явления.

Принятый методический подход в целом позволил сформулировать следующие условия и предпосылки для формализованного поиска очертания поверхности скольжения.

1. Формирование напряженно-деформированного состояния в массиве и в зоне поверхности скольжения происходит вследствие гравитационной асимметрии грунтовых масс. При предельном равновесии возникает поле напряжений поверхности скольжения, которое взаимодействует с полем напряжений массива и не совпадает с полем скоростей /поверхности скольжения /.

2. Условия работы и деформирования грунта в массиве,в том числе и в зоне поверхности сдвига,характеризуются сложным НДС,при котором преобладают касательные напряжения с растягивающими в области предельного активного состояния и сжимающие - в области предельного пассивного состояния, а также преимущественным развитием упругих деформаций в оползневом теле и пластических -предшествующих сдвигу по поверхности скольжения.

3. Невозможность описать поверхность скольжения одним уравнением вследствие наличия вдоль нее областей активного и пассивного предельного состояний и области радиального сдвига.

4. По результатам "обратного " расчета из эмпирических уравнений поверхностей сдвига, найденных на основе экспериментов,можно принимать в области активного предельного состояния <5"* ? <з,,

<г*са) = б"л и пассивного <з"» - Ьл , е»^ ~ еГл

5. Границами потенциально-неустойчивой области грунта являются :

в основании - максимальная глубина е^«* , до которой распространяется при данном давлении состояние предельного равнове-01ш ;

в теле - пересечение области влияния откосной части на цент-, ральную с местом начала развития пластических де^гсрмаций.

В соответствии с приведенными принципами формализованного поиска поверхности скольжения разработан инженерный способ прогноза ее очертания в грунтовом сооружен™. С этой целью для описания поверхности сдвига на нисходящем и Еосходящем участках составлены дифференциальные уравнения, в которых в соответствии с теорией прочности У.Ренкина угол наклона касательной в некоторой точке к поверхности /линии/ скольжения выражался через соответстЕУКЖ!&£_й£>-отношение главных напряжений в, и вз / например, =г-Ц-Л

В результате решения этих уравнений в случае сооружения из однородного песчаного грунта получены уравнения для построения нисходящего и восходящего участков в принятой системе координат /рис. 4а/, Сопряжение этих участков имеет криволинейное очертание и изменяется по известному в механике грунм ;; уравнению логарифмической спирали г - г,

Где г„ - длина некоторого радиуса-вектора, принятого за начальный ; в - полярный угол между радиусами и 2 ,

Схема формализованного поиска поверхности ' скольжения в сооружении из однородного грунта

а/ сыпучего / v> 0 ; с =0 / ; б/ связного / цр> 0 ; с /0 /

В сооружениях из связных грунтов вследствие действия растягивающих напряжений по поверхности гребня образуются трещины-разрывы. определения места образования их получена зависимость вида а = / а - расстояние между бровкой и началом трещины/, исходя из учета влияния откосной части ка центральную при дейст-

виц растягивающих напряжений в последней в соответствии с ренкин-окой моделью. Найденная по зависимости величина а находится в пределах hF -i-hr от бровки откоса, где kP - мощность грунта, отсчитываемая от дневной поверхности гребня в пределах которой действуют растягивающие напряжения в горизонтальном направлении;

hr - глубина трещин разрыва, найденная из условия предельного состояния У.Решшна. Это, по млению К.Терцаги, основанном на результатах натурных обследований грунтовых сооружений, является предпосылкой тогу.что прогнозируемое и действительное места возникновения трещины на гребне плотины или канала должны практически совпадать.

В дальнейшем, руководствуясь ранее изложенными принципами по формализованному поиску поверхности скольжения, составляем дифференциальные уравнения поверхности сдвига для сооружения из связного грунта. После некоторых преобразований ати уравнения в принятых системах координат /рис.46/ тлеют вид для нисходящего участка

- Л / / + bin ч +2с сjgy .

dx V i - sin У II

u восходящего участка

cizc / / - s ¿nf , c ,

/ 5 /

с1х у 1 + $г.гг_ч> *

Плавное сопряжение нисходящего и восходящего участков для рассматриваемого случая /рис.46/ осуществляется аналогично тому, как это было и сделано в песчаном массиве /рис.4а/.

Из рассмотрения уравнений /4/ и /5/ следует,что если представить в названные уравнения с=С, то это приведет к значительному упрощению их решения, в результате которого получил уравнения поверхности скольжения соответственно области активного и пассивного предельного состояния в песчаном массиве /рис.4а/.

Таким образом, судя по литературным источника!,!, впервые удалось не только формализовать поиск поверхности скольжения в грунтовом сооружении, но и максимально приблизить прогнозируемое очертание ее е наблюденному в действительности. В целом изложенный спс-ооб прогноза развития поверхности сдвига в сооружениях ис грунтовых материалов ргзработан на основе обобщения и анализа натурглх наблюдений и экспериментальных данных за деформацией и разрушением грунтовых конструкций в соответствии с принципами механики раз-

рушения, являясь достаточно обоснованным,позволит повысить степень надежности ы долговечности сооружений,а также производительность и качество инженерного труда при оценке их состояния.

4. Инженерный способ расчета устойчивости грунтового сооружения мелиоративной системы с учетом работы грунта отсека обрушения в упругой и пластической стадиях

Анализ устойчивости сооружения начинается с определена реактивного предельного сопротивления грунтового массива действии разрушающей нагрузки. Особенностью модели упругопластичоского-отсека обрушения /си.рисЛг/ является то, что она позволяет учитывать двойственность механизма передачи и восприятия касательных усилий в оползневом массиве грунта. В названной 1.,одели они реализуется одновременно в виде сил трения и сцепления / Т , С /, возникающих при развитии пластических деформаций по поверхности сдвига а с , а таете сил упругости Яу , развивающихся в области упругих деформаций в той ее части, в которой грунт испытывает главным образом сжимающие усилия. По своей природе сыш трения Т и сцепления С можно отнести к поверхностным, а силы упругости /?у - к объемным /массовым/ / рис.5а/.. В механике деформируемого твердого тела большее/чем массовые/значение имеют поверхностные сили, т.е. внешние силы Т и С , распределение по поверхности возможного обрушения. При этом поверхностные силы часто представляются соответствующей геометрической суммой нормальной или касательной составлявших.

Схема расчета деформации грунта в области возможного о. & нарушения устойчивости .

Рио.5

а-охе1.а разбивки попз!.-; окольпс'.ия -"а плао-м ческуь ч уыугуа ти и оезбивка последней ча три зсны ь эм.отч осп- от :Р;С гпун'ч ь ма; п-чре< л<"пзоршшся е сто. лыь чье •• ...................... •

!ре< бупзор

л1?ч0йко!Г;Т..Ьделп'упруго^о^стержня в впдо"упрУгсЬ"п^у

кого он 1:'Ю0.11\

л < оласг

с«.;.' о:

Расчет реактивного предельного сопротивления грунтового сооружения в области развития пластических деформаций ■/?„ осуществ- • ляется на основе теории прочности ШЛ^улона-О .Мора. При этом исходной информацией о механически свойствах грунта служат данные .полученные путем испытания стандартных образцов на сдвиг, а элементарные составляющие объемных сил, действующих нормально по отношению к рассматриваемому участку потенциальной поверхности разрушения, определяются из условия предельного равновесия всей потенциально-неустойчивой области грунтового массива. Зная значения прочностных показателей грунта V и с , величину элементарных составляющих ¿Г/У объемных сил, действующих по линии разрушения, а также ее длину, ■можно легко определить силы Т и С .которые представляют собой предельное сопротивление грунта по принятой поверхности скольжения действию разрушающей нагрузки. Из изложенного оледует, что расчет йп осуществлен в рамках подходов, сложившихся в проблеме неустойчивых грунтовых сооружений или их конструктивных элементов. Заметим, эта проблема имеет несравненно более давнюю историю и здеоь получены определенные результаты по сравнению • с проблемой внутренней, неустойчивости материала /в рассматриваемом олучае грунта /.

Определение же реактивных усилий в некотором объеме грунта при перемещении даже плоских штампов на тот или иной момент времени требует решения соответствующих нестационарных краевых задач и связано с серьезными трудностями научно-методического и вычислительного характера. Очевидно, еще более сложной и менее изученной являет-оя задача по учету упругих реакций грунта Яу -в потенциально-неустойчивой части сооружения. Здесь наряду с взаимодействием областей пассивного и активного состояний, видимо: существует и связь между подвижными и неподвижными частями грунтового сооружения.Поэтому на данном этапе развития расчетно-теоретического аппарата возможно лишь ооздание приближенных способоЕ решения задачи подобного класса.

Суда по литературным источникам, эта разновидность сопротивления грунта Щ разрушающему действию нагрузки пока не рассматривалась как один из реактивных факторов, действующих в грунтовом сооружении. Строго говоря, в рамках существующих расчетных моделей устойчивости /см.рис.1а-в/ учесть степень влиянья упругих свойств грунта на состояние сооружения или основания практически невозможно. Поэтог.у представилось целесообразным рассмотреть данный вопроо на примере анализа систем, сил, действующа в пределах по?енциально-неустопчнвои части грунтового сооддонья сгвса. /рис.5а/. Ооглас-

но принципу Б.Сен-Венана размеры рассматриваемой части сооружения будут зависеть от конкретных инженерно-геологических условий.По виду доминирующих напряжений /растягивающие, радиальные и'сжимающие/ в массиве разделим деформируемую часть сооружения-на три области или зоны, сосредоточив затем внимание на области-Ш предельного пассивного состояния, в которой преобладает лишь та часть сжимающих усилий, которая направлена на формоизменение грунта в зоне Ш.

Рассматривая потенциально-неустойчивую область грунта в сооружении, условно состоящую из трех зон, можно считать, что одним из составляющих активного силового фактора является касательная составляющая веса грунта, принадлежащего I зоне. Под действием веса грунта этой зоны и будут развиваться реактивные силы упругости

в пределах Ш зоны. Причиной возникновения этж сил является наличие упругих свойств в материале /грунте/ и направлен?.! они противоположно вызвавшим их силам. Лия количественной оценки развития отпора грунта б виде объемных сил упругости /?у в границах той или иной области /зоны/ сооружения, интерес представляет перемещение поверхностей /сечений /, разделяющих оползневое тело на зоны.' Если исходить из тогб, что И зона является переходной между раотя-гивающша и сжимающими усилиями, а грунт здесь не претерпевает значительных деформаций по сравнению с грунтом соседних зон, то логично предположить, что б данном случае речь должна идти о смещении границы меаду I и И зонами.

В поисках приближенных решений ряда задач, связанных с учетом упругих деформаций сооружения, неоднократно ебращалось внимание /например, 13.1.!.Лятхер / на возможность представления тела сооружения в виде стержня постоянного или переменного сечения. Так как закономерности деформирования грунта сложны, то наряду о названным выше приемом упрощения рассматриваемой задачи будут использованы и другие, которые применяются в практике решения подобного класса задач.

В соответствии с изложенным в общем случае длину возможной поверхности скольжения можно представить тремя участками: нпоходя-щим длиной А , восходящим - (( ц переходным - ^ /рис.5а /. Приняв за основание длину этих участков, раздели.: потенциально-неустойчивую область грунта на три части. Ир это!: объем упругой части грунта на нисходящем участке примем равным ^ ,ча восходящем - М и на переходном - % . Цри рассмотрит' аоноициалг-•но-неустойчавой области тела ооо1у;:еиия в вид.-. с:еж.хця гостсяшюго

сечения в пределах одного участка высоты упругой части на нисходящем участке будет равна ■ /гУ = и на восходящем -kt = — . где: é - шрина стержня, а в случае решения плоской задачи принимается равной I м. Затем с помощью существующих в механике грунтов зависимостей определяем прочностные возможности грунта в виде сил трения и сцепления по поверхности скольжения и находим среднюю величину предельного сопротивления сдвигу на единицу длины нисходящего д„ и восходящего 9« участков.

Проанализировано развитие объемно-поверхностных деформаций в каждом из объемов V* и V-e с учетом особенностей НДС. Первоначально рассмотрена область предельного пассивного состояния.Предположим, что массив грунта представляет собой деформируемое твердое тело, занимающее область Ve , ограниченное поверхностью Si . В результате рассмотрения механизма работы грунта в данном массиве принято, что на части поверхности заданы сжимающие усилия, суммарная величина которых возрастает от нуля до максимального значения . Значение силы R в произвольный момент процесса обозначил через vCR , где - безразмерный параметр нагрузки,меняющийся е пределах от нуля до единицы. Максимальное значение силы

f¿ предполагается недостаточным для того, чтобы произошла подвижка грунта в объеме по основанию длиной £е /рис.5а/

R <q< ¿. /6/

Если соотношение /6 / буде^' нарушено, то речь должна идти не о прочностных возможностях грунтовой конструкции по поверхности

Su , а о трении двух грунтовых массивов в подвижном состоянии. Итак, считая, что условие /6/ выполнено, выяснил механизм развития упругих перемещений в грунте в области предельного пассивного состояния при действии, сникающих усилии.

Искомое реиение получим из анализа деформирования по эталонной схеме упругого стержня, прижатого к жесткому шероховатому основанию /рис.56/. Распространял закон Р.Гука на объем грунта упругой час-л] стер;ля и закон И.галопа на свойства грунта по контакту •стержня с основанием, исключаем posi.о:.;нооть того, что где-либо действуют силы, отличные от нуля, силы трения и сцепления и в то же иреья • сныю, чш предельное значекге Cft . iii. еется в виду .что в де<рор:. проданной зоне стержня происходит проскальзывайте точек стержня по основании. Следовательно, в этом, случае силы трешш и сцеплен.л дагах б^ть равны cfg в- зине, где стержень не деформируется, не? кагрузки на нес, а зпач;г: та;, не развиваются реактив-

ныв силы трения и сцепления по основанию. Очень наглядно 'изложенный процесс деформирования по схеме упругого стержня, прижатого к основанию, можно проследить по чисто механической /физической/ модели, условно изобразив его в виде упругой пружины, обладающей весом и некоторой упругостью, свободнолежащей на основании, и к одному из концов которой прикладывается, а затем снимается нагрузка Р /рпо.бв /.

Для определения усилий,обусловленных упругими свойствами грунта в области пассшного предельного состояния, необходимо установить перемещение и, /ьС.О / начального сечения, т.е. поверхности &Р . Из условия рассмотрения равновесия элементарного обьема преобразованной части подучим

л* Рг

- — « *- , / 7 /

2 ■ <7« • Е - Ы

где Е - модуль деформации грунта.

Отметил, что в данной работе мы но претендуем на полноту и завершенность теории расчета упругопластических деформаций, развивающихся в области вазможного нарушения устойчивости сооружения. Рассматриваемый случай относится к иирокораспространенным в практике процессам деформирования с некоторыми пластическими и малыми упругими деформациями. В связи с тег-!, что упругие деформации включены в рассмотрение / хотя и считается малыми/, поэтому термин "упругопластические" сохранен и в названии расчетной модели.Причем, в момент, предшествующий разрушению поле деформаций по значению и по направлению частиц является сложным, поэто!,у принятое здесь предположение о наличии относительных сдвигов частиц в пределах областей упругих и пластических деформаций выглядит более правдоподобным и универсальным, по сравнению с применяемыми в расчетной практике модели отвердевшего отсека обрушения /рис.1а,б / или повсеместного предельного состояния /рис.1в /.

Определив перемещение и, начального сечения £/> преобразованной зоны / области Ш /, можно легко вычислить величину обьем.а упругой деформации л V/ . Затем, используя известный в механике принцип отвердения, находится значение объемных сил упругости , которые развиваются в пределах области предельного пассивного состояния

В работе приведен также прием, в соответствии с которым приближенно величину Ry в пределах Ы зоны можно найти и не прибегая к определению упругих деформаций.

■ Активные силы в различных точках области возможного нарушения несущей способности оонования /рис.За/ и устойчивости сооружения' /риа.5а/ могут существенно отличаться по величине и направлению. Кроме того, названная область состоит по крайней мере из двух зон /областей/ : зоны упругих деформаций Vy и пластической зоны V4 , в которых грунт находится в различных НДС - допредельном, предельном и запредельном. Эти обстоятельства значительно усложняют непосредственный учет указанных сил по рассматриваемой площади сооружения и еще в большей мере - его обьека. Поэтому с целью упрощения схем расчета данного фактора, возникла необходимость з ai л е нить объемные силы действием эквивалентной системой сил.

Дня этого активные силы, как любую объемную силу, представил в виде вертикальных' и горизонтальных / , Gx/ составляющих усилий. Далее, рассматривая природу этих сил,отметим, что они могут быть гравитационные, обусловленные весом грунта тела и основания соору-^ кения; фильтрационные,, сейсмические. В грунтовом сооружении мелиоративной системы основание й часть тела обычно находятся в водона-сыщенном состоянии. В этом случае грунт рассмотрим состоящим из двух условно сплошных взаимопроникающих сред: -скелета грунта твердых минерадьных_частиц и газированной поровой жидкости._Суммарная объемная сила F , действующая на обе фазы, равна F — рпГ F03 , где Fan , Fas, - объемные силы, действующие в грунте и в жидкости.

Вертикальная составляющая объемных сил Qx представляет собой собственный вес грунта в пределах рассматриваемой области отдельного фрагмента или всей призмы обрушения. Определение величины Gx не представляет никакой трудности как для грунтов естественной влажности., так и водонасыщенных.

Вопрос учета горизонтальных составляющих объемных сил,действующих в грунте Gx , при оценке состояния грунтовых сооружений мелиоративных систем заслуживает особого внимания. Это положение оСцсловлено дауг.я обстоятельствами: Gx является не только составной частью активного силсеого фактора, но в некоторых случаях составляют основу его ; в научно-технической литературе практически не кашли своего огражешл вопросы влияния перепада горизонтального давления на степень устойчивости сооружения из грунтовых материалов. Гимеюц1хся же немногочисленные предложения /Г.Е.Пвукер, о'.К.Белзсщ;;,!', Л.Н.Уаслов, Н.Л.Денисов, А.'^езди, Д.Х.Троллоп /по

учету а* при оценке несущей способности оснований и устойчивости сооружений не м.:еют достаточного теоретического обоснования.

В общем случае суммарную величину горизонтального давления Грунта ТВ* , действующего в потенциально-неустойчивой области сооружения а&се/а./рис.6а/, можно определить, используя решение М.В.Остроградского.

Схема расчета устойчивости грунтового сооружения способом горизонтальных сил на основе модели упругопластического отсека

а- расчетная схема ; б - эпюра л перепад горизонтального давления грунта Н, действующего в пределах'призмы скольжения: в - диаграмма горизонтальных обьемиых и поверхностных сил.деп-ствуюцих в области возможного нарушения устойчивости

Однако аналитическое решение задачи по определению величины горизонтального давления, действующего в пределах некоторой области грунта абсе/а /рис.,6а/ на основе зависимостей М.В.Остроград-ского,является сложным и трудоемки.!. В связи с этим представилось целесообразным объемные горизонтальные силы бх заменить эквивалентными силами Н , более удобными для расчета. С этой целью в работе использован инженерный прием замены обьемных С1Л поверхностными графоаналитическим путем по аналогии о иирокор аспространошшм а практике расчетом фильтрационно^с давления в схш.ях оци.'лИ устойчивости плотин из грунтовых материалов ./ рис,66/.

В основу, количественной оцеьк;: состоят-;' г.унтового соснул- ' нгя лолокзно условие, согласно ¿оторочу прд произвольной поверх-

ностм сдвига дйя расчета устойчивости призмы обрушения сопоставляют проекцш! равнодействующих активных сил А и сил сопротив-, ления R на направленно сил взаимодействия. Б частном случае при круглоцилиндрической поверхности сдвига могут сЪпоставляться как моменты этих равнодействующих ^ и R относительно оси поверхности сдвига так и их проекции. Определение величин проекций равнодействующих А и R , развивающихся при переходе призмы об-

• рушения с произвольной поверхностью сдвига в предельное состояние »•■ покажем на основе принципов статически обоснованной схемы способа горизонтальных сил взаимодействия Е' \\ Е Такой подход находится в полком соответствии с главным требованием к разрабатывавши схемам расчета, что при анализе устойчивости сооружений из грунто-

• вых материалов следует попользовать методы, удовлетворяющие условиям равновесия призмы обрушения и ее элементов с произвольной поверхностью сдвига в предельно;' состоянии. В данном случае призму обрушения / рис.6а/' разбиваем на отдельные фрагменты /1,2,3,4/ вертикалями , сс' и d.d.', проведенными через точки перелома потенциальной поверхности разрушения. Далее рассматриваем систему сил, действующих в пределах одного фрагмента, которая формирует НДС грунта'основания,' что приводит в конечном итоге к разрушению материала вдоль основания отдельного фрагмента и отсека в целом. В момент предельного состояния грунта, предшествующего разрушению

. основания, в пределах отдельного фрагмента действует система сил, указанная'на рис.6а.

В целях упрощения расчетной схемы примем, что ошш упругости Ry, развивающиеся в объеме грунта над восходящим участком поверхности обрушения, имеют горизонтальное направление и распределены по фрагментам, принадлежащим этому участку, пропорционально их объему.

Рассматриваемая система активных и реактивных сил G*i, Qx¿ , Ei i Е" . Mi . Ъ , C¿ , Rtzí, Ry принимает участи® в формировании Иди тела и- основания сооружения, в ток числе и вдоль линии скольжения. В момент, предшествующий разрушению /предельное _оостояние / многоугольник сил Qx¿, Gn , Rrd и Ry , построенный для каждого фрагмента, должен замкнуться /ом.рис.5а /. Из этого многоугольника находятся суммы проекций на х'орпзонтальную плоскость как реактивных A*.i , так и акцизных сил Ahí , которые затем суьмируцтся по всег. фрагментам и сопоставляются. Еа рис.66 приведена днаграмга проекций на горизонтальную плоскость объемных и поверхностных сил, действующих в области воз; озного нарушения устойчивости^ это:.: случае гхлйчссгвекная оценка состояния грунто-

вого сооружения должна определяться выражением вида'

А- Г/?*' ' Rti +RTCI+ RTCS + ffra >#У у q .

' = ZAn = А, 4* \ .

Если в зависимости /9/ величины Rrci, <4i и Ay' выразить с помощью свойств грунта и размеров призы* скольжения, а Н - через Им ж Us , то формула по определению ks в соответствии с рис.6 может быть представлена в виде, более удобном для машинного счета : .

Ki- (Git + Ga! CBSe^z'tff% + C,£e +

+ Gz3 fyft + o/j + Gxi C0S,laC4-t$4>2+C?& COSdC * -> дг % /

+ 2 cjt ЕРтУsincoso(,-GZ2 SinvCe cos^£~/ 10 /

-El Git* case</t -Ce& cos ОMe)..

Чтобы оценить степень устойчивости сооружения в рамках модели упругопластяческого отсека обрушения на основе схемы способа наклонных сил А.Л.Можевитинова, необходимо в соответствии с изложенными в работе положениями определить вертикальные Gxi и горизонтальные Gxi составляющие объемных сил, сбусловлен1ше действием твердой и жидкой фазами грунтовой массы в пределах отдельного столбика /фрагмента/. Затем, воспользовавшись соответствующей зависимостью, найти'величину /rs .

Из рассмотрения расчетной схемы /рис.6/ и структуры формулы /10/ видно,что модель упругопластического отсека обрушения /рис.1г/ позволила описать механические процессы как вдоль поверхности скольжения, так и в самом оползневом теле. В частности, и на диаграмме сил, действующих в пределах области возможного нарушения устойчивости / рис.бв/, и в формуле /10/ более полно /по сравнению с соответствующими схемой и зависим остью для определения /г, модели отвердевшего отсека обрушения/ представлены составляющие реактивных R и активных А сил призмы скольжения. Здесь вперше в схему расчета устойчивости /рис.6/ и в формулу для определения /с, /10/ введены такие объемные силы как И и R . Эти признаки в своей совокупности отличают предлагаемый способ инженерной оценки устойчивости сооружений из грунтовых материалов от аналогичных решений в рамках модели отвердевшего отсека обрушения /рио,1а-в/.

5.Общая модель расчета грунтовых сооружений мелиоративных систем

0днмл из перспективных направлений совершенствования лроекти-

рования сооружений, 'в том числе дамб, плотин и каналов являетоя использование математических методов и современных средств вычислительной техники, на основе которых создаются системы автоматизации проектирования /САПР/. Поэтому решение проблем! проектирования грунтового сооружения мелиоративной системы на данном этапе следует свести и к созданию математической модели его конструктивной системы /рис.2/, которая в значительной мере будет отражать количественную оценку действительных физико-механических закономерностей с учетом изменения всех внутренних и внешних факторов во времени и их случайной сущности. Это сделает возможным при проектировании названных сооружений уже на предварительных стадиях составления проекта оперативно, с достаточной точностью и в сопоставимых условиях определить размеры сооружения и его конструктивных элементов для сравнения различных вариантов и выбора оптимального. Вместе с тем, задачи начального этапа или частично формализованы, или вообще кеформализовакы. В связи с изложенным и возникла необходимость в разработке блока схем инженерных расчетов, в состав которого должны войти детерминированные расчеты отдельных элементов сооружения /рис.2/.

Предварительное назначение заложения откосов . Поиск окончательного решения по заложению откосов плотины или канала будет значительно экономичнее и эффективнее, если принятие его будет осуществляться, например, не на уровне детального рассмотрения НДС, а значительно раньше; однако для этого необходимо, чтобы уже первоначально принимаемый вариант имел инженерное обеспечение.В этой ' связи, исходя из условий работы грунта в масоиве /сжимающие напряжения, обусловленные собственной массой сооружения/ предварительно заложение откосов предлагается назначать из условия работы грунта на сжатие в теле и создание равнопрочной конструкции сооружения по горизонтальным сечениям. Названным условиям отвечает полу:--' ченноз на.¡и уравнение поверхности откоса

* = .¿л^е* , /ii/

а с

где г и г - текущие координаты поверхности ; о«« -прочность грунта на сжатие ; € - ширина плотит по верху.

Подчеркнем,что формализованный прием выбора очертания откосов плотин или каналов на основе указанных условий является промежуточным решенном, которое может быть использовано на предваритель- .• но;., этапе конструирования сооружения, а в дальнейшем нужда'ется в ■ уточнении с учетом несущей способности основания, неоднородности сложения, действия уильтрациснных и сейсмических сил с помощью

более совершенных моделей расчета / например, упругоплаотическо-го отсека обрупения /.

Анализ совместной работы тела и основание сооружения предполагает определение усилий в пределах тела и границ области развития пластических деформаций в основании. В работе обоснована: возможность использования теории расчета сооружений на упругом основании и для расчета грунтовых сооружений. Показано,что одной из рациональных областей использования этой теории следует считать расчет прочности невысоких насыпей, возводим« на основаниях из слабых грунтов, которые ш_'рп;о распространены в гидромелиоративном строительстве. Здесь нередко удельная нагрузка су на основание из слабы:: грунтов превышает его несущую способность^, .вследствие чего имеет т.есто погружение сооружения в основание.В этсн случае величина погружения 9„ может быть определена с помощью эмпирической зависимости, полученьой на:»: на основе обработки результатов бурения и данных натурных наблюдений на рядо невысоких грунтовых плотин, построенных в лиманах и заливах Азовского и Черного морей

~ 0,0009ЯУ' (В* в у + 0,93 -12,68 ' ^^

где В и ■£ - ширина сооружения соответственно по основанию и по гребню ; Ни - высота насыпи.

Установив грашзд погружения грунтового сооружения в плистсз основание, дальнейший анализ взаимодействия сооружения с основанием может быть осуществлен э соответствии с изложенной в работе методикой. Практическое значение предлагаемой методики расчета заключается в том, что, зная, с одной стороны, транши! развипд области пластических деформаций в основании, а с другой стороны,-количественное проявление реакции его ::а грунтовую насыпь, можно будет управлять зю путем из1,:енешш жесткости »инструкции .душны 2{ , модуля деформации основания £> , велипшш, характера, расположения нагрузки и избежать деформаций и разрушений тела и основания сооружения.

Рас"ет параметров дренажных устройств . На прочность и устойчивость плотин и дамб существенное влияние оказывают тип и ра.чые-ры дренажных устройств. Однако в настоящее время отсутствует общепринятая и достаточно обоечова;п.£.я ».:етс-д».ка расчета дрелах..их устройств грунтовых сооружений ме.:1.о..ит ш^г опйтом. Ъ згой оьязц укажем на отсутствие тек;1х зависимостей, в пятерых сила бы

тически связаны расчетные параметры, характеризующие напор перед сооружением Ц , ширину по основанию , заложение откоса/?/ , ■ фильтрационный поток -2- и один из критериев назначения длины г дренажа, а - расстояние между кривой депрессии и поверхностью • низового откоса /см.рис.2/.' Отсутствие этих зависимостей делает задачу по нахождению оптимальных разменов дренажа трудно .разрешимой даже при использовании душ ее решения ЭВМ. Поэтому первостепенной задачей в данном случае является установление зависимости - ^ / И , £ , т., , сг /. Учитывая это, нами было проведено изучение влияния размеров дренажных устройств на характеристики фильтрационного потока /градиент 3 и скорость фильтрации #■/, ' от которых зависят условия работы грунта в массиве.

Так как основными показателями, на которые влияет длина дренажа, является коэффициент устойчивости сооружения к, и градиент напора и в определенной области фильтрации, то при выборе критерия назначения размеров дренажных устройств следует исходить из этих двух главнейших показателей. Граничными же условиями,очевидно, следует считать удаление кривой депрессии на определенное, расстояние а от поверхности низового откоса для предотвращения замерзания и разрушения грунта, насыщенного водой /рис.2/. Положив в основу названные факторы и принятое граничное условие в отношении кривой депрессии, нами разработана методика определения параметров дренажных устройств грунтовых сооружений. При этом установлены зависимости между величинами , N , / , / и а /рио.2/, которые имеют вид

-^--¿{¿Гг- .-¿У]2-"7! ■ ™

Л * -*(*>• ,

о

где ^ - расстояние между началом дренажа и верховым откосом преобразованного профиля сооружений.

Использование этих зависимостей сделало возможным рекомендовать более простую и менее трудоемкую, по сравнению с существующими, методику расчета параметров дренажных устройств. Разработен-ная методика допускает использование вычислительной техники.

Расчет местной устойчивости и крепления откосов. Обеспечение фильтрационной прочности грунта и местной устойчивости откосов является одни, из основных условий нормального функционирования грунтовых сооружений мелиоративных систем, и настоящее время расчетная практика располагает значительным количеством уюрг.ул и-

Схемы расчета местной устойчивости откосов и толщины фильтрующего крепления при мгновенном опорожнении канала

Рис. 7

а- эпюра нормальной составляющей фильтрационного потека : б- схема установления границ очага возможного и пора на откосе,-в- границы потенциально неустойчивой обчьсти гранта в теле и основании откосов канала и схема пьезометрически уровней,дий-ствуищшс по этой границе ; г - ос.счетнчя сл.има устойчивости Гаага возможного шпора ; д - с::с:н>„п сил, дс-йствукцрх элементарный объем грунта очягд во» .охггоГ" Е1'Сира' ; е - С!'Л.!,до1'отгу ющие в вертикальном «шрашшньл с пределах элементарного й-З^еиа' грунта л фильтрующего крепления. '.'

способов расчета отЯосов на местную устойчивость, полученных при рассмотрении предельного.равновесия элементарного объема грунта на откосе под действием собственного веса и фильтрационного давления. Однако в основе этих способов лежит анализ устойчивости частицы или элементарного объема грунта иа поверхности откоса и недостаточно уделено внимания гидравлическому разрушению грунта фильтрационным потоком в сочетании с принципами теории предельного равновесия. В связи с этим представилось целесообразным рассмотреть физическую сущность механических и п^дравлических процессов, возникающих в грунте тела и основания откосов канала, примыкающих к дневной поверхности.

В результате.изучения фильтрационного потока, который возникает в теле откоса при быстром снижении,уровня вода в бьефе /рис. 7а /, установлено,что нарушение местной устойчивости под действием фильтрационного потока обусловлено потерей Прочности грунта поверхностного слоя. В частности, в гидродинамических условиях сопротивляемость сдвигу Т,им грунта некоторой точки M этс!>го слоя -в общем случае уменьшается на величиьу напряжения в виде /if , обусловленного сработкой уровня, т.е. Т?ин = / gv, -Л-У /<уУ*Чс, где йормальные .напряженияв рассматриваемой точке M ;

к - гидродинамический напор в этой же точке ; . - удельный 'вес вода. Практически при всяком динамическом напоре, отличнбц от нуля происходит некоторое ослабление сопртивляемости сдвигу близлежащего к поперечнику канала слоев грунта. Мощность этого слоя зависит от величины сработки уровня воды в канале, параметров его сечения и физико-механических свойств грунта /рис.7 б,в/. При этом" фильтрационное разрушение может млеть сдвиговой характер,а также проявляться в виде фильтрационного взвешивания в случае песчаных грунтов шш в виде фильтрационного выпора f случае глинистых грунтов.

Эти результаты и были положены в основу разработанных схем расчета местной устойчивости грунтовых откосов /рис.7 в,г/ и толщины их крепления из фильтрующего материала /рис.7 д,е/. Зависимость для определения толщины ânp этого крепления в любом сече-нш откоса или дна канала установлена из рассмотрения возможности выпирания элементарного объема в виде призмы а. 6с ci /рис.7д/,входящего в массу очага возможного выпора /рнс.7д/

Кг У h - Xr p Srp

/15/

<fftfl

где л> - ксэдецг.екх устокч: ¿ость гротив гидравлического раэруше-

ния ; Кр ¡i - соответственно удельный вес пригрузки и грунта о порами, заполненными водой ; Srp - толщина по вертикали слоя грунта потенциально неустойчивой области. .

Таким образом, по величину гидродинамического ншюра и потенциально неустойчивой области грунта /рис.7в/, с помощью зависимости /15/ можно определить толщину слоя крупнозернистого покрытия по всему поперечнику канала /рис.7д/.

В дальнейшем выполняется проверочный расчет устойчивости очага возможного выпора /рис.76/ вместе с. крупнозернистой пригрузкой /рис.7д/. Для этого выделенный, массив грунта, который может сползти вмеоте с пригрузкой, делится вертикальны™ плоскостями на фрагменты. Рассматривая равновесие некоторого /г -го фрагмента /рис. 7.л /, отметим,что в общем случае он находится под дейстдпем собственного веса грунта л 8гр и пригрузкп й Вир , бокового давления соседних фрагментов и давления фильтрационного потока. Коэффициент устойчивости aí /для случая с = 0 / очага возможного выпора вместе с пригрузкой /рис.7д/ можно представить в виде,

А• - г (л ^ coiU+VHst3 /I6/

I(л G'n, sin o¿) + ru Grp s in U + VOJ '

где с/ -угол наклона л -го фрагмента к горизонту ; V - средний / в пределах очага возможного выпора / угол отклонения линии действия веса грунта 4 Gn под действием фильтрационного потока от вертикали /рис.7д/. ъеличина ^ зависит от степени снижения воды в канале и заложения откоса. Б работе приведены графики зависимости 4х от названных факторов. •

Водохозяйственными организациями Украины по разработанным способам расчета запроектированы и построены крепления откосов из фильтрующих материалов на каналах в Запорожской области, ообщая протяженность которых превышает 120 км. Почти двадцатилетние наблюдения за состоянием эшх каналов показали, что рассчитанные по предлагаемой методике крепления откосов при качественном выполнении строительных работ и заданных режимах эксплуатации способны обеспечить экономичность, надежность и долговечность сооружения. Последнее обстоятельство свидетельствует о тог.;, чго- сочетание механического, инженерно-геологического и фильтрационного подходов к изучению фильтрационной прочности грунтов и местной устойчивости откосов позволило в значительной мере адекватно реалышм условиям представить механизм возникновения и развития 7.еханичес-и.х и гидравлических процессов в поверхностных слоях грунта :: ::а это.':

основе создать методику расчета крепления.

Раочет общей устойчивости грунтового сооружения. Оценка состояния и прогноз поведения плотин, дамб, каналов, являющихся составной частью водохозяйственного комплекса в мелиоративной системе, не могут быть получены без расчетов устойчивости их. В этой связи необходимым компонентом блок-схеьщ инженерных расчетов грунтового сооружения / рис.2/ должна стать схема расчета общей устойчивости тела к основания его. В соответствии с изложенными концепциями в данной работе такой расчет должен основываться на мидели упруго-пластического отсека, обрушения, а сама структурная схема инженерного способа расчета должна, состоять из двух взаимосвязанных детер-минировашщ* способов более низкого уровня. Эти способы должны включать в себя прогноз развития поверхности скольжения в теле и основании сооружения и расчет устойчивости области возможного обрушения. В свою очередь составной частью названных способов должны стать детерминированные расчеты отдельных элем.ентов общей модели. В частности, прогнозы места зарождения на гребне и в основании,формы поверхности обрушения в грунтовом массиве в зависимости от напряженного состояния, расчетных величин деформации и развивающихся сил упругости в пределах приз!.и скольжения, реактивных и активных сил'и значения коэффициента устойчивости 'ка

В целок с поьощью разработанного блока схем инженерных расчетов сооружения можно свести проектирование к расчет грунтового сооружения 1 елиоративной система к четко разработанным инженерны:.; задача!.'. В этом случае даже на первом этапе разработки проекта можно отказаться от метода аналогов ; теперь уже второстепенное значение имеют невысокая квалификация проектировщика, недостаточный его опыт и интуиция.. Как следует из изложенного, выбор наиболее рационального как в техническом, так и экономической" отношении конструктивного элемента сооружения имеет свое научное обеспечение. Эти инженерные cxeiü должны составить основу конструктивного факторного анализа и совместно с использованием элементов математической теории планирована экспериментов и аналитической теории игр станут в дальнейшем составной частью инженерного обеспечения при разработке методики опт изации конструкций грунтовых сооружений мелиоративных систем.

6. Технико-экономическия оценка предложений по совершенствованию етодоа расчета груктоЕЫХ ссору.«.ен:Л i е.г.,огат..Б1хх систем

Сцшу достогс;-цост;. спсссбсм расчета на основе tt-

дели у г.;/гс'пласт. •(•. сичг^ отсека с йл'мкг.я/ььх. .. разработанном ка

основе другой модели / в работе дано по результатам количественного анализа устойчивости грунтового сооружения, которую оно имело накануне разрушения, т.е. при /<-,«1,0. С этой целью выполнена количественная сценка схем расчета устойчивости способа горизонтальных сил ь.одели упругопластической среды п модели отвердевшего отсека обрушения путем анализа устойчивости оползневых участков низоьых откосов двух плотин высотою соответственно 20 и 40м, а также пяти участков неустойчивых областей строительного котлована, обрушение которых произошло на глубине соответственно 10,15, 20, 25 и 29 м. Геометрические размеры плотин и котлована, физико-механические показатели грунтов тела и основания.этих сооружений приведены в работе. Такое представительство обьектов выбрано с различными инженерно-геологически,;и условиями строительной площадки, параметрами сооружения, свойствами грунтов тела и основания, величинами фильтрационного давления, методами строительства /насыпь, выеглка / и на этой основе дать максимально объективную оценку достоверности разработанной и существующей расчетной моделям устойчивости.

Результаты количественного анализа устойчивости оползневых участков названных сооружений показали,что с помощью расчетной схемы I.одели упругопластической среды можно достаточно точно описать состояние грунтового сооружения накануне его подвижки -1,0 /, в то же врем'я с пимощью схег.ы расчета модели отвердевшего . отсека обрушения этого достичь нельзя / величина больше I и в рассматриваема случаях составляет, например, для случая обрушения откосов строительного котлована на глубине соответственно 10м и 15 м - л-, -I,.М и л-3 =1,25, а для случая'обрушения низового откоса плотины высотою 20 м - л-5=1,Э6/. Значение разработанного инженерного способа расчета устойчивости заключается не только в полученных результатах, но и в доказательстве широких возможностей, которые открывает совместное использование теории упругооти и теории пластичности непосредственно к отсеку обрушения при оценке состояния грунтовых сооружений. В этом случае, несм.отря на все оговорки, см.ешанная задача может дать методы .для расчета устойчивости, обеспечивающие наиболее эффективное приближение к дейзтв^ тельности, строгую статическую обоснованность и экономичность результатов.

На осн9ве вариантного проектирования ряда водохозяйственньх обьектов / противопаводковое водохранилще на р»Днестр, осушитель-но-увлажнительная система в пойме р.Ворогля, ограждающие дгмОы и откосы строительного котлована под основные сооружения ^непроаско-

Бугского гидроузла и др./ показана шоокая экономическая эффективность предложений по совершенствованию методов расчета плотин и дамб, возводимых в сложных инженерно-геологических условиях. Касаясь рациональной области использования предложений по совершенствованию методов расчета сооружений из грунтовых материалов,отметим, что использование разработанных предложений на основе нелинейной механики грунтов наиболее целесообразно в практике гидротехнического и мелиоративного строительства при проектировании плотин, каналов ,и дамб Ш и ниже класса капитальности в неблагоприятных геологических и гидрогеологических условиях, а также транопортных и промышленных сооружений из грунтовых материалов при соответствующем учете специфики их эксплуатации. Результаты выполненных и 'опубликованных исследований еще не полностью исчерпывают круг вопросов, возникающих в связи с указанной постановкой задачи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные в диссертации материалы отражают результаты исследования прочности и устойчивости грунтовых сооружений мелиоративных систем, возводимых и эксплуатируемых в неблагоприятных геологических и гидрогеологических условиях, в рамках модели уп-ругопластической среда грунта применительно к -области возможного обрушения до двум направлениям:

изучение механизма упругопдастического деформирования и разрушения грунтовых сооружений ;

разработка практических способов использования теоретических схем для расчета прочности и устойчивости грунтовых сооружений мелиоративных систем на основе модели упругопластического отсека обрушения.

Выполненные исследования приводят к следующим основным результата!,1 и выводам.

1.В общем случае процесс передачи усилий в грунтовом сооружении можно рассматривать как развитие силового потока движения внутренних усилий. Поэтому составной частью изучения механизма разрушения является анализ движения энергии в области возможного на-руменкя устойчивости, которое осуществляется в связи с последовательной передачей усилий от одной части сечения к другой. Мерой передачи усгл; й является количество напряжений е* спередаваемое вследствие об: ока :.Са:;у частица и оползневого тела через плоский элемент с'площадью ЫР за контродпгуе» ое врегя сН . Одним из ссстаг "я.хи-х активного силового мактора,который не учитывается в

существующих схемах расчета, является перепад горизонтального дав-леш:я грунта, действующего в пределах скольжения.

2.Раскрыта сущность механических процессов, имеющих место в области развития упругие деформаций и в области развития пластических деформаций в пределах призмы скольжения. При этом впервые описано обьемно-поьерхностное деформирование с учетом НДС грунта в названных областях, в toi: числе и развитие реактивных сил упругости в части призмы скольжения, которые не учитываются при анализе устойчивости. Показаны роль п значение рассматриваемых процессов в механизме упругопластического разрешения сооружений из грунтовых материалов. В частности, зарождение площадок скольжения в грунтовом массиве не может быть связано с упругим деформированием; образование поверхности скольжения здесь обусловлено развитием пластических дефоргаций. ь развитие этой концепции дано обоснование принципам учета работы грунта отсека обрушения в упругой и пластической стадиях и сформулированы основные положения механизма упругопластического деиормировангя и разрушения грунтового сооружения, в соответствии с который; оно может характеризоваться дву1 я состояния.}!: докритическим /устойчивым/ и закритпческнм /не-

уСТОЙЧПВЫ!./.

В результате изучения механизма разруиений плотин, дш.;б и канатов, а также анализа основных факторов, под действие!., которых разрушается структурная прочность грунта в г. ассиве, нарушается сплошность грунтовой среды и образуется поверхность скольжения, представилась возможность классифицировать явление разрушения. Выполненная классификация позволит более обоснованно проводить диагностику состояния, прогноз поведения сооружения и направлена на предотвращение его разрушения.

3. Учитывая сложность задачи по разработке методики инженерного прогноза поверхности скольжения, решение ее / в методическом плане/ осуществлено на основе-комплекса: грунт /материал/- участок поверхности обрушения /конструктивный элемент сооружения/ - поверхность скольжения /сооружение в целом / - среда- условия нагруженпя. Такой подход К решению поставленной задачи позволил использовать обширный экспериментальный материал, касающийся рассматривав, ых вопросов, найти сравнительно простые и ясные формы .описания механизма зарождения и развития поверхности скольжения, которые позволили сформулировать граничные условия для соответствующие задач механики сплошной среды и механики грунтов, а з^тем впе>ые обосновать инженерный способ прогноза развития поверхности сдвкгч..сл-малнзоьанньй поиск поверхности скольжения в груктоьи... соорулеш-.п

позволит повысить степень надежности и долговечности сооружений, а также производительность и качество инженерного труда.

4.Разработана схема инженерного расчета устойчивости способом горизонтальных см на основе модели упругопластического отсека обрушения. Составной частью этого способа являются расчеты зон активного и пассивного состояний в пределах области возможного нарушения устойчивости, величины деформации грунта в потенциально-неустойчивой области, реактивного предельного сопротивления грунтового массива куда входят и объемные силы упругости, которые развиваются в части области возможного обрушения действию разрушающей нагрузки и обобщенной активной силы,а также расчетная схема устойчивости. Методика расчета устойчивости разработана на общепринятых в механике сплошной среды к механике грунтов положениях и является теоретически обоснованной. Вместе с тем разработанный способ сравнительно прост, позволяет учитывать неоднородность сложения тела и основания сооружения, действие фильтрационного и по-рового давлений, сейсмичность и другие неблагоприятные геологические и гидрогеологические факторы.

5. На основании количественного анализа по расчетным схемам модели отвердевшего отсека обрушения и модели упругопластического отсека обрушения данных разрушений низового откоса на двух плотинах, а также пяти участков строительного котлована оценена достоверность кнженорных схем расчета устойчивости. При этом с помощью схемы инженерного способа расчета устойчивости модели упругопластического отсека обрушения получен результат, практически точно отражающий состояние сооружения накануне его деформации и разрушения / Ks~ 1,0/, в отличие от результатов, полученных по расчетным схемам модели отвердевшего отсека обрушения / к, =1,24 и больше/.

Таким образом, учет работы грунта отсека обрушения в упругой и пластической стадиях при анализе устойчивости сооружений позволил сделать значительный шаг по пути решения проблемы более адекватного описания процессов деформирования и разрушения и, следовательно,в целом повысить достоверность инженерных расчетов грунтовых сооружений мелиоративных систем.

6. Установлены зависимости между параметрами сооружения, характеристиками фильтрационного потока в нем, размерами дренажа и критериями его назначен/л. Раскрыт ; еханкзм гидравлического разрушения поверхностного слоя грунта аильтрацнонным потоком, возникающим в основал i: и теле откосов канала при колебании вода в не;.;. ¡Ц-едлохсл блw' схе: ;асчета очертаюи откосов, размеров дренажа, аньл-.за с .в: l.jthûh i аботь тела и оспоньн.л :.з слабого груита.оцен- •

ки местной устойчивости откосов и расчета крепления из шнльтпуЪ-щих материалов и сборных железобетонных олементов, а также поиска поверхности сдвига и оценки общей устойчивости.

Предложенный блок расчетных схем позволяет свести проектирование и расчет плотин, дам б и каналов к четко разработанным инженерным задачам и является составной частью инженерного обеспече-шл задачи по проектированию и строительству грунтовых сооружений в неблагоприятных геологических и гидрогеологических условиях.

Предложенные, инженерные способы и cxei-ы расчета нашли практическое применение при разработке проектов каналов, плотин в дамб на различных водохозяйственных объектах Украины.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора :

1. Крпзский U.M. влияние расстояния ьеаду кривой депрессии и низовым откосом на выбор длины дренажа // Санитарная техника.-К.: Еуд1велъник, 1967. -Ьып.5. - 0.14-20.

2. Кризский U.M. Аналитический способ расчета устойчивости откосов земляных плотин // Гидравлика и гидротехника.- К.-.Техника, 1968.- ijun.G. -C.I2I-I30.

3. КризсшЛ Н.М. Об оценке устойчивости откосов земляных плотин // Гидравлика и гидротехника. -К.: Техника,1У70.- Вып.10.-C.I06-II0.

4. Крпзский 11.1,!. К вопросу устойчивости земляных откосов.Основания и фундаменты. -К.: Будгвельник, 1971.- Вып.4. -С.37-41.

5. Кризский U.M. 0 критерии назначения длины дренажа земляной плотины // Гидравлика и гидротехника.-К.: Техника,1971.- Вып.II.-C.I0I-I07.

6. Кризский U.M. Об учете фильтрационного давления при оценке устойчивости откосов земляных плотин // Гидравлика и гидротехника.- К.: Техника, 1971. - Вып.II- С.66-69.

7. Крпзский Н.М. Расчет равнопрочной конструкции земляного сооружения // Мелиорация и водное хозяйство. - К.: Урожай,i960. -Вып.48.- 0.58-65.

8. Кризский Н.М. О местной устойчивости песчаных откосов при быстром снижении уровня воды в канале // Мелиорация и водное хозяйство. - К.: Урожай, 1980.- Вып.48.- 0.85-90.

9. Кризский Н.М. Расчет толщины крепления откосов канала'из фильтрующих материалов // Мелиорация и водное хозяйство. - К.: Урожай,1981.- Вып.52. - С.40-45.

10. Кризский U.U. 0 механизме потери несущей способности основанием и устойчивости откосом при устройстве насыпных сооружений// Ыелиорация и водное хозяйство // д;.: Урожай, 1981.- Вып.53.-С. 51-55.

11. кризский U.M. К расчету земляного сооружения как конструкции на упругом основании // Мелиорация д> водное хозяйство.-К. : Урожай,1Ьаг.~ Вып.55.- С.58-62.

12. Кризский Н.Ы. Особенности напряженного состояния грунта 'вдоль потенциальной поверхности сдвига // Автомиб.дороги н дор. стр-во.- К.: Вуд1вельник,10о2. - ^ып.30.- С.38-46 /на укр.языке/.

13. Кризский H.H. Природа возникновения трещин на поверхности земляных гидротехнических сооружений // Гидравлика и гидротехника.- К.: Техника,1Ь82. -Вып.35.- С.102-107.

14. Кризский U.U. Расчет прочности земляного сооружения способом горизонтальных сил // Пром.. стр-во и инж. сооружения.- п.: БудЬелышк, 1084. -Вып.о.- C.29-3Ü.

15. Кризский U.M. Механизм потери устойчивости зег.ляных сооружений // Пром.стр-во и инж.сооружения.- К.: Вуд1Еельник, 11'85,-Вып.2 - С.33-35.

16. Кризский iI.U. Анализ способов рглчета устойчивости земляных откосов, основанных на аналои..: i ежду кривыми сдвига и откоса// Наука к техника в городском хозяйстве.- К.: Вуд1Еельник,-Ьып.Ь2.-С.68-71.

17. Кризский H.H., Ыаркевич В.II. Прогноз погружения земляных сооружений в илистое основание // Гидротехника и мелиорация.-lüol.-»2. - С.28-^9.

IU. Кризский II.Ы. Класс1*уикация причин, условий и характера деформирования и разруиенш земляных сооружений // Пром.стр-во и инж.сооружения.- К.: й'Д1вельннк,1935.- Вып'.4.-С.32.

1У. Кризский U.M. Основные принципы инженерного расчета линии разрушения в грунтовом сооружении // Пром.стр-во.и инж.сооружения.- К.: Будгвельник, 1036.- Ьып.З.- С.28-20.

20. Слгиченко U.C., Бакпеов В.А., Кризский ü.M. Опыт проектирования и строительства зе! ляьых плотин на толще нлов // Гидротехническое строительство.- IL76. - hып.И.- С.24-27.

..сего по те; е диссертации опубликовано 3G работ.

/ар-if втш^СГ

Ин-т "Укргипроводхоэ* \ OOjJr. Заказ ( Ly Тнр.1ж/)<?