CC BY
36
5. New livery for tarmac wagons [Text] / Online. - 2011. - Issue 17. - 2 p.
6. Our freight wagons [Text] / DB Schenker, 2013. - 113 p.
7. Freight cars major metals [Text] / Trains, 2015. - 20 p.
8. Tracks Across the Gulf [Text] / Marine Technology, 2012. - P. 50-53.
9. Andersson, E. Rail Vehicle Dynamics [Text] / E. Andersson, M. Berg, S. Stichel. - KTH Railway Technology, Stockholm, 2007.
10. Wickens, A. H., The dynamics of railway vehicle - From Stephenson to Carter, Proc. Instn. Mech. Engrs. [Text] / Wickens, A. H. - 212 (Part F), 1999. - Р. 209 - 217.
11. Шиманский, Ю. А. Динамический расчет судовых конструкций [Текст] / Ю. А. Шиманский. - Л.: Государственное издательство судосторительной промышленности, 1963. - 444 с.
12. Крылов, А. Н. Качка корабля [Текст] / А. Н. Крылов. - М.: Воениздат, 1938. - 295 с.
На npuKMadi забудови схилу розглянуто вплив техногенних факторiв на формування зсувних деформацш. Показана роль техноген-них фактор'гв в актив'гзацп зсувних процес'гв. На основi методу сктченних елементiв (МСЕ) зроблено аналiз напружено-деформованого стану (НДС) схилу та проведена прогнозна оцтка стiйкостi зсувонебезпечног територи при влаштуванш споруд тженерного захисту Ключовi слова: схил, зсувонебезпечна тери-торiя, метод сктченних елементiв, тдтрна
сттка, основа
□-□
На примере застройки склона показано влияние техногенных факторов на формирование оползневых деформаций. Показана роль техногенних факторов в активизации оползневых процессов. На основе метода конечных элементов (МКЭ) сделан анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) склона и проведена прогнозная оценка устойчивости оползнеопасной территории при устройстве сооружений инженерной защиты Ключевые слова: склон, оползнеопасная территория, метод конечных элементов, подпорная стенка, основание
УДК 624.131
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.437271
ДОСЛ1ДЖЕННЯ АКТИВ1ЗАЦ11 ДЕФОРМАЦ1Й ОСНОВИ НА ЗСУВОНЕБЕЗПЕЧНИХ СХИЛАХ ПРИ ТЕХНОГЕНН1Й ДМ
£. Ю. Петренко
Кандидат техшчних наук, доцент* E-mail: ed2952@voliacable.com М. Махд^ Гараханлу
Астрант* E-mail: mehdi_qsa@yahoo.com *Кафедра основ i фундаменлв
Кшвський нацюнальний ушверситет будiвництва i архЬектури пр. ПовЬрофлотський, 31, м. КиТв, УкраТна, 03680
1. Вступ
Будiвельна галузь постшно потребуе залучення все бшьшо1 юлькост потенцшних майданчиюв для проек-тування та зведення споруд рiзного призначення. Така нагальна потреба вимагае використання територш, що в недалекому минулому або не розглядалися взагалi як майданчики будiвництва, або розглядалися частково. До таких сильно еродованих територш ввдносяться i зсуво-небезпечш дшянки. Ращональне i безпечне використання територш в межах впливу споруд на схилах потребуе визначення 1х напружено-деформованого стану (НДС) як ввд дп особисто'! ваги грунту, так i при додатковому статичному навантаженш (наприклад вплив проекту-емого або надбудова кнуючого будинку). Нормативш документи вимагають поряд iз розглядом НДС схилу визначати i його коефщент стшкос^ Кй, значення якого залежить ввд багатьох природних та техногенних факто-
рiв. Граничш значення К^ для основних сполучень на-вантажень впливають на вибiр протизсувних захисних споруд та 1х розташування в плат [1]. Дшсне значення Кй можна отримати лише визначивши розташування потенцiйноi поверхнi сковзання (ППС), що в бшьшосп випадюв мае складну конфiгурацiю [2]. На практищ найбiльш достовiрну геометричну форму ППС можна отримати завдяки використанню шструментального об-ладнання (наприклад iнклiнометрiв). Але ефективне, рацiональне використання та^ апаратури можливо лише при зануренш iх у потенцiйно ослабленi дшянки в межах iнженерно-геологiчних елементiв (1ГЕ) зсувного або зсувонебезпечного схилу. Тому виршення такого складного, комплексного питання, як отримання дшс-ноi картини змши НДС зсувонебезпечного схилу при додатковому статичному навантаженш можливо лише в межах нелiнiйноi мехашки грунпв iз застосуванням чисельних методiв розрахунку [2-5].
с С.
2. Аналiз лкературних даних i постановка проблеми
Забудова зсувонебезпечних схилiв пов'язана не ильки iз з'ясуванням стшкосп тако1 територii, але i мож-ливiстю прояву техногенних факторiв. Вони можуть суттево вплинути на саму можлившть забудови та екс-плуатацiю споруд на такий дшянщ. Тому необхiдно робити прогнозну ощнку стану схилу на всiх етапах як будiвництва так i подальшоi експлуатацii споруд [2, 6].
В робоп розглянута роль цiлого ряду техногенних причин, що комплексно спричинили зсувш деформацii на схилi. Показано, що прогнозна ощнка стану та^ територii е необхiдною умовою и рацiонального iнженер-ного захисту.
Використання моделей грунтового середовища в межах лiнiйних ршень механiки грунтiв не завжди дають адекватну оцiнку стану зсувонебезпечних територш [2, 7]. Врахування деформацiй пльки пружного характеру i нехтування iх практичною складовою призводять до того, що схили стшки по лшшним розрахункам е нестiйкими в реальних умовах. Використання в проектнш практищ i будiвництвi на зсувонебезпечних територiях iнженерних розрахункiв досить часто призводить до необгрунтова-ного спрощення стану грунтового середовища. Грунт, як вщомо, е складним, багатофазним, дисперсним середо-вищем. Тому змiна пористостi грунта, залежить не тшьки вiд суми головних напружень, але пов'язано i з розвитком пластичних деформацш зсуву вже на початковш стадii навантаження. А якщо враховувати ще й таки факто-ри як пдростатична та гiдродинамiчна сили, одночасна присутшсть в грунтовому середовищi зон пружного i пластичного станiв стане зрозумшо, що за допомогою лiнiйних розрахунюв неможливо адекватно оцiнити вза-емодш цих процесiв [2, 8, 9]. Крiм того, на рiвень НДС впливають i техногеннi фактори (будiвництво рiзних споруд, пiдрiзка схилiв, водонасичення грунпв схилу, бараж i т. д.). Важливо, що взаемодiя тдтрних споруд, будiвель на схилi з грунтовою основою е нелшшним про-цесом. В роботах [4, 10, 11] вiдмiчаеться необхiднiсть використання ршень нелiнiйноi механiки грунтiв для визна-чення НДС грунтових масивiв в межах зсувонебезпечних схилiв. Подальший розвиток розрахункових методiв буде пов'язаний з розширенням використання математичних аналопв грунтових моделей на основi чисельних методiв розрахунку. Для таких задач i пропонуеться методика, що дозволяе врахувати як природш умови, так i змiннi тех-ногеннi фактори на зсувонебезпечних територiях з вра-хуванням пластичного деформування грунтiв в рамках системи "схил-тдтрна споруда-будiвля" [9, 10].
3. Мета i задачi дослщження
Метою роботи е дослщження поведiнки зсувоне-безпечного схилу при комплексному техногенному навантаженнi.
Для досягнення зазначеноi мети необхiдно вирши-ти наступш задачi:
- розробити та реалiзувати комплексну модель взаемодii системи "схил-тдтрна споруда-будiвля" при нелiнiйнiй деформацп грунтiв;
- виконати чисельне моделювання поведiнки системи "схил-пiдпiрна споруда-будiвля" в нелiнiйнiй постановцi та змшних техногенних факторах;
- розглянути стшюсть схилу та його напруже-но-деформований стан з урахуванням роботи системи "схил-тдтрна споруда-будiвля". Дати оцiнку можли-вост iнженерного захисту такоi територii;
- з'ясувати особливост роботи системи "схил-тд-пiрна споруда-будiвля" при комплексному техногенному навантаженш в умовах нелiнiйноi поведiнки грунтовоi основи.
4. Дослщження поведiнки системи "схил-пiдпiрна споруда-будiвля"
Вплив техногенних факторiв на стiйкiсть схилiв е одним з основних чинниюв порушення рiвноваги зсувонебезпечноi територii. Дiя такого впливу може бути нетривалою, але наслщки носити незворотнiй, прогресуючий характер. На прикладi забудови схилу на правому березi р. Дшпро в районi м. Ржищева пока-занi наслiдки впливу техногенних факторiв.
Ця територiя була забудована понад 80 роюв тому. Ранiше на цш дiлянцi було розташовано до 12 будин-кiв приватного сектору. В 2006 рощ на цьому мшщ було зведено 3 шдивщуальш будинки.
Житловi будинки зведенi за шдивщуальними проектами. За своею конструкщею вони характеризу-ються:
а) будинки № 2 (середнш) та № 1 - двоповерхов^ монолiтнi житловi будинки з пiдвалами. Будинок № 2 на пальових фундаментах 0 150мм i довжиною до 5 ме-трiв, а № 1 на фундаментах неглибокого закладання.
б) будинок № 3 - одноповерховий дерев'яний жит-ловий будинок з тдвалом та мансардою, зведений на фундаментах неглибокого закладання.
На пiдставi польових роби i лабораторних дослi-джень, з врахуванням вишукувань минулих роюв, на майданчику можна видiлити наступш шженерно-гео-логiчнi елементи (1ГЕ):
1ГЕ-1 - рослинний шар - сутсок темно-сiрий, неоднорiдний, вiд твердого до пластиного стану, тд-вищеноi пористосп та стисливостi, слабо гумусований (органiчноi речовини до 1.8...3.8 %), на д^янках ре-культивацii гумусований, потужшстю 0.1...0.3 м;
1ГЕ-2 - еолово-делювiальнiй супiски лесовi, па-лево-жовтi, карбонатш, твердi, просiдаючi пiд дiею додаткових навантажень;
1ГЕ-3 - еолово-делювiальнi лесовi суглинки, па-лево-жовтi, карбонатнi, твердi, просiдаючi тд дiею додаткових навантажень;
1ГЕ-4 - водно-льодовиковi суглинки, бурувато- та червонувато-жовтi, вiд твердоi до текучопластичноi та текучоi консистенцп, з гнiздами та прошарками тсюв та супiскiв, гнiздами конкрецiй карбонапв. Потуж-нiсть суглинкiв збiльшуеться вверх по схилу. В нижнш частиш схилу вони частково перевiдкладенi делювь альним процесами;
1ГЕ-5 - водно-льодовиковi супiски, арувато-жов-того, жовтувато-сiрого та зеленувато-сiрого кольору, з прошарками пилуватих тсюв, пластичноi та текучоi консистенцii;
1ГЕ-6 - водно-льодовиковi суглинки, вiд бурого до бурувато-жовтого кольору, тугопластичноi консистен-цп, з гнiздами та прошарками до 3...5 см дрiбного пiску, включенням карбонатних стяжок;
1ГЕ-7 - теки ар^ кварцевi, дрiбнi, середньо'' щдль-ностi, вiд малого ступеню водонасичення до насичених водою, з гшздами пiску середньо! крупност та м'якоп-ластичного суглинку;
1ГЕ-8 - наглинок - суглинок зеленувато-арий та сiрий, слюдистий, тугопластичний, на окремих дшян-ках перевiдкладений (перем'ятий);
1ГЕ-9а - ки'вський мергель - глина спондшова, зеленувато-сiра, тугопластична, сильно трщинувата, слюдиста, мiсцями перем'ята;
1ГЕ-9 - ки'вський мергель - глина спондшова, зе-ленувато-сiра, тверда, шдльна, слюдиста;
1ГЕ-10 - пiсок бучакського ярусу, кварцевий, зеле-нуватий, вщ дрiбного до пилуватого, середньо'! шдль-ностi та шiльний, насичений водою.
Фiзико-механiчнi характеристики грунтiв майдан-чика наведен в табл. 1.
Таблиця 1
Фiзико-механiчнi характеристики rpyHTÍB
№ 1ГЕ С, кПа Ф1, град Е, МПа Р , г/см3 Коеф. Пуассона, v
1. Насипний шар 1.50 —
2. Сушсок лесо-вий 22 16 22 19 22 7 1.60 1.91 0.30
3. Суглинок лесовий 18 11 19 17 14 7 1.78 1.96 0.32
4. Суглинок 25 20 23 18 17 12 1.75 1.98 0.35
5. Сушсок 12 24 12 9 1.85 1.99 0.32
6. Суглинок 23 21 14 1.87 0.35
7. Шсок др1бний 1 30 20 1.68 1.98 0.30
8. Наглинок (суглин.) 24 20 15 1.91 0.35
9. Глина спондшова, тугопластична 40 18 20 1.95 0.42
9а. Глина спондшова, тверда 82 21 20 1.84 0.42
10. Шсок (бучак) 2 32 26 2.01 0.30
Примтка: в чисельнику дат для rpyHmie природног вологостi, в знаменнику - при водонасичент
За час освоення i будiвництво в межах територп було допущено щлий ряд помилок, що стали причинами активност зсувних деформацiй:
1. Перекриття Грунтом при плануванш територii природних шляхiв фiльтрацii i розвантаження на схи-лi пiдземних вод, потiк яких в природних умовах фор-муеться з боку плато. Це значно зб^ьшило пдродина-мiчний i гвдростатичний тиск пiдземноi води, привело до тдвищення рiвня пiдземних вод (до 1.0...1.5 м вщ поверхнi) та пониження мщност Грунтiв в масивi i, як наслiдок, зменшило рiвновагу загально'' системи зсувних i утримуючих сил, що дiють на схилi.
2. Нагiрноi канава виконана без влаштування лоткiв;
3. Неоргашзований полив газонiв, влаштування вигрiбних ям без вщповщних водозахисних заходiв.
4. Ввдсутшсть облаштування джерел виходу тд-земно'' води (каптаж), що розташоваш вище будинкiв по схилу.
5. Повна вирубка дерев (акацп та горiху), зняття рослинного шару на територп, що оточуе будинки.
6. HeBipHe перемщення грунтових мас по схилу та вертикальне планування в межах 6piBM схилу.
7. Влаштування штучних водоймищ-басейшв, що не мають достатньо! гiдpоiзоляцii.
При вишукуваннях було з'ясовано, що на територп майданчика забудови йдуть активш зсувш процеси, що носять техногенний характер. В несучих конструкщях будинюв з'явились тpiщини пов'язанi з впливом зсувних деформацш. Весь зсувний масив можна охарактеризу-вати як глибинний зсув фронтального характеру, спри-чинений техногенними факторами, що тдтверджуеться наявшстю деюлькох pядiв майже паралельних тpiщин заколiв. Таким чином, упорядкування територп i вве-дення в eксплуатацiю будинюв, що виконаш з ввдхилен-ням ввд нормативних вимог забудови зсувонебезпечного схилу привели до перенасичення вологою д^янки i активiзацii зсувних деформацш, яю зачепили i самi будинки. Для ощнки стану схилу i зведених будинюв, були проведет вишукування на майданчику, яю розкрили геолопчну будову схилу по розрахунковим поперечникам, що проходили через кожен з будинюв. Як приклад, в данш стат, розглянемо розрахунковий профшь А-А, що е характерним для всього схилу (рис. 1).
Найб^ьш поширений i унiвepсальний чисельний метод для розв'язання такого класу задач е метод сюнченних eлeмeнтiв (МСЕ) [4, 5, 12-15]. В рамках МСЕ для розгляду НДС використовуеться моментна схема методу сюнченних елеменНв (МСМСЕ) [5]. Напружено-деформований стан гpунтовоi основи в за-пропонованому програмному комплекс SATER.SOIL розглядаеться в термшах фiзичних компонент тен-зоpiв напружень та дeфоpмацiй [9, 10]. Це зумовлено необхщшстю використання косокутних сюнченних елеменпв (СЕ) для апроксимацп складних шженер-но-гeологiчних умов майданчика будiвництва. З одного боку, урахування змшносН компонент метричного тензору в площиш поперечного пepepiзу елемента доз-воляе отримати швидку збiжнiсть peзультатiв, з шшо-го, застосування елемента з штегруванням в явному виглядi та осередненням характеристик в його центр^ веде до значного скорочення чисельних розрахунюв [5, 6]. На цш базi i використовуеться сюнченний еле-мент, що поеднуе переваги означених вище пiдходiв.
Висою вимоги до точностi моделювання реальних пpоцeсiв деформування грунтового середовища ведуть до нeобхiдностi розгляду систем piвнянь великих роз-мipностeй. Тому значне розповсюдження отримали алго-ритми, що комбшують пpямi та иерацшш методи розв'я-зання систем лшшних та нeлiнiйних piвнянь. Hайбiльш ушверсальним i eкономiчним серед них е алгоритм за-снований на поеднанш методу додаткових навантажень, iтepацiйноi процедури Ньютона-Канторовича та блокового методу послiдовноi вepхньоi релаксацп [5]:
№ = {U}° + «o[K] 1 ({Q}" -{R }), (1)
де {R0}° вектор вузлових амплiтудних peакцiй на иера-ци i кроку n по параметру, що враховуе розвиток плас-тичних деформацш. Компоненти вектору {R0}. визна-чаються в peзультатi розгляду сюнченно eлeмeнтноi областi та поеднання компонент вeктоpiв окремих eлeмeнтiв [5] (результат обходу сюнченно eлeмeнтноi обласп та ансамблювання компонент вeктоpiв окремих елеменпв [6])
ÍU ={{*}
J(S1,S2)
Hx |>J ы + 12 s [bp]T
e=1
(2)
- напруження {о}" на iтерацii i кроку n по параметру, що входять в (2), обчислюються за формулою {о}. = {о}. + {Ао}.. Прирощення напружень {Ао}. ви-значаються Í3 прирощень деформацш за допомогою закону Гука, а саме:
{Ао}" = [D]([B]{AU}° +[B]{AU}"1).
Sd = -", при о0 < H,
(4)
де So - параметр пдростатичного тиску: S0 = о0 при
3
H <Оо <Ро, So = Ро при Оо > Ро; Оо = 13£о"; H = ;
i=i
р0=-2 МПа; у - кут тертя на октаедричнш площиш, 6л/3 sin ф
tgv=
9 - sin2 ф
кут внутршнього тертя грунта;
6л/3 c cos ф
т =-2--зчеплення на октаедричнш площиш;
9 - sin2 ф
(3)
Корекщя напружень на кожнш иерацп кроку по параметру здшснюеться згвдно з дiлатансiйною теорь ею запропонованою В. Н. Школаевським [5].
Деформування грунтового середовища характе-ризуеться одночасним протжанням великоi кiлькостi складних фiзико-механiчних процесiв. Чимало сучас-них нелшшних моделей грунтового середовища орiен-туються на розв'язання такого класу задач завдяки ви-користанню або значноi кiлькостi вхвдних параметрiв, або навпаки невиправдовано мiнiмiзуючи '¿х кiлькiсть. Перевагами тiеi чи шшо' моделi е насамперед обгрун-тована мiнiмальна кiлькiсть ii вхвдних параметрiв, простота та достовiрнiсть '¿х визначення у вiдповiдностi до дтчо' нормативноi лiтератури. Використана в пред-ставленому програмному комплект SATER.SOIL моди-фiкована модель грунтового середовища, в основу яко' покладена дшатансшна теорiя В. Н. Нiколаевського [5, 9, 10], мае теоретичне та експериментальне обгрун-тування, ясну фiзичну штерпритащю та обмежено не-обхщну кiлькiсть вiдомих вхiдних параметрiв основи. Критерiем граничного стану для даного комплексу е модифжована умова Мiзеса-Шлейхера-Боткiна.
Для визначення коефiцiента стiйкостi схилу К^ використовуеться методика проф. Ломбардо В. М. [3].
Крiм К^, для бiльш адекватно' оцiнки змiни НДС схилу на всiх етапах завантаження, включаючи И iсторiю, використаемо стушнь наближення напру-женого стану до граничного. Вщомо, що руйнування грунту в деякш областi ще не приводить до його глобального змщення. Але якщо значна область грунтового масиву, що мае в^ьну поверхню, переходить у граничний стан, тодi зсувш пластичш деформацп будуть носити прогресуючий характер i як наслiдок схил буду знаходитись в граничному стань При вико-ристанш чисельних методiв зб^ьшення дискретиза-Ц11 розрахунково' областi призводить до локалiзацii зон зсувних пластичних деформацш. При чисель-ному ршент задачi отриманi значення нормальних i дотичних напружень iнтерполюються в точки на кривiй сковзання, по якш i вираховуеться нормальна i дотична складовi напружень. Цей параметр, який позначимо Sd, характеризуе поточний напружений стан елементарного об'ему грунта по вщношенню до його граничного стану, що визначаеться поверхнею навантаження. Виходячи з цього в задачах нелшшно' мехашки грунтiв параметр Sd>1.
с - зчеплення грунта; Т = ^ - iнтенсивнiсть до
тичних напружень, -о0. При о0 > Н ступiнь на-
ближення напруженого стану до граничного вважа-еться рiвним одиницi (Sd=1 ).
Також важливим чинником вивчення поверхневих i глибинних зсувних процесiв е детальний аналiз гщ-родинамiчноi моделi поля швидкостей потокiв грун-тових вод. Рiвняння нерозривностi фiльтрацiйного потоку в повшстю водонасичених грунтах мае вигляд:
ЭМ Э
дм=-ддГ (psVf)+f,
(5)
де М - маса води в одинищ об'ему грунту виражаеться через коефвдент його пористостi е i щiльнiсть р5 ств-вiдношенням:
М = pse,
(6)
де V - вектор швидкостi перенесення рщко' фази з компонентами, VI' С = 1,2,3), f = f- питома продуктивнiсть джерел (стоюв) маси, яка може зале-жати вiд iнтенсивностi транспiрацii вологи коршням рослин.
У рiвняннi (5) функщя I зазвичай вибираеться у виглядк
f = divq„ + qps + fiM
(7)
де перший доданок визначае внесок маси за рахунок перенесення пара зi швидкiстю qp, друге - за рахунок транстрацп вологи кореневою системою рослин, трете - за рахунок конденсацп або випаровування.
Вектор швидкосп ф^ьтрацп грунтових вод пропо-рцiйний величинi напору:
Vf = -k'grad (H),
(8)
де к' збкаеться з коефiцiентом вологопровщност ка для зони аерацii i коефiцiентом фiльтрацii к£ для зони повного насичення.Величина е п'езометрично' напором, залежним не пльки вщ гiдродинамiчного тиску р, а й вщ геометрично' висоти точки Х1 над площиною порiвняння напорiв.
h=1
g J„ Ps {%)
(9)
Розглянемо плоский перетин обмежений поверх-нею S. Фiльтрацiйнi характеристики середовища змь нюються довшьним чином всерединi областi S. До-
слщжувана область перебувае в умовах вологобмшу з навколишнiм середовищем, заданi напори i потоки рiдини на кордонах области початковий розподiл на-порiв.
Процес фiльтрацii в пружному режимi в двовимiр-ному тiлi описуеться диференщальним рiвнянням:
Ы(^i)+'•-Xf=»• U = 1 2 «0)
де H = H(z1 ,t) невщома функцiя п'езометричного напору; t - час; z1 - координати точок середовища в базисноi системi координат; f0 - Питома продуктившсть джерел (стокiв) рiдини; k = k(z1,H) - коефiцiент фiльтрацii; X -параметр, що визначае постановку задачi фiльтрацii (у розглянутiй постановщ X = ys (m0P0 +P1)) i рiвняння (10) моделюе фiльтрацiю в пружному режимi в умовах статичного навантаження i рiвняння стануу s = const, m0 - початкова пористшть, Р0 - коефiцiент стисливост рiдини, Р1 - коефiцiент стисливост шару Грунту).
Результатом рiшення задачi (10) е поле напорiв в поперечному перерiзi масиву грунту для даного штервалу часу. Швидкiсть ф^ьтрацп грунтових вод представляеться компонентами в глобальнш системi координат Vj' (1=1, 2), як визначаються виразами:
Завдання штегрування рiвняння нестацiонарноi фiльтрацii (10) з початковими i граничними умовами еквiвалентна задачi визначення функцii напору Н забезпечуе стацiонарнiсть вiдповiдного функщоналу х(Н). Необхiдною i достатньою умовою стащонарност функцiоналу е:
dV +|q8HdS. (12)
Одним з найбшьш важливих результатiв рiшення нестащонарно' задачi фiльтрацii (12) е можливкть визначення положення депресiйноi криво' i вiдповiдного розподiлу напорiв Н для подальшого обчислення повно' системи гiдродинамiчних сил, що дiють на зсувнш схил.
Гiдродинамiчна сила е об'емною силою i визнача-еться з виразу:
Р„ =-Т^^Н , (13)
де Yw - питома вага води.
Далi гiдродинамiчна сила використовуеться при виршенш задачi нелiнiйного деформування грунтового середовища як зовшшне навантаження.
Як вже вiдмiчалося, прикладом практичного ви-користання програмного комплексу SATER.SOIL е аналiз змiни НДС схилу при додатковому статичному навантаженш на одному iз експериментальних май-данчиюв на правому березi р. Дшпро бiля м. Ржищiв Ки'всько' область
При чисельнш реалiзацii схил на основi шженер-них вишукувань був представлений як скшчено-еле-ментна дискретна модель iз елементною сiткою, що мае 11 фрагменпв, кожен з яких е окремим шженер-
но-геолопчним елементом. На першому етапi виршу-валась задача визначення НДС схилу вщ власноi ваги Грунту. Виршення задач здiйснювалося по розрахун-ковим профшям, що характеризують шженерно-гео-лопчш, гiдрогеологiчнi i геоморфологiчнi особливос-ri дiлянки в межах забудови та прилеглоi територii. Визначений НДС вщ власноi ваги Грунту по кожному розрахунковому проф^ю приймався як базовий для подальших розрахункiв.
Розглянемо послщовно варiанти формування НДС схилу, починаючи з простого випадку (власно' ваги, Грунив природно' вологостi) та закшчуючи складним прогнозним варiантом (з використанням протизсувних порщ).
Для постановки задач^ як зазначалось ранiше, е формування НДС стану схилу ввд ди власно' ваги Грунту по вибраному розрахунковому профiлю А-А (рис. 1).
Перша постановка здшснювалась для визначення НДС схилу вщ дп власно' ваги Грунту (рис. 2). Нижня i верхня частини схилу е зосередженням зон пластич-них деформацш. Крiм того, у верхнш частинi середини схилу спостерiгаються також досить значш зони роз-витку пластичних деформацш.
Щ фактори, а також складна геолопчна будова майданчика обумовили конф^уращю i мкцезнахо-дження потенцшно' поверхнi ковзання для даного розрахункового проф^ю (рис. 2). Потенцшна по-верхня ковзання проходить в межах пластичних су-пiскiв 1ГЕ-5. Для даного проф^ю характерна двояру-сна зсувна система. Нижня частина схилу в проф^ також нестшка - ця частина схилу мае зсувне ложе по спондиловим глинам.
Коефвдент запасу kst для верхньо' i середньо' частини схилу при природнш вологостi складае 1.48. Нижня частина схилу характеризуеться kst=1.01. Отже, до початку активного освоення ще' територп частина схилу знаходилась в стшкому станi. Зведення будинку дещо змшило НДС середньо' частини схилу (рис. 3). Б^я торцево' стiнки утворилась зона пластичних деформацш. Горизонтальш перемiщення будинку скла-ли при цiй постановщ (при природнш вологосп) 1.5 см а осщання при забудовi до 11 см.
Нижня частина схилу, де утворились виходи джерел тдземно' води по спондиловш глиш, була нестш-кою. Максимальнi горизонтальш перемщення склали 13 см (табл. 3). При техногенному впливу на режим тдземних вод i штенсивному пiдйомi 'х рiвня середня частина схилу включилась в зсувний процес разом iз верхньою частиною (рис. 4).
Для ще' постановки характерно зб^ьшення зон пластичних деформацш i 'х значень (рис. 4). При цьому горизонтальш перемщення будинку склали 4.8 см, а осщання до 20.9 см. Бшя торцево' стши будинку кон-центрацiя пластичних деформацш зб^ьшилась i приводить до утворення трiщин-заколiв (рис. 4). В самому будинку спостер^аеться розвиток трщин в несучих конструкцiях.
В нижнш частинi схилу максимальнi горизонталь-ш перемiщення збiльшились до 27.1 см (табл. 3). Тут спостертеться накопичення прогресуючих пластичних деформацш.
Виходячи iз шженерно-геолопчних умов для дано' територп запропоновано наступне ршення по шже-нерному захисту.
Sx(H) = J
, ЭН Э(8Н) . ЭН к—- 4 . ;g'] + Х—8Н Эх1 Эх] 9t
Рис. 3. 1золшм штенсивностей додаткових пластичних деформацш, %. Постановка: власна вага будинку при природнш
вологосп грунлв
Першою постановкою в цьому напрямку було влаш-тування пiдпiрноi стiнки ПС-1 з буронабивних паль (0 1200 мм, довжиною 25 м), заведених в спондилов1 глини нижче кори вивггрювання при природнш воло-гостi Грунпв (рис. 5). Для цiеi задачi максимальне пе-ремiшення ПС-1 склало 16.0 см, а будинку - 14.1 см.
Зсувний тиск на цю утримуючу споруду складе: при природнш вологосп 155.3 т/м пог, а при водонасиченш 314.3 т/м пог. При цьому нижня частина схилу мае мак-симальш перемщення до 40.5 см (табл. 3). Таким чином, навиь при природнш вологосп Грунту утримуюча спо-руда не забезпечить нормальшл експлуатацп будинку.
Наступною постановкою для розрахункового про-ф^ю А-А було влаштування сумiсноi тдтрно! стiнки ПС-1 та ПС-2 у виглядi обойми (рис. 6). Результати розрахунку показують, що в межах середньоi частини схилу не спостер^аеться додаткових пластичних де-формацiй. Максимальш горизонтальнi перемiщення системи „ПС-1 - будинок - ПС-2" складае 2.4 см.
У верхнш частиш схилу спостер^аеться тенден-цiя до зменшення величини пластичних деформацiй (рис. 6), а в нижнш його частиш - зниження мак-симальних горизонтальних перемщень з 40.5 см до 30.6 см (табл. 1). Зсувний тиск для даноi утримуючоi споруди складе: при природнш вологостi Грунту -173.6 т/м пог, а при водонасиченш - 329.5 т/м пог.
Рис. 4. 1золшм штенсивностей додаткових пластичних деформацш, %. Постановка: власна вага будинку при
водонасиченш грунлв схилу
Рис. 5. 1золши штенсивностей додаткових пластичних деформацш, %. Постановка: власна вага будинку при водонасиченш грунлв схилу, врахування дм захисноТ споруди ПС № 1 шд дieю розрахункових навантажень
Рис. 6. 1золшм iнтенсивностей додаткових пластичних деформацш, %. Постановка: власна вага будинку при водонасиченш грунлв схилу, урахування дм блоку захисних споруд ПС № 1 та ПС № 2 шд дieю розрахункових
навантажень
Наступною постановкою для розрахункового проф^ю А-А е влаштування ПС-2 з дворядно'' па-льово'' конструкцii (рис. 7). Для ще'' задачi система „ПС-1 - будинок - ПС-2" мае максимальш горизон-тальнi перемiщення 1.34 см (табл. 2). Також спостерь гаеться загальна тенденщя до затухання пластичних деформацш.
Таким чином, стшюсть середньо'' частини схилу буде забезпечена. Поверхня ковзання в нижнш части-нi схилу формуеться на покрiвлi спондилово'' глини i утворюе едину зсувну систему в межах розрахунково-го проф^ю (рис. 7).
Рис. 7. 1золшм iнтенсивностей додаткових пластичних деформацiй, %. Постановка: власна вага будинку при водонасиченш грунлв схилу, урахування дм блоку захисних споруд ПС № 1 та ПС № 2 шд дieю розрахункових навантажень. ПС № 2 — виконана Í3 двох рядiв паль
Зсувна поведшка нижньо' частини схилу не змь нюеться. Коефiцiент безпеки нижньо' частини схилу складае 0.98, тобто схил знаходиться в нестшко-му сташ вже при природнш вологосп грунтiв. При насиченнi водою кй зменшуеться до 0.89. Поверхня ковзання утворюеться по спондиловiй глинi. Таким чином, утворюеться двоярусний зсув, що може бути об'еднаним в едину зсувну систему на схил! Це вка-зуе на необхщшсть проведення додаткових роби по закрiпленню берегу. 1ншими словами, збер^аючи при даному проектному ршенш будинок, нижня частина схилу залишаеться в нестшкому станi i е каталп затором зсувних деформацiй до ПС-1. Закршлення нижньо' частини схилу необхщно здiйснити за допо-могою додатково' утримуючо' споруди у виглядi тд-пiрноi стiнки ПС-3 з буронабивних паль 0 800...1200 мм (довжиною не менше 20 м). Ця стшка влаштовуеться на 5 м вище тдшжжя нижньо' частини схилу. Для зменшення зсувного тиску мiж ПС-1 i новою ПС-3 в межах нижньо' частини схилу необхщно здшснити терасування територп. Цi заходи дадуть позитивний результат пльки в тому випадку, коли буде влашто-ваний контрфорсний дренаж (перпендикулярний до р. Дншро). Такий дренаж у виглядi транше' шириною до 1.0 м, що заповнюеться гравшно-пщаною сумшшю, виконуеться методом „стша в грунтГ'. Виконання дренажу дозволить вщвести поверхневi та пiдземнi води, а також значно зменшити волопсть самих грунпв по схилу. Очевидно, що в цьому випадку таке явище, як „баражний ефект " внаслiдок влаштування пальових рядiв буде вiдсутне.
5. Результати дослiджень поведшки системи ''схил-пiдпiрна споруда-буд1вля"
Майданчик забудови шдиввдуальних житлових будинюв розташований на територп, де зсувш деформацп утворились внаслiдок комплексно' дп техногенних фак-торiв. Техногенно утворений глибинний зсув фронтального характеру обумовив появу численних трщин заколу на поверхш схилу, розташованих паралельно одна однш практично в межах всього майданчика забудови. Зсувш деформацп спричинили появу трщин в несучих конструкщях будинюв. Для припинення подальших деформацiй в конструктивних елементах будинюв необхвдно влаштування захисних споруд у виглядi пiдпiрних стш iз бурона-бивних паль, що утворюють обойми навколо кнуючих будинкiв. При цьому верхня частина тд-пiрноi стiни мае бути дворядною, а вся обойма з'еднана сущльним монолггним залiзобетонним ростверком. Буронабивш палi мо-жуть мати дiаметр 1000...1200 мм та довжину 25 м. Враховуючи складний пдрогеолопчний режим схилу, буронабивнi палi необхiдно влаштовувати пiд за-хистом обсадних труб. Нижня ча-стина схилу нестшка як з техногенних, так i з природних причин (переробка берегово'' лiнii, явища ерозп i т. п.). Ця частина схилу без шженерного захисту буде постшним каталiзатором утворення зсувних деформацш. Тому необхвдно виконати закршлення нижньо' частини схилу в межах роби по закрiпленню берегу за рахунок влаштування на 5 м вище тдшжжя нижньо' частини схилу буронабивних паль дiаметром 800...1200 мм та довжиною 15...20 м. За тдтрною стшою з боку схилу треба влаштувати привантажуючий контрбанкет (ще-бшь), а вище по схилу до ПС-1 - терасування схилу для зменшення його ваги i усунення можливосп утворення повторних трiщин-заколiв. Розглянут протиз-сувш заходи по шженерному захисту територп дадуть позитивний результат в тому випадку, якщо додатково буде виконаний „контрфорсний дренаж" (траншейний), перпендикулярний до берегово' лшп. Цей дренаж ввд-водить тдземш води з територп, а також зменшуе волопсть грунпв, що складають схил. Допомiжним заходом по упорядкуванню пдрогеолопчно' ситуацп е влаштування валiв-обвалування у верхнш частинi схилу При цьому необхвдно забезпечити нормальне водовiдведення поверхневих вод. Тобто ва розглянутi протизсувнi заходи по шженерному захисту територп повинш носити комплексний характер. Тшьки в цьому випадку буде досягнуто припинення зсувних деформацш i схил буде знаходитись в стабШзованому сташ.
6. Висновки
На основi проведених чисельних розрахунюв зро-бленi наступш висновки:
1. Розроблена модель взаемодп системи "схил-тд-трна споруда-будiвля", що дозволяе враховувати НДС зсувонебезпечно1 територii при пластичному дефор-муваннi грунтового середовища.
2. Запропонована модель системи "схил-тдтрна споруда-будiвля" дозволяе отримати горизонтальнi перемiщення та осадки будiвель в межах зсувонебез-печного схилу, а також дае можлив1сть оцiнити дiйсну картину НДС грунтового середовища при комплексшй техногеннш дii.
3. Виявлено суттеву змшу НДС при природному на-вантаженню (дiя масових сил) та техногенному впливу. Показано змшу НДС схилу при використанш рiзних конструкцiй шженерного захисту та 'х ефективнiсть.
4. Представлена грунтова модель, що дае можли-вшть комплексноi оцiнки роботи системи "схил-тдтр-на споруда-будiвля" при техногенному навантаженш з врахуванням нелiнiйноi поведiнки грунту, ощнити внесок гiдростатичноi та гiдродинамiчноi складових в загальну систему сил, що взаемоджть на схилi.
Лиература
1. ДБН В.1.1-3-1997. 1нженерний захист територш, будингав i споруд вщ зсув1в та обвашв. Основш положения [Текст] / К.: Державний ком^ет будiвництва, архiтектури та житлово1 полынки Украши, 1998. - 41 с.
2. Билеуш, А. И. Оползни и противооползневые мероприятия [Текст] / А. И. Билеуш. - Киев: Наукова думка, 2009. - 560 с.
3. Ломбардо, В. Н. Учет напряженно-деформированного состояния при расчетах устойчивости откосов грунтовых плотин [Текст] / В. Н. Ломбардо, М. Е. Грошев, Д. И. Олимпиев // Гидротехническое строительство. - 1986. - № 7. - С. 16-18.
4. Бате, К. Численные методы анализа и метод конечных элементов [Текст] / К. Бате, Е. Вилсон; пер. с англ. - М.: Стройиздат, 1982. - 448 с.
5. Сахаров, А. С. Метод конечных элементов в механике твердых тел [Текст] / А. С. Сахаров, В. Н. Кислоокий, В. В. Киричев-ский и др. - Киев: Вища школа, 1982. - 479 с.
6. Cheng, Y. M. Studies on six heuristic global optimization methods in the location of critical slip surface for soil slopes [Text] / Y. M. Cheng, L. Li, S. C. Chi // Comput Geotech. - 2007. - Vol. 34. - P. 462-484.
7. Griffiths, D. V. Slope stability analysis by finite elements [Text] / D. V. Griffiths, P. A. Lane // Geotechnique. - 1999. - Vol. 49, Issue 3. -P. 387-403. doi: 10.1680/geot.1999.49.3.387
8. Gasmo, J. M. Infiltration effects on stability of a residual soil slope [Text] / J. M. Gasmo, H. Rahardjo, E. C. Leong // Computers and Geotechnics. - 2000. - Vol. 26, Issue 2. - P. 145-165. doi: 10.1016/s0266-352x(99)00035-x
9. Петренко, Е. Ю. Математична модель ерозп в зош глобально'1' техногенно1 дй [Текст] / Е. Ю. Петренко, I. I. Солодей, М. Махдi Гараханлу // Основи i фундаменти: Мiжвiдомчий наук.-техн. збiрник. - 2014. - Вип. 35. - С. 125-139.
10. Петренко, Е. Ю. Чисельш дослщження НДС схилу та проектування захисних споруд [Текст] / Е. Ю. Петренко, I. I. Солодей // Основи i фундаменти: Мiжвiдомчий наук.-техн. збiрник. - 2005. - Вип. 29. - С. 109-116.
11. Chen, J. Slope stability analysis using rigid element [Text]: PhD thesis / J. Chen. - Hong Kong Polytechnic University, 2004.
12. Duncan, J. M. State of the Art: Limit Equilibrium and Finite-Element Analyses of Slopes [Text] / J. M. Duncan // Journal of Geoh technical Engineering. - 1996. - Vol. 122, Issue 7. - P. 577-596. doi: 10.1061/(asce)0733-9410(1996)122:7(577)
13. Song, E. Finite element analysis of safety factor for soil structure [Text] / E. Song // Chinese J Geotech Eng. - 1997. - Vol. 19, Issue 2. - P. 1-7.
14. Steele, D. P. The use of live willow poles for stabilising highway slopes [Text] / D. P. Steele, D. J. MacNeil, D. Barker, W. McMahon // TRL Report TRL619. Crowthorne: TRL Limited, 2004.
15. Tiande, M. Evolution Model of Progressive Failure of Landslides [Text] / M. Tiande, M. Chongwu, W. Shengzhi // Journal of Geotech-nical and Geoenvironmental Engineering. - 1999. - Vol. 125, Issue 10. - P. 827-831. doi: 10.1061/(asce)1090-0241(1999)125:10(827)
