Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Ечевский Александр Валерьевич
ПРИМЕНЕНИЕ ПРИНЦИПА ВОЗМОЖНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
ДЛЯ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ УСТОЙЧИВОСТИ НАГРУЖЕННЫХ ОТКОСОВ КАК ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ
Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты,
подземные сооружения
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Волгоградском государственном архитектурно строительном университете
Научный руководитель Доктор технических наук, профессор
Богомолов Александр Николаевич
Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор
Скибин Геннадий Михайлович, ФГБОУ ВПО Южно-Российский государственный
технический университет (НПИ), декан строительного факультета
(г. Новочеркасск)
Кандидат технических наук, доцент
Торшин Дмитрий Петрович,
Волжский институт строительства и технологий (филиал) ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета, заведующий кафедрой Высшая математика (г. Волжский)
Ведущая организация ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Защита состоится л24 мая 2012 года в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу:
400074, г. Волгоград, ул. Академическая,1, ауд. Б-203
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
Автореферат разослан л 18 апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Акчурин Талгать Кадимович
Общая характеристика работы
Актуальность темы диссертационной работы. В настоящее время задачи оценки и прогноза устойчивости откосов грунтовых сооружений, а также определения их рациональных и безопасных параметров приобретают все большее значение, а существующие аналитические и численные методы расчета содержат большое количество недостатков и необоснованных допущений, ставящих под сомнение достоверность получаемых результатов. Поэтому, задача, посвященная совершенствованию методов расчета устойчивости нагруженных грунтовых откосов, является актуальной.
Целью настоящего диссертационного исследования является разработка инженерного метода расчета устойчивости нагруженных откосов, базирующегося на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива и использовании принципа возможных перемещений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1.Выявить факторы, оказывающие определяющее влияние на напряженно-деформированное состояние и степень устойчивости нагруженных откосов;
2. Получить количественные зависимости величины коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса от этих факторов;
3. Проанализировать их и записать аналитические аппроксимации этих зависимостей;
4. Разработать инженерный метод расчета устойчивости нагруженных откосов и формализовать его в компьютерной программе;
5. Провести сопоставление результатов аналитических исследований с результатами лабораторных исследований, полученных нами и независимо от нас другими авторами, и данными натурных наблюдений.
Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлена использованием при проведении исследований фундаментальных положений теории упругости, пластичности, линейной теории ползучести, механики грунтов и инженерной геологии; удовлетворительной сходимостью полученных аналитических результатов исследований с известными результатами натурных наблюдений и результатами моделирования процесса разрушения нагруженных откосов на моделях из эквивалентных материалов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Установлено и исследовано влияние численных значений переменных расчетных параметров (физико-механические свойства грунтов, геометрические параметры откосов и внешней нагрузки, ее интенсивности и т.д.) на распределение напряжений и перемещений в приоткосных областях и устойчивость откосов.
2. Получены графические зависимости и их аналитические аппроксимации, позволяющие оценить величины коэффициентов запаса устойчивости откосов в зависимости от численных значений переменных расчетных параметров, рассмотренных в диссертационной работе.
3. Разработан метод оценки устойчивости нагруженных откосов и склонов, в котором, в отличие от существующих, сделана попытка исключить из рассмотрения природное напряженно-деформированное состояние грунтового массива, использовав для этого принцип возможных перемещений. При этом особым образом выбираются величины перемещений, а методика построения наиболее вероятной поверхности скольжения опирается на анализ напряженного состояния грунтового массива с учетом величины коэффициента бокового давления грунта и т.д.
Практическая значимость работы заключается в возможности применения результатов исследований в гражданском, промышленном и транспортном строительстве, отраслях промышленности, связанных с добычей полезных ископаемых при определении рациональных параметров нагруженных откосов различных инженерных сооружений. Использование предлагаемого расчетного метода позволяет в одних случаях избежать аварийных ситуаций, а в других - определить рациональные параметры откосов грунтовых сооружений, обеспечивающие получение экономического эффекта за счет существенного сокращения объема земляных работ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСУ (Волгоград, 2010-2012г.г.); VI Международной научно-технической конференции Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов (Волгоград, 2011г.); The International Practical Conference on the subject The mutual activities of the local executive power and municipalities in the preparation of people, economy and environment for the protection (Baki, 2011), Международной научно-технической конференции Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства (Пермь, 2011г.), Международной научно-практической конференции Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе (Пермь, 2012г.), семинарах кафедры Гидротехнические и земляные сооружения ВолгГАСУ (2010-2012г.г.).
ичный вклад автора заключается в:
- разработке на основе МКЭ математико-механической модели для решения поставленных задач;
- разработке рабочего алгоритма вычисления величины коэффициента запаса устойчивости, исключающего влияние природного напряженно-деформированного состояния на получаемый результат;
- вычисление на персональном компьютере напряжений и перемещений в приоткосных областях, построении наиболее вероятных линий скольжения и вычислении коэффициентов запаса устойчивости при различных значениях физико-механических характеристиках грунтов, интенсивности нагрузки и геометрических параметров объектов (рассмотрено более 4000 вариантов);
- разработке инженерного метода расчета устойчивости нагруженных откосов, включающего в себя удобные графики и формулы для решения различных задач оценки и прогноза устойчивости нагруженных откосов и склонов, а также в разработке на его основе компьютерной программы;
- проведение сравнения полученных аналитических результатов с известными результатами лабораторных исследований и натурных наблюдений.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования влияния различных факторов на распределение напряжений и перемещений в приоткосных зонах исследуемых объектов, положение и форму наиболее вероятной поверхности скольжения и величин соответствующих коэффициентов запаса устойчивости;
2. Алгоритм расчета величины коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса, позволяющий исключить влияние начального напряженно-деформированного состояния на конечный результат;
3. Инженерный метод расчета устойчивости нагруженных однородных откосов, разработанный на основе анализа напряженно-деформированного состояния приоткосных областей с учетом большинства параметров, влияющих на их устойчивость, включающий удобные графики и простые формулы, а также разработанная на его основе компьютерная программа;
4. Результаты сравнения результатов, полученных в диссертационной работе аналитических решений, с результатами моделирования процессов разрушения нагруженных откосов, выполненных нами и сторонними исследователями на моделях из эквивалентных материалов и результатами натурных инструментальных наблюдений за поведением реальных объектов.
Результаты исследований внедрены: в учебном процессе при выполнении курсового и дипломного проектирования на кафедрах Строительные конструкции, основания и надежность сооружений и Строительство и проектирование автомобильных дорог Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета и в ООО НПФ Инженерный центр Югстрой при уточнении устойчивости и оценки возможности дальнейшей нормальной эксплуатации нагруженных откосов строительного котлована в ходе обследования на объекте Комплекс трех 24-х этажных жилых домов со встроенными помещениями, подземной автостоянки и многофункционального здания.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 научных статьях, три из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка литературы из 121 наименований и приложений общим объемом 163 страницы, включает 46 рисунков и 18 таблицы.
Работа выполнена на кафедре Гидротехнические и земляные сооружения Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Автор выражает глубокую признательность сотрудникам кафедры и научному руководителю заслуженному работнику ВШ РФ доктору технических наук, профессору А.Н. Богомолову за ценные советы, замечания, помощь и поддержку, оказанную автору во время работы над диссертацией.
Основное содержание работы
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы, основные задачи, которые необходимо решить, выбраны методы их решения, указаны научная новизна, степень апробации, практическая значимость и выносимые на защиту положения, представлены данные о практическом внедрении результатов диссертационной работы.
В первой главе диссертации отмечается вклад отечественных и зарубежных ученых в решении задач об устойчивости грунтовых откосов. Это Д. М. Ахпателов, В. Ф. Бабков, А. А.Бартоломей, А. Н. Богомолов, Л. К. Гинзбург, М. Н. Гольдштейн, Э. М. Добров, А. Г. Дорфман, Е. П. Емельянова, Г. С. Золотарев, Н. Н. Маслов, У. Х. Магдеев, З. Г. Тер-Мартиросян, Р. Р. Чугаев, В. К. Цветков, Н. А. Цытович, К. Ш. Шадунц, Г. М. Шахунянц, A. S. Azzous, A. W. Bishop, С. S. Desai, M. Garber & R. Baker, A. K. Ghuqh, R. G. Hennes, J. Karstedt, U. Keizo, S. Makoto & J. Kiyoshi, N. Morgenstern, C. Narajan, D. J. Palladino, Peterson, T. W. Smith, S. Sarma, S. D. Wilson, G. P. Tschebotarioff, D. W. Taylor, К. Теrzagi, N. Janby и другие.
Проведен анализ некоторых решений этой задачи, в результате которого выделены основные недостатки, присущие расчетным методам:
1. Призмы обрушения расчленяются на отдельные блоки, силы взаимодействия и трение между которыми часто не учитываются. В противном случае статически определимая задача становится не определимой.
2. Форма и положение поверхности скольжения принимаются заранее известными.
3. Не установлена непосредственная связь положения и формы наиболее вероятной поверхности скольжения с физико-механическими свойствами грунтов и геометрией откоса.
4. Практически всегда учитывается (и то приблизительно, как вес отсека) лишь одна вертикальная составляющая напряжений в точках приоткосной зоны, а поверхностная вертикальная нагрузка принимается во внимание только тогда, когда она располагается на призме обрушения.
5. Рассматривается полубесконечный откос.
6. В расчетах устойчивости не учитывается величина коэффициента бокового давления грунта.
7. При использовании принципа возможных перемещений перемещения назначаются не на основе анализа напряженно-деформированного состояния приоткосной области, а произвольно изменяются по величине до достижения желаемого результата.
Таким образом, существующие методы расчета вне зависимости от группы, к которой они принадлежат, содержат большое количество недостатков и необоснованных допущений, ставящих под сомнение достоверность получаемых результатов. Поэтому задача совершенствования методов расчета устойчивости грунтовых откосов является актуальной.
Во второй главе диссертационной работы показано, что одной из возможных альтернатив этим методам являются методы расчета устойчивости, основанные на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива, что рекомендовано к применению нормативной литературой (СНиП 33012003). Говорится, что для обоснования надежности и безопасности сооружений должны выполняться расчеты напряженно-деформированного состояния системы сооружение-основание на основе применения современных, главным образом, численных методов механики сплошной среды с учетом реальных свойств материалов и пород оснований. Обеспечение надежности системы сооружение-основание должно обосновываться результатами расчетов по методу предельных состояний их прочности, устойчивости. Кроме того, мы считаем, что неадекватный учет начального (природного) напряженно-деформированного состояния грунтового массива также негативно сказывается на получаемых результатах.
На основе результатов анализа расчетных методов, проведенного в первой главе, сделано предположение о том, что исключить при проведении расчетов устойчивости нагруженных откосов, отмеченные ранее многочисленные недостатки, можно, если:
1. Для анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива использовать метод конечных элементов, с обязательной отработкой граничных условий, накладываемых на конечно элементную схему, на основе аналитических решений граничных задач теории упругости методами теории функций комплексного переменного.
2. Для построения наиболее вероятной поверхности скольжения использовать методику, предложенную проф. В. К. Цветковым, которая основана на анализе напряженного состояния грунтового массива.
3. Для исключения влияния начального (природного) напряженно-деформированного состояния использовать принцип возможных перемещений.
Учитывая это нами предлагается следующий алгоритм расчета величины коэффициента запаса устойчивости нагруженного грунтового откоса:
1. Составляется конечно-элементная расчетная схема грунтового откоса. При этом выполняются условия максимальной степени однородности разбивки исследуемой области на конечные элементы и минимальности значения ширины матрицы жесткости системы.
2. На основании аналитического решения первой основной граничной задачи теории упругости для однородной изотропной полуплоскости с трапециевидным вырезом на ее границе, полученного проф. А. Н. Богомоловым, отрабатываются граничные условия, накладываемые на однородную расчетную схему МКЭ. Это позволяет исключить погрешности вычислений, связанные с процедурой дискретизации расчетной схемы на КЭ.
3. Если исследуемый объект имеет неоднородное геологическое строение, то в расчетной схеме выделяются геологические элементы, которые наделяются соответствующими физико-механическими свойствами.
4. К исследуемой области прикладывается распределенная нагрузка, которая по положению на откосе, протяженности и закону изменения совпадает с нагрузкой, заданной в условии задачи, однако величина ее интенсивности задается равной близкой 0. После этого по методике, разработанной проф. В.К.Цветковым, проводится построение наиболее вероятной поверхности скольжения, в n точках которой вычисляются перемещения от действия сил гравитации и внешней нагрузки. Отметим, что построение НВПС проводится с таким шагом, что разность горизонтальных координат соседствующих на ней точек составляет (где Н высота откоса).
5. Интенсивность внешней нагрузки увеличивается до расчетного значения, вновь проводится построение наиболее вероятной поверхности скольжения и вычисляются перемещения в соответствующих ее точках.
6. Применяется принцип возможных перемещений, при этом роль возможных перемещений выполняют разности перемещений в соответствующих точках поверхности скольжения, а роль активных сил - удерживающие и сдвигающие силы, действующие в тех же точках НВПС и определяемые соответственно числителем и знаменателем формулы
, (1)
где: σz; σx; τxz и φ соответственно, напряжения и угол наклона наиболее вероятной площадки сдвига в рассматриваемой точке грунтового массива; σсв=Cctgφ давление связности (С и φ соответственно, сцепление, и угол внутреннего трения грунта)
В результате вычисляется величина коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса.
Так как процедура вычитания перемещений исключает из рассмотрения перемещения от собственного веса грунта, то из результата исключаются ошибки, связанные с их определением.
Отличия предлагаемого алгоритма от существующих заключаются в следующем.
В диссертационной работе Н. Н. Потаповой предложен метод отыскания коэффициента запаса устойчивости грунтовых откосов, так же основанный на принципе возможных перемещений. При этом величина коэффициента запаса устойчивости определяется как отношение алгебраических сумм работ удерживающих и сдвигающих сил, действующих в точках наиболее вероятной линии скольжения
(2)
В выражении (2.7), по нашему мнению, содержится ошибка, т.к. под i понимаются полные перемещения, включающие перемещения от собственного веса грунта. Эти перемещения формируются на протяжении всего периода существования грунтового массива и потому истинные их значения не могут быть достоверно определены методами теории упругости.
Исходя из наших предложений, формула (2.7) примет вид
(3)
где: i и - соответственно перемещения i-ой точки, вычисленные от действия собственного веса грунта при условии, что qрасч0, и с учетом внешних нагрузок и собственного веса грунта.
При использовании принципа возможных перемещений в расчетных методах У. Х. Магдеева и А. Г. Дорфмана перемещения и вовсе назначаются не на основе анализа напряженно-деформированного состояния приоткосной области, а произвольно изменяются по величине до достижения желаемого результата. Активные же силы определяются с учетом только одной вертикальной компоненты напряжения.
Для оценки разницы численных значений величин коэффициентов запаса устойчивости К, получаемых при помощи метода, предложенного Н. Н. Потаповой, и на основе сделанных нами предложений, воспользуемся компьютерной программой Устойчивость. (Напряженно-деформированное состояние) (Свидетельство о государственной регистрации № 2009613499 от 30 июня 2009г.), разработанной в ВолгГАСУ.
Пример. Пусть прямолинейный откос высотой H=19,3м с углом β=45о сложен однородным связным грунтом, имеющим следующие физико-механические характеристики: объемный вес γ=2т/м3, угол внутреннего трения φ=25о, удельное сцепление С=0,27кПа, коэффициент бокового давления грунта ξо=0,75, модуль деформации Ео=5МПа. Откос нагружен равномерно распределенной нагрузкой интенсивности q=5γН, которая приложена на расстоянии d=0,5Н от его бровки; ширина нагруженного участка L=0,5Н.
В результате установлено, что величина коэффициента запаса устойчивости для данного объекта, определенная по методике проф. В. К. Цветкова, равна КЦв=1,95, вычисленная по методу Н. Н. Потаповой, равна КПот=1,78, а найденная на основе наших предложений К=2,24, что на 14,9% больше чем КЦв и на 25,8% больше, чем КПот.
а) | в) |
б) | г) |
| Рис. 1. Фрагмент расчетной схемы нагруженного откоса (а); эпюры работ удерживающих и сдвигающих сил в точках наиболее вероятной поверхности скольжения (б); схема для расчета разницы объемов земляных работ, обеспечивающей получение экономического эффекта (в); графические зависимости вида К=f(о), построенные по результатам вычислений по методу В.К.Цветкова (а), Н.Н.Потаповой (b), предлагаемому (c) (г) |
Для обоснования экономического эффекта, который может быть получен при использовании наших предложений, необходимо ответить на вопрос: какими будут углы заложения исследуемого откоса, если численные значения коэффициента запаса устойчивости, определенные на основе наших
предложений, равны соответственно К=КПот=1,78 и К=КЦв=1,95. Оказалось, что эти углы соответственно равны β1=54о и β2=51о.
По формуле
, (4)
не трудно подсчитать (L протяженность рассматриваемого участка откоса), что назначение проектного угла заложения откоса насыпи или борта строительного котлована равным β1 или β2, дает экономию объемов земляных работ по сравнению с βпр =45о соответственно 136,7м3 или 95,1м3 на 100м длины насыпи или борта котлована (на рис. 1в обозначены вертикальной и наклонной штриховкой).
Нами проведены вычисления величины коэффициента запаса устойчивости К тремя методами при трех разных значения величины коэффициента бокового давления ξо=0,43; 0,65; 0,75. Оказалось, что значения коэффициентов устойчивости, подсчитанные по методике проф. В. К. Цветкова, равны, определенные по методу Н. Н. Потаповой , а на основе наших предложений -
Анализ этих результатов показывает, что во всех случаях величина К зависит от величины коэффициента бокового давления грунта ξо, в то время как большинство расчетных методов не позволяет учесть величину ξо, являющуюся одной из важнейших характеристик напряженного состояния грунтового массива.
В третьей главе описан инженерный метод расчета устойчивости нагруженных откосов, построенный на описанном выше алгоритме расчета. Для этого вначале была создана база данных, которую составляют множество результатов численных решений соответствующих задач при различных значениях переменных расчетных параметров.
При численном решении задач об устойчивости нагруженных откосов использована компьютерная программа Устойчивость. (Напряженно-деформированное состояние) (Свидетельство о государственной регистрации № 2009613499 от 30 июня 2009г.), разработанная в ВолгГАСУ.
Расчеты выполнены для однородных откосов с углами =25о; 40о; 55о, сложенных грунтами, чьи расчетные параметры поочередно принимают значения =7; 15; 22; 30о и σсв=0,05; 0,583; 1,117; 1,65. Значение коэффициента бокового давления принято равным о=0,75, что соответствует его среднему значению для глинистых грунтов.
Величина интенсивности вертикальной равномерно распределенной нагрузки принимала двенадцать значений, которые находятся в интервале q∈[0,25-12]γН. Эпюра нагрузки берет начало на расстояниях d=[0; 0,5; 0,8; 2,0]H, а ширина ее также принимала четыре значения b=[0,5; 1,0; 2,0; 4,0]H.
Расчетные схемы МКЭ во всех случаях состояли из 12100 конечных элементов, сопряженных в 6216 узлах, при этом ширина матрицы жесткости системы равнялась 126.
Таким образом, объем вычислений составляет 9216 вариантов, для которых построены картины изолиний напряжений и перемещений, наиболее вероятные поверхности скольжения и при помощи процедуры, описанной в главе II, проведено вычисление величин коэффициентов запаса устойчивости.
Ниже на рис. 2 и 3 в качестве примера для откосов с углом заложения =45о приведены картины изолинии вертикальных σz, горизонтальных σx, касательных τzx напряжений и перемещений v и u при b=0,5H; d=0; q=0,5γH и при b=0,5H; d=0,5H; q=5γH. Из этих рисунков видно, что поля напряжений и перемещений претерпевают существенные трансформации при изменении численных значений переменных расчетных параметров.
В результате обработки результатов расчетов величины К установлено, что при любых углах заложения откоса β, его высоты Н, интенсивности внешней нагрузки q и физико-механических свойствах грунта, минимальное значение коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса K* будет соответствовать условию, что ширина равномерно распределенной нагрузки равна b=0,5H, а расстояние от нагрузки до кромки откоса (ширина бермы) равно d=0,8H (смотреть, например, рис. 3.73.9 диссертационной работы).
а) | б) |
| в) | г) |
| д | е) |
Рис. 2. Расчетная схема (а), изолинии вертикальных σz (б), горизонтальных σx (в), касательных τzx (г) напряжений и перемещений v (д) и u (е) при =45о; b=0,5H; d=0; q=0,5γH | |
В таблицах №№ 3.13.12 диссертационной работы приведены численные значения величин К* для всех рассматриваемых в диссертационной работе сочетаний численных значений переменных расчетных параметров. А на рис. 3 в качестве примера показаны две из этих таблиц, в которых собраны расчетные значения величины коэффициента запаса устойчивости К* нагруженного откоса при =25о, b/H=0,5, d/H=0,8, σсв=1,65.
| а) | б) | |
| в) | г) | |
| д) | е) | |
Рис. 3. Расчетная схема (а), изолинии вертикальных σz (б), горизонтальных σx (в), касательных τzx (г) напряжений и перемещений v (д) и u (е) при =45о; b=0,5H; d=0,5H; q=5γH | ||
а) |
б) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис.4. Расчетные значения К* при =25о, b/H=0,5, d/H=0,8, σсв=1,65 (а) и =40о, b/H=0,5, d/H=0,8, σсв=1,65 (б) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
На основании данных, приведенных в таблицах №№ 3.13.12 диссертационной работы, построены графические зависимости (рис. 3.133.15 диссертационной работы), позволяющие для любого сочетания численных значений переменных параметров, рассмотренных в диссертационной работе, отыскать величину К*. Один из этих рисунков в качестве иллюстрации приведен ниже.
| a) | б) |
| в) | г) |
Рис. 5. Графики зависимости вида К*=f(q/H) для β=25о при σсв=0,05 (a); σсв=0,853 (б); σсв=1,117 (в); σсв=1,65 (г); номера кривых на графиках соответствую значениям угла внутреннего трения =33о (1); =22о (2); =15о (3); =7о (4) | |
В результате анализа полученных результатов были установлены закономерности изменения величины коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса К при уменьшении (увеличении) величин b и d.
Оказалось, если ввести корректирующие коэффициенты k1 и k2, величина коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса, при любой величине интенсивности равномерно распределенной нагрузки q, любой ее ширине b и при любом ее расстоянии от бровки откоса d и любом значении угла , может быть вычислена по формуле
, (5)
где: значения K* и корректирующих коэффициентов k1 и k2 определяются по графикам, приведенным на рис. 6 (рис. 3.133.15 и 3.16; 3.17 диссертации).
а) | б) |
| Рис. 6. Графики для определения корректирующих коэффициентов k1 (a) и k2 (б) | |
Стремясь к максимально возможной формализации расчетов, мы показали, что все кривые, приведенные на рис. 3.13 3.15 диссертационной работы, могут быть с погрешностью, не превышающей 5%, аппроксимированы выражением
, (6)
где: a и b коэффициенты, определяемые по графикам, приведенным на рис. 3.18, с погрешностью не превышающей 7%, причем, [a]=[м2/н], а коэффициент b безразмерен.
Таким образом, предложены простые формулы и графики, используя которые можно вычислит величину устойчивости коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса для любого возможного сочетания численных значений переменных расчетных параметров, которые рассмотрены в настоящей диссертационной работе.
а) | б) | |
в) | г) | |
Рис. 7. Графики зависимостей a=f() при β=25о (a); β=40о (б); β=55о (в) и график зависимости b=f(σсв) для любых значений β и σсв (г) | ||
Предложенный в главе II алгоритм и описанная база данных формализованы в компьютерную программу, в совокупности с которой они составляют инженерный метод.
Блок-схема, архитектура программы, ее описание в виде информационного листка приведены в приложении к диссертационной работе.
В главе IV описаны эксперименты по определению величины интенсивности разрушающей нагрузки для моделей откоса, выполненных из эквивалентного материала. При этом использованы как собственно результаты автора, так и опубликованные результаты других исследований.
Кроме того в данной главе приведено сопоставление результатов натурных наблюдений с результатами расчетов, проведенных автором диссертационной работы при помощи предлагаемого расчетного метода.
Серия опытов по определению величины разрушающей нагрузки проведена в лаборатории кафедры Гидротехнические и земляные сооружения Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
В качестве эквивалентного материала использована смесь воздушно сухого песка мелкой крупности и отработанного машинного масла (5% от веса песка).
Моделирование процесса разрушения моделей откосов проведено в лабораторном лотке, имеющем размеры: длина l = 1200мм, ширина b = 300мм, глубина h = 650 мм. Он состоит (см. рис. 8а) из рамы 1, днища 2, боковой и торцевых стенок 3, прозрачной боковой стенки 4, стойки 5.
оток оснащен грузовой площадкой, имитирующей модель фундамента, 6, винтовым устройством для передачи нагрузки 7, верхней траверсой 8, динамометром ДОСМ 3-02 9, винтовым нагружающим устройством 10. В лотке изготавливается модель откоса 11.
| а) | б) | |
в) | Рис. 8. Вид лотка для моделирования процесса разрушения откосов (аксонометрия) (а); сдвиговой прибор ВСВ-25 в сборе (б); диаграмма сдвига эквивалентного материала (в). | |
Грузовые площадки, обеспечивающие передачу внешнего усилия на модель откоса, имеют разметку и позволяют имитировать нагрузки, меняющиеся по различным законам (равномерно распределенная, треугольная, трапециевидная нагрузки).
Нагружающее устройство обеспечивает плавный рост нагрузки на модель фундамента до величины, соответствующей потере устойчивости модели откоса. Измерение величины разрушающей нагрузки проводилось при помощи динамометров ДОСМ302 и ДОСМ31.
При формировании модели откоса эквивалентный материал укладывался в лоток слоями толщиной 10см с последующей выдержкой в течение 10-15 минут для обеспечения равномерного уплотнения песчано-масляной смеси.
В той части лотка, где в процессе формирования модели откоса производится выбор песчано-масляной смеси, при помощи стандартных металлических колец отбирались пятнадцать проб эквивалентного материала и определялись его сдвиговые характеристики на приборе ВСВ25 (диаграмма сдвига эквивалентного материала приведена на рис. 8 в).
В результате обработки диаграммы сдвига эквивалентного материала установлено, что величина удельного сцепления равна С=1,225 кПа, величина угла внутреннего трения =14о. С учетом высоты моделей величина приведенного давления связности равна σсв=4,913 кПа.
Всего были сформированы 4 одинаковые модели откоса высотой Н=0,335м и углом заложения β=30о, которые при помощи нагружающего устройства были доведены до разрушения.
В каждом случае усилие, создаваемое нагружающим устройством, прикладывалась в определенной точке грузовой площадки, координаты которой определялись расчетом, чтобы имитировать равномерно распределенную нагрузку и нагрузку, интенсивность которой изменяется по закону трапеции. Если η=q1/q2=1, то нагрузка будет равномерно распределенной, если η=q1/q2 ≠1, то имеется в виду нагрузка, эпюра которой имеет форму трапеции, при этом величина η принимает три значения η=0,75;0,66;0,50.
Очевидным считаем и то обстоятельство, что в момент времени, когда величина нагрузки достигает предельного значения и происходит сползание призмы разрушения (величина этой нагрузки фиксируется при помощи динамометра) величина коэффициента запаса устойчивости откоса Кт=1.
а) | б) |
Рис. 9. Призмы обрушения при η=1 (а) и η=0,75 (б) | |
После окончания эксперимента был проведен расчет величин коэффициентов устойчивости разрушенных моделей по методике проф. В. К. Цветкова и при помощи разработанной нами компьютерной программы.
Результаты экспериментов и соответствующих расчетов сведены в таблицу, из которой видно, что в обоих случаях экспериментальные и теоретические данные находятся в удовлетворительном соответствии (разница составляет не более 19%). Однако, величины коэффициентов запаса устойчивости, вычисленные на основе предложенного в диссертационной работе алгоритма, отличаются от предельного значения К=1 не более, чем на 1,8%, т.е. наблюдается практически полное их соответствие состоянию модели ее разрушению.
Таблица 1
Сопоставление расчетных величин коэффициентов запаса устойчивости
η | Р; кН | Кт | КЦв | КЕч | ||
1 | 0,346 | 1 | 0,944 | 0,982 | 5,6 | 1,8 |
0,75 | 0,4 | 1 | 0,870 | 0,985 | 13 | 1,5 |
0,66 | 0,435 | 1 | 0,825 | 1,015 | 17,5 | 1,5 |
0,5 | 0,442 | 1 | 0,810 | 1,004 | 19 | 0,4 |
Данные таблицы говорят о том, что в обоих случаях экспериментальные и теоретические данные находятся в удовлетворительном соответствии (разница составляет не более 19%). Однако, величины коэффициентов запаса устойчивости, вычисленные на основе предложенного в диссертационной работе алгоритма, отличаются от предельного значения Кт=1 не более, чем на 1,8%, т.е. наблюдается практически полное их соответствие состоянию модели - ее разрушению.
Были также проведены обсчеты результатов экспериментов, выполненных В. К. Цветковым, А. Н. Богомоловым и А. А. Новожениным, в которых модели откосов выполнены из песчано-масляной смеси и из желатиногеля ХС.
Для разрушившихся моделей из песчано-масляной смеси коэффициенты запаса устойчивости, вычисленные при помощи разработанной нами программы, отличаются от 1 на 211%, а для моделей из желатиногеля ХС на 819%.
Расчет при помощи разработанной нами компьютерной программы устойчивости нагруженного откоса, разрушение которого произошло на одном из карьеров в Германии, и описанное в литературе, дает значение величина коэффициента запаса устойчивости КЕ=0,97. Расчет данного объекта методом К.Терцаги, проведенный автором работы, где описано это явление, дает значение величины коэффициента запаса устойчивости равное КТер=1,19. Сопоставление этих значений говорит о том, что полученный нами результат с гораздо большей степенью точности соответствует состоянию разрушенного откоса, когда К=1.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
- Существующие методы расчета устойчивости откосов вне зависимости от того, на какой теоретической основе они базируются, содержат большое количество недостатков и необоснованных допущений, ставящих под сомнение достоверность получаемых результатов. Поэтому решение задачи совершенствовании методов расчета устойчивости грунтовых откосов, является актуальной.
- Природное напряженно-деформированное состояние грунта невозможно адекватно оценить методами теории упругости. Игнорирование этого обстоятельства при расчете устойчивости откосов обуславливает существенные ошибки, возникающие при решении задачи.
- Предложен алгоритм расчета величины коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса, основанный на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива и принципе возможных перемещений, отличающийся от известных тем, что из рассмотрения исключается природное напряженно-деформированное состояние грунта, при этом особым образом выбираются величины возможных перемещений, методика построения наиболее вероятной поверхности скольжения, учитывается величина коэффициента бокового давления грунта и т.д.
- Использование анонсированного алгоритма позволяет в одних случаях избежать аварийных ситуаций, а в других определить рациональные параметры откосов грунтовых сооружений, обеспечивающие получение экономического эффекта за счет существенного сокращения объема земляных работ. Кроме того, существует ряд задач, которые могут получить адекватное решение только на основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива.
- На основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива и нового подхода к применению принципа возможных перемещений получены графические зависимости величины коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса от численных значений переменных расчетных параметров, рассмотренных в диссертационной работе. В частности, установлено, что при любых значениях угла заложения откоса β, его высоты Н, интенсивности внешней нагрузки q и физико-механических свойств грунта, минимальное значение коэффициента запаса устойчивости нагруженного откоса K* соответствует условиям b=0,5H, d=0,8H и при дальнейшем увеличении d и b практически не меняется. Введение в рассмотрение корректирующих коэффициентов k1 и k2 позволяет определять значения К при b<0,5H, d<0,8H.
- Полученная на основе анализа результатов множества численных решений задач об устойчивости нагруженных откосов база данных, графические зависимости и расчетные формулы послужили основой компьютерной программы, в которой формализован разработанный инженерный метод. Тестирование этой компьютерной программы путем сопоставления получаемых с ее помощью результатов с результатами расчетов, выполненных с использованием КП Устойчивость. Напряженно-деформированное состояние, имеющей государственную регистрацию, показывают, что они отличаются друг от друга на 6,97,7%, что говорит о возможности ее использования в практических целях.
- Обработка экспериментальных данных, полученных нами, и не зависимо от нас другими исследователями, показала, что численные значения коэффициентов запаса устойчивости, вычисленные на основе предлагаемого инженерного метода, отличаются не более чем на 10% от их предельного значения K=1, которое соответствует разрушению модели.
При проведении расчета устойчивости реального нагруженного откоса получен результат K=0,97, что совершенно адекватно отражает поведение исследуемого объекта в натуре его разрушение.
Поэтому предложенный алгоритм расчета устойчивости нагруженных грунтовых откосов, разработанный на его основе инженерный метод и формализующая его компьютерная программа, могут быть рекомендованы для практического применения.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы
в следующих изданиях:
Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях
1. Энергетический подход к расчету устойчивости нагруженных откосов / А. В. Ечевский [и др.] // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. Вып. 25 (44). С. 21-30.
2. Ечевский А. В. Инженерный метод расчета устойчивости нагруженных откосов // Интернет-вестн. ВолгГАСУ. Политемат. сер. 2012. Вып. 1 (20). URL: www.vestnik.vgasu.ru.
3. Метод расчета устойчивости нагруженных откосов и его экспериментальное обоснование / О. А. Богомолова [ и др.] // Вестн ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2012. Вып. 26 (45). С. 32-41.
Отраслевые издания и материалы конференций
4. Анализ современных методов расчета несущей способности оснований фундаментов мелкого заложения / А. В. Ечевский [ и др.] // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы VI Междунар. науч.-техн. конф., 13-14 октября 2011 г., Волгоград. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. С. 92-113.
5. Расчет несущей способности оснований фундаментов на основе анализа полей напряжений и перемещений / А. В. Ечевский [ и др.] // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы VI Междунар. науч.-техн. конф., 13-14 октября 2011 г., Волгоград. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. С. 113-116.
6. Расчет устойчивости нагруженных откосов на основе использования принципа возможных перемещений / А. В. Ечевский [ и др.] // III Академические чтения им. профессора А. А. Бартоломея "Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства" : материалы междунар. конф., (г. Пермь, 18-19 октября 2011 г.). Пермь : ПНИПУ, 2011. С. 352-357. Библиогр.: с. 357 (8 назв.).
7. Энергетический метод расчета устойчивости нагруженных откосов / А. В. Ечевский [и др.] // The materials of The International Practical Conference on tre subject "The manual activities of the local executive power and municipalities in the preparation of people, economy and environment for the protection", 15-16 noyabr 2011 BAKI-2011 (15-16 ноября 2011 Баку 2011). BAKI : [s. n.], 2011. С. 122-124. Текст англ.
8. Компьютерная программа для определения коэффициента запаса устойчивости однородных грунтовых откосов и склонов : информ. л. № 34-002-12 / М-во пром-ти и энергетики Рос. Федерации, Рос. об-ние информ. ресурсов науч.-техн. развития ; [сост. А. В. Ечевский, А. Н. Богомолов]. Волгоград : ЦНТИ, 2012. 3 с.
Ечевский Александр Валерьевич
ПРИМЕНЕНИЕ ПРИНЦИПА ВОЗМОЖНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ УСТОЙЧОВОСТИ НАГРУЖЕННЫХ ОТКОСОВ КАК ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ
Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты,
подземные сооружения
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 18.04.2012. Формат 60х84/16.
Бумага офсетная. Печать трафаретная. Гарнитура Times New Roman.
Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ №__
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
Отпечатано в секторе оперативной полиграфии ЦИТ
400074
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям