Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ изученности вопроса 9
1.1. Откосы и стены котлованов городских подземных сооружений 9
1.2. Оценка физико-технических характеристик фунтов . 11
1.3. Методы расчета откосов и стен котлованов 15
1.4. Методы оценки геомеханического риска 25
1.5. Выбор решений в условиях риска 35
1.6. Выводы по главе 39
2. Расчет устойчивости откосов котлованов в условиях риска 43
2.1. Методика построения поверхности скольжения 43
2.1.1. Принципы задания поверхностей скольже ния 43
2.1.2, Построение поверхностей скольжения в сложных геомеханических ситуациях 54
2.2. Оценка риска при расчете коэффициента запаса устойчивости откосов 62
2.2.1. Расчет откосов по методу алгебраического сложения сил 63
2.2.2. Расчет откосов по методу многоугольника сил 77
2.2.3. Расчет откосов по напряжениям на основе метода конечных элементов 85
2.3. Выводы по главе 101
3. Расчет подпорных стен котлованов в условиях риска 104
3.1. Особенности расчета стен котлованов 104
3.2. Оценка риска при расчетах подпорных стен 106
3.2.1. Оценка риска при расчете предельной высоты незакрепленной вертикальной стены 106
3.2.2 Оценка риска при расчете нагрузок на подпорные стены и ширины призмы обрушения 111
3.2.3. Оценка риска при расчете устойчивости подпорных стен 128
3.2.4. Оценка риска при расчете несущей способности подпорных стен 140
3.3. Выводы по главе 163
Заключение 165
Список используемой литературы 167
- Оценка физико-технических характеристик фунтов
- Построение поверхностей скольжения в сложных геомеханических ситуациях
- Расчет откосов по напряжениям на основе метода конечных элементов
- Оценка риска при расчете предельной высоты незакрепленной вертикальной стены
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из основных причин аварийности при строительстве городских подземных комплексов и отдельных сооружений открытым способом являются деформации откосов и стен котлованов, причем тяжесть последствий аварий резко возрастает в условиях тесной городской застройки. Как показывает мировая практика, в таких ситуациях ошибки при проектировании котлованов осложняют горно-строительные работы, эксплуатацию близкорасположенных городских объектов и могут привести к разрушению последних, сопровождающемуся массовым летальным травматизмом. Между тем существующие методы оценки устойчивости фунтового массива и параметров удерживающих систем котлованов, применяемые в Российской Федерации, базирующиеся на методе предельных состояний, не позволяют получить количественные значения рисков, характеризующих вероятность возникновения аварий. Возможность оценки риска не предусматривается и в зарубежной про-фаммной продукции, предназначенной для обоснования геомеханических решений. Поэтому действующие методики расчета устойчивости откосов и удерживающих систем котлованов, с одной стороны, не могут гарантировать полную безопасность горно-строительных работ, с другой - не исключают завышения запасов устойчивости и несущей способности проектируемых конструкций, что приводит к неоправданным издержкам на их возведение и поддержание. Таким образом, определение уровней рисков при расчетах устойчивых откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений, строящихся открытым способом, является весьма актуальной проблемой.
Объектом исследований диссертации являются откосы и подпорные стены котлованов городских подземных сооружений, строящихся открытым способом.
Предмет исследований - методы расчетов устойчивости откосов и подпорных стен котлованов.
Цель диссертации - количественная оценка рисков, обеспечивающих безопасность и экономичность принимаемых решений при расчетах устойчивости откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений.
Идея работы состоит в создании методик риск-анализа параметров откосов и стен котлованов на основе метода Монте-Карло с учетом особенностей строительства городских подземных сооружений открытым способом.
Задачи диссертации:
-
формализовать инженерные методы расчетов устойчивости откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений;
-
сформировать модели и разработать методики количественной оценки рисков при расчетах откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений в типичных геомеханических ситуациях;
-
разработать алгоритмы и профаммы дляїрді-чешв УШЦ4Ф|&;Шоткосов и подпорных стен на основе метода Монте-Kapj о. библиотека
СПстарСДО
Методы исследований. В работе использован комплекс методов, включающий: научный анализ, обобщение опыта проектных работ и практики строительства городских подземных сооружений, вероятностно-статистические исследования, математическое и имитационное моделирование с применением современных компьютерных технологий.
Защищаемые научные положения.
-
Для достоверного геомеханического анализа откосов и стен котлованов подземных сооружений следует использовать взаимосвязанные интегральные показатели «коэффициент запаса устойчивости» и «уровень риска», причем поверхности скольжения при определении коэффициентов запаса устойчивости целесообразно формализовать системой «пучков» из сплайн-функций - «биар-ков», а уровни риска определять методом Монте-Карло.
-
Расчет подпорных стен в условии ях риска должен выполняться в следующей очередности: 1 - формирование методом Монте-Карло шкалы «нагрузка - риск» и шкалы «ширина призмы обрушения - риск»; 2 - цикличная оценка рисков по факторам несущей способности и устойчивости конструкции с варьированием параметров конструкций, нагрузок, размеров призм обрушения (с найденными уровнями риска или заданными достоверностями); 3 - выбор инженерного решения по критериям минимума суммы затрат на конструкцию и потенциального ущерба от последствий аварий.
Достоверность научных положений обеспечивается:
сопоставлением результатов, полученных в условиях риска, с фактическими параметрами подземных сооружений, построенных открытым способом;
результатами моделирования с использованием методов математической статистики.
Научная новизна исследований состоит в:
разработке методики построения семейства поверхностей скольжения в откосах в форме «биарков»;
разработке имитационных методик оценки геомеханического риска при расчетах устойчивости откосов котлованов городских подземных сооружений;
разработке методики расчета устойчивости откосов котлованов, предусматривающей совместную реализацию методов Монте-Карло и конечных элементов и установлении рациональной области применения метода конечных элементов для расчетов устойчивости откосов котлованов в условиях риска;
- формировании подхода к расчету подпорных стен в условиях риска, предусматривающего поэтапное имитационное моделирование нагрузок на стену и ширины призмы обрушения, несущей способности, устойчивости конструкции.
Практическое значение работы заключается в разработке алгоритмов и программ для оценки рисков при расчетах устойчивости откосов и подпорных стен котлованов.
Личный вклад автора состоит в сборе и обобщении материалов по теме диссертации, постановке задач, проведении исследований, обосновании научных положений, выводов и рекомендаций.
Результаты работы переданы Екатеринбургскому муниципальному унитарному предприятию «Управление заказчика по строительству подземных сооружений и метрополитена».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века. Опыт и перспективы» Тоннельная ассоциация России, г. Москва, 28 * 31 октября 2002 г.; Уральской горнопромышленной декаде, УГТУ, г. Екатеринбург, 10-=-20 апреля 2003 г.; Международной конференции «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений», ТулГУ, г. Тула, 23 + 25 сентября 2003 г.; Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», УГГУ, г. Екатеринбург, 18-=-20 мая 2004 г.; на семинарах кафедры шахтного строительства в мае и октябре 2005 г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в четырех печатных трудах.
Объем и структура работы. Диссертация включает общую характеристику работы, три главы, заключение, список используемой литературы из 116 наименований. Объем диссертации - 176 страниц компьютерного текста (14 кегль, шрифт «Times New Roman»), 35 таблиц, 53 рисунка.
Оценка физико-технических характеристик фунтов
На основании анализа научно-технической литературы в области получения и обработки исходной информации о строении и свойствах грунтового массива изученность рассматриваемой проблемы можно охарактеризовать по трем направлениям. 1. Разработаны стандартизированные методики определения физико-технических свойств грунтов, сводка которых приводится в работах [2, 4, 34, 38, 50]. 2. На основании обобщения результатов масштабных исследований в области инженерной геологии и гидрогеологии сформированы классификационные системы [11, 15, 25, 34], позволяющие, в частности, на пред-проектной стадии выбрать конструктивно-технологические решения по возведению котлованов подземных сооружений, табл. 1.1. 3. Действующие методики разделения массивов на условно однородные участки предусматривают получение оценочных показателей по комплексу физико-технических свойств грунтов [73] или по какому-либо одному свойству [16]. В указанных источниках методологической базой является математическая статистика. На этой основе выделяются инженерно-геологические или расчетные грунтовые элементы (ИГЭ и РГЭ), устанавливаются физические и механические характеристики, подразделяемые на нормативные и расчетные. Использование последних регламентируется нормативными документами по проектированию и строительству объектов подземного строительства [82 -н 85, 89, 92, 93, 98, 99].
ИГЭ — основная грунтовая единица инженерно-геологической схематизации грунтового объекта. За ИГЭ принимают некоторый объем грунта одного и того же происхождения и вида при условии, что значения характеристик грунта изменяются в пределах элемента случайно (незакономерно) либо наблюдающаяся закономерность такова, что ею можно пренебречь. Расчетный грунтовый элемент (РГЭ) - основная фунтовая единица, выделяемая с учетом применяемого при проектировании грунтового объекта расчетного или экспериментального метода. За РГЭ принимают некоторый объем грунта не обязательно одного и того же происхождения и вида, в пределах которого нормативные и расчетные значения характеристик по условиям применяемого при проектировании фунтового объекта расчетного или экспериментального метода могут быть постоянными или закономерно изменяющимися по направлению.
По ГОСТ 20522-96 [16] фаницы ИГЭ или РГЭ устанавливаются по коэффициентам вариации характеристик фунта, причем допустимые значения коэффициентов вариации, определяющие однородность выделяемого участка, принимаются равными 0,15 — для физических характеристик и 0,30 - для механических. Допустимые значения коэффициента вариации можно рассматривать в качестве предельной характеристики изменчивости грунта. ИГЭ наделяют постоянными нормативными и расчетными значениями характеристик, получаемыми делением нормативных на коэффициенты безопасности по фунту, устанавливаемые [84, 85, 87, 89] с достовер-ностями 0,95 (при расчете несущей способности объекта), 0,85 (при расчете объекта по деформациям), 0,99 ( в особо ответственных ситуациях).
Приведенные материалы свидетельствуют о высоком уровне изученности проблемы оценки инженерно-геологической ситуации при проектировании и строительстве подземных объектов. Вместе с тем, переход к вероятностным методам расчета подземных сооружений в контексте тематики диссертации обусловливает дифференцированный подход к применению существующих методов инженерно-геологического анализа [54, 64]. Если на стадиях обоснования замысла, оценки эффективности инвестиций и эскизного проектирования можно офаничиться интегральными инженерно-геологическими оценками с предельно допустимыми коэффициентами вариации, то на стадии проектирования следует определять вероятностно-статистические показатели, допускающие анализ проектных вариантов в условиях геомеханического риска. В стадии строительства получаемая инженерно-геологическая информация должна обеспечивать уточнение и выявление ослабленных зон, структурных нарушений с выработкой рациональных управленческих решений.
Методы расчета устойчивости откосов. Достаточно наглядное представление о множестве существующих методов расчета откосов, их особенностях и условиях применения дают работы [20, 21, 38, 45, 50, 67, 68, 83, 86, 91, 97, 104, 105, 114, 115, 116]. Совокупность расчетных методов, приведенных в этих работах, подразделяется на две группы: точные методы расчета, отвечающие самым строгим методам строительной механики, и инженерные расчетные методы.
Строгое решение двух типов задач расчета откоса в плоской постановке для грунтов, обладающих трением и сцеплением, получено проф. В. В. Соколовским численным интегрированием уравнений предельного равновесия [97]: 1 - расчет эпюры нагрузок на верхней площадке одноярусного плоского откоса, рис. 1.3, при которой объект переходит в состояние предельного равновесия;
Построение поверхностей скольжения в сложных геомеханических ситуациях
Разработанный метод задания совокупности поверхностей скольжения «биарками» не сложнее, чем построение семейства из круглоцилиндриче-ских поверхностей. Новый метод, во-первых, не имеет очевидного недостатка ныне практикуемого метода построения семейства поверхностей скольжения с вводом коэффициентов запаса в физико-механические характеристики грунтов. Во-вторых, он легко реализуется на современных ЭВМ, обеспечивая полноту покрытия потенциальной призмы скольжения множеством поверхностей скольжения, исключая за счет высокой информативности, неточности при выявлении наиболее опасной поверхности. В третьих, предложенное решение позволяет приступить к разработке логично построенной универсальной.машинно-ориентированной методики оценки устойчивости откосов котлованов, как в простых, так и в сложных геомеханических ситуациях при использовании методов алгебраического сложения сил, конечных элементов, при расчетах по напряжениям. Целесообразность реализации метода «биарков», в частности, следует из сопоставления с методом задания поверхностей скольжения, рис. 2.6, используемым в программном обеспечении, разработанным [115].
Откосы и стены котлованов городских подземных объектов, как правило, размещаются в породах коры выветривания, структурные типы которых, структурная неоднородность и изменчивость физико-механических характеристик грунтов предопределяют сложность геомеханической ситуации, в частности, вследствие наличия во вмещающем массиве поверхностей ослабления, обводненных участков, подстилающих грунтов с низкими прочностными характеристиками. Негативным фактором, ухудшающим геомеханическую обстановку, являются внешние воздействия, в первую очередь, нагрузки от окружающих зданий и сооружений — весьма характерное явление, обусловленное теснотой городской застройки.
В диссертации рассматриваются наиболее часто встречающиеся геомеханические ситуации, отражающие типичные подходы к формированию множества поверхностей скольжения в осложненных природных условиях: откос, сложенный грунтовым массивом с системой контактов крутого или наклонного падения в направлении котлована; откос с ослабленным основанием; откос с нагрузкой, размещаемой на верхней площадке.
Схема задания поверхностей скольжения в откосе с крутыми поверхностями ослабления приведена на рис. 2.7. Поверхности скольжения в этой ситуации выходят из нижней бровки откоса под углом ф[ к горизонту, равным и на участках OD и OD имеют криволинейную форму. Выше точек Д D поверхности скольжения совпадают с поверхностями ослабления, причем по схеме «о» подсекают верхнюю площадку откоса, по схеме «б» выходят на поверхность откоса. В точке D криволинейный участок поверхности имеет касательную, угол наклона которой равен
Каждая поверхность скольжения начинается от верхней площадки откоса вертикальной трещиной Н . На участке FD поверхность скольжения имеет наклон На участке OD поверхность скольжения представляется «биарком», причем угол наклона касательной к поверхности скольжения составляет где p] - угол трения грунта, залегающего в основании.
Касательные к криволинейной поверхности скольжения в основании (участок ЕО) наклонены к горизонтали с углами: в точке Е 45 — р]/2, в точке О фі - vj/, здесь у = (р - р,)/2 - угол «излома» поверхности. На участке ЕО поверхности скольжения находятся по формуле
Расчет откосов по напряжениям на основе метода конечных элементов
Целесообразность использования коэффициента запаса устойчивости в качестве интегрального показателя состояния геомеханического объекта несомненна, поэтому для расчета устойчивости откосов по напряжениям, устанавливаемым по методу конечных элементов, в диссертации разработана специальная алгоритмизирующая процедура, существо которой заключается в следующем. 1. Задается серия поверхностей скольжения, см. 2.1. 2. Вычисляются углы наклона (3(х) касательных к поверхносям скольжения в точках 3. Определяются нормальные о„(х) и касательные тп(х) напряжения в точках х где зх(х), 3у(х), хху(х) - горизонтальные, вертикальные и касательные напряжения в точках х, вычисленные методом интерполяции по напряжениям в узлах конечно-элементной схемы. 4. По паспорту прочности в точках х находятся напряжения ху(х) где р —угол внутреннего трения; к- сцепление. 5. Устанавливаются суммы, характеризующие удерживающие и сдви гающие силы по поверхностям скольжения N — количество точек х на поверхности скольжения, в которых найдены напряжения т„(х) и ty(x); Ах - горизонтальный интервал между смежными точками х,, xi+]. 7, Вычисляются коэффициенты запаса устойчивости по каждой из за данных поверхностей скольжения 8. Фиксируется поверхность скольжения с минимальным коэффици ентом запаса, являющаяся мерой устойчивости откоса. Пример реализации описанной процедуры выполнен для расчетной схемы, представленной нарис. 2.19. Исходные данные приведены в табл. 2.9. Поверхность скольжения задана по методике, рассмотренной в 2.1.1. Результаты вычисления углов р(х), интерполирования напряжений аЛ(х), аДх), хху(х) по данным проф. О. В. Зотеева, полученным методом конечных элементов, и напряжений, з„(х), хп(х) приведены в табл. 2.10. Метод конечных элементов использован для оценки устойчивости откосов в программной продукции [114, 116], представляемой пользователям INTERNET на рыночных условиях. В связи с этим методика оценка риска при расчете устойчивости откосов методом конечных элементов разработана в двух вариантах.
Первый вариант - использование единого программного комплекса, объединяющего известные компьютерные технологии «МКЭ» и «ММК»2. Второй вариант - генерация входной информации по «ММК», многократное решение по «МКЭ» в соответствии с выполненной генерацией, интерактивная обработка выходного информационного массива. В общем случае единый программный комплекс включает следующие операции: ввод постоянных параметров и констант, ввод нестабильных параметров, отражающих с законы их распределения; ввод критериев оценки (постоянных или вероятностных); расчет «МКЭ» по средним значениям нестабильных параметров; задание числа генераций и генерация случайных чисел; ввод совокупности генерированных случайных чисел в блок «МКЭ» и получение выходного случайного массива; поиск и отбраковка грубых погрешностей в выходном массиве; сортировка случайного массива; построение гистограммы распределения выходного массива; оценка надежности объекта и риска возникновения аварийной ситуации.
Особенности единого программного комплекса для решения геомеханических задач с множественной оценкой ситуации - поиском коэффициентов запаса устойчивости, отбором наиболее опасной поверхности скольжения (см. с. 85 -з- 89) - поясняются блок-схемой, приведенной на рис. 2.20,а. Второй вариант реализации «МКЭ+ММК» по блок-схеме рис. 2.20,6 требует более значительных затрат машинного времени и более трудоемок для пользователя. Вместе с тем целесообразность его внедрения и «привлекательность» обусловливаются качеством готового программного продукта, что гарантирует высокий уровень адекватности результатов «МКЭ». Адаптированные примеры реализации идеи «МКЭ+ММК», приведенные далее, используют полную 2D учебно-демонстрационную версию «Z_SOIL.PC», свободно распространяемую «ZACE SERVICES LTD». На рис. 2.21 показан объект и результаты вычисления запаса устойчивости, установленного по средним значениям входных случайных параметров: модуля упругости Е, коэффициента Пуассона МЦ объемного веса фунта GM, угла внутреннего трения RO и сцепления К. Моделирование «МКЭ+ММК» осуществляется в три этапа. 1. Генерация случайной нормально распределенной информации: модуль упругости, =12500 кН/м ; среднее квадратичное отклонение модуля упругости, Ж=2500 кН/м2; коэффициент Пуассона, М6=0,25; среднее квадратичное отклонение коэффициента Пуассона, ЖМ),017; объемный вес грунта, GM=Tb кН/м3; среднее квадратичное отклонение объемного веса фунта, SGM=],7 кН/м ; угол внутреннего трения, RO=34 фад.; среднее квадратичное отклонение угла внутреннего трения, SRO=\,3 фад.; сцепление, К=7,5 кН/м ; среднее квадратичное отклонение сцепления, SK=Q,75 кН/м2, Фрагмент массивов входных случайных чисел приводится в табличном формате, с . 93.
Оценка риска при расчете предельной высоты незакрепленной вертикальной стены
Подпорные стены широко применяются в строительстве и являются искусственными сооружениями, удерживающими от смещения находящиеся за ними массивы грунта. При строительстве городских подземных сооружений открытым способом подпорные стены являются основным средством, обеспечивающим безаварийность и безопасность горностроительных работ в возводимых котлованах, причём в условиях тесной городской застройки роль подпорных стен резко возрастает. 2. При расчетах подпорных стен городских подземных сооружений необходимо учитывать взаимодействие инженерного сооружения и фунтового массива, причем вмещающий грунтовый массив может рассматривается как линейно-деформируемая среда. 3. Расчет подпорных стен выполняется поэтапно: сначала вычисляя-ются нагрузка и ширина призмы сдвижения, затем оценивается несущая способность системы по первому предельному состоянию и рассчитываются допустимые деформации стены по второму предельному состоянию.
Профессором В. В. Соколовским методами теории предельного равновесия получены точные решения задач по определению активного давления грунта на подпорные стены. На основании этих решений установлена возможность решения многих практических задач инженерными методами с погрешностью не более 2 -3%. 5. Учитывая многообразие городских условий, геомеханических и технических ситуаций и ограничения на объем диссертации, оценка рисков при расчетах нагрузок на подпорные стены и ширины призмы обрушения, устойчивости и несущей способности стен выполнена по расчетным схе мам: — подпорная стена с вертикальной задней гранью и горизонтальной незагруженной поверхностью, вмещающие породы - однородный насып ной грунт; - то же с учетом сцепления; - подпорная стена с наклонной задней гранью, поверхность плоская наклонная, вмещающие породы - однородный насыпной грунт; - подпорная стена с вертикальной задней гранью, поверхность плоская горизонтальная, вмещающие породы - две разновидности грунтов. разделенных плоской поверхностью; - подпорная стена с вертикальной задней гранью, поверхность плоская горизонтальная, грунт двухслойный с плоской поверхностью, обводненный. - устойчивость заанкеренной подпорной стены; - устойчивость стены по схеме глубокого сдвига; - несущая способность стены гибкого типа. 7. По результатам выполненных исследований сформулировано научное положение: «Расчет подпорных стен в условии ях риска должен выполняться в следующей очередности: 1 - формирование методом Монте-Карло шкалы «нагрузка - риск» и шкалы «ширина призмы обрушения — риск»; 2 - цикличная оценка рисков по факторам несущей способности и устойчивости конструкции с варьированием параметров конструкций, нагрузок, размеров призм обрушения (с найденными уровнями риска или заданными достоверностями); 3 - выбор инженерного решения по критериям минимума суммы затрат на конструкцию и потенциального ущерба от последствий аварий». Диссертация является законченной научно-квалификационно и работой, в которой решена задача расчета устойчивости откосов и подпорных стен котлованов городских подземных сооружений в условиях риска, имеющая существенное значение для геомеханического обоснования инженерных решений при проектировании и строительстве котлованов подземных сооружений.
Основные научные и практические результаты диссертации состоят в следующем. 1. Установлено, что для достоверного геомеханического анализа состояния откосов и стен котлованов подземных сооружений следует использовать взаимосвязанные интегральные показатели «коэффициент запаса устойчивости» и «уровень риска». При поиске минимального значения коэффициента запаса поверхности скольжения целесообразно формализовать системой «пучков» из сплайн-функций - «биарков», а уровни риска определять методом Монте-Карло. 2. Разработан поэтапный подход к расчету подпорных стен в условиях риска. На первом этапе методом Монте-Карло формируются шкала «нагрузка - риск» и шкала «ширина призмы обрушения - риск». Второй этап включает цикличное моделирование рисков по факторам устойчивости и несущей способности конструкции с варьированием параметров конструкций, нагрузок, размеров призм обрушения (с найденными уровнями риска или заданными достоверностями). Третий этап состоит в выборе инженерного решения по критериям минимума суммы затрат на конструкцию и потенциального ущерба от последствий аварий.
