Оценка надежности геомеханической системы в суровых условиях Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Геомеханика

УДК 624.139.2

Стетюха Владимир Алексеевич Vladimir Stetjukha

Рахвалова Наталья Викторовна Natalia Rakhvalova

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В СУРОВЫХ УСЛОВИЯХ

THE ESTIMATION OF THE GEOMECHANICAL SISTEM RELIABILITY IN SEVERE CONDITIONS

Обосновывается необходимость использования вероятностных методов для оценки надежности грунтовых оснований в суровых условиях. Рассматривается способ определения надежности оснований при действии природных и антропогенных факторов. С этой целью предлагается использовать методы дерева отказов и статистических испытаний.

Приводится алгоритм вычисления вероятности отказа оснований, который позволяет давать количественную оценку надежности грунтовых оснований в зависимости от внешних факторов воздействия

Ключевые слова: надежность, основания, фундаменты

The necessity of using the stochastic modeling approach for an evaluation of soil bases reliability in severe conditions is proved in the article. The way of defining soil basis reliability in connection with the action of natural and anthropogenic factors is considered. With this purpose, a fault tree analysis and the statistical tests’ method are offered to use.

The algorithm of probability calculation of a basis fault is resulted. The algorithm allows evaluating soil basis reliability depending on external factors of actions

Key words: reliability, bases,foundations

Основания фундаментов подвергаются воздействиям непрерывно изменяющихся внешних факторов. Состояние оснований в наибольшей степени определяет надежность зданий и сооружений. Известно [1], что деформации 60...70 % строительных объектов, возведенных на территориях со сложными инженерно-геологическими условиями, связаны или с неточными инженерно-геологическими изысканиями, или со значительным изменением физикомеханических свойств грунтов в ходе строительства и эксплуатации объектов или с неправильным учетом перечисленных факторов на стадии проектирования.

Изменения внешних воздействий и свойств грунтов оснований могут происходить на трех стадиях:

— изменения свойств и воздействий, которые относятся к периоду до начала использования грунтов в качестве оснований сооружений;

— изменение воздействий и свойств, возникающие на стадии возведения сооружений;

— изменение указанных параметров в период эксплуатации сооружений.

Вероятность изменения свойств грунтов при возведении сооружений можно учесть при анализе результатов инженерно-

геологических изысканий путем изучения истории изменения параметров грунтов в течение определенного времени.

На стадии строительства следует принимать во внимание непостоянство воздействий, объясняемое уменьшением внешней нагрузки при разработке котлованов с последующим ее возрастанием по мере возведения сооружения, изменение влажности при возможных подтоплениях, динамические воздействия машин, изменения температурного режима оснований и т.д. Перечисленные факторы влияют на модификацию грунтовых массивов и при эксплуатации сооружений.

Технический регламент о безопасности... [2], введенный в 2009 г., и стандарт организации «Надежность строительных конструкций и оснований» [3], введенный в 2008 г., рекомендуют учитывать изменения свойств грунтов оснований во времени и прогнозировать появление новых воздействий на основание при эксплуатации сооружений. Для объектов, возводимых в суровых условиях (при низких отрицательных температурах или при больших амплитудах их колебаний, при неравномерном выпадении годовой нормы осадков, при сложном рельефе, при наличии в основании многолетнемерзлых грунтов, при высокой сейсмичности региона), вероятность существенных быстротечных изменений свойств грунтов значительно возрастает. По этой причине включение перечисленных факторов в алгоритмы расчета оснований зданий и сооружений особенно важно.

Согласно указаниям СНиП 2.02.01-83* [4], критериями надежности оснований проектируемых систем при использовании теории предельных состояний являются соотношения между расчетной нагрузкой на основание и силой предельного сопротивления основания, между совместной деформацией основания и сооружения и ее предельным значением. Однако для количественной оценки надежности системы необходимо учитывать, что входящие в дан-

ное соотношение параметры находятся в сложной зависимости от непрерывно изменяющихся физико-механических свойств грунтов, от нагрузок и других воздействий, носящих случайный характер.

В настоящее время складывается мнение, что предусмотренные нормами коэффициенты надежности, учитывающие возможные изменения исходных параметров, не обеспечивают достоверную оценку надежности оснований. Это объясняется, в том числе, и недостаточной изученностью факторов воздействий в реальных условиях каждой площадки.

Сложная взаимная зависимость свойств грунтов и различных факторов внешних воздействий, а также их случайный характер требуют применения вероятностного подхода к количественной оценке риска при анализе состояния оснований.

Показатель надежности сложной системы в целом может быть получен путем анализа ее отдельных элементов. В этом случае по каждому из них решаются задачи прочности, деформативности, устойчивости, тепло- и влагопереноса. Поскольку стопроцентную надежность обеспечить невозможно, а близкую к ней — дорого, необходимо давать достоверную оценку степени влияния отдельных факторов на надежность исследуемой системы в целях совершенствования ее отдельных элементов. Учет влияния случайных факторов, а также их взаимных зависимостей обеспечивается построением дерева отказов.

Упрощенное дерево отказов, связанное с нарушением условий эксплуатации зданий и сооружений по причине реализации некоторых вариантов отказов оснований, приводится на рис. 1,2.

Жирным курсивом на схемах обоих рисунков обозначены составляющие факторы суровых условий в регионе, в виде круга — исходные события, в виде прямоугольника — события, вводимые логическими элементами. Кроме того, использованы обозначения.

Нарушение условий, при которых возможна дальнейшая эксплуатация здания или сооружения

1. Появление трещин в сооружении из-за неравномерных деформаций в отдельных точках основания

2. Равномерные вертикальные деформации основания

3. Крен сооружения из-за неравномерных деформаций в отдельных точках основания

4. Горизонтальное смещение сооружения по склону

Снижение расчетных

В характеристик грунтов С

в точках основания

Превышение допустимой нагрузки на основание

Увлажнение основания (см. рис. 2)

Наличие пучинистых грунтов !основании.

Увлажнение основания (см. рис. 2)

Формирование полей отрицательных температур

основании

Повышение температуры поверхности основания' при техногенных воздействиях

Оттаивание мерзлого грунта в основании (ММГ, сезонно-мерзлого при больших амплитудах колебаний температур

Аномально г высокое мвышение\ температуры

грунта летом

Первоначальное наличие ослабленных участков основании

У Нарушение\ / Ошибки \

/ технологии \ /проектирования: пеучеп

1 ПОДГОТОВКИ 1 [инженерно-геологических]

V основания у 1 условий для малых 1

\ У \ фрагментов слабого /

грунта У

Рис. 1.Деревоотказов

Рис. 2.Дерево отказов. Фрагмент Е

— выполняются все входные события;

— выполняется любое из входных событий

Вероятность отказа исследуемой системы Р определяется в следующем порядке:

1) на основе дерева отказов записываются выражения для вероятностей отказов по каждому событию;

2) свойства грунтов представляются в виде случайных величин, изменчивость которых оценивается коэффициентами вариации;

3) определяются вероятности базовых событий или на основе статистики отказов, или решением задач параметрической надежности.

При решении частных задач определяются вероятности отказов в каждом из случаев. Например, при прогнозировании максимальных осадок выражение осадки Я записывается как функция случайных

РЕ = 1 - (1 - Р£1)*(1 - РЕ 2)*(1 - РЕ з),

РЕ321 = 1 - (1 - Р1 )(1 - Р2 )(1 - Р3 ); РЕ322

где РЕ1 и РЕ2 — вероятности отказов, обусловленные подъемом уровня подземных вод и поступлением техногенных вод в основание изнутри здания соответственно;

РЕ3 — вероятность отказа за счет поступления в основание поверхностных вод;

РЕ11 и РЕ12 — вероятности отказов, связанные с подъемом уровней подземных вод, природных и техногенных соответственно;

РЕ31 и РЕ32 _ соответственно, вероятности формирования приповерхностного слоя с высоким коэффициентом фильтрации и поступления воды в этот слой.

Обозначения остальных факторов, влияющих на недопустимое увлажнение основания, можно установить по рис. 2. Вероятности отказов для остальной части дерева отказов вычисляются аналогично.

Приведенные выражения можно считать справедливыми при условии пренебрежения корреляционными связями между рассматриваемыми событиями и процессами. В противном случае вводятся коэффициенты корреляции.

Из представленных на рис. 1, 2 схем

параметров, после чего определяется вероятность отказа с использованием метода Монте-Карло или метода прямой линеаризации;

4) вероятности базовых событий подставляются в выражения для вероятностей отказов (1);

5) полученная вероятность отказа исследуемой системы сравнивается с нормативным значением Рн.

Вероятность наступления отказа системы вычисляется на основе вероятности базовых событий с использованием известных теорем и формул [5, 6]. В соответствии с рис. 2 вероятность недопустимого увлажнения основания РЕ вычисляется по формулам:

следует, что к основным причинам отказа оснований относятся подъем уровня грунтовых вод, воздействие на основание техногенных вод, поступающих из здания, увлажнение основания поверхностными водами, формирование ослабленных участков в основании на различных стадиях, промерзание пучинистого основания.

Численный анализ части дерева отказов, отражающий деформации основания при одинаковой вероятности входных событий, устанавливает определяющее влияние отдельных факторов на надежность системы. Для рассматриваемого примера эффективными способами увеличения надежности можно считать уменьшение коэффициента фильтрации приповерхностного слоя и снижение риска поступления техногенных вод в основание изнутри здания.

Изложенный способ определения надежности оснований позволяет приближенно оценивать безопасность геомеханичес-кой системы, подвергаемой воздействию природных и техногенных факторов. При этом используются детерминистические и вероятностные методы.

- 1 - (1 - Р£11)(1 - РЕП ); РЕ3 - РЕ3! * РЕ32 ; Ре32 - 1 - (1 - РЕ321 X1 - РЕ322 ); (^)

* * = Р * Р

1 4 1 5 •

Представленные схемы дают возможность определять наиболее эффективные направления увеличения надежности системы <среда-основание-сооружеиие>, основанные на установлении и совершенс-

твовании наиболее слабых звеньев. Анализ элементов дерева отказов позволяет подбирать варианты увеличения надежности без применения затратных конструктивных мероприятий.

Литература

1. Шешеня Н.Л. Инженерно-геологическое обоснование мероприятий инженерной защиты зданий и сооружений от опасных процессов // Промышленное и гражданское строительство. — 2007. — № 11.-С.7-9

2. Технический регламент о безопасности зданий и сооружений. Федеральный закон Российской Федерации № 384-Ф3 от 30 декабря 2009 г.

3. СТО 365545-014-2008 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения. — М.: ФГУП «НИЦ «Строительство», 2008. — 13 с.

4. СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений / Госстрой СССР. — М.: Стройиздат, 1995. — 40 с.

5. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. — М.: Академия, 2003. — 464 с.

6. Ветошкин А.Г., Марунин В.И. Надежность и безопасность технических систем. — Пенза: Пенз. гос. ун-т, 2002. — 129 с.

Коротко об авторах

Briefly about the authors

Стетюха В.А., д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры технологии деревообработки и сопротивления материалов, Читинский государственный университет (ЧитГУ)

Тел.: (3022) 41-68-66

V. Stetjukha, doctor of technical sciences, assistant professor, professor technology of wood processing and resistance of materials department, Chita state university

Научные интересы: проблемы горной теплофизики и геомеханики в Восточной Сибири, надежность оснований

Scientific interests: problems of mountain thermophysics and geomechanics under conditions of Eastern Siberia, reliabilityofbases

Рахвалова H.B., аспирантка, Читинский госу-дарственныйуниверситет (ЧитГУ)

Тел.: (3022) 31-61-22

N. Rakhvalova, post-graduate, Chita State University

Научные интересы: геомеханика, оснований фундаментов

надежность Scientific interests: geomechanics, reliability of foundation bases