Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ I. Оползневые процессы 14
1. Классификация и механизмы оползней 14
1.1. Природно-технические системы и смещения грунтов на склонах 14
1.2. Классификации оползней 20
1.3. Механизмы оползней и выбор расчетных схем 27
2. Влияние факторов на устойчивость склонов 33
2.1. Сложная геоморфология оползневых склонов 33
2.2. Физико-механические и реологические свойства грунтов 38
2.3. Грунтовые воды 47
3. Методы стабилизации оползней 53
3.1. Многообразие мероприятий и сфера их применения 53
3.2. Свайные и анкерные удерживающие сооружения на оползнях 60
3.3. Проблемы расчета свайных противооползневых конструкций 66
РАЗДЕЛ II. Оползневая опасность и риск смещений грунтов на склонах 73
4. Изменчивость свойств грунтов 73
4.1. Методы определения прочностных показателей грунтов .73
4.2. Закономерности изменчивости свойств грунтов 79
4.3. Методика переходных коэффициентов для оценки устойчивости склонов 86
5. Идентификация и оценка оползневой опасности ириска 94
5.1. Оползневая опасность 94
5.2. Риск природно-технических систем 103
5.3. Методы оценки оползневого риска 109
РАЗДЕЛ III. Устойчивость оползневых склонов 119
6. Предельное равновесие оползневых массивов 119
6.1. Предельное равновесие грунтового массива с наклонной дневной поверхностью 119
6.2. Предельное напряженное состояние оползневых грунтов 124
6.3. Поля линий скольжения в оползневом массиве 133
7. Развитие обобщенного метода предельного равновесия склонов.140
7.1. Устойчивость склонов и откосов в плоскости 140
7.2. Обобщенный метод предельного равновесия склонов 145
7.3. Влияние сил межотсекового взаимодействия на устойчивость склонов 151
8. Пространственная устойчивость склонов 161
8.1. Обоснование учета пространственности 161
8.2. Алгоритм определения пространственного коэффициента устойчивости склона 167
8.3. Геометрическое моделирование «Кригинг» 175
8.4. Решение объемных задач методом пространственных колонок 180
РАЗДЕЛ IV. Свайные сооружения на оползневых склонах 190
9. Физическое моделирование взаимодействия грунтов оползней со свайными рядами 190
9.1. Лабораторное моделирование геотехнических задач 190
9.2. Исследование взаимодействия оползневого грунта и свайных рядов удерживающих сооружений 195
9.3. Свайные сооружения, обтекаемые оползневым грунтом 200
10. Предельное состояние грунтов в межсвайном пространстве противооползневых конструкций .208
10.1. Решение геотехнических задач методом линий скольжения 208
10.2. Метод граничных элементов для решения задач теории предельного равновесия 213
10.3. Напряженное состояние оползневого грунта в межсвайном пространстве 219
10.4. Влияние ориентации свайного ряда на напряженное состояние оползневого грунта 226
10.5. Предельное давление продавливания оползневого грунта 232
11. Конечно-элементный анализ взаимодействия свай с грунтом 240
11.1. Расчетная модель и методика исследования взаимодействия грунта со свайными рядами МКЭ 240
11.2. Взаимодействие с оползневым грунтом однорядных сооружений 245
11.3. Особенности работы многорядных свайных конструкций 252
11.4. Методика расчета противооползневых сооружений с учетом их конфигурации 260
12. Влияние противооползневых сооружений на устойчивость склонов 266
12.1. Коэффициент устойчивости склона и нормированный коэффициент запаса 266
12.2. Давление оползневого грунта на удерживающие сооружения 273
12.3. Уточненный метод определения оползневых давлений .279
РАЗДЕЛ V. Методы противооползневой защиты и управление риском в практике проектирования и строительства 288
13. Рациональные конструкции противооползневых сооружений 288
13.1. Противооползневые конструкции инженерной защиты транспортных сооружений 288
13.2. Противооползневая защита отдельно стоящих объектов .294
13.3. Защита от оползней трубопроводов 299
14. Оценка оползневого риска на практике 307
14.1. Оценка риска геотехнических систем на основе качественного подхода 307
14.2. Полуколичественная оценка факторов опасности и риска 313
14.3. Количественная оценка оползневого риска 318
15. Противооползневая защита природно-технических систем 328
15.1. Разработка противооползневых мероприятий 328
15.2. Управление оползневым риском 337
15.3. Основные направления инженерной защиты объектов от оползней 345
Выводы 353
Литература 356
Приложения 381
- Физико-механические и реологические свойства грунтов
- Методика переходных коэффициентов для оценки устойчивости склонов
- Влияние сил межотсекового взаимодействия на устойчивость склонов
- Исследование взаимодействия оползневого грунта и свайных рядов удерживающих сооружений
Введение к работе
Актуальность темы. Особенностями транспортных сооружений являются их линейность и протяженность, что предполагает строительство и эксплуатацию в самых различных инженерно-геологических условиях. В горной местности прокладка трасс связана с необходимостью подрезок оползнеопасных склонов, устройством подъездных дорог для передвижения техники, проведением защитных мероприятий. Практика показывает, что даже при детально выполненных расчетах запроектированное и построенное (а нередко и строящееся) противооползневое сооружение может начать деформироваться вплоть до полной потери несущей способности.
Причины отказов связаны не только с воздействием природной среды на объект, но и с ошибками в расчетах и проектировании, нарушениями технологии строительных работ, а также отсутствием организованной системы содержания эксплуатируемых транспортных сооружений, о чем свидетельствуют заиленные и замусоренные придорожные лотки и водопропуски, отвалы глыб выветрелых пород на откосах, невычищенные пазухи улавливающих подпорных стен.
Основными практическими задачами при изучении оползней являются пространственная и вероятностная оценка общей и локальной устойчивости склонов; обоснование необходимого и достаточного состава и параметров защитных сооружений; выбор технологии строительных работ; организация системы содержания объектов - то есть между всеми этапами освоения склонов - изысканиями, проектированием, строительством и эксплуатацией - наблюдается гармоничная взаимосвязь. Поэтому проблему обеспечения безопасного функционирования природно-технической системы «грунтовый массив - транспортное сооружение» необходимо решать целостно, на основе комплексного подхода, предусматривающего предупреждение негативных событий на каждом из этапов проектирования посредством своевременной оценки надежности и риска, введения управленческих элементов, совершенствования нормативной базы.
Несмотря на повсеместное практическое использование термина «риск», в современных нормативных документах отсутствует
методика оценки риска оползневого для принятия взвешенного проектного решения на отдельном участке; до сих пор не установлена однообразная терминология; методы расчетов устойчивости и удерживающих конструкций практически не отражают реальных особенностей напряженно-деформированного состояния грунта в различных частях массива, основываясь на допущениях.
Таким образом, актуальность тематики исследований и масштаб проблемы вытекают из практики проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений.
Цель работы - совершенствование методов расчета и проектирования мероприятий и конструкций по инженерной защите транспортных природно-технических систем для обеспечения их безопасности при строительстве и эксплуатации в экстремальных природных условиях проявления оползней.
Задачи исследований:
систематизировать и проанализировать фактические и архивные материалы по проблемам изысканий и проектирования противооползневых мероприятий и конструкций на транспортных сооружениях;
выдвинуть основные направления инженерной защиты транспортной природно-технической системы в горных районах;
усовершенствовать методы расчета устойчивости грунтовых массивов в плоской и пространственной постановке задачи, установив особенности их напряженно-деформированного состояния по глубине и протяженности;
исследовать закономерности взаимодействия свайных подпорных конструкций и грунтовых массивов;
разработать методы расчета свайных противооползневых сооружений в соответствии с результатами экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния грунта в околосвайном пространстве при различных нагрузках;
разработать и внедрить высокоэффективные противооползневые конструкции защиты от оползневых воздействий участков транспортных сооружений и способы их устройства в особых инженерно-геологических условиях;
создать и научно обосновать принципы и методы конструктивных решений защиты транспортных природно-технических систем от оползневых воздействий.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы системного и статистического анализов, теорий подобия, планирования эксперимента, предельного равновесия и упругости, лабораторное и математическое моделирования, программирование.
Достоверность результатов обоснована корректным использованием общепринятых математических и статистических методов, выполнением численных экспериментов и математического моделирования, верификацией предлагаемых моделей, практической реализацией разработанных методов и конструкций;
подтверждается:
результатами большого объема комплексных исследований по изучению проявления оползневых явлений на транспортных сооружениях, отдельно стоящих объектах и подземных трубопроводах, выполненных в течение 23 лет на 140 объектах инженерной защиты;
соответствием результатов физического моделирования процессов взаимодействия грунтового оползневого массива и свайных рядов удерживающих сооружений натурным данным;
положительными результатами внедрения конструкций противооползневых сооружений и методов расчета устойчивости склонов;
включением рекомендаций автора в действующие нормативно-методические документы.
Научная новизна заключается в разработке новых направлений при проектировании мероприятий и конструкций инженерной защиты линейных и отдельно стоящих транспортных сооружений от оползневых воздействий, на основе комплексного взаимодействия научных основ и практических методов, обеспечивающих безопасную работу природно-технических систем в горных районах.
Новыми результатами являются:
методы расчета устойчивости оползневых грунтовых массивов сложной и неоднородной конфигурации в плоскости и пространстве, основанные на установленных методом линий скольжения функциях межотсековых сил, учитывающих особенности напряженно-деформированного состояния в различных частях;
метод определения в процессе инженерных изысканий расчетных значений прочностных свойств оползневых глинистых грунтов
и диапазона их изменчивости на основе полученных эмпирических коэффициентов;
метод определения оползневого давления на ярусы свайных удерживающих конструкций с учетом их взаимного влияния и отпора грунта, позволяющий получать рациональные параметры сооружений;
метод расчета свайных одно- и многорядных противооползневых конструкций, учитывающий экспериментально установленные закономерности взаимодействия свайных рядов с массивом грунта, основанный на совместных решениях статически и кинематически неопределимых задач теории пластичности на годографе скоростей и в физической плоскости и обеспечивающий проектирование рациональных конструкций защиты транспортных сооружений в горных условиях;
методы диагностирования участков транспортных сооружений и оценки оползневого риска, включающие методику балльных коэффициентов - для планирования объемов работ и расстановки приоритетности мероприятий, определение величины комплексного показателя факторов риска - для обоснования варианта инженерной защиты, обеспечивающего функционирование конкретной транспортной природно-технической системы на приемлемом или допустимом уровне риска;
усовершенствованные направления управления оползневым риском для своевременного принятия необходимых и достаточных мер инженерной защиты транспортных сооружений;
высокоэффективные конструкции инженерной защиты транспортных сооружений от воздействия оползней, разработанные, запатентованные, апробированные и реализованные при строительстве в экстремальных природных условиях;
концепция противооползневой защиты транспортных сооружений на всех стадиях изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации.
Практическая значимость работы состоит в том, что ее основные положения в течение ряда лет используются в процессе разработки противооползневых мероприятий, обеспечивающих инженерную защиту сотен участков автомобильных и железных дорог, отдельно стоящих объектов. Предложенные методы расчетов устойчивости склонов в плоскости и пространстве, оползневых
давлений и свайных элементов рядов повышают достоверность результатов, способствуют разработке экономически рациональных противооползневых конструкций, обеспечивают надежность работы грунтового основания транспортных сооружений в периоды строительства и эксплуатации.
Реализация результатов работы осуществлена на оползнео-пасных участках транспортных сооружений:
автомобильных дорог федерального и регионального значения в Краснодарском крае: Джубга - Сочи, Обход г. Сочи, Адлер -Красная Поляна, Горячий Ключ - Хадыженск, Майкоп - Туапсе, Анапа - Варениковская, п. Лазаревское - а. Тхагапш, Армавир -Николаевская, Хоста - Верхняя Хоста и других;
железных дорог: Туапсе - Адлер, Адлер - Аэропорт;
порталов тоннелей: Красно Полянского, на обходе г. Сочи.
подъездных автомобильных дорог к: газопроводам Россия -Турция, Адлер - Красная Поляна; нефтепроводам КТК, Тихорецк -Туапсе, Крымск - Грушовая, Сахалин-2; аммиакопроводу «Тольят-тиазот»; опорам ВЛ и подстанциям ОАО «Кубаньэнерго».
Использование положений диссертационной работы в строительстве подтверждено соответствующими актами о внедрении результатов исследований.
Апробация диссертации. Основные положения и результаты исследований представлены на Российских и международных конференциях, семинарах, симпозиумах и первом всемирном оползневом форуме, среди которых: XI European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering (Copenhagen, 1995); Строительство в прибрежных курортных регионах (Сочи, 1996, 2003); VII International Symposium on Landslides (Trondheim, Norway, 1996); 30-International geological Congress (Beijing, China, 1996); International symposium Engineering Geology and the Environment (Athens, Greece, 1997); XI и XIII Danube-Europe an Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (Porec, Croatia, 1998; Ljubljana, Slovenia, 2006); Повышение надежности и долговечности автомобильных дорог и искусственных сооружений (Краснодар, 2000); Влияние сейсмической опасности на трубопроводные системы в Закавказском и Каспийском регионах (Москва, 2000); 8- International Symposium on Landslides (Cardiff, UK, 2000); Геотехника. Оценка состояния оснований и сооружений (Санкт-Петербург, 2001); Interna-
tional Conference on Landslides - Causes, Impacts and Countermea-sures (Davos, Switzerland, 2001); Technical and Economic risk estimation (Graz, Austria, 2002); Новые технологии, конструкции и материалы в строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог (Краснодар, 2002); Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века: Опыт и перспективы (Москва, 2002); Риск -2003, 2006 (Москва, 2003, 2006); XIII European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (Prague, Czech Republic, 2003); Реконструкция исторических городов и геотехническое строительство (Санкт-Петербург, 2003); V и VII Российские национальные конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием (Сочи, 2003, 2007); Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог (Пермь, 2004); III и IV Международные конференции. - Городские агломерации на оползневых территориях (Волгоград, 2005, 2008); Город и геологические опасности (Санкт-Петербург, 2006); ECI Conference on Geo-hazards. (LiUehammer, Norway, 2006); Advances in Transportation Geotechnics (Nottingham, UK, 2008); 10- International Symposium on Landslides (Xian, China, 2008); The First World Landslide Forum (Tokyo, Japan, 2008); ГЕОРИСК - 2009 (Москва, 2009).
За предложение, исследование, внедрение новых рациональных конструкций противооползневых сооружений автор в 2009 году награжден дипломом имени СБ. Ухова РОМГГиФ "За оригинальное инженерное решение и научное обоснование проекта в практике устройства оснований, фундаментов и подземных сооружений".
Публикации.
По теме исследования опубликовано 116 научных работ, включая 2 монографии, 17 статей в 9 журналах, рекомендованных ВАК, 16 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 3 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ. Диссертант является одним из соавторов территориальных строительных норм Краснодарского края - СНКК 22-301-2000* (ТСН 22-302-2000*). Под научным руководством автора и по тематике исследования выполнены и защищены кандидатские диссертации Е. В. Безугловой (2005 г.) и Ф. Н. Деревенцом (2006 г.).
Личный вклад автора состоит в решении научно-практических задач обеспечения инженерной защиты и поддержа-
ния безопасной работы объектов в сложных инженерно-геологических условиях. Автору принадлежит выбор направления исследований, постановка задач, разработка методов, личное проведение работ, обработка и интерпретация результатов. Соавторы принимали участие в обсуждении корректности поставленных задач и теоретических выводов.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Концепция противооползневой защиты, базирующаяся на управлении оползневым риском на каждой стадии изысканий и проектирования, позволяет обосновывать необходимые мероприятия для безопасной эксплуатации транспортных сооружений.
-
Пространственное напряженно-деформированное состояние грунтовых массивов определяется установленными функциями распределения межотсековых сил, имеющих в верхней части склонов (откосов) экспоненциальный вид, а в нижней - четверть-синусоидальный, а также эмпирически полученными коэффициентами, обосновывающими значения прочностных показателей грунтов и диапазон их изменчивости.
-
Совершенствование методов расчета и повышение надежности противооползневых конструкций достигается последовательной реализацией этапов:
лабораторного моделирования с установлением закономерностей напряженно-деформированного состояния грунтов в межсвайном пространстве;
аналитического моделирования геомеханических процессов взаимодействия свайных рядов с грунтом оползней;
определения расчетного оползневого давления на сооружения с учетом условий непродавливания и отпора грунта, а также взаимного влияния ярусов.
4. Внедрение разработанных и запатентованных рациональных
конструкций противооползневой защиты обеспечивает безопасное
функционирование транспортных природно-технических систем в
стесненных условиях горных районов.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа изложена на 380 страницах, состоит из введения, пяти разделов, заключения, основных выводов, списка используемой литературы (240 наименований), приложения и содержит 165 рисунков и 23 таблицы.
Физико-механические и реологические свойства грунтов
В зависимости от типа грунта, инженерно-геологических условий, в которых предполагается его использование, инструментальной базы и т.п., разработаны различные методы испытаний для определения свойств грунтов. Так как они обладают естественной пространственной изменчивостью, оценку литогенной основы выполняют по данным выборочной совокупности. При этом определение расчетных значений показателей с заданной степенью достоверности должно производиться на основе выполнения минимально необходимого объема лабораторных и/или полевых испытаний [28].
Весь комплекс методов исследований свойств грунтов можно условно разделить на две группы: лабораторные и полевые испытания (включая сейсморазведочные работы, по результатам которых, в зависимости от величин скоростей продольных и поперечных волн, можно приближенно оценить физико-механические свойства). Наиболее достоверные результаты дают комплексные исследования, что, зачастую, на практике не реализуется.
Для получения величин основных показателей свойств грунтов наиболее часто используют лабораторные методы испытаний. Они позволяют смоделировать работу грунта в различных инженерно-геологических условиях (дренирования, под нагрузкой и т. д.) и, что является наиболее важным, - в условиях формирования поверхности скольжения. Основными недостатками являются масштабный фактор, субъективность интерпретации результатов.
Преимущества полевых методов состоят в том, что они позволяют получать близкие к достоверным значения показателей физико-механических свойств грунтов за счет выполнения работ в условиях естественного залегания в массиве, а также испытывать горные породы, исследовать которые в лабораторных условиях практически не представляется возможным [1]. К недостаткам можно отнести невозможность моделирования поведения грунтов при изменении инженерно-геологических условий.
М. Н. Гольдштейн и С. С. Бабицкая [34] пришли к выводу, что наибольшее влияние на величину сопротивления сдвигу г0 суглинистых грунтов оказывают эффективные напряжения а0. Выведено уравнение линейной зависимости:
Практическая значимость этой работы состоит в том, что появилась возможность выполнять сопоставление результатов, полученных в разных лабораториях по разным методикам на различной аппаратуре. В. Н. Бухарцев [27], проведший детальный анализ методики определения значений параметров сцепления и угла внутреннего трения, изложенной в СНиП 2.02.02-85 [134], считает необходимым отступить от традиции представления исходных данных в виде детерминированных нормативных или расчетных значений, а использовать всю имеющуюся статистическую информацию для построения нижней границы доверительной зоны [27]. В процессе проведения инженерно-геологических изысканий под строительство на склонах автомобильных и железных дорог необходимо иметь информацию об изменении прочностных и деформационных показателей пород по мере их выветривания, при наличии набухающих глинистых грунтов - определять интервалы колебаний влажности и плотности сухого грунта при изменении условий обводнения склонов (откосов), устанавливать чувствительность грунтов к динамическим воздействиям [120]. Результаты исследований изменений прочностных свойств пылеватых суглинков, возникающих в железнодорожных насыпях под действием подвижной нагрузки, выполненные в лаборатории механики грунтов ДИИТг. (Днепропетровский институт инженеров транспорта), показали следующее [149]: - с возрастанием амплитуд колебаний прочностные показатели пыле-ватого суглинка уменьшаются; - предположительно, уменьшение значений сир происходит до какой-либо предельной величины, зависящей от вида грунта, его плотности и влажности; отмечено наибольшее снижение величины с на 25%, ср— на 16%. В этой связи, схемы испытаний необходимо назначать так, чтобы они моделировали реальные условия, в которых находится грунт, и учитывали различные условия возведения сооружений и взаимодействие грунтов с сооружениями [127]. Так с целью определения параметров сдвигу, соответствующих начальному периоду строительства или эксплуатации сооружения, рекомендуется проводить испытания на образцах ненарушенного сложения и естественной влажности быстрым срезом [127]. Периоду строительства или эксплуатации (консолидация грунта под нагрузкой) в условиях дренирования соответствует схема медленного среза с предварительным уплотнением. Обозначая проблемы дорожного развития, В. Д. Казарновский [68] считает необходимым изучение поведения различных грунтов и дорожных материалов при воздействии многократных кратковременных нагрузок. Это позволит выявлять закономерности накопления остаточных деформаций при определенном порядке нагружения в различных конструктивных слоях. В. И. Клименко и В. Ф. Безруковым [74] составлена «Региональная инженерно-геологическая классификация пород южного склона Северо-Западного Кавказа (на участке Туапсе — Адлер)». Разработка включает в себя не только выделение геолого-генетических комплексов горных пород с классификацией по литологическим разностям и возрасту, но и балльные оценки прочности, крепости, а также величины (диапазон) временного сопротивления одноосному сжатию. По результатам исследований составлена сводная обобщенная таблица физико-механических свойств грунтов
Методика переходных коэффициентов для оценки устойчивости склонов
Как правило, оползень имеет нелинейные размеры в плане и по глубине, а скорости перемещения отдельных частей массива различаются по величине и направлению. Подходы к обеспечению устойчивости различных по назначению объектов также могут существенно отличаться. Так защита линейных сооружений (автомобильных дорог, трубопроводов, путепроводов) предусматривает комплекс противооползневых мероприятий, направленных на предупреждение подвижек вдоль всей протяженности участка. Однако имеют место воздействия оползней на объекты, размеры которых в плане значительно меньше по сравнению со смещающимся массивом (опоры мостов, путепроводов, линий электропередач и т. п.).
В ряде случаев для защиты железных и автомобильных дорог от оползневых воздействий достаточно и целесообразно обеспечить устойчивость сравнительно узкой полосы, требующейся для проложения земляного полотна и устройства при нем противооползневых сооружений (в связи с чем, имеет место возведение эстакад или инженерная подготовка неширокой полосы) [174]. Земляное полотно горных дорог постоянно подвергается воздействию неблагоприятных инженерно-геологических факторов - от процесса разуплотнения массива при уменьшении бытового давления в результате срезки, до динамической нагрузки от транспортных средств. По мере строительства и эксплуатации начинает проявляться влияние выветривания, нарушенного режима стока подземных и поверхностных вод, способствуя активному снижению физико-механических свойств обнаженных в процессе устройства выемки отложений и водонасыщению основания полотна дороги. В состав защитных мероприятий входят [78, 174]: 1. Улучшающие физико-механические свойства грунтов [38] (водоотводные, осушающие, агролесомелиорация, цементация, покрытия и другие). 2. Механическое воздействие на оползневой участок склона и его крепление (планировка или уположение откоса, удерживающие сооружения). 3. Удаление оползневых отложений (гидросмыв, срезка, экскавация). 4. Обход оползней при техногенном освоении склона (перенос трассы автомобильной дороги, возведение эстакад и т. п.). 5. Берегозащитные (буны, отвод русел, защитные покрытия и другие). Иногда достаточно устройства на склоне водоотводных и противоэро зионных сооружений в сочетании с их правильной эксплуатацией. Эти меры предотвращают разуплотнение и водонасыщение грунтов, процесс формирования в толще поверхности смещения. Водоотводные мероприятия направлены на регулирование нарушенного стока поверхностных вод и предотвращение застаивания воды в подошве откоса с ее инфильтрацией. Дренажные мероприятия способствуют осушению водонасыщенного массива, снижению положения кривой депрессии. При распространении глинистых грунтов с малой водоотдачей, их гравитационное дренирование затруднено.
Когда причиной смещений является пригрузка головы оползня насыпными грунтами или разуплотнение массива от транспортной (сейсмической) нагрузки требуются более сильные меры по предупреждению или остановке очередных подвижек грунтов, особенно, если они представлены глинистыми отложениями или блоками, смещенных ранее, коренных пород. Интенсивность развития оползневых деформаций может быть настолько быстрой и существенной, что процесс разрушения водоотводных сооружений опережает их позитивное воздействие на склон [47].
В качестве одного из примеров рассмотрим участок на ПК52 автомобильной дороги в обход г. Сочи. Участок приурочен к верхней трети структурного эрозионно-денудационного склона северо-западной экспозиции. Геолого-литологическое строение представлено коренными породами сочинской свиты (аргиллиты с прослоями алевролитов и редкими маломощными прослоями песчаников) и продуктами их денудации.
До начала строительства дороги коренной структурный склон находился в относительно устойчивом состоянии. Начатые в 1991-1992 гг. работы были приостановлены до 1999 г. из-за отсутствия финансирования. Грубо террасированный, незащищенный в течение 7-8 лет, склон подвергся выветриванию, плоскостному смыву и эрозии. Образовывались поверхностные (мощностью 2-3 м) оползни, приведшие к деформированию лотков. После дополнительной подрезки еще на 5-7 м по вертикали и до 200 м по фронту, 8 июля 2000 г. образовался блоково-пластовый оползень мощностью порядка 12 м. Сместившаяся масса грунта объемом около 40 тыс. м3 разрушила значительную часть свайного удерживающего сооружения (рис. 3.1).
Аварийная ситуация на участке автомобильной дороги потребовала разработки и возведения мощных удерживающих сооружений после детального изучения инженерно-геологических условий. Формы механического воздействия на оползневой участок различны: от планировки поверхности до комплекса противооползневых сооружений. В зависимости от типа и механизма смещения, глубины поверхности скольжения применяются контрбанкеты, упорно-дренажные призмы, свайные удерживающие сооружения, анкерные конструкции, подпорные стены гравитационного типа, габионные конструкции с системой армирования грунта «Террамеш» и другие, а также их комбинации (свайно-анкерные и т. п.).
Введение в грунт арматуры изменяет напряженно-деформированное состояние насыпи. О. Ю. Ещенко [57] показал, что на форму распределения по высоте насыпи растягивающих усилий в арматуре сильное влияние оказывает жесткость основания: при сильно сжимаемом основании усилия монотонно возрастают сверху вниз, а в условиях несжимаемого основания - наибольшее растягивающее усилие имеет место на некотором расстоянии от низа насыпи, затем снижаясь. Наиболее эффективным способом обеспечения устойчивости армогрунтовых насыпей является уплотнение грунта по наклонным площадкам, позволяющее исключить микро-изгиб арматуры.
Влияние сил межотсекового взаимодействия на устойчивость склонов
Похожая расчетная схема была предложена 3. С. Орагвелидзе [94]. Отмечено, что сила сопротивления сваи, как общее сопротивление горизонтальному смещению грунтов, является равнодействующей сил: обусловленных давлением грунта на грани грунтовой призмы (ядра) и на боковые грани призматической сваи. Предложен коэффициент формы, равный л/4, для использования полученного решения в случае круглых свай.
С. Viggiani [237] проанализировал известные методики расчета свай на оползневые воздействия и разделил их на две группы в зависимости от консистенции грунтов. Им получено решение с учетом возможного образования в сваях пластических шарниров, сделан вывод, что величина коэффициента пропорциональности к в выражении р = к с d определяется величинами к - 3,1 -ь 4,3 для оползневых грунтов и &= 7,2 для несмещаемых грунтов.
Известное решение Прандтля [157] о вдавливании плоского штампа определяет предельное давление величиной р = 5,14 с d и не учитывает взаимодействия с боковой поверхностью призматической сваи. Н. G. Poulos [224] показал, что для сваи квадратного сечения предельное давление на нее р = (8,28 -ь 11,14) с d и зависит от условий трения на поверхности. М. F. Ranndolph и G. Т. Houlsby [225] построили кинематически допустимое поле линий скольжения для круглой сваи в глинистом грунте. Они определили границы действующего усилия: р = (9,14 -г- 11,94) с d. Приняв, по L. S. Reese [226], коэффициент пластического трения ju = 0,4, авторами рекомендовано р = 10,5 с d.
На оползневом склоне сваи обычно используются как элементы противооползневых сооружений. Поэтому необходим учет влияния смежных свай при определении напряженно-деформированного состояния. Также как и в расчетах одиночных свай, рассматривались различные модели взаимодействия оползневого грунта с конструкциями противооползневых сооружений.
Распространенной моделью взаимодействия оползневого грунта со свайными элементами удерживающего сооружения является схема, полученная из теории арочного эффекта. В соответствии с ней, при перемещении грунта происходит перераспределение давления со смещающейся массы на смежные с ней, остающиеся в покое, части; грунт перед смещающейся частью образует несущее тело. Введенные допущения [30, 162] о форме несущего тела в виде свода с двухшарнирной аркой параболической формы позволили получить [30] формулу для определения критического расстояния между осями удерживающих элементов. Следует отметить, что полученные зависимости неприменимы для грунтов пластичной консистенции, когда несущие арочные своды образовываться не могут.
Т. Ito и Т. Matsui разработали [205] методику расчета свайных элементов рядов противооползневых сооружений на основе теории «пластических деформаций». Т. Ito, Т. Matsui и W. Hong [206] разработали расчетные методы, учитывающие расположение ряда на склоне, условие закрепления голов свай [207], количество рядов в удерживающем сооружении [208]. Рекомендации по проектированию представлены в виде номограмм, что позволяет быстро подобрать необходимые параметры конструкции.
Разработанная методика проверена авторами [217] в лабораторных исследованиях. Модельный грунт (глина, имеющая сцепление с = 10, 17 и 22 кПа, и песок с углом внутреннего трения (р = 35,3) был помещен в лоток размером 60 х 30х 30 см. При перемещении лотка грунт взаимодействовал с неподвижными моделями свай диаметром 2, 3 или 4 см. Расстояние между свайными элементами рядов по ходу экспериментов изменялось в пределах 1,25 + 15 диаметров. Полученные результаты предельного давления, действующего на сваю, хорошо согласовались с теоретическими формулами.
Т. Adashi, М. Kimura и S. Tada [176] провели численные исследования взаимодействия свайного ряда с грунтом оползня методом конечных элементов. Исходными данными численного анализа являлись: удельный вес грунтов у — 21 кН/м3; модуль деформации Е = 500 кПа; коэффициент Пуассона v = 0,33; угол внутреннего трения р= 30. Полученные зависимости давления на свайные элементы от перемещения грунта оползня хорошо сошлись с экспериментальными данными тех же авторов [175]. Сделан вывод о более выгодной использовании зигзагообразной формы свайного сооружения. Вместе с тем, расчетные значения оползневого давления значительно превосходили экспериментальные, что авторами было лишь констатировано, но не объяснено. Кривизна арок-зон пластических деформаций также значительно отличалась в численных и лотковых экспериментах.
А. С. Бусловым [26] получено уравнение движения оползня при наличии местных сопротивлений. Предложенные формулы определяют скорость движения массива при любом количестве свай, заглубленных в коренные породы. Вычисления позволяют определить оптимальное количество свайных элементов противооползневого удерживающего сооружения, при котором достигается полная стабилизация.
Используя комбинированную модель, описывающую изменение напряжений вблизи удерживающих элементов, А. И. Билеуш [16] получил зависимости для определения деформаций и усилий в оползневом блоке. Это позволило разработать методику расчета противооползневых сооружений, учитывающую прочностные и деформационные свойства грунтов [12] при проектировании свайных элементов в виде шпилек, работающих на растяжение и срез и не воспринимающих изгибающих моментов [14].
Решение А. С. Строганова [142] вязко-пластического течения слоя использовал A. Musso [220] при исследовании оползневого воздействия на свайные элементы ряда. Сделан вывод о том, что не учитываемая Т. Ito, Т. Matsui [205] и Е. Е. De Beer [191], кинематическая вязкость при аналогичных расчетах в 2-3 раза увеличивает значения действующих на сваи усилий.
Возможной моделью оползневого движения является течение жидкости при малых числах Рейнолъдса. Воздействие ее на ряды цилиндрических тел различных диаметров при произвольной ориентации относительно направления движения исследовали S. Н. Lee и L.G. Leal [215]. Сила сопротивления ряда цилиндров при уменьшении угла встречи между направлением течения и рядом снижалась. Однако применительно к расчетам свай на оползневом склоне эта модель дает заниженные на порядок значения давления, так как в грунте определяющими являются его физико-механические показатели (сцепление и угол внутреннего трения).
Исследование взаимодействия оползневого грунта и свайных рядов удерживающих сооружений
Оползневое смещение является следствием комплексного воздействия природных и техногенных факторов и может подготавливаться годами или происходить в процессе начального освоения склона. В механике грунтов нет «идеальных» методов оценки устойчивости, в силу наличия целого ряда допущений и неопределенностей. Говоря словами К. Терцаги: «... Во многих случаях оказывается невозможным оценить степень устойчивости склона в оползневом отношении раньше, чем произойдет сам оползень» [78].
Ограниченности детерминированного подхода могут быть компенсированы вероятностными моделям. В этой связи уточнения, вводимые в расчетные схемы (учет пространственной изменчивости свойств грунтов, использование вероятностных подходов и т. п.), могут оказаться весьма значимыми, особенно при возведении протяженных сооружений. Значительную роль играет оценка оползневой опасности исследуемого участка.
Согласно терминологии, предложенной А. Л. Рагозиным [118] и другими учеными - геотехниками [11], опасность означает процесс, свойство или состояние природы (например, объемов литосферы), общества или техники, представляющие угрозу для жизни или благосостояния людей, объектов хозяйства, окружающей среды. Определяется вероятностью проявления природного / техноприродного процесса в данном месте, в заданное время.
Оползневая опасность является частным случаем геологической и обусловливается силой тяжести (энергией рельефа). Оползневое явление становится опасностью тогда, когда оно способно привести к неблагоприятным последствиям, связанным с жизнедеятельностью людей. Опасность может быть существующей и потенциальной и описываться терминами геометрии, механики и другими показателями [188].
Основными параметрами для оценки состояния природной среды являются [74]: литогенная основа (инженерно-геологическая группа пород); рельеф (класс рельефа); гидрогеологические условия; современные геологические процессы (интенсивность проявления). По интегральной шкале, в зависимости от суммарного оценочного балла, определяется категория сложности инженерно-геологических условий участка исследований. В настоящее время основные факторы формирования оползней условно подразделяют на две группы [102]: - факторы-условия, отражающие состояние геологической среды (морфология, литология, положение уровней грунтовых вод и т. п.); - факторы-процессы и воздействия, изменяющие состояние склонов (эрозия, выветривание, техногенез и т. п.). Оползнеопасность склонов определяется, например, совпадением углов падения слоев и склона, что является одним из факторов-условий. Факторы-процессы эрозии и абразии способствуют возрастанию оползневой активности за счет увеличения общей крутизны. Как правило, на каждом оползневом склоне подвижки грунта возникают не по одной, а по комплексу причин. Результаты обследования 53 оползневых склонов участков автомобильных дорог регионального значения в г. Сочи показали, что смещению грунтов откосов и деформациям земляного полотна способствовали: - выветривание - отмечено на 57% процентах склонов; - эрозия временными и постоянными водотоками - 40%; - выход подземных вод на поверхность - 53%; - техногенные причины (сброс продуктов выветривания на низовой откос, неправильная организация водоотвода и пр.) - 53%; - водонасыщение оползневых грунтов - практически 100% случаев. К основным количественным параметрам устойчивости при вероятностном подходе относятся: Вероятность обрушения Р является функцией индекса надежности, означая вероятность получения коэффициента устойчивости меньшего единицы. Вычисляется интегрированием площади под кривой плотности нормального распределения для значений Ку меньших единицы. Коэффициент вариации и стандарт значений коэффициента устойчивости отражают изменчивость свойств грунтов и влияют на величину вероятности обрушения, возрастающей с увеличением диапазона разброса исходных данных. Оценка оползневой опасности выполняется специалистами на основе обоснованных суждений и включает в себя установление механизма, размеров, глубины смещения, частоты, факторов, причин и повода возникновения подвижек, последствий прямых и косвенных, количества потенциальных оползней, моделирование различных типов проявления неблагоприятных техноприродных процессов, картирование территории и т. п. При этом всегда остаются неопределенности, однако понимание природы и механизма явления, масштаба потенциальных последствий обеспечивают основу для дальнейшей оценки оползневого риска и поддержания работы исследуемой при-родно-технической системы на безопасном уровне. Изучение свойств оползневых грунтов и получение нами эмпирически коэффициентов перехода позволило также количественно оценить оползневую опасность на участке автомобильной дороги Холмский - Новый в районе опоры № 106 ВЛ-\ 10 кВ. Для этого были выполнены вероятностные расчеты. Исходные данные, определившие наиболее вероятный диапазон изменчивости прочностных свойств оползневых грунтов, получены по коэффициентам перехода, представленным в главе 4:
На рисунке 5.1 приведены результаты вероятностного расчета устойчивости откоса на особое сочетание нагрузок. Низкая величина Ку"аим — 0,425 и высокая - Кунаи - 1,719 объясняются широким расчетным интервалом разброса значений прочностных показателей грунтов из-за отсутствия лабораторных испытаний. Однако Куср = 1,111 позволяет сделать вывод о близкой сходимости результатов расчетов с натурными наблюдениями: на момент исследований откос находится во временно устойчивом состоянии.
Похожие диссертации на Противооползневая защита и управление риском
