ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ

Петракова Наталя Олександрівна

УДК 624.137.2

СТІЙКІСТЬ ТА ПІДСИЛЕННЯ СХИЛІВ УЗБЕРЕЖЖЯ АЗОВСЬКОГО МОРЯ

05.23.02 – Основи і фундаменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2007 р.

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в ДП “Донецький ПромбудНДІпроект” (корпорації „Укрбуд”) Міністерства будівництва, архітектури та житлово-комунального господарства України (м. Донецьк).

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор,

ЗОЦЕНКО Микола Леонідович

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, завідувач кафедри “ Видобування нафти і газу та геотехніки”, м. Полтава

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Шаповал Володимир Григорович

Придніпровська академія будівництва й архітектури

Кафедра „Основи і фундаменти”, м. Дніпропетровськ

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Черний Всеволод Гелієвич

Інститут Національної безпеки при РНБОУ , м. Київ

Провідна установа: | Одеська державна академія будівництва та архітектури

Мiністерство освіти і науки України,

Кафедра „Основи і фундаменти”, м. Одеса

Захист відбудеться “ 15 ” травня 2007 року о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 в Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій Держбуду України, м. Київ за адресою: 03680, м. Київ, вул. Івана Клименка, 5/2, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Мінбуду України, м. Київ

Автореферат розісланий “ 12” квітня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук, професор Калюх Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Збереження придатності території України для ведення господарської діяльності є важливою сучасною проблемою. Однією з причин непридатності територій для використання в господарських цілях є активізація зсувних процесів на схилах узбережжя морів.

Зсуви створюють загрозу будинкам і спорудам, автодорогам, залізничним магістралям, розташованим на узбережжі морів, озер, рік. Можуть бути ушкоджені також берегові і навіть проміжні опори мостів.

На території України зсувним процесам піддаються Чернівецька, Луганська, Одеська, Миколаївська, Донецька, Запорізька, Київська області й Республіка Крим. За даними Мінгео України за станом на 1986 рік на Україні зсувами було ушкоджено 115000 кв. км території. Залежно від місця сходження зсуву і його масштабів розміри збитку, спричиненого народному господарству, різні, але мають місце в кожному разі. Це, насамперед, порушення земної поверхні, руйнування та ушкодження будинків, споруд та інженерних комунікацій, доріг, земель, придатних для використання в сільському господарстві.

Дисертація присвячена проблемам захисту зсувонебезпечних схилів у районі узбережжя Азовського моря. Основною причиною активізації процесів руйнування схилів на цих територіях є сезонне коливання рівня підземних вод, а також вплив руху підземних вод на стійкість ґрунтового масиву. Вплив та врахування цих факторів розглядається у відповідних розділах даної роботи.

Зсув у своєму розвитку захоплює все більшу кількість раніше стабільних територій, тому інженерний захист зсувонебезпечних територій вирішує подвійну проблему: з одного боку - закріплення території від можливих рухів вирішує проблему охорони навколишнього середовища; з іншого боку - вирішується проблема, пов'язана зі збереженням придатних для забудови площ в умовах їх дефіциту. Таким чином дослідження, спрямовані на вивчення зміни стійкості схилів у часі зі збільшенням навантажень на схил у зв'язку із забудовою території, є актуальними.

Необхідність проведених чисельних досліджень виникла у зв'язку з недосконалістю існуючих методик розрахунків стійкості схилів.

Проблемами прогнозування розвитку зсувних процесів, розрахунку стійкості схилів та вирішенням проблем стабілізації зсувонебезпечних територій займалося багато вчених, серед яких: Л. К. Гінзбург, М. Н. Гольдштейн, Є. П. Ємельянова, Г. І. Черний, В. Г. Черний, І. П. Бойко, Ю. І. Калюх, М. В. Корнієнко, М. М. Маслов, З. Г.Тер-Мартиросян, М. В. Зощенко, В. Г. Шаповал, В. Б. Швець, В. І. Хазін та інші.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота була виконана в рамках наукових досліджень по держбюджетних і господарських темах інституту Донецький ПромбудНДІпроект з проблеми “Взаємодія підпірної конструкції типу “стіна в ґрунті” з нестійким ґрунтовим масивом” (державний реєстраційний номер 0103V005464).

Метою дисертаційної роботи є дослідження механізмів руйнування схилів Азовського узбережжя України і розробка на цій основі інженерних методів по забезпеченню стійкості.

Для реалізації зазначеної мети автором сформульовані і вирішені наступні задачі:

- узагальнені данні про механізми руйнування зсувів обертання і методи по забезпеченню їхньої стійкості;

- розроблена кінцево-елементна розрахункова модель ґрунтового масиву схилу, що включає конструктивні елементи його закріплення, заснована на рішенні змішаної задачі теорії пружності й пластичності для зв'язного-сипучого середовища при складному навантаженні;

- виконані чисельні дослідження схем руйнування незакріплених схилів і розроблена інженерна методика по визначенню параметрів їхньої стійкості;

- розроблені конструктивні системи по закріпленню схилів, виконані чисельні дослідження схем руйнування закріплених схилів і розроблена інженерна методика розрахунків конструкцій закріплення;

- виконані натурні дослідження стійкості схилу в с.м.т. Юр’євка Донецької області з урахуванням складного навантаження ґрунтового масиву гравітаційними та фільтраційними силами;

- виконано впровадження результатів досліджень по діагностиці стійкості зсуву на території д/в "Мир" у м. Маріуполі і при розробці проекту інженерних мір захисту зсуву в с.м.т. Юр’євка Донецької області.

Об'єктом дослідження є ґрунтові схили, втрата стійкості яких відбувається за схемою зсуву обертання.

Предмет дослідження. Технічна діагностика стійкості схилів і конструктивні схеми посилення, що підвищують стійкість ґрунтового масиву.

Методи досліджень. Для розв’язання поставлених задач використовувалися експериментальні і розрахункові методи, що включають:

- чисельні методи рішення змішаної пружнопластичної задачі методом кінцевих елементів у фізично і геометрично нелінійній постановці для визначення напруженно-деформованого стану (надалі НДС) ґрунтового масиву;

- стандартні лабораторні методи визначення властивостей ґрунтів;

- натурні дослідження зсувних схилів на території узбережжя Азовського моря.

Наукову новизну дисертації становлять:

- кінцево-елементна розрахункова модель ґрунтового масиву схилу, що включає конструктивні елементи його закріплення, заснована на рішенні змішаної задачі теорії пружності і пластичності для зв'язно-сипучого середовища при складному навантаженні;

- нові закономірності механізмів руйнування незакріплених і закріплених схилів з урахуванням їх складного навантаження гравітаційними та фільтраційними силами, в основі яких полягає гіпотеза про послідовний розвиток у ґрунтовому масиві безлічі поверхонь ковзання довільного обрису;

- конструктивні системи по підвищенню стійкості схилів, засновані на принципах закріплення ґрунтового масиву упорними елементами, що утримуються гравітаційними силами.

Практичне значення роботи полягає в:

- удосконаленні конструктивних систем, що забезпечують підвищення стійкості схилів, заснованих на принципах закріплення ґрунтового масиву горизонтальним армуванням і упорними елементами, що утримуються гравітаційними силами;

- розробці інженерних методик та рекомендацій по проектуванню утримуючих конструкцій в умовах зсувних схилів узбережжя Азовського моря.

Впровадження результатів роботи.

Матеріали досліджень використані при розробці комплексних заходiв захисту щодо зміцнення зсувонебезпечного схилу, розташованого в районі бази відпочинку “Локомотив” у с.м.т. Юр’євка на узбережжі Азовського моря.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- виконання аналізу сучасних уявлень про механізми руйнування зсувонебезпечних схилів, розташованих на узбережжі Азовського моря;

- розробка методики та участь в проведенні натурних досліджень схилів узбережжя Азовського моря;

- розробка розрахункових моделей та проведення чисельних досліджень із використанням кінцево-елементних моделей зсувонебезпечних схилів за допомогою програмного комплексу “Нелінійний Поліфем”;

- аналіз і узагальнення отриманих результатів теоретичних досліджень;

- розробка рекомендацій по проектуванню утримуючих конструкцій в умовах зсувних схилів Азовського моря.

Апробація результатів.

Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на:

- науково-технічній конференції творчої молоді “Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ” (Київ, 2003 р.);

- п'ятій Всеукраїнській науково-технічній конференції по механіці ґрунтів, геотехніці й фундаментобудуванню (Одеса, 2004 р.);

- на засіданнях Вченої Ради ДП “Донецький Промбудндіпроект” (Донецьк 2004-2006 р.р.).

Публікації. За матеріалами виконаних досліджень і розробок опубліковано 4 друковані праці у фахових наукових журналах і збірниках наукових праць.

Структура і обсяг роботи.

Дисертаційна робота складається із введення, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел (142 найменування) і одного додатка. Робота викладена на 168 сторінках, у тому числі 120 сторінок основного тексту, 16 сторінок використаних джерел, 45 повних сторінок малюнків і таблиць. Додаток займає одну сторінку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обґрунтована актуальність, наукова новизна й практична цінність роботи, представлені її загальні характеристики.

У першому розділі аналізуються особливості зсувних схилів, розташованих на території України. Також наводиться більш докладна характеристика схилів, розташованих на узбережжі Азовського моря. Особлива увага приділяється класифікації існуючих конструктивних заходів захисту зсувонебезпечних територій. Обґрунтовано необхідність розробки і впровадження нових типів комбінованих протизсувних конструкцій.

Проблемою вивчення зсувних процесів на Україні у наш час займалося багато вчених – Зощенко М. Л., Бойко І. П., Черний Г. І., Черний В. Г.,

Хазін В. І. та інші.

Основною причиною активізації процесів руйнування схилів на цих територіях є сезонне коливання рівня підземних вод, а також вплив руху підземних вод на стійкість ґрунтового масиву (цьому питанню присвячено декілька праць Черного Г. І. та Черного В. Г.).

Особлива увага приділялася також існуючим сучасним методикам розрахунків стійкості ґрунтових схилів. Обчислювальні програми МКЕ для розрахунку основ і фундаментів, розроблені І.П. Бойко, А.К. Бугровим, А.Л. Гольдиним, В.А. Гришиним, М.М. Дрюком, Ю.К. Зарецьким, С.М. Клепіковим, І.В. Матвєєвим, Ш.Р. Незамутдиновим, В.М. Миколаївським, О.О. Петраковым, А.В. Пилягиним, В.С. Прокоповичем, С.Б. Уховим, О.Б. Фадєєвим, В.Г. Федоровским, Д.М. Шапіро, В.Г. Шаповалом, S. Alturi, A.Britto, C. Desai, D. Druker, J. Duncan, G. Gudehus, M. Higuchi, M. Kimura, R. Lewis, R. Merifield, ученими Голландії й США (Plaxis, Diana, Flac, GeoSlope) .

При оцінці стійкості схилів також виникають деякі проблеми концептуального характеру. На практиці часто виникають ситуації, коли при забезпеченні нормативної величини стійкості схилу, розташовані на ньому будинки й споруди одержують деформації, несумісні з умовами їхньої нормальної експлуатації. У зв'язку із цим стає актуальним використання нелінійних методів розрахунків за деформованою схемою, заснованих на розв’язанні пружно-пластичних задач, що дозволяє розглядати граничні стани за двома групами.

Слід зазначити особливості існуючих програмних комплексів. Привертає увагу ПК “Основа-1”, що базується на теорії пластичної течії, розроблений у продовження робіт Д.М. Шапіро в Полтавському НТУ, та додатки до цього комплексу “PRIZ-Pile”, “CONCORD-4.1”. Зазначені ПК дозволяють враховувати процеси ущільнення ґрунту та наявність гідродинамічних навантажень.

Уперше імовірнісні методи стосовно до задач геотехніки були запропоновані у сімдесятих роках минулого століття. Імовірнісні розрахунки ґрунтуються на методі Монте-Карло. При цьому прораховуються всі можливі варіанти сполучень фізико-механічних властивостей ґрунтів. Визначаються їхні середні значення, а також значення коефіцієнта стійкості й межі його зміни.

Одним з найпоширеніших за кордоном, а на сьогоднішній день і в Україні, є програмний пакет PLAXIS. Він був розроблений ще в 70-і роки й називався ELPLAST. Програмний комплекс дозволяє виконувати розрахунки стійкості схилів.

В Україні розроблена велика кількість програмних комплексів, що дозволяють визначати коефіцієнт стійкості укосу та поверхні ковзання зсувонебезпечного схилу на підставі варіаційних методів (при використанні відомих алгоритмів визначення поверхонь ковзання).

В Одеській державній академії будівництва та архітектури під керівництвом А.В. Школи був розроблений програмний комплекс “Prust-2”, що призначений для оцінки загальної стійкості ґрунтових основ гідротехнічних споруд укісного й вертикального типів. Програма реалізує алгоритм методу круглоциліндричних поверхонь ковзання.

У зв'язку з активізацією зсувних процесів у районі м. Дніпропетровська слід зазначити програму, розроблену в Придніпровській державній академії будівництва й архітектури, під керівництвом Шаповала В. Г. Алгоритм програми засновано на методі круглоцилиндричних поверхонь ковзання. Вибір поверхні ковзання в запропонованому алгоритмі здійснюється автоматично на підставі варіаційних методів теорії оптимізації.

Програмний комплекс “Поліфем”, що був розроблений Дашевським Є.М., у своєму первісному виді не мав додатка, що дозволяє виконувати розрахунки з урахуванням нелінійних властивостей матеріалів. Петраковим О.О. в 2001 році був розроблений додаток до цього комплексу “Нелінійний Поліфем”, заснований на вирішенні змішаної задачі теорії пружності та пластичності. Суттєва відмінність алгоритму полягає в урахуванні довільних складних навантажень ґрунтових масивів.

У другому розділі надані результати чисельних досліджень напружно-деформованого стану зсувонебезпечних схилів. Для забезпечення стійкості схилів запропоновані конструктивні міри захисту. Теоретично досліджена ефективність запропанованих конструктивних мір захисту зсувонебезпечних схилів. Дослідженнями автора, результати яких наведені в дисертації, доведено, що достовірна інформація стосовно умов стійкості схилу може бути отримана виключно при застосуванні алгоритмів, що враховують історію навантажень ґрунтового масиву гравітаційними та фільтраційними силами, тобто з урахуванням складного навантаження ґрунтового масиву. На підставі цього для проведення теоретичних досліджень за темою дисертації було обрано ПК „Нелінійний Поліфем”. Запропанована кінцево-елементна розрахункова модель ґрунтового масиву схилу, що заснована на розв’язанні змішаної задачі теорії пружності і пластичності для матеріалів із внутрішнім тертям при складному навантаженні. Дослідження проводилися за допомогою програмного комплексу “Нелінійний Поліфем”. Було розглянуто сім варіантів закріплення укосу: еталонний варіант (1) – ґрунтовий укіс у природному стані; варіант (2) – ґрунтовий укіс, посилений горизонтальними анкерними в’язами у верхній зоні; варіант (3) – ґрунтовий укіс, посилений горизонтальними анкерними в’язами у нижній зоні на висоті 4 м від основи; варіант (4) – ґрунтовий укіс, посилений підпірною стіною висотою 4 м у нижній зоні; варіант (5) –ґрунтовий укіс, посилений підсипанням ґрунту висотою 4 м у нижній зоні, варіант (6) - ґрунтовий укіс, посилений горизонтальними анкерними в’язами в нижній зоні на висоті 4 м і 7 м від основи; варіант (7) – закріплення укосу горизонтальними анкерними в'язами в трьох рівнях (у верхній зоні та на висоті 4 м і 7 м від основи). Також був розглянутий варіант закріплення схилу Г-образними підпірними стінами, що розташовані терасами і защемлені в ґрунті. В результаті проведених досліджень було встановлене наступне. Незакріплений укіс руйнується при дії об'ємних сил від власної ваги ґрунту за схемою послідовного утворення декількох поверхонь ковзання, близьких за формою до круглоциліндричних, що відокремлюють масиви ґрунту в укосі від основного масиву. Руйнування починається в нижній зоні укосу при рівні навантаження відносно граничного 0,5. При рівні навантаження 0,9 – 0,95 (мал. 1) з’являється перша тріщина на поверхні укосу. В подальшому зони граничної рівноваги в нижній і верхній зонах укосу зливаються в одну зону, що приводить до руйнування укосу. Таким чином, наявність тріщин на поверхні укосу свідчить про те, що його рівень навантаження відносно граничного становить не нижче, ніж 0,9. При аналізі перерахованих схем закріплення укосів установлено наступне (мал. 2).

Посилення ґрунтового укосу горизонтальними анкерними в'язями підвищує його стійкість на 15-35%, що є достатнім при впливі на укіс додаткових об'ємних сил, обумовлених водонасиченням ґрунтового масиву.

Посилення ґрунтового укосу підпірними конструкціями в нижній третині висоти підвищує його стійкість на 54-64%, що є достатнім не тільки при впливі на укіс додаткових об'ємних сил, обумовлених водонасиченням ґрунтового масиву, але

і для сприйняття додаткових навантажень на поверхні укосу, викликаних вагою споруд при її забудові .

Підсилення терасованого укосу Г-образними поярусними підпірними стінами (мал. 3) істотно підвищує його стійкість при дії об'ємних сил і дозволяє використати тераси для розміщення на них будинків і споруд.

Руйнування закріпленого терасованого укосу при дії пригрузу на його терасах відбувається у формі утворення плоских похилих поверхонь ковзання, що розділяють тераси на окремі блоки (мал. 4). Руйнування починається з відділення самої верхньої тераси від

основної частини укосу. В останню чергу відокремлюється від укосу сама нижня тераса. Як і для незакріпленого укосу, візуальною ознакою руйнування закріпленого укосу при дії пригруза є утворення тріщини на поверхні самої верхньої тераси в зоні обриву анкеровки горизонтального елемента підпірної стіни.

Деформування ґрунтового масиву при дії пригрузу на терасах приводить до кутових переміщень розташованих у верхній зоні укосу підпірних стін і відходу їхніх вертикальних елементів від ґрунтового масиву. При цьому конструкції підпірних стін самої верхньої тераси виявляються недовантаженими.

У цьому зв'язку рекомендується для верхніх терас застосовувати Г-образні підпірні стіни в сполученні з горизонтальними зв'язками. Горизонтальні зв'язки варто влаштовувати по верху вертикальних елементів і анкерити у ґрунті на довжині не менш трьох лінійних розмірів горизонтальних елементів підпірних стін.

Розрахункові зусилля (мал. 5) у конструкціях Г-образних підпірних стін істотно залежать від результатів взаємодії підпірних стін з навколишнім ґрунтовим масивом укосу. Із цієї причини застосування для визначення зазначених зусиль наближених методів і схем є неприпустимим, тому що останнє може привести до непередбачених результатів. Для розрахунку підпірних стін рекомендується використати кінцево-елементні розрахункові схеми, що враховують спільну роботу ґрунтового масиву і закріпляючих його

будівельних конструкцій. Ступінь стійкості закріпленого ґрунтового укосу може бути встановлена на підставі розв’язання змішаної задачі теорії пружності і пластичності для зв’язно - сипучого середовища.

Одним з результатів досліджень є запропонована кінцево-елементна модель ґрунтового укосу з конструктивними елементами посилення, що реалізована у формі рішення змішаної задачі теорії пружності і пластичності зв'язно-сипучого середовища при складному навантаженні. Апробація розрахункової моделі показала її ефективність для аналізу деформативності і стійкості ґрунтових укосів з різними конструктивними системами посилення.

У розділі 3 представлені результати натурних досліджень схилів, розташованих на території узбережжя Азовського моря в Донецькій області. Були проведені дослідження схилу, розташованого на території б/в „Локомотив” у сел. Юр’євка та схилу в південній частині міста Маріуполя на території д/в „Мир”. На підставі проведених досліджень можна виділити ряд особливостей геологічної будови схилів та наступні причини прояву зсувних явищ у даному регіоні.

Особливістю геологічної будови схилів узбережжя Азовського моря є:

- наявність у верхній зоні четвертинних делювіальних відкладень, представлених

суглинками з коефіцієнтом фільтрації 0,2 - 0,5 м/добу;

- суглинки, як правило, підстилаються глинами твердими в стані повного

водонасичення з коефіцієнтом фільтрації до 0,01 м/добу;

- нижче відмітки 0,1 м над рівнем моря розташовані морські четвертинні

алювіальні відкладення і неогенові відкладення у вигляді пісків від пилуватих

до середньої крупності із включенням органічних залишків і биткою мушлі.

На схилах зазвичай формується два водоносних горизонти - верхній у суглинках, для якого водоупором є глина, і нижній у пісках нижче рівня моря. Градієнти гідравлічного напору у верхньому водоносному горизонті можуть досягати 0,6 - 0,8.

Для досліджуваної території основними зсувозасновуючими факторами є перезволоження ґрунтів атмосферними опадами й побутовими водами, підрізування й перепланування схилів.

Втрата стійкості ґрунтових мас відбувається, в основному, у формі опливін у верхній зоні схилів на глибину до 3-5 м.Зсувна активність прибережних схилів у м. Маріуполі проявляється кожні чотири роки й збігається з періодами інтенсивного випадання атмосферних опадів у цьому регіоні. При високих градієнтах гідравлічного напору в тілі схилів формуються фільтраційні сили, які в значній мірі сприяють активізації зсувних явищ.

Фільтрація ґрунтових вод при високих градієнтах гідравлічного напору може супроводжуватися суфозійними явищами. При цьому ґрунтовий масив у схилі руйнується у формі зсувів і просідає на величину 0,5 - 1м (мал. 6).

При дослідженні схилів з метою прогнозування їхньої стійкості і розробок протизсувних заходів необхідно визначати п’єзометричні рівні підземних вод з урахуванням динаміки сезонних коливань, гідравлічні напори і максимальні градієнти гідравлічних напорів, коефіцієнти фільтрації ґрунтів, що вміщають підземні води, та інші гідравлічні параметри.

Кількісні результати натурних досліджень на зазначених територіях наведені в наступному розділі дисертації.

У розділі 4 представлені чисельні дослідження стійкості ґрунтових схилів, розташованих на узбережжі Азовського моря в Донецькій області. Зсуви і осідання схилу, розташованого в сел.. Юр’євка в районі б/в „Локомотив” вимірювалися експериментально і порівнювалися з результатами чисельних досліджень. Стійкість схилу визначалася шляхом його навантаження гравітаційними і фільтраційними силами з урахуванням послідовності навантажень (складне навантаження).

При цьому досліджені наступні схеми навантаження:

- навантаження гравітаційними силами від нульового до граничного рівня. Тут прийнято, що рівню навантаження 1,0 відповідає питома вага ґрунту при

Sr > 0,8, що дорівнює 18 кН/м3. При цьому гd = 15,66 кН/м3 відповідає рівн. навантаження 0,87 (схема навантаження 1);

- навантаження гравітаційними силами до рівня 1,0 з наступним навантаженням фільтраційними силами від нульового значення градієнта гідравлічного напору і до його граничного значення (схема навантаження 2);

- навантаження гравітаційними силами до рівня 0,87, наступне навантаження фільтраційними силами до i = iр, довантаження гравітаційними силами до граничного рівня. У цих дослідженнях розрахункове значення градієнта гідравлічного напору iр приймалося рівним 0,1, 0,2 й 0,3 (схеми навантаження 3, 4 та 5).

Величини фільтраційних сил, що діють на одиницю об'єму ґрунту, обчислювались як добуток питомої ваги води на градієнт гідравлічного напору в ґрунтовій воді (формула Флоріна).

В результаті досліджень за схемою навантаження 2 установлений гранично припустимий за умовами стійкості схилу градієнт гідравлічного напору в ґрунтовому потоці, який складає 0,6.

У схемах навантаження 3 – 5 досліджувався вплив рівня фільтраційних сил на значення коефіцієнта стійкості укосу. Тут передбачалося, що природно сухий укіс спочатку підпадає під вплив фільтраційних сил, а потім довантажується гравітаційними силами, викликаними підвищенням вологості ґрунту. Встановлено, що коефіцієнт стійкості сухого укосу складає 1,3. Наявність фільтраційних сил знижує коефіцієнт стійкості укосу за лінійним законом. Можна вважати, що збільшення градієнту гідравлічного напору на 0,1 приводить до зменшення коефіцієнту стійкості укосу на 0,1.

Результати досліджень були порівняні з даними натурних вимірів переміщень поверхні схилу за станом на травень місяць 2005 р. (мал. 7). Встановлено, що в найбільшій мірі збігаються з даними натурних вимірів теоретичні дані за схемою навантаження 5 (градієнт гідравлічного напору 0,3), в якій враховується складний характер навантаження ґрунтового масиву гравітаційними і фільтраційними силами. Таким чином, за схемою простого навантаження граничне значення градієнту гідравлічного напору складає 0,6, а за схемою складного навантаження – 0,3. На підставі цього робиться висновок про те, що складне навантаження ґрунтового масиву гравітаційними та фільтраційними силами є несприятливим фактором, який повинен ураховуватись для досягнення збіжності теоретичних прогнозів з натурними явищами. Вплив на поверхневу частину схилу фільтраційних сил, викликаних рухом ґрунтових вод у суглинках, що покривають схил, викликає руйнування ґрунтового масиву.

Коефіцієнту стійкості схилу 1,1 відповідає максимально припустиме значення гідравлічного напору 0,2. На підставі цього рекомендовано здійснення на майданчику захисних заходів, що забезпечують зниження градієнта гідравлічного напору. Варто звернути увагу на те, що отримана величина гранично припустимого з умов міцності схилу градієнта гідравлічного напору збігається з величиною критичного градієнта гідравлічного напору, при перевищенні якої починається прояв суфозійних процесів.

Встановлені причини і характер руйнування схилу дозволяють зробити наступні рекомендації, виконання яких забезпечать стійкий стан схилу і безпечну експлуатацію зведених на ньому будинків і споруд:

- усунути вплив на схил фільтраційних сил від руху ґрунтових вод верхнього горизонту. Для цього необхідно здійснити перехоплення ґрунтових вод верхнього обрію за допомогою противофільтраційно-дренажної системи. Як альтернативний захід може бути рекомендовано зниження інтенсивності фільтраційних сил до рівня, що відповідає градієнту гідравлічного напору 0,2;

- підвищити стійкість розущільненого ґрунтового масиву тіла схилу за допомогою пристрою протизсувних упорних конструкцій. Такими конструкціями можуть бути підпірні стіни з Г - образних залізобетонних стін із плитною частиною, затисненою в ґрунті, а також підпірні стіни з бурових паль, що перетинають лінії ковзання в ґрунтовому масиві й заанкерені в неогенових пісках;

Також у розділі 4 представлені результати чисельних досліджень схилу, розташованого в південній частині м. Маріуполя. За результатами досліджень було встановлене наступне. Схема руйнування зсувонебезпечного схилу у вигляді круглоциліндричних поверхонь ковзання справедлива тільки для схилів, складених однорідними ґрунтами. Для схилів, складених різнорідними ґрунтами, області граничної рівноваги істотно відрізняються по своїй конфігурації від круглоциліндричних і можуть локалізуватися в різних частинах схилу (мал. 8).

Було досліджено вплив змінності вихідних даних на результати розрахунків стійкості схилу. Встановлено, що зміна значень кута внутрішнього тертя і питомого зчеплення ґрунту приводять до істотної зміни припустимого рівня навантаження схилу. Похибка визначення кута внутрішнього тертя впливає в декілька разів більше на кінцевий результат ніж похибка в визначенні питомого зчеплення.

У розділі 5 даної роботи наведені рекомендації із проектування утримуючих конструкцій в умовах зсувних схилів узбережжя Азовського моря. На підставі чисельних досліджень, представлених у розділі 2 дисертації, рекомендовано для підвищення стійкості схилів використання Г-образних утримуючих конструкцій, зануренних горизонтальною плитою у грунт. Дана система конструктивних рішень у комплексі із дренажними системами була запропонована й впроваджена в травні 2005 року (акт впровадження надається у додатку 1 дисертації) у районі б/в „Локомотив” у сел. Юр’євка. Конструктивна схема утримуючої конструкції представлена на мал. 8. Розрахункові зусилля в конструкціях Г-образних підпірних стін істотно залежать від результатів взаємодії підпірних стін з навколишнім ґрунтовим масивом укосу. Із цієї причини застосування для визначення зазначених зусиль наближених методів і схем є неприпустимим, тому що останнє може привести до некоректних результатів. Для розрахунку підпірних стін використано кінцево-елементні розрахункові схеми, що враховують спільну роботу ґрунтового масиву та закріпляючих його будівельних конструкцій. Ступінь стійкості закріпленого ґрунтового укосу встановлена на підставі розв’язання змішаної задачі теорії пружності і пластичності для зв’язно-сипучого середовища.

Г-образні підпірні стіни можуть застосовуватися в сполученні з утримуючими елементами з бурових паль. При цьому рекомендується розбіжне розташування в плані пальових конструкцій. Останнє підвищує згинальну жорсткість утримуючої

конструкції і зменшує горизонтальні переміщення верху Г-образних підпірних стін при зсувах ґрунтового масиву. Таке конструктивне рішення адекватно застосуванню Г-образних утримуючих конструкцій, занурених у ґрунті, в сполученні з горизонтальними зв'язками, що влаштовуються по верху підпірних стін.

Для усунення фільтраційних сил у тілі схилу рекомендовано застосовувати дренажні системи, що перетинають водоносний горизонт до водоупору. При крутому заляганні водоупору рекомендовано з метою зменшення глибини закладення дренажних труб улаштувати під дренажем протифільтраційні підпірні стіни, заведені у водоупор на глибину 0,3 - 0,5 м. Це дозволяє враховувати дренажну систему досконало.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ.

1. Запропоновано кінцево-елементну розрахункову модель ґрунтового масиву схилу, що включає конструктивні елементи його закріплення, засновану на рішенні змішаної задачі теорії пружності і пластичності для зв'язного-сипучого середовища при складному навантаженні. Встановлено істотний вплив на кінцевий результат, пов'язаний з визначенням коефіцієнта стійкості схилу, послідовності навантаження його гравітаційними і фільтраційними силами. З даними натурних спостережень найбільш близько збігаються схеми навантажень, у яких послідовно чергуються малі збільшення фільтраційних і гравітаційних сил. При цьому нижче рівня ґрунтових вод варто враховувати сили, що зважують грунт у воді, а вище рівня ґрунтових вод збільшення питомої ваги ґрунту за рахунок підвищення його вологості.

2. Схили, складені однорідними ґрунтами, руйнуються при дії гравітаційних сил по поверхням ковзання, близьким по обрисах до круглоциліндричних. Схили, складені різнорідними ґрунтами, руйнуються при дії гравітаційних сил по поверхнях ковзання, що істотно відрізняються від круглоциліндричних. При цьому в схилі формується безліч поверхонь ковзання, що зливаються між собою в стані граничної рівноваги.

3. Формою руйнування досліджених схилів від дії фільтраційних сил є поверхневі глибиною до 3-5 м опливі, що супроводжуються відривом поверхневих шарів ґрунту від корінного масиву. Для схилів Азовського узбережжя гранично припустимий градієнт гідравлічного напору за умовами стійкості схилу варто обмежити величиною 0,2.

4. Форми руйнування закріплених схилів при дії гравітаційних сил різноманітні і не вписуються в концепцію круглоциліндричних поверхонь ковзання. Так, наприклад, схил, закріплений терасованими Г-образними підпірними стінами, зануреними в ґрунті, руйнується у формі відділення терас від схилу по плоским похилим поверхням ковзання. У першу чергу від схилу відокремлюється верхня тераса і в останню чергу нижня тераса. Таким чином, стійкість закріплених схилів не може бути встановлена з аналізу спрощених розрахункових схем, заснованих на методах граничної рівноваги.

5. Зміцнення терасованого укосу Г-образними поярусними підпірними стінами істотно підвищує його стійкість при дії гравітаційних сил і дозволяє використати тераси для розміщення на них будинків і споруд.

6. Результати досліджень впроваджені при виконанні технічної діагностики стійкості ряду зсувних схилів Азовського узбережжя, а також при розробці робочого проекту захисту території б/в „Локомотив” у с.м.т. Юр’євка Донецької області від зсувних процесів.

Застосування в зазначеному проекті утримуючих конструкцій у вигляді Г-образних підпірних стін, занурених в ґрунті, дозволило одержати економічний ефект при будівництві в розмірі 50 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Петракова Н. А. Исследование конструктивных схем усиления грунтовых откосов. - Збірник наукових праць. Вип.12. - Полтава: ПолтНТУ, 2003, с. - 170.

2. петракова  Н. А. Исследование устойчивости грунтового откоса, расположенного в южной части города Мариуполя. – Будівельні конструкції. – Київ. НДБІК, 2004, с. 376 – 381.

3 Петракова Н. А. Закрепление откоса упорными конструкциями в виде поярусных Г-образных подпорных стен. – Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури №55. Технологія, організація, механізація та геодезичне забезпечення будівництва. – Макіївка: ДонНАБА 2005, с. 53 – 57.

4. Петракова Н. А. Исследование устойчивости оползневого склона с учетом влияния гравитационных и фильтрационных сил. - Збірник наукових праць. Вип.17. - Полтава: ПолтНТУ, 2006, с. - 169.

АНОТАЦІЯ

Петракова Н.О. Стійкість та підсилення схилів узбережжя Азовського моря. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.02 - Основи і фундаменти. – ДП „Донецький „ПромбудНДІпроект” (корпорації „Укрбуд”) - Донецьк 2007 р.

Дисертаційна робота присвячена проблемам, пов'язаним з визначенням стійкості зсувонебезпечних схилів і укосів за допомогою сучасного програмного забезпечення, та їх підсилення шляхом застосування підпірних та армуючих конструкцій. Встановлені особливості втрати рівноваги зсувних схилів узбережжя Азовського моря в Донецькій області. Запропоновані розрахункові моделі для обчислювання коефіцієнтів стійкості схилів за допомогою програмного комплексу “Нелінійний Поліфем”. За результатами досліджень, проведених на математичних моделях зсувних схилів, узагальнені процеси формування областей граничної рівноваги в зсувних схилах, виявлені особливості перерозподілу зусиль в утримуючих конструкціях. Результати теоретичних досліджень порівняно із даними натурних досліджень зсувонебезпечних схилів, що знаходяться в стані зсуву. Для підвищення стійкості зсувонебезпечних схилів та укосів узбережжя Азовського моря запропоновано Г-образні підпірні стіни, занурені в ґрунті, в сполученні з горизонтальними армуючими в'язами та утримуючими конструкціями з бурових паль.

АННОТАЦИЯ

Петракова Н. А. Устойчивость и усиление склонов побережья Азовского моря. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 - Основания и фундаменты. – ДП „Донецький „ПромбудНДІпроект” (корпорації „Укрбуд”) - Донецк 2007 г.

Диссертационная работа посвящена проблемам, связанним с определением устойчивости оползнеопасных склонов и откосов при помощи современного программного обеспечения, а также их усиления путем использования подпорных и армирующих конструкций. Установлены особенности потери устойчивости склонов побережья Азовского моря в Донецкой области. Предложены расчетные модели для вычисления коэффициентов устойчивости склонов при помощи программного комплекса “Нелинейный Полифем”. На основании результатов исследований, проведенных на математических моделях оползневых склонов, обобщены процессы формирования областей предельного равновесия в оползневых склонах, которые находятся в состоянии сползания. Для повышения устойчивости оползнеопасных склонов и откосов побережья Азовского моря предложены Г-образные подпорные стены, заглубленные в грунте, в сочетании с горизонтальными армирующими связями и удерживающими конструкциями из буровых свай.

SUMMARY

N.A. Petrakova. The strength of the Sea of Azov shoreline - Manuscript.

Thesis aspirant for degree of Candidate of Technical Science, speciality 05.23.02 – Foundation Engineering. – Research and Design Institute “Donetsk PrombudNDIproekt” (building company “Ukrbud”) – Donetsk 2007/

Dissertation work is devoted to the problems related to determination of stability of slide hazardous slopes and slants using up-to-date software, as well as their reinforcing by means of support and reinforcing structures. Specific features of stability loss of the Sea of Azov (Donetsk Region) shoreline slopes have been determined. Calculation models for calculating slope stability factors using software complex “Nonlinear Polyfem” have been proposed. Based on the results of investigations carried out on mathematical models of sliding slopes, the processes of forming the area of limit equilibrium at sliding slopes being under slipping condition have been summarized. For improving the stability of slide hazardous slopes and slants of the Sea of Azov shoreline L-shaped retaining walls embedded in soil combined with horizontal reinforcing ties and retaining structures from bored piles have been provided.