Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор исследований по установлению оползневого давления 8
1.1. Типы оползней. Методы установления оползневого давления 8
1.2. Методы определения оползневого давления для случаяр когда поверхность смещения предопределена геологическим строением склона 12
1.3. Принятый метод расчета оползневого давления 21
Глава II. Экспериментальные исследования по установлению сопротивления сваи боковому смещению грунтов
2.1. Методика проведения экспериментов 24
2.2. Обработка данных экспериментов 31
2.3. Учет влияния формы поперечного сечения при определении сопротивления сваи оползневому давлению 33
2.4. Формы деформаций грунтов, вызванных сопротивлением свай 36
Глава III- Исследование сваи как противоползневого мероприятия 43
3.1. Практика применения свай в строительстве.,.. 43
3.2. Расчетная модель для установления сопротивления сваи боковому смещению грунтов
3.3. Вывод расчетных формул для призматических и цилиндрических свай 56
3.4. Сравнение экспериментальных и теоретических данных... 64
3.5. Моделирование явления 67
Глава ІV. Работа свайного ряда на оползневое давление ... 71
4.1. Установление минимального расстояния между сваями и их количества 71
4.2. Определение расстояния между отдельными рядами свай 73
Глава V. Защемление сваи в основание оползня 76
5.1. Расчет сваи на устойчивость под действием оползневого давления 76
5.2. Расчет сваи на прочность конструкции 88
5.3. Учет возможности появления выдергивающего усилия. 93
Общие выводы 95
Литература 97
- Методы определения оползневого давления для случаяр когда поверхность смещения предопределена геологическим строением склона
- Обработка данных экспериментов
- Расчетная модель для установления сопротивления сваи боковому смещению грунтов
- Определение расстояния между отдельными рядами свай
Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование оползней и борьба с ними - актуальная проблема государственной важности /l_/. Это нашло отражение в Постановлении Совета Министров СССР от 7 марта 1978 г. № 183 "О мерах по улучшению защиты населенных пунктов, предприятий, других объектов и земель от селевых потоков, снежных лавин, оползней и обвалов". Указанный вопрос стал предметом обсуждения также на IX Международном конгрессе по механике грунтов и фундамент о с троению / НО,III,ИЗ 7.
В настоящее время научная разработка вопросов, связанных с закреплением оползневого склона, отстает от уровня требований современной науки и техники. Как мероприятия против оползней сваи главным образом применяются лишь в аварийных ситуациях, не считая некоторых действующих сооружений, построенных как в Советском Союзе, так и за рубежом. Нет также достаточно проверенной на практике теории расчета свай на оползневое давление грунтов, обосновывающей их эффективность и надежность для удержания оползающих земляных масс. В то же время многочисленные факты применения свай в этой области свидетельствует об их эффективности и стабильности как средства борьбы против оползней.
Цель работы и задачи исследований. Целью работы является исследование наиболее эффективного способа механического закрепления оползневого склона с помощью буронабивной сваи.
Сваи рассматриваются как жесткий элемент, воспринимающий оползневое днвление и работающий на изгиб.
Согласно инструкции [ 36 J при проектировании противооползневых защитных сооружений и мероприятий должны учитываться деформации склона (откоса) по механизму смещения и масштабности проявления, конкретные инженерно-геологические условия и др.
В работе рассматриваются случаи, когда поверхность смеще-
ния предопределена геологическим строением С оползни скольжения) . Ввиду того, что такой тип оползня весьма распространен на территории СССР, область применения буронабивной сваи может оказаться исключительно широкой.
В диссертационной работе исследованы следующие вопросы, которые могут быть включены в теорию расчета свай как противооползневого сооружения:
оценка устойчивости оползневого склона и определение оползневого давления;
определение сопротивления сваи перемещению оползня по прочности грунтов;
определение минимального расстояния между сваями;
расчет свай на устойчивость под действием оползневого давления;
расчет свай на прочность конструкции;
расчет свай на выдергивание.
В основу решения рассматриваемых вопросов положена классическая теория сыпучих тел.
В настоящее время прослеживается тенденция замены указанного классического подхода к решениям практических задач методом пластичности. Сложность математических выкладок, характерная для этой теории', не позволяет учитывать множество разнообразных Факторов, определяющих оползневые явления. Поэтому наряду с развитием и усовершенствованием применяемых способов расчета предпочтение отдается простым методам, наиболее полно охватывающим такое сложное явление.
По утверждению проф. Н.Н.Маслова "Простой метод расчета всегда легко поддается контролю, чем в значительной мере уменьшается возможность ошибок, могущих привести к крайне нежелательным последствиям. Всякий расчет, связанный с многочисленными сложными вычислительными операциями, всегда теряет свою убеди-
тельность, в особенности в тех случаях, когда наши расчеты представляют собой лишь первое приближение к решению задач. А мы должны признать, что именно в таком положении находятся оползневые расчеты" /"54 У.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем: " при использовании буронабивннх свай в качестве противооползневого мероприятия принята новая расчетная схема для установления сопротивления сваи оползневому давлению по прочности грунта;
разработана методика экспериментальных исследований указанного вопроса;
распределение оползневого давления по высоте расчетного сечения оползня принято в виде трапеции;
« составлена вычислительная программа для определения защемления сваи в основание оползня при разных характеристиках грунтов.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что результаты теоретических и экспериментальных исследований рассмотренных вопросов обосновывают внедрение буронабивных свай в практику механического закрепления оползней как надежного я эффективного противооползневого мероприятия.
Реализация работы. Предложенная методика и рекомендации использованы проектными и научно-исследовательскими институтами. Б частности, по рекомендации сектора гидрогеологии и инке-неоной геологии АН ГССР она была целиком использована институтом Тбилгорпроект при проектирований противооползневого мероприятия на оползневом участке пос.Центролит в г.Тбилиси.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на ХХШ научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Грузинского политехнического института им.В.И.Ленина и работников производств (Тбилиси, 1981).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в четырех печатных трудах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложения, изложена на 122 страницах, содержит 7 таблиц, 32 рисунка и список использованной литературы из 114 наименований.
Методы определения оползневого давления для случаяр когда поверхность смещения предопределена геологическим строением склона
Берер дал графический метод на примере расчета устойчивости откосов оползания набережной в Шанхайском порту /"90 7, К.Н. Маслов сделал аналитическую разработку этого метода, получившего в литературе название "шанхайского". Принцип использования указанного метода ясен из схемы, представленной на рис.1 Л. Очевидно, что Т=Н-Р = [ # - #( -У )] (1.2) Выражения (I.I), (1.2) позволяют установить степень устойчивости каждого из выделенных на рис.1 Л отсеков, т.е. коэффициент запаса устойчивости выделенного отсека кэу= 1Ъ (і.з) Кз z(±Hi) В формулах (I.I - 1.3) О. - масса расчетного блока; X -часть распора Н , воспринимаемая трением и сцеплением; р - непогашенная часть распора Н ; - угол наклона подошвы отсека к горизонту; {$4 = 9-4 +-1- коэффициент сопротивления сдвигу при данном напряжении; СІ Э ЧІ - соответственно удельное сцепление и угол внутреннего трения в плоскости подошвы отсека; --L - длина подошвы отсека; Н нормаль к поверхности смещения, составляющая реакции массы некоторого выделенного нами отсека (рис.1 Л).
Сущность метода Маслова-Берера заключается в том, что он позволяет сразу получить горизонтальное усилие, приходящееся на противооползневую удерживающую конструкцию. Эффективность использования этого метода снижается тем, что он не учитывает взаимное влияние смежных отсеков.
Аналитический метод, Г.М.Щаэздцгаца. Аналитические способы расчета устойчивости склонов и откосов разработаны многими авторами, в том числе В.В.Соколовским / 85 7, Г.М.Шахунянцем [ 101 _/, А.Г.Дорфманом [ 26 J и др. Способ В.В.Соколовского и А.Г.Дорфмана, как отмечалось ранее, очень сложен и требует громоздких вычислений. Метод Г.М. Шахунянца очень удобен и прост (см.рис.1.2 ).
В соответствии с основными законами строительной механики для раздельного рассмотрения выделяется і -й отсек. Влияние на него вышележащей части блока отмечено силой pL_j , а влияние нижележащей части - аналогичной силой pL под углом І к горизонту.
Метод блока и призм. Этот метод, известный как метод Хоу [ 98 J применяется лишь для несложной конфигурации склона и . наличия пологого пласта грунта с пониженной сопротивляемостью сдвигу (см.рис.1.4).
Как видно из рис.1.4, оползневой массив слагается из центрального блока В и двух призм А и Р .На блок В действуют активное давление от призмы А и пассивное давление (отпор) от призмы р , а также сопротивление сдвигу подошвы центрального блока.
Важным фактором при анализе методов расчета являются абсолютные значения оползневых давлений. К сожалению, действитель - 22 ные максимальные оползневые давления в реальных склонах практически пока определить не удается из-за несовершенства приборов для их измерения, трудности установления момента появления предельного (критического) состояния в склоне, сложности измерений в натурных условиях и т.д.
Исходя из этого ясно, что при равных условиях предпочтение должно отдаваться тем методам, которые дают большие значения оползневых давлений. Тогда любая неточность в исходных положениях в процессе расчетов пойдет в запас.
Подробное описание и анализ методов для определения оползневого давления дано некоторыми исследователями, в частности И.В.Федоровым [ 94 J, Л.К.Гинзбургом [ 13,14 / и др.
Л.К.Гинзбург проанализировал известные методы определения оползневого давления в реальных склонах. Исходя из полученных результатов, он считает наиболее приемлемыми методы Н.Н.Масло-ва и Г.М.Шахунянца. Аналогичной точки зрения придерживаются и некоторые другие авторы.
По нашему мнению, для проектирования закрепления оползневого склона оваями в рассматриваемом случае, когда форма поверхности смещения грунта предопределена геологическим строением склона, по практическим соображениям оползневое давление также следует определять по методу Н.Н.Маслова или Г.М.Шахунянца, но точку приложения оползневого давления следует устанавливать по формуле (3.20 ).
Здесь необходимо и уместно заметить, что оползневое давление следует определять с учетом наиболее вероятных условий возникновения оползневых сдвигов. В сзяэи с этим угол внутреннего трения Ч5 и удельная сила сцепления С должны войти в расчетные формулы для тех грунтов, которые залегают непосредственно по поверхности смещения, и определять их нужно для грунта в водонасыщенном состоянии.
Известно, что оползанию подвержены глинистые грунты, которые в области поверхности смещения имеют высокую степень консистенции, а такие грунты в силу реологических явлений теряют со временем значительную часть своей прочности /"9,20,56 , 89 7.
По исследованиям члена-корреспондента АН СССР профессора Н.А.Цытовича прочность пластичных глин понижается до 30-60, а текуче-пластичных - до 80$ flOOj, Следовательно, при определении оползневого давления следует учесть его увеличение со временем.
Говоря об условиях понижения прочности грунтов со временем считаем необходимым учет динамических (сейсмических) воздействий, особенно когда оползневая масса включает в себя пес-чанные грунты. Исходя из трудов П.Л.Иванова при динамических воздействиях происходит разжижение песков и, следовательно, понижение их прочностных характеристик Ч5 и С [ 33,34].
Обработка данных экспериментов
Для того чтобы обеспечить или гарантировать удержание оползневой массы сваями, т.е. исключить проползание земляных масс между сваями, необходимо использовать коэффициент безопасности по грунту Кг » учитывающий возможные отклонения расчетного значения сопротивления сваи от его действительного значения.
Для установления значения этого коэффициента была проведена статистическая обработка экспериментальных данных по размерам поперечного сечения сваи для толщины слоя песчаного грунта 10, 20, 30, 40 и 50 см и из полученных значений коэффициента безопасности взято среднее.
Аналогично обрабатывался экспериментальный материал на суглинке и, как уже было отмечено выше, с цилиндрическими сваями А = 60 мм при толщине слоя грунта Н = 40 см.
Определив таким образом средние значения Кг для призматических свай с поперечным сечением 40x40, 50x50, 60x60 мм и цилиндрических свай диаметром 40, 50, 60 мм, за расчетное значение коэффициента безопасности принимается минимальное из трех средних.
Частные значения Vt » не удовлетворяющие неравенству (3.14), в дальнейшем не рассматриваются. Отметим, что в результате такого анализа среднее значение Кг Д-яя всех случаев получилось 0,96, но для расчетов гіерем 0,95.
Контакт боковой поверхности призматической сваи с грунтом проходит по плоской прямоугольной грани, поэтому коэффициент учитывакнций форму поперечного сечения сваи Кф равен единице /"31 У. Это положение доказано нами экспериментально /"42,65 у\
Учет влияния формы поперечного сечения при определении сопротивления сваи оползневому давлению
При расчете сопротивления цилиндрической сваи сопротивление призматической сваи следует умножить на коэффициент, учитывающий г?орму поперечного сечения сваи Кф t устанавливаемый по опытным данным как отношение сопротивления цилиндрических свай к сопротивлению призматических где Won и Von - сопротивления соответственно цилиндрических и призматических свай боковому смещению грунтов, полученные опытным путем.
Как видно из табл.2,4 K t = 0,8, т.е. практически К =-Аналогичное значение Кф для круглого фундамента принимают во Франции [ 47 ]щ В СССР Кф считают равным 0,9. Определить можно как экспериментально, так и теоретически в предположении, что грунт вокруг сваи работает как упругое основание Фусса--Винклера / 31 У.
Если бы мы имели призматическую сваю с квадратным, поперечным сечением и со стороной» равной диаметру цилиндрической сваи, т.е. &= { » где Ь - ширина призматической сваи и А -диаметр цилиндрической сваи, то получили бы грунтовую призму с криволинейной поверхностью смещения (рис.2.4).
Большой интерес представляет общий характер развития деформаций, вызванных сопротивлением свай боковому смешению грунтов. С целью объяснения явлений, происходящих в грунтах в период нарушенного состояния, на экспериментальной установке, были проведены специальные опыты (рис.2.5-2.12)с одной и двумя сваями.
Для наглядного представления о характере распространения деформаций поперек бездонного лотка, т.е. перпендикулярно направлению сдвига, после заполнения его грунтом через каждые 5 см были нанесены прямые линии из окрашенного грунта (рис.2 5). Грунт был представлен кварцевым песком в воздуно-сухом состоянии с объемной массой f -17,1 кН/м , углом внутреннего трения Ч = 3630 и удельной силой сцепления С = О и глинистым грунтом с объемной массой = 17,2 кН/м3, углом внутреннего трения Ц = 22, удельной силой сцепления С = 0,008 МПа и влажностью W 17$. На рисунках 2.5, 2.7 и 2.II показана опытная установка с одной и двумя сваями до приложения сдвигающего усилия, на рис.2.6; 2.8-2.10 - после сдвига песчаного грунта, а на рис.2,12 - после сдвига глинистого грунта-Деформации в грунтах, четко прослеживаемые на рис.2.6, 2.8-2.10, 2Л2 дают ясное представление о характере распространения напряжений в грунтах, вызванных их сопротивлением боковому давлению.
В результате перемещения грунтов по отношению к сваям прямые линии, нанесенные краской, искривились. Максимальная кривизна наблюдается у самой сваи и уменьшается постепенно по мере удаления от нее по направлению сдвижки и на некотором расстоянии от сваи сводится к нулю. Установлено, что с момента приложения сдвигающей силы к подвижному бездонному лотку грунт за сваями начинал давать осадки, тогда как процесс его выпирания перед сваями начинался значительно позже.
Расчетная модель для установления сопротивления сваи боковому смещению грунтов
Вначале исследуем работу сваи призматической формы с прямоугольным поперечным сечением. При этом грунт рассматриваем как идеально-сыпучее тело, следовательно, силами сцепления грунтов пренебрегаем и принимаем во внимание только силы трения, что, конечно, несколько увеличивает запас прочности.
Грунтовый массив, надвигаясь на сваю, создает эа ней напряженную зону грунтов. При наступлений фазы разрушения в непосредственной близости от задней грани сваи со стороны оползневого давления образовывается неподвижное грунтовое тело, ограниченное поверхностью сдвига грунтов. Криволинейную в общем случае форму поверхности этого грунтового тела (рис.3.4,а) для упрощения расчетов заменяем прямолинейной (рис.3.4,б). Таким образом, за сваей получается неподвижная треугольная грунтовая призма с высотой, соответствующей мощности оползневого массива, и поперечным сечением ABC формы клина (см.рис.3.4,б).
Как было сказано, весь расчет сводится к определению сопротивления свай боковому смещению грунтов. Существующие теории имеют ряд недостатков, не учитывают все многообразие условий работы сваи, поэтому полученные на их основе решения дают грубое приближение к действительности. Установление силы сопротивления сваи боковому смещению грунтов позволяет использовать их как надежные противооползневые мероприятия. Без разработки этой задачи проблема передачи на сваи бокового давления грунтов, которая имеет столь важное значение в технике, не может быть конкретно решена. Проф.Д.И.Кереселидзе выведена расчетная формула для определения силы сопротивления призматической сваи боковому смещению грунтов. При грунтах, не обладающих сцеплением, это решение имеет следующий вид: W = ҐН5Ап , сз.з) где An = igHWV , т.е.кп= f(4 ) ; Ь - размер рабочей стороны сваи; $ - объемная масса грунта; Н - высота,равная толщине оползневого массива. Как и у других исследователей / 14,57,61,67,90,95,110 и др„ У, у Д.И.Кереселидзе значение сопротивления сваи боковому смещению грунтов графически выражается треугольной эпюрой. Таким образом, сила оползневого давления будет приложена к 1/3 толщины оползневого массива, считая от поверхности смещения оползня.
Имеются также попытки учитывать пластические деформации грунтов при определении сопротивления свай оползневому давлению fill J\ однако полученные решения не подтверждены экспериментально .
Вывод расчетных формул для призматических и цилиндрических свай Для определения общего сопротивления боковому смещению грунтов необходимо найти удельное давление на поверхность сваи, которое отвечало бы условиям разрушения грунтов. Назовем это давление критическим напряжением грунта- Решение этого вопроса применительно к работе грунтов в основаниях ленточных фундаментов дано в работах / 5,11,12,54,73 и др. У. Однако мы остановимся на наиболее характерном решении, применяемом в практических расчетах.
Как уже было отмечено ранее, для простоты изложения представим себе, что грунтовый массив, окружающий тело сваи, находится в состоянии покоя. Свая же с грунтовой призмой ABC по своей высоте от плоскости смещения оползня до дневной поверхности земли под давлением передвигается против действительного направления движения оползня, оказывая тем самым давление на грунты (см.рис.3.6.).
Как видно из рис.3,6.б сила V по абсолютному значению равна равнодействующей всех сил» действующих на грунтовую призму и на свал, т.е. силе сопротивления сваи смещению грунтов. По решению Прандтля для определения предельной несущей способности ленточного фундамента принят угол при вершине клина равным 90 - р , Следовательно грани клина к горизонтальной поверхности составляют угол равный 45 + /2 [ 87 У. Исходя из такой расчетной схемы, выведена формула для определения силы сопротивления призматической сваи боковому смещению грунтов.
Определение расстояния между отдельными рядами свай
Максимальное значение горизонтальной составляющей оползневого давления, которое может быть передано данному ряду свай, определится из условия: Роп4 n Wr (4.4) где Роп- горизонтальная составляющая оползневого давления (с учетом фильтрационного давления я сейсмических сил), приходящаяся на один ряд свай; ц( количество свай в данном ряду; WT - сопротивление сваи боковому смещению оползающих масс. При нарушении этого условия свайный ряд не может служить противооползневым мероприятием, так как возможно либо обтекание грунта, либо наполэаняе части оползневого склона, расположенного выше (по склону) от свайного ряда. Исходя из этого, в зависимости от общего оползневого давления сваи могут быть расположены по склону в один, в два или в несколько рядов.
В целях придания свае большей устойчивости при выборе места расположения свайных рядов нужно стремиться к тому, чтобы часть склона, расположенная ниже свайного ряда, была устойчивой, и рассчитать местонахождение такого сечения поперек оползневого массива. Ниже этого сечения сдвигающие силы (с учетом коэффициента устойчивости) будут примерно равны удерживающим, а выше по склону останутся больше их.
Здесь еще раз подчеркнем, что в качестве противооползневого мероприятия сваи можно использовать только лишь в тех случаях, когда поверхность смещения оползающего грунта определена расчетом или ке обусловлена геологическим строением склона.
Место расположения рядов свай устанавливается в следующем порядке. Весь оползневой склон по глубине разбивается вертикальными плоскостями на Я отсеков и оценивается устойчивость каждого отсека. Вначале ищется то место, где сдвигающие силы поперек оползневого массива (с учетом коэффициента устойчивости) будут равны удерживающим. Это место можно называть условно "нулевым поперечным сечением" склона.
Иначе говоря, нулевое поперечное сечение отделяет от всего склона ту его часть, которая будучи свободной от воздействия остальной части {неустойчивой) является устойчивой.
Так как расчет свайного ряда производится для каждого отсека (в нашем случае для трех отсеков, см.рис.ІЛ) в отдельности, положение нулевого поперечного сечения, по которому располагается свайный ряд, также должно определяться для каждого неустойчивого отсека в отдельности
Если при этом окажется, что начиная снизу вверх а отсеков дают устойчивую часть склона и дальнейшее увеличение числа отсеков нарушает условие его устойчивости» положение первого ряда свай при использовании метода "горизонтальных сил" определится условием: а оползневое давление, которое при этом должно быть передано свайному ряду - формулой
Если значение полученной горизонтальной силы не превышает сопротивления свай, расположенных в одном ряду, то один ряд окажется достаточным для удержания оползневых масс, В против-ном случае отсекается следующий участок склона, который с учетом сопротивляемости первого ряда сдвигу грунтов является устойчивым, и далее намечается место расположения второго ряда свай и т.д.
Этот вопрос сводится к определению необходимой глубины погружения сваи в основание оползня, т.е. к расчету свай на горизонтальную нагрузку по условиям ее устойчивости. Следует отметить, что разработать правильные методы расчета свай на горизонтальную нагрузку весьма важно не только для разрешения данной конкретной задачи, но и в ряде других технических задач, связанных с устройством различных инженерных сооружений.
Исследованиям этого вопроса посвяшены работы В.Г.Березан-дева, А.И.Билеуша, Л.К.Гинзбурга, Г.И.Глушкова, В.Н.Голубкэва, С.П.Горбатова, Л.В.Грицюка, Л.Е.Джиоева, В.Н.Жемочкина, К.С. Завриева, Д.И.Кереселидзе, Н.В.Лалетина, Н.С.Метелюка, В.С.Миронова, И.П.Прокофьева, А.И.Прудентова, И.А.Симвулидя, Н.К. Снитко, Г.ФшШишко, Г.С.Шпиро и др. Применяемые методы недостаточно отражают действительную картину совместной работы свай и грунтов, результаты расходятся с данными практики, что затрудняет их применение в практических расчетах.
Как было отмечено ранее, нами рассматриваются короткие сваи как жесткие стержни, рассчитываемые как на устойчивость, так и прочность материалов. Расчетная схема жесткой сваи подразумевает, что она погружена в грунте на определенную глубину» к свободной части приложена сосредоточенная сила, которая пытается повернуть ее отно - 77 сительно точки 0, в результате чего свая может принять новое положение Сна рис.5.1,а оно отмечено пунктиром). Ввиду того, что жесткость сваи неизмеримо больше жесткости грунта, такое предположение вполне соответствует физике явлений.
