ДЕРЖАВНИЙ науково-дослідний інститут будівельних конструкцій

Дударенко Олександр Олександрович

УДК 624.15+681.3.06

МОДЕЛЮВАННЯ І РОЗРАХУНКИ ЗСУВНОЇ НЕБЕЗПЕКИ ТА ІНЖЕНЕРНОГО ЗАХИСТУ ТЕРИТОРІЙ І ОБ’ЄКТІВ

05.23.02 Підвалини і фундаменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геологічних наук Національної академії наук України

Науковий керівник

доктор технічних наук, Демчишин Михайло Гордійович,

завідувач відділу інженерної геології Інституту геологічних наук

Національної академії наук України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Яковлєв Євген Олександрович, зав. відділу Українського інституту досліджень навколишнього середовища і ресурсів при Раді національної безпеки і оборони України

кандидат технічних наук, Корчевський Богдан Болеславович, доцент Вінницького технічного університету, Міністерства освіти і науки України

Провідна установа

Полтавський національний технічний університет ім. Ю.Кондратюка, кафедра "Основ і фундаментів", Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “_16_” _ грудня _2003р. о 16-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01. у Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій, м. Київ, вул. І. Клименка, 5/2

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій, м. Київ, вул. І. Клименка, 5/2

Автореферат розісланий “_11_”__листопада__2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 26.833.01

канд.техн.наук, ст.наук.співр. Слюсаренко Ю.С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. В складних грунтових умовах, що займають 90% площі території України, непередбачувана зміна стану природно-геологічних та техногенних чинників часто ініціює руйнівні та деформаційні процеси в грунтових підвалинах будівель та споруд, що ведуть до аварій і катастроф. З цих негативних процесів зсуви за спричиненими збитками займають в Україні перше місце, а у світі - друге після землетрусів. Тому будівництво на зсувних ділянках державними будівельними нормами заборонено, а для захисту міських територій з будівлями застосовують захисні споруди.

Запобігання аваріям дозволяє уникнути людських жертв і потребує менше коштів, ніж ліквідація їх наслідків, але через ненадійність визначення зсувної небезпеки вимоги будівельних норм робіт не завжди виконують і кількість аварій зростає. Це визначає актуальність вдосконалення методів розрахунків зсувної небезпеки для територій і об’єктів та визначення навантажень на протизсувні споруди, надійність та ефективність інженерного захисту від зсувів територій, будинків та споруд.

Зв’язок роботи з науковими програмами і темами. Дисертація є частиною дослідної теми відділу інженерної геології Інституту геологічних наук НАН України "Аналіз активності зсувних процесів в містах і селищах міського типу України та розробка інформаційно-аналітичної системи "Зсуви"" (Реєстр. № 0197U016233). Здобувач є одним з її виконавців.

Мета та задачі дослідження. Мета дослідження полягає у розробці такого розрахункового комплексу з комп’ютерною програмою для визначення коефіцієнтів стійкості схилів і зсувного тиску, який за рахунок швидкості і малих трудовитрат перебору варіантів поверхні ковзання дозволяє встановити її оптимальне просторове положення об’єктивно, на варіаційній основі, з урахуванням максимуму чинників впливу, уникаючи суб’єктивізму при її прийнятті, і за рахунок цього вдосконалити розрахунки зсувної небезпеки та поліпшити методи інженерного захисту будівель, споруд і міських територій.

Відповідно до мети дослідження в дисертаційній роботи розглянуто такі завдання:

·

·

·

Об’єктом дослідження є зсувонебезпечні грунтові масиви, що складають схили.

Предмет дослідження – зсувні процеси, що розвиваються в цих масивах.

Методи дослідження – головним методом дослідження прийняте математичне моделювання на основі теорії граничної рівноваги сипучого середовища і відомих графоаналітичних методів розрахунків. Методичною основою розробки комп'ютерної програми для визначення ступеню зсувної небезпеки і надійності інженерного захисту територій і об’єктів були роботи вітчизняних і закордонних вчених.

Достовірність одержаних результатів визначена тим, що моделювання зсувних процесів та обгрунтування умов визначення поверхні ковзання на варіаційній основі проводилось згідно до загально визнаної теорії граничного напруженого стану сипучого середовища за перевіреними на практиці методами розрахунків Маслова-Берера і Шахунянца, а розробку комп’ютерної програми здійснено без спрощень і припущень. Достовірність розробки підтверджена незалежним порівнювальним тестуванням з канадською програмою SLOPE/W у конструкторському бюро шахти бурого вуглю KWB TUROW у Польщі в 2001 р. та експлуатацією розробленого на її основі моніторингового комплексу Лівадійської зсувної системи та Лівадійського палацу Центром науково-технічним послуг (ЦНТП) "Інжзахист" у м. Ялті. Програму використано ЦНТП при опрацьовані проекту закріплення схилу Південного берегу Криму у місці розташування палацу.

Наукову новизну одержаних результатів визначили обгрунтування та розробка методів і засобів здійснення розрахунків зсувних процесів на варіаційній основі без суб’єктивного завдання поверхні ковзання, варіаційні методи вирішення питань забудови зсувонебезпечних територій і проектування їх інженерного захисту, та розроблена для здійснення цього комп’ютерна програма.

·

·

·

·

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що вони можуть бути використані при проектно-вишукувальних роботах і при здійснення управлінських рішень будівельниками, підрозділами інженерного захисту територій з питань забудови потенційно небезпечних територій і місцевих органів влади для виконання завдань другої черги “Прогноз” державної інформаційно-аналітичної системи з надзвичайних ситуацій. Вони також полегшують і спрощують проектування споруд інженерного захисту від зсувів. Вони дозволяють уникати помилкових рішень, які призводять до перевитрат коштів.

Розроблена комп'ютерна програма LandSlip2d дозволяє автоматизувати процес розрахунків відомими методами на варіаційній основі коефіцієнтів стійкості зсувних схилів, зсувного тиску й вирішувати питання їх забудови та інженерного захисту з мінімальними витратами часу і коштів. Вона відповідає вимогам проектувальників і дослідників, проста і зручна при користуванні в об'єднаних комп'ютерних мережах великих проектних організацій. Її впроваджено в автоматизованому робочому комплексі інженерного захисту в ЦНТП "Інжзахист" у м. Ялті, відповідний акт впровадження наведено у додатку до дисертації.

Особистий внесок здобувача. Під керівництвом наукового керівника він виконав математичне моделювання напружено-деформованого стану зсувів і їх дій на протизсувні споруди. Особисто здійснив розробку блок-схеми та комп'ютерної програми для моделювання зсувних процесів, обгрунтував умови визначення поверхні ковзання на варіаційній основі, розробив і реалізував графічний редактор та чисельний алгоритм програми, прийняв участь в її тестуванні і впровадженні. Це викладено в дисертації, авторефераті і написаних у особисто роботах [1,2]. У написаних у співавторстві роботах [3-5] йому належить постановка математичної задачі, опис виконаних ним особисто досліджень та їхніх результатів. Співавторам Калюху Ю.І., Панкратовій Н.Д., Соколовській А.Б. у [3,5] та Демчишину М. Г. і іншим співавторам у [4] належить викладення умов та аналіз його досліджень .

Апробація результатів. Головні теоретичні, методологічні і практичні положення дисертаційної роботи докладались на міжнародних і міжвузівських науково-технічних і науково-практичних конференціях і симпозіумах. Серед них:

1. Міжнародна науково-практична конференція “Інженерний захист територій і об'єктів у зв'язку з розвитком небезпечних геологічних процесів”, Ялта, травень, 1999 р.

2. Міжнародна науково-практична конференція “Інженерний захист територій і об'єктів у зв'язку з розвитком небезпечних геологічних процесів”, Ялта, травень - червень 2000 р.

3. Міжнародний симпозіум, НДІБК, Київ, 27-28 вересня, 2001 р.

4. Міжнародна конференція, “5 Ювілейна Школа Геомеханіки” 16-19 жовтня 2002 р. у м. Глівіце, Польща.

5. Міжнародний семінар "Фундаментальні і прикладні проблеми моніторингу і прогнозу стихійних лих", Севастополь, вересень 2002 р.

У повному обсязі результати дисертаційного дослідження були розглянути на науковому семінарі відділу інженерної геології Інституту геологічних наук Національної академії наук України.

Публікації. Положення дисертаційної роботи висвітлені в 9 публікаціях, з них 5 відповідають вимогам ВАК України до фахових видань.

Структура й обсяг дисертації обумовлена метою і завданнями досліджень. Її обсяг складається із вступу, основної частини, що включає 6 розділів, висновків, списку використаних джерел (107 найменувань, 10 стор.) і додатків (35 стор.). Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 168 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано її мету, розкрито наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведено відомості про публікації та апробацію роботи.

У першому розділі наведено аналітичний огляд досліджень по зсувам, методам розрахунків зсувної небезпеки та інженерному захисту від зсувів міських територій. Відзначено, що за останні роки зсуви завдали великої шкоди. В Україні постраждали міста Дніпропетровськ, Чернівці, Київ, Одеса, Севастополь, Лисичанськ та інші. Вони призводять до руйнацій по фронту від 10-20 до 200-500 м і по падінню схилу - 200 м і більше, а об’єми іноді досягають сотень тисяч кубічних метрів.

Інженерно-геологічне вивчення зсувів проводили Бернацький Л.М., Дранников А.М., Малюшицький Ю.М., Зелінський І.П., Демчишин М.Г., Черкез А.Ф., Яковлєв Є.О., Рижий М.М., Рудько Г.І., Єриш І.Ф. та ін. В будівельній геотехніці, що здійснює грунтові розрахунки, зі зсувами пов’язані роботи Соколовського В.В Маслова М.М., Пузиревського Н.П., Шахунянця Г. М., Черного Г.І., Зоценко М.Л., Калюха Ю.І., Кільвандера Є.Я. і ін. Методи розрахунку протизсувних споруд висвітлені в роботах Гінзбурга Л.К., Білеуша А.І., Ревазова М.А., Агу І.А., Абросімова В. Г., Горбатової Л.В., Клованіча С.Ф. та ін.

Небезпека зсувів виявляється в раптовості виникнення, а також в тому, що вони, коли виникають в відповідних складних грунтових умовах, то не зупиняються до повної руйнації грунтового масиву, будівель та споруд. Конструктивний захист, на відміну від підроблюваних територій та просадних грунтів, на зсувних ділянках застосовується лише при повільному розвитку процесу і короткому терміну служби об’єктів. Тому ділянки схилів з проявом зсувних деформацій та руйнувань в нормативних документах визначаються як не придатні для будівництва, а в класифікації складних грунтових умов зсуви виділені в найбільш небезпечну (“нульову”) категорію. Але небезпеку зсувних руйнацій часто можуть попередити інженерні засоби захисту територій. Дослідження зсувів, оцінки зсувної небезпеки і захисту від неї територій, будівель і споруд зводяться до трьох типів задач, різних за спрямованістю, масштабами і методами вирішення:

·

·

·

Задачі першого типу вирішують переважно методом інженерно-геологічних експертних оцінок, з урахуванням геологічної структури, рельєфу, фіксацією зсувів, що вже виникли. Останні розглядають з позицій оцінки можливості подальшого розширення руйнацій. При визначенні їхніх меж, відділять ділянки активних зсувів від не активних. Використовують при рішенні регіональних і глобальних задач також геотехнічні методи визначення зсувної небезпеки, з розрахунками коефіцієнтів стійкості по конкретних профілях схилів, хоча для цих задач їхня роль допоміжна.

Але вони є основними при вирішенні задач другого типу, пов’язаних з визначенням можливості будівництва і необхідності застосування інженерних методів захисту територій і захисту існуючих на них споруд. Звичайно використовують розрахунки методами Маслова-Берера і Шахунянца, в основу яких покладено теорію граничного напруженого стану сипучого середовища, як математичну модель реальних грунтів і тріщинуватих порід, а також деякі припущення, необхідні на сучасному рівні розвитку науки.

Введено гіпотезу затверділого тіла, за якою призма зсуву є жорсткою (не деформованою), або складеною з жорстких блоків, що дозволяє замінити напруги силами з урахуванням впливів грунтових вод і сейсмічних сил. Крім того результати розрахунків за теорією граничної рівноваги поширено на грунти в до граничному і поза граничному напруженому стані (при коефіцієнтах стійкості більше або менше одиниці). Задачі вирішуються тільки в двох вимірах.

Незважаючи на це, зазначені розрахунки достатньо відображають дійсність, що підтвердило їх тривале практичне застосування. Відхилення від дійсності результатів розрахунків обумовлені не стільки їх недосконалістю, скільки складністю визначення показників міцності і деформаційних властивостей реальних грунтових масивів і використанням не завжди вірної поверхні ковзання, прийнятою без достатнього обгрунтування. Вона має відповідати умові мінімального значення розрахункового коефіцієнту стійкості, але при прийнятті заздалегідь, до розрахунків, лише випадково може відповідати цій умові. Тому результати розрахунків часто суб’єктивні, залежать від досвіду і інженерної інтуїції виконавця і не завжди відповідають дійсності.

Для ізотропних масивів використовують круглоциліндричну поверхню, близьку до теоретичної, з розбивкою її на окремі ділянки граничної рівноваги, а для анізотропних – інші варіанти. Однак цілком ізотропних масивів нема, в анізотропних завжди існує кілька її варіантів. Для зниження суб’єктивізму М.Н.Гольдштейном та ін. були запропоновані варіаційні методи її визначення, близькі до розрахункових за методами теорії граничної рівноваги. У загальному вигляді варіаційне визначення поверхні ковзання передбачає рішення зворотної задачі по коефіцієнту стійкості. Для цього потрібні розрахунки від 3-5 до 10-20 варіантів, що можливо при значному зниженні трудомісткості обчислень.

Задачі третього типу, пов'язані з розрахунками зсувного тиску для проектування протизсувних споруд інженерного захисту територій і об'єктів, вирішуються на основі таких самих методів розрахунків. При розрахунках протизсувних споруд крім цього тиску враховують також конструкцію й особливості роботи утримуючих схил елементів, силовий вплив грунту з низової сторони схилу, можливість переповзання і обтікання грунтом утримуючих конструкцій. Розраховують споруди за першим граничним станом - за несучою спроможністю та на розкриття тріщин, і за другим - за деформаціями, переміщеннями та тріщиностійкістю. Розрахунки за деформаціями і переміщеннями обов'язкові, коли споруди є одночасно фундаментами, і при захисті будівель. На тріщиностійкість і розкриття тріщин розрахунки роблять при агресивних грунтових водах. Місце розміщення споруд на схилі визначають попередньо, до розрахунків, і так само, як поверхню ковзання, що також призводить до суб'єктивізму. Вивільнення від нього шляхом перебору варіантів теж потребує зменшення трудомісткості розрахунків.

Важливою задачею є і розробка схем зсувонебезпечних схилів. Прийняття оптимальних проектних рішень в даний час досить ускладнюється через трудомісткість розрахунків, потрібних для аналізу достатньої кількості варіантів забудови і захисту. Розробка комплексу комп’ютерних розрахунків дозволить вирішувати і цю задачу.

З аналізу стану питання, що є предметом дослідження, можна зробити висновки:

1. Надійні розрахунки коефіцієнту стійкості схилу і зсувного тиску на виділених під забудову територій потребують визначення оптимальних поверхонь ковзання на варіаційній основі шляхом порівнянням достатньої кількості результатів розрахунків.

2. Оптимальний вибір варіантів забудови зсувних територій і розрахунки протизсувних споруд інженерного захисту також потребують перебору варіантів розрахунків показників зсуву, що висуває такі самі вимоги.

3. Виходячи з цього нагальною проблемою вдосконалення розрахунків, пов’язаних зі зсувами, є зниження трудомісткості зазначених розрахунків і скорочення часу їх виконання за рахунок комп’ютеризації.

У другому розділі проаналізовано та визначено методи дослідження. Оскільки метою роботи є вдосконалення методів визначення коефіцієнту стійкості та зсувного тиску, а в поширених методах їхніх розрахунків за основу прийняті положення теорії граничного напруженого стану сипучого середовища, головним методом є теоретичний метод аналізу, з застосуванням таких самих підходів. Виходячи з цього метод математичного моделювання зсуву і його силової дії на споруди також передбачав використання теоретичних підходів з застосуванням положень теорії граничного напруженого стану сипучого середовища та розрахункових методів Маслова-Берера і Шахунянца, а для зсувного тиску – Шахунянца і Білеуша та ін.

Методика, яка використана при виборі оптимальних схем програмування зсувних розрахунків, базувалася на застосуванні порівняльного аналізу відомих рішень для рішення поставлених задач.

У третьому розділі викладено математичну модель зсуву. Передумовами і вихідними положення її обгрунтування були:

·

·

·

В прийнятій моделі, крім фізико-механічних властивостей грунтів, згідно до прийнятих методів розрахунків передбачено врахування впливу напірних вод, водонасичення грунтів, сейсмічних сил і ваги будівель та споруд. Уточнення міцнісних показників грунтів передбачене за зворотними розрахунками. При перевазі на поверхні ковзання піщаних часток при мінімальному значенні кута внутрішнього тертя уточнюють коефіцієнт зчеплення с, а при перевазі глинистих - при мінімальному коефіцієнті зчеплення с уточнюють кут внутрішнього тертя . Характеристики опору зрушенню ґрунтів на основній частині поверхні ковзання прийняті постійними, на спадній і висхідній гілках – з можливим зниженням при замочуванні.

При сейсмічності 7 балів і вище до розрахункових рушійних зусиль додають сейсмічну силу Qc, як частку маси з сейсмічним прискоренням. Її напрямок приймають найнесприятливіший, тобто в відсіках призми його ковзання спрямовують паралельно основі, і враховують в кожному окремо. При обводненні їх враховують по масі насиченого грунту. Якщо в схилі діє гідродинамічний тиск грунтових вод, розрахунки виконують з додаванням цього тиску, завжди, коли є похила депресійна крива рівня грунтових вод Для врахування фільтраційних сил спрощеним засобом використовують криву депресії.

В математичній моделі при розрахунках зсувів, поверхні ковзання приймають заздалегідь, у формі ламаних прямих. Це не суперечить меті дисертації - розробці засобів їхнього визначення шляхом порівняння поверхонь ковзання за критерієм. Коли поверхні ковзання визначають поверхні ослаблення, теж є необхідність варіаційного визначення - без цього її вибір може бути також не вірним.

При побудові епюри зсувного тиску враховують опір грунту Еотп нижче споруди, як різницю утримуючих і рушійних сил, Qуд і Qсд:

Еотп=Qуд- Ку(отп)Qсд

де Ку(отп) - розрахунковий коефіцієнт стійкості, залежний від класу інженерних споруд

Величину тиску віднімають від ординат епюри, поділяючи їх пропорційно жорсткості конструкцій, розміщених проти цих ординат.

При розрахунках коефіцієнту стійкості укріпленого схилу враховують утримуючі і рушійні сили по поверхні ковзання та силову протидію зсуву. При зміцненні схилу протизсувними спорудами їх виражають сумою розрахункових горизонтальних навантажень, прикладених до опор. В формулах, що визначають стійкість укріпленого схилу, застосовують коефіцієнти сполучення навантажень, надійності й умов роботи.

Прийнятий в моделі розрахунковий метод горизонтальних сил Маслова-Берера застосовують для схилів складених різними грунтами, поверхню ковзання задають відрізками прямих, призму ковзання ділять на відсіки, щоб кожний складали однорідні грунти.

Метод горизонтальних сил ефективний для задач де треба визначати результуючі рушійних й утримуючих сил різнорідної зсувних товщ при довільному контурі поверхні ковзання. Його вигідно використовувати при нечіткій поверхні ковзання.

Формула Маслова–Берера для обчислення коефіцієнту стійкості з урахуванням дії фільтраційних та сейсмічних сил:

де фi - кут, що утворить лінія дії кривої депресії ji з горизонтом.

Горизонтальний тиск Еi відсіку на нижчий є різницею між розпором Нi і силою опору Ri з дією фільтраційного тиску Ei=Ку*(Hi+ji*cosфi+Qci )-Ri.

В аналітичному методі Шахунянца після прийняття і поділення призми зсуву на відсіки розглядають умови рівноваги i-го відсіку, починаючи з другого. Діючі на i-й відсік зовнішні активні сили, зводять до рівнодіючої Pi, і розкладають в точці прикладення на складові, нормальну Ni та тангенціальну Qi до поверхні зсуву. Коли сила Pi вертикальна, кут i = 0 , а Ni=Pi*cosi і Qi=Pi*sini. На відміну від інших метод Шахунянца єдиний для розрахунків коефіцієнтів стійкості і для зсувного тиску на конструкції:

Формула Білеуша:

де n,k - номери блоків (n=1,2,3,…,j;k=1,2,3,…,j-1);

j- номер блоку, де встановлено утримуючу споруду; Gn - вертикальне зусилля в n-му блоці, що включає вагу грунту, навантаження на схил, фільтраційний тиск і. т. і, кн/м;

Фn - складова фільтраційної сили в n-му блоці, паралельна поверхні зсуву, кН/м

Рг.n - горизонтальна складова діючих на споруди сил на поверхні схилу, кН/м;

nc - коефіцієнт сполучення навантажень (для основного -1,0, особливого 0,9 і будівельного періоду 0,95); kc - коефіцієнт сейсмічності; m - коефіцієнт умов роботи, що враховує граничні стани і розрахункові схеми: 1,2 - для скельних і напівскельных порід, 0,7 - для неущільнених водонасичених пісків і глинистих грунтів із показником консистенції lc> 0,75; 1,0 - для інших грунтів; кn - коефіцієнт надійності, що враховує відповідальності і капітальність споруд та значимість наслідків виникнення граничних станів: для захисних споруд I-го класу - 1,25; 2-го - 1,20; 3-го - 1,15 і 4-го - 1,10;

- кут атаки сейсмічного імпульсу до горизонту; n, k, n, k - кут нахилу поверхні ковзання до горизонту і кут внутрішнього тертя грунту розрахункового n - го і k - го блоку, град.; Сn - структурне зчеплення в зоні деформування.

Зсувний тиск на елемент споруди залежить від відстані між її елементами lc. При однорядних палях тиск на палю Еon = Еjon lc, к. Якщо установлена тільки опора, тиск на неї збирається з визначеної зони. Ширина її залежить від міцності грунтів призми зсуву. При значній міцності і малій ширині зсуву весь тиск передається на опору:

де lon - ширина зсуву біля місця установки опори, м

Тиск на опору, створений зсувними масами дорівнює

Зсувні грунти обтікають опору при тиску Еmax

де bc - ширина опори в плані, м. ; к - коефіцієнт пропорційності, що враховує зміну коефіцієнту постілі з глибиною, кН; h - потужність зсувної товщі, м ; ср, c - кут внутрішнього тертя, град. і зчеплення грунту, кПа, на глибині від 0 до h м; l - довжина бокової грані опори в плані, м ; а=900-м.м оптимальний кут грунторізу, коли навантаження на опору мінімальне, град; м.м - кут тертя грунту по поверхні грунторіза, град.

Якщо опора не обладнано грунторізом, а є кутом вершини ущільненого грунтового ядра, що утворилося перед опорою. Тоді м.м приймають, як середній кут грунту. Опори повинні розраховуватися на менший тиск із визначених E1on, E2on і E3on.. При виборі місця розміщення споруди повинно дотримуватися співвідношення, де Еon – розрахункова, а Ejmax – гранична величина зсувного тиску на споруду за умови міцності грунту. При перевищенні Ejmax відбувається переповзання зсуву через споруду.

В четвертому розділі розглянуті умови застосування моделі при варіаційному визначенні поверхонь ковзання варіаційним методом і зроблено її експериментальну перевірку. Наведені умови мають бути виконані для розрахункових поперечників кожного схилу, щоб повніше охопити розмаїтість інженерно-геологічних умов, контурів поверхонь схилу, поверхонь ковзання, зміну контурів зсуву в плані і т.і. Розміщення характерних поперечників має встановлюватися в процесі інженерно-геологічних вишукувань.

Якщо для проектування протизсувних споруд поперечників недостатньо, щоб повністю охопити площу схилу, де можливі зсувні рухи, потрібно будувати додаткові поперечники, виходячи з наявних за інженерно-геологічними вишукуваннями даних. Площа зсувонебезпечної території схилу має бути обрахована по всіх поперечниках.

Оптимальну поверхню ковзання визначають так. По величинах т і с знаходять можливі поверхні ковзання, враховуючі тріщини, ослаблені поверхні і т.і. З розрахованих коефіцієнтів К1у, К2у, К3у... по найменшому: К(N+1)y >КN у < К(N+1)y,

знаходять оптимальну поверхню ковзання. В нестійкому схилі приймають Ку 1 і зворотними розрахунками уточнюють і с від мінімальних, визначених у лабораторії при випробуваннях на зріз за схемою "плашка по плашці" до максимальних у природному стані . Для розрахунку протизсувних споруд та перевірки стійкості схилу до і після його укріплення по поперечниках будують епюри зсувного тиску Еоп, з уточненням куту внутрішнього тертя і зчеплення с на рівні поверхні ковзання, яку було визначено варіаційним методом. Зсувний тиск по відсіках, на які розбито схил, визначають за показниками міцності грунту. Їх уточнення здійснюють зворотними розрахунками виходячи зі значення коефіцієнта стійкості схилу Ку.

З метою перевірки наведених розрахункових залежностей, встановлення їх достовірності і величин похибки методики розрахунків через недосконалості прийнятих моделей грунту й інших чинників було виконано порівняльний аналіз. Розрахункові величини зсувного тиску порівнювали з замірами в натурі у різний час різними вітчизняними і закордонними дослідниками. При порівняннях з натурними спостереженнями і вимірами Еon А.Кезді, С.Джонса було встановлено достатньо задовільну збіжність результатів. Розходження не перевищували 30%.

Використані були також експериментальні заміри Шехаде Алі, зсувного тиску на опори водоводу поблизу м. Чернівці. На опорах №5 і №9 були встановлені гідравлічні датчики контактного тиску. Було визначено, що тиск збільшується з глибиною по лінійному закону, найбільшої величини досягає біля поверхні ковзання, а по ширині опори розподіляється за законом прямокутника. Заміряні величини тиску були менші ніж обчислені на 30 -50%. Такі результати теж слід вважати задовільними.

П’ятий розділ присвячено формулюванню принципів побудови комп’ютерної програми розрахунків показників зсувного процесу, вибору засобів для її реалізації та обгрунтуванню вихідних положень. Для розрахунків їхніх показників зсувів мав бути створений графічний редактор візуального проектування зсуву на екран, з відображенням внутрішньої структуру і її зміни в часі, і засоби виконання розрахунків.

Кожний елемент програми, що реалізує один з цих прийнятих методів розрахунку, пов’язаний з графічним редактором, тому при звичайному підході кожен мав мати свій редактор, що ускладнило б програму. Тому в дисертації виконано пошук засобу уникнути цього і використати один графічний редактор. Таку можливість дав об‘єктно орієнтований підхід (ООП), за яким об'єкт програми має бути розбито на складові, пророблені їхні взаємозв'язки, а потім здійснено її реалізацію. Методологія підходу ООП передбачає розглядати програму, як сукупність об'єктів певних класів, які між собою взаємодіють на принципах ієрархії, успадкування, інкапсуляції і поліморфізму.

Програму було поділено на функціонально закінчені об'єкти, що містять дані опису зсуву і набір функцій - підпрограм для маніпулювання. Клас об'єкту є статичним елементом і являє опис його структури. Він не може повторюватися, на відміну від самих об'єктів, які створюють у процесі роботи в необхідній кількості. Успадкування визначає взаємодію класів, коли клас, який називають нащадком, використовує функції іншого базового класу, тобто успадковує їх і використовує при описанні загальних рис об'єкту, а деталізацію здійснює своїми функціями. В нашому випадку базовий клас описує математичні обчислення взагалі, а класи-нащадки - конкретні обчислення за кожним з прийнятих нами методів. При такому підході відтворена графічним редактором структура зсуву взаємодіє з об'єктами обчислення взагалі, тобто через загальний базовий клас, не вдаючись у методи реалізації різних методів розрахунків. Це дозволило використовувати один графічний редактор для всіх методів.

Визначення показників зсувних процесів, як було відзначено, на сучасному рівні механіки грунтів здійснюють за не цілком математично строгими методами, і вплив елементів суб'єктивізму на кінцеві результати достатньо істотний, хоча варіаційне визначення поверхні ковзання його знижує. Тому комп'ютерна розрахункова програма, крім обчислень показників зсуву має містити наочну систему завдання і візуального стеження змін стану зсуву в часі графічним редактором. Їй мають сприяти принципи побудови і мова програми, що дозволяють графічному редактору у взаємодіяти з лише з базовим об'єктом обчислень, зберігати інформації про зсув і відтворювати її з зовнішнього носія. Алгоритми обчислень виділені в окремі логічні блоки. Щоб в них не було громіздкої інформації про зсув, створено загальний інтерфейс взаємодії об'єктів розрахунки з об'єктом збереження інформації.

В шостому розділі дається опис розробленої програми, що одержала назву LandSlip2d, з графічним редактором інтерфейс Graphics User Interface. Вона дає змогу рахувати коефіцієнт стійкості (методами Маслова-Берера і Шахунянца) і зсувний тиск (методами Шахунянца і Білеуша), вести ітераційний добір прийнятих при обчисленні зсувів параметрів: поверхні ковзання, показників міцності грунтів і т. і. Користувач не взаємодіє з об'єктами математичних дій, а керує ними через графічний редактор, що здійснює їх створення, модифікацію і видалення. Параметри зсуву завантажуються після запуску автоматично, без системи меню. Командний рядок вміщує дані по кількох зсувах та кількох варіантах їх елементів (поверхонь ковзання). Графічний редактор показує структуру зсуву, координатну сітку, висоту і ширину зсуву, здійснює масштабування за двома напрямками. Коли зсув витягнуто або стиснуто, коефіцієнт змінює масштаб по горизонталі або по вертикалі, що не позначається на обчисленнях. Здійснюється розбивка зсуву на його складові елементи, з побудовою сітки розбивки.

Задається рельєф земної поверхні і параметри необхідних для охоплення зсувної призми на глибину шарів грунтів. При розрахунках використовуються такі параметри, як щільність грунту, коефіцієнт зчеплення і кут внутрішнього тертя у звичайному і водонасиченому стані. Кожний грунтовий шар може бути виділено на екрані окремим кольором. Завантаження і введення додаткової інформації про стан зсуву може бути здійснено також і з зовнішніх джерел, зокрема з датчиків, що встановлені в натурі. Вони корегують первісні дані про структуру зсуву.

Якщо є будівлі або споруди, на відповідні вертикальні блоки призми зсуву задають додаткове навантаження. Також задається поверхня грунтових вод. Після її завдання при розрахунках зсування по заданій поверхні ковзання нижче поверхні грунтових вод і на ній використовуються розрахункові значення властивостей грунтів в водонасиченому стані, вище - стандартні (неводонасичені) значення. В необхідному випадку задається також і коефіцієнт сейсмічності, що відповідає відповідній сейсмічній бальності.

Після введення всіх необхідних даних програма здійснює розрахунки коефіцієнтів стійкості. При заданому коефіцієнті стійкості програма видає значення зчеплення і кута внутрішнього тертя грунту, які йому відповідають. Є змога вибрати один із видів ітерацій цих показників або положення поверхні ковзання. Програма робить пошук найбільше вірогідного рішення, і показує результат, як при звичайному методі Шахунянца або Маслова-Берера.

Програму пристосовано також для рішення задачі пошуку оптимальної поверхні ковзання шляхом завдання кількох поверхонь ковзання для кожного зсуву і вибору тієї, що є оптимальною. Додаткові поверхні ковзання звичайно важко задати в табличному вигляді, тому вона передбачає можливість задавати їх безпосередньо за допомогою графічного редактора. Додаткових поверхонь ковзання може бути задано достатньо, а після визначення оптимальної інші позначаються на екрані більш бляклим кольором. Програма здійснює розрахунки зсувного тиску на протизсувні споруди типу опорних стінок. Споруди приймають жорсткими, розрахунки ведуть методами Шахунянца і Білеуша. Ці розрахунки дають змогу моделювати зазначені споруди шляхом завдання їхніх координат і поверхні грунту, з редагуванням при необхідності місць розміщення і геометрії зсувного масиву.

Точність виконаних розрахунків залежить від розмірів прийнятої сітки. При великих розмірах елементів збільшується похибка розрахунків, при малих результат буде більш точним, але зростає об’єм розрахунків і даних, що описують структуру зсуву. Програма зберігає поточне зображення зсувного у файлі в gif-форматі, який на відміну від інших передає велике зображення без утрати якості.

У квітні 2001 р. було проведено польсько-українське тестування програм Slope/w та LandSlip2d у конструкторському бюро копальні KWB “TURUW”. Розрахунки, що були проведені по двох програмах для ідентичних зсувних перетинів. На рис. 1. представлено типовий графік зсувного тиску, якій може бути отриманий програмою LandSlip2d (по методах Шахунянца і Маслова-Берера). У результаті розрахунків отриманий повний збіг (менш 1%) по чисельних характеристиках зсувного тиску і коефіцієнта стійкості схилу: по канадській програмі Ку=1.11 для методу Бишопа і Ку=1.22 для методу Спенсера; по програмі LandSlip2d Ку=1.08 для методу Шахунянца і Ку=1.12 для методу Маслова(розбіжність близько 1%). Трохи великими були розбіжності при визначен-

Рис.1.Типовий графік зсувного тиску схилу (вертикальна вісь – зсувний тиск, горизонтальна вісь - номер розрахункового блоку зсуву відповідно до горизонтальної осі)

ні зсувного тиску, де за обома програмами проводились розрахунки різними, хоча і близьким методами. Обидві програми показали гарну збіжність при різних положеннях і довжині криві депресії. При зміні параметра вологості ґрунту канадська програма реагувала сильніше, при зміні коефіцієнта ковзання кута сильніше реагувала програма LandSlip2d.

В додатку наведено докладну інструкцію користування комп’ютерною програмою LandSlip2d та її опис, акт впровадження результатів дисертаційних досліджень в ЦНТП “Інжзахист” у м. Ялті.

ВИСНОВКИ

Основні висновки і рекомендації дисертаційних досліджень можна викласти у наступних положеннях:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТаЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.