автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Устойчивость откосов котлованов ГТС при инфильтрации дождевых осадков

На правах рукописи

Нгуен Фыонг Зунг

УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ КОТЛОВАНОВ гтс ПРИ ИНФИЛЬТРАЦИИ ДОЖДЕВЫХ ОСАДКОВ

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое строительство

2 6 СЕН 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2013

005533317

005533317

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (ФГБОУ ВПО СПбГПУ)

Научный руководитель

Голъдин Александр Львович, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Панов Станислав Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом «Анализ и оценка состояния ГТС» ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» (Санкт-Петербург)

Щербина Владимир Иванович, кандидат технических наук, директор ОИДЦ ОАО «НИИЭС» (г.Москва)

Ведущая организация

Санкт-Петербургский Государственный архитектурно-строительный Университет (СПбГАСУ)

Защита состоится « » ркт^рЯ 2013 г. в -1-3 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 512.001.01 при ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» по адресу: 195220, Санкт-Петербург, ул. Гжатская, 21

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»

Автореферат разослан « -/О » гх~! < _ 2013

г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Проблема устойчивости грунтовых откосов всегда являлась наиболее актуальной, поскольку грунтовые откосы многократно встречаются при строительстве гидроузлов, гидроэлектростанций, дорог, гражданских объектов и т.п. Они существуют в открытой выемке и насыпи грунта или в полувыемке и полунасыпи. В процессе использования, переменные внешние условия (влажность, температура др.) оказывают воздействия на грунтовые откосы, преобразуют физико-механические характеристики грунтов, и в свою очередь они явно влияют на их устойчивость.

Разрушения отдельных склонов представляют собой события, обычно менее разрушительные и разорительные, чем некоторые другие катастрофы, но они более распространены, и суммарный ущерб от разрушений склонов, несомненно, значительнее убытков от одиночных губительных природных процессов. Следует добавить, что немалая часть ущерба, причиненного землетрясениями и наводнениями, обусловлена образующимися при этом оползнями. Вопросы обеспечения устойчивости склонов и откосов являются предметом многочисленных исследований инженеров и геологов. За последние годы достигнут большой прогресс в изучении геомеханических характеристик грунтов и влияния их на устойчивость склонов.

Многие гидротехнические объекты расположены в регионах с обильным выпадением осадков. В результате этого масса грунтовых откосов (при строительстве гидротехнических сооружений, дорог, гражданских объектов) оползает под воздействием аномальных осадков; их разрушение, как известно, может приводить к большим человеческим жертвам и огромному материальному ущербу и оказывает влияние на график работ и строительное качество объекта. Поэтому исследование устойчивости откосов с изменением влажности грунтов и с неустойчивыми внешними условиями оказывается важным для обеспечения безопасного строительства. Тем не менее, вопрос сохранения устойчивости откосов во времени при изменении водонасыщения грунтов изучен недостаточно. Это подтверждает актуальность поставленной темы.

Цель работы

Разработка методики расчета устойчивости откосов котлованов гидроэлектростанций (ГЭС) при изменении водонасыщения слагающих их грунтов. Оценка влияния различных факторов - степени водонасыщения, плотности, физико-механических свойств грунта (угла внутреннего трения Ф, сцепления с), коэффициента фильтрации, степени абсорбции - на напряженно-деформированное состояние откосов. При неустановивщемся

1

режиме фильтрации, возникшем в результате изменения степени влагосо-держания на поверхности откоса, и по результатам лабораторного исследования, дать рекомендации, как учитывать неустановившуюся фильтрацию и изменение прочностных характеристик в расчетах устойчивости.

Задачи исследований

Численный расчет и оценка состояния откосов при неустановившемся режиме фильтрации с учетом изменения определяющих факторов.

Лабораторное определение сопротивления сдвигу грунтов (ср, с) в зависимости от их влажности.

Установление характера и степени влияния абсорбции и физико-механических свойств грунтов на их напряженно-деформированное состояние (НДС).

Учет изменения влажности по глубине при инфильтрации атмосферных осадков при расчете устойчивости грунтовых откосов.

Исследование устойчивости реальных откосов при строительстве и эксплуатации гидроузла, обеспечивающее их безопасное состояние.

Научная новизна работы

1. Разработана методика и выведены зависимости для определения коэффициента фильтрации при изменении водонасыщения грунтов.

2. Разработана методика для определения прочностных характеристик грунтов при изменении водонасыщения.

3. Разработана методика расчета устойчивости откосов котлованов ГЭС при изменении водонасыщения слагающих их грунтов.

4. Выполнены численные расчеты неустановившейся фильтрации и изменения положения депрессионной поверхности при задании графика зависимости коэффициента фильтрации от степени водонасыщения.

5. Проведены лабораторные испытания прочностных свойств и коэффициента фильтрации грунтов во времени для откосов котлована ГЭС Хуа-на (Вьетнам).

6. Получена картина проникновения влаги в тело откоса и по ней проведен расчет устойчивости с использованием экспериментального изучения физико-механических свойств грунтов.

Практическая ценность работы

Заключается в возможности использования полученных результатов при проектировании откосов в условиях изменения влажности. В качестве примера были проведены лабораторные исследования физико-механических свойств водонасыщаемых грунтов и расчет коэффициента запаса устойчивости откоса котлована ГЭС Хуа-на (СРВ). Результаты могут быть использованы при определении физико-механических свойств грунтов по лабораторным данным в исходном состоянии и при разных степенях водонасыщения. На территориях с большими изменениями влажности эта процедура играет важную роль. Данная методика была использована в дея-

тельности Инженерно-строительного Института Водных Ресурсов (Вьетнам), связанной со строительством и оборудованием ГЭС.

Методы исследований:

— экспериментальное изучение прочностных характеристик грунтов и коэффициента фильтрации при неполном насыщении;

— выбор апробированных методов расчета устойчивости откосов;

— расчет по лицензированным вычислительным программам.

Достоверность подтверждается соответствием результатов расчета

и натурных данных. Кривая обрушения реального откоса котлована удовлетворительно совпадает с расчетной кривой обрушения. Исследования свойств грунтов проводились на сертифицированном оборудовании.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, самостоятельном проведении лабораторных испытаний и анализе их результатов. Лично соискателем проведены численные расчеты по лицензированным программам.

Публикации

По результатам диссертационных исследований опубликовано 6 работ, из них 4 в научных журналах, рекомендованных ВАК.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов — общий объем 134 страницы текста и 44 рисунка, а также список литературы— 115 наименований.

Экспериментальные исследования проведены во Вьетнаме в Инженерно-строительном Институте Водных Ресурсов по программе доктора технических наук, профессора ВНИИГ им.Б.Е. Веденеева Гольдина Александра Львовича. Расчетные исследования проведены в СПбГПУ в период с 2009-2012 гг.

Автор выражает искренюю признательность зам. Директора, доценту Института Водных Ресурсов Чинь Минь Тху и Декану, доценту Нгуен Кань Тхай за помощь и ценные советы при выполнении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, поставлена цель исследования и определены основные задачи, которые необходимо было решить для достижения поставленной цели, отмечена научная новизна, практическая значимость и достоверность результатов работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор литературы, посвященной исследованию неустановившейся фильтрации в грунтовых гидротехнических сооружениях и анализ современных проблем строительства котлованов с

изменением водонасыщенности, в том числе вопросы изучения и прогнозирования НДС объекта в зависимости от степени абсорбции.

В частности, рассмотрены работы P.P. Чугаева, С.Ф. Аверьянова, В.И. Аравина, С.Н. Нумерова, П.Я. Полубариновой-Кочиной, H.H. Вери-гина, В.М. Шестакова, И.А. Чарного, А.Д. Корестылева и других авторов.

Фильтрацию воды при неполной насыщенности грунта по закону Дарси также исследовали другие ученные (Buckingham, 1907; Richard, 1931; Childs and Collis-George, 1950). Причем коэффициент фильтрации при неполном насыщении также не является постоянным (Marshall, 1958; Millington and Quirk, 1959, 1961; Kunze et. al, 1968; L. Loret and Alonso, 1980; Fredlund, 1981). Он имеет функцию от влажности или абсорбции (иа - uw) (Burdin, 1952; Gardner, 1958а; Brooks and Corey, 1964; Abrahabhi-rama and Kridakorn, 1968).

В первой главе также рассматриваются Стандарты, в которых описаны исследования прочностных характеристик грунтов при полном водо-насыщении. Вопросами характеристик прочности грунтов (насыщенных и водоненасыщенных) и стабилизации оползневых подвижек посвящены многочисленные труды российских и зарубежных исследователей: Terzag-hi К., Bishop A.W., Morgenstern N.R., Aitchison D., Fredlund, D.G., Rahardjo H., Krahn J., Vanapalli S. К. и др.

По предложению H.H. Маслова для сопротивляемости сдвигу глинистых грунтов была разработана теория «плотности-влажности», согласно которой величины угла внутреннего трения ср и начального сцепления cw не остаются постоянными величинами. Им были проведены испытания с изменением влажности и плотности грунта и определены значения Ф и cw.

Понятие степени абсорбции было внедрено Fredlund, D.G., Morgenstern N.R., Rahardjo H. и другими учеными. Значение степени абсорбции представляется разница между давлениями воздуха и воды у = (иа - uw). На основании обзора литературы установлено, что авторами предложены теоретические модели по изучению устойчивости откосов с использованием механики насыщенных грунтов. Аналогичные исследования для ненасыщенных грунтов развиты недостаточно. На основании вышесказанного в работе поставлены задачи по изучению устойчивости откосов с использованием модели водоненасыщенных грунтов.

Вторая глава. При расчете фильтрации при неполном водонасы-щении необходимо знание коэффициента фильтрации, который меняется с изменением водонасыщения грунта.

Во второй главе даны постановка и решения задач по определению коэффициента фильтрации при неполном насыщении с использованием кривой характеристики грунт - вода.

Кривая характеристики грунт-вода связывает степень абсорбции и влагосодержание. 4

Автором выполнено исследование изменения коэффициента фильтрации в зависимости от водонасыщения в Институте Водных Ресурсов (СРВ) на приборе Soil-Water Characteristic Cell, в котором можно контролировать изменения объема, и контролировать содержание воды. По данным исследования определены давления воздуха и воды, которые затем использованы для вычисления эффективных напряжений, и, следовательно, НДС грунта. Величины коэффициента фильтрации, которые вычислены по результатам испытаний образцов, представлены в рис 1.

1,20Е-05 1.00Е-05 8.00Е-06 6ДЮЕ-06 4,00Е-06 2,00Е-06 0,00Е+00

1 10 100 1000 Степень абсорбции, кПа

Рис. 1. Определение коэффициента фильтрации при неполном насыщении

В заключительном разделе главы 2 рассматривается постановка и решение задачи по оценке фильтрационного состояния грунтов численным методом с использованием программного комплекса GEO-Studio 2007. В исследованиях неустановившейся фильтрации использован метод последовательной смены установившихся состояний. Сущность данного метода заключается в том, что депрессионная поверхность рассматривается как установившаяся, но с подвижными границами, закон перемещения которых определяется краевыми условиями (см. рис. 2). В качестве примера влияния неустановившейся фильтрации на устойчивость, рассмотрена устойчивость откоса водохранилища при обводнении его из проходящего на верхних отметках канала, представленных на рис. 3.

По данным фильтрационных расчетов проводились расчеты устойчивости борта водохранилища с учетом приведенных в таблице характеристик грунтов двух слоев массива. При этом выше кривой депрессии принимались характеристики грунта естественного состояния, а ниже кривой депрессии - для водонасыщенного грунта.

В результате найдена предельная поверхность обрушения с коэффициентом устойчивости 0,942 (рис.3).

cü

н о

m

Расстояние, м

Рис. 2. Положения депрессионной кривой на разных стадиях расчета

\---

_

Расстояние, м Рис. 3. Результат оценки устойчивости откоса

Третья глава. Для оценки поведения откосов котлованов при изменении их влажности приводятся результаты исследований физико-механических свойств насыщенных и ненасыщенных грунтов.

В главе приводятся лабораторные исследования полностью насыщенных грунтов в условиях трехосного сжатия и одноплоскостного среза. Кроме того поставлена задача нахождения прочностных свойств грунтов при неполном водонасыщении.

Экспериментальные исследования проводились на грунтах откоса котлована ГЭС Хуа-на (Вьетнам).

Для практических расчетов применен метод учета реологических свойств грунтов, разработанный проф. H.H. Масловым. Как известно, по H.H. Маслову сопротивляемость грунта сдвигу представляется выражением:

О)

где р - нормальное напряжение, действующее в породе по данной площадке; ф„, - угол внутреннего трения при влажности м>; - связность породы водно-коллоидной природы и обратимого характера при влажности "исс — жесткое структурное сцепление с характером необратимых связей; с№ - общее сцепление.

3,50 3,00 2,50 % 2,00

¡3 1.00

I 0,50 0,00

Степень водонасыщения G, %

Рис. 4. График первичной обработки данных опытов на сдвиг по методу «плотности-влажности»: 7-/7=1 кгс/см2; 2-р = 2 кгс/см2; 3-/7 = 3 кгс/см2

Испытания проводились при изменении влажности и плотности грунта и определялись значения ср и cw. Результаты испытания ненасыщенных грунтов, проведенных автором, представлены в рис. 4-6.

На рис. 5 и рис. 6 показана зависимость ср и с от степени водонасыщения G и плотности р, что подтверждает теорию H.H. Маслова. В процессе проведения испытаний по схеме одноплоскостного среза поровое давление не измерялось.

Рис. 5. График зависимости <р от степени водонасыщения G И ОтаЮСИГеЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ р/ Pd^c

Рис. 6. График зависимости с от степени водонасьпцения G и относительной плотности р/ Ро^с-

Для ненасыщенного грунта с заданными давлениями воздуха и воды, чтобы определить прочность на сдвиг, использована формула (Fred-lund и Das):

т = с' + (о - иа) tg(p' + (иа - Hw) tg ф*,

где иа, - давления порового воздуха и поровой воды; фй — угол с указанием темпов прироста прочности по отношению к степени абсорбции (иа — uw) в момент разрушения.

V" мин

Рис. 7. Графический способ определения первичной консолидации методом «квадратный корень из времени»

Построен график зависимости изменения объема образца от корня квадратного времени (рис. 7). Получена скорость сдвига 8f = 0,0923 мм/мин. Для недренированных испытаний глин скорость сдвига должна быть достаточно низкой, чтобы обеспечить выравнивание порового дав-

ления в образце, поэтому для качественного измерения порового давления в образце выбрана 5/= 0,05 мм/мин.

Прочностные характеристики ф' и с' определены по кругам предельных напряжений: tgф' = 0,39 (ф' = 21° 30') и с' = 0,29 кгс/см2 (рис. 8).

Рис. 8. Круги предельных напряжений, построенные по результатам испытаний в приборе трехосного сжатия стабилометрического типа

По результатам испытаний для первого образца (начальное эффективное напряжение о'1>3 = 50 кПа) построен график зависимости относительной вертикальной деформации от разности напряжений (oi - а3). Также приведены результаты КН-испытаний на прочность с построением эффективной траектории напряжений для трех образцов, которые были изотропно консолидированы с использованием различных значений всестороннего давления.

В данной работе проведены экспериментальные исследования прочностных характеристик грунтов не полностью насыщенных грунтов методом трехосного сжатия при варьировании абсорбции, вследствие чего изменялась степень водонасыщения. Для ненасыщенных грунтов, после этапа консолидации проведен процесс выравнивания абсорбции (suction equalization), при котором степень водонасыщения достигла определенного значения и образцы становятся ненасыщенными.

Как показали результаты испытания (рис. 10), срА при абсорбции в 100 кПа меньше его значения при абсорбции в 50 кПа. Значения угла ц>ь получились соответственно 10,8° и 6,6° (рис. 9). Эти углы были меньше эффективного угла ср' = 21,5° для насыщенного грунта. Построены траектории напряжений (рис. 11).

На рис.10 приведены данные по изменению угла ф6 в момент разрушения от величины абсорбции. Отметим, что между результатами испытаний на разных приборах, не наблюдается больших различий в значениях

Ф и с. Величина ф уменьшилась на 14,8%, а значение с уменьшилось на 25,6% по сравнению с испытаниями при одноплоскостном срезе.

О 20 40 60 80 2 100

Абсорбция (иа - ив.), кН/м

Рис. 9. Зависимость прочности от абсорбции (иа - м„.)

Рис. 10. Значение угла ф4 в момент разрушения

На рис. 11 приведены данные консолидированно-недренированных испытаний (КН испытаний) при абсорбции 100 кПа и различных боковых давлениях.

Для каждого испытания построены круги напряжений (синие круги). Затем построены траектории напряжений (зеленые). Из этих траекторий напряжений определены НДС образцов при известной их начальной абсорбции и нагрузке.

В заключительной части главы даны рекомендации для использования результатов исследований в инженерной практике и выводы.

В четвертой главе рассматривается применение разработанной методики расчетов неустановившейся фильтрации и устойчивости откосов

для объектов гидротехнического строительства. В данной работе приведены результаты расчетов устойчивости откоса котлована ГЭС Хуа-на во Вьетнаме, который обрушился после воздействия длительных осадков.

Рис. 11. Траектории напряжений при КН-испытаниях с начальной абсорбцией х|/ = 100 кПа и боковыми давлениями о3 = 395, 455, 545 кПа

В практике строительства часто встречают случаи, когда из-за проникновения влаги или испарения воды с поверхности откоса нельзя принимать постоянные значения коэффициента водонасыщения (соответственно и коэффициент фильтрации) и характеристик прочности при расчетах фильтрации и устойчивости гидротехнических сооружений. В этом случае при изменении степени абсорбции значение влагосодержания грунта и коэффициента фильтрации можно определить по приведенным выше формулам.

В этом и подобных случаях предварительную оценку необходимости расчета устойчивости с учетом неустановившиеся фильтрации можно дать с помощью исследования прочих физико-механических и прочностных свойств грунтов, используя упомянутые методы их испытания.

С помощью разработанной методики расчета устойчивости и формулы определения прочностных характеристик грунта было исследовано состояние откоса котлована ГЭС Хуа-на. В частности, рассматривалась возможность обрушений откоса котлована в зоне повышенного водосо-держания (рис. 12).

Приводится описание инженерно-геологических условий территории провинции Нге-Ан, в том числе геологическая карта, история формирования рельефа и типичные разрезы на глубину до пяти десяти метров, необходимые для строительства грунтовых объектов. Дается описание результатов лабораторных и полевых исследований грунтов. Инфильтрация осадков со свободной поверхности откоса характеризуется интенсивностью ц, которая в расчетах была принята равной 0,2 м7с/п.м.

Из рис. 13 видно, что спустя 4,5 дня нижняя граница фильтрационного потока достигла уровня грунтовых вод. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что в нижней части области объемная влажность достигает величины 0,125 (что соответствует степени водонасьицения в=35,7%).

Расчеты устойчивости выполнялись методом Моргенштерна-Прайса с оптимизацией критической поверхности обрушения. Результаты расчетов по программе БЬОРЕЛУ свидетельствуют о том, что положение наиболее опасной поверхности приблизительно совпадает с фактической поверхностью скольжения.

При строительстве ГЭС Хуа-на в период дождей произошло обрушение откоса котлована, которое представлено на рис. 14,а. Там же приведена поверхность обрушения, полученная по разработанной автором методике. Сопоставление кривых свидетельствует о достоверности разработанной методики, поскольку расчетная кривая хорошо коррелирует с фактической кривой обрушения откоса котлована.

В заключительной части главы проводятся основные выводы.

Расстояние, м

Рис. 13. Положение границы области проникновения осадков спустя 1-4 дня с момента начала их выпадения

Расстояние, м

Рис. 14.

а - поверхность обрушения по натурным данным; б - кривая обрушения откоса на 4 день по расчету в программе 8ЬОРЕЛ¥

Основные выводы

На основании выполненных исследований можно сделать следующие основные выводы.

1. Разработана методика оценки устойчивости откосов гидротехнических сооружений с учетом изменения влажности грунтов при проникновении осадков.

2. Показано, что продолжительные осадки достаточно сильно влияют на устойчивость откосов.

3. Экспериментально установлено изменение коэффициента фильтрации грунта в зависимости от степени влажности.

4. По установленной зависимости коэффициента фильтрации грунта от степени водонасыщения выполнены расчеты положения кривой депрессии в откосе.

5. Экспериментально установлена зависимость эффективных параметров прочности Кулона-Мора от степени абсорбции.

6. Разработанная методика и экспериментальные данные были применены на примере обрушившегося откоса котлована ГЭС Хуа-на (Вьетнам).

7. С использованием имеющихся данных о геометрии призмы обрушения и проектных значений физико-механических характеристик была проведена серия расчетов устойчивости откоса различными методами и при различном положении границы области проникновения осадков.

8. Показано удовлетворительное совпадение расчетных и натурных данных.

9. Разработанная методика и выведенные выражения при определении коэффициента фильтрации и прочностных характеристик грунта при неполном насыщении применимы и для других случаев гидротехнического строительства, когда необходимо провести расчет неустановившейся фильтрации с непостоянным коэффициентом фильтрации и расчет устойчивости откосов с учетом изменяющихся прочностных свойств грунтов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора (по списку ВАК)

1. Нгуен Фыонг Зунг. Влияние неустановившиеся фильтрации на устойчивость грунтовых откосов // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2012. Т. 266. С. 55-59 (по списку ВАК).

2. Гольдин A.JL, Нгуен Фыонг Зунг. Построение траектории напряжений для ненасыщенного грунта при консолидированно-недрениро-ванных испытаниях в стабилометре // Инженерно-строительный журнал. 2012. №9(35). С. 35-40 (по списку ВАК).

3. Нгуен Фыонг Зунг. Исследование зависимости прочностных свойств грунта от его физического состояния // Инженерно-строительный журнал. 2012. №9(35). С. 23-28 (по списку ВАК).

4. Нгуен Фыонг Зунг, Буряков O.A. Влияние инфильтрации дождевых осадков на устойчивость откосов грунтовых сооружений // Гидротехническое строительство. 2013. №5. С..23-27.

Типография ООО «Наша Марка» 195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., 21. Объем 1,0 п.л. Тираж 100. Заказ 9.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» ОчьЬ •. ** ->

Нгусн Фыонг Зунг

УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ КОТЛОВАНОВ TTC ПРИ ИНФИЛЬТРАЦИИ ДОЖДЕВЫХ

ОСАДКОВ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.07 «Гидротехническое строительство»

И аут 1 ы й ру ководител ь Доктор технических наук, профессор Гольдин Александр Львови1

Сап к I-Пе тербург, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ................................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ НЕУСТАНОВИВШЕЙСЯ ФИЛЬТРАЦИИ И ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ 8

1.1 Фильтрационные свойства грунтов в зависимости от степени водонасыщения..............................................................................................................9

1Л Л Закономерности проницаемости ненасыщенной пористой среды 9

1Л .2 Решение неустановившейся фильтрационной задачи..................16

1Л .3 Другие факторы влияющие на решение неустановившейся задачи фильтрации...........................................................................................................18

1.2 Методы определения физико-механических характеристик грунтов........21

1.3 Основные методы теории устойчивости........................................................23

1.4 Задача фильтрации и расчет устойчивости в целом.....................................29

2 ГЛАВА 2. Н Е У С ТА НОВИ В1Т1Я Я С Я ФИЛЬТРАЦИЯ. КРИВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТ-ВОДА..........................................................................31

2.1 Кривая характеристики грунт-вода (БХУСС) и определение коэффициента фильтрации при неполном водонасыщении...................................31

2.1.1 Кривая характеристики грунт-вода................................................31

2.1.2 Определение коэффициента фильтрации ненасыщенных грунтов 33

2.2 Задача неустановившейся фильтрации и устойчивости откоса..................38

Выводы.........................................................................................................................44

3 ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАСЫЩЕННЫХ И НЕНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ...............................................45

3.1 МЕТОДЫ Л А Ь О Р А ТО Р Н О Г О ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.....................................................................................................46

3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТОДОМ ОДНОПЛОСКОСТНОГО СРЕЗА.............................................................................47

3.2.1 Методика проведения испытаний...................................................48

3.2.2 Порядок испытания..........................................................................49

3.2.3 Проведение неконсолидированно-недренированного испытания 50

3.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТОДОМ ТРЕХОСНОГО СЖАТИЯ..........................................................................................56

3.3.1 Общие положения............................................................................56

3.3.2 Конструкции приборов для испытания образцов грунта в условиях осесимметричной деформации..........................................................57

3.3.3 Определение скорости деформации в трехосных испытаниях ...58

3.3.4 Консолидированно-недренированные испытания........................59

3.3.5 Порядок проведения КН испытаний водонасыщенных образцов с использованием обратного давления для водонасыщения.............................61

3.3.6 Результаты испытания.....................................................................62

3.3.7 Проведение КН испытаний ненасыщенных образцов..................69

Выводы.........................................................................................................................79

4 ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ИНФИЛЬТРАЦИИ ДОЖДЕВЫХ ОСАДКОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСА ГРУНТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ.................................81

4.1 Результат дополнительного исследования откоса ГЭС Хуа-на после оползня.........................................................................................................................81

4.1.1 Стратиграфические и геологические характеристики..................83

4.1.2 Стандартное (полевое) испытание грунтов на пенетрацию (зондирование).....................................................................................................86

4.2 Расчетная модель и характеристики грунта..................................................90

4.2.1 Основы метода оценки устойчивости откосов, удовлетворяющего условиям предельного равновесия....................................................................94

4.2.2 Выбор метода поиска опасной поверхности сдвига...................102

/

Выводы.......................................................................................................................103

Список литературы......................................................................................................106

Приложение 1 - Результаты испытания....................................................................1 16

Приложение 2 - Справка о внедрении.......................................................................13 1

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность рабогы

Проблема усюйчивосш грушовых скосов веет да являлась наиболее актуальной, поскольку 1рушовые опсосы мноюкрашо встречаются при строительс1ве гидроузлов, I идроэлек1рос1анций, дорог, гражданских обьекюв и т.п. Оии существуют в открытой выемке и насыпи грунта или в полувыемке и полунасыпи В процессе использования, переменные внешние условия (влажность, 1емпера1ура др.) оказывают воздействия на I рутовые откосы, преобразую1 физико-механические характеристики грунтов, и в свою очередь они явно влияю! на их усчойчивооь

Разрушения 01 дельных склонов преде 1авляют собой собьпия, обычно менее разрушительные и разори 1ельные, чем некоторые дру1 ие катастрофы, но они более распространены, и суммарный ущерб 01 разрушений склонов, несомненно, значительнее убьпков 01 одиночных губительных природных процессов. Следуе1 добавим?, чю немалая часть ущерба, причиненного землеIрясениями и наводнениями, обусловлена образующимися при этом оползнями Вопросы обеспечения усюичивос1и склонов и сикосов являклея предмеюм мно! очисленных исследований инженеров и 1Солоюв. За последние годы дос1ишу1 большой професс в изучении геомеханических харак1срис1ик I рушов и влияния их на усюйчивос1ь склонов

Мно1ие I идро1ехнические обьекпл расположены в ре1 ионах с обильным выпадением осадков. В результат эюго масса грунювых откосов (при сфои1сльс1ве I идр01схнических сооружений, дорог, фажданских обьекюв) оползао под воздсйспзием аномальных осадков, их разрушение, как извесшо, може1 приводи 1ь к большим человеческим жер1вам и огромному материальному ущербу и оказывас! влияние на график работ и сф0и1слыюе качеемзо обьск1а Полому исследование усюйчивосш откосов с изменением влажноеIи грушов и с неустойчивыми внешними условиями оказывается важным для обеспечения безопасного строительств.

Гем не менее вопрос сохранения усюйчивосш оп<осов во времени при изменении водопасьпцсния [рушов изучен нсдос[агочио. Эю подгверждас! актуальнос1ь поставленной 1смы.

Цель работы

Разработка методики расчет устойчивость опсосов кошованов гидроэлскгросганций (1 ЭС) при изменении водопасыщепия слагающих их грунтов. Оценка влияния различных факюров - С1епени водопасыщепия, плоIнос1 и, физико-мсханичсских свойсчв (руша (угла внуфснпего фения ср, сцепления с), коэффициента фильфации, счспепи абсорбции - на напряженно-деформированное состояние ГЭС. При нсус 1ановивщемся режиме филырации, возникшем в резулыатс изменения степени влагосодержания на поверхносш 01 коса, и по резулыатм лабораюрного исследования да1ь рекомендации, как учитывать неустановивщуюся фильтрацию и изменение прочностных характеристик в расчетх усюйчивосш.

Задачи исследований

1. Численный расче1 и оценка сосюяния опсосов при неусшновившемся режиме филырации с учеюм изменения определяющих факюров.

2. Лабораторное определение сопро1 ивления сдвщу 1 рушов с) в зависимое I и от их влажное I и .

3. Установление характера и степени влияния абсорбции и физико-мехапичсских свойс!в 1 рушов на их напряженно-деформированное состояние (НДС).

4. Учет изменения влажности по глубине при инфильтрации атмосферных осадков при расчет усюйчивосш грунтовых откосов.

5. Исследование усюйчивосш реальных опсосов при сфоигельсгве и эксплуа1ации I идроузла, обеспечивающее их безопасное состояние.

Научная новизна рабо!ы

Разрабо1ана меюдика и выведены зависимое ш для определения коэффициен Iа филырации при изменении водопасыщепия I рушов.

Разработка мсюдика для определения прочностных хараюериешк грунтов при изменении водонасыщения

Разработпа меюдика расче1а усюйчивосчи опсосов коиювапов I ЭС при изменении водонасыщения спагаюпдих их 1рунюв

Выполнены численные расчет неустановившейся фильтрации и изменения положения дспрессионпой повсрхпост при задании графика зависимосш коэффициент филырации 01 С1епени водонасыщения.

Проведены лабораторные испытания прочностных свойств и коэффициент филырации фунюв во времени для опсосов коиювана ГЭС Хуа-на (Вьем нам)

Получена каршна проникновения вла! и в 1ело 01 коса и по ней проведен расче! усюйчивосж с использованием эксперимсн тльного изучения физико-механических свойспз 1рунтов

Практическая ценность работы

Заключаеюя в возможности использования полученных резулыатов при проектировании откосов в условиях изменения влажное ж В качеове примера были проведены лабораторные исследования физико-механических свойств водонасыщаемых фунтов и расчсм козффициенга запаса устойчивосж откоса коиювана ГЭС Хуа-на (СРВ) Резулыаш мо(у1 бьпь использованы при определении физико-механических свойспз фунюв по лабораторным данным в исходном сосюянии и при разных степенях водонасыщения. На 1ерригориях с большими изменениями влажносш эта процедура играет важную роль Данная меюдика была использована в деятельносш Инженерпо-сфоитсльного Инсгшуга Водных Ресурсов (Вьешам), связанной со сфошсльспюм и оборудованием ГЭС

МсIоды исследований

- экспериментльное изучение прочностью харакюрисгик грунтов и коэффициент фильтрации при неполном насыщении,

- выбор апробированных мсюдов расчета устойчивости оп<осов;

- расчс1 по лицензированным вычисли 1ельным про1раммам .

Досчовсрнос1 ь под|верждаеюя соответствием резулыаюв расчета и натурных данных. Кривая обрушения реальною 01 коса коиювана удовлетвори 1ельно совпадает с расчетной кривой обрушения. Исследования свойств грунтов проводились тта сертифицированном оборудовании.

Личный вклад автора сосюи1 в постановке задач исследований, самосюя1ельном проведение лабораторных испытаний и анализе их результатов. Лично соискателем проведены численные расчеты по лицензированным про1 раммам.

Публикации

По результатам диссертационных исследований опубликовано 6 работ, из них 4 в научных журналах, рекомендованных ВАК.

Обьем рабои>1

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов — общий обьем 134 араииц текста и 44 рисунков, а 1акже списка литературы -115 наименований.

Экспериментальные исследования проведены во Вьетнаме в Инжеперно-с 1рои юльном Ипс1и1у1с Водных Ресурсов по протрамме доктора технических наук, профессора ВПИИГ им.Ь Ь. Веденеева Гольдина Александра Львовича. Расчетные исследования проведены в СГ16ГГ1У в период с 2009-2012 п.

Автор выражает искрснюю признательность зам Дирекюра, доценту Института Водных Ресурсов Чипь Минь Тху и Декану, доценту Нгусн Кань Тхай за помощь и ценные советы при выполнении исследований.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ И Е У СТА Н О В И В Щ Е Й С Я ФИЛЬТРАЦИИ И

ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ X А Р А KT Е Р И С Т И К ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВ НА

УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ

Начало развития теории движения грунтовых вод было осуществлено А. Дарси. Многочисленные опыты других исследователей подтвердили справедливость закона Дарси в определенных условиях для ряда грунтов и установили границы его применимости. Ж. Дюпюи дал основы гидравлической теории движения грунтовых вод, рассмотрел неравномерные движения при наклонном водоупоре, нашел формулы для дебитов притока к дренажу и к колодцу. Ж. Буссинеск внес дальнейший вклад в развитие гидравлической теории, вывел условия на свободной поверхности грунтового потока, решил ряд задач о неустановившихся движениях жидкости [50]. В первой работе по теории фильтрации Н.Е. Жуковского выведены дифференциальные уравнения фильтрации. Функция Жуковского применяется при решении ряд задач о движениях со свободной поверхностью. H.H. Павловским была создана строгая математическая теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями [50]. H.H. Павловский положил начало применению экспериментального метода электродинамических аналогий, который в настоящее время широко используется в научно-исследовательских и проектных организациях. Возможность применения к ряду задач фильтрации аналитической теории линейных дифференциальных уравнений была указана Н.Е. Кочиным и получила развитие в работах П.Я. Полубариновой-Кочиной [51] в конце 30-х и в 40-х годах XX века. Ряд новых направлений в теории фильтрации, в частности, в задачах диффузии и растворения солей, начат H.H. Веригиным и развивается его учениками [50]. Результаты исследований С.Ф. Аверьянова [3] представляют попытку теоретического освещения вопроса о зависимости коэффициента фильтрации от степени увлажнения грунта.

В последнее время исследования движения жидкости в подземных пластах ведутся очень интенсивно. В связи с большими возможностями расчетов на ЭВМ появилась литература по приближенным методам расчетов.

1.1 Фильтрационные свойства грунтов в зависимости от степени

во/т насыщении.

Грунт представляется собой трехфазную систему - твердые частицы, вода и воздух с парами воды. Насыщенность грунта влагой является переменной. В теории движения грунтовой влаги при неполном насыщении считается, что давление и коэффициент водопроницаемости - заданные функции насыщенности, причем движением воздуха пренебрегают.

Коэффициент фильтрации является основной характеристикой фильтрационных свойств грунтов. Его значение при неполном водонасыщении определяется либо эмпирическими формулами, либо математическими вычислениями, основанными на зависимости характеристик грунта от соотношений между водной и воздушной фазами. Нашей целью является определение коэффициента фильтрации с использованием закономерности между поровым давлением воздуха и воды. Все это необходимо для вычисления эффективных напряжений в условиях н е н а с ы I це н н о го со сто я н и я.

1.1.1 Закономерности проницаемости ненасыщенной пористой средь?

При выводе уравнения для насыщенност и и; грунта влагой (влажности) исходят из уравнения неразрывности, которое выражает тот факт, что изменение массы жидкости, вытекающей в единицу времени из элементарного объема, компенсируется изменением насыщенности внутри этого объема [6,18,50,70-75,103]

дх ду ду. д С

где v,, v- - компоненты скорости фильтрации.

При пегтолной насыщенности трунта считают, чю имеет место закон Дарси в форме:

г;х = Уу = = -/<:(»£ (1.2)

где напор И=р/у + г; к(\\>) - козффициент водопроницаемости при влажности

IV.

Уравнение (1.1) с учетом (1.2) можно переписать в виде

дуу _ д туу) др\ д Гк{м) др\ д др\ | дк{\и)

~д1 ~ V у Зх/ ау\ у ду/ дг\ у д/.) дг ^ ' '

Предположим, что грунт не полностью насыщен, обладая влажностью ш. Обозначим через коэффициент при неполттом насыщении. Будем иметь км = 0 при IV = (где м>о - количество связанной воды в долях от общего обьема груша); = к при и; = п (тде к (или к,) - коэффициент фильтрации при полном насыщении; п - порисюсть I рун 1а). В общем случае положим /с„ = ак. Для к(\\?) имеется формула С.Ф Аверьянова 13,38]

кМ = к1(^)" (1.4)

где кI - коэффициент фильтрации при полном водонасыщении; -влажность грунта; - влажность грунта при наличии только связной воды (минимальная влажность при ко юрой начинается фильтрация); коэффициент п - 3,5.

На границе фаз вода-воздух действуют капиллярные силы, обусловливающие разность между давлениями в жидкости (р или ии) и в воздухе (р, или иа)

V ~ Рв = РкМ или хр = (и, - иш) (1.5)

причем обычно рфи) определяется с помощью полуэмпирических формул. Давление воздуха будем считать посюянным, полатая рг = 0. Чем меньше тем больше рь(м>): при очень малой насыщенности пор водой она

адсорбирусюя на повсрхносж пзсрдых часжц - образускя прочно связанная вода, которую фудпо отделип> даже при очень больших скоростях центрифугирования. При увеличении XV появляются слои рыхло связанной влаги, при еще большей насыщенности она делае1ся способной двигаться под влиянием силы тяжесж. Зависимость V) от при малых значениях IV носит I иперболический харак1ер. С.Ф. Аверьянов [3,50] предлагает формулу.

где ро - давление при влажное!и \vf, связанной воды; - полная влагоемкость, соответствующая атмосферному давлению р = 0.

Филырацию воды при неполной насыщенное ж груша по закону Дарси также исследовали другие ученые (Buckingham, 1907; Richard, 1931; Childs and Collis-George, 1950) [86,92,107]. Причем коэффициент фильтрации при неполном насыщении также не является постоянным. Он является функцией влажности ^v или абсорбции (иа-ии).

Коэффициент фильфации при неполном насыщении ки зависит oi степени водонасыщения, влажности и коэффициента пористости (L Loret

где С - степень водонасыщения; е - коэффициент пористости; w -влажное ib грунта.

Для насыщенных фунтов козффициен