Учет нестабилизированного состояния грунтов при оценке пространствнной устойчивости откосов насыпей автомобильных дорог

Иванов И.А.; Волкова Е.В.; Иванов Е.И.; Нечаев Д.Н.

Информация об авторах

Дроздов Вячеслав Валерьевич, магистрант кафедры автомобильных дорог; тел.: +7(9021)719-918; e-mail: drozdov@zaotrud.ru, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Шабуров Сергей Семёнович, кандидат технических наук, доцент; профессор кафедры автомобильных дорог, тел.: +7(3952) 625-889, E-mail: gling@zaotrud.ru, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Information about the authors

Drozdov V.V., candidate for a master's degree, tel.: +7(9021)719-918; E-mail: e-mail: drozdov@zaotrud.ru, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Shaburov S.S., Candidate of Technical Sciences, associate professor, Automobile Thoroughfares Department, tel.: +7(3952) 625-889, e-mail: gling@zaotrud.ru, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

УДК 624.131+626/627

УЧЕТ НЕСТАБИЛИЗИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВ ПРИ ОЦЕНКЕ ПРОСТРАНСТВННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ НАСЫПЕЙ

АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Приведены результаты численных исследований устойчивости откосов насыпей автомобильных дорог и оснований сооружений, сложенных медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами в условиях пространственной задачи различными методами. Для расчёта коэффициента запаса устойчивости используются формулы К. Терцаги, Г. Крея и способ наклонных сил А.Л. Можевитинова («в = const»). Давления в поровой воде определяются исходя из «основной расчётной модели» В.А.Флорина. Установлено что, учёт пространственности приводит к повышению коэффициента запаса устойчивости.

Ключевые слова: нестабилизированное состояние грунтов; пространственная устойчивость откосов; коэффициент запаса устойчивости.

CONSIDERATION OF NONSTABILIZED CONDITION OF GROUND DURING THE ASSESSMENT OF SPATIAL SLOPE STABILITY OF BANKED GROUND OF

AUTOMOBILE ROADS

We presented the results of numeric researches of slope stability of banked ground of automobile roads and construction basements, that are slowly put by the firming wet ground in the conditions of spatial aim using various methods. Formulas of K. Tertsaga, G. Krei and the way of inclined forces of A.L. Mozhevitinova («в = const») are used to calculate the index of stability factor. Pressures in pore water are defined by the «main calculating model» of B.A. Florin. It is stated that measurement of spatiality causes increase in the index of stability factor.

Key words: nonstabilized condition of ground; spatial slope stability; index of stability

factor.

При проектировании насыпей, грунтовых сооружений и фундаментов, возводимых на основаниях, сложенных медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами, возникает необходимость оценки их устойчивости в пространственной постановке с учетом возможного нестабилизированного состояния грунтов основания, возникающего за счет избыточного давления в поровой воде.

Устойчивость откосов и оснований сооружений может быть оценена различными способами. Численные исследования проводились с использованием наиболее простых и часто встречающихся в решении инженерных задач формул расчёта коэффициента запаса устойчивости К.Терцаги, Г. Крея и способа наклонных сил А.Л. Можевитинова («в = const»), основанных на предположении об одновременном наличии состояния предельного равновесия грунта на всей поверхности скольжения.

Все, описанные выше способы расчета, относятся к случаю плоской задачи, т. е. принимается, что по боковым частям единичной по фронту сооружения призмы оползания или выпора не возникает сил сопротивления. В действительности обрушения откосов носят обычно локальный характер и имеют в плане вид замкнутого контура (рис. 1).

В способе К.Терцаги выполняется только одно условие равновесия (ЕМ = 0), а в способе Г. Крея обеспечивается выполнение двух уравнений равновесия (ЕМ = 0 и EZ= 0) элементов, на которые разбито тело обрушения, и не учитывается действие горизонтальной составляющей объёмных фильтрационных сил. Далее, как и в условиях плоской задачи, вся область смещения разделяется на недеформируемые, но уже пространственные отсеки и принимаются допущения об их взаимодействии, подобные рассмотренным выше.

2-2

Рис. 1. Схема оценки пространственной устойчивости откоса

Метод «0 = const», разработанный для пространственной задачи [1], учитывает все уравнения равновесия для каждого элемента в отдельности и тела обрушения в целом. В эти уравнения входят нормальные Ex, Ez и касательные Tzx, Tzy, Txy сил взаимодействия элементов и составляющие действующих на элементы внешних поверхностных и объемных, включая фильтрационные, сил qx, qy, qz (рис. 2). Кроме того, для решения системы уравнений равновесия вводятся дополнительные условия:

Tzx= ExfgPl, Tzy= Eytg02, Txy = 0, 01 = в1(у), 02 = p2(x), (1)

в которых значения в1 и в ¿определяются из решения системы.

а

б

V

"Ц Чг Чх

Ех

Ех+

эх ах эТх

эх

ах

т-зш(тГу) / а- 5т(п?у)

—^У

уУлТ

У Еу+^уду

1гу а У

эт,

1\.

12х ах т^т(тГх) ^ с^пОСх)

1с1х

Рис. 2. Проекции сил, действующих на элемент тела обрушения:

а) - на плоскость Х02; б) - на плоскость YOZ

Существенным недостатком этих способов является отсутствие учёта деформируемости грунта, которая, особенно в случае неоднородных грунтовых массивов, может оказывать существенное влияние на распределение напряжений в основании сооружения.

Разработана программа расчета коэффициента запаса устойчивости откосов и оснований фундаментов с пространственными поверхностями скольжения с учетом давления в поровой воде при действии вертикальных и горизонтальных сил и опрокидывающих моментов. Программа позволяет производить расчеты для произвольного во времени режима загружения фундамента. Положение поверхности скольжения, при которой коэффициент запаса устойчивости принимает минимальное значение, определяется в результате решения поисковой задачи. В программе предусмотрен автоматический поиск наиболее опасной поверхности скольжения по методу Гаусса - Зейделя, который заключается в попеременном варьировании параметрами кривой скольжения (х0, _у0, R0). Принимается, что тело обрушения представляет собой часть эллипсоида вращения. Воздействие части тела обрушения, находящейся вне зоны загружения в стороне, противоположной направлению сдвига, заменяется силой активного давления грунта (рис. 3).

Рис. 3. Тело обрушения: 1 - тело обрушения; 2 - зона загружения основания; 3 - часть тела обрушения, воздействие которой заменяется силой активного давления грунта;

4 - направление действия сдвигающей силы

Для определения избыточного давления в поровой воде используется решение теории консолидации в пространственной постановке с использованием «основной расчетной

модели» В.А. Флорина [2] для случая трёхфазного грунта, но без учета ползучести его скелета.

Уравнение консолидации решается методом конечных разностей по явной схеме:

Р = Р +

t + 1,г', 1, к t , 1, к

ЗЮ

, (^ + 1,!', ], к ®tJ, ], к ) +

+

(1 + 2£)(1 + е)кМ

ЗаЮ

] ,к

Ах

', ], к

~ (Р'+1,],к + Pt,'-1,],к - 2Pt,',],к ) +

+—I Р

+Р

-2Р , 1+-1 Р

1

А^2 ^ t,i,] +1,к t,i,]-1,к t,i,],к) а^2 ^ I,],к+1 t,i,],к-1 t,],к

+Р

-2Р

где

, 1 ,к = 1 + :

(1+е)(1 + 24)

За

; р

s + цП

1к Р , + Р

0,г, к t,г, ], к

(2)

В уравнении (2):

t, г, ], к - момент времени и координаты узлов расчетной области;

Д^ Ах, Ду, Дг - расчётный момент времени и шаги координатной сетки расчётной области;

Р^,],к - избыточное давление в поровой воде;

0 и,], к- сумма нормальных напряжений;

к, е, а, ву,к, ¡и - коэффициенты фильтрации, пористости, бокового давления и уплотнения грунта, объёмной сжимаемости и растворимости газа;

s, п' - объём газа и воды в единице объёма грунта;

Р0,г,],к - начальное до процесса консолидации давление в поровой воде.

Значения суммы главных напряжений 0 ^,],к определяются путем численного интегрирования в пределах площади загружения решения для сосредоточенной силы (задачи Буссинеска), приложенной к поверхности однородного изотропного полупространства в виде

0,

1+ У

t,', ],к

71

II

О г

а t п к

т П [(Х - Хт )2 +(У] - Уп ^ i

,„Ах Ау +

/2 т У п

+ 11

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Ог

(хг - Хт )

[(Х - Хт

)2 +(

+ \у,- - у

,)2

+

/2

Ах А у

т У п

(3)

где

,п' ,п - нормальная и касательная нагрузки, действующие в точках площади загружения с индексами т и п; ¡и - коэффициент Пуассона.

Был выполнен расчёт коэффициента запаса устойчивости основания фундамента, который представляет собой прямоугольник со сторонами 100 х 80 м.

Результаты расчета приведены в таблице, где а, Ь, h - максимальные ширина, длина и заглубление в основание тела обрушения, г - заглубление фундамента.

Значения коэффициентов запаса устойчивости

Размеры тела обрушения и заглубление фундамента Минимальное значение коэффициента запасаустойчивости

1-й год 2-й год Стабилизированное состояние

методы методы методы

а, м b, м h, м z, м Терцаги Крея в -const Терцаги Крея в -const Терцаги Крея в -const

160 179 3,3 2,0 2,01 1,97 2,04 2,10 2,05 2,13 2,26 2,22 2,29

132 151 10,3 5,0 3,54 3,34 3,68 3,70 3,49 3,85 4,05 3,84 4,14

Сравнение этих результатов с результатами расчёта в условиях плоской задачи по способу К. Терцаги в предположении круглоцилиндрических поверхностей скольжения показывает, что учёт пространственности приводит к повышению коэффициента запаса устойчивости. Таким образом, пространственная оценка устойчивости оснований больших по площади фундаментов конечных размеров в плане позволяет при проектировании увеличить нагрузку на фундамент или применить более экономичные решения.

Статья поступила 12.05.2015 г.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бухарцев В.Н. Расчет устойчивости грунтовых откосов как трехмерных тел // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. 1980. Т. 137. С. 41-48.

2. Можевитинова А.П. Общий метод расчета устойчивости земляныз сооружений / А.П. Можевитинов, М. Шинтемиров // ИзвестияВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Л.: Энергия. 1970. Т. 92. С. 11-22.

3. Флорин В.А. Основы механики грунтов Л.; М.: Госстройиздат, 1961. Т. 2. 543 с.

Информация об авторах

Иванов Игорь Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, ЗАО «Востсиб-транспроект», начальник отдела транспортных сооружений, тел.: 89025660711, e-mail: ivanov_ia@inbox.ru, 664007, Россия, г. Иркутск, ул. Декабрьских Событий, 49.

Волкова Елена Викторовна, кандидат географических наук, доцент кафедры «Автомобильные дороги», тел.: 89149275065; e-mail: volkova_elena13@mail.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Иванов Евгений Игоревич, магистрант кафедры автомобильных дорог, тел.: 89149260431, e-mail: ivanov_ei@icloud.com, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Нечаев Дмитрий Николаевич, магистрант кафедры автомобильных дорог, тел.: 89148885577, Иркутский Национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Information about the authors

Ivanov I.A., Candidate of Technical Sciences, associate professor, CJSC «Vostsibtransproekt», head of Department «Transport facilities», tel.: 89025660711, email: ivanov_ia@inbox.ru, 49 Dekabrskikh Sobytii St., Irkutsk, 664007, Russia.

Volkova E.V., candidate of geographical science, associate professor, Automobile Thoroughfares Department, tel.: 89149275065, e-mail.: volkova_elena13@mail.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Ivanov E.I., candidate for a master's degree, Automobile Thoroughfares Department, tel.: 89149260431, e-mail: ivanov_ei@icloud.com, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Nechaev D.N., candidate for a master's degree, Automobile Thoroughfares Department, tel.: тел.: 89148885577, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

УДК 625.7/.8:001.895

ПРЕОДОЛЕНИЕ ПРОЦЕССОВ АНКЛАВИЗАЦИИ НА ТЕРРИТОРИИ БАЙКАЛЬСКОГО РЕГИОНА И ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА

Рассмотрена концепция развития сети автомобильных дорог на территории Дальнего Востока, Сибирского региона, в том числе Иркутской области на период до 2020 года. Изложены цели и задачи по реформированию дорожной отрасли. Предполагаются меры по преодолению анклавизации макрорегиона за счет реализации положений Транспортной стратегии Российской Федерации.

Ключевые слова: анклавизация; макрорегион; сети автомобильных дорог; государственно-частное партнерство; дорожное хозяйство; дорожный фонд; бюджетные ассигнования.

NEGOTIATION OF ANKLAVIZATION PROCESSES AT THE TERRITORY OF

BAIKALSK REGION AND FAR EAST

We considered the concept of development of automobile roads net at the territory of Far East, Siberian region and Irkutsk region up to 2050. We reported the aims and targets to reform road sphere. We suppose measures to overcome anklavization of makroregion at the expense of realization of Transport strategies of Russian Federation.

Key words: anklavization; makroregion; nets of automobile roads; state-private partnership; road property; roadfund; budget supplies.

Дорожное хозяйство представляет собой один из крупнейших сегментов общественного достояния России. Без дорожной сети не могут быть реализованы статьи Конституции РФ, в которых гарантируются права на свободу передвижения граждан, свободное перемещение товаров и услуг, обеспечивающих единство экономического пространства.

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Иванов И.А., Волкова Е.В., Иванов Е.И., Нечаев Д.Н.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Иванов И.А., Волкова Е.В., Иванов Е.И., Нечаев Д.Н.

Consideration of nonstabilized condition of ground during the assessment of spatial slope stability of banked ground of automobile roads

Текст научной работы на тему «Учет нестабилизированного состояния грунтов при оценке пространствнной устойчивости откосов насыпей автомобильных дорог»