Развитие метода определения оползневого давления на удерживающие сооружения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Механика грунтов

РАЗВИТИЕ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПОЛЗНЕВОГО ДАВЛЕНИЯ НА УДЕРЖИВАЮЩИЕ СООРУЖЕНИЯ

С.И. МАЦИЙ, канд. техн. наук, доцент

Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар

Введение

Оползневые явления на склонах распространены повсеместно. Для стабилизации оползневых подвижек часто применяются свайные сооружения, расположенные в один или несколько ярусов. Выбор местоположения сооружений выполняется на основании оценки устойчивости склона и последующих расчетов их параметров (шаг, длина, диаметр и процент армирования буронабивных свай).

Таким образом, вопрос определения достоверной величины оползневого давления в расчетных сечениях является достаточно важным и актуальным с точки зрения надежности и рациональности применения удерживающих сооружений.

1. Основные идеи

В рамках теории предельного равновесия, коэффициент устойчивости склона обычно определяется как отношение суммы всех удерживающих сил (или моментов) к сумме всех сдвигающих:

г _

где ¥}(т) - коэффициент устойчивости склона; - сумма удерживающих сил (моментов) вдоль поверхности скольжения; ЪТдт) - сумма сдвигающих сил (моментов).

При очень частом употреблении в геотехнической литературе термина «оползневое давление» отсутствует его единое определение. Многие авторы [1, 2] предлагают методы расчета оползневого давления как разницы сдвигающих и удерживающих сил от верха склона до расчетного сечения. Очевидное противоречие этих предложений заключается в том, что для устойчивых склонов и откосов {Р)(т) > 1) на противооползневое сооружение не может оказываться воздействие, хотя согласно построенной эпюре усилий получаются значительные величины.

Известны несколько основных подходов к определению величины оползневого давления:

1. Оползневое давление Р на ряд свайных элементов вычитается из суммы сдвигающих сил [3]:

I5/ I5/ ^

2.0ползневое давление Р прибавляется к сумме удерживающих сил [4]:

Р{ = Щ-^ или Р = ^ -£7}-15/

(3)

При одинаковых заданных величинах коэффициентов запаса устойчивости и прочих равных условиях математически корректные формулы (2) и (3) дают различные результаты.

Кроме того, не все известные методы определения оползневого давления позволяют учитывать отпор грунта ниже сооружения по склону - долю оползневого давления от части оползня выше сооружения (А), которую способна воспринять с заданным коэффициентом запаса устойчивости часть оползня, расположенная ниже по склону (В) (рис. 1).

Предлагаемый нами уточненный подход устраняет имеющиеся противоречия и недостатки. Идея основана на известном решении [3] о вычислении оползневого давления Р как разности реакций противооползневой свайной конструкции от частей оползневого массива, расположенных выше (Ра) и ниже (Рь - отпор грунта) сооружения по склону:

Реакция Ра конструкции на часть оползневого тела, расположенного выше по склону считается силой удерживающей и прибавляется к сумме удерживающих сил. Давление конструкции Рь на нижележащую часть оползневого массива рассматривается как сдвигающая сила и прибавляется к сумме сдвигающих сил (рис. 1). Из формул (2) и (3)

Линия давлений

Рис. 1. Принципиальная схема метода с учетом отпора грунта

Р = Ра-Рь, Ра> 0, Рь> 0.

(4)

(5)

У-1

(6)

(7)

где] - номер отсека выше расчетного сечения по склону (рис. 2); п - общее количество отсеков расчетной схемы; и Р/, - коэффициенты запаса для верхней (А) и нижней (В) по склону части оползня, соответственно.

Аналогично, из условия равновесия моментов всех сдвигающих и удерживающих сил:

где у - плечо составляющей оползневого давления в расчетном сечении (расстояние от точки приложения силы Рф) до точки вращения).

По формулам (6-9) с использованием условия (4) можно получить распределение величин оползневого давления Р по длине оползневого склона в зависимости от местоположения яруса или ярусов удерживающих сооружений. Причем, коэффициенты запаса для вышележащей (А) и нижележащей (В) части оползня могут назначаться различными в зависимости от расположения защищаемых объектов на склоне. Результаты этих расчетов позволяют сделать выбор наиболее выгодных сечений, в которых действуют минимальные по величине оползневые давления. Выбор таких сечений ограничивается условием обеспечения устойчивости части оползневого массива, расположенного ниже ряда удерживающих сооружений (5).

Поскольку обычно свайные противооползневые сооружения рассчитываются на горизонтальную составляющую оползневого давления, то учитываются только горизонтальные составляющие Ра и Рь.

2. Вычисление значений оползневого давления в расчетных сечениях на

основе метода СЬЕ

Одним из основных результатов расчетов устойчивости оползневых склонов является величина коэффициента устойчивости Р. Эти расчеты можно преобразовать для определения оползневого давления, т.е. давления, передающегося от

(9)

' в

Рис. 2. Расчетная схема отсекового метода

неустойчивых грунтовых масс на удерживающее сооружение с учетом обеспечения необходимого коэффициента запаса.

В рамках теории предельного равновесия существует множество методов оценки устойчивости склонов. Большинство из них удовлетворяет только одному из условий статического равновесия - условию равновесия всех сил [1,5] или моментов [6] по поверхности скольжения. Наиболее точные результаты, с точки зрения соблюдения условий статики, дают методы, в которых учитывается как равновесие сил, так и моментов [7, 8].

Одним из них является метод общего предельного равновесия GLE (General Limit Equilibrium), основные уравнения которого приведены ниже (Рис. 3):

/ tg $-cos a i

Er = Ef- + JV,

sin a,

F/M

^ + (10)

N,

Ff, \ ' ' n sin a, ■ tg <p\ (11)

Я») cosa>+-' 6 v 4

F/(<»)

7-1

S + Nrtg<p')-cosa,

Ff-^U---(12)

YíNrsinaí + YíkWi ,

Ы /=1

í (S + NrtgriU

^ = 7-1-Я-' (13)

М /=I м

где W- вес грунта в отсеке; N- нормальная сила в основании отсека; Е - горизонтальная составляющая межотсековых сил. Индексы L и R означают левые и правые стороны отсека, соответственно; X - вертикальная составляющая межотсековых сил; к - коэффициент сейсмичности; / - плечо удерживающих сил 5;/- плечо нормальной силы N; х - плечо силы тяжести отсека W; е - плечо сейсмической нагрузки kW\ а - угол наклона основания отсека к горизонту.

Удерживающие силы определяются трением грунта по поверхности скольжения:

s = (c;-и, (14)

В качестве функций, задающих зависимость между нормальными и касательными межотсековыми силами по длине оползня, наиболее часто применяются линейная и полусинусоидальная. Поскольку система уравнений в методе GLE является статически неопределимой, расчет проводится с помощью серии последовательных приближений.

Для вычисления величин оползневых давлений при заданном коэффициенте запаса основные уравнения метода GLE были преобразованы с использованием уточненного подхода, описанного выше:

Рис. 3. Расчетная схема метода GLE

j-1

of _

У-1

H

YNrsina^^kW,

\Ы\ /=1

Y,{S + Nrtg<p')-cosa,

м

pf -ti ГЬ -

¿(S + Nj ■ tg ç')-cosat , л

—---

V> v-j '=7 )

(15)

(16)

pm _

Jt(s+K -tg^-l, 1=1_

i=i i=I /=1

(17)

P» = -

+ -tgcp'^l,

i-J _

"I >-J i"j

(18)

Конечная система уравнений (15-18) также является статически неопределимой. Ее решение основано на известных допущениях метода GLE и также решается с помощью серии последовательных приближений.

На основании полученных уравнений нами был разработан алгоритм расчета, реализованный в компьютерной программе EAS (Engineering Anlysis of Slopes), которая была применена при разработке противооползневых удерживающих сооружений из буронабивных свай для ряда оползнеопасных склонов.

С целью оценки эффективности разработанной процедуры расчета оползневых давлений программа EAS была применена при решении ряда задач при проектировании свайных удерживающих сооружений на оползнеопасных склонах

при защите от оползней автомобильных дорог, трубопроводов, зданий в Краснодарском крае.

Учет условий равновесия, закономерностей распределения межотсековых сил и отпора грунта позволяет получить более достоверные эпюры оползневых давлений в продольных сечениях склона и значительно уточнить параметры сооружений.

Выводы

В работе рассмотрен новый уточненный подход к определению оползневого давления на удерживающие сооружения в рамках теории предельного равновесия. Описан алгоритм вычисления оползневых давлений, основанный на методе Общего Предельного Равновесия GLE (General Limit Equilibrium).

Литература

1. ШахунянцГ.М. Железнодорожный путь. Москва: Транспорт, 1969.

2. Гинзбург JI.K. Противооползневые удерживающие конструкции. - М: Стройиздат, 1979. 81с.

3. Yamagami, Т. et al. A simplified estimation of the stabilizing effect of piles in landslide slope. Applying the Janbu method. Landslides, Bell (ed.) Rotterdam: Balkema, 1991.

4. Nakamura, H. Design of rigid dowel piles for landslide control. 4th Int. Sympo. on Landslides, 1984. - Vol.2: pp. 149-154.

5. Janbu N. Slope stability computations. In R.C. Hirschfeld & S.J. Poulos (eds.). Enbankment-dam Engineering. Casagrande Volume: pp. 47-86: John Wiley & Sons, 1973.

6. Bishop, A. W. The use of slip circle in the stability analysis of slopes. - Vol. 5, No. 1, 1955.-P. 7-17.

7. Morgenstern, N. & Price V.E. The analysis of the stability of general slip surfaces. Geotechnique. Vol 15, No. 1, 1965. - P. 79-93.

8. Geo-Slope International Ltd. Slope/W for slope stability analysis, user's guide, version 3. Geo-Slope International Ltd., Calgary: Alta, 1996.

EVOLUTION OF A METHOD OF DEFINITION OF SLIDING PRESSURE ON RETAINING CONSTRUCTIONS

S.I. MATSIY

The new specified approach to definition of sliding pressure on retaining constructions is presented. The algorithm of a calculation of the pressures, based on a method GLE (General Limit Equilibrium) is discussed.