Методы расчета осадок сооружений и устойчивости откосов

Методы расчета осадок сооружений и устойчивости откосов

Характер взаимодействия инженерного сооружения с грунтовым основанием зависит как от свойств последнего, так и параметров сооружения -величины нагрузки и ее характера (статическая, динамическая), площади, жесткости и глубины заложения фундамента и т. д. В связи со сложностью и разнообразием грунтовых условий и малой изученностью поведения оснований при силовом взаимодействии с инженерными конструкциями выбор расчетной схемы (модели) представляет собой сложную и ответственную задачу. Правильно выбранная расчетная схема должна отражать основные закономерности взаимодействия инженерного сооружения с грунтовым основанием, что позволит при расчетах получать хорошую сходимость прогнозируемых величин с действительно наблюдаемыми величинами. Естественно, что сложность и многообразие закономерностей деформирования грунта под нагрузкой не позволяют создать расчетную модель грунтового основания, пригодную для всех грунтовых условий и сооружений.

Первоначальная расчетная модель грунтового основания была достаточно простой, при ее создании исходили из того факта, что при нагружении основания деформации возникают только в зоне сооружения. Грунтовое основание характеризуется одним параметром - коэффициентом постели. Однако область применения этой модели ограничена, так как при нагружении основания деформации возникают не только в зоне нагружения, но и в смежных областях. Коэффициент постели непостоянен и зависит от величины давления, формы и размеров площади загружения.

С 30-х годов активно развивается направление, рассматривающее грунтовое основание как упругую среду, характеризуемую модулем деформации Е и коэффициентом Пуассона р., что позволило применить для расчета взаимодействия основания и фундамента аппарат теории упругости. Упругая модель дает возможность учесть распределительную способность грунтового основания, решить задачи распределения напряжений и деформаций в массиве и др.

Прогноз осадок сооружений.

Однако модель упругого полупространства наделяет грунты идеальной распределительной способностью и упругими свойствами, тогда как в грунтах развиваются остаточные деформации, а зависимость между напряжениями и деформациями не является линейной. Существует много моделей, в той или иной степени отражающих работу грунтового основания, основным недостатком которых является отсутствие обоснованной методики определения расчетных параметров.

Многие специалисты полагают, что наилучшим образом моделирует работу фундамента небольшой жесткий штамп, передающий нагрузку на грунт (испытание пробной нагрузкой), а также компрессионное испытание.

Существуют и другие полевые и лабораторные методы определения модуля деформации, такие, как прессиометрическое испытание, трехосное сжатие, статическое зондирование (по корреляции). При всех этих испытаниях модули деформации получаются различными, что отражает как неоднородность грунта, так и методику определения. Проблема определения модуля деформации грунтов не имеет однозначного решения, и задача выбора соответствующего значения модуля деформации для расчета осадок ответственных сооружений часто решается методом экспертных оценок с учетом конкретных инженерно-геологических условий и совокупности полученных разными методами значений Е.

Для различных грунтов отношение модулей деформации в параллельном и нормальном к слоистости направлениях колеблется от 1,5 до 5, но может достигать 15, что свидетельствует о наличии значительной анизотропии свойств грунтов.

Расчет осадок. Осадки - это вертикальные деформации сооружений, происходящие в результате уплотнения или выпора грунта из-под фундамента под действием внешних нагрузок. Обычно здания и сооружения проектируются таким образом, чтобы этот процесс существенно не развивался.

Фундамент и несущий столб грунта, сжатие которого определяет величину осадки.

Деформации оснований сооружений.

В зависимости от граничных условий деформирования этого столба грунта наблюдаются три разные зависимости: поперечное расширение грунта невозможно (компрессия); одноосное сжатие грунта; поперечное расширение ограничено. Естественно, что от характера деформации грунта под фундаментом зависит выбор методики определения модуля деформации грунта для расчета осадки.

Деформации оснований сооружений вызываются внешними силами, зависят от свойств грунтов и могут быть как положительными (осадки в результате уплотнения грунтов), так и отрицательными (подъем сооружения в результате разуплотнения или набухания грунта).

Осадки сооружения могут происходить под действием: внешних нагрузок от сооружения; давления, возникающего вследствие понижения уровня грунтовых вод; собственного веса грунтовой толщи в результате ослабления структурных связей в нижележащих грунтах; усадочных напряжений при высыхании грунтов (особенно глинистых) в результате изменения их термовлажностного режима. Поверхность грунтов может подниматься в результате их разуплотнения или набухания при изменении физико-химических условий в окружающей среде.

Общая осадка может быть разделена на две части - не зависящую от времени (немедленная и полная) и зависящую от него (консолидационная для водонасыщенных тонкодисперсных грунтов и объемной ползучести).

Для прогноза величины осадки необходимо знать: величину действующего на грунт давления и деформационные характеристики грунтов, а также изменение этих показателей с глубиной.

Все существующие методы определения осадок исходят из допустимости применения теории упругости для оценки влияния поверхностной нагрузки на напряжения внутри грунтового массива, что позволяет найти величину напряжений только приближенно, так как такие особенности строения массива, как его анизотропия и изменение свойств с глубиной, не учитываются в должной мере.

Мощность сжимаемой толщи или активной зоны основания.

Приближенность расчета напряжений в грунтах, сложность определения показателей сжимаемости грунтов и вследствие этого малая степень их соответствия существующим в массиве, значительная изменчивость инженерно-геологических условий как в горизонтальном, так и вертикальном направлении приводят к тому, что современные методы расчета осадок позволяют оценить лишь их порядок. И действительно, сравнение натурных и прогнозных осадок говорит о наличии расхождений, достигающих 150 % и более.

Сжимаемая толща грунта. Мощность сжимаемой толщи или активной зоны основания является одним из факторов, определяющих величину осадки. Однако обоснованных критериев определения мощности сжимаемой зоны нет. Обычно мощность этой зоны определяется с помощью условных критериев. Так, в большинстве случаев принимается, что деформациями грунта ниже Н можно пренебречь, если давление от фундамента составляет на глубине ниже подошвы фундамента некоторую долю от природного. Для гидротехнических сооружений, обычно имеющих большую ширину.

При инженерно-геологических изысканиях не следует слепо следовать этим критериям установления мощности сжимаемой зоны как глубины, до которой следует производить исследование грунтов. Необходимо изучать грунты на глубину, которая определяет строительство и условия эксплуатации. Так, известны случаи, когда деформация сооружений обусловливалась уплотнением слоев грунта, залегающих значительно ниже активной зоны сооружения.

Правильная оценка мощности зоны, условий строительства и эксплуатации сооружений особенно важна при строительстве на подрабатываемых территориях.

Полная осадка S фундамента условно представляется в виде суммы двух составляющих.

Под начальной (мгновенной) осадкой понимают деформации, происходящие одновременно с загружением грунта, поэтому величину этой осадки рассчитывают на основе модели упругого полупространства, если сжимаемая толща превышает 2,5 ширины фундамента, а при меньшей мощности сжимаемого слоя - по модели упругого слоя конечной толщины.

Величина начальной осадки.

Величина начальной осадки для разных грунтов различна. Так, для резервуаров на нормально уплотненных глинах она составляла 10-15 % от полной осадки. Но при быстром нагружении основания, а также в случае плотных и прочных грунтов начальная осадка может составлять существенную часть полной осадки.

При расчете осадок существующими методами исходят из предположения, что при давлениях, меньших природного, грунт дополнительно не уплотняется, поскольку это уплотнение уже произошло при формировании грунтового массива. Поэтому расчет осадки ведут для избыточного давления.

Расчет полной линейной осадки (осадки уплотнения), как и расчет мгновенной осадки, производится также на основе формул теории упругости, но взамен модуля упругости подставляется модуль общей деформации. Если из полной линейной осадки необходимо выделить начальную и замедленную составляющие, то соответствующий расчет производится с использованием отвечающих этим условиям модулей деформации - модулей упругой замедленной деформации.

Расчет осадок по схеме компрессионного сжатия. При деформировании грунтового основания только в вертикальном направлении без бокового расширения, что возможно при действии сплошной нагрузки по поверхности, в основании большого но площади фундамента или при сжатии слоя сравнительно небольшой мощности осадка определяется по формулам компрессионного сжатия:

При слоистом строении грунтовой толщи осадка всей сжимаемой толщи находится суммированием осадок отдельных слоев, а давление для середины каждого слоя определяют на основе модели линейно-упругого тела.

Расчет осадок по методу СНиП 11-15-74. Действующие строительные нормы рекомендуют определять осадку сооружений с использованием моделей линейно-деформируемого полупространства с условным ограничением мощности сжимаемой толщи (метод послойного суммирования) и линейно-деформируемого слоя конечной толщины.

Появление добавочного давления.

Уплотнение сжимаемой толщи при понижении уровня грунтовых вод. Породы, находящиеся ниже уровня грунтовых вод, испытывают взвешивающее действие воды, которое при снижении ее уровня исчезает, поэтому породы приобретают больший удельный вес, так как к весу скелета грунта прибавляется вес воды в порах, а также капиллярное давление

Подобное давление испытывают породы при откачке из них нефти и газа вследствие потери взвешивания или уменьшения давления газа.

В результате появления добавочного давления при снижении уровня грунтовых вод нижележащие слои грунта будут уплотняться, возникающие при этом на обширной территории осадки поверхности земли могут существенно усложнить строительство и эксплуатацию сооружений. Суммарные понижения земной поверхности в случае сильно сжимаемых грунтов могут измеряться десятками сантиметров и метрами.

Если при откачке воды в однородном грунте образуется депрессионная воронка, то дополнительная осадка грунта приведет к возникновению мульды оседания. Величина этой осадки в центральной точке рассчитывается.

Деформация грунтов в результате разуплотнения или набухания представляет собой сложный физико-химический процесс, зависящий от действующего давления, вида грунта, свойств контактирующей с ним жидкости и времени взаимодействия жидкости с грунтом. Величина набухания оценивается относительной деформацией. В качестве критерия для определения набухающих грунтов принимают для глинистых грунтов величину при свободном набухании.

Способность к набуханию обнаруживают не только плотные маловлажные глины, но и сланцы, аргиллиты, мергели, а также искусственные грунты, например некоторые шлаки. Можно говорить и о набухании песков, если в результате замачивания различными технологическими растворами (например, растворами серной кислоты, соды и т. п.) в их порах образуются кристаллы солей.

Прогноз набухания грунтов, а следовательно, и деформаций, которые при этом возникают, требует знания закономерностей развития процесса набухания в пространстве и во времени.

Мощность зоны усадки.

Для глин рассматривают два случая изменения объема грунта при набухании: при полном водонасыщении; без полного насыщения пор водой. В первом случае развитие набухания во времени описывается уравнениями, аналогичными уравнениям теории фильтрационной консолидации, а во втором - уравнениями теории влагопереноса в капиллярно-пористых телах.

Способностью к усадке обладают только влажные грунты. Мощность зоны усадки устанавливают опытным путем или соответствующим теплофизическим расчетом.

Расчет осадок сооружений в результате выщелачивания солей. Этот расчет требует знания мощности выщелачиваемой зоны и содержания в ней растворимых солей, а также схемы замачивания водой основания сооружения и продолжительности инфильтрации. При расчете суффозионных деформаций при наличии равномерной вертикальной инфильтрации воды деформируемая зона ограничивается глубиной, на которой суммарные вертикальные напряжения, вызванные действием нагрузки фундамента и собственного веса грунта, не превышают начального давления суффозионной осадки.

Принципы расчета устойчивости. Инженерная оценка устойчивости скальных откосов осуществляется в несколько стадий: расчет напряженно-деформированного состояния массива и выявление потенциальных поверхностей обрушения; анализ устойчивости выделенных скальных массивов по предельному состоянию; оценка устойчивости и допустимых параметров откосов по наблюдаемым деформациям в период проходки и эксплуатации.

Развитие методов расчета с помощью ЭВМ открывает широкие перспективы для анализа напряженно-деформированного состояния неоднородных, анизотропных трещиноватых сред, какими являются скальные массивы.

Однако существует ряд соображений, ограничивающих использование этих методов: во-первых, анализ напряженно-деформированного состояния требует обширной информации о деформируемости и прочности скальных блоков и разделяющих их трещин в сложном напряженном состоянии, учитывающей нелинейность характеристик деформируемости, дилатансию и самоупрочнение трещин при возникновении подвижек.

Прогноз устойчивости скальных откосов.

Во вторых, при выявлении процесса формирования поверхности смещения в скальном массиве большое, а иногда и определяющее значение имеют не только величины естественных начальных напряжений в массиве, но и история их формирования; в-третьих, ограниченность возможностей современной вычислительной техники.

Кроме того, практика показывает, что часто можно наметить потенциальную поверхность смещения непосредственно по структурной модели массива, не прибегая к анализу его напряженно-деформированного состояния.

Расчет устойчивости скальных массивов при намеченной потенциальной поверхности смещения осуществляется с помощью методов теории предельного равновесия с учетом приведенных ниже положений. Смещающиеся скальные массивы не являются абсолютно жесткими телами, а состоят из скальных блоков или отсеков, взаимодействующих в процессе смещения. Достижение предельного равновесия на какой-либо части потенциальной поверхности смещения еще не означает нарушения устойчивости массива, которая зависит от взаимодействия неустойчивых блоков с расположенными ниже устойчивыми частями массива. Расчет устойчивости, скальных откосов состоит в определении дефицита устойчивости как отдельных отсеков, так и всего скального откоса в целом. Диаграмма прочности на сдвиг по скальной трещине или ослабленной зоне представляет собой криволинейную зависимость, которая для упрощения математических расчетов аппроксимируется на выбранном интервале нормальных напряжений линейной (кулоновской) зависимостью. Прочность скальных массивов на отрыв по трещинам предполагается, как правило, равной нулю. Расчет абсолютного критерия устойчивости практически невозможен, поскольку природа всегда сложнее и многообразнее тех неизбежно упрощенных схем, которые могут быть рассмотрены в аналитических расчетах. Только вероятностный метод расчета устойчивости позволяет оценить надежность получаемого решения с учетом уровня достоверности вводимой в расчет исходной информации.

Величина запаса устойчивости.

Критерии устойчивости. Для оценки допустимого уровня нагрузок или прочности наибольшее распространение в инженерной практике получил коэффициент запаса.

Однако использование этого параметра в механике скальных пород не всегда удобно и корректно. Говорить о запасе прочности или устойчивости можно лишь применительно к определенной расчетной схеме и конкретному воздействию, которое может вывести массив из равновесия. В отрыве от этого понятие запаса лишено смысла. Коэффициент запаса можно использовать только для сопоставления различных решений, получаемых для одного и того же скального массива.

Более удобным критерием является непосредственно сама величина запаса устойчивости (или прочности) или обратная ей по знаку величина дефицита устойчивости (или прочности).

Вероятностный характер прочностных и деформационных свойств скальных массивов, их геометрических параметров, а также действующих нагрузок обусловливает целесообразность применения вероятностного критерия безопасности.

Модели. Основой для построения любых расчетных схем является геологическая модель массива, отражающая его строение и состав и позволяющая прогнозировать возникновение обвалов, оползней, процессов разгрузки, выветривания и другие естественные явления. Комплекс специализированных моделей - прочностных, деформационных, структурных, фильтрационных - обычно называется инженерно-геологической моделью массива.

Отличие расчетной модели от геологической состоит в том, что, помимо геологических факторов, она должна учитывать механизм того процесса, для изучения которого предназначена, а также используемые при этом методы анализа. Расчетная схема должна содержать структурную модель массива, гипотезу о возможном характере смещения или деформирования и необходимые прочностные и деформационные параметры скального массива.

Комиссия по устойчивости и укреплению скальных массивов.

Наиболее распространенные формы обрушений, методы расчета устойчивости и способы укрепления скальных откосов. Комиссия по устойчивости и укреплению скальных массивов Советского комитета Международного общества по механике скальных пород (МОМСП) произвела опрос большого числа производственных, проектных и научных организаций Советского Союза, связанных со строительством открытых карьеров и котлованов, а также выполняющих расчеты устойчивости скальных откосов.

Наибольшее распространение в инженерной практике в СССР имели обрушения, т. е. скольжение по одной трещине (Д) или системе трещин (А) и по двум системам трещин, как поперек ребра пересечения (Г), так и вдоль него (3). Встречаются также крупные скальные оползни типа Е.

Специалисты всех опрошенных организаций считают, что структура массива - определяющий фактор для расчетов его устойчивости, а к числу наиболее важных параметров они относят ориентацию трещин и прочность на сдвиг по ним. Подавляющее большинство считает необходимым проведение вероятностных расчетов устойчивости скальных массивов для оценки их надежности.

Расчет устойчивости скальных откосов с пологопадающими в сторону склона трещинами или слоистостью. Смещение откосов рассматриваемого строения происходит обычно по пологопадающей трещине (или напластованию) с отрывом массива по сопряженной системе трещин.

Расчет устойчивости скальных откосов при полигональной поверхности смещения (метод дефицита сил устойчивости). Наличие полигональной поверхности смещения - один из самых распространенных случаев в инженерной практике для крупных оползней и обрушений, объединяющий типы Г и Е.

Для расчета устойчивости таких массивов они условно разбиваются вертикальными плоскостями на отсеки, стоящие на соответствующих участках полигональной поверхности смещения.

Расчет устойчивости скальных откосов.

Для каждого из отсеков (начиная с верхнего) вычисляются дефициты устойчивости, которые представляют собой внутренние силы взаимодействия между отсеками (на плоскостях раздела вовсе не обязательно должно быть предельное равновесие).

Расчет устойчивости скальных откосов при полигональной поверхности смещения и наличии кососекущих трещин. Используется традиционный метод многоугольника сил, предполагающий наступление предельного равновесия по всем разделительным плоскостям трещин.

Расчет устойчивости скальных откосов при отсутствии четко выраженных систем трещин. Во ВНИМИ разработан комплекс методов для расчета устойчивости откосов уступов и отвалов угольных и горнорудных карьеров.

Исходные положения, на которых основаны методы расчета, следующие: при отсутствий в откосе неблагоприятно расположенных поверхностей ослабления массива поверхность смещения является монотонной, близкой по форме к круглоцилиндрической. При наличии в откосе неблагоприятно ориентированных плоскостей ослабления поверхность смещения полностью или частично совпадает с ними.

Форма и расположение поверхности смещения в неослабленном массиве, прилегающем к откосу, определяются основными положениями теории предельного равновесия сыпучей среды:

Расчет устойчивости объемных блоков. Наиболее распространенным случаем обрушения объемных скальных блоков является смещение по двугранному углу, образованному двумя пересекающимися трещинами. В этом случае расчет проводится с помощью аналитических графических методов. При большом числе отчленяющих блок плоскостей и при наличии последовательности взаимодействующих объемных блоков анализ удобно выполнять графическим методом, позволяющим учитывать как силы сцепления по плоскостям смещения, так и взаимодействие последовательно расположенных блоков.

Определение формы поверхности смещения.

Расчет устойчивости крупных оползней. В горных районах часто встречаются большие оползневые тела, которые могут прийти в движение при их подрезке, обводнении или любом другом инженерном воздействии. Такие оползневые тела обычно имеют пирамидальную форму, и расчет их устойчивости в условиях плоской задачи может привести к существенным погрешностям. Анализ устойчивости такого оползневого тела выполняется в следующем порядке: на топографическом плане оконтуривается тело оползня (по имеющимся геологическим данным, по изменениям рельефа, трещинам, выходам на поверхность слабых зон). Определяется форма поверхности смещения в виде горизонталей, которые наносятся на топографическую карту; вычерчивается характерный профиль поверхности смещения в направлении наиболее вероятного движения оползня, криволинейные участки заменяются прямолинейными, и поверхность смещения разбивается на ряд участков с различными углами падения. Вычисляются объемы скального массива, располагающиеся на соответствующих участках поверхности смещения, для чего используется топографический план с горизонталями дневной поверхности и поверхности смещения. Выполняется расчет устойчивости оползневого тела методом дефицита сил устойчивости.

Расчет скальных обрушений-обвалов. Известен ряд крупномасштабных обрушений горных пород, для которых характерны аномально большие скорости смещения и дальность выноса обрушившихся масс. Для объяснения механизма развития этих оползней был предложен закон сухого трения, заключающийся в том, что величина касательных напряжений т, действующих на контакте потока дробленой горной породы с основанием, ограничена прочностью на сдвиг более слабого из трущихся материалов. Для количественного описания таких обрушений предложена соответствующая математическая расчетная модель. Согласно этой модели, движение скального потока в простейшем, одномерном «гидравлическом» приближении при соответствующих начальных и граничных условиях может быть описано дифференциальными уравнениями:

Прогноз возможных стихийных обвалов в потенциально опасных районах.

Несмотря на схематичность расчетной модели, неточность исходных данных и значительный диапазон изменения масштабов явления, значения достаточно стабильны, что подтверждает применимость закона для количественного описания крупномасштабных обвальных явлений. Исключение составляют значения 2 для обвалов и вблизи кратера Циолковский на Луне, что связано с существенным отличием материала подстилающей поверхности - в первом случае это был лед (обвалившаяся порода двигалась по поверхности ледника), во втором - малопрочный лунный реголит.

Использование предложенного закона трения и математической модели может оказаться полезным для прогноза возможных стихийных обвалов в потенциально опасных районах, а также для оценки степени подвижности потока горной массы сбрасываемой взрывами при строительстве плотин в горных ущельях.

Этот закон применим и в случаях, когда поток состоит из других материалов (поток обломков льда, снежная лавина, пепловая лавина на вулканах и т. п.). Предлагаемый метод расчета можно использовать для количественного описания обвальных процессов на планетах земной группы и на Луне, что позволяет по-новому трактовать природу ряда морфологических особенностей поверхности этих небесных тел (каньоны и потоки «лавы» на Марсе, оползни и обвалы и т. п.). В качестве примера такого применения в табл. 10 даны результаты расчета для грандиозного оползня у кратера Циолковского на обратной стороне Луны.

На основе предложенного закона трения разработаны также методы физического моделирования крупномасштабных обвальных процессов.

Другие методы. Помимо рассмотренных методов, в СССР иногда используется ряд других методов и способов расчета и чаще всего - расчет устойчивости по одной плоскости смещения. Все они отличаются принятием различных гипотез о взаимодействии между отдельными отсеками массива. Кроме этого, существуют методы, учитывающие более сложные механизмы нарушения устойчивости скального откоса.

Вероятностный анализ.

Вероятностная оценка устойчивости скальных массивов. В инженерной практике мы имеем дело с системами, о которых всегда чего-то не знаем. Особенно очевидным это обстоятельство становится при проектировании и строительстве сооружений на естественных основаниях, где основными неопределенными параметрами являются азимуты и углы падения трещин, характеристики прочности на сдвиг по трещинам, а также силовые воздействия, вызванные землетрясениями и паводками. В этих условиях естественно применение вероятностных методов оценок и расчетов.

Вероятностный анализ предполагает учет не только средних значений параметров, но и их дисперсий, что позволяет получить окончательный результат расчета (например, дефицит устойчивости) в виде случайной величины, имеющей определенную дисперсию, т. е. установить вероятность, с которой удовлетворяется выбранное критериальное условие, и оценить надежность полученного решения.

Существенным для упрощения вероятностного анализа обстоятельством является то, что закон распределения углов падения трещин и параметров прочности на сдвиг но ним может быть принят нормальным, причем все эти параметры, за исключением сопротивляемости сдвигу по одной и той же поверхности смещения, могут считаться независимыми.

Метод статистического анализа данных по параметрам ориентировки трещин. Для оценки достоверности исходной информации о трещиноватости скального массива был разработай вероятностный метод определения параметров систем трещин, позволяющий выявлять системы трещин и определять средние значения и дисперсии их азимутов и углов падения, что необходимо для вероятностной оценки надежности.

Вначале, анализируя с помощью критерия -/-квадрат плотность распределения трещин на полярной равноплощадной диаграмме трещиноватости, устанавливают наличие систем трещин, а затем, предполагая нормальный закон распределения азимутов и углов падения для каждой из выделенных систем, определяют местоположение систем трещин и их параметры.

Применение метода линеаризации.

Весь расчет выполняется автоматически на ЭВМ по разработанной в институте Гидропроект программе.

Принимая за критерий устойчивости условие, можно отметить, что величины А Я В в общем случае могут быть функциями всех случайных аргументов, которыми являются углы падения плоскостей обрушения и параметры прочности на сдвиг по ним. Числовые характеристики А и В можно определить по любому существующему методу расчета устойчивости с использованием метода линеаризации, который, как показывают расчеты, вносит погрешности, не превышающие нескольких процентов.

Применив метод линеаризации к функциям А и В, мы получим функцию S также линейной. Учитывая, что закон распределения линейной функции случайных аргументов, каждый из которых распределен по нормальному закону, также является нормальным, условие при выбранной величине надежности можно записать в виде.

Вероятностный анализ дает возможность найти слабые места проекта, выявить наиболее сильные факторы, определяющие надежность, что, в свою очередь, позволяет наметить оптимальный состав и объем изыскательских работ.

Оценка устойчивости и допустимых параметров откосов по наблюдаемым деформациям в период строительства и эксплуатации. Иногда при проведении горных или строительных работ, связанных с созданием карьеров или водохранилищ в горных районах, подрезкой склонов возникают подвижки скальных массивов, обусловленные изменением напряженно-деформированного состояния, разгрузкой массива или нарушением его устойчивости. Характер смещений и деформаций может быть самым различным в зависимости от их природы, строения массива и внешнего воздействия.

Раскрытие трещин и сдвигов по их поверхностям.

Например, при деформациях откосов типа В высотой более 100 и величины смещений на гребне могут достигать нескольких метров, в то время как при типах откосов А, Г, и Д смещения до обрушения могут составлять лишь несколько миллиметров. Как показывает опыт, в откосах типа Г могут происходить значительные подвижки по крутопадающей трещине в то время как по пологопадающей трещине практически никаких подвижек не наблюдается, и откос находится в устойчивом состоянии. Кроме того, необходимо иметь в виду, что часто смещения, предшествующие образованию обрушений, сопоставимы с деформациями разгрузки.

Смещения в скальных массивах являются результатом раскрытия трещин и сдвигов по их поверхностям, в результате чего ориентировка полного вектора смещения обычно дает достаточно четкое представление о системах трещин, определяющих устойчивость рассматриваемого массива. По графикам замеренных смещений вычисляются скорости и ускорения в различных точках массива.

При развитии деформаций смещения характерны ускоренный рост величин смещений реперов по мере углубления карьера или котлована и относительно слабое затухание сдвижения (или даже его ускорение) при консервации борта, а также циклический рост скоростей смещений в периоды интенсивных дождей и снеготаяния.

После выявления механизма обрушения выполняются обратные расчеты устойчивости (исходя из предельного состояния массива в момент смещения), на основе которых определяются возможные значения параметров прочности на сдвиг по поверхности смещения. Анализ диаграмм смещения совместно с расчетами устойчивости позволяет наметить наиболее эффективные мероприятия по стабилизации массива.

Основные способы расчета устойчивости песчано-глинистых откосов.

Среди многочисленных методов, применяемых для оценки устойчивости откосов, можно выделить три группы.

Прогноз устойчивости откосов в дисперсных грунтах.

Методы, основанные на предположении о том, что оцениваемый откос находится в предельном напряженном состоянии; расчеты устойчивости откосов, когда по геологическим данным может быть установлена поверхность смещения; расчеты устойчивости откосов по предполагаемым поверхностям смещения, которые, как правило, принимаются круглоцилиндрическими.

При использовании методов первой группы предполагается, что во всех точках откоса достигается предельное напряженное состояние. В этом случае математическая модель объединяет уравнения равновесия с условием предельного напряженного состояния применительно к деформациям сдвига.

Решение этой математической модели путем численного или графического интегрирования системы уравнений является достаточно сложным в математическом и техническом отношениях. С помощью модели предельного напряженного состояния можно определить, какой должна быть при заданной нагрузке форма откоса, находящегося в предельном напряженном состоянии.

Расчеты второй группы применяются, когда по данным геологической разведки удается установить наиболее вероятную поверхность смещения, обусловленную наличием в откосе напластования пород, границу раздела между литологически различными комплексами отложений глинистых или других ослабленных прослоев и т. д.

Обычно такая поверхность смещения может быть аппроксимирована одной плоской поверхностью или системой таких поверхностей, имеющих разный наклон. Расчет устойчивости откоса в этом случае проводится точно так же, как для скальных откосов с полого падающей в сторону склона слоистостью или при полигональной поверхности смещения.

Расчет устойчивости откосов при круглоцилиндрической поверхности смещения. Расчет устойчивости откосов по этому методу сводится к отысканию путем подбора наиболее опасной поверхности смещения. Для расчета в рассматриваемом откосе проводится потенциальная поверхность оползания, близкая по форме к круглоцилиндрической, которая выделяет в откосе тело возможного оползня.

Общее соотношение сдвигающих и удерживающих сил.

Последний разбивается, как правило, вертикальными плоскостями на несколько расчетных отсеков, вдоль боковых граней которых должны возникать дополнительные силы, которые учитывают различными способами расчета устойчивости или взаимодействием отсеков пренебрегают. В пределах каждого отсека приближенно определяются нормальные и касательные напряжения вдоль потенциальной поверхности скольжения, обусловленные весом пород (с учетом или без учета силового взаимодействия между отсеками в зависимости от способа расчета). Наконец, составляется общее соотношение сдвигающих и удерживающих сил путем их алгебраического (или, реже, геометрического) суммирования по всем отсекам и определяется степень устойчивости откоса по формуле, вытекающей из равенства нулю суммы моментов всех сил, действующих на оползающий блок:

Коэффициенты устойчивости определяют для серии возможных поверхностей смещения, из которых поверхность с наименьшим коэффициентом устойчивости считается наиболее опасной, а соответствующий ей минимальный коэффициент принимается за коэффициент запаса всего оцениваемого откоса.

Учет гидростатических и гидродинамических сил и сейсмического воздействия при расчете устойчивости откосов. При расчетах устойчивости, основанных на предположении о предельном напряженном состоянии откоса, гидростатические, гидродинамические и сейсмические силы учитываются в исходных дифференциальных уравнениях. При расчетах по системе плоских поверхностей или круглоцилиндрической поверхности смещения фильтрационные силы рассчитываются интегрированием по величине и направлению в пределах выделенного объема, исходя из удельной их интенсивности, или заменяются эквивалентными контурными силами, приложенными вдоль границ выделенного объема.

В первом случае гидростатическое взвешивание может быть выражено в удельном весе пород, а интенсивность и направление гидродинамических сил определяются па основе предварительно построенной аналитически или на модели сетки фильтрации.

Расчет коэффициента устойчивости откоса.

Этот способ учета фильтрационных сил является наиболее общим и при построенной сетке движения позволяет детально учесть силовое воздействие воды на напряженно-деформированное состояние горных пород, но достаточно трудоемким и поэтому редко применяемым на практике.

При практических оценках более удобен второй способ. Действующие на каждый отсек объемные гидростатические и гидродинамические силы на основе известной теоремы Гаусса-Остроградского, могут быть сведены к некоторой контурной силе, которая получается путем геометрического суммирования сил нейтрального давления вдоль поверхности оползания, перпендикулярно к которой они ориентированы, в пределах рассматриваемого отсека. При этом в расчет вводится вес пород вместе с заключенной в них водой. Тогда формула расчета коэффициента устойчивости откоса с учетом гидростатических и гидродинамических сил примет вид

При учете сейсмической силы, которая является объемной, предполагается, что она горизонтальна и имеет наиболее неблагоприятное направление - во внешнюю по отношению к откосу сторону

Для оценки устойчивости откоса, к которому приложена горизонтальная сейсмическая сила, проводится расчет устойчивости фиктивного откоса, крутизна которого увеличена на некоторый угол так, чтобы равнодействующая сейсмической силы и силы тяжести стала вертикальной. Фиктивный откос обладает той же степенью устойчивости, что и действительный.

Пространственно-временная изменчивость является всеобщим фундаментальным свойством материи, следствием ее движения, в том числе, если иметь в виду геологические объекты, следствием геологической формы движения - геологических процессов.

Математические методы в региональной инженерной геологии.

Основной закон инженерной геологии можно сформулировать следующим образом: современное состояние литосферы и ее движение в физическом времени обусловлены древними и современными эндогенными и экзогенными геологическими и физико-географическими процессами и современными процессами искусственного происхождения. Перечисленные процессы имеют разные режимы во времени, обладают различной пространственной структурой. Вследствие этого их продукты - состав, структура, состояние и свойства литосферы -обнаруживают различия в разных точках геологического пространства и изменяются во времени. Пространственно-временная изменчивость состава, структуры, состояния и свойства литосферы наследует черты пространственной структуры и временного режима комплекса эндогенных и экзогенных процессов. Таким образом, не только вещество, организованное на минеральном, породном и формационном уровнях, его состав, структура и свойства есть результат действия региональных, зональных и хозяйственных процессов, но и его пространственно-временная изменчивость - функция этих процессов. Каков процесс геологического развития (включая процессы литогенеза), таковы и черты пространственно-временной изменчивости литосферы и ее приповерхностной части, взаимодействующей с орудиями и продуктами труда - геологической среды.

Пространственно-временная изменчивость проявляется на разных уровнях организации геологической среды. На минеральном уровне в пределах монопородного геологического тела она фиксируется в различиях структуры и текстуры горных пород, в составе и содержании зерен акцессорных минералов, в особенностях их морфометрии и пространственного распределения. При этом сохраняется парагенез породообразующих минералов и характер структурных связей минерального уровня, являющихся признаками породы. На уровне горных пород эта изменчивость сказывается в изменении состава и содержания главных породообразующих минералов, характера структурных связей минерального уровня и эффективных структурных связей, геологического строения, формы и отношений монопородных геологических тел.

Пространственно-временная изменчивость литосферы и методы ее описания.

Пространственно-временная изменчивость формационного уровня проявляется в изменении парагенетических ассоциаций горных пород. Пространственно-временную изменчивость вещества литосферы формируют парагенезы геологических процессов разных уровней. Ниже приведены основные процессы и обусловленная ими изменчивость литосферы.

Процесс предопределяет не только пространственные отношения исследуемых свойств литосферы, но и основные характеристики изменчивости. Например, изменение гранулометрического состава аллювиальных отложений вдоль по долине реки, от ее истоков к устью, имеет в целом (на уровне регионально коррелированной составляющей) экспоненциальный характер. Это обусловлено зависимостью живой силы потока, его транспортирующей способности от уклона русла реки. В ходе эолового процесса формируются осадки, функция гранулометрического состава которых вдоль направления господствующих воздушных потоков близка к линейной. Пространственная структура основного породообразующего процесса предопределяет величину разброса показателей состава и свойств пород. Чем более однороден процесс по структуре, тем меньше меры рассеяния исследуемого показателя.

Вещество литосферы, организованное на минеральном, породном и формационном уровнях, пространственно-временная изменчивость его состава, структур и свойств есть продукт функционирования природной динамической системы, компонентами которой являются литосфера и другие оболочки Земли: атмосфера, гидросфера, биосфера и их физические поля. Функционирование системы в части, относящейся к литосфере, представляет собой процесс геологического развития, движения.

Вообще говоря, изменчивость свойств литосферы имеет существенно пространственно-временной характер (отражение двух форм существования материи). В региональной геологии и региональной инженерной геологии выявление структур (геологической, тектонической, геоморфологической и др.) и свойств литосферы предполагает их изучение и сравнительную оценку в различных точках геологического пространства.

Структура литосферы и ее формирование. Поле геологического параметра.

При этом принимают допущение об их неизменности в физическом времени, т.е. исследуют только пространственную изменчивость. Это допущение позволяет проводить региональные геологические исследования, геологическую (инженерно-геологическую) съемку и специализированное описание структур и свойств литосферы в статике. Термин «неоднородность», иногда используемый в литературе применительно к показателям свойств горных пород, не является синонимом пространственно-временной изменчивости. По своему объему понятие, обозначаемое термином «пространственно-временная изменчивость», шире понятия неоднородности. Неоднородность представляет собой проявление изменчивости, ее следствие. Неоднородность относится к изменчивости так же, как проявление процесса (его сечение на некоторый момент времени) к самому процессу. Она условно неподвижна в отношении как самих свойств и структуры геологического объекта, так и границ однородных по некоторым признакам объемов литосферы. Неоднородность выявляют путем сопоставления элементов множества в отношении некоторого свойства, установления мер сходства и связи между элементами. Если элементы неразличимы по изучаемому свойству (меры сходства высокие), то объект считают однородным. Если меры сходства низкие, а характер мер связей элементов различен, то объект по изучаемому свойству неоднороден. Исследование неоднородности некоторого объекта предполагает выполнение следующих операций: разделение объекта на сравниваемые части (элементы множества); измерение значений некоторого показателя свойств на каждом элементе множества или выявление признака, по которому оценивают неоднородность; нахождение мер сходства и связей между элементами. При оценке неоднородности исследуемый объем литосферы считают однородным в отношении какого-либо геологического параметра, если его функция, заданная на множестве, или функция меры связи не изменяется при некоторой группе преобразований (например, при преобразованиях смещения, при отражении в самой себе).

Неоднородность литосферы проявляется на разных уровнях ее организации, причем каждому из них отвечает свой уровень неоднородности. Например, можно рассматривать неоднородность литосферы, обусловленную принадлежностью ее различных частей к разным формациям, формационную, генетическую, минерального и гранулометрического состава пород, химического состава подземных вод, свойств грунтов.

Выявление неоднородности всегда сопровождает процедуру классифицирования геологических объектов. Классификация обычно представляет собой иерархическую систему признаков-оснований, в которой таксономические единицы отвечают классам геологических объектов, однородных в некоторых отношении. Классифицирование объектов в конечном итоге сводится к проверке их однородности по свойствам-основаниям классификации.

Пространственно-временная изменчивость литосферы и ее приповерхностной части, взаимодействующей с орудиями и продуктами человеческого труда - геологической среды, всегда отмечается по изменению некоторых признаков или свойств, характеризующих ее вещество или структуру (пространственные отношения компонентов). Эти признаки и их изменение в пространстве или в разные моменты времени можно описать на словах (содержательно, качественно), представить в графической форме (карты, разрезы, колонки, схемы взаимоотношений), выразить аналитически в форме уравнений. В последнем случае описание пространственно временной изменчивости предполагает операции с геологическими параметрами, в виде которых можно представить любой признак литосферы. Геологический параметр - количественная мера любого качества (набора качеств) какого-либо компонента литосферы или его вероятности, или отношений качеств, характеризующих структуру литосферы. Каждой точке пространства внутри некоторого объема литосферы отвечают разнообразные ее свойства и, следовательно, любой точке геологического пространства можно поставить в соответствие некоторый геологический параметр (набор параметров).

В результате получим геометрическое место точек, каждой из которых отвечает какой-либо, но везде один и тот же, геологический параметр или определенный набор геологических параметров (вектор). Все значения геологических параметров строго фиксированы по координатам пространства-времени, и их нельзя менять местами. В пределах исследуемого объема геологического пространства они, следовательно, представляют собой пространственно-временные композиции геологических параметров (наборов геологических параметров).

Под композицией следует понимать упорядоченную в пространственно-временном или в пространственном, или только во временном отношениях совокупность бесконечного или конечного числа объектов любой произвольной, но одной и той же фиксированной природы. Композицию называют неоднородной, если ее элементы есть функции аргументов пространства-времени.

Композицию следует считать однородной в пространстве или однородной (статической) во времени, если признаки, характеризующие ее элементы, не зависят от координат пространства или от времени. Однородная в пространственно-временном отношении композиция является множеством. Различают одномерные (только пространственные или только временные), двух-, трех- и четырехмерные композиции. Число признаков, поставленных в соответствие элементу композиции, позволяет выделить одно-, двух-, многокомпонентные композиции.

Композиции, элементы которых представлены геологическими параметрами, называют геологическими. В результате оценки (измерения) геологического параметра р пределах некоторого геологического тела получают конечную пространственную (или пространственно-временную) геологическую композицию. Ее называют реализацией поля геологического параметра. Реальные геологические композиции - пространственно-временные, бесконечные, многокомпонентные.

Характер изменения элементов геологической композиции.

Бесконечная пространственно-временная композиция векторов, каждый из которых представляет собой набор геологических параметров – компонентов инженерно-геологических условий, полностью описывает пространство - время любого геологического объекта изучаемого в инженерно-геологических целях. Характер изменения элементов геологической композиции в пространстве и во времени отражает происхождение и историю развития геологического тела. В целом в пространстве - времени геологического тела структура композиции не случайна - она имеет геологическую природу и отражает процессы литогенеза и другие геологические процессы Закономерности пространственно-временной изменчивости геологического параметра можно описать при помощи функции параметра по координатам пространства и по времени. Таким образом, в определении поля геологического параметра должны найти отражение два существенных момента: поле геологического параметра отвечает фиксированной области геологического пространства; в пределах этой области свойства литосферы подчиняются некоторым пространственно-временным закономерностям, отражающим процесс геологического развития. С учетом перечисленного можно дать следующее определение: полем геологического параметра называется область геологического пространства, для которого существует функция геологического параметра. В этом случае поле геологического параметра будет представлено функцией вероятности качества во всем пространстве геологического тела.

Теория пространственно-временной изменчивости геологических параметров, являющаяся аксиоматической, опирается на следующие аксиомы.

Литосфера, ее вещество, структура и свойства представляют собой продукт функционирования природной динамической системы, проявляющейся во взаимодействии ее компонентов, обусловленном их физическими полями.

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о бане

Статьи по пеноблоку,пенобетону,пенобетонным блокам

Статьи pp-budpostach.com.ua Статьи по бетону

Статьи Все о заборах

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о крышах ( виды, материал, как лутше выбрать)

Статьи Все о Фундаменте

Статьи по газобетону ( газоблоку ), газобетонных блоков, газосиликатнных блоков

Новости, статьи, слухи, факты, разное и по чу-чуть

Статьи по кирпичу ( рядовому, лицевому,облицовочному,клинкерному, шамотному, силикатному,)