КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
АРЕШКОВИЧ Ольга Олегівна
УДК 624.131.53:624.15
НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН
ґРУНТОВОЇ ОСНОВИ ЗСУВОНЕБЕЗПЕЧНОЇ ТЕРИТОРІЇ
05.23.02 – Основи і фундаменти
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури (КНУБА) Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,
Бойко Ігор Петрович, Київський національний університет будівництва і архітектури, завідува кафедри основ і фундаментів
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,
Білеуш Анатолій Іванович, Національний авіаційний університет, професор кафедри реконструкції аеродромів і автошляхів,
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник,
Шокарєв Віктор Семенович, Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, заступник директора з наукової роботи
Провідна установа: Одеська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, м. Одеса
Захист відбудеться 4 квітня 2007 р. o 1300 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .056.05 “Основи і фундаменти. Будівельні матеріали і вироби” Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31, ауд. .
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31.
Автореферат розісланий 2 березня 2007 р.
Учений секретар спеціалізованої
вченої ради, канд. техн. наук, доц. Г.Р. Блажіс
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У зв’язку зі значним зростанням капіталовкладень у будівельну галузь і, відповідно, обсягів виробництва в умовах дефіциту земельного простору, особливо в останні десятиліття розвитку економіки України, різко збільшилося використання ділянок зі складними рельєфом та гідрогеологічною ситуацією, на яких можливий розвиток зсувних процесів. Проектування в таких умовах вимагає від інженера комплексного підходу для вирішення задач надійної експлуатації будівель і споруд та збереження навколишнього середовища, а будівництво на зсувонебезпечних територіях пов’язано з вирішенням соціальних, економічних та екологічних питань. До основних завдань геотехніки відноситься розв’язання задач спільної роботи ґрунтової основи і надземних конструкцій.
Для вивчення напружено-деформованого стану (НДС) ґрунтової основи зсувонебезпечних територій важливе значення має форма та положення потенційної поверхні ковзання, по якій може відбутися зсування ґрунту. Формування цієї поверхні залежить від дії одного чи декількох чинників, які, в свою чергу, впливають на зміну природного напружено-деформованого стану ґрунтового масиву. Влаштування котловану у підніжжі схилу, його додаткове навантаження будинками чи спорудами, застосування вібраційних чи динамічних технологій при виконанні будівельних робіт відіграють негативну роль у задачах стабілізації зсувних процесів.
В традиційних випадках оцінка стійкості схилу зсувонебезпечних територій проводиться за спрощеними схемами – порушення рівноваги відбуваються між утримуючими та зрушуючими силами по ламаній або круглоциліндричній поверхнях ковзання, що не завжди відповідає реальним ґрунтовим умовам. Такі розрахунки не враховують можливих змін фізико-механічних характеристик ґрунтів в зоні потенційної поверхні ковзання, а також особливостей виконання підземних робіт та порядку забудови схилу, що призводить в ряді випадків до отримання необґрунтованих результатів. Ще одним вагомим недоліком таких підходів можна назвати неврахування нелінійного деформування ґрунтів основи, особливо бурих і пістрявих глин в геологічних умовах м. Києва, в яких часто формуються потенційні поверхні ковзання, а їх реакція на зволоження зумовлює зниження міцності під час довготривалого навантаження схилу. Важливими показниками оцінки стану схилу зсувонебезпечної території є факт використання об’єктивних параметрів ґрунтів, які б вказували на реальний напружено-деформований стан основи – дограничний, граничний чи позаграничний. Визначення коефіцієнту стійкості схилу за нормативними методиками дає тільки кількісний аналіз ситуації і не відображає всієї картини поведінки ґрунтів у масиві.
Дослідження еволюції НДС ґрунтової основи під дією різних чинників в процесі деформування ґрунтів зсувонебезпечної території забезпечує отримання більш реальної картини розподілу напружень в ґрунтовому середовищі. Оцінка НДС на кожному етапі послідовного навантаження схилу дає можливість виявляти небезпеку розвитку зсувного процесу та вчасно передбачати раціональні інженерні заходи зі стабілізації або його попередження. В дисертаційній роботі прийнята гіпотеза – у випадку виявлення локальних зон пластичних деформацій, які в процесі їхнього розвитку мають тенденцію до об’єднання, вважається, що відбувається формування потенційної поверхні ковзання, і це свідчить про початок розвитку зсувного процесу.
Такий багатофакторний аналіз на сьогоднішній день можна виконати з використанням сучасної комп’ютерної техніки за допомогою чисельного моделювання на основі методу скінченних елементів (МСЕ). Необхідною умовою чисельного моделювання є забезпечення відповідності вибраної розрахункової схеми реальній фізичній моделі ґрунтового середовища. Для цього слід використовувати коректно визначені за стандартними методиками параметри ґрунтів, які відображають фактичний стан ґрунтового масиву.
Застосування теорії нелінійного деформування ґрунтів, яка базується на рівняннях, що описують пружно-пластичні деформації, дозволяє встановити зв’язок між напруженнями і деформаціями в широкому діапазоні навантажень, включаючи граничні стани. Для випадку задач дослідження НДС ґрунтової основи використання теорії пластичної течії дає можливість більш детально оцінювати деформації при формуванні потенційних поверхонь ковзання.
Фактор встановлення кількісно-якісної залежності між чинниками, що спричиняють виникнення зсувних процесів, і їх розвитком є визначальним для підвищення ефективності інженерних заходів зі стабілізації схилів. Це дозволяє на основі проведених техніко-економічних розрахунків встановити доцільність використання тих чи інших протизсувних заходів.
Питанням розрахунку стійкості схилів, зсувоутворюючих чинників та заходів по стабілізації зсувонебезпечних територій присвячено ряд наукових робіт, серед авторів яких: А.І. Білеуш, І.П. Бойко, В.П. Боковий, Ю.Й. Великодний, Л.К. Гінз-бург, М.Н. Гольдштейн, М.Г. Демчишин, А.М. Дранніков, Є.П. Ємельянова, Г.С. Золотарьов, М.Л. Зоценко, Ю.И. Калюх, М.В. Корнієнко, В.Ф. Краєв, М.М. Кризський, М.М. Маслов, Е.Ю. Петренко, Г.П. Степаненко, З.Г. Тер-Мартиросян, О.М. Трофимчук, В.І. Хазін, Г.І. Черний, В.Г. Черний, В.Б. Швець, В.С. Шокарєв, A.W., L., W., A.йzdi, N.R., V., L. Љuklje, A., K., D.J., Q.бruba та ін.
Значний вклад в розвиток нелінійних методів розрахунків ґрунтової основи внесли І.П. Бойко, О.К. Бугров, Ю.Л. Винников, С.С. Вялов, М.П. Дубровський, Ю.К. Зарецький, М.Л. Зоценко, Ю.А. Киричек, О.А. Киричук, С.Ф. Клованич, В.В. Ковтун, І.Я. Лучковський, А.С. Моргун, В.М. Ніколаєвський, О.О. Петраков, О.С. Сахаров, О.М. Трофимчук, Г.І. Черний, В.Б. Швець, П.І. Яковлєв та ін.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності до плану держбюджетних тем, в яких автор брав участь на рівні відповідального виконавця:
- науково-дослідної роботи Міністерства освіти і науки України № 6 ДБ–2001 “Геологічні чинники та здійснення технологічних заходів по забезпеченню стійкості зсувних схилів в умовах забудови з урахуванням реологічних властивостей і неоднорідності ґрунтів” (лист МОНУ від 8.02.2001 р. № /20–148, наказ КНУБА № від 19.02.2001 р., номер державної реєстрації 0101U003401);
- науково-дослідної роботи Міністерства освіти і науки України № 6 ДБ–2004 “Теоретичні основи розрахунків стійкості схилів зсувонебезпечних забудованих територій з прогнозом реологічної поведінки елементів геосистеми “схил – інженерні споруди” (наказ МОНУ від 7.11.2003 р. № , наказ КНУБА № від 18.02.2004 р., номер державної реєстрації 0104U003289).
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є дослідження еволюції напружено-деформованого стану ґрунтової основи зсувонебезпечних територій м. Києва під дією природних та техногенних факторів на різних етапах розвитку зсувних процесів.
Для досягнення поставленої мети визначені основні задачі для дослідження:
- проаналізувати існуючі інженерні методи оцінки стійкості зсувонебезпечних схилів, виявити їх переваги і недоліки та шлях їх розвитку;
- систематизувати основні чинники, що зумовлюють виникнення зсувних процесів;
- розробити методику чисельного моделювання нелінійного деформування ґрунтів, що дозволить виявляти зони розвитку пластичних деформацій;
- обґрунтувати форму та умови формування потенційних поверхонь ковзання на зсувонебезпечних територіях за даними інженерно-геологічних вишукувань, інструментальних спостережень, чисельного моделювання;
- виконати чисельне моделювання напружено-деформованого стану ґрунтової основи з урахуванням історії навантаження та його зміни під дією основних чинників;
- дослідити еволюцію НДС шляхом послідовного чисельного моделювання етапів розвитку зсувних процесів під дією природних та техногенних факторів;
- виявити роль окремих факторів у появі пластичних деформацій зсувонебезпечної території та визначити їхній вплив на розвиток зсувних процесів;
- розробити рекомендації з інженерного захисту зсувонебезпечних територій з метою запобігання розвитку зсувних процесів та визначити основні вимоги до проектування і будівництва на зсувонебезпечних територіях.
Об’єкт дослідження – розвиток зсувних процесів на зсувонебезпечних територіях.
Предмет дослідження – напружено-деформований стан ґрунтової основи зсувонебезпечних територій.
Методи дослідження:
- інженерно-геодезичні спостереження за деформаціями ґрунтової основи на експериментальних майданчиках;
- інструментальні спостереження за зсувними процесами в часі за допомогою інклінометрів;
- геофізичні дослідження ґрунтової основи радіохвильовим зондуванням та профілюванням;
- візуальні спостереження та фотофіксації;
- лабораторні дослідження фізико-механічних характеристик ґрунтів;
- чисельне моделювання НДС схилу методом скінченних елементів;
- оцінка стійкості інженерними методами.
Наукова новизна одержаних результатів. Проведені теоретичні і експериментальні дослідження дозволили отримати наступні результати:
- визначено основні чинники, які впливають на розвиток зсувних процесів на зсувонебезпечних територіях та показано на окремих об’єктах роль кожного з них;
- розроблено методику чисельного моделювання нелінійного деформування ґрунтів зсувонебезпечних територій на основі дилатансійної теорії з урахуванням структурної міцності ґрунту та відповідних значень модулів деформацій в широкому діапазоні навантажень;
- вперше запропоновано і підтверджено гіпотезу визначення положення і форми потенційної поверхні ковзання шляхом виявлення локальних зон пластичних деформацій в ґрунтовому масиві на зсувонебезпечних територіях;
- вперше за даними чисельного моделювання еволюції напружено-деформованого стану ґрунтової основи на зсувонебезпечній території методом скінченних елементів виявлено зони розвитку пластичних деформацій, які формують під підошвою лесової товщі в геологічних умовах м. Києва зсув видавлювання.
Практичне значення одержаних результатів:
- запропоновано виділяти чотири етапи розвитку зсувного процесу, а саме – формування, генерація, реалізація, стабілізація зсувонебезпечних територій, що підвищило надійність і ефективність проектування інженерних захисних заходів;
- показано вплив окремих факторів на формування напружено-деформованого стану ґрунтової основи та запропоновано рекомендації по розробці надійних інженерних заходів зі стабілізації схилу на дію найбільш визначального для нього чинника;
- на прикладі розв’язку задач на реальних об’єктах показано ефективність пошуку потенційних поверхонь ковзання та можливість своєчасного попередження розвитку зсувних процесів. За результатами досліджень розроблено рекомендації по стабілізації зсувонебезпечних територій парку Вічної Слави, об’єктів будівництва висотних будинків по вул. І.Франка, 4б та вул. Кудряшова, 3 в м. Києві. Соціальне і екологічне значення цих рекомендацій та отриманий економічний ефект в сумі 402,220 тис. грн. підтверджено актами про впровадження;
- розроблено рекомендації для проектування і будівництва на зсувонебезпечних територіях, які включено в проект державних будівельних норм України “Основи і фундаменти”.
Особистий внесок здобувача:
- проведено аналіз результатів моделювання зсувного процесу на зсувонебезпечній території з урахуванням навантаження від існуючих будинків. Отримані дані порівняно з результатами інструментальних спостережень, виконаних за сучасною технологією, зроблено висновки та пропозиції щодо експлуатації та будівництва на таких ділянках [1];
- проведено систематизацію та оцінку впливу основних природних та техногенних факторів на зсувонебезпечній території парку Вічної Слави. Проаналізовано інклінометричні, інженерно-геодезичні, геофізичні та візуальні спостереження за деформаціями ґрунтового масиву. Виконано розрахунки стійкості схилу за різними методиками та досліджено зміну напружено-деформованого стану зсувонебезпечної території в залежності від ролі різних факторів [2];
- визначено основні причини зсувних процесів та розроблено рекомендації з інженерного захисту зсувонебезпечних територій міста Києва [3];
- визначено основні вимоги до проектування і будівництва на зсувонебезпечних територіях. Обґрунтовано методику чисельного моделювання напружено-деформованого стану схилу з урахуванням нелінійного деформування ґрунтів. На експериментальному майданчику показано вплив зміни параметрів ґрунтів на розвиток зсувних процесів [4];
- проведено інструментальні спостереження, лабораторні дослідження бурих, пістрявих і спондилових глин та узагальнення цих даних [5];
- на основі чисельного моделювання показано формування напружено-деформованого стану ґрунтової основи та виявлено значні зони пластичних деформацій на прогнозованій ділянці потенційної поверхні ковзання, що підтвердило її місцерозташування [6];
- показано відмінності розрахунків напружено-деформованого стану ґрунтової основи зсувонебезпечної території для лінійних та нелінійних задач, розв’язаних на базі розрахунково-програмного комплексу АСНД “VESNA” [7];
- розроблено диференціацію основних факторів, що зумовлюють розвиток зсувних процесів. Проведено моделювання напружено-деформованого стану основи зсувонебезпечної території реальних об’єктів впровадження [8];
- проведено інструментальні спостереження за розвитком зсувного процесу на експериментальній ділянці та на основі цих даних досліджено його еволюцію за допомогою методики чисельного моделювання [9];
- досліджено еволюцію напружено-деформованого стану ґрунтової основи. Виявлено основний фактор, якій зумовлює розвиток зсувного процесу [10];
- запропоновано детальний аналіз розвитку зсувних процесів з використанням сучасних методів досліджень [11];
- шляхом оцінки НДС на кожному етапі послідовного навантаження схилу виявлено небезпеку зсувного процесу [12];
- на експериментальній ділянці проведено інструментальні спостереження за зсувними процесами та виконано розрахунки стійкості схилу [13];
- показано вплив різних факторів на стійкість ґрунтового масиву [14].
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи були висвітлені на наступних конференціях:
- й, 64-й, 65-й, 66-й, 67-й науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури, м. Київ, 2002–2006 рр.
- й Всеукраїнській науково-технічній конференції “Механіка ґрунтів, геотехніка та фундаментобудування”, м. Одеса, 2004 р.
- Українсько-казахському геотехнічному семінарі “Геотехнічні і сейсмічні проблеми будівництва та реконструкції міст” в рамках 6-ої Всеукраїнської науково-технічної конференції “Будівництво в сейсмічних районах України”, м. Ялта, 2006 р.
- Науково-практичній конференції “Сучасні проблеми будівельного освоєння територій зі складними інженерно-геологічними умовами”, м. Гурзуф, 2006 р.
- Науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів Київського національного університету будівництва і архітектури, м. Київ, 2006 р.
- Danube-European Conference on Geotechnical Engineering “Active geotechnical design in infrastructure development”, Ljubljana, Slovenia, 2006.
-International PhD Symposium in Engineering, Pйcs, Hungary, 2006.
- Tenth National and Forth International Scientific Conference INDIS, Novi Sad, Serbia, 2006.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 робіт, які повною мірою відображають зміст роботи, із них 6 – у наукових фахових виданнях, визначених ВАК України, 8 – у матеріалах і тезах конференцій.
Структура дисертації. Дисертаційна робота викладена на 127 сторінках друкованого тексту основної частини, яка складається зі вступу, п’яти розділів та висновків.
Повний обсяг дисертації становить 179 сторінок і включає 7 таблиць, 44 ілюстрації, список використаних джерел –174 позицій, 6 додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету роботи та основні напрямки її досягнення, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про публікацію та апробацію роботи.
У першому розділі наведено огляд класифікацій зсувів і критичний аналіз існуючих інженерних методів розрахунку стійкости схилів, механічних моделей, що використовуються, інженерних заходів для зсувонебезпечних територій.
Класифікаціями зсувів займалося багато вчених, серед яких К.М. Феофілактов, А.П. Павлов, шведські дослідники (1917-1955), К.І. Богданович, Ф.П. Саваренський, В.Н. Чирвинський, А.П. Ніфантов, Н.В. Родіонов, G.E., Ф.П. Пчєлінцев, С.F.S., И.П. Попов, K., М.М. Маслов, Г.С. Золотарьов, А.М. Дранніков, D.J., Є.П. Ємельянова, В.Ф. Краєв, В.І. Хазін та інші.
Зсувні явища (за А.М. Дранніковим), зумовлені наявністю двох потенційно зсувонебезпечних шарів, класифіковані наступним чином: І тип зсувів – рух корінних порід по бурих або пістрявих глинах, що актуально і сьогодні для території м. Києва; ІІ тип зсувів – зсуви-обвали по спондиловій глині; ІІІ тип – опливини, осипи, осови.
З метою оцінки стійкості зсувонебезпечних схилів та розробки ефективних протизсувних заходів в інженерній практиці використовують у більшості випадків розрахункові методи. Використання емпіричних формул для розрахунку стійкості схилів набуло широкого розповсюдження, але він задовольняє єдиній вимозі, а саме визначає стан, в якому знаходиться схил – стійкому, граничному чи нестійкому.
Практично всі розрахунки стійкості базуються на концепції граничної рівноваги. Кількісним показником ступеня стійкості є коефіцієнт стійкості (К).
У більшості методів граничної рівноваги використовується тільки статичний підхід. На жаль, за виключенням найпростіших випадків, більшість задач стійкості схилів статично невизначені. Тому, для того, щоб забезпечити вирішення відносно коефіцієнта запасу, необхідно зробити певні припущення. На основі використання різних припущень розроблена велика кількість методів від найпростішого методу клина H.B. Seed and H.A. до методу скінченних елементів. Між ними знаходяться методи блоків, розроблені W., A.W., N., N. and V.E., E., метод логарифмічної спіралі D., метод “граничної рівноваги” В.В. Соколовського, “горизонтальних сил” Маслова – Берера, “рівноміцного відсіку Fp” М.М. Маслова, “притуленого відсіку” Г.М. Шахунянца, “нахилених сил” Р.Р. Чугаєва, М.М. Кризського.
При загальному підході методи оцінки стійкості можна розділити на три групи залежно від числа рівнянь рівноваги: методи, які задовольняють загальній умові рівноваги моментів, методи рівноваги сил, методи рівноваги моментів і сил.
На основі аналізу існуючих методів розрахунку стійкості можна відзначити наступне: більшість з них базуються на умові рівноваги одразу всього масиву, який зсувається, і вони називаються інтегральними, але не дають досліднику інформації про формування потенційних поверхонь ковзання під впливом різних факторів, які, на жаль, неможливо врахувати в існуючих методах, як і зміну параметрів ґрунтів в усьому масиві взагалі.
На відміну від усіх викладених вище методів, у методі скінченних елементів визначення нормальних і дотичних напружень в зоні потенційної поверхні ковзання здійснюється з урахуванням пружно-пластичних властивостей ґрунтів. Цим питанням присвячена дана дисертаційна робота.
Використання методу скінченних елементів має велике поширення за рахунок можливості дослідження напружено-деформованого стану одразу всього ґрунтового масиву.
Значний вклад у розвиток чисельних методів внесли В.А. Баженов, І.П. Бойко, О.К. Бугров, Ю.Л. Винников, С.С. Вялов, Ю.К. Зарецький, М.Л. Зоценко, П.П. Лізунов, А.С. Моргун, В.М. Ніколаєвський, О.С. Сахаров, О.М. Трофимчук, О.Б. Фадєєв, Г.І. Черний, О.В. Школа та ін.
Аналіз НДС дає змогу вчасно забезпечити раціональний інженерний захист зсувонебезпечної території, до якого відносяться – терасування (або перерозподіл ґрунтових мас на схилі), дренаж поверхневої та ґрунтової води, влаштування захисних підпірних стін та ін. А детальна оцінка ситуації за допомогою сучасних методів інструментальних спостережень (моніторингу) дозволяє спостерігати за розвитком зсувного процесу та прогнозувати надзвичайні ситуації.
У другому розділі представлена математична реалізація моделі ґрунтової основи зсувонебезпечної території.
Для представлення нелінійного деформування ґрунтового середовища використовується теорія пластичної течії. В цьому випадку розглядаються прирости деформацій ґрунту dе = dе е + dе р. Для розв’язку задач приймається модифікований критерій пластичності Мізеса–Шлейхера–Боткіна, деформування ґрунтів з використанням неасоційованого закону.
В основу моделі пружно-пластичного деформування ґрунтів покладена дилатансійна умова В.М. Ніколаєвського, яка модифікована проф. І.П. Бойком, що дозволяє враховувати залежність критерію міцності ґрунту від виду напруженого стану, структурну міцність та змінні модулі деформації. В рамках цієї теорії при описуванні пружно-пластичного деформування ґрунтового середовища приріст деформації складається з приросту пружної частини dе е, який обчислюється за співвідношеннями (1) та (2), та приросту пластичної частини dе р, яка визначається на базі неасоційованого закону пластичної течії (3).
. (1)
(2)
де – тензор констант деформування, компоненти якого обчислюються в метриці деформованої області за формулою:
де Е0 – початковий модуль пружності суцільного ґрунтового середовища; х – початкове значення коефіцієнта Пуассона; – метричний тензор.
, (3)
де dл – малий скалярний множник; F – пластичний потенціал; f – функція, що визначає умову пластичності (f =0).
У якості функції f використовується модифікована умова Мізеса–Шлейхера–Боткіна (аналогічно Мізеса–Губера–Боткіна) у девіаторному та меридіальному перерізі:
(4)
де T – інтенсивність дотичних напружень; уm – гідростатичний тиск; Ро – рівень гідростатичного тиску, що визначає перехід конічної граничної поверхні в циліндричну (Ро= – 2 МПа); с – зв’язність; ш – кут тертя на октаедричному майданчику; ц – кут внутрішнього тертя; фs – граничне значення інтенсивності дотичних напружень при відсутності гідростатичного тиску.
Параметри умови пластичної течії Мізеса–Шлейхера–Боткіна, а саме тангенс кута внутрішнього тертя tgш на октаедричній площадці та фs – константи, аналогічно зчепленню H= фs /ш – граничний опір всесторонньому (всебічному) розтягненню, – пропонується вибирати таким чином, щоб мінімізувати розбіжність з умовою Кулона–Мора за однакових значень всестороннього обтиснення. Для цього радіус кола – девіаторного перерізу конуса Мізеса–Шлейхера–Боткіна – приймається рівним середньоарифметичному значенню мінімальної та максимальної відстаней від вершини багатокутника (перерізу піраміди Кулона–Мора) до точки перетину гідростатичної осі з девіаторною площиною (рис. ).
Інваріанти уm й Т тензора напружень обчислюються за формулами:
; ; , (5)
де – метричний тензор.
Значення tgш та фs визначаються як функції нормативних параметрів: кута внутрішнього тертя ц та зчеплення с за формулами 6.
; . (6)
Рис. Поверхні, що відповідають прийнятій умові пластичності:
а) – девіаторний переріз (критерії: 1 – Кулона–Мора, 2 – Мізеса–Шлейхера–Боткіна,
3 – модифікований); б) меридіальний переріз (поверхні навантаження для ці >ц0 – 4, ці <ц0 – 5, ці = ц0 – 6)
Значення параметра у відповідності до експериментальних даних Н.Н. Сидорова та В.П. Сипидіна прийнята рівною МПа.
В якості пластичного потенціалу В.М.Ніколаєвським використовується функція:
, (7)
де – коефіцієнт дилатансії. При рівняння (7) в координатах () визначає еліпс, при – пряму, а при – гіперболу.
В залежності від співвідношення та критичного значень залишкової (кінцевої) щільності, коефіцієнт дилатансії може бути додатнім (при ), рівним нулю (при ) та від’ємним (при ). Перший випадок відповідає дилатансії, другий – досягненню критичної щільності, а третій – контрактансії.
при , (8)
при , ()
,
де – кут внутрішнього тертя ґрунту при досягненні критичної щільності .
Для врахування залежності рівня критичної щільності від гідростатичного тиску проф. І.П. Бойком запропоновані наступні співвідношення:
при ;
при ; (9)
при ,
де , – критична щільність відповідно при відсутності всестороннього тиску й поточна; – максимальна критична щільність даного виду ґрунту; – параметр ґрунту МПа.
Залежності (9) дозволяють узгоджувати збільшення значення критичної щільності зі зростанням гідростатичного тиску , а також враховувати ту обставину, що при досягненні рівня всестороннього тиску пластичні зміни об’єму практично не спостерігаються. Запропоновані співвідношення (9) забезпечують також можливість більш повного описання процесів пружно-пластичного деформування ґрунту, оскільки дозволяють врахувати непружні деформації ґрунту, що знаходяться в критичному стані, обумовленому тим, що величина критичної щільності змінюється внаслідок перерозподілу гідростатичного тиску в досліджуваній області. Таким чином, ґрунт, що знаходиться в критичному стані, може отримати можливість подальшого розрихлення (при зменшенні ) або ущільнення (у випадку збільшення ).
В третьому розділі досліджено формування напружено-деформованого стану ґрунтової основи на зсувонебезпечній території.
Для оцінки достовірності результатів із використанням запропонованої методики вирішена тестова задача. За експеримент прийнято визначення кута природного укосу піщаного ґрунту. Відомо, що для сипучих піщаних ґрунтів в лабораторних та польових умовах легко визначається кут природного укосу, значення якого узгоджується з кутом внутрішнього тертя ґрунту.
З метою визначення локальних зон пластичних деформацій в ґрунтовому масиві заданих розмірів, який обмежений з однієї сторони природним укосом, виконано чисельне моделювання шляхом зміни його геометрії (кут укосу змінювався в межах 30°ч50°). Скінченно-елементна модель складається з 8 фрагментів, кількість рівнянь склала 19830. ґрунтовою основою служить пісок дрібний, середньої щільності, маловологий, однорідний.
Дані розв’язків задач з різними кутами ( °, °, °), які перевищують кут природного укосу, вказують на розвиток локальних зон пластичних деформацій вздовж лінії укосу. Ці зони покривають всі елементи вздовж лінії укосу при 50°, що свідчить про факт знаходження ґрунтів у заграничному стані. Дані проведених лабораторних досліджень відрізнялися від результатів чисельного моделювання напружено-деформованого стану ґрунтового масиву тестової задачі в межах 7
Аналіз експериментальних даних і чисельного моделювання показали (або підтвердив той факт), що деформування ґрунтів на першому етапі характеризується значенням модуля пружніх деформацій Ее, яке перевищує в 3ч5 і більше разів традиційні значення модуля загальних деформацій Е. Параметр Е широко використовується в нормативній літературі, який в середньому враховує нелінійне деформування ґрунту. При цьому припускається, що структурна міцність ґрунту не впливає на напружений стан основи.
Більш коректним підходом є застосування моделі структурно-нелінійного деформування ґрунту. Дана модель використовує дві ділянки: перша – до напружень, які не перевищують значення структурної міцності ґрунту і відповідає лінійним деформаціям; друга – нелінійна, яка характеризує нелінійні деформації ґрунтів. Графіки випробування ґрунту показано на рис. . В дисертаційній роботі критерієм аналізу структурної міцності ґрунту приймається оцінка str з природнім гідростатичним тиском виходячи з умов: str = 1,2 уzg – для міцних ґрунтів або str = 1,1 уzg – для слабких.
Ґрунтовий масив зсувонебезпечної території в природних умовах формує напружено-деформований стан під дією масових сил (від власної ваги ґрунтів). В таких умовах поточні значення напружень і в більшості зон не перевищують локальних значень структурної міцності ґрунту str, тобто виконується умова: і ? str, де і – значення поточного компонента напружень; str – напруження, яке відповідає структурній міцності, значення якого визначається експериментально.
В цьому випадку для визначення НДС ґрунтової основи використовується модуль пружності ґрунту Ее, який визначається за гілкою розвантаження (рис. , п. ) при проведенні компресійних випробувань ґрунтів в лабораторії або штампових в шурфах.
Якщо напруження і, зумовлені різними факторами, перевищують структурну міцність ґрунту str, то в цьому випадку доцільно використовувати модуль загальних деформацій Е, значення якого залежить від інтенсивності напружень.
Прикладом оцінки даних запропонованої моделі з урахуванням структурної міцності ґрунту є моделювання деформування ґрунту при дослідженні його випробувальною палею. Було встановлено, що структурна міцність відіграє суттєву роль при формування НДС ґрунтової основи. Використання тільки модуля загальних деформацій Е без урахування структурної міцності ґрунту str приводить до результатів зі значними відхиленнями.
Аналіз даних, отриманих за різними методиками чисельного моделювання з урахуванням структурної міцності ґрунту str, і експериментальних результатів про їх узгодженість показав: похибка не перевищила 5–7 %, в той же час без її врахування в зоні розвитку значних пластичних деформацій похибка досягла 35 %.
Прикладом використання запропонованої моделі з модулями пружності та загальних деформацій є виявлення найбільш впливового фактора, який зумовлює розвиток зсувного процесу. В даному розділі представлені результати моделювання напружено-деформованого стану ґрунтової основи зсувонебезпечної території в м. Києві під дією основних факторів – додаткового навантаження на схил, його підрізки у підніжжі, зміни параметрів ґрунтів в зоні потенційної поверхні ковзання.
Для чисельної реалізації схилу розроблена скінченно-елементна модель, в якій кожний шар ґрунту представлено окремим фрагментом. За даними інженерно-геологічних вишукувань виділено 8 інженерно-геологічних елементів (ІГЕ) з відповідними характеристиками: ІГЕ – 1: насипний шар г=17,0 кН/м3, с=5 кПa, ц=20є. ІГЕ – 2: пісок, середньої крупності г=19,8 кН/м3, с=0,5 кПa, ц=36є. ІГЕ – 3: пісок, дрібний г=19,4 кН/м3, с=1 кПa, ц=32є, Е=35 МПа. ІГЕ – 4: супісок, текучий г=18,9 кН/м3, с=6 кПa, ц=18є. ІГЕ – 5: супісок, пластичний г=19,3 кН/м3, с=6 кПa, ц=19є. ІГЕ – 6: супісок, пластичний г=19,1 кН/м3, с=7 кПa, ц=20є, Е=27 МПа. ІГЕ – 7: суглинок, твердий г=19,1 кН/м3, с=28 кПa, ц=24є, Е=30 МПа. ІГЕ – 8: глина, тверда г=18,9 кН/м3, с=40 кПa, ц=22є. Модуль пружності, в даному випадку, для кожного шару приймався в 2-3 рази більше за модуль загальних деформації.
На першому етапі вирішувалась задача визначення НДС схилу від дії масових сил. Отриманий стан вважається природним і приймається як початковий. Переміщення, в даному випадку, направлені переважно вниз, вздовж дії сили тяжіння. Розповсюдження зон пластичних деформацій, як показано на рис. 3, підтверджують досить значний кут укосу.
Згідно даних інженерно-геологічних вишукувань прогнозується зміна гідрогеологічних умов цієї території. Для порівняння отриманих результатів була розв’язана задача, в якій змінювались параметри ґрунтів в зоні потенційної поверхні ковзання відповідно до даних прогнозу та результатів експериментальних досліджень. На рис. 4 видно, що зони пластичних деформацій мають тенденцію до об’єднання. Це може свідчити про початок розвитку зсувного процесу. Вектори переміщень мають вихід на вільну поверхню схилу. Максимальні значення переміщень ґрунту досягають величин, які є значно меншими у випадку підрізки схилу.
Окремим розрахунком було визначення НДС схилу при умові екскавації ґрунту у його підніжжі глибиною до 4 м.
Аналіз отриманих результатів показує, що внаслідок розвантаження (підрізки) схилу напрям векторів переміщень ґрунтів в зоні котловану спрямований вгору, значення макси-мальних переміщень сягають 20 мм. В цьому випадку області пластичних деформацій концентруються по його периметру. Спостерігається також тенденція розвитку ділянок пластичних деформацій всередині ґрунтового масиву та в прилеглій зоні до котловану, і вони прямують одна до одної, провокуючи потенційну поверхню, що видно на рис. 5.
Отже, запропонована модель, в якій враховується параметр структурної міцності ґрунту, забезпечує можливість оцінки впливу кожного чинника окремо на формування напружено-деформованого стану ґрунтової основи зсувонебезпечної території. За даними розв’язаних задач виявлено, що найбільш небезпечною ситуацією є екскавація ґрунту у підніжжі схилу (тобто його підрізка).
У четвертому розділі проаналізовані причини виникнення зсувних процесів, коректне і своєчасне визначення яких забезпечить попередження їх подальшого розвитку.
Для більш точного визначення причин виникнення зсувного процесу запропонована диференціація основних чинників, які можуть впливати на напружено-деформований стан ґрунтової основи зсувонебезпечної території:
- природні – рельєф, геологічна будова, гідрогеологічні умови, геоморфологія, кліматичні умови та біологічні процеси, сейсмічні явища, процес вивітрювання;
- техногенні – наявність підземних споруд, стан дренажних штольневих систем в період експлуатації, підрізання схилу у підніжжі, привантаження брівки схилу, заповнення ярів і балок слабкими ґрунтами;
- технологічні – динамічні навантаження, неефективні протизсувні заходи;
- антропогенні – невдале терасування, вирубування лісів;
- особливі – суфозія, гідродинамічна сила, кальматація, тиксотропія.
З метою підвищення надійності проектування інженерних захисних заходів пропонується виділити 4 етапи розвитку зсувного процесу – формування, генерація, реалізація, стабілізація.
Формування рельєфу відбувається протягом значного періоду. Характер нашарувань ґрунтів, які формувалися внаслідок дії природних факторів, у більшості випадків і обумовлює розвиток зсувних процесів (передумови появи зсувних процесів). Генерація техногенних, технологічних та антропогенних факторів, які обумовлюють виникнення зсувонебезпечної ситуації (накопичення потенційної енергії). Реалізація – власне відбувається процес розвитку зсувів (виконання роботи). Стабілізація – заходи інженерного захисту, які націлені на ліквідацію причин, попередження наслідків і стабілізацію зсувонебезпечних територій.
На експериментальному майданчику в м. Києві організовані інструментальні спостереження за розвитком зсувних процесів, а також виконані випробування зразків ґрунтів непорушеної структури в лабораторії кафедри основ і фундаментів КНУБА.
Інструментальні спостереження протягом п’яти років за розвитком зсувних процесів на експериментальному майданчику з використанням інклінометричних свердловин показали, що найбільше значення горизонтального переміщення склало 67,6 мм на глибині 16 м (рис. ), де залягають бурі глини (зона потенційної поверхні ковзання), яке узгоджується з даними інженерно-геодезичних спостережень за марками, закладених на східцях – загальне осідання досягло 178 мм і знаходиться в зоні розташування тріщини розриву на схилі.
Рис. Графік зміни величин деформацій в часі, де 1, 1А, 2А, 3, 3А, 4 – інклінометри
Найбільш небезпечними для розвитку зсувних процесів є бурі і пістряві глини, вільне набухання яких знижує їх міцність, що підтверджено проведеними лабораторними дослідженнями за стандартними методиками монолітів ґрунтів, відібраних із свердловини.
Дослідження бурих і пістрявих глин проводилися на зрізальному приладі одноплощинного зрізу за стандартними методиками.
Опір зрізу без попереднього ущільнення і без насичення водою, тобто в природному стані для пістрявої глини, показав tg ц =0,399 (ц=21?42') і зчеплення 0,104 МПа, а для бурої глини: tg ц =0,324 (ц =18?) при зчепленні 0,11 МПа (наведені середні арифметичні значення).
За методикою консолідованого зрушення після попереднього ущільнення під водою і повільного консолідованого зрізу показники опору бурих і пістрявих глин отримані такі: бура глина: tg ц =0,338 (ц =18?42') і зчеплення с=0,059 МПа; пістрява глина: tg ц =0,349 (ц =19?18') і зчеплення с=0,066 МПа, тобто набухання у воді навіть під навантаженням привело до зниження зчеплення майже вдвічі.
Ці ж глини після вільного набухання у воді втрачають міцність: бура глина мала tg ц =0,257 (ц =14?24') при зчепленні с=0,073 МПа, а пістрява глина і того менше: tg ц =0,152 (ц =8?36'), а зчеплення с=0,031 МПа.
Проведені дослідження бурих і пістрявих глин свідчать про те, що в процесі ущільнення міцність як бурої, так і пістрявої глини втрачається в межах: сущ = 0,5 спр, цущ = цпр – (2–4є). Але в процесі вільного набухання міцність різко змінюється: для бурої глини снаб = 0,68 спр, цнаб = цпр – (4–5є); для пістрявої глини снаб = 0,3 спр, цнаб = цпр / 3. Отже, можна відмітити, що досліджувані глини суттєво реагують на зволоження, дію атмосферних опадів, а в умовах довготривалого навантаження знижують міцність відповідно: для бурої глини – 0,75 від їх значення, отриманих за стандартною методикою; для пістрявої – 0,74.
У п’ятому розділі наведено результати моделювання напружено-деформованого стану ґрунтової основи на об’єктах впровадження. Для його реалізації використано чисельне моделювання методом скінченних елементів для отримання реальної картини напружено-деформованого стану, що забезпечило розробку ефективних захисних конструкцій для стабілізації схилу.
За розрахунками було отримано початковий напружено-деформований стан ґрунтового масиву зсувонебезпечної території. Аналіз векторів переміщень (рис. 7) показує, що в ґрунтовому масиві починає формуватись потенційна поверхня ковзання, яка в даному випадку узгоджується з експериментальною (за даними інклінометричних спостережень). Зони пластичних деформацій, як і очікувалось, локалізуються вздовж поверхні ковзання і досягають найбільших значень біля вільної поверхні схилу. З цього можна судити, що потенційна поверхня розташована в зонах розвитку пластичних деформацій.
Комплексом проведених досліджень виявлено, що на цій ділянці складний рельєф, який на протязі значного періоду піддавався дії різних техногенних факторів, а саме: накопичення перевідкладених ґрунтів у підніжжі схилу, інтенсивне зволоження різного походження, неефективна робота дренажних систем та ін. Це суттєво вплинуло на гідрогеологічну ситуацію всієї зсувонебезпечної території. Спираючись на дані розрахунків та результати експериментальних робіт розроблено практичні рекомендації.
Попередньо було розроблено проект захисної підпірної стіни в нижній частині схилу. Комплексний аналіз ситуації шляхом чисельного моделювання та проведених інструментальних досліджень дозволив обґрунтувати більш раціональний інженерний захист. Це дало можливість відмовитись від проекту конструкції підпірної стіни, що значно знизило вартість протизсувних робіт і забезпечило отримання фактичного економічного ефекту.
Практично підтверджено і показано, що детальний аналіз НДС дає можливість вчасно виявити небезпечні ситуації появи зсувних процесів і запобігти їх розвитку, що забезпечує збереження земельних ресурсів міських територій. Для підвищення надійності проекту слід приділити особливу увагу наступним вимогам до будівництва на зсувонебезпечних територіях: 1) порядок забудови схилу; 2) архітектурно-планувальне вирішення; 3) конструктивна жорсткість будинків; 4) скорочення термінів будівництва; 5) вибір технології виконання підземних робіт; 6) розробка інженерних захисних заходів; 7) організація контролю за рухом підземних вод; 8) проведення інструментальних спостережень та моніторингу; 9) рівень культури експлуатації об’єктів.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ І ВИСНОВКИ
1. Встановлено, що на зсувонебезпечних територіях ґрунт працює як пружній матеріал в зоні дограничного стану і як пластичний – в зоні потенційної поверхні ковзання, що вказує на необхідність використання пружно-пластичної моделі для розрахунку напружено-деформованого стану ґрунтової основи та відповідних параметрів ґрунтів.
2. Вперше виявлено, що на зсувонебезпечних територіях з лесовими ґрунтами в їх верхній частині слід виділяти деформації просідання, а в контактній зоні з моренними суглинками – зсувні процеси видавлювання.
3. Запропоновано для коректного визначення причин виникнення і розвитку зсувних процесів диференціацію основних чинників, які формують напружено-деформований стан ґрунтової основи – природні, техногенні, технологічні.
4. На основі проведених досліджень напружено-деформованого стану основи зсувонебезпечної території запропоновано поділяти розвиток зсувних процесів на чотири етапи: формування; генерацію; реалізацію; стабілізацію, що забезпечує більш детальний аналіз кожного етапу.
5. Розроблено методику чисельного моделювання нелінійного деформування ґрунтів зсувонебезпечних територій на основі дилатансійної теорії з урахуванням структурної міцності ґрунту та відповідних значень модулів деформацій.
6. Вперше запропоновано і підтверджено гіпотезу визначення положення і форми потенційної поверхні ковзання шляхом виявлення локальних зон пластичних деформацій в ґрунтовому масиві на зсувонебезпечних територіях.
7. За результатами проведених лабораторних досліджень бурих і пістрявих глин на зрушення (зріз) в умовах довготривалого навантаження отримано параметри міцності для бурих глин – 0,75, для пістрявих глин – 0,74 від їх значення за стандартною методикою.
8. Виявлено поверхню ковзання за результатами чисельного моделювання при використанні отриманих результатів параметрів довготривалої міцності для бурих і пістрявих глин, яка узгодилася з даними інклінометричних спостережень на експериментальних майданчиках.
9. Розроблена методика дозволяє встановлювати початок зсувного процесу шляхом виявлення зон активного розвитку пластичних деформацій.
10. Результати досліджень впроваджено на зсувонебезпечних територіях вул. І.Франка, 4б, вул. Кудряшова, 3, парку Вічної Слави в м. Києві, при цьому загальний економічний ефект склав 402,22 тис. грн.
11. Результати досліджень включено в проект державних будівельних норм України “Основи і фундаменти”.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Арешкович О.О. Вплив техногенних факторів на розвиток деформацій основи зсувонебезпечної території // Основи і фундаменти: Міжвідомчий науково-технічний збірник. – К., 2002. – Вип. 27. – С. 14-20.
2. Арешкович О.О. Дослідження напружено-деформованого стану зсувонебезпечної території парку Вічної Слави // Основи і фундаменти: Міжвідомчий науково-технічний збірник. – К., 2004. – Вип. 28. – С. 38-48.
3. Бойко І.П., Арешкович О.О. Аналіз причин зсувних процесів та розробка інженерних захисних заходів з їх стабілізації // Будівельні конструкції: Міжвідомчий науково-технічний збірник. – Київ: НДІБК, 2004. – Вип. 61, том 2. – С. 279-282.
4. Арешкович О.О. Моделювання напружено-деформованого стану ґрунтової основи зсувонебезпечної території // Основи і фундаменти: Міжвідомчий науково-технічний збірник. – К., 2005. – Вип. 29. – С. 20-30.
5. Арешкович О.О., Бойко І.П., Степаненко Г.П. Дослідження впливу глинястих ґрунтів на утворення зсувів // Основи і фундаменти: Міжвідомчий науково-технічний збірник. – К., 2005. – Вип. 29. – С. 31-40.
6. Арешкович О.О. Формування потенційних поверхонь ковзання на зсувонебезпечних територіях // Основи і фундаменти: Міжвідомчий науково-технічний збірник. – К., 2006. – Вип. 30. – С. 9-15.
7. Арешкович О.О., Бойко І.П. Чисельне моделювання нелінійного деформування ґрунтів основи зсувонебезпечної території // Будівельні конструкції: Міжвідомчий науково-технічний збірник. – Київ: НДІБК, 2006. – Вип. 64. – С. 634-638.
8. Areshkovych O.O. Modeling of the stress strain state of earth mass on landslide-prone territories // Active geotechnical design in infrastructure development: Proc. XIII-th Danube-European Conference on Geotechnical Engineering. – Ljubljana, Slovenia, 2006 – Vol. 2. – Р. 821-826.
9. Areshkovych O. Experimental and numerical investigations of stress-strain-state on the landslide-prone territory // Abstracts of the Second International PhD Symposium in Engineering. University of Pйcs. – Pйcs, Hungary, 2006.
