CC BY
67РАЗДЕЛ 5.
ГЕОИНФОРМАТИКА
УДК 624.131.1
К ВОПРОСУ РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСА В РАЗЛИЧНЫХ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСАХ Иванусь И. В.
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет», Краснодар, Российская Федерация
E-mail: irunin@mail.ru
Для принятия решения о необходимости строительства подпорных стен, предотвращения развития опасных оползневых процессов, а также для уменьшения техногенных рисков обязательно проводится расчет устойчивости естественных и искусственных откосов. Обилие программных средств для автоматизации этого процесса ставит вопрос о возможности и целесообразности их применения. Проведенное исследованием позволяет сделать некоторые заключения для решения вопроса о возможности применения той или иной программы для решения конкретных задач, стоящих перед инженером.
Ключевые слова: устойчивость откоса, методы расчета, программный комплекс, многовариантный расчет, численное моделирование, метод конечных элементов, метод круглоцилиндричских поверхностей.
Определение устойчивости откосов становится все чаще и чаще постоянно решаемой задачей для геологов и проектировщиков. Ранее существовал единственный возможный способ решения этой задачи — расчет вручную и выбор метода чаще определялся имеющимся временем для решения задачи и предпочтениями конкретного инженера. Сейчас, при наличии огромного количества программных продуктов, которые значительно ускорили решение задач по определению устойчивости откосов, появилась возможность выбирать методы, условия для расчетов, моделирование разных вариантов (подъем грунтовых вод, сейсмическая и техногенная нагрузка. Но, к сожалению, производители программных продуктов не всегда имеют отличных постановщиков задач — профессиональных геологов или проектировщиков и поэтому во многих программах могут отсутствовать элементарные необходимые данные для выполнения многовариантного расчета.
Необходимость проведения данного исследования возникла из-за увеличившегося обращения производственников на кафедру региональной и морской геологии с вопросом «чтобы такого купить чтоб не очень врало». В ходе исследования были изучены разные программные продукты, рассматривающие разные модели грунтовой среды. Изучаемые программные продукты представлены в таблице 1.
276
Таблица 1.
Программы расчета устойчивости склона и применяемые в них модели грунта
Наименование программы Модели грунта и используемые в них параметры механических свойств грунтов
ЛИРА ЭКСПРИ Упругопластическая модель Мора-Кулона Параметры: Е, V, ф, с, у, те, е
Geo 5 Модель Винклера (основная модель), модель Винклера-Пастернака, упругопластическая модель Мора-Кулона Параметры: ф, с, у, уНас
Plaxis Линейно и нелинейно-упругие, упругопластическая модель Мора-Кулона, теории предельного равновесия Параметры: Е, V, ф, с, у, унас, ео
Geo-Stab Упругопластическая модель Мора-Кулона Параметры: Е, V, ф, с, фв, св, у, унас, ео, 8г
CREDO ОТКОС Моделирование с анализом предельного состояния по несущей способности по двум расчетным схемам потери устойчивости: обрушение со срезом и вращением — метод кругло-цилиндрических поверхностей скольжения в модификации К.Терцаги; деформация по схеме оползня — метод равноустойчивого откоса, метод Бр, предложенный Н. Н.Масловым.
В качестве опытной модели для проведения расчетов выступали три склона в Темрюкском районе Краснодарского края, сложенные дисперсными породами [1].
Расчеты проводились с учетом нескольких инженерно-геологических обстановок:
1 — естественные инженерно-геологические условия;
2 — при повышении сейсмичности до 9 баллов;
3 — при повышении уровня грунтовых вод (УГВ) на 2 м от зафиксированного;
4 — при понижении УГВ на 2 м от зафиксированного;
5 — при повышении УГВ на 2 м от зафиксированного и сейсмичности 9 баллов.
РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСА В ПРОГРАММЕ ЛИРА ЭКСПРИ
Расчет устойчивости склона выполняется «Шведским методом». Определяются координаты оползневой поверхности, оползневое давление, а также коэффициенты запаса при статической и динамической нагрузках. Кроме того, вычисляются суммарная активная нормальная сила, активная составляющая сдвиговых сил, реактивная составляющая от сцепления и радиус поверхности скольжения. В программе Лира Экспри были выполнены расчеты при естественных инженерно-геологических условиях и фоновой сейсмичности. В результате была вычислена поверхность с минимальным коэффициентом запаса устойчивости, равная 1.20, что
277
свидетельствует об относительной устойчивости склона (Рис.1).
Расчет устойчивости склона решается: по кругло-цилиндрической поверхности скольжения, с применением методов Bishop, Fellenius/Petterson, Janbu, Morgenstern-Price и Spencer, и по полигональной — методы Sarma, Janbu, Morgenstern-Price и Spencer. Для учета грунтовых вод в расчете используется равнодействующая сила пластового давления в определенной секции блока. Под уровнем грунтовых вод анализ проводится при помощи удельного веса насыщенного грунта и гидростатического противодействия; над уровнем грунтовых вод анализ принимает введенный удельный вес грунта.
Рис.1 Поверхности скольжения склона рассчитанная в программе Лира Экспри.
Источник: составлено автором.
РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСА В ПРОГРАММЕ 0Е05
Программный комплекс Geo5 позволяют проводить анализ напряженно-деформируемого состояния, деформаций и устойчивости пород, оценку влияния статических и динамических воздействий, выполнить различные виды расчетов (коэффициенты устойчивости, деформаций, перемещений, напряжений и др.).
Построение геометрической модели осуществляется при помощи встроенного CAD — редактора, кроме того существует возможность импортировать готовую геометрию из DXF — файла.
Задача расчета устойчивости склонов 1-3 решалась для круглоцилиндрических поверхностей скольжения. Расчеты выполнялись при моделировании нескольких инженерно-геологических обстановок. Geo5 выдает поверхность скольжения с минимальным коэффициентом запаса устойчивости отличную от предыдущих расчетов выполняемых для этого же участка, поэтому для проведения сравнительного анализа программных комплексов был проведен расчет и по ранее выявленной поверхности скольжения.
Сейсмическое воздействие на склон в программе программа учитывается при помощи коэффициента горизонтального ускорения Kh и коэффициента вертикального землетрясения Kv.
Наиболее опасные поверхности скольжения с учетом вариаций инженерно-геологической обстановки представлены в таблицах 2 и 3.
В результате расчетов было проанализировано две поверхности скольжения, и выявлено, что склон 3, не зависимо от инженерно-геологической обстановки, абсолютно устойчив. Склон 2 является не устойчивым, значение коэффициента
278
запаса устойчивости при различных условиях меньше 1,2.
Для склона 1 Оео5 посредством поиска и оптимизации выдает поверхность скольжения с минимальным коэффициентом запаса устойчивости, по которой склон является устойчивым.
Результаты расчетов приведены в таблицах 2-3.
Таблица 2.
Результаты расчетов устойчивости склона в программе Оео5 при изменении инженерно-геологических обстановок (отдельно сейсмичность и УГВ)
№ склона Коэффициенты устойчивости склонов
Естественные инженерно-геологические условия При повышении сейсмичности до 9 баллов При понижении УГВ на 2 м от зафиксированного
Методы расчета Среднее Методы расчета Среднее Методы расчета Среднее
Бишоа Феллениуса/ 1 Ь * т; м^. '/л I: ■ 1 Спенсера Шахунянца Бишопа Феллениуса/ 1 Ь * т; м^. '/л I: ■ 1 Спенсера Шахунянца а п о шо и Б Феллениуса/ Петерсона Спенсера Шахунянца
Опасная поверхность скольжения выявленная программой
1 1,7 1,5 1,7 1,5 1,64 1,5 1,3 1,5 1,3 1,47 1,8 1,6 1,8 1,5 1,75
2 0,86 0,80 0,87 0,79 0,83 0,77 0,72 0,78 0,71 0,75 0,97 0,89 0,97 0,89 0,93
3 1,84 1,60 1,84 1,57 1,71 1,53 1,33 1,54 1,32 1,43 1,92 1,66 1,92 1,62 1,78
Таблица 3.
Результаты расчетов устойчивости склона в программе Оео5 при изменении инженерно-геологических обстановок (УГВ и сейсмичность совместно)
№ склона Коэффициенты устойчивости склонов
При повышении УГВ на 2 м от зафиксированного При повышении УГВ на 2 м от зафиксированного и сейсмичности 9 баллов
Методы расчета Среднее Методы расчета Среднее
а п о шо и Б Феллениуса/ Петерсона Спенсера Шахунянца п о шо и Б Феллениуса/ Петерсона Спенсера а ц н уахШ
Опасная поверхность скольжения выявленная программой
1 1,7 1,54 1,73 1,51 1,63 1,49 1,33 1,50 1,31 1,41
2 0,80 0,74 0,80 0,74 0,77 0,71 0,66 0,71 0,65 0,68
3 1,79 1,56 1,79 1,54 1,67 1,48 1,29 1,49 1,29 1,39
279
РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСА В ПРОГРАММЕ 0Е08ТЛБ
Программа GeoStab предназначена для оценки общей устойчивости откосов или котлованов в условиях сложного геологического строения грунтового массива.
Расчет устойчивости выполняется по методу Феллениуса и методу касательных сил. Оползневое давление на предполагаемую ограждающую конструкцию рассчитывается по методу Шахунянца.
К важным факторам влияния грунтовых вод на устойчивость откосов относится: изменение физико-механических характеристик грунта, взвешивающее действие воды, воздействие фильтрационного потока.
Учет сейсмического воздействия осуществляется добавлением к расчетным усилиям в каждом отсеке так называемой сейсмической силы Qcь
Расчет устойчивости склонов 1-3 производился по круглоцилиндрической поверхностей скольжения. Расчеты выполнялись при моделировании нескольких инженерно-геологических обстановок.
Расчет запаса устойчивости склонов 1 и 3 проходил по поверхности скольжения. Поиск поверхности скольжения с минимальным коэффициентом запаса устойчивости в программе GeoStab проводился с шагом по поверхности, по радиусу и по глубине заложения 0,3 м. Это способствовало более детальному исследованию склона. Результаты расчетов представлены далее в таблице 4.
Таблица 4.
Результаты расчетов устойчивости склона в программе GeoStab
№ склона Коэффициенты устойчивости склонов
Естественные инженерно-геологические условия При повышении сейсмичности до 9 баллов При понижении УГВ на 2 м от зафиксированног о При повышении УГВ на 2 м от зафиксированног о При повышении УГВ на 2 м от зафиксированного и сейсмичности 9 баллов
Методы расчета Среднее Методы расчета Среднее Методы расчета Среднее Методы расчета Среднее Методы расчета Среднее
Феллениуса Шахунянца Феллениуса Шахунянца Феллениуса а ц и уахШ Феллениуса а ц к уахШ Феллениуса Шахунянца
Опасная поверхность скольжения выявленная программой
1 0,95 0,98 0,97 0,76 0,81 0,79 1,02 1,02 1,02 0,84 0,87 0,85 0,68 0,72 0,70
2 0,64 0,64 0,64 0,54 0,55 0,54 0,69 0,71 0,70 0,43 0,43 0,43 0,36 0,37 0,37
3 0,82 0,81 0,81 0,70 0,69 0,69 0,81 0,81 0,81 0,83 0,82 0,82 0,71 0,71 0,71
По расчетам программы GeoStab все склоны неустойчивы. При этом, склоны 1 и 2 неустойчивые всегда, а на склоне 3 разрушение возможно лишь при воздействии
280
двух инженерно-геологических факторов одновременно: повышении уровня грунтовых вод, минимум на 2 м от зафиксированного, и повышении сейсмической активности до 9 баллов и более.
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПАСА УСТОЙЧИВОСТИ В ПРОГРАММЕ PLAXIS
Коэффициент устойчивости в программе PLAXIS определяется как отношение значений параметров прочности (угол внутреннего трения и удельное сцепление) грунтов в естественном сложении к соответствующим значениям этих параметров, когда грунты посредством алгоритма Phi-c reduction приводятся к разрушению.
Сейсмическая нагрузка при оценке устойчивости склонов, учитывалась на основе псевдостатистического анализа [2].
Поровое давление определялось на основе исходной кривой спада грунтовых вод (депрессионной кривой). Для грунтов использовалась модель Кулона-Мора.
При определении коэффициента запаса устойчивости склона была учтена неоднородность сложения грунтового массива, замкнутых линз и т. д.
Задача расчета устойчивости склона в целом решалась для круглоцилиндрических поверхностей скольжения с помощью следующих методов:
- модифицированного метода Феллениуса;
- метода Бишопа;
- метода горизонтальных сил.
Полученные расчетные линии скольжения с минимальными коэффициентами устойчивости (Рис. 2) находятся глубоко (более 10 м), что свидетельствует об устойчивости склонов, в том числе и при сейсмических воздействиях, однако значения коэффициентов устойчивости, в большинстве случаев больше 1,05 и меньше 1,2, что говорит о том, что склоны находятся в предельном состоянии при сейсмических воздействиях.
Рис. 2. Поверхность нарушения устойчивости склона 1.
Источник: составлено автором.
281
РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСА В ПРОГРАММЕ CREDO ОТКОС
Расчеты, проводимые в данном программном продукте, предназначены для расчета устойчивости откоса насыпи для автомобильных дорог и ограничены высотой насыпи 6 метров [3]. Вид выполняемого расчета — КЦП. В программном продукте невозможно учесть наличие подземных вод, воздействие сейсмики и изменение инженерно-геологических условий. Поэтому после изучения ограничений программного продукта, из дальнейшего исследования он был исключен.
ВЫВОДЫ
Рассматриваемые программы выдают приблизительно одинаковые значения коэффициента запаса устойчивости, лишь в программе Geo5 были получены значительно завышенные показатели.
Только в Geo5 сейсмическое воздействие на склон рассчитывается по Еврокоду, а в остальных программах по российским стандартам.
В программе Geo5 среднее значение между результатами расчетов различными методами не выводится, что немного усложняет работу инженера.
Plaxis относится к отдельному виду программных средств, его основным отличием является наличие различных моделей грунта, учитывающих всевозможное поведение грунтовой среды.
Несмотря на то, что Plaxis включает только один метод расчета, он является альтернативным способам всем методам предельного равновесия. Это позволяет одновременно решать задачи фильтрации и устойчивости склона, причем это будет более достоверно, поскольку и поровое давление, и напряженно-деформированное состояние определяется на основе численного моделирования (МКЭ).
Устойчивость простого однородного откоса во всех программах будет примерно одинаковой, в случаи расчета слабых грунтов, сильно сжимаемых грунтов, водонасыщенных грунтов, требуется индивидуальный расчет и проектирование. В этом случае программы без возможности численного моделирования не справляются с задачей.
Программы Geo5 и GeoStab наиболее просты в применении и отчет по выполненным расчетам содержит подробное описание, при этом можно редактировать отчет.
Программа Plaxis выдает более точные результаты расчетов, но при этом имеет очень сложный интерфейс, освоение которого возможно, лишь при прохождении специализированного обучения.
В исследовании были рассмотрены программные комплексы, имеющиеся в организациях, на базе которых студенты-бакалавры и магистранты проходят практику. На отечественном рынке существуют и другие программные комплексы для решения задач устойчивости откоса, но общий принцип выполнения расчетов и подходы остаются общими, поэтому выводы, сделанные по рассмотренным
282
программам, могут быть применимы и к остальным.
Список литературы
1. Берегоукрепление и противооползневые мероприятия в станице Тамань Краснодарского края / Отчет о НИР (промежуточн): ОАО «Кубаньводпроект»; рук. Удалов А. А.; исполн.: Логинов В. В. и др. Краснодар, 2011. 132 с. Инв. № 0485632
2. Рекомендации по количественной оценке устойчивости оползневых склонов. М.: ПНИИС, Стройиздат, 1984. 86 с., 26 ил., 29 см.
3. ОТКОС 2.1 // Программные продукты и технологии CREDO. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://credo-dialogue.ru/produkty-2/korobochnye-produkty/otkos.html (дата обращения: 03.03.2019)
TO THE QUESTION OF CALCULATION OF STABILITY GROUND SLOPE IN VARIOUS PROGRAM COMPLEXES Ivanus I. V
Kuban State University, Krasnodar, Russian Federation E-mail: irunin@mail.ru
Determining the stability of slopes is becoming more and more often a constantly solvable problem for geologists and planner. Previously, only one possible way to solve this problem was. All manual calculation and the choice of method determined by the time available for solving the problem and the preferences of a specific engineer. Now, sets of specialized software make it possible to accelerate the solution of tasks to determine the stability of slopes, it is possible to choose methods, conditions for calculations, modeling of various options (groundwater rise, seismic and man-made load). Unfortunately, software vendors do not have a staff excellent professional geologists or planner. There fore many programs haven't the basic necessary data to perform calculations of multivariate calculation or contain gross errors that lead to an overestimation or underestimation of calculated indicators.
The purpose of the work was to study the software being operated, which are designed to calculate the stability of the slope, to calculate in them one slope and finally compare the correctness of their results.
The study involved 5 software products of Russian and foreign manufacturers. Such as: LYRA, Plaxis, GEO 5, CREDO OTKOS and Geo Stab.
The slopes on the Taman Peninsula in the Krasnodar Territory were the objects of calculation for the study.
The stability of each slope was calculated in the software product. Sometimes we artificially changed the geological setting, if the program provided such an opportunity. The first program was LYRA. The slope stability is calculated using the Swedish method. The coordinates of the landslide surface, landslide pressure, and safety factors under static and dynamic loads are determined. In addition, the total active normal force, the active component of the shear forces, the reactive component of the adhesion and the radius of the sliding surface are calculated. Lyra Expri's calculations were performed under natural geotechnical conditions and background seismicity. As a result, the surface was calculated
283
Heanycb H. B.
with minimal safety factor equal to 1.20, which indicates the relative slope stability. Calculation of the slope stability is solved: on the round-cylindrical sliding surface, using the methods of Bishop, Fellenius / Petterson, Janbu, Morgenstern-Price and Spencer, and on the polygonal method of Sarma, Janbu, Morgenstern-Price and Spencer. To account for groundwater in the calculation, the resultant force of reservoir pressure in a specific section of the block is used. Under the groundwater level, the analysis is performed using the specific gravity of saturated soil and hydrostatic counteraction. The program left a good impression as it allowed to model different geological features. Subsequently, the conclusion is that this program gives values close to the actual.
GEO5 was the second. The Geo5 software package allows analyzing the stress-strain state, deformations and stability of rocks, assessing the effects of static and dynamic effects, perform various types of calculations (coefficients of stability, deformations, displacements, stresses, etc.).
The Geo5 program received significantly overstated performance. Only in Geo5 the seismic impact on the slope is calculated according to the Eurocode, and in other programs according to Russian standards. The average value between the results of calculations using different methods is not displayed in this program. It makes the engineer's work a more difficult. According to calculations, all slopes were stable The GeoStab program is designed to assess the overall stability of slopes or pits in a complex geological structure of the soil mass. The calculation of stability is performed by the Fellenius method and the method of tangential forces. The landslide pressure on the proposed fencing structure is calculated by the Shakhunyants method. The important factors affecting groundwater impact on slope stability include: changes in the physical and mechanical characteristics of the soil, the weighting effect of water, and the effect of filtration flow. Accounting for seismic effects is done by adding to the calculated forces in each compartment the so-called seismic force Qci.
According to the calculations of the program GeoStab all slopes are unstable. At the same time, slopes 1 and 2 are always unstable, and on slope 3 destruction is possible only under the influence of two engineering-geological factors at the same time: rising groundwater level, at least 2 m from the recorded, and increasing seismic activity to 9 points or more. The stability coefficient in the PLAXIS program is defined as the ratio of the values of the strength parameters (internal friction angle and specific adhesion) of soils in natural composition to the corresponding values of these parameters when the soils are destroyed by the algorithm Phi-c reduction. Seismic load in assessing the stability of the slopes, was taken into account on the basis of pseudo-statistical analysis. The calculated slip lines with minimal stability factors are deep (more than 10 m), which indicates the stability of the slopes, including seismic effects. Calculations were carried out using method of finite elements.
The calculation of the stability of a simple homogeneous slope in all programs will be approximately the same. Case of the calculation of weak soils, highly compressible soils, water-saturated soils, requires an individual calculation. In this situation all programs which using numerical simulation, as PLAXIS, copes with the task. The OTKOS program has very large limitations on the possibility of calculating heterogeneous soil layers and taking into account hydrogeological conditions, so the
284
calculations in this program were not performed.
Keywords: slope stability, calculation methods, software package, multivariate soil massif calculation, numerical simulation, method of finite element, method of round-cylindrical surface.
References
1. Bank protection and anti-landslide measures in the village of Taman, Krasnodar Territory. Kubanvodproekt, Krasnodar, 2011. (In Russian)
2. Recommendations on the quantitative assessment of the stability of landslide slopes, Moscow, Stroiizdat, 1984. (In Russian)
3. OTKOS 2.1. Programmnye produkty i tekhnologii CREDO. [Electronic resource]. URL: http://credo-dialogue.ru/produkty-2/korobochnye-produkty/otkos.html (reference date: 03.03.2019).
Поступила в редакцию 08.04.2021
285
