Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. Еще в 1967 году во вступительном докладе на координационном совещании «Расчет общей устойчивости транспортных и гидротехнических сооружений» проф. Н.А.Цытович отмечал, что «современное состояние разработки методов устойчивости сооружений во многих случаях не удовлетворяет запросам практики проектирования. Действительно, в настоящее время получено мало математически строгих решений теории предельного равновесия и лишь для простейших граничных условий, а ряд инженерных методов расчета базируется на основании заранее заданных (на основании, например, опытных данных) очертаниях поверхностей скольжения или очертаниях, полученных аналитически, но без учета действия объемных сил».
В настоящее время рост объемов дорожного строительства сопровождается огромными затратами, обусловленными разработкой и перемещением большого количества грунта при возведении насыпей дорожного полотна, устройстве выемок, прокладке траншей и других грунтовых сооружений. Поэтому работа по совершенствованию методов расчета устойчивости откосов земляных сооружений, основанных на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива, которые позволяют снизить экономические затраты на строительство или обосновать расчетные геометрические параметры сооружений, обеспечивающих их длительную безопасную эксплуатацию, является весьма актуальной.
Цель диссертационной работы. Большинство методов расчета устойчивости откосов и склонов, основанных на гипотезах о круглоциллиндрической форме наиболее вероятной поверхности скольжения либо теории предельного равновесия разработаны для отдельно стоящего изолированного откоса. Они не позволяют учесть взаимное влияние близ расположенных откосов выемок и насыпей грунтового сооружения, которое предопределяет существенное отличие полей напряжений, возникающих от собственного веса грунта в приоткосных зонах таких объектов, от полей напряжений, возникающих в теле одиночного откоса.
Учесть данное отличие возможно лишь на основе проведения анализа напряженного состояния грунтового массива и использования методов построения наиболее вероятных поверхностей скольжения и вычисления величин коэффициентов запаса устойчивости, которые используют результаты данного анализа.
Учитывая вышесказанное, цель диссертационного исследования сформулирована следующим образом: На основе анализа напряженного состояния грунтового массива разработать инженерный метод расчета устойчивости откосов насыпей и выемок грунтовых сооружений автомобильных дорог с учетом их взаимного влияния. Дать рекомендации по определению расчетных параметров, обеспечивающих кратковременную и длительную устойчивость откосов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:
-
Провести тщательный анализ существующих методов расчета и выбрать для проведения исследований те из них, которые позволяют решить поставленную задачу.
-
Определить границы проведения исследований, т.е. определить значения ширины основания выемки b или верхнего основания насыпи L, при которых величина их коэффициента запаса устойчивости, при всех прочих равных условиях, будет такой же, как у изолированного откоса.
-
На основе анализа напряженного состояния грунтовых массивов получить графические зависимости и соответствующие аналитические аппроксимации для вычисления коэффициентов запаса откосов выемок и насыпей с учетом их взаимного влияния. На этой основе разработать инженерный метод расчета устойчивости откосов грунтовых сооружений, позволяющий определить значения геометрических параметров грунтовых сооружений (выемок, насыпей, траншей), при которых за счет учета взаимного влияния откосов можно получить существенный экономический эффект, определяемый сокращением объемов земляных работ.
-
Выработать рекомендации по назначению проектных значений коэффициентов запаса устойчивости откосов грунтовых сооружений, обеспечивающих их кратковременную устойчивость.
-
Разработать предложения по назначению геометрических параметров выемок и насыпей грунтовых сооружений, обеспечивающих их длительную устойчивость и безопасную эксплуатацию.
Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлена:
1. Теоретическими предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории упругости, теории пластичности, методов конечных элементов, механики грунтов и инженерной геологии.
2. Использованием при проведении численного моделирования сертифицированных и имеющих государственную регистрацию компьютерных программ.
3. Удовлетворительным совпадением результатов поверочных расчетов и физического моделирования взаимного влияния моделей откосов грунтовых сооружений на их устойчивость в лабораторных условиях.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. На основе использования метода конечных элементов проведен анализ взаимного влияния близ расположенных откосов грунтовых сооружений (выемок, насыпей, траншей), включающий в себя исследование процессов трансформации напряженно-деформированного состояния, развития областей предельного состояния грунта в приоткосных областях, и, как следствие, изменения устойчивости откосов.
2. Получены графические зависимости и соответствующие аналитические аппроксимации, позволяющие оценить изменение величины коэффициента запаса устойчивости откосов, возникающего за счет учета их взаимного влияния при работе в составе грунтового сооружения.
3. Предложен инженерный метод расчета устойчивости откосов выемок и насыпей с учетом их взаимного влияния.
4. Сделаны предложения по определению геометрических параметров откосов грунтовых сооружений, обеспечивающих их кратковременную и длительную устойчивость.
5. Предложены рекомендации по назначению проектных значений коэффициентов запаса устойчивости откосов и склонов.
Практическая значимость работы. Результаты, полученные в процессе выполнения диссертации, могут быть использованы для:
- расчета устойчивости откосов выемок и насыпей с учетом их взаимного влияния, работающих в составе транспортных сооружений, обеспечивающего получение экономического эффекта;
- определения геометрических параметров откосов выемок и насыпей, обеспечивающих их кратковременную и длительную устойчивость.
- курсового и дипломного проектирования студентов дорожно-строительных и строительных специальностей вузов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и были опубликованы в материалах II Всероссийской конференции «Стратегия развития строительного комплекса и ЖКХ в регионе и инноватика в технике и технологиях» (Михайловка. 2008 г.), III Всероссийской научно-технической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона (Михайловка, 2009 г.), V Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2009 г.), V Международной конференции по геотехнике «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2010 г.), Казахстано-Корейского геотехнического семинара «Геотехническая инфраструктура больших городов и новых столиц» («Geotechnical Infrastructure in Megacities and New Capitals») (Казахстан, Астана, 2010 г.), Всероссийского научно-технического семинара «Технические проблемы нового строительства и реконструкции» (Новосибирск, 2011 г.), Международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011 г.)
Личный вклад автора заключается в:
- обосновании возможности использования метода конечных элементов для анализа напряженно-деформированного состояния откосов грунтовых сооружения при учете их взаимного влияния;
- проведении численных экспериментов, обработке и анализе результатов; получении графических зависимостей и их аналитических аппроксимаций, совокупность которых позволила решить поставленные в диссертационной работе задачи;
- разработке предложений о принципах назначения численных значений проектных (задаваемых) коэффициентов запаса устойчивости;
- разработке компьютерных программ, в которых формализованы анонсированные инженерные методы.
На защиту выносятся:
1. Результаты численного моделирования, в результате которого установлены особенности процесса взаимного влияния откосов грунтовых сооружений.
2. Графические зависимости и их аналитические аппроксимации, позволяющие определять величину коэффициентов запаса устойчивости откосов грунтовых сооружений с учетом их взаимного влияния и формализованные в инженерный метод.
3. Предложения по назначению проектных (задаваемых) значений коэффициентов запаса устойчивости откосов грунтовых сооружений.
4. Компьютерная программа, разработанная при непосредственном участии автора.
Результаты научных исследований внедрены в учебном процессе кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета в 2008–2011 гг. при проведении курсового и дипломного проектирования.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 15 научных трудах, в числе которых патент и информационный листок с описанием разработанной при участии соискателя компьютерной программы. Четыре работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, одна публикация имеет международный статус.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка из 121 наименования и приложений общим объемом 140 страниц, включает в себя 61 рисунок и 8 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность коллективу кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ, научному руководителю доктору технических наук профессору Богомолову А.Н. и доктору технических наук Мацию С.И. за поддержку и постоянное внимание к работе, ценные научные консультации и советы.
