Расчет устойчивости откосов с учетом сейсмики

Расчет устойчивости откосов с учетом сейсмики

Оценка устойчивости склонов с применением метода глубокой диагностики в условиях повышенной сейсмичности района

Сибирский государственный университет путей сообщения

This work is devoted to the method of subgrade diagnostic with relation to the landslide slope stability assessment with considering the potential of seismic processes in the region.

Keywords: slope; landslide; stability; seismicity.

Эта работа посвящена использованию метода глубокой диагностики земляного полотна применительно к оценке состояния оползневого склона с учетом возможных сейсмических процессов в регионе.

Ключевые слова: склон; оползень; устойчивость; сейсмика.

Метод глубокой диагностики грунтовых массивов [1-8], разработанный в СГУПСе и успешно примененный при оценке состояния железнодорожных насыпей Западно-Сибирской железной дороги, получил также распространение при оценке устойчивости оползневых склонов горных массивов в пределах распространения проектируемого комплекса тоннелей на участке совмещенной автомобильной и железной дороги на участке «Адлер – Горноклиматический курорт “ Альпика-Сервис ”».

Необходимость детальной диагностики обусловлена значительными размерами оползневого склона – около 900 м в длину и 750 м в ширину, распространяющегося на участке строительства транспортного тоннеля. Склон рассечен двумя ярко выраженными тектоническими нарушениями в продольном направлении, а также пересечен многочисленными постоянными и временными водотоками, впадающими в левый приток реки Мзымты . Кроме того, верхняя часть склона имеет локальные очаги обводнения, что может привести к потере устойчивости грунтов склона вплоть до его обрушения.

Особенностью представленной работы являлись сложные условия строительства: сейсмичность района проектирования дороги составляет 9 баллов [9]. Учет сейсмического воздействия на устойчивость склона реализован путем задания горизонтальных ускорений согласно Рекомендациям по количественной оценке устойчивости оползневых склонов, разработанным ПНИИИС Госстроя СССР, рекомендованным к изданию решением инженерно-геологической секции НТС ПНИИИС Госстроя СССР [10]. Сейсмическим колебаниям силой 8 баллов соответствует горизонтальное ускорение величиной 0,05g, колебаниям силой 9 баллов – горизонтальное ускорение величиной 0,1g, где g = 9,81 м/с 2 – ускорение свободного падения.

Коэффициент запаса устойчивости склона вычислялся по методу « phi / c-reduction », основанном на пропорциональным уменьшении пары величин ( С, tg φ) во всем грунтовом массиве до их предельных или критических значений ( С крит , tg φ крит ), при которых происходит обрушение [11].

Форма поверхности обрушения определяется в результате расчета поля сдвиговых деформациий , а величина коэффициент запаса определяется по формуле (1):

На рассматриваемом участке было исследовано 5 сечений, по каждому из которых по результатам геофизических изысканий были построены поля прочностных и деформационных характеристик грунта.

Для анализа устойчивости склона использовались следующие характеристики процесса деформирования:

— распределение модуля вектора смещений в продольном сечении склона;

— распределение проекции вектора смещений на горизонтальную и вертикальную координатные оси в продольном сечении склона;

— распределение интенсивности сдвиговых деформаций в продольном сечении склона.

В результате расчетов были получены коэффициенты запаса для каждого из выделенных сечений оползневого участка при отсутствии сейсмического воздействия, а также с учетом сейсмического воздействия силой 8 и 9 баллов.

На рисунке 1 приведены поля полных перемещений покрывающих склон пород в сечении при критических значениях их прочностных характеристик в статике и с учетом сейсмической активности силой 9 баллов.

Рис. 1. Поля полных перемещений грунта по сечению I — I при: а) отсутствии сейсмического воздействия; б) сейсмическом воздействии силой 9 баллов

Результаты расчета напряженно-деформированного состояния склона по пяти сечениям сведены в таблицу 1 с графическим представлением данных на рисунке 2.

Результаты анализа напряженно-деформированного состояния склона

Приложение 2 (обязательное). Указания по расчетам и конструированию земляного полотна

Указания по расчетам и конструированию земляного полотна

1. При индивидуальном проектировании земляного полотна оптимизация размеров и типов конструктивных элементов, обеспечивающих прочность основной площадки, устойчивость откосов, допустимые размеры осадок, сохранение заданной геометрии сооружения, производится на основании расчетов и выбирается на основании сравнения альтернативных строительных и эксплуатационных мероприятий по их обеспечению.

Методы расчетов принимаются по данным опыта проектирования и рекомендации научных исследований. Строительные и эксплуатационные мероприятия назначаются по ведомственным нормативным документам и методическим рекомендациям и могут включать технические (армирование, укрепление грунтов, защитные элементы) и технологические решения (регламенты отсыпки и разработки грунтов, уплотнение, сезонность работ).

2. Требования к уплотнению грунтов.

Требуемую в земляном полотне для песчаных и глинистых грунтов минимальную плотность сухого грунта следует определять по формуле:

где — максимальная плотность сухого грунта, , определяемая по методу стандартного уплотнения (ГОСТ 22733-77);

K — минимальный коэффициент уплотнения, принимаемый по табл. П.2.1.

Вид земляного полотна

Глубина расположения слоя от основной площадки в м, для линий

Коэффициент K для линий***

I, II категорий и дополнительных главных путей

I, II категорий и дополнительных главных путей

Выемки, основания насыпей высотой до 0.5 м

* Для насыпей из однородных песков.

** На участках с сильно пересеченным рельефом, на участках периодического подтопления насыпей, а также в пределах участков длиной до 100 м на подходах к мостам.

*** Для подъездных путей минимальное значение коэффициента уплотнения устанавливается равным 0.90 по всей высоте насыпи.

При этом необходимо проверять пригодность грунта карьера (резерва) по условиям его влажности.

Для скоростных и особогрузонапряженных линий коэффициент уплотнения назначается для верхнего полуметрового слоя под основной площадкой 1.03, для нижележащих 0.98-1.0.

Уменьшение коэффициента уплотнения по сравнению с нормами, приведенными в таблице, допускается в случаях невозможности или нецелесообразности их достижения (при наличии грунтов повышенной влажности или грунтов малой влажности в засушливых зонах).

3. Расчет устойчивости земляного полотна.

Оценку общей устойчивости земляного полотна (насыпей и откосов выемок) рекомендуется осуществлять по первому предельному состоянию — несущей способности (по условиям предельного равновесия).

Устойчивость откосов должна быть проверена по возможным поверхностям сдвига (круглоцилиндрической или по другим, в том числе ломаным поверхностям) с нахождением наиболее опасной призмы обрушения, характеризуемой минимальным отношением обобщенных предельных реактивных сил сопротивления к активным сдвигающим силам.

Критерием устойчивости земляных массивов является соблюдение (для наиболее опасной призмы обрушения) неравенства:

где — коэффициент сочетания нагрузок, учитывающий уменьшение вероятности одновременного появления расчетных нагрузок;

Т — расчетное значение обобщенной активной сдвигающей силы;

— коэффициент условий работы;

— коэффициент надежности по назначению сооружения (коэффициент ответственности сооружения);

R — расчетное значение обобщенной силы предельного сопротивления сдвигу, определенное с учетом коэффициента надежности по грунтам (коэффициента безопасности по грунтам).

Расчетные значения Т и R определяются с учетом коэффициента надежности по нагрузке (коэффициента перегрузки). Учет коэффициента надежности по нагрузке осуществляется путем умножения на него всех действующих сил (в том числе веса призмы обрушения или ее отсеков). Сейсмические нагрузки следует принимать с коэффициентом надежности по нагрузке , равным единице.

Значение коэффициента принимается при расчете устойчивости откосов выемок равным 1.1, а при расчете устойчивости насыпей 1.15.

В тех случаях, когда ухудшение устойчивости может произойти за счет уменьшения действующих сил, следует принимать .

Значения коэффициента надежности по грунтам ( ) устанавливаются в соответствии с указаниями СНиП 2.02.01-83, а также ГОСТ 20522-75.

Учет коэффициента надежности по грунтам осуществляется путем деления нормативных значений прочностных характеристик грунтов (удельного сцепления, угла внутреннего трения) на величину коэффициента надежности, устанавливаемую в зависимости от изменчивости этих характеристик, числа определений и значения доверительной вероятности, принимаемой .

Численные значения коэффициентов , , приведены в таблицах П.2.2-П.2.4.

Расчет устойчивости откосов с учетом сейсмики

ОБОСНОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЗАПАСА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

А.1 Коэффициенты запаса
При проектировании размеры земляного полотна определяются исходя из обеспечения его общей и местной устойчивости.
Устойчивость откосов определяется путем сопоставления значений расчетных коэффициентов запаса (устойчивости) Ks с допускаемым коэффициентом запаса (устойчивости) [Ks] в соответствие с требованиями СП 32-104-98 [2].
Должно выполняться условие

Величина допускаемого значения критерия устойчивости [Кs], рассчитывается в соответствии с СП 32-104-98 [2] как

где «гамма» — коэффициент сочетания нагрузок, учитывающий уменьшение
fc
вероятности одновременного появления расчетных нагрузок: для основного
сочетания «гамма» = 1.00, для особого сочетания (сейсмика) «гамма» = 0.90;
fc fc
«гамма» — коэффициент условий работы: при использовании методов расчета
c
удовлетворяющим условиям равновесия «гамма» = 1.00, при использовании
c
упрощенных методов расчета «гамма» = 0.95;
c
«гамма» — коэффициент надежности по назначению сооружения (коэффициент
n
ответственности сооружения): для I категории линии «гамма» = 1.25.
n
Таким образом, величина допускаемого значения критерия устойчивости [Ks] составит для обычных условий для основного сочетания нагрузок (без учета сейсмического воздействия):
— при использовании методов расчета удовлетворяющим условиям равновесия
— при использовании упрощенных методов расчета
1.20 * 1.00
[Кs] = ———— = 1.25
1.00
Значения расчетных коэффициентов устойчивости Ks, при соответствующих значениях коэффициента надежности по назначению сооружения, коэффициента сочетании нагрузок для обычных условий для основного сочетания нагрузок (без учета сейсмического воздействия), коэффициента условий работы (в зависимости от принятой расчетной модели) должны иметь значения не менее чем — 1,25. 1.32.
1.25 * 1.00
[Кs] = ———— = 1.32
0.95
В расчетах необходимо учитывать вероятность возникновения сейсмических воздействий при строительстве и эксплуатации земляного полотна в соответствии с требованиями СП 32-104-98 [2].
Для оценки воздействия землетрясений на объекты с расчетной сейсмичностью 7 и более баллов расчеты устойчивости откосов следует выполнять с учетом сейсмической силы, прикладываемой к призме обрушения (или ее отсекам), определяемой по формуле СП 32-104-98 [2]:

где Kc — коэффициент сейсмичности, равный 0,025, 0,05, 0,10 — соответственно для интенсивности расчетного сейсмического воздействия 7,8 и 9 баллов [7];
G — вес призмы обрушения (или ее отсеков) с учетом коэффициента надежности
по нагрузке «гамма» .
f
Сейсмические нагрузки следует принимать с коэффициентом надежности по
нагрузке «гамма» равным единице [7, 23].
f
Значения коэффициента «гамма» принимаются при расчете устойчивости откосов
f
высотой более 3 м для выемок равным 1,1, а при расчете устойчивости насыпей —
1,15 [7].
Угол наклона вектора сейсмичности силы к горизонту принимается наиневыгоднейшим для устойчивости — обычно параллельно поверхности смещения призмы (или ее отсеков).
Величина допускаемого значения критерия устойчивости [Ks] для особых условий — с учетом сейсмического воздействия составит:
— при использовании методов расчета удовлетворяющим условиям равновесия

— при использовании упрощенных методов расчета

Значения расчетных коэффициентов устойчивости Ks, при соответствующих значениях коэффициента надежности по назначению сооружения, коэффициента сочетании нагрузок для особых условий (с учетом сейсмического воздействия), коэффициента условий работы (в зависимости от принятой расчетной модели) должны иметь значения не менее чем — 1,13. 1.18.
При проектировании земляного полотна с применением армогрунтовых конструкций для определения наиболее неблагоприятных условий эксплуатации объектов и оценки их эксплуатационной надежности (устойчивости) следует проводить расчеты коэффициентов устойчивости Ks для двух состояний земляного полотна:
1. для обычных условий, которые характеризуются допускаемыми значениями коэффициентов устойчивости [Ks] = 1.25. 1.32,
2. для особых условий (с учетом сейсмического воздействия), которые характеризуются допускаемыми значениями коэффициентов устойчивости [Ks] = 1.13. 1.18.
Путем сопоставления, соответствующих этим состояниям, расчетных значений коэффициентов устойчивости Ks с допускаемыми значениями коэффициентов устойчивости [Ks] и анализа полученных результатов, производится выбор наихудшего состояния объекта по условиям обеспечения его устойчивости в процессе эксплуатации. Для этих условий в дальнейшем, выполняется проектирование и разработка технических решений по сооружению земляного полотна с применением армогрунтовых конструкций.

Оползневая устойчивость лессовых склонов и откосов при сейсмических воздействиях (стр. 4 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5

(9)

Прочность грунта, отвечающая заданному состоянию плотности – влажности, при отсутствии пригрузки по склону в условиях колебания с ускорением ac представляется в виде:

(10)

Условием устойчивости склона при предельном его угле наклона, в соответствии с предлагаемым методом, является: , что дает возможность представить коэффициент запаса устойчивости грунта в любой точке толщи склона при его колебании следующим образом:

(11)

Выражение (11) для некоторого частного случая в графической форме представлено на рис.2 и рис.3. Формулы (3) и (11) составляют основу предлагаемого метода сейсмоустойчивого склона, по которым, при всех прочих условиях, можно определить устойчивость откоса и коэффициент запаса устойчивости, с учетом частичного допущения перехода грунтов, слагающих склон в разжиженное состояние. Очевидно, что разжиженная зона в откосе должна компенсироваться путем использования того или иного противооползневого мероприятия.

Рассмотрено так же обеспечение сейсмической устойчивости склона путем пригрузки откоса. Вследствие многообразия природных условий, обуславливающих оползневые явления, мероприятия по борьбе с оползнями могут быть весьма различны. Применяемые на практике противооползневые мероприятия несмотря дорогую стоимость не всегда дают должный эффект. Объясняется это обстоятельство, как было отмечено выше, малой изученностью причин возникновения оползней, причем мероприятия по укреплению оползневой зоны проектируется без проверки их геотехническими расчетами.

Рис.2. Зависимость коэффициента

запаса от ускорения колебания грунта для его разной пористости

Рис.3. Зависимость коэффициента

запаса от устойчивости склона от угла внутреннего трения грунта

При этом условии, разработка новых, или всестороннее обоснование ранее предложенных противооползневых мероприятий, направленных на обеспечение устойчивости склонов, способных отразить эти обстоятельства всегда оставалась актуальной.

Предлагаемый автором способ укрепления склона путем пригрузки его поверхности, в качестве противооползневого мероприятия, основан на положительном влиянии внешней пригрузки в обеспечение устойчивости грунтовых масс против ее разжижения.

Учитывая, что минимальный коэффициент запаса Кзап в сейсмически устойчивом склоне должен быть равен единице, то, решив выражение 11 относительно pn (при Кзап=1), получено значение нормальных напряжений, создающих пригрузку для обеспечения динамической устойчивости рассматриваемого грунта в виде:

(12)

При этом толщина пригрузочного слоя по склону с учетом влияния динамического напора в толще определяется в виде:

(13)

Расчеты, произведенные с использованием формул (11-13) показывают достаточно хорошую сходимость между расчетом и натурным наблюдением оползневых явлений.

1. Анализ современного состояния вопроса устойчивости природных склонов и откосов показывает, что несмотря на большой объем научных работ, посвященных изучению причин и условий образования оползневых явлений в них, проблема возникновения оползневых явлений, вследствие разжижения лессовых грунтов все же остается далекой от окончательного решения. Устойчивость лессовых грунтов в толще откоса, при сейсмическом воздействии, нарушается не во всех случаях и с разной степенью интенсивности, в зависимости от значения критического ускорения акр. При этом, наряду с интенсивностью самого сейсмического воздействия, оказывает существенное влияние на процесс и природное состояние плотности-влажности грунтов с накопленным напряженным состоянием.

2. Предложена формула для определения величины критического ускорения – критерия динамической устойчивости частиц в толще грунта, имеющего наклонную поверхность. Величина критического ускорения грунта в случаях с наклонной поверхностью будет всегда меньше его значения при горизонтальной поверхности. Это уменьшение возрастает по мере увеличения интенсивности сейсмического воздействия. Вместе с тем зависит от прочностных характеристик грунта (j, c), по мере повышения которых его значение увеличивается, что означает возможность обеспечения устойчивости любого склона путем повышения прочностных характеристик слагающего толщу грунта.

3. При решении задач, связанных с оползневым явлением, в результате разжижения грунтовых масс, при сейсмическом воздействии на склоны или откосы приобретает особое значение при установлении на тот или иной момент времени (соответствующей длительности сейсмического воздействия) величины разжижаемой зоны, в пределах которой произойдет смещение грунтовой массы. Для определения величины этой зоны L предложено выражение, в соответствии с которым основными факторами, влияющими на процесс являются сейсмическое напряжение , нормальные напряжения(s) от веса пригрузочного слоя откоса и сцепление между частицами грунта (c1,v). Существует сложная зависимость между критическим ускорением акр и мощностью толщи (высотой склона), которая связана с условиями возникновения в толще динамического напора hz и его взвешивающим воздействием (gв,hz), характером сейсмических колебаний (по амплитуде А, частоте f, периоду Т), свойством и состоянием грунтовых условий (плотность — влажность, фильтрационная способность кф) и т. п. Любое увеличение толщи грунта, подвергаемого сотрясению, приводит к снижению критического ускорения акр.

4. Между разжижаемой зоной и мощностью толщи L = f (H) существует линейная связь. Вместе с тем, зона разжижения и ее величина в начальный момент воздействия динамической нагрузки прямым образом связана с критическим ускорением акр. Это также свидетельствует о том, что увеличение высоты склона уменьшает свойственное нему критического ускорения, т. к. последнее линейно связано с разжижаемой зоной L. Динамический напор hz является одной из главных причин образования оползневого явления в увлажненных лессовых склонах и откосах во время землетрясений. Он возникает в пределах толщи, где нарушена динамическим воздействием структура грунта (активная зона), в процессе уплотнения грунтовых частиц. Причем значение hz наряду с другими факторами зависит от толщины активной зоны и фильтрационной способности грунта.

5. Предложен «метод сейсмоустойчивого откоса», позволяющий прогнозировать устойчивость склонов и откосов при воздействии на них сейсмических колебаний. Он прост, учитывает внутренние (g,j,,с,kф) и внешние (tс,ас) факторы, воздействующие на толщу и удобен для практического пользования. В качестве противооползневого мероприятия предложен способ укрепления склона путем нагружения его поверхности внешней пригрузкой. Даны формулы для определения значения нормальных напряжений pn, создающих требуемую пригрузку на сейсмоустойчивый склон и высоту пригрузочного слоя в условиях обеспеченности акр > аc из условий: не допущения образование зоны разжижения ни в каких частях склона, или же допущения этой зоны, за счет компенсации ее весом пригрузки.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. , Садыков тўғонлар сиртини қўшимча юклаш ёрдамида зилзилабардошлигини ошириш. //Проблемы сейсмологии в Узбекистане: Материалы Международной Конференции.- Ташкент, 2008. -№5. — С. 210-212.

2. Садыков тезланиши ва тўғон мустаҳкамлиги.// Архитектура — Қурилиш фани ва давр.-Ташкент, 2008, ТАҚИ. – С.31-32.

3. , Садыков оползневой устойчивости лессовых склонов при сейсмических воздействиях.// Ж.: Проблемы архитектуры и строительства. – Самарканд: СамГАСИ, 2009.- №4.- С. 51-53.

4. , Садыков оползневых явлений в природных склонах т откосах. // Ж.: Архитектура. Строительство. Дизайн. – Ташкент: ТАСИ, 2009.- № 3-4. – С. 45-48.

5. Садыков исследования факторов, влияющих на критическое ускорение лессовых грунтов склона. // Ж.: Проблемы архитектуры и строительства. – Самарканд: СамГАСИ, 2010.- №1.- С. 10-14.

6. , Садиков оползневой устойчивости склонов из лессовых грунтов при сейсмических на них воздействиях.// ЎзМУ Хабарлари, 2011.- №2.- С.235-237.

7. Садыков сейсмической устойчивости откосов путем их пригрузки.// Ўзбекистон экологик ахборотномаси, 2011. – №5-6.-С.23-24.

Геология-минералогия фанлари номзоди илмий даражасига талабгор Садиков Адхам Хамдамовичнинг 04.00.07- «Мухандислик геологияси, музлоқшунослик ва заминшунослик» ихтисослиги бўйича «Лёссли қияликларнинг сейсмик куч таъсирида кўчкига нисбатан турғунлиги» мавзусидаги диссертациясининг

Р Е З Ю М Е С И

Таянч (энг муҳим) сўзлар: кўчки, қиялик, лёсс грунтлари, сейсмик таъсир, тебраниш, грунт, мустаҳкамлик, турғунлик, деформация, тезланиш, мувозанат тезланиши, ғоваклик, зичлик.

Тадқиқот объектлари: турли физик-механик хусусиятга эга бўлган лёсс грунтлардан ташкил топган хар-ҳил қияликлар.