Введение к работе
Актуальность темы. Задача обеспечения устойчивости и надежной работы грунтовых массивов возникает при проектировании многих сооружений гидротехнического, промышленного, гражданского, транспортного и других назначений. В качестве грунтовых массивов выступают основания, откосы выемок и насыпей (в том числе и поддерживаемые подпорными сооружениями), естественные склоны при использовании их или примыкающей территории для хозяйственной деятельности. Вопросы оценки устойчивости грунтовых массивов всегда были и остаются основными при обосновании работоспособности проектируемых и прогнозировании поведения уже построенных сооружений.
Использование в проектной практике большого числа расчетных Методов оценки устойчивости свидетельствует о сложности задачи и незавершенности ее решения. Это стимулирует разработку новых, более совершенных методов оценки устойчивости, использующих более общие расчетные схемы, в которых в предельном состоянии удовлетворяются все условия равновесия, а также вариационных методов поиска опасной поверхности сдвигов. Само понятие запаса устойчивости также совершенствуется и приобретает уточненное смысловое значение. Вопрос о надежности оценки устойчивости грунтовых массивов до сих пор не изучен и не нашел пока еще отражения в нормативной документации.
Перечисленные, не до конца изученные вопросы составляют единую проблему обеспечения устойчивости грунтовых массивов и надежности их работы. Решение этой проблемы на современном, более совершенном уровне дает возможность устранить неоправданный перерасход материальных и трудовых ресурсов, сократить сроки строительства, что может послужить существенным фактором интенсификации развития народного хозяйства.
Цель и задачи исследования. Целью исследования являлось дальнейшее совершенствование теоретических основ и разработка практических методов оценки устойчивости грунтовых массивов гидротехнических сооружений и оснований, находящихся, как правило, в сложных условиях неоднородного геологического строения и загружения, помимо веса, фильтрационными и сейсмическими силами.
Для достижения поставленной цели потребовалось изучить весь комплекс вопросов, связанных с рассматриваемой проблемой, и заново решить многие задачи, казавшиеся окончательно решенными. К ним относятся:
разработка физически обоснованных расчетных методов оценки устойчивости грунтовых массивов, в которых соблюдались бы все условия равновесия и граничные условия при произвольном действии сил и любом геологическом строении массива;
формулирование общего критерия количественной оценки запаса устойчивости грунтовых массивов и сооружений, пригодного не только для условий действия гравитационных и сейсмических сил, но и при температурных воздействиях, и позволяющего геометрически интерпретировать запас устойчивости;
. — разработка вариационного метода нахождения формы и положения опасной поверхности сдвигов применительно к разработанным методам оценки устойчивости, в которых соблюдаются граничные условия и условия равновесия;
уточнение методов определения расчетных значений параметров прочности грунтов и нагрузок, имеющих исключительно важное значение для оценки устойчивости;
разработка практического метода определения надежности оценки устойчивости грунтовых массивов сооружений и оснований.
Методы исследования. Для проведения исследований по оценке устойчивости грунтовых массивов использованы методы, основанные на схеме предельного состояния (исчерпания несущей способности), не требующие создания сложной расчетной модели грунта. Использование таких методов существенно упрощает решение задачи за счет уменьшения числа расчетных параметров до двух, характеризующих только прочностные свойства грунта.
Нахождение опасной поверхности сдвигов осуществляется вариационным методом. При этом, функция, описывающая поверхность сдвигов, аппроксимируется кусочно-линейной функцией. Это дает возможность краевую задачу вариационного исчисления, не имеющую решения в замкнутой аналитической форме из-за сложности функции, характеризующей устойчивость грунтового массива, свести к задаче о нахождении простого экстремума функции многих переменных.
Исследования по определению надежности оценки устойчивости грунтовых массивов, а также по определению расчетных значений параметров прочности грунтов выполнены с привлечением методов теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна работы заключается в решении крупной проблемы обеспечения устойчивости и надежности грунтовых массивов на качественно ином, более высоком теоретическом
уровне. Это решение основывается на всестороннем исследовании и обобщении накопленного опыта по рассматриваемой проблеме.
На защиту выносятся совокупность разработанных расчетных методов, позволяющих с единых позиций схемы предельных состояний на современном теоретическом уровне решать все основные задачи, относящиеся к проблеме обеспечения устойчивости грунтовых массивов.
Для условий плоской задачи разработан общий метод, позволяющий выполнять оценку устойчивости грунтовых откосов и склонов, определять несущую способность оснований и силу давления грунта на подпорную стену. В разработанном методе, в отличие от известных, выполняются все условия равновесия и граничные условия. Для раскрытия статической неопределимости задачи, функция, характеризующая наклон к горизонтальной оси приращения силы взаимодействия между элементарными вертикальными столбиками тела обрушения, аппроксимируется степенной функцией с четырьмя параметрами, что позволяет получить решение в замкнутой аналитической форме. Значения параметров этой степенной функции определяются из граничных условий.
Применительно к предложенному методу оценки устойчивости разработан вариационный метод поиска опасной поверхности сдвигов, в котором в отличие от известных строго соблюдаются граничные условия и условия равновесия. В разработанном вариационном методе функция, описывающая поверх^ ность сдвигов, аппроксимируется кусочно-линейной функцией, благодаря чему вариационная задача сводится к поиску обыкновенного экстемума функции многих переменных.
Разработан достаточно общий метод оценки устойчивости
грунтовых массивов для условий пространственной задачи.
Этот метод, благодаря выполнению граничных условий и усло
вий равновесия как для произвольного призматического эле
мента, так и для всего тела обрушения, пригоден для оценки
устойчивости по произвольной поверхности сдвигов в условиях
действия произвольно направленных сил и любого теологиче
ского строения грунтового массива. Этим разработанный метод
выгодно отличается от. остальных методов того же класса. -: '
'-'Предложен новый критерий количественной оценки '.'запаса1
устойчивости, основанный на соотношении между площадью
всей поверхности сдвигов выделяемого для проверки гипотети
ческого тела обрушения и площадью части этой поверхности,
которая приводится в предельное состояние. Преимущество та
кого критерия перед традиционными заключается в том, что он
имеет геометрическую интерпретацию и может быть распрост
ранен на задачу об устойчивости сооружений, расположенных
на пологих склонах или откосах и подверженных цикловым
температурным воздействиям. * ' '
Разработан метод вычисления расчетных значений параметров прочности грунтов по результатам испытаний образцов на срез или раздавливание, позволяющий уточнить упомянутые расчетные значения по сравнению с нормативной методикой, благодаря учету переменности дисперсии случайной величины— предельного касательного напряжения при срезе или максимального нормального напряжения при раздавливании образцов. Уточнение достигается также за счет учета влияния на характеристики прочности грунтов переменной плотности, влажности или температуры образцов, что особенно важно для строительных объектов, возводимых в условиях Крайнего Севера.
Разработан практический метод, позволяющий определить надежность оценки устойчивости грунтовых массивов, в котором в качестве функции отклика принята функция, определяющая запас устойчивости, а определяющими параметрами являются плотность и параметры прочности грунтов и параметры нагрузок. Степень надежности определяется итерацией, как вероятность получения значения коэффициента запаса, равного единице, что соответствует исчерпанию несущей способности — нулевому запасу устойчивости. Такой подход в отличие от известных дает возможность оценить надежность сохранения любого (не только нулевого) наперед заданного запаса устойчивости грунтового массива в конкретных расчетных условиях.
Практическая значимость работы. Использование разработанных методов оценки устойчивости грунтовых массивов и надежности их работы позволяет получать более обоснованные решения при проектировании плотин из грунтовых материалов, бетонных плотин, фундаментов и подпорных стен на нескальных основаниях, напорных трубопроводов ГЭС и ГАЭС, расположенных на пологом склоне, накопителей промышленных отходов, шламохранилищ и прочих аналогичных объектов.
Для широкого внедрения научных разработок в проектную практику разработаны практические алгоритмы расчета по оценке устойчивости и надежности, составлены программы расчета на ЭВМ.
Реализация результатов исследования. Результаты исследования в разном объеме использованы при составлении ГОСТ 20522 — «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний» и СНиП 2.02.02-85 «Основания гидротехнических сооружений», в учебном процессе на гидротехническом факультете ЛПИ имени М. И. Калинина и при проектировании ряда объектов гидротехнического строительства- В частности, метод оценки устойчивости при цикловом температурном воздействии использовался Ленгидропроектом при обосновании проектных решений по Ленинградской ГАЭС и Ленводокана-лом при прогнозировании работоспособности трубчатого водосброса на прудах-отстойниках Ижорского завода. Результаты
оценки пространственной устойчивости откосов разработанным методом использованы Сред. Аз. гидропроектом при проектировании плотины Рогунского гидроузла. Уточненный способ определения расчетных значений сейсмических сил использован Ленпшротрансом при проектировании ж/д. насыпи БАМ. Методика оценки устойчивости откосов использована при проектировании крупного гидроотвала фосфогипса на Череповецком ПО «Аммофос» и насыпного отвала фосфогипса на Ровенском ПО «Азот», а также Ленгипроводхозом при проектировании ряда грунтовых плотин мелиоративного назначения.
Использование разработанных методов позволило уже сейчас получить экономический эффект в 1437 тысяч рублей за счет обоснования устойчивости оснований, откосов и склонов, что позволило продлить срок эксплуатации и увеличить высоту и объем отвалов для складирования отходов производства минеральных удобрений, сократить объемы и сроки возведения насыпей плотин и др.
Апробация работы. Результаты исследования докладывались на Всесоюзных научно-технических совещаниях: «Проектирование и исследование оснований гидротехнических сооружений» (Ленинград, 1979), «Оценка и обеспечение надежности гидротехнических сооружений» (Тбилиси, 1980), «Проектирование и исследование скальных оснований гидротехнических сооружений» (Нарва, 1982), «Совершенствование техники и технологии складирования отходов в условиях комплексного использования недр» (Севастополь, 1983), «Пути удешевления и ускорения строительства плотин из грунтовых материалов» (Душанбе, 1985), «Совершенствование методов исследования грунтовых сооружений для повышения качества проектирования и строительства» (Москва, 1988), а также на научно-практической конференции «Комплексные проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов Ленинграда и Ленинградской области» (Ленинград, 1982).
Кроме того, диссертационная работа обсуждалась на заседании кафедры «Гидротехнические сооружения» с участием специалистов других кафедр гидротехнического факультета ЛПИ имени М. И. Калинина, на заседании секции по гидротехническим сооружениям НТС ВНИИВОДГЕО, на заседании кафедры гидротехнических сооружений МИСИ им. В. В. Куйбышева и на заседании секции оснований гидротехнических сооружений ВНИИГ им. Б. Е- Веденеева.
Состав работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 261 наименования и приложений. Диссертация представлена на 221 стр., содержит 37 рис. и 3 табл.
