Введение к работе
Актуальность проблемы. Остро ощущаемый в настоящее время дефицит территорий особенно в зонах городской застройки приводит к жучениости строительства, повышенно этажности зданий и сооружений, текущие за собой увеличение расчетных нагрузок на основания, и іспользованию в качестве строительных площадок территорий, мало тритодных для этих целей' техногенных и естественных откосов и склонов, тасыпей и выемок, оползнеопасных и заовраженных участков земной поверхности. Это обстоятельство обуславливает необходимость инженерного )беспечения устойчивости грунтовых массивов сложного рельефа посне юзведения на них инженерных сооружений, что является составной частью "лобальной экологической проблемы охраны окружающей среды.
Материалы анкеты, проведенной ЮНЕСКО, говорят о том, что годовой /щерб, наносимый процессами, связанными с разрушением грунтовых .гассивов сложного рельефа, составляет в США более 1 млрд. долларов, в Италии- более 140 млн, а в очень маленькой стране Ямайка- более 2 млн юяларов. Следовательно, разработка теоретических основ расчета іапряженного состояния, несущей способности оснований сооружений, юзводимых на геометрически сложном основании, и устойчивости грунтовых массивов сложного рельефа является одной из актуальных проблем ;троительной науки.
Актуальность работы определяется непосредственной связью темы дїссєртации с: научно-исследовательской темой «Разработка методов эещения задач деформирования сред с усложненной структурой грунтов, -орных парод, включая задачи механики отвальных процессов» № гос. зегистрации 01860019543, выполнявшейся в ВолгГАСА в 198б-90г.г., Межвузовской научно-технической программой «Архитектура и строительство» Государственного комитета по высшему образованиго - тема 5.0301 «Надежность систем «сооружение - основание» в сложных грунтовых условиях», тематическими планами Пермского государственного технического университета и Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии
Цель работы - теоретическое обоснование и практическое решение троблемы расчета устойчивости сооружений, возводимых на участках земной товерхности сложного рельефа, и несущей способности оснований на основе шализа напряженного состояния грунтового массива в рамках смешанной вдачи теории упругости и теории пластичности грунтов.
Основная идея исследования заключается в том, что для решения троблемы используются закономерности изменения напряженного состояния грунтового массива при росте интенсивности внешней нагрузки, лштывающие процесс образования и развития областей пластических деформаций
Для достижения цели исследования были решены следующие задачи:
определение напряженного состояния весомой однородной и изотропной
упругой полуплоскости с криволинейным очертанием границы, к которой
приложены сосредоточенные силы и распределенные нагрузки;
И определение напряжений в грунтовом массиве при условии зарождения и развития областей пластических деформаций, отыскание местоположения и формы последних;
развитие известного метода построения наиболее вероятной поверхности разрушения (выпора) применительно к условиям рассматриваемой в настоящей работе проблемы;
оценка влияния различных факторов-на величину несущей способности оснований,
и разработка инженерного метода расчета несущей способности наклонного основания, включакщего удобные для применения графики и формулы,
разработка методик определения и инженерных методов расчета величины
оползневого давления и устойчивости откосов, укрепленных свайными
противооползневыми конструкциями, при условии работы последних на
срез;
и проверка результатов исследования: сопоставление их с результатами моделирования и наблюдения за поведением реальных объектов, сравнение численных значений расчетных величин, полученных в работе и другими авторами.
При решении задач, поставленных в диссертационной работе,
использованы методы:
в линейной теории упругости (методы теории функций комплексного переменного и метод конечных элементов) для определения напряженного состояния оснований сооружений и грунтовых массивов сложного рельефа;
теории пластичности - для; определения напряженного состояния оснований сооружений при условии зарождения и развития зон предельного состояния грунта, а также местоположения и формы последних;
линейной теории ползучести - для обоснования возможности прогнозирования изменения несущей способности оснований сооружений и устойчивости грунтовых массивов сложного рельефа во времени;
графоаналитический - при разработке излагаемых в диссертации инженерных методов;
экспериментальный, включающий моделирование процесса разрушения оснований на моделях из эквивалентных материалов ( в том числе и проведенное другими авторами ), и натурные наблюдения - для проверки результатов теоретических исследований.
Автор защшдает следующие научные положения : І.Если интенсивность внешнего воздействия на однородное основание сооружения невелика и в грунтовом массиве отсутствуют области
предельного состояния грунта или их развитие незначительно, то напряжения в таких объектах могут быть определены аналитическим решением задач линейной теории упругости, полученным автором для весомой однородной и изотропной полубесконечной односвязной области с криволинейной границей. В том случае, когда разработанная отображающая функция не позволяет совершить конформное отображение нижней полуплоскости ImZ<0 на исследуемую область (например, профиль основания заглубленного фундамента, расположенного на откосе) или в случае неоднородного грунтового массива, НДС последнего определяется методом конечных элементов с предварительной отработкой граничных условий, накладываемых на расчетную схему, на основе упомянутого выше решения.
2. Учет собственного веса грунта при определении напряжений в стадии упругой работы основания показывает, что напряжения от внешних нагрузок в весомых областях при удалении от места приложения последних затухают гораздо интенсивнее, чем в невесомых областях. Величина коэффициента бокового давлеїшя , существенно влияет на напряженное состояние грунтовых массивов как свободных от внешних нагрузок, так и находящихся под действием сосредоточенных и распределенных сил. Хотя численные значения напряжений в точках наиболее вероятной поверхности разрушения меняются при изменении ,, но эти изменения таковы, что величина коэффициента устойчивости наклонного основания при всех прочих равных условиях остается практически постоянной (разница составляет максимум 12-15%)
S. Развитие областей пластических деформаций (ОПД), связанное с увеличением суммарного вектора внешних нагрузок, влечет за собой существенное перераспределение напряжений в грунтовом массиве. Вдоль участка наиболее вероятной поверхности разрушения (НВПР), попавшего во внутрь ОПД, это перераспределение таково, что в каждой его точке удерживающие и сдвигающие силы становятся одинаковыми по величине, а коэффициент устойчивости Кт=1 (3.47) ввиду строгого выполнения в областях предельного состояния грунта условия пластичности. Величина глобального коэффициента устойчивости основания К при определении его несущей способности в условиях упруго пластической задачи должна вычисляться с учетом этого фактора (3.48) и быть К>1 (равенство К=1 соответствует такой стадии развития области пластических деформаций, что наиболее вероятная поверхность разрушения целиком находится внутри нее). Положение и форма области пластических деформаций могут быть определены из условия непрерывности поля напряжений: нормальные и касательные к границе напряжения в каждой ее точке должны быть одинаковыми по обеим ее сторонам. (3.13).
. Величина оползневого давления определяется на основе анализа распределения удерживающих и сдвигающих сил не только вдоль наиболее
вероятной поверхности разрушения, но и вдоль т.н. восходящих локальных поверхностей скольжения при условии, что все соответствующие коэффициенты устойчивости равны его проектному значению т.е. призма возможного обрушения рассматривается как единое целое, ее расслоение недопустимо. 5. Повышение устойчивости грунтовых массивов сложного рельефа, укрепленных свайными противооползневыми ' удерживающими конструкциями, в том случае, когда элементы последних работают на срез (прочностные свойства грунтов сопоставимы со свойствами материала свай), происходит за счет увеличения удерживающих сил, действующих вдоль наиболее вероятной поверхности разрушения (НВПР). Это увеличение численно равно максимальному перерезывающему усилию, которое может быть воспринято удерживающими элементом по сечению, совпадающему с НВПР, и не зависит от положения противооползневой удерживающей конструкции на грунтовом массиве На защиту также выносятся:
функция, совершающая конформное отображение нижней полуплоскости ImZ<0 на односвязные области с криволинейной границей,
способ построения наиболее вероятной поверхности разрушения (выпбра) при условии зарождения и развития областей предельного состояния грунта;
И инженерный метод определения несущей способности наклонного
основания в условиях смешанной задачи; О методика определения и инженерный способ расчета величины
оползневого давления, содержащий удобные для применения формулы и
графики; в инженерный і способ расчета параметров свайных элементов
противооползневых удерживающих конструкций,
программы для ПЭВМ, позволяющие определять напряженное состояние
грунтового массива сложного рельефа при упругом и упругопластическом
распределении напряжений, положение и форму областей предельного
состояния грунта, проводить построение поверхности выпора грунта и
отыскивать величину несущей способности наклонного основания.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обоснованы:
теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных положениях теории упругости, пластичности, линейной теории наследственной ползучести, механики грунтов и инженерной геологии;
исследованиями, связанными с оценкой точности полученных результатов: предложенная отображающая функция является наиболее общей по отношению к некоторым известным, а аналитическое решение первой основной задачи теории упругости - прямым обобщением соответствующих решений; при определении напряжений в весомой
односвязной области со свободной от внешних нагрузок криволинейной
границей вычисление интегралов J і и J2 (2 14), определяющих
«снимаемую» нагрузку, осуществлялось при таким образом подобранных
шаге и пределе численного интегрирования, что изменение последних в два
раза соответственно в сторону уменьшения и расширения практически не
оказывает влияния на значения J і и J2 (разница составляет не более 1,5-
2%), а значит и на значения напряжений; на границе упругой и
пластической области строго выполняются уравнения равновесия и
условия непрерывности поля напряжений.
высокой степенью точности совпадения численных значений напряжений в
весомых односвязных областях, найденных на основе приведенного в
диссертации решения, и вычисленных для соответствующих областей на
основе известного решения,
Н удовлетворительной сходимостью результатов теоретических
исследований с результатами натурных наблюдений и экспериментов, которые проведены независимо от нас другими авторами' значения предельно допустимых нагрузок для моделей геометрически сложных оснований, рассчитанные на основе предлагаемого метода, отличаются от соответствующих значений, полученных экспериментально (X Мостахо, 1983), не более чем на 9,7%, несущая способность реально существовавшего геометрически сложного основания определена в 2,5 раза меньшей, чем фактически передаваемая на него нагрузка, что соответствует факту разрушения (Г. Мочак, 1964), величина несущей способности основания подстанции «Агидель», рациональные профили автодороги Саратов-Волгоград и силы оползневого давления на свайные удерживающие конструкции (Березняковский калийный комбинат, Пермская область, Южный водозабор, г. Волгоград) определены с достаточной степенью точности, что подтверждается безаварийной эксплуатацией соответствующих объектов.
Научная новизна. В диссертации определена функция, которая совершает конформное отображение нижней полуплоскости ImZ<0 на односвязные области, имеющие широкий спектр криволинейных границ. Отображающая функция (2.1) является наиболее .общей по отношению к некоторым известным, а полученное решение - прямым обобщением соответствующих решений.
В диссертационной работе излагается метод определения несущей способности оснований сооружений, в котором, в отличии от известных, сделана попытка учесть, геометрию основания, заглубяенность фундамента (без применения схемы бесконечных боковой пригрузки), собственный вес грунта и природные значения его коэффициента бокового давления; положение и форма наиболее вероятной поверхности выпора (разрушения) грунта не принимаются заранее известными, а определяются как функщш ,, физико-механических свойств грунта, напряженного состояния грунтового
массива, с учетом процесса зарождения и развития областей предельного
состояния грунта при обязательном выполнении в каждой точке поверхности
разрушения условия минимальности коэффициента остаточного
сопротивления грунта сдвигу/ Положение и форма областей пластических
деформаций отыскивается исходя из условия непрерывности > полей
напряжений на их границе и строгом выполнением в каждой точке последней
уравнений равновесия. ' . :,
Разработаны методика и инженерный1 метод определения величины оползневого давления на элементы удерживающих и подпорных сооружений, которые в отличии ог известных учитывают три компоненты" полного напряжения в каждой точке грунтового массива, весь диапазон природных значений коэффициента бокового давления грунта и могут быть реализованы для грунтовых массивов сложной геометрии, чье напряженное состояние определяется при помощи излагаемого в диссертации решения Величина оползневого (активного) давления и форма соответствующей эпюры отыскивается на основе анализа распределения удерживающих и сдвигающих сил не только вдоль наиболее вероятной поверхности разрушения, как это делается в существующих метода расчета, но и вдоль так называемых гипотетических локальных восходящих поверхностей разрушения, построенных внутри призмы возможного скольжения
Повышение устойчивости грунтовых массивов, закрепленных одно- или
многорядными свайными ' противооползневым удерживающими
конструкциями, в случае работы элементов последних на срез происходит за счет возникновения дополнительных удерживающих сил на тех участках наиболее вероятной поверхности разрушения, которые пересекают элементы удерживающих конструкций Это силы равны суммарному перерезывающему усилию, которое может быть воспринято удерживающими элементами, и практически не зависят от положения удерживающей конструкции на грунтовом массиве.
Личный вклад автора заключается в теоретическом обобщении, обосновании, постановке и практическом решении актуальной проблемы расчета напряженного состояния, несущей способности оснований и устойчивости грунтовых массивов сложного рельефа и всех рассмотренных в работе задач. В разработке методов и методик: определения функции, совершающей конформное отображение нижней полуплоскости ImZ<0 на односвязные области с криволинейной границей; вычисления напряжений в грунтовом массиве в упругой стадии его' работы; определения положения и формы областей предельного состояния грунта; развитие известного метода построения наиболее вероятной поверхности разрушения и определения коэффициента устойчивости применительно к условиям рассматриваемой проблемы; определения величины оползневого давления и устойчивости закрепленных грунтовых массивов.
Практическая ценность работы заключается в возможности применения результатов исследований для: -
И определения несущей способности наклонного основания и основания
заглубленного фундамента на основе анализа напряженного состояния
грунтового массива и учета других факторов '(зарождения и развития
областей предельного состояния грунта, коэффициентов бокового давления
и сцепления, углов внутреннего трения, объемного веса грунта, отношения
ширины фундамента к глубине его заложения, геометрии основания и
интенсивности внешних воздействий);
вычисления сил оползневого (активного) давления грунта на
удерживающие элементы противооползневых конструкций и подпорные
сооружения;
в расчета устойчивости откосов, склонов и других грунтовых массивов
сложной геометрии, укрепленными одно- и многорядными свайными
противооползневыми удерживающими конструкциями (СПУК) при
условии, что элементы последних работают на срез;
в конструирования элементов СПУК и определение их оптимальных
параметров, Н прогнозирования длительной устойчивости оснований сооружений и грунтовых массивов сложного рельефа, включающее определение оползневых смещений, видоизменяющихся положения и формы поверхности разрушения и профиля грунтового массива.
Реализация работы. Результаты исследований и рекомендации диссертации были использованы: управлением берегоукрепительных и противооползневых работа администрации г Волгограда при строительстве подпорных сооружений на берегу реки Волга (расчет сил оползневого давления грунта, расчет удерживающих конструкций, определение несущей способности оснований удерживающих сооружений в районе Южного водозабора), Государственным предприятием «Волгоградавтодор» при проектировании и строительстве автодороги Саратов-Волгоград (определение оптимальных параметров насыпей и профилей дорожного полотна); Пермьоблагропромом при разработке мероприятии по стабилизации оползневых явлений на Егошихинском косогоре (г.Пермь); акционерным обществом открытого типа (институтом) «Волгоградэнергосельхозпроект» на стадии рабочего проекта при проектировании подстанции «Агиделъ» и др Ожидаемый экономический эффект составит 1,2 млрд. рублей.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и опубликованы в трудах: I (Пермь, 1988 г.), II (Одесса, 1990г.), III (Минск, 1992 г.), ГУ (Саратов, 1994 г), V (Тюмень, 1996 г.) Международных конференций по проблемам свайного фундаментостроения и фундаментов глубокого заложения, Российской конференции с иностранным участием по механике грунтов и фундаментостроению (Санкт-Петербург, 1995 г.), Международного симпозиума «Экология, жизнь, здоровье» ( Волгоград, ] 996
г.), 'Международной конференции «Энергосберегающие технологии; альтернативная энергетика и проблемы экологии» (Турция, Кемер,199б г.), Международной научно-практической конференции «Комплексные проблемы строительной экологии и охраны окружающей природной среды» (Турция, 1996 г.), Всесоюзного совещания «Долговечность железобетонных сооружений в агрессивных средах» (Волгоград, 1987 г.), областной конференции молодых ученных (Волгоград, 1988 г.), областной научно-пракгической конференции «Проблемы перехода Волгоградской области к устойчивому развитию». (Волгоград, 1996 г.), научно-технической конференции, посвященной 40-летию ВолгИСИ (Волгоград, 1992 г.), научно-технических конференциях Пермского государственного технического университета и Волгоградской государственной архитектурно-строительной' академии (1987-1996 г.г.). Диссертационная работа или отдельные ее разделы обсуждались на заседаниях: кафедр «Основания, фундаменты и мосты» Пермского государственного технического университета - и «Строительные конструкции, основания и надежность сооружений» Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии; научно-технических советов Волгоградского филиала АООТ «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений» (бывший НИС «Гидропроекта» им. С.Я. Жука), АООТ (института) «Волгоградэнергосельхозпроект», Волгоградского треста инженерно-строительных изысканий, ГП «Волгоградавтодор», в Управлении берегоукрепительных и противооползневых работ мэрии г.Волгограда, на заседаниях-научно-технического Совета при администрации г.Волгограда.
Публикации. Основные положения диссертации достаточно полно изложены в 44 статьях и монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и приложений, изложенных на 360 страницах, содержит 114 рисунков, б таблиц.и список литературы из 201 наименования.