Stroi-doska.ru

Строй Доска
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Расчет устойчивости откоса по методу бишопа

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ СКЛОНОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАСЧЕТОВ АНАЛИТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ И МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Перевощикова Н. А. 1 , Идиятуллин М. М. 2

1 ORCID: 0000-0002-0372-8481, Кандидат геолого-минералогических наук, 2 ORCID: 0000-0003-1273-3722, Магистрант, Санкт-Петербургский государственный университет

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ СКЛОНОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАСЧЕТОВ АНАЛИТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ И МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Аннотация

В статье приводится сравнение результатов расчётов устойчивости двух потенциально оползнеопасных склонов, расположенных в Волгоградской области. Оценка устойчивости склонов выполнена численными и аналитическими методами, в том числе с использованием современного программного комплекса GEO5. Аналитические расчёты производились в соответствии с положениями теории предельного равновесия, тогда как для расчета по численной модели был использован метод снижения прочности. Применение двух принципиально различных расчетных схем позволяет с большей достоверностью оценить устойчивость склонов и перспективы их использования в качестве основания сооружений.

Ключевые слова: расчёт устойчивости, устойчивость склона, методы расчета устойчивости, метод конечных элементов, метод снижения прочности, GEO5.

Perevoshchikova N. A. 1 , Idiyatullin M. M. 2

1 ORCID: 0000-0002-0372-8481, PhD in Geology and Mineralogy, 2 ORCID: 0000-0003-1273-3722, Master student, Saint-Petersburg State University

COMPARATIVE ANALYSIS OF SLOPES’ STABILITY WITH HIGH POTENTIAL RISK OF LANDSLIDE BY THE RESULT OF CALCULATION USING ANALYTICAL METHODS AND FINAL ELEMENT METHOD

Abstract

The article compares results of stability calculations of two slopes in Volgograd region with high potential risk of landslide. Evaluation is accomplished using analytical and numerical methods also using modern GEO5 software. Analytical calculations were made by provisions of Coulomb’s wedge theory, in contrast of numerical model, where was used shear reduction method. Usage of two different calculation schemes renders possible to make a high-precision conclusion about slopes’ stability and about using them as a structure base.

Keywords: stability calculation, slope stability, calculation of stability methods, finite elements method, shear reduction method, GEO5.

При проектировании и строительстве линейных сооружений значительное влияние на их эксплуатационную надёжность оказывает распространение опасных геологических и инженерно-геологических процессов. Развитие в районе работ особого типа опасных склоновых процессов – оползней – требует углублённого изучения инженерно-геологических особенностей строения оползнеопасных (или потенциально оползнеопасных) участков.

Для проектирования сооружения и мероприятий по инженерной защите склона требуется выполнение оценки устойчивости склона. Количественной мерой устойчивости при этом является величина коэффициента устойчивости (Ку). Расчёт производится при известном положении поверхности скольжения для оползнеопасных склонов или при предполагаемом положении наиболее опасной поверхности скольжения – для потенциально оползнеопасных склонов.

При выполнении инженерно-геологических изысканий для строительства линейного объекта в Волгоградской области было отмечено развитие консеквентных оползней и оползней-оплывин на склонах нескольких крупных балок и оврагов.

В пределах трассы проектируемого сооружения были выявлены два участка, где существует возможность развития оползневых процессов. Их уклон в пределах участка работ достигает 30-35°. Склоны задернованы, на наиболее крутых участках присутствуют проявления осыпей. По совокупности этих признаков, а так же исходя из наличия в районе работ оползневых процессов на аналогичных склонах, склоны были отнесены к потенциально оползнеопасным.

Геологическое строение участка работ характеризуется наличием в разрезе четвертичных отложений аллювиального генезиса, представленных преимущественно песчаными, в меньшей степени глинистыми грунтами. Песчаная фракция представлена мелко- и среднезернистыми песками, средней плотности и плотными, маловлажными. Среди глинистых грунтов выделены супеси пылеватые, суглинки легкие пылеватые и песчанистые, глины легкие пылеватые. Консистенция глинистых отложений от тугопластичной до твёрдой. Залегание преимущественно в виде линз и прослоев мощностью до 2 метров. Помимо аллювиальных отложений, в отдельный инженерно-геологический элемент был выделен почвенно-растительный слой, мощностью 0,8-0,9 м.

Гидрогеологические условия характеризуются наличием водоносного горизонта на отметке менее 110 абс. м (по данным разведочного бурения), что позволяет не учитывать действие подземных вод при расчёте устойчивости склонов.

В качестве механизмов, которые могут привести к интенсификации оползневых процессов, были обозначены изменения гидрогеологических условий (повышение уровня грунтовых вод при изменении условий питания и разгрузки водоносного горизонта), а также антропогенное изменение профиля склона и почвенного покрова в результате инженерной или мелиоративной деятельности человека.

Методы расчёта устойчивости.

Большинство методов расчета устойчивости склона основываются на положениях теории предельного равновесия. При этом грунтовый массив рассматривается с точки зрения критерия прочности Кулона-Мора, согласно которому разрушение грунта происходит в виде сдвига по поверхности с наименьшей несущей способностью. Прочность грунтового массива определяется его прочностными характеристиками: сцеплением и углом внутреннего трения, при этом деформационные характеристики в расчётах по первому предельному состоянию не учитываются. Решение такого рода задач обеспечивается связью между нормальными и касательными напряжениями.

Данный подход применялся при решении поставленной задачи по оценке устойчивости склона аналитическими методами. Несколько другой алгоритм расчёта был использован при выполнении расчётов численным методом конечных элементов (МКЭ). Если первая расчётная схема подразумевает предварительное нахождение потенциальных поверхностей скольжения, а затем выполнение по ним расчёта устойчивости, с определением наименее устойчивой конфигурации склона, то для второй схемы применялся метод снижения прочности (SRM – shear reduction method). Суть данного метода заключается в одновременном снижении показателей прочностных характеристик. При этом возникающие в массиве деформации оцениваются для каждой итерации, вплоть до наступления момента разрушения грунта. Положение поверхности скольжения формируется автоматически, исходя из величины возникающих в массиве деформаций. Таким образом, программой единовременно выполняется расчёт коэффициента устойчивость склона и нахождение наиболее опасной поверхности скольжения [1].

Читать еще:  Зачистка откосов под покраску

Оценка устойчивости склонов.

В ходе данного исследования были выполнен расчёт устойчивости двух потенциально оползнеопасных склонов по методам Маслова, Шахунянца, Феллениуса-Петтерсона, Спенсера, Бишопа, а также методом конечных элементов.

В качестве исходных данных были приняты материалы инженерно-геологических исследований склона, которые включали: рекогносцировочные маршрутные наблюдения, проходку инженерно-геологических выработок с отбором проб грунтов, определение физико-механических характеристик грунтов в лаборатории и полевые испытания грунтов “in situ” методами статического и динамического зондирования.

Нормативные значения прочностных характеристик грунтов принимались по результатам лабораторного определения сопротивления грунта неконсолидированному срезу, а также по данным статического и динамического зондирования и таблицам СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*». При оценке устойчивости склонов использовались расчетные значения характеристик прочности грунтов (Таблица 1), принятые по первому предельному состоянию.

Расчёт методом Маслова выполнялся вручную. Определение положения наиболее опасной кривой скольжения при этом производилось методом подбора. Графические построения выполнялись в программной среде AutoCAD. Расчеты устойчивости склонов прочими методиками выполнялся в программной среде GEO5.

Таблица 1 – Значения физико-механических характеристик грунтов, используемых при расчёте устойчивости склонов

Выполнение аналитических расчётов в программе GEO5 осуществлялось по двум алгоритмам. В первом случае нахождение наиболее опасной поверхности скольжения производилось программой автоматически (методом подбора). Во втором случае поверхности скольжения задавались вручную. Это позволило сравнить значения коэффициента устойчивости, полученного программой, с результатами ручного расчета. По найденным программой наиболее опасным поверхностям скольжения также был выполнен расчёт вручную.

Решение задачи методом конечных элементов выполнялось программой автоматически, без возможности задания геометрии поверхностей скольжения.

Сравнение результатов расчётов.

Положение предполагаемых кривых скольжения при расчёте методом Маслова показано на инженерно-геологических разрезах потенциально оползнеопасных склонов (рис. 1, 2). Поверхности скольжения №10 и №7 являются наиболее опасными поверхностями скольжения, найденными программой для склонов №1 и №2 соответственно. Примечательно, что их положение оказалось идентичным для каждого аналитического метода, по которому выполнялся расчёт в программе GEO5.

Сравнение результатов расчётов, выполненных аналитическими методами (Таблицы 2, 3) позволяет сделать вывод, что для склона № 1 найдена результирующая для всех методов наиболее опасная поверхность скольжения. Для склона № 2 положения таких поверхностей значительно различаются.

Графические схемы распределения горизонтальных деформаций в расчётных грунтовых моделях на момент потери устойчивости склонов, полученные расчётом по методу конечных элементов (рис. 3, 4) позволяют визуализировать положение поверхности скольжения при более сложной геометрической форме.

Рис. 1 – Инженерно-геологический разрез склона № 1

Рис. 2 – Инженерно-геологический разрез склона № 2

Рис. 3 – Графическая схема распределения горизонтальных деформаций массиве грунта в момент потери устойчивости (склон № 1)

Рис. 4 – Графическая схема распределения горизонтальных деформаций массиве грунта в момент потери устойчивости (склон № 2)

Таблица 2 – Значения коэффициента устойчивости склона № 1, полученные аналитическими методами

Таблица 3 – Значения коэффициента устойчивости склона № 2, полученные аналитическими методами

Сравнение наименьших значений коэффициента устойчивости склонов, рассчитанных различными методами (Таблица 4) позволяет предположить устойчивость склонов в естественном состоянии.

Наименьшие значения получены при расчёте методом Феллениуса-Петтерсона. Данный метод применим только к круглоцилиндрическим поверхностям скольжения и удовлетворяет только уравнению равновесия моментов сил. Это самый простой метод, не отличающийся высокой точностью. Его применение в условиях неоднородного геологического разреза не вполне корректно, т.к. в этом случае не учитывается более сложная механика оползневых смещений [4].

Расчёт методом Маслова показал наибольшие значения коэффициента устойчивости. Этот метод удовлетворяет уравнению равновесия сил, при расчётах рассматриваются их горизонтальные составляющие. Он позволяет производить расчёт как по круглоцилиндрической, так и по многоугольной поверхностям скольжения. При этом значения коэффициента устойчивости, рассчитанные по методу конечных элементов, из всех методов оказались наиболее близкими к значениям, полученным при расчете вручную по методу Маслова.

Таблица 4 – Сравнение результатов расчётов, выполненных различными методами

Выводы.

Исходя из полученных значений, оба склона в естественном состоянии являются устойчивыми. Анализ результатов расчётов показывает, что значения коэффициента устойчивости, полученные расчётом вручную, оказались выше, чем значения, полученные расчётом в программе GEO5. Говорить о завышении или занижении результатов расчётов не представляется возможным, ввиду отсутствия истинных эталонных значений коэффициента устойчивости. Тем не менее, рассмотрение склонов с точки зрения строительства подразумевает принятие наименьших значений коэффициента устойчивости. Возможное занижение результатов оценки устойчивости склонов в таком случае будет работать в запас устойчивости склона.

Читать еще:  Устойчивый угол откоса борта карьера

При проведении строительных работ, возможное изменение инженерно-геологических условий в результате нарушения почвенного слоя, подрезки склона, повышения уровня грунтовых вод и других воздействий может привести к снижению их устойчивости и интенсификации оползневых процессов. Поэтому при использовании склонов в качестве основания рекомендуется выполнение дополнительных геотехнических расчётов, исходя из особенностей принимаемых конструктивных решений и приложенных нагрузок.

Литература

  1. Федоренко Е.В. Метод расчета устойчивости путем снижения прочностных характеристик // Транспорт Российской Федерации. – 2013. – №6 (49). – С. 24-26.
  2. Хуан Я.Х. Устойчивость земляных откосов. Пер. с англ. В.С. Забавина. Под ред. В.Г. Мельника. – М.: Стройиздат, 1988. – 240 с.
  3. Методические рекомендации по предотвращению оползней на автомобильных дорогах Таджикской ССР. Под ред. Э.М. Доброва. – М.: СОЮЗДОРНИИ, 1977. – 53 с.
  4. Рекомендации по количественной оценке устойчивости оползневых склонов. Тихвинский И.О. – М.:ПНИИИС, Стройиздат, 1984. – 80 с.
  5. ГОСТ 20522-2012 Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. – М.: Стандартинформ, 2013.
  6. ГОСТ 25100-2011 Грунты. Классификация. – М.: Стандартинформ, 2013.
  7. СП 11-105-97 Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов. – М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2004.
  8. СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. – М.: Минрегион России, 2011.

Способы и расчеты укрепления откосов и склонов

Укрепление с помощью геосинтетиков используется для повышения устойчивости откосов, насыпей и склонов на глубинный сдвиг за счет работы горизонтальных слоев первичного армирования. Армированный земляной склон может быть восстанавливаемой частью откоса или применяться для усиления участков грунтовых насыпей.

Послойное укрепление позволяет уложить откос грунта под более крутым углом, чем в случае неармированного. Может возникнуть необходимость в повышении устойчивости склонной поверхности (особенно в период укладки и уплотнения грунта) за счет использования относительно коротких и более плотно уложенных слоев вторичного армирования или путем оборачивания армирующих слоев вокруг склонной поверхности. В большинстве случаев откосная поверхность должна быть защищена от эрозии. Для этих целей требуются геосинтетические материалы заполненные грунтом георешетка или геосетки, которые часто используются для временной анкеровки растительного слоя.

На нижней иллюстрации показана дренажная система, которая может потребоваться для устранения фильтрационного давления в армированной зоне.

Положение, количество, длина и прочность основного (первичного) армирования, которое требуется для обеспечения достаточного коэффициента устойчивости против разрушения откоса, определяется обычными методами предельного равновесия, модифицированными для учета стабилизирующих усилий от армирования. Проектировщик может использовать «метод отсеков» для круглоцилиндрической поверхности скольжения, сложной поверхности скольжения, двухчастного клина или ломаной поверхности сдвига. Предполагается, что армирующие слои предоставляют удерживающее усилие в точке пересечения каждого слоя с рассматриваемой потенциальной поверхностью сдвига. Коэффициент запаса (устойчивости) обычным методом Бишопа может быть определен с использованием следующего уравнения:

где MR и MD – соответственно удерживающий и сдвигающий моменты для неармированного откоса, α — угол между растягивающим усилием в арматуре и горизонталью, и Tallow – максимальная допускаемая прочность арматуры на растяжение. Так как геосинтетическая арматура растяжима, проектировщик может предположить, что арматурное усилие действует тангенциально к плоскости сдвига, когда RT cos α = R . В число потенциальных поверхностей сдвига должны включаться как проходящие частично через армированный массив грунта, а частично через грунт вне армированной зоны, так и полностью находящиеся в зоне армированного грунта.

Пример использования метода круглоцилиндрических поверхностей скольжения для расчета армогрунтового откоса на устойчивом основании.

ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ

Методы расчета устойчивости откосов позволяют в количественной форме установить влияние различных процессов на состояние массива горных пород и оценить эффективность ме­роприятий по снижению их негативной роли.

Классификация составлена по схеме: класс методов — группа методов — основной метод (методы) группы — расчетные способы и схемы, использующие основной метод.

Основным классификационным принципом для выделения классов методов принято определение параметров устойчивого откоса.

Выделено пять классов методов:

1. Класс А (основной метод В.В. Соколовского, расчетные способы и схемы И.С. Мухина и А.И. Срагович, A.M. Сенкова, Г.Л. Фисенко, В.Т. Сапожникова, В.Т. Пушкарева, Ю.Н. Малюшицкого, С.С. Голушкевича) — методы, предусматриваю­щие построение контура откоса, являющегося внешней границей зоны, во всех точках которой удовлетворяется условие пре­дельного равновесия.

В классе А выделены две группы методов:

в первой — используется численное,

во второй — графическое интегрирование дифференциальных уравнений предельного напряженного состояния.

2. Класс Б (Н.Н. Маслова» М.Н. Троицкой) — методы, предусматривающие построение контура откоса, вдоль которого удовлетворяется равенство угла наклона касательной углу сопротивления сдвигу.

К классу Б отнесены два метода, характеризующиеся разбивкой откоса на горизонтальные слои и определением устойчивого угла наклона каждого слоя с учетом массы вышележащих пород.

Читать еще:  Откосы для проездов это

3. Класс В — методы, предусматривающие построение в массиве откоса поверхности скольжения, вдоль которой удовлетворяется условие предельного равновесия.

В классе В выделено пять групп методов:

— в первой группе расчет устойчивости откоса производится на основе плоской поверхности скольжения (Л.Н. Бернацкого, П.Н. Цымбаревича),

— во второй — круглоцилиндрической (В. Феллениуса» Д. Тей­лора, Н. Янбу, М.Н. Гольдштейна, О. Фрелиха, А. Како, Й.В. Фе­дорова),

— в третьей — логарифмической спирали (Г. Крея — К. Терцаги, P.P. Чугаева, А, Бишопа, Г.М. Шахунянца, Е. Спенсера, Н. Моргенштерна — В. Прайса),

— в четвертой — поверхности скольжения сложной криволинейной формы (Л. Рендулика» Н.П. Пузыревского — П.И. Кожевникова, Ю.С. Козлова — В.П. Будкова, Г.Л. Фисенко, Л.В. Савкова, А.Г. Дорфмана, конечных элементов),

— в пятой — поверхности скольжения ломаной формы (А.П. Ясюнас, Н.Н. Маслова, P.P. Чугаева).

Во второй группе методов выделены две подгруппы:

в первой учитывается условие равновесия откоса,

во второй — условие равновесия отдельных вертикальных отсеков.

4. Класс Г (методы ВНИМИ — Г.Л. Фисенко, Н.Н. Кувае-ва,Э.Л. Галустьяна, ГИГХС — М.Е. Певзнера; Э.Г. Газиева,В.И, Речицкого, Э.А. Фрейберга — Гидропроекта, Л.В. Савкова — ВНИИЦветмета, П.Н. Панюкова — МГИ, И.И. Попова и Р.П. Окатова — КарПи) — методы, предусматривающие построение в массиве поверхности скольжения, вдоль которой удовлетворяется условие специального предельного равновесия.

Класс Г включает в себя методы, в которых определение сдвигающих и удерживающих сил производится с учетом прочностных характеристик, действующих по поверхности ослабления откоса. В этот класс входит также группа методов, учитывающих объемный характер процесса разрушения и форму призмы обрушения.

5. Класс Д — методы, предусматривающие вероятностную оценку устойчивости откосов на основе статистических оценок определяющих факторов.

Многообразие геологических и гидрогеологических особенностей разрабатываемых месторождений исключает существование универсального решения, пригодного для конкретных условий.

Для практических расчетов используются инженерные методы, основанные на установлении условий предельного равновесия по поверхностям скольжения, положение которых оп­ределяется путем последовательных приближений.

К числу инженерных относятся методы алгебраического суммирования сил по круглоцилиндрическим и монотонным криволинейным поверхностям и многоугольника сил. Используется также комбинации этих методов и методов предельного напряженного состояния.

Большая группа методов основана на предположении круглоцилиндрической поверхности скольжения.

Круглоцилиндрическая или монотонная криволинейная поверхности скольжения обычно образуются в массивах, сложенных однородными породами, при горизонтальном залегании слоев с близкими по значению прочностными характеристиками, а также при обратном падении слоев в сторону массива.

Принимается, что ограниченный поверхностью скольжения массив представляет собой «жесткий клин», а ожидаемое смещение массива рассматривается как вращение «жесткого клина» вокруг оси, параллельной откосу и служащей осью кругового цилиндра (рис.).

В плоской задаче круглоцилиндрическая поверхность скольжения превращается в дугу, а ось этой поверхности — в точку.

Момент вращения сил МС, стремящихся повернуть массив смещающихся пород вокруг точки О, определяется массой этого клина Р и горизонтальным расстоянием А между центром тяжести клина (точкой приложения массы клина Р) и центром вращения (точкой О), т. е.

Для определения момента вращения призму возможного обрушения разбивают на ряд вертикальных блоков одинаковой ширины.

hi — высота i-го блока, м;

bi -ширина элементарного блока, м.

Момент вращения, создаваемый элементарным блоком:

ai — горизонтальное расстояние от центра приложения массы элементарного блока до оси вращения (точки О).

Ti=Pisinαi — касательная составляющая массы отдельного блока, действующую по поверхности скольжения в пределах данного блока

Момент вращения сил

МС=R

где n — число элементарных блоков.

Силами, удерживающими призму возможного обрушения от смещения, являются силы трения по поверхности скольжения и силы сцепления.

Момент вращения сил, удерживающих массив от смещения

Мy=Rtgj cosαi+Rc

где R -радиус наиболее опасной поверхности скольжения, м.

В состоянии предельного равновесия по принятой поверхности скольжения выполняется равенство моментов удерживающих и сдвигающих сил:

Коэффициент запаса устойчивости

η=

Если η>1, массив находится в допредельном равновесном состоянии, удерживающие силы будут превосходить сдвигающие.

Упрощенный способ построения круглоцилиндрической поверхности скольжения (рис.).

Рис. Схема упрощенного способа построения круглоцилиндрической поверхности скольжения

Недостатки метода круглоцилиндрической поверхности скольжения — коэффициент запаса меньше фактического. Степень этого несоответствия зависит от высоты откоса, его угла и углов внутреннего трения пород и может колебаться от 3 до 20 %.

При высоте откосов до 100 м и небольших значениях углов трения пород (j

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector