Расчет устойчивости откосов сейсмическое

Расчет устойчивости откосов сейсмическое

Фоменко И.К., Сироткина О.Н.

КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ

«Галф интерстейт инжиниринг компании» Московский филиал

МГУ им. М.В. Ломоносова, геологический факультет

Calculation of slope stability based on a complex methodology, with use of the GLE and the FEM . Assessing the impact of factors affecting landslide process.

К ey words: landslide slope stability, seismic load, seismic effect, the balance of moments, the balance of forces, pseudostatic analysis,.

Расчет устойчивости склонов на основе комплексной методологии, с использованием метода предельных состояний и метода конечных элементов. Оценка влияния факторов, изменение которых может перевести склон в неравновесное состояние.

Ключевые слова: устойчивость оползневого склона, сейсмическая нагрузка, сейсмическое воздействие, равновесие моментов, равновесие сил, псевдостатический анализ

Одной из основных геотехнических характеристик склона является его устойчивость. Под устойчивостью склона понимается его способность сохранять свой профиль (а тем самым и вид, и строение в целом) в течение длительного времени.

Устойчивое состояние склона означает, что всевозможные процессы в грунтах, слагающих склон, находятся в состоянии равновесия.

Сохранение равновесного состояния, таким образом, возможно тогда и только тогда, когда изменения величин разнообразных экз о- и эндогенных факторов, неблагоприятно воздействующих на данный склон, не превосходят некоторых пределов. Иными словами, оценка равновесного состояния склона должна производиться с обязательным учётом всех факторов, действующих на данной оползнеопасной территории.

Оценка устойчивости склонов по-прежнему остается сложной задачей в геотехнике. В настоящее время существует достаточно много методов расчета устойчивости склонов. Выбор тех или иных методов в первую очередь определяется типом оползневого процесса и механизмом возможного смещения оползневых масс [6].

Под комплексной методикой, в рамках данной статьи, мы будем понимать соответствие расчета устойчивости склона двум критериям:

1. Использование при расчете методов с различным механико-математическим аппаратом определения устойчивости с целью оценки сходимости полученных результатов;

2. Оценка влияния факторов, изменение которых может перевести склон в неравновесное состояние.

В качестве методов оценки устойчивости склона, нами были использованы

· Один из методов предельного равновесия (метод Моргенштейна-Прайса (1965)).

· Метод конечных элементов.

При общем подходе группу методов предельного равновесия, можно разделить на 3 основные группы [4,5,7]:

· 1. Группа методов, которая удовлетворяет общему равновесию моментов

· 2. Группа методов, которая удовлетворяет общему равновесию сил

· 3. Группа методов, которая удовлетворяет общему равновесию моментов и сил.

Каждый оригинальный способ расчета характеризуется своей оригинальной системой сил (рис.1):, полученной в данном способе с использованием того или иного допущения (необходимость которого связана со статической неопределенностью задачи) .

Рис. 1. Система сил, действующая на произвольный отсек призмы обрушения. По Stability Modeling … [7]

Метод Моргенштейна-Прайса [7] удовлетворяет общему равновесию моментов и сил. Он основан на решении двух уравнений, одно из них удовлетворяет общему равновесию моментов, другое – общему равновесию сил. На рис.2 показана система сил, действующая на произвольный отсек призмы обрушения, учитываемая в методе Моргенштейна и Прайса .

Равновесие в отсеке обеспечивается:

1. Приравниванием к нулю моментов сил относительно подошвы отсека

2. Приравниванием к нулю суммы проекций сил на направления нормали и касательной к подошве отсека.

Рис. 2. Многоугольник сил в методе Моргенштейна и Прайса . По Stability Modeling … [ 7 ]

В результате получается система из двух дифференциальных уравнений, для решения которой в методе Моргенштерна и Прайса вводится упрощающее допущение, касающееся зависимости между касательными Е и нормальными N составляющими сил взаимодействия (1):

(1)

где, Е – касательные составляющие сил взаимодействия; N — нормальные составляющие сил взаимодействия; ¦ ( x ) – вид функциональной зависимости между E и N: l — доля используемой функции

В методе Моргенштерна и Прайса функциональная зависимость между E и N может быть различной. Применение уравнения (1) делает задачу расчета устойчивости по методу Моргенштерна и Прайса статически определенной.

В методе конечных элементов нахождение нормальных и касательных напряжений по поверхности скольжения осуществляется с учетом упругих свой ств гр унтов (модуля Юнга и коэффициента Пуассона).

Анализ напряженного состояния методом конечных элементов удовлетворяет условиям статического равновесия и позволяет оценить изменения напряжений, вызванные варьированием упругих свойств, неоднородности и геометрических форм [3].

Поле напряжений склона определяется решением двухмерной задачи плоской деформации с использованием конечных элементов треугольной формы. На рис.3 показана сетка конечных элементов, применяемая при расчете. Жесткие границы заданы на значительном расстоянии от границы склона, поэтому наличие их не влияет на его напряженное состояние. В методе конечных элементов матрица жесткости элементов, которая связывает силы и перемещения в узлах, определяется исходя из минимизации полной потенциальной энергии. Эти матрицы жесткости затем накладываются, образуя общую матрицу жесткости системы. Задав силы и перемещения в каждом узле на границах, система совместных уравнений, базирующихся на общей матрице жесткости, может быть разрешена относительно перемещений каждого узла. После того как установлены перемещения, для каждого элемента можно определить напряжения.

Рис.3. Разбиение склона на конечные элементы, цветом выделены инженерно-геологические элементы.

Так как в результате анализа методом конечных элементов становятся известными все напряжения по поверхности скольжения, нормальные и касательные напряжения для каждой точки этой поверхности могут быть установлены с помощью уравнений (2) и (3) По вычисленным нормальным напряжениям может быть получена прочность на сдвиг для всех точек из условия Мора—Кулона.

(2)

(3)

Общая прочность на сдвиг и общее сдвигающее воздействие могут быть найдены путем суммирования значений для всех точек по поверхности скольжения. Коэффициент запаса при этом может быть определен следующим образом (4):

(4)

Оба перечисленных метода являются детерминистическими, поскольку предполагается, что прочность грунтов на сдвиг, нагрузки, приложенные к откосу и искомый коэффициент запаса известны.

В основе расчетных методов оценки устойчивости оползневых и оползнеопасных склонов может лежать одна из двух предельных схем [1, 2].

Идея предельной схемы фактических и уменьшенных прочностных характеристик состоит в нахождении таких критических значений прочностных характеристик грунта, что бы расчетный склон перешел в состояние предельного равновесия. Соответственно коэффициент устойчивости при подобном подходе определяется как отношение фактических прочностных характеристик к их критическим значениям.

(5)

Где параметры прочности, — компонент нормального фактического напряжения; параметры приведенной прочности достаточные для поддержания равновесия.

При таком подходе сцепление и тангенс угла внутреннего трения снижаются по следующей зависимости:

(6)

Снижение параметров прочности контролируется общим множителем . Этот параметр увеличивается при пошаговой процедуре до тех пор, пока не произойдет разрушение.

Описанная предельная схема была использована при расчете устойчивости на основе метода конечных элементов.

Идея предельной схемы удерживающих и сдвигающих усилий заключается в изучении соотношения сдвигающих и удерживающих усилий действующих на склон. Коэффициент устойчивости в этом случае может быть определен как отношение удерживающих моментов к сдвигающим.

(7)

Данная предельная схема была использована при расчете устойчивости на основе метода Моргенштейна-Прайса .

Стоит отметить, что определение коэффициента устойчивости в двух описанных предельных схемах различно и использование схемы фактических и уменьшенных прочностных характеристик с точки зрения механики более обосновано. Однако на практике, как будет показано ниже, оба определения коэффициента устойчивости дают близкие результаты.

При расчете устойчивости склона учитывались следующие факторы:

Учет влияния гидрогеологических условий осуществлялся за счет изменения порового давления при повышении уровня грунтовых вод.

Эффект влияния порового давления учитывался путем введения в расчет коэффициента порового давления ru предложенного Бишопом и Моргенштейном в 1960г., которые определили его следующим образом [7]:

где u – поровое давление; g — удельный вес грунта; h – глубина рассматриваемой точки от поверхности грунта.

Учет сейсмического воздействия проводился на основе использования псевдостатического анализа.

При этом подходе эффект от землетрясения моделируется путем введения дополнительной силы, определяемой следующим образом [7]:

(2.7)

– горизонтальное сейсмическое ускорение,

— ускорение свободного падения,

— удельный вес грунта.

— коэффициент сейсмичности.

Расчет устойчивости оползневого слона с учетом сейсмического воздействия на основе псевдостатического анализа был проведен для восьми бального землетрясения. В расчет были заложены следующие величины сейсмических ускорений (в долях g ):

Горизонтальная составляющая – 0.2g;

Вертикальная составляющая — -0.1g.

В качестве участка исследований выступал оползневой бассейн, расположенный в долине р .М зымта . Обзорная схема участка исследования представлена на рис.4.

Рис. 4: Обзорная схема участка проведения работ

Расчетный профиль находится в нижней части северного склона хребта Аибга . Склон крутизной 30-45º, северо-западной экспозиции. Верхняя часть профиля приурочена к гребню второго порядка, нижняя часть приурочена к долине ручья.

В геологическом строении оползневого склона принимают участие современные коллювиально-делювиально-пролювиальные отложения и элювиальные образования. Мощность четвертичных отложений изменяется от 5- 15 м в нижней и верхней частях склона, до 2- 3 м – в центральной его части. Четвертичные образования подстилаются юрскими отложениями чвижепсинской свиты, представленные аргиллитами низкой прочности.

Уровень грунтовых вод встречен горными выработками на глубинах 5,1 м .

Построение геомеханической модели склона с целью оценки его устойчивости включало следующие этапы:

Для расчетного склона, создавалась геометрическая модель — схематическое представление строения реального объекта, его типовое разделение на отдельные слои и структурные элементы.

Основой для построения геометрической модели послужил инженерно-геологический разрез, построенный по наиболее вероятному направлению развития оползневого процесса, на основе результатов обработки инженерно-геологических изысканий. Они позволили детально установить границы между разными по своим физическим характеристикам слоями, выделить инженерно-геологические элемента и определить свойства грунтов.

В расчетах была принята упругопластическая модель поведения грунтов Мора-Кулона.

Расчет устойчивости выполнялся по следующим вариантам:

1. Без учета порового давления и сейсмического воздействия

2. С учетом порового давления

3. С учетом порового давления и сейсмического воздействия (на основе псевдостатического анализа).

Цветовая легенда – общие перемещения, серая линия – изменение профиля склона в результате активизации оползневого процесса, синяя линия – максимально прогнозный уровень грунтовых вод, фиолетовая линия – геоморфологический профиль склона

Итоговые геомеханические схемы с результатами оценки устойчивости склона по методу Моргенштейна и Прайса приведена на рис.5, конечно-элементная модель и результаты анализа на основе метода конечных элементов на рис. 6. Сравнение результатов полученных по различным вариантам расчета представлены в таблице 1.

Рис. 5. Геомеханическая схема с результатами оценки устойчивости склона по методу Моргенштейн-Прайса ( с учетом порового давления, без учета сейсмического воздействия).

Рис. 6. Геомеханическая схема с результатами оценки устойчивости склона по методу конечных элементов (с учетом порового давления, без учета сейсмического воздействия).

Оценка устойчивости расчетного склона

№ расчетной плоскости скольжения

Тип оползневого процесса

Коэффициент устойчивости склона по методу Моргенштейна — Прайса

Метод МКЭ (с учетом порового давления (по варианту 2б), без учета сейсмического воздействия)

Выполнение расчетов

Расчеты дорожной одежды

• выполнение расчетов конструкций дорожных одежд по методикам:
  • ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» (Россия);
  • МОДН 2-2001 «Проектирование нежестких дорожных одежд» (СНГ);
  • СН РК 3.03-19-2006 «Проектирование нежестких дорожных одежд» (Казахстан).
• при расчетах величина нормативного давления колеса принимается равной 800 кПа для капитальных типов дорожных одежд и 600 кПа для облегченных и переходных в соответствии с п.4.2.3 ГОСТ 32960-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения».

Расчеты выполняются в последних версиях программынх продуктов IndorPavement, Credo Радон или Topomatic Робур с предоставлением полных протоколов (отчетов).

IndorPavement	Credo Radon	Topomatic Robur

Расчеты земляного полотна ​

• устойчивости откосов в условиях подтопления, сейсмического воздействия;
• устойчивости откосов высоких насыпей и глубоких выемок;
• упруго-пластической осадки (также с учетом изменения порового давления в соответствии с теорией фильтрационной консолидации);
• времени консолидации земляного полотна;
• сдвига и выпирания слабых грунтов в основании (коэффициент стабильности);
• разработка проектов противодеформационных мероприятий в сложных инженерно-геологических условиях любой сложности;
• свайное основание с гибким или жестким ростверком;
• струйная цементация грунта (Jet grouting);
• облегченные насыпи;
• песчаные сваи в оболочках из геоматериалов.

Расчёты выполняются в программном комплексе ГЕО5.

Программный комплекс Geo5

Расчеты армогрунтовых и гравитационных подпорных стен

Выполенение комплексного расчета подпорных стен осуществляется в соотсетвтсии с ОДМ 218.2.027-2012 «Методические рекомендации по расчету и проектированию армогрунтовых подпорных стен на автомобильных дорогах» и велючает в себя:

1. внешняя (общая) устойчивость:

• горизонтальное смещение армогрунтового блока;
• опрокидывание всего блока армированного грунта;

2. местная устойчивость:

• разрушение при разрыве отдельных армоэлементов
• разрушение при деформации (выдергивании) армирующих элементов;

3. общая устойчивость по общепринятым методам предельного равновесия.

Проверка устойчивости армогрунтового
блока на опрокидывание и сдвиг

Проверка устойчивости блоков облицовки на
опрокидывание и сдвиг по шву над блоком

Оценка степени устойчивости склона и откоса

Расчет устойчивости откосов и склонов — одна из важнейших инженерно-геологических задач.

Рациональное проектирование и строительство на неустойчивых склонах в настоящее время приобрели наиболее актуальное значение.

При неблагоприятном сочетании разнообразных факторов, массив грунтов, слагающий откос или склон, может перейти в неравновесное состояние и потерять устойчивость.

Основными причинами потери устойчивости откосов и склонов являются:

• устройство недопустимо крутого откоса или подрезка склона, находящегося в состоянии, близком к предельному;
• увеличение внешней нагрузки (возведение сооружений, складирование материалов на откосе или вблизи его бровки);
• изменение внутренних сил (увеличение удельного веса грунта при возрастании его влажности или, напротив, влияние взвешивающего давления воды на грунты);
• неправильное назначение расчетных характеристик прочности грунта или снижение его сопротивления сдвигу за счет, например, повышения влажности;
• проявление гидродинамического давления, сейсмических сил, различного рода динамических воздействий (движение транспорта, забивка свай и. т.п.).

Оценка степени устойчивости склона является особенно важным этапом для монтажных и строительных работ для сооружений на оползнеопасных территориях.

Оценки степени устойчивости склона или откоса (наклонной поверхности земли) необходима, при проектировании противооползневых мероприятий, при строительстве на неустойчивых склонах или при размещении объекта строительства на склоне или на борту оврага.

Выбор наиболее эффективных защитных мероприятий и проектных решений от разрушительного воздействия оползней зависит от правильности выявления механизма развития оползня, грамотного выполнения расчетов устойчивости склона и прогноза развития оползневых деформаций на исследуемой территории.

При строительстве зданий и сооружений на склонах, а также при прокладке подземных сооружений (кабельных и канализационных коллекторов, линий метро) вблизи склоновой территории необходимо выполнять работы по оценке оползневой опасности и техногенного влияния на устойчивость склона.

Основными задачами оценки устойчивости существующего оползня являются:

• определение степени устойчивости;
• определение степени опасности оползневых подвижек для существующих сооружений и сохранности местности;
• для установления направления противооползневых мероприятий для предупреждения опасности их действия.

Одним из направлений деятельности ООО «Планета Изысканий» является изучение механизма и закономерностей оползневых процессов, изучение динамики развития оползней, оценка и расчеты устойчивости оползневых склонов и оценка геологического риска экономических и социальных потерь.

Для выполнения расчетов устойчивости склонов и откосов (с выделением участков отрыва, смешения, выпирания, вероятного расчленения блоков массива и пр.), изучаются следующие данные:

• особенности геологического строения склона, обусловливающее возможность образования оползневых смещений, с выделением зон и поверхностей ослабленных пород;
• морфологические особенности склона до и после образования оползня;
• гидрологические особенности склона (границы обводных зон, величины напоров, гидравлические градиенты и пр.);
• типы и размеры оползня, положение и очертание поверхности скольжения;
• прочностные и деформационных расчетные характеристики пород, слагающих склон;
• наиболее неблагоприятные сочетания различных факторов, таких, как высота и крутизна склона, мощность смещающихся масс, расположение слабых прослоек, наклон слоев, уровень грунтовых вод и др.

Инженерами ООО «Планета Изысканий» накоплен большой опыт комплексного изучения склонов от специфических лабораторных испытаний (таких как «плашка по плашке») до дальнейшего геотехнического моделирования. Для комплексной оценки степени устойчивости склона ООО «Планета Изысканий» выполняет следующий виды работ:

• инженерно-геологические исследования;
• специфические лабораторные испытания для определения прочностных характеристик грунтов с учетом сформировавшейся поверхности скольжения и изменения гидрогеологического режима;
• компьютерное моделирование на программных комплексах с учётом уровня грунтовых вод и вибрационных (сейсмических) нагрузок;
• разработку рекомендаций по укреплению склона или откоса.

Гарантией качества отчетной продукции и профессионализма сотрудников ООО «Планета Изысканий» является успешное прохождение всех наших работ в Мосгосэкспертизе г. Москвы и Главгосэкспертизе.

Лаборатория геомеханики подземных сооружений (№13)

Заведующий лабораторией, доктор технических наук, профессор, почетный член РААСН, Почетный строитель России

Шейнин Владимир Исаакович

ГЕОМЕХАНИКА ПОДЗЕМНЫХ И ЗАГЛУБЛЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ

• Расчет осадок естественных оснований в нелинейной стадии
• Расчет несущей способности естественных оснований
• Расчет устойчивости откосов
• Расчеты креплений котлованов
• Выполнение комплексных работ по оценке влияния нового строительства и реконструкции (разработка котлована, нагрузка от веса нового здания, закрытая проходка и т.д.) на окружающие сооружения и подземные коммуникации в увязке с разработкой разделов проектной документации (обоснование параметров ограждения котлована, разработка рекомендаций по выбору технологии строительства подземной части здания, рекомендации по обеспечению эксплуатационной надежности существующих объектов окружающей застройки)
• Расчет осадок естественных оснований комплекса фундаментов сложной формы в плане с учётом неоднородности и взаимного влияния
• Расчет коэффициентов жесткости естественных оснований для расчета взаимодействия сооружения с основанием

• Ограждения котлованов
• Строящиеся сооружения
• Здания и сооружения и коммуникации окружающей застройки
• Работы по измерениям горизонтальных перемещений ограждающей конструкции котлована (инклинометр фирмы Geokon, модель 6100-1М)
• Мониторинг осадок возводимых наземных конструкций строящегося здания или сооружения
• Мониторинг осадок существующих наземных конструкций зданий окружающей застройки и коммуникаций
• Геодезические измерения горизонтальных перемещений верха ограждающей конструкции котлована возводимого объекта при строительстве и начальном периоде эксплуатации объекта (тахеометрическая съемка)
• Нивелирование (используется электронный цифровой нивелир Leica DNA03)

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ, ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОФИЗИКА И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

• Обследование объектов культурного наследия
• Обследование опасных и технических сложных объектов
• Обследование для проведения реконструкции — надстройки этажей или мансарды, устройства эксплуатируемого чердачного пространства, углубления подвальных и цокольных этажей, устройства новых перекрытий, изменения функционального назначения, размещения дополнительного оборудования на перекрытиях и кровле, увеличение полезных нагрузок
• Обследование при попадании здания или сооружения в зону влияния нового строительства или реконструкции
• Обследование зданий и сооружений для разработки проекта демонтажа
• Обследование незавершенного (замороженного) строительства – определение объемов выполненных работ и возможности завершения СМР
• Оценка влияния и анализ причин образования дефектов и повреждений
• Определение длины свай и локализации дефектов в свае(прибор ИДС-1)
• Определение прочности бетона и его класса методом отрыва со скалыванием (прибор ОНИКС-1.ОС)
• Ультразвуковой контроль однородности и сплошности бетона в сваях и фундаментах глубокого заложения, конструкциям «стена в грунте», барретам (прибор ПУЛЬСАР-2.2)

ОЦЕНКА ГЕОЛОГИЧЕСКИХ РИСКОВ И НАДЕЖНОСТИ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

• Оценка геологических рисков от опасных инженерно-геологических процессов (карстовые, суффозионные процессы, подтопление и т.д.)
• Расчетная оценка параметров карстовой опасности территории с применением аналитических и инженерных методик, а также моделирование реализации карстового процесса с использованием современных геотехнических программных комплексов
• Оценка дифференцированного экономического риска от опасных инженерно-геологических процессов
• Оценка интегрального экономического риска от существующих инженерно-геологических опасностей.
• Оценка надежности геотехнических сооружений

ДИНАМИКА ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ

• Расчет колебаний взаимодействующих с грунтом подземных и заглубленных сооружений, фундаментов машин
• Прогноз распространения колебаний от строительных работ, промышленных и транспортных источников
• Вибрационные обследования зданий и сооружений, вблизи метрополитена мелкого заложения, железных и автомобильных дорог, погружаемых забивкой и вибрированием свай, фундаментов машин, а также других источников динамических воздействий

ГЕОТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ СЕЙСМОСТОЙКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

• Расчет сейсмических колебаний грунтовых массивов
• Моделирование основание для расчет сейсмических нагрузок на сооружения
• Расчет несущей способности естественных оснований при сейсмических воздействиях
• Расчет подпорных сооружений и устойчивости откосов при сейсмических воздействиях

ИНЖИНИРИНГОВЫЕ УСЛУГИ

• Разработка нормативных документов
• Разработка специальных технических условий (СТУ)
• Геотехническая экспертиза
• Анализ и разработка научно – технических заключений на геотехническую часть проектной документации
• Ведение научно-технического сопровождения по инженерно-геотехническим вопросам на всех этапах проектирования