Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Использование свайных конструкций для инженерной защиты оползнеопасных территорий 10
Глава 2. Работа свайного сооружения, расположенного перпендикулярно движению оползня 28
2.1 Методика исследования взаимодействия свайного однорядного сооружения с глинистым грунтом и расчетная модель 32
2.2 Исследование формирования зон пластических деформаций глинистых грунтов под действием оползневой нагрузки
2.2.1 Грунт №1 39
2.2.2 Грунт №2 49
2.2.3 Грунт №3
2.3 Исследование развития областей пластических деформаций при изменении конфигурации свайного ряда 64
2.4 Определение предельного давления на сваи при «обтекании» грунтом 71
2.5 Выявление зависимостей давления «обтекания» от прочностных характеристик глинистого грунта 74
Заключение к главе 2 82
ГЛАВА 3. Анализ напряженно-деформированного состояния глинистых грунтов при обтекании сооружения, расположенного «клином» относительно движения оползня 84
3.1 Расчетная модель и методика исследования взаимодействия глинистого грунта с сооружением, расположенным «клином» относительно движения оползня 84
3.2 Влияние конфигурации свайного ряда, расположенного «клином», на формирование областей пластических деформаций 86
3.3 Влияние конфигурации сооружения на распределение давления на каждую сваю (из трех) в ряду 92
Заключение к главе 3 99
ГЛАВА 4. Разработка методики по расчету и проектированию защитных сооружений. внедрение в практику строительства 100
4.1 Аппроксимация зависимостей критического оползневого давления и предельного шага свай 101
4.2 Сопоставление результатов исследований с известными данными 107
4.3 Предлагаемая методика расчета фундаментов свайных противооползневых защитных сооружений, «обтекаемых» оползневыми массами 113
4.3.1 Общие рекомендации проектирования фундаментов свайных противооползневых защитных сооружений 114
4.3.1 Рекомендации по определению местоположения фундамента «обтекаемого» защитного сооружения на свайном основании на оползневых склонах 116
4.3.2 Определение количества расчетных сечений и состава расчетов «обтекаемого» свайного сооружения 117
4.3.3 Рекомендации по расчету фундамента «обтекаемого» защитного сооружения на свайном основании на оползневых склонах 119
4.3.4 Определение давления «обтекания» грунта на сооружение 121
4.4 Внедрение предлагаемой методики для проектирования свайных защитных сооружений 121
Заключение 135
Список литературы
- Исследование формирования зон пластических деформаций глинистых грунтов под действием оползневой нагрузки
- Влияние конфигурации свайного ряда, расположенного «клином», на формирование областей пластических деформаций
- Влияние конфигурации сооружения на распределение давления на каждую сваю (из трех) в ряду
- Общие рекомендации проектирования фундаментов свайных противооползневых защитных сооружений
Введение к работе
Актуальность темы исследований. В связи с расширением и увеличением транспортной инфраструктуры Краснодарского края, в процессе строительства олимпийских объектов в городе Сочи, появилась необходимость строительства автомобильных дорог в эстакадном варианте в труднодоступных районах в сложных инженерно-геологических условиях. В диссертационной работе рассматривается защита локальных объектов, устроенных на оползневых склонах, сложенных глинистыми грунтами, в частности, обеспечение безопасности строительства транспортных опор эстакад.
Степень разработанности темы исследования. Проблемам инженерной защиты объектов от оползней посвящены труды зарубежных и отечественных ученых: А. И. Билеуша, А. П. Богомолова, А. К. Бугрова,
B. Н. Бухарцева, Л. К. Гинзбурга, А. Л. Гольдина, М. П. Гольдштейна,
А. Л. Готмана, Э. М. Доброва, В. Д. Казарновского, Э. В. Калинина,
А. М. Караулова, Н. П. Маслова, С. И. Мация, Г. Д. Педри, Г. П. Постоева,
C. В. Сольского, 3. Г. Тер-Мартиросяна, В. Г. Федоровского, К. Ш. Шадунца,
Г. М. Шахунянца, К. Виджиани, Т. Адаши, М. Кимуры, Т. Ито, Т. Мапуи,
Р. Хеннеса, X. Г. Паулоса и т. д.
Существующие методики и нормативные источники дают рекомендации по проектированию и строительству сооружений, перекрывающих весь оползневой массив и воспринимающих полное оползневое давление от смещающихся грунтов. Однако, при большой площади оползневого тела на склоне устройство таких конструкций приводит к значительным затратам. Альтернативным решением данной проблемы является устройство локальных «обтекаемых» защитных сооружений на свайном основании перенаправляющих движение смещающихся грунтов.
Цель работы - оптимизация методики расчета и конструирования «обтекаемых» свайных сооружений, расположенных на оползневых склонах, сложенных глинистыми грунтами на основе решения задачи совместной работы грунтового смещающегося массива с конструкцией, а также внедрение предлагаемой методики в практику строительства опор эстакад.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
- выявить динамику изменения напряженно-деформированного состояния
(НДС) оползневых грунтов околосвайного пространства сооружения при
различных нагрузках до развития процесса «обтекания» конструкции с
учетом непродавливания грунта в межсвайное пространство при устрой
стве точечной защиты опор эстакад;
-установить характер и степень влияния конфигурации однорядного «обтекаемого» защитного сооружения от физико-механических свойств оползневых грунтов на их НДС;
- выявить закономерности изменения давления «обтекания» грунта, рас
пределения давлений между сваями, а так же продавливания грунта в
межсвайное пространство в зависимости от конфигурации фундамента
свайного сооружения и свойств грунтов; -рационализировать существующие методики расчета «обтекаемых» свайных конструкций противооползневых сооружений, предназначенных для точечной защиты опор эстакад;
- разработать рекомендации по рациональному проектированию одноряд
ных «обтекаемых» свайных защитных сооружений.
Методы исследований:
математическое моделирование взаимодействия грунтов со сваями выполнено методом конечных элементов на основе упруго-пластической модели с использованием программного комплекса Plaxis;
аппроксимация полученных графических зависимостей критического давления на сваи и их шага;
- сопоставление полученных результатов расчета НДС грунтов с данными
известных теоретических и экспериментальных исследований.
Достоверность результатов подтверждена применением широко из
вестных современных геотехнических программных комплексов, сопоставле
нием полученных численных результатов с данными известных аналитиче
ских и экспериментальных исследований, а также практикой применения
предложенной методики при проектировании реальных защитных сооруже
ний, возведенных на ряде ответственных объектов в Краснодарском крае.
Научная новизна заключается в следующем:
- получены новые данные о НДС оползневых грунтов околосвайного про
странства свайного фундамента защитного сооружения при различных
нагрузках до развития процесса «обтекания»;
-установлены предельные расстояния между сваями в ряду, обеспечивающими локальную защиту объектов, в зависимости от прочностных свойств оползневых грунтов;
получены зависимости предельного давления «обтекания» грунта и распределения давлений между свайными элементами от конфигурации фундамента защитного сооружения;
оптимизирована методика расчета фундамента защитных «обтекаемых» сооружений с учетом взаимодействия свай с грунтом;
разработаны и внедрены в практику строительства рациональные конструкций по инженерной защите опор эстакад от воздействия оползневых процессов.
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения согласно:
п. 4 «Разработка новых методов расчета, конструирования и устройства фундаментов на естественном основании, глубокого заложения и свайных фундаментов с учетом взаимодействия их с надфундаментными конструкциями, фундаментами близрасположенных зданий и сооружений и конструкциями подземных сооружений»;
п. 5 «Разработка новых методов расчета, высокоэффективных конструк-
ций и способов устройства оснований и фундаментов в особых инженерно-геологических условиях: на слабых, насыпных, просадочных, засоленных, набухающих, закарстованных, вечномерзлых, пучинистых и других грунтах»; -п. 12 «Разработка научных основ, методов и конструктивных решений защиты территорий, а также конструктивных решений оснований и фундаментов, реализующих функцию защиты зданий и сооружений от опасных природных и техногенных воздействий».
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанная методика расчета фундаментов «обтекаемых» свайных сооружений позволяет обоснованно и в кратчайшие сроки определить рациональную конфигурацию конструкции.
Реализация результатов исследований подтверждена тремя актами о внедрении и осуществлена при проектировании инженерной защиты транспортных опор эстакад на объектах «Дублера Курортного проспекта» в городе Сочи:
-1 очередь строительства от р. Агура до ул. Земляничной;
II очередь строительства от ул. Земляничной до р. Сочи;
II очередь строительства от ул. Раздольной до р. Сочи.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на конференциях инженерно-строительного факультета Кубанского государственного аграрного университета (Краснодар, 2010-2011); Международной конференции по геотехнике (Волгоград, 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» (Новочеркасск, 2012); Научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути»: чтения, посвященные 109-летию профессора Г. М. Шахунянца (Москва, 2013); Научно-практической конференции по теме «Оценка риска и проблемы безопасности в строительном комплексе» (Баку, 2013); IAEG XII Congress Engineering Geology for Society and Territory (Torino, Italy, 2015); а также была заслушана в АО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева» (Санкт-Петербург, 2016).
Публикации. По теме исследования опубликовано 24 научные работы, включая 5 публикаций в 4-х изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Диссертант является одним из соавторов отраслевых дорожных документов ОДМ 218.2.050-2015 «Методические рекомендации по расчету и проектированию свайных противооползневых сооружений инженерной защиты автомобильных дорог» и ОДМ 218.2.033-2013 «Методические рекомендации по выполнению инженерно-геологических изысканий на оползневых склонах и откосах автомобильных дорог».
Личный вклад автора состоит:
- в получении новых данных о НДС грунтов околосвайного пространства
фундамента свайного сооружения при различных оползневых нагрузках
при «обтекании» конструкции грунтом;
в выявлении зависимости критического давления грунта до пластического разрушения на сооружение от его расположения (линейное или двухгранное, расположенное «клином») на склоне и свойств грунтов;
в определении предельных расстояний между сваями в ряду, в зависимости от свойств грунтов;
в разработке и апробации методики по определению конфигурации однорядного «обтекаемого» сооружения.
На защиту выносятся:
-
Решение задачи совместной работы грунта с защитным свайным соору-жением опор эстакад, расположенным в оползневых глинистых грунтах.
-
Формула определения давления «обтекания», действующего на защитное свайное сооружение локальных объектов.
-
Методика расчета «обтекаемых» свайных сооружений, расположенных на оползневых склонах, сложенных глинистыми грунтами.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка используемой литературы, из 65 наименований и 3 приложений. Общий объем работы 160 страниц, основного текста142 страницы, содержащего 113 иллюстраций и 5 таблиц.
Диссертационные исследования проведены на кафедре строительных ма-териалов и конструкций Кубанского государственного аграрного университета в период с 2009 по 2016 гг. под руководством доктора технических наук, про-фессора Мация Сергея Иосифовича, которому выражаю искреннюю благодарность. Автор очень признателен за помощь и ценные советы доктору геолого-минералогических наук, профессору кафедры строительных материалов и конструкций Безугловой Екатерине Вячеславовне.
Исследование формирования зон пластических деформаций глинистых грунтов под действием оползневой нагрузки
Изменение напряженного состояния может происходить в результате увеличения нагрузок на склон во время застройки, различного рода динамических воздействий, устройства насыпей и увеличения веса грунтов от увлажнения. Сдвигающие напряжения также возрастают в результате подрезки склона, при подмыве подножья водотоками, при устройстве выемок для заглубленных сооружений и строений, для создания берм при прокладке дорог и др.
Изменение свойств грунтов, которыми сложен склон, происходит под воздействием выветривания, увлажнения их поверхностными и подземными водами, под влиянием химическими веществами и микроорганизмами, при ударных и вибрационных нагрузках (например, при забивке свай). Как правило, нарушение устойчивости склонов происходит вследствие замачивания глинистых грунтов, в результате чего снижается их сопротивление сдвигу. Отдельно следует отметить такую причину катастрофических оползней, как землетрясения.
Деформации сдвига в склонах часто начинаются при малых скоростях и малых значениях касательных напряжений. Если в породах структурная прочность невелика, и не происходит существенной гидратации контактов, то скорости деформаций нарастают слабо, и оползневые массы увеличивают свою подвижность (вязкость в зоне сдвига мало изменяется). На таких склонах оползневые деформации возникают и развиваются в виде ползучести. При этом упрочнение структуры не происходит, и оползневой процесс завершается после продолжительного времени вследствие изменения конфигурации склона и более низкого расположения оползневых масс [5].
При подобных свойствах глинистых пород, расположенных в основании склонов, возникают явления глубинной ползучести. Во многих случаях, когда не создается предпосылок для изменения вязкости оползающих пород в зоне деформирования, оползневой процесс может развиваться в форме ползучести. Завершается такой процесс только в результате развития напряженного состояния склона после изменения его конфигурации или в случае устройства противооползневых мероприятий.
Для проектирования рациональных и эффективных мероприятий по стабилизации оползневых процессов и обеспечения устойчивости склона необходимо выполнить оценку его оползневой опасности. По классификации А. И. Билеуша [5] для оценки оползневой опасности все склоны разделены на устойчивые, оползневые и оползнеопасные: - устойчивыми называются склоны, которые на заданный период времени при известных возможных воздействиях не изменяют своего очертания; - оползневые склоны - это участки территорий, где происходят или происходили в недалеком прошлом оползневые деформации пород; - оползнеопасные склоны - это участки территорий, где оползневые деформации на момент обследования отсутствуют или отсутствовали в прошлом, но могут проявиться в последующем под воздействием естественных или техногенных факторов.
Проблемам развития оползневых подвижек и обеспечения устойчивости склонов и откосов посвящены труды зарубежных и отечественных ученых: А. А. Бартоломея, А. И. Билеуша, А. Н. Богомолова, Л. К. Гинзбурга, А. Л. Гетмана, Н. М. Гольдштейна, Э. М. Доброва, Ю. К. Зарецкого, Е. П. Емельяновой, Г. С. Золотарева, В. Д. Казарновского, Э. В. Калинина, А. М. Караулова, В. И. Клименко, В. С. Круподерова, Н. Н. Маслова, С. И. Мация, Г. Д. Недри, Л. П. Петровой-Ясюнас, Г. П. Постоева, Л. Р. Ставницера, А. Л. Строма, Ю. И. Соловьева, Г. И. Тер-Степаняна, 3. Г. Тер-Мартиросяна, В. Г. Федоровского, К. Ш. Шадунца, В. К. Цветкова, Г. М. Шахунянца, Д. М. Шапиро, М. А. Шубина, К. Виджиани, Т. Адаши, М. Кимуры, Т. Ито, Т. Мацуи, Р. Хеннеса, X. Г. Паулоса, В. П. Хонга, Т. Ямагами, Л. Т. Чена и многих других.
Определение запаса устойчивости склона или откоса производится с учетом ряда факторов. Поэтому выбор расчетной модели определяется типом оползневых смещений. Существует много классификаций оползней в зависимости от типа и скорости смещения, состояния грунта по влажности и других внешних признаков, например, приведенные в работах [5, 10, 23, 27, 54, 62]. Для выбора наиболее эффективных путей обеспечения нормативной устойчивости склонов часто применяется классификация, разработанная Н. Н. Масловым [23]. Он выделяет: вывалы и обвалы, вращением со срезом и обрушение, скольжение (соскальзывание), оплывы, покровные оползни, скол при просадке. Каждый из видов деформаций характеризуется скоростью смещения пород (от м/сут до м/с), определяющей ха-рактер необходимых защитных мероприятий (рис. 1.2).
На территории Черноморского побережья Кавказа одним из самых распространенных видов форм нарушения устойчивости являются оползни течения, ха-рактеризующиеся пластической консистенцией грунтов и небольшой глубиной до 7 метров (рис. 1.3). Причем, пластической консистенцией грунтов обладают, в основном, глинистые грунты. Кроме того, рассматриваемая территория подвержена сейсмическим воздействиям, которые могут привести к изменению физико-механических свойств грунтов.
Влияние конфигурации свайного ряда, расположенного «клином», на формирование областей пластических деформаций
Взаимодействию оползневого грунта с отдельными свайными элементами, а также со свайными рядами посвящено множество экспериментальных [5, 15, 23] и теоретических [9, 24, 35, 36] исследований. Основными вопросами проведенных исследований было определение давления обтекания на сваи [5, 19, 24, 27], а также величин предельного оползневого давления и максимального шага свайных элементов в ряду из условия непродавливания грунта в межсвайном пространстве. При этом, предлагаемые аналитические решения задачи продавливания грунта и обтекания сооружения предлагалось на основе теорий предельного равновесия [61], арочного эффекта [10, 11], теории пластичности [56, 57]. Однако, результаты лабораторных, аналитических и натурных исследований имели расхождения.
Расчетная схема по определению оползневого давления была предложена Г. Д. Недрей, в автореферате диссертации [27]. Г. Д. Недрей отмечено, что для призматической сваи сила сопротивления смещению грунтов, соответствует равнодействующей всех сил, которые определяются исходя из давления грунта на фронтальную и боковые грани грунтовой призмы (ядра). При этом, для полученного решения в случае круглого сечения сваи необходимо учитывать коэффициент формы полученный экспериментальным путем (в грунтовом лотке), соответствующий л/4. Получено, что предельное давление обтекания грунта по глубине оползня распределяется по трапециевидной эпюре [27].
На склонах, где активные оползни распространены на больших территориях, часто экономически нецелесообразно проводить закрепление таких участков в целом. В этом случае, когда через оползневую территорию необходимо террасировать линейные сооружения - водоводы, газопроводы, нефтепроводы и др., когда нельзя обойти оползни, линейные сооружения устраивают на опорах, обтекаемых оползневыми массами [5]. Данные проведенных исследований показывают, что в начале процесса обтекания перед элементом образуется грунтовое ядро (рис. 2.1). Рисунок 2.1 - Характер обтекания прямоугольных (а, в) и круглых (б, г) опор в песке (а, б) и суглинке (в, г)
Для неоднородных оползневых грунтов в [27] приведена зависимость по определению суммарного давления на опору или свайный элемент, обтекаемые оползневыми массами: Г. Д. Недря в [27] провел анализ типов расчетных схем, в зависимости от формы и характера контакта оползневого массива и сооружения. Причем автор выделяет три кардинально различных по виду и величине оползневого давления расчетные схемы. На примере типового расчетного сечения можно проанализировать эти модели (рис. 2.2). На рисунке 2.3 (а) показана одна из схем развития оползневых деформаций грунта относительно конструкции в виде уплотненного грунтового ядра. В таком случае увеличение оползневого давления происходит до тех пор, пока не образуется грунтовое ядро (в зависимости от вида грунта изме 30 няются параметры ядра [27]), далее следует плавное обтекание грунта по проложенной траектории. На рисунке 2.3 (б) показана стандартная зона влияния смещающегося массива на конструкцию, причем в расчет принимается узкая полоса склона шириной, равной ширине опоры [10]. На рис. 2.3 (в) показана увеличенная зона влияния смещаемого грунта на конструкцию [27]. Образование такой зоны возможно в случае неоднородности грунта (глыбы и обломки скальных пород).
При предварительном (предпроектном) сравнении моделей воздействия оползневого давления можно сделать следующие выводы: - первая модель достаточно точна, но при расчетах величина давления обтекания получается меньше, чем в двух других моделях; - вторая модель, в силу своей простоты и понятности, дает объективные результаты расчетов оползневых давлений, соответствующие действительности, и не требует дополнительных исходных данных и опытов; - третья модель может применяться для определения величины оползневого давления в грунтах с включениями глыб и обломков, однако требует исследования по определению размеров зоны влияния.
В данной диссертационной работе рассматривается точечная защита опор эстакад на оползневых склонах. Расчетная схема приведена на рисунке 2.3 (а). Основным недостатком существующих подходов по исследованию взаимодействия пород со сваями в ряду является принятие грунта как недеформируемого жесткого тела заданной формы (трапециевидной, арочной или ограниченной ли-ниями скольжения), который находится в состоянии предельного равновесия. При этом становится невозможным определить размеры зон пластических деформаций массива. Поэтому, предельное расстояние между сваями в ряду из условия про-давливания и обтекания грунтом сооружения может быть получено как экспериментальным путем, так и с помощью программного (компьютерного) конечно-элементного моделирования. Опыты в этой области были выполнены в 1991 году С. И. Мацием в диссертационной работе на соискание ученой степени кандидата технических наук.
В продолжение этих исследований в данной работе выполнено решение поставленной задачи с использованием численных методов расчета с помощью упруго-пластической модели. Численные методы дают возможность в короткие сроки и с высокой точностью решать задачи, не имеющие ограниченного аналитического решения. Ниже приведены основные результаты анализа взаимодействия однорядного свайного сооружения с грунтом с использованием геотехнического программного комплекса Plaxis (далее - «программа»), основанного на методе конечных элементов.
Влияние конфигурации сооружения на распределение давления на каждую сваю (из трех) в ряду
При незначительных оползневых нагрузках породы околосвайного пространства деформируются. На некотором удалении от свай (-3D), выше сооружения по склону, грунт уплотняется практически равномерно по всему фронту конструкции (рис. 2.10). Такой результат достигается за счет развития уплотнений между сваями, то есть «арочного эффекта», в связи с чем не происходит продав-ливания, при этом образуется практически сплошное сооружение переменной жесткости. Таким образом, сооружение работает как отдельно стоящий объект, при этом, характер деформирования пород соответствует описанию, представлен-ному во многих работах [5, 10, 27]. Выше по склону образуется четко выраженное «клинообразное ядро» уплотненного грунта, в области которого перемещения не значительны. По боковым сторонам «ядра» перемещения значительно увеличи-ваются, что говорит о механизме «обтекания» вокруг сооружения. Перемещения грунта с фронтальной стороны от сооружения равномерны.
«Пластические точки» Кулона-Мора характеризуют развитие деформаций глинистого грунта (рис. 2.11). При начальном нагружении деформации отражают зону влияния сооружения на оползневой склон. Зона растяжения (tension cut-off points - четные точки) образуется в нижней части расчетной схемы и по бокам сооружения. При этом у фронтальной поверхности свай не происходит практически никаких деформаций, что говорит о стабильном состоянии. В связи с тем, что граничные условия расчетной схемы ограничивают перемещения грунта по горизонтали, и разрешают исключительно по вертикали, в районе границ области расчета пластические деформации затухают. Кроме того, наиболее интересной для исследований является зона контакта грунта и сооружения, поэтому расчетная область достаточна для получения точных данных.
Также перемещения пород представлены векторами боковых деформаций расширения (ориентированных, в направлении «обтекания» свай) и главных деформаций уплотнения (направленных в сторону свай). В близи от оси сооружения между сваями, зоны уплотнения образуют поле векторов с арочным очертанием. С тыльной стороны свайного ряда, поле относительных перемещений однородное (рис. 2.12-6). Все перемещения одинаковы по величине и почти параллельны направлению нагрузки. На фронтальной поверхности свай наблюдается уменьшение перемещений грунта, характеризующих уплотнение или образование «клина» (рис. 2.12-а). По бокам сооружения векторы главных деформаций направлены вдоль уплотненного клина, ориентированных, в основном, в направлении «обтекания» свай. Перераспределение масс грунта направлено на «обтекание» сооружения (рис. 2-12-в). Таким образом, в вокруг свай выделяются следующие зоны: растяжения и отрыва грунта позади сооружения, а также область уплотнения на фронтальной части.
В начальной стадии нагружения напряжения, приходящиеся на среднюю и крайние сваи, различны. За счет бокового давления на начальных стадиях нагружения, нормальные напряжения на крайних сваях больше, чем на средней, также как касательные (рис. 2.13-а..б). Это происходит из-за развития «арочного эффекта» и образования «клина» уплотненного грунта, то есть давление в средней части сооружения частично воспринимается грунтом.
Нормальные напряжения изменяются от максимальных значений перед сваей и по бокам сооружения, до минимальных - со стороны межсвайного просвета и с тыльной стороны сооружения относительно воздействия оползневого давления. Касательные напряжения возрастают от нуля во фронтальной стороны до максимума по бокам сооружения и снижаются до нуля по направлению к ее тыльной части, причем, между сваями касательные напряжения значительно ниже, чем на боковых поверхностях сооружения. Такая ситуация говорит о том, что влияние бокового давления (давления «обтекания») при проектировании точечной защиты воздействует на сооружение в большей степени, чем давление непродавливания.
С увеличением оползневой нагрузки характер взаимодействия грунта со сваями несколько изменяется. Образуются точки Кулона-Мора (красные точки), характеризующие развитие пластических деформаций (уплотнения) глинистого грунта (рис. 2.15 - 2.17). Изменяется также характер напряжений по поверхности свайных элементов (рис. 2.14). В процессе нагружения модели касательные напряжения в сваях уравниваются (рис. 2.14-а). Доля воспринимаемого оползневого давления, приходящаяся на крайние и среднюю сваи, стремится к 50%, за счет продавливания между ними грунта. Также касательные напряжения практически уравниваются на боковых поверхностях в межсвайном пространстве и по боковым сторонам сооружения (рис. 2.14-6).
Направления главных деформаций грунта №1 при малых нагрузках. Шаг свай L=2,0D где: а - образование уплотненного «грунтового ядра» перед сваей; б - развитие «арочного» эффекта; в — обтекание сооружения грунтом. Так, на стадии образования первых значительных деформаций породы (соответствует точке а) «пластические деформации» Кулона-Мора развиваются по боковым сторонам сооружения, а именно на крайних сваях. Расположение зоны растяжения {tension cut-off points — четные точки) остается практически неизменным, то есть образуется в нижней части расчетной схемы и по бокам сооружения. а)
Распределение касательных (а) и нормальных (б) напряжений по контактному интерфейсу. Стадия разрушения структуры грунта. L=2,0D Увеличение оползневого давления приводит к образованию зон, где напряженно-деформированное состояние пород достигает предела текучести (рис. 2.15). Здесь образуется зона локального обтекания грунта. На последующих стадиях нагружения «пластические точки» Кулона-Мора развиваются более интен-сивно: на фронтальной поверхности средней сваи и в виде «лепестков», направленных практически параллельно приложенной оползневой нагрузке к верхней части расчетной схемы на средних сваях (рис. 2.16). Происходит уплотнение пород перед свайными элементами с «обтеканием» по их боковой поверхности и незначительным продавливанием между ними. В результате возникает характерная «лепестковая» область пластических деформаций грунта.
На стадии разрушения структуры грунта (soil body collapses) «лепестки» «пластических точек» Кулона-Мора развиваются вверх по склону и к центру расчетной схемы (рис. 2.17). Одновременно возрастают деформации растяжения позади свай (рис. 2.12). В процессе «обтекания» вокруг конструкции и продавлива-ния между сваями грунт позади защитного сооружения увлекает за собой породы засвайного пространства. Происходит формирование и развитие трещины отрыва позади свай. При этом, увеличиваются продольные смещения грунта в тыльной части конструкции.
Общие рекомендации проектирования фундаментов свайных противооползневых защитных сооружений
При проектировании защитных свайных сооружений рассматривается ряд взаимосвязанных вопросов: определение устойчивости склона при возведении сооружения, определение прочности конструкции при действии оползневого давления, а также выбор конфигурации свайного ряда. Рассматриваются варианты расположения конструкции на склоне при учете технологических особенностях строительства в горной местности с учетом фактического и прогнозного состояния склона вследствие воздействия факторов природного и техногенного характера: транспортные, строительные и сейсмические нагрузки на склоне, повышение уровня грунтовых вод в весенне-осенний период и другие. В результате для выбора наиболее эффективного конструктивного решения, часто необходимо рассматривать (выполнять расчеты) нескольких вариантов сооружений.
По результатам моделирования взаимодействия свайного сооружения с грунтом получены зависимости критических оползневых давлений из условия «обтекания» вокруг защитных элементов и конфигурации сооружения в целом. Результаты исследований представлены в виде графических зависимостей величин предельных давлений и перемещений от расстояний между сваями. В связи с этим для выполнения большого количества расчетов защитных сооружений необходимо получение аналитического представления полученных зависимостей.
Аппроксимация выполненных экспериментов произведена методом наименьших квадратов с применением программы SIGMA PLOT, основанной на статистическом анализе. Программа дает возможность обрабатывать зависимости представленные в табличном виде с применением различных функций. В результате анализа и обработки полученных данных для однорядного свайного сооружения, определена зависимость между величиной предельного оползневого давления «обтекания» на сооружение от расстояний между сваями. Анализ результатов численных экспериментов показал, что предельное давление на свайный ряд зависит от расстояния между элементами при различных прочностных свойствах грунтов (рис. 4.4 -4.6). Кроме того выявлена зависимость предельно допустимых перемещений грунта при «обтекании» сооружения с учетом изменения физико-механических свойств грунтов (рис. 4.1 - 4.3) [20, 21]. Зависимости представлены в виде прямолинейной функции, выявленной методом наименьших квадратов для каждого исследуемого грунта (формула 4.1 - 4.3): грунт №1 - Pпред = 24,1 -1,43 (LID), (4.1) грунт №2 - Pпред = 58,4 - 3,03 (LID), (4.2) грунт №3 - Pпред = 7,8 - 0,324 (LID), (4.3) где Pпред - предельно допустимые перемещения грунта вокруг сооружения; L - расстояние между сваями в ряду, м; D - диаметр сваи, м [20, 21]. При приведении рассматриваемых зависимостей к единому виду получено: Pпред =a + b-(L/ D\ (4.4) где a ,b, - коэффициенты уравнений, определяемые в зависимости от прочностных свойств грунтов и типа породы. Графики по определению коэффициентов приведены на рис. 4.7-4.8 [20, 21];
Анализ функциональной зависимости предельных перемещений от шага свай показывает, что с увеличением расстояния между сваями в ряду увеличиваются предельно допустимые перемещения грунта вокруг сооружения, после превышения которых наступает пластическое разрушение породы. Несмотря на это, при увеличении шага свай уменьшается предельно допустимое оползневое давление грунта. Графики зависимостей коэффициентов а и b приведены на рис. 4.7 103 4.8. Для определения коэффициентов а и b необходимо определить тип грунта по нормативным характеристикам (по удельному сцеплению с или по модулю упру-гости грунта Е) согласно [17]. Изменение угла внутреннего трения (р грунта не может определять тип породы, так как в исследованиях рассмотрены слабые грунты с низким значением угла внутреннего трения [20, 21].