Исследование силового воздействия оползневых массивов на удерживающие конструкции симплекс-методом

Актуальность работы. Оползни широко распространены как на территории РФ, так и на территории КНДР. Оползневые явления наносят большой вред народному хозяйству, препятствуя освоению естественных склонов и нормальной эксплуатации инженерных сооружений. Борьба с оползнями, предупреждение оползневых процессов представляет собой важную народно-хозяйственную проблему. Решению этой проблемы посвящены многочисленные труды ученых разных стран.

Одним из эффективных способов предупреждения обрушения откосов и склонов является возведение противооползневых удерживающих сооружений. Для проектирования надежных противооползневых конструкций необходимо прежде всего детально установить инженерно-геологические условия склона и причины развития оползневых деформаций. Располагая качественной базой исходных данных, следует решить другую, не менее важную проблему, а именноопределить интенсивность силового воздействия сползающих масс грунта на проектируемую удерживающую конструкцию.

Оползневое давление возникает в результате смещения неоднородных масс грунта по сформировавшейся в склоне поверхности скольжения. Вследствие сложности граничных условий решение задачи определения оползневого давления не удается найти строгими методами теории предельного равновесия грунтов. Конечноэлементный анализ упругопластического деформирования грунтовых массивов открывает широкие возможности для описания склоновых процессов. Это направление интенсивно разрабатывается в научных организациях, имеющих необходимое оборудование и методики определения параметров упругопластиче-ских моделей грунта. Ведется поиск решения вопросов и теоретического характера, например, определения бытового напряженного состояния, описания фазы локальных сдвигов в массиве грунта и других.

Для определения силового воздействия оползневых масс на подпорные сооружения, в практической работе проектных организаций как правило используются приближенные методы расчета, основанные на расчетной схеме «метода отсеков». Многовариантность «методов отсеков» обусловлена статической неопределимостью задачи и введением в расчет для ее раскрытия дополнительных гипотез различного характера относительно величин, направления и положения сил взаимодействия отсеков с окружающим грунтом. При этом отсутствует метод теоретического анализа возможного диапазона изменения этих сил и, соответственно, оценки применяемых методов расчета.

Совершенствование методов определения силового воздействия оползневых масс на удерживающие сооружения является важной и актуальной проблемой, решение которой позволит повысить надежность и эффективность противооползневых конструкций.

Цель работы заключалась в разработке методики определения максимально возможной по условиям статического равновесия и прочности грунта интенсивности силового воздействия оползневого массива на удерживающие конструкции и разработке на этой основе принципов их расчета.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели были сформу-Ф лированы следующие задачи исследований:

1. Определить возможный по условиям статического равновесия и прочности грунтов диапазон изменения системы сил взаимодействия отсеков с окружающим грунтом в рамках расчетной схемы «метода отсеков».

2. Разработать методику определения максимальных величин составляющих оползневого давления в рамках расчетной схемы «метода отсеков» на основе анализа всего диапазона изменения системы сил взаимодействия, допустимого по условиям статического равновесия и прочности грунтов.

3. Исследовать влияние степени дискретизации расчетной схемы «метода отсеков», формы линии скольжения и положения сил взаимодействия отсеков с окружающим грунтом на расчетную величину оползневого давления.

4. Разработать алгоритм и программу расчета составляющих силового воздействия оползневого массива на удерживающие сооружения симплекс-методом.

5. Разработать принципы расчета противооползневых конструкций на основе экстремального анализа параметров силового воздействия на них оползневых масс.

Научная новизна работы заключается в постановке и решении задачи определения предельного давления грунта на подпорные стенки как задачи линейного программирования.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования полученных результатов при проектировании противооползневых удерживающих конструкций. Реализация такой возможности обеспечивается следующими разработками:

1. Разработана методика составления исходной симплекс-таблицы, алгоритм и программа расчета симплекс-методом предельного давления на подпорную стенку в рамках расчетной схемы «метода отсеков». Даны рекомендации по использованию результатов решения. Вычислительная работа может выполняться как по разработанной программе, так и с помощью стандартных программ, реализующих симплекс-метод.

2. Разработаны принципы расчета подпорной стенки по предельным состояниям в соответствии с требованиями нормативных документов и на основе экстремального анализа составляющих оползневого давления, выполняемого симплекс-методом.

3. Разработаны принципы расчета противооползневых свайных рядов или промежуточных стенок на основе экстремального анализа составляющих оползневого давления, выполняемого симплекс-методом.

Методы исследований и достоверность. Для решения поставленных задач использовалась расчетная схема «метода отсеков». Определение силового воздействия оползневого массива на удерживающие конструкции осуществлялось симплекс-методом линейного программирования. В разработанной методике расчета оползневого давления обеспечивалось выполнение условий статического равновесия и прочности грунтов. При этом находилось наиболее невыгодное распределение сил взаимодействия отсеков с окружающим грунтом, которому соответствовала максимальная интенсивность силового воздействия оползневого массива на подпорное сооружение. Это является определенной гарантией надежности разработанной методики расчета.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на 61-й и 62-й научно-технических конференциях НГАСУ (г. Новосибирск, 2003, 2004), на научно-технических конференциях СГУПС (г. Новосибирск, 2004), на научно-техническом семинаре СГУПС (г. Новосибирск, 2005). Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ. На защиту выносятся:

1. Постановка и решение симплекс-методом задачи о предельном давлении грунта на подпорную стенку в рамках расчетной схемы «метода отсеков» как задачи линейного программирования.

2. Результаты анализа составляющих оползневого давления в зависимости от формы линии скольжения и положения сил взаимодействия отсеков с окружающим грунтом, а также результаты сопоставительных расчетов.

3. Алгоритм и программа расчета симплекс-методом составляющих оползневого давления.

4. Принципы расчета противооползневых сооружений — подпорных стенок и промежуточных удерживающих конструкций на основе экстремального анализа оползневого давления.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из пяти разделов, выводов, приложений и списка литературы, общий объем составляет 180 страниц, в т. ч. 64 рисунка и 80 таблиц.

Список литературы

содержит 144 источников.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1 Некоторые сведения об оползнях как механических системах.

Оползни — сложные геологические процессы, возникающие при нарушении равновесия земляных масс на откосах и склонах. Следствием этого является смещение грунтовых массивов под действием гравитационных сил вниз по склону, часто приобретающее катастрофический характер. Имеются многочисленные примеры оползней, вызванных разрушающим действием самых разнообразных природных факторов. Разработанная методика инженерно-геологической типизации оползней и составленная на этой основе таблица существующих на территории РФ оползневых склонов [70] дает наглядное представление о масштабах этого явления.

На железных дорогах оползни имеют не только природный характер. Нередко деформации развиваются в откосах высоких насыпей или глубоких выемок, что свидетельствует об ошибках проектирования или нарушении норм эксплуатации земляного полотна железных дорог.

Оползневедение — специальный раздел науки, неразрывно связанный с инженерной геологией, гидрогеологией, грунтоведением, механикой грунтов и многими другими специальными дисциплинами. Имеется обширная литература по результатам исследований оползневых процессов и явлений и мерам борьбы с ними.

Здесь можно отметить обобщающие труды А. П. Павлова [65], Ф. П. Саваренского [75], С. К. Абрамова [1], Е. П. Емельяновой [29], Г. С. Золотарева [35], А. М. Дранникова [24], Н. Н. Маслова [55], М. Н. Гольд-штейна [17], Г. М. Шахунянца [118], JI. К. Гинзбурга [13], Г. JI. Фисенко [105], Г. И.Тер-Степаняна [92], В. Е. Ольховатенко [62], К. Терцаги [93], А. Я. Будина [8], Л. Бьеррума [127], Л. Шукле [122], Р. Шустера и Р. Кризека [63], Хван Хо Рела[143], Вон Ха Ока[142] и многих других [22, 98, 99,107,108,121].

Исследуя вопросы теоретического прогноза и описания оползневых деформаций, а также силового воздействия грунтовых масс на конструкции, необходимо рассмотреть оползневой процесс с позиций механики, т. е. необходимо построить расчетную схему оползня как механической системы.

В данном подразделе будут рассмотрены отдельные вопросы, имеющие непосредственное отношение к теме работы.

Прежде всего, обратимся к одному типу оползней по характеру движения, а именно, к оползням скольжения. Этот тип оползней часто встречается как на естественных склонах, так и в приоткосных частях насыпей, выемок, отвалов и других земляных сооружений. Для оползней скольжения характерно наличие поверхности скольжения и реализация процесса сдвига грунтовых масс по этой поверхности. Соответственно, главными факторами оползня скольжения с позиций механики являются сдвигающие и удерживающие силы, формирующиеся в процессе деформирования откоса или склона. Установление поверхности скольжения и указанных сил — первоочередная задача при выполнении инженерных расчетов устойчивости. В данной работе рассматриваются именно оползни скольжения.

Далее, выделяют две группы оползней по характеру геологического строения и его влияния на формирование поверхности скольжения. Это консеквентные и асеквентные оползни [24, 29]. В асеквентных оползнях поверхность скольжения прорезает различные слои грунта, не согласуясь с направлением простирания отдельных пластов. В этих оползнях положение и форма поверхности скольжения определяется из условия минимального сопротивления грунтов сдвигу. Здесь, прогноз очертания поверхности сдвига может быть выполнен исключительно теоретическим путем. В консеквентных оползнях положение поверхности скольжения приурочено к определенной геологической прослойке, как правило, слабого грунта, или к контактной поверхности между различными грунтами, по которой сопротивление грунтов сдвигу резко падает, например, при обводнении контактной зоны. В этом случае положение поверхности скольжения в определенной степени предопределено, что облегчает исследование силового взаимодействия грунтовых масс при прогнозной оценке устойчивости потенциально оползневого массива.

Следующие важнейшие понятия относятся к типам оползней по последовательности развития деформаций склона. Здесь выделяют две группы оползнейделяпсивные и детрузивные [24, 29]. Детрузивные процессы имеют начало своего развития в голове оползня, в верхней части склона, и развиваются к его подошве. Направление развития деформаций совпадает с направлением движения земляных масс. В деляпсивных оползнях имеет место отползание языка оползня, а вслед за ним активизируются деформации в склоне, развиваясь в направлении, обратном движению земляных масс.

Указанные типы оползневых процессов необходимо установить на стадии инженерно-геологического обследования склона и выполнения прогнозных расчетов. В зависимости от типа оползня назначаются те или иные принципиальные решения противооползневых мероприятий. Например, при проектировании противооползневых удерживающих конструкций, в оползнях деляпсивного типа совершенно необходимо устройство контрфорса в нижней части склона, а укрепление головы оползня может оказаться малоэффективным. В оползнях детрузивных рациональным решением может быть устройство удерживающей конструкции в средней части склона. Таким образом, тип оползня в известной мере определяет положение и мощность удерживающей противооползневой конструкции.

В данной работе будут рассматриваться оползни скольжения, консеквентные и асеквентные, детрузивные и деляпсивные. Для количественных расчетов устойчивости оползневых откосов и склонов и их силового воздействия на удерживающие сооружения применяются статические методы теории устойчивости грунтов.

Противооползневые мероприятия представлены большим набором принципиальных решений и конкретных конструкций.

Во-первых, следует отметить группу мероприятий по исключению негативного влияния на устойчивость оползневых склонов поверхностных и подземных вод [29, 62]. Организация поверхностного водоотвода предотвращает развитие эрозионных процессов и уменьшает степень обводнения оползневых масс. Устройство подземных дренажей препятствует развитию суффозии, снижает гидродинамическое давление в водоносных пластах. В принципе, с помощью системы дренирования можно преградить доступ подземных вод к опасным оползневым участкам на откосах и склонах.

В ряде случаев, эффективным мероприятием по стабилизации оползней может явиться перепланировка склона, а именно — доведение контура склона до устойчивого состояния [107, 108].

Широкое применение находят противооползневые удерживающие конструкции, с помощью которых осуществляется механическое удерживание оползневых масс. К таким конструкциям относятся прежде всего подпорные стенки и контрфорсы, устраиваемые в нижней части склона. Подпорные стенки — гибкие и жесткие, могут опираться как на естественное основание, так и на свайные фундаменты, рассчитанные на восприятие оползневого давления. Удерживающим фактором контрфорсов является их масса.

Большое распространение получило устройство заглубленных инженерных сооружений в средней части оползневых склонов [3, 12, 13, 74, 49, 63]. Промежуточные удерживающие конструкции выполняются в виде панельных стенок на буровых сваях, сплошных свайных рядов, однорядных и многорядных не сплошных свайных рядов. Конструктивные решения промежуточных удерживающих сооружений постоянно совершенствуются. В механическом отношении, эти конструкции должны полностью или частично воспринимать оползневое давление и передавать это силовое воздействие на устойчивые слои грунта, подстилающие зеркало скольжения.

Повышение стабильности грунтовых массивов на откосах и склонах достигается также закреплением грунтов в неустойчивых зонах цементацией, силикатизацией и другими современными методами [66]. Разрабатываются и совершенствуются методы вертикального и горизонтального армирования грунтов жесткими и гибкими элементами [49, 95,138].

Оползневые массы, устойчивые породы склона и удерживающие конструкции тесно взаимодействуют и представляют собой единую механическую систему. Совместный расчет деформирования такой системы позволяет осуществить научно обоснованный прогноз развития оползневого процесса. Это направление интенсивно развивается с применением численного моделирования напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов [5, 6, 7, 25, 31, 33, 34, 91, 98, 99, 100, 137, 138]. Другой подход к решению задачи устойчивости удерживающих сооружений заключается в отдельном решении задачи определения оползневого давления и расчете подпорной конструкции.

Выполненные в данной работе теоретические исследования предназначены главным образом для проектирования подпорных стенок, контрфорсов и промежуточных удерживающих конструкций. Определение оползневого давления на эти сооружения должно осуществляться с достаточной степенью надежности. Для этой цели используются строгие и приближенные решения теории устойчивости грунтов.

1. Показано, что область возможного, по условиям статического равновесия и прочности грунтов, изменения системы сил взаимодействия отсеков с окружающим грунтом в расчетной схеме «метода отсеков» для условий плоской деформации определяется системой линейных относительно сил взаимодействия ограничений-равенств и ограничений-неравенств.Указанная система ограничений получена для задачи определения силового воздействия оползневых массивов на удерживающие сооружения.2. Решена симплекс-методом задача о силовом воздействии оползневых массивов на удерживающие сооружения в рамках расчетной схемы «метода отсеков». Показано, что составляющие оползневого давления могут рассматриваться в качестве функции цели задачи линейного программирования. Получаемые значения составляющих оползневого давления являются максимально возможными по условиям статического равновесия и прочности грунтов.3. Разработан алгоритм и составлены программы расчета силового воздействия оползневого массива на удерживающие сооружения симплекс методом. В программах предусмотрен учет произвольности контура и неоднородности геологического строения склона. Вариант программы с использованием круглоцилиндрических поверхностей скольжения описан в диссертации.4. Показано, что степень дискретизации области обрушения откоса в расчетной схеме «метода отсеков» должна составлять 15 … 20 отсеков для получения удовлетворительной точности расчета.5. Показано, что максимальным значениям составляющих оползневого давления — горизонтальной силе и моменту в расчетном сечении, где будет расположено подпорное сооружение, отвечают различные системы сил взаимодействия и различные экстремальные линии скольжения. В общем случае, при использовании расчетной схемы «метода отсеков» следует учитывать две пары экстремальных значений горизонтальной силы и момента, характеризующих оползневое давление.6. Установлено существенное влияние ограничения по положению равнодействующих давления между отсеками на величину составляющих оползневого давления. В практических расчетах диапазон возможного приложения равнодействующих давления между отсеками может приниматься в пределах трети размера соответствующих граней отсеков в средней их части.7. Сопоставление результатов расчета оползневого давления, полученных с помощью существующих приближенных методов расчета, основанных на расчетной схеме «метода отсеков» с расчетами симплекс-методом, показало, что существующие методы расчета приводят к значениям оползневого давления существенно отличающимся от экстремальной величины, получаемой симплекс-методом, как в большую, так и в меньшую сторону,.

8. Если величина оползневого давления, полученная одним из существующих приближенных методов, отличается от экстремального значения в большую сторону, то этот результат может не рассматриваться вследствие его несоответствия условиям статического равновесия и прочности грунтов. Если же оползневое давление получено меньше, чем его экстремальная оценка, то это значение может использоваться в расчете удерживающего сооружения при соответствующем обосновании гипотез, заложенных в примененном методе расчета. Экстремальная оценка оползневого давления симплекс-методом при фиксированной поверхности обрушения может использоваться для расчета подпорного сооружения без дополнительного обоснования.9. Разработаны принципы расчета подпорной стенки на основе экстремального анализа составляющих оползневого давления симплекс 109 методом. В каждом отдельном расчете находится экстремальная линия скольжения и соответствующая система сил взаимодействия, создающие наиболее неблагоприятные условия работы удерживающей конструкции,.

10. Разработаны принципы расчета промежуточной удерживающей противооползневой конструкции на основе экстремального анализа составляющих оползневого давления и удерживающей способности части склона, расположенной ниже подпорного сооружения, выполняемого с помощью симплекс-метода.