Критерий оценки длительной устойчивости откосов грунтовых насыпей автотранспортных сооружений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Соловьев, Александр Владимирович

• Соловьев, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соловьев, Александр Владимирович

Введение

Глава I. Анализ современных методов расчета устойчивости грунтовых откосов и склонов

1.1. Расчетные методы первой группы.

1.1.1. Метод К. Терцаги [23;99;100].

1.1.2. Метод проф. Г.Н. Шахунянца

1.1.3.метод Маслова-Берера. (метод «Горизонтальных сил»)

1.1.4. Ускоренный метод проф. М.Н. Гольдштейна

1.1.5. Метод Б.М. Ломизе

1.1.6. Метод проф. А.Л. Можевитинова

1.1.7. Метод проф. P.P. Чугаева

1.2. Расчетные методы второй группы

1.2.1. Метод В.В. Соколовского

1.2.2. Метод равнопрочного откоса «F »

1.3. Расчетные методы третьей группы

1.3.1. Метод Ю.С. Козлова

1.3.2. Метод Никитина

1.3.3. Методы В.К. Цветкова и А.Н. Богомолова

1.4. Расчетные методы четвертой группы

1.4.1. Метод А.Г. Дорфмана

1.4.2. Метод У.Х. Магдеева

1.5. Выбор расчетного метода и постановка задачи 34 Выводы по главе I.

Глава II. Экспериментальная верификация программных продуктов, использованных при проведении исследования. 38 2.1. Физическое моделирование процессов разрушения моделей откосов

2.1.1. Лабораторная установка и оборудование

2.1.2. Последовательность проведения эксперимента

2.1.3. Результаты физического (модельного) эксперимента

2.4. Компьютерное (численное) моделирование и его результаты

2.5. Экспериментальное определение предельной высоты вертикального откоса

Выводы по главе II.

Глава III. Постановка задачи о критерии длительной устойчивости грунтового откоса

3.1. Определение областей предельного состояния грунта

3.2. О величине коэффициента запаса как о критерии, определяющем длительную устойчивость откоса

3.3. Новый критерий оценки длительной устойчивости откосов и его идеология

3.4. Экспериментальное обоснование идеологии нового критерия оценки длительной устойчивости грунтовых откосов

Выводы по главе III.

Глава IV. Определение количественного показателя критерия длительной устойчивости откосов дорожно-транспортных сооружений

4.1. Переменные параметры, определяющие возможность «перехода» точки грунтового массива в предельное состояние. Цель компьютерного моделирования

4.2. Параметры расчетных схем и вычислительная процедура при проведении компьютерного моделирования

4.3. Определение количественного показателя критерия оценки длительной устойчивости откосов насыпей автомобильных дорог и транспортных сооружений 87 4.4. Пример практического использования нового критерия оценки длительной устойчивости откосов

Выводы по главе IV.

Глава V. Использование методов геотехники для обеспечения длительной устойчивости существующих объектов.

Выводы по главе V.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Критерий оценки длительной устойчивости откосов грунтовых насыпей автотранспортных сооружений»

Актуальность темы диссертационной работы. В начале 2001 года Правительством Российской Федерации была утверждена Федеральная целевая Программа «Модернизация транспортной системы России» на 2002-2010 годы, неотъемлемой частью которой является подпрограмма «Автомобильные дороги». Обеспечение долговечности и надежности объектов дорожного хозяйства и оптимизации стоимости дорожных работ за счет применения прогрессивных технологий, конструкций, материалов, дорожной техники, современных методов организации дорожных работ, информационных технологий является одной из основных задач программы. На 2002 - 2010 годы предусматривается увеличение объемов строительства и реконструкции автомобильных дорог до 11000км, а их общая протяженность достигнет 50000км.

Поэтому задача о разработке надежного критерия оценки длительной устойчивости откосов грунтовых насыпей дорожного полотна и других транспортных сооружений является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка нового критерия оценки длительной устойчивости откосов однородной грунтовой насыпи дорожного полотна и других транспортных сооружений на основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Обосновать необходимость разработки нового критерия длительной устойчивости однородной грунтовой насыпи дорожного полотна и других транспортных сооружений на основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива.

2. Провести верификацию компьютерных программных продуктов, которые будут использоваться при теоретических исследованиях.

3. Обосновать и ограничить пределы изменения параметров, оказывающих влияние на длительную устойчивость насыпи автомобильной дороги. Составить и отработать расчетные схемы.

4. Провести компьютерное моделирование процесса образования областей предельного состояния в однородной грунтовой насыпи. Построить зависимости размеров областей пластических деформаций от физико-механических свойств грунта насыпи и ее геометрических параметров. Построить зависимости, позволяющие определять такие физико-механические свойства грунтов, когда в теле насыпи отсутствуют области пластических деформаций.

5. Предложить и экспериментально обосновать новый критерий оценки длительной устойчивости откосов, качественным признаком которого, является отсутствие областей предельного состояния в грунтовом массиве, а количественным показателем - значение угла внутреннего трения ср, при котором этот признак присутствует. Методом компьютерного моделирования получить графические зависимости и их математические аппроксимации для отыскания величины количественного показателя предложенного критерия, а на его основе - предельно допустимой высоты откоса и оптимальной комбинации значений физико-механических свойств грунта и геометрических параметров откоса исходя из требований проектного задания, при которых будет обеспечена длительная устойчивость грунтового сооружения.

6. Провести примеры использования разработанного критерия для обеспечения длительной устойчивости откосов на основе управления напряженно-деформированным состоянием грунтового массива в результате проведения геотехнических мероприятий.

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлены:

1. Теоретическим предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории функций комплексного переменного, теории упругости, пластичности, механики грунтов и инженерной геологии.

2. Использованием верифицированных компьютерных программных продуктов при проведении теоретических исследований.

3. Удовлетворительной сходимостью результатов моделирования процесса разрушения моделей грунтовых насыпей с результатами теоретических исследований.

Научная новизна диссертационной работы:

1. В предлагаемой диссертационной работе может быть в одной из первых предложен новый критерий оценки длительной устойчивости грунтовых откосов, разработанный на основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива и процесса зарождения областей предельного состояния грунта.

2. Получены новые экспериментальные данные по разрушению моделей вертикальных откосов при имитации образования областей предельного состояния грунта, подтверждающие правомочность заложенной в новом критерии идеологии.

3. Получены формулы и графики для отыскания величины количественного показателя предложенного критерия, что позволяет определить оптимальную комбинацию значений физико-механических свойств грунта и геометрических параметров откоса исходя из требований проектного задания, при которых будет обеспечена длительная устойчивость грунтового сооружения.

4. Теоретически показано, что обеспечить длительную устойчивость грунтового откоса - это значит, применяя различные методы и приемы геотехники, исключить внешние и внутренние причины образования в приоткосной зоне областей предельного состояния грунта. Отсутствие в грунтовом массиве областей предельного состояния грунта гарантирует длительную и безопасную эксплуатацию откосов насыпей автомобильных дорог и транспортных сооружений.

Практическая значимость работы. Диссертационная работа является частью научных исследований, проведенных на кафедрах: «Проектирование автомобильных дорог», «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ в 2007-2009 гг. и «Строительные конструкции, основания и фундаменты» ТюмГАСУ в 2003-2009 гг.

Результаты, полученные в процессе работы над диссертацией могут быть использованы для:

- оценки длительной устойчивости откосов насыпей земляного полотна и других строящихся и эксплуатируемых транспортных сооружений;

- прогноза изменения степени надежности и устойчивости насыпи вследствие влияния природных и техногенных факторов на физико-механические свойства грунта;

- оценки надежности грунтовых транспортных сооружений при их ремонте и реконструкции;

- проведения учебных занятий (курсового и дипломного проектирования) на соответствующих кафедрах строительных и дорожных вузов.

Апробация работы. Основные научные результаты, полученные при работе над диссертацией, докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах ежегодных научно-технических конференций ТюмГАСУ (2004-2005гг) и ВолгГАСУ (2007-2009гг.); ежегодной научно-технической конференции СПбГАСУ (2009г.); V Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2009г.); IV Международной научно-технической конференции «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2008г.); Волгоградском центре научно-технической информации (2007-2009гг.); Международной конференции «Развитие идей М.И.Агашкова в области оценки и рационального освоения месторождений полезных ископаемых» (Москва, РАН, 2008г.); на годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии в рамках научной конференции «Моделирование при решении геоэкологических задач» (Москва, 2009г.), на научно-методических семинарах кафедр «Гидротехнические и земляные сооружения» и «Проектирование автомобильных дорог» ВолгГАСУ (2002-2007гг.).

Личный вклад автора заключается в:

- анализе методов оценки устойчивости грунтовых откосов и обосновании необходимости разработки нового критерия;

- разработке идеологии нового критерия оценки длительной устойчивости грунтовых откосов, определении его качественного признака и количественного показателя; проведении компьютерного моделирования процесса зарождения областей предельного состояния грунта при различных значениях физико-механических свойств и геометрических параметров массива;

- проведение экспериментальных исследований на моделях, сопоставительных расчетов, обработке и анализе их результатов.

На защиту выносятся:

1. Новый критерий оценки длительной устойчивости насыпей автомобильных дорог и других транспортных сооружений, его идеология, качественный признак и количественный показатель.

2. Графические зависимости и формулы, позволяющие определить численное значение количественного показателя предлагаемого критерия.

3. Результаты компьютерного моделирования процессов зарождения областей предельного состояния грунта и разрушения вертикальных откосов при имитации образования и развития областей предельного состояния грунта (ОПСГ).

4. Выявленные закономерности процесса зарождения областей предельного состояния грунта.

5. Результаты внедрения рекомендаций диссертационной работы.

Результаты научных исследований внедрены при проектировании автомобильных дорог проектно-исследовательским институтом "Тюменьдорпроект". Экономический эффект составил 60 тыс. рублей на один километр насыпи дорожного полотна.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 15 научных статьях, 4 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений общим объемом 141 страница, включает в себя 50 рисунков и 8 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Соловьев, Александр Владимирович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Использование аналитического решения первой краевой задачи теории упругости для полуплоскости (А.Н.Богомолов, 1996) и процедуры МКЭ для определения полей напряжений в однородных и неоднородных откосах, а также методики построения наиболее вероятной поверхности разрушения и вычисления величины коэффициента запаса устойчивости (В.К.Цветков, 1968) позволяет исключить подавляющее большинство недостатков, присущих расчетным методам всех четырех групп при определении кратковременной устойчивости откосов грунтовых насыпей. Однако, численное значение величины коэффициента запаса устойчивости откоса не может использоваться в качестве количественного показателя критерия его длительной устойчивости.

2. Для проведения теоретических исследований использованы программные продукты, разработанные в ВолгГАСУ и ТюмГАСУ, которые прошли верификацию, основанную на сопоставление экспериментально полученных данных и результатов расчетов при помощи этих программ.

3. Для надежного прогнозирования длительной устойчивости откосов и склонов необходимо разработать критерий безопасной длительной эксплуатации грунтового сооружения, который базируется на результатах анализа напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов и. характеризуется качественным признаком и количественным показателем. Последние определяют безопасность (устойчивость) сооружений и безопасность окружающей среды при различных режимах и условиях эксплуатации, технического обслуживания и ремонта, ввода и вывода сооружения из эксплуатации.

4. Предлагается новый критерий, качественным признаком которого является отсутствие областей предельного состояния в грунтовом массиве, а количественным показателем — значение угла внутреннего трения грунта ср (при всех прочих равных условиях), когда этот признак присутствует. Результаты лабораторных экспериментов по разрушению моделей вертикальных откосов путем имитации образования областей предельного состояния грунта нашли свое полное теоретическое подтверждение: расчетное значение глубины имитационной щели соответствует состоянию перехода модели откоса в запредельное состояние; положение, размеры и форма призм обрушения, полученных теоретическим и опытным путем практически совпадают; реализованная поверхность скольжения соответствует границе ОПСГ. Поэтому можно утверждать, что предложенный новый критерий оценки длительной устойчивости откосов грунтовых насыпей автомобильных дорог и транспортных сооружений отвечает заложенной в него идеологии и может быть рекомендован для практического использования.

5. Определен перечень и диапазон изменения переменных параметров, определяющих величину количественного показателя нового критерия оценки длительной устойчивости откосов и склонов. Составлена и реализована вычислительная процедура, позволившая получить графические зависимости и соответствующие математические аппроксимации для отыскания величины количественного показателя предложенного критерия.

6. Максимально допустимая высота откоса, имеющего проектные геометрические параметры, сложенного грунтом с заданными физико-механическими свойствами, определяется обратным расчетом, исходя из условия равенства величин проектного и расчетного приведенного давления связности, которое определяется на основе количественного показателя предложенного критерия. Этот подход позволяет определить оптимальную комбинацию значений физико-механических свойств грунта и геометрических параметров откоса исходя из требований проектного задания, при которых не будут возникать области предельного состояния грунта, т.е. будет обеспечена длительная устойчивость грунтового сооружения.

7. Обеспечить длительную устойчивость грунтового откоса - это значит, применяя различные методы и приемы геотехники, исключить внешние и внутренние причины образования в приоткосной зоне областей предельного состояния грунта. Отсутствие в грунтовом массиве областей предельного состояния грунта гарантирует длительную и безопасную эксплуатацию откосов насыпей автомобильных дорог и транспортных сооружений.

8. Перечень геотехнических мероприятий, позволяющих обеспечить длительную устойчивость откосов, очень широк, по этому выбор того или иного из них должен осуществляться в каждом конкретном случае, опираясь на результаты расчетов устойчивости подкрепленных откосов, методами, основанными на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива.