Учет реологических свойств грунтов при стабилизации оползневых участков земляного полотна автомобильных дорог свайными конструкциями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Насер Абдельрахман Эльхуссейн

• Насер Абдельрахман Эльхуссейн
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Насер Абдельрахман Эльхуссейн

Введение —

1 .Состояние вопроса

1.1 .Опыт применения свайных противооползневых конструкций--------————————

1.2.Основы расчета и проектирования свайных конструкций

1.3. Технология строительства свайных противооползневых конструкций

1.4. Опыт применения свайных конструкций их экономическая эффективность, существующие недостатки, постановка задач исследований

2. Теорети ч еский анализ условий и особенностей взаимодействия свайной удерживающей конструкции и оползневого массива-------------------------------------——

2.1. Прочностные и геологические свойства глинистых грунтов-----------------------------—

2.1.1. Сопротивляемость грунта сдвигу

2.1.2. Реологические свойства глинистых грунтов

2.2. Методы оценки устойчивости оползневых склонов и прогноза их ползучести

2.3. Теоретический анализ условий работы и эффективности свайной конструкции

2.3.1. При расчете устойчивости оползневого склона по первому предельному состоянию

2.3.1.1. Принцип назначения места расположения свайной конструкции

2.3.1.2. Критерии оценки величины оползневого давления на свайную конструкцию

2.3.2. При прогнозе устойчивости оползневого склона по второму предельному состоянию по дефомируемости)

2.3.2.1. Оползневое давление на одиночную сваю грунтов пластичной разновидности

2.3.2.2. Оползневое давление на одиночную сваю грунтов скрыто-пластичной разновидности

2.4. Прогноз влияния свайной конструкции на процесс ползучести оползневого массива

2.5. Изучение особенностей процесса вязкого обтекания свайной конструкции глинистым грунтом

2.5.1. Исходные предпосылки

2.5.2. Обоснование параметров численного моделирования

2.5.3. Результаты численного моделирования процессов вязкого обтекания грунтом свайной конструкции

3. Анализ прогноза стабилизации реальных объектов автомобильных дорог с помощью свайной конструкции

3.1. Инженерно-геологическая характеристика первого оползневого участка

3.2. Оценка особенностей и величины оползневого давления на первом участке

3.3. Инженерно-геологические характеристики второго оползневого участка

3 АРасчетная схема и результаты расчетов

3.5.Методические рекомендации по рациональному размещению свайной удерживающей конструкции на оползневом массиве и оценке величины оползневого давления

4.0бщие выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Учет реологических свойств грунтов при стабилизации оползневых участков земляного полотна автомобильных дорог свайными конструкциями»

Проектирование и строительство автомобильных дорог в горной и сильно пересеченной местности обычно связано с необходимостью обеспечения общей устойчивости участков земляного полотна, располагаемых на оползневых природных или потенциально опасных с этой точки зрения склонах. Приблизительно с 1970г в практику дорожного строительства начали активно внедряться свайные противооползневые удерживающие конструкции. Именно с помощью мощных буронабивных свай, как основного элемента удерживающих конструкций, удалось в тот период обеспечить устойчивость значительного количества участков автомобильной дороги Алушта-Ялта -Севастополь, а также успешно реконструировать автомобильную дорогу на Черноморском побережье Кавказа, обеспечив устойчивость верховых откосов выемок.

Вместе с тем в ряде случаев эффективность конструкции оказывались недостаточной и наблюдалось либо их разрушение из-за перегрузки оползневым давлением , либо только незначительное снижение скорости и интенсивности оползневого процесса.

Анализ инженерно-геологических условий, в которых применялись данные конструкции, показывает что при их расчете в недостаточной степени учитывались реологические особенности оползневых масс груша и условия их взаимодействия со свайной конструкцией, что существенно влияет на характер и величину расчетного оползневого давления, воспринимаемого удерживающей конструкцией и степень её эффективности.

Научная новизна работы состоит в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований: выявленье условия рационального размещения свайной конструкции на оползневом массиве, исключающие возможность развития оползневых смещений ниже по склону и её обнажения; установлены величина и характер оползневого давления на свайную конструкцию применительно к условиям проявления вязкого и вязко-пластичного течения оползневого массива; выявлены условия, при которых свайная конструкция не нарушает сплошности оползневого массива, что позволяет полностью сохранить удерживающий эффект всех ниже расположенных частей оползневого массива; изучены основные закономерности затухания скорости оползневого смещения после устройства свайной конструкции в зависимости от её геометрических параметров, свойств грунта, массы и начальной скорости смещения оползневого массива.

Практическая ценность работы заключается в возможности повышения эффективности свайной противооползневой конструкции за счет : 1.рацеонального её размещения на оползневом склоне; 2.более обоснованного оценки величины оползневого давления;

3.возможности прогноза конечной (установившейся) скорости смещения оползневых масс и времени её достижения;

4.назначения необходимого числа свай в конструкции и их параметров с учетом реологических свойств грунтов.

Апробация работы. В процессе выполнения данной диссертационной работы её основные этапы и результаты на заседаниях кафедры инженерной геологии и геотехники и на научно-исследовательских конференциях МАДИ(ТУ).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав и общих выводов. Основной текст диссертации содержит 160 стр. печатного текста, 49 рисунков и 8 таблиц. Баблиофафия состоит из 82 наименований использованных литературных источников.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Насер Абдельрахман Эльхуссейн

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ опыта проектирования и строительства свайных противооползневых конструкций на автомобильных дорогах Крыма и Кавказа и зарубежных странах свидетельствует, что данный тип удерживающей конструкции является в настоящее время наиболее эффективным средством, который обеспечивает устойчивость земляного полотна на оползневых склонах и в условиях сильно пересеченной местности. Вместе с тем все еще не исключены случаи, когда наблюдается, либо разрушение свайных конструкций из-за перегрузки оползневым давлением, либо их неспособность обеспечить надлежащий уровень стабильности оползневого участка автомобильной дороги из-за развития недопустимых во времени деформаций смещения.

2. Одной из причин неудовлетворительной работы свайньгх противооползневых конструкций является несовершенство существующих методик их расчета, в которых в недостаточной степени проработаны и учтены такие факторы как: особенности физико-механических и реологических характеристик грунтов оползневого склона; характер смещения оползневых масс и особенности формирования оползневого давления на свайную конструкцию; условия взаимодействия во времени свайной конструкции и оползневого массива и выбор места размещения ее на оползневом склоне; инерционность смещения оползневого массива и прогноз времени его стабилизации и другие.

3. Обобщение накопленного опыта в области изучения прочностных и реологических свойств глинистых грунтов свидетельствует, что глинистые грунты, применительно к рассматриваемой проблеме, целесообразно подразделять по теории плотности-влажности Маслова Н.Н. на две большие разновидности: пластичные и скрыто-пластичные. При этом реологическое поведение во времени первой разновидности грунта описывается моделью Ньютона, а второй - моделью Бингама-Шведова.

4. Анализ особенностей существующих решений, связанных с прогнозом характера течения оползневых грунтов на природных склонах, приводит к выводу, что для пластичной разновидности характерен параболический закон изменения скоростей ползучести по высоте неустойчивого слоя, а если оползневые накопления представлены скрыто-пластичными пзунтами, то для них характерно наличиедвух зон: зоны активной, где происходит рост скорости ползучести по параболическому закону, и зоны пассивной (или мертвой), где скорость ползучести постоянна.

5. Выполненный нами теоретический анализ условий формирования активных и пассивных сил, развивающихся по плоскости оползневого смещения, показал, что для определения рационального места расположения свайной конструкции на оползневом склоне в целях исключения развития оползневых смещений языковой части оползня, целесообразно путем последовательного суммирования оползневых блоков от языка к голове оползня, определить сечение, в котором достигнутый суммарный коэффициент запаса устойчивости будет больше единицы, либо в котором суммарная величина непогашенной части распора будет меньше единицы. Кроме того, было выявлено, что при рассмотрении условий равновесия оползневых блоков в целях предотвращения переползания грунтов верхового откоса через свайную конструкцию, нельзя исключать возможность смещения пассивного блока по горизонтальной поверхности из-за наклонного характера плоскости скольжения оползневого массива по отношению к сваям.

6. Нами установлено, что в целях сохранения неразрывности оползневого массива и максимального использования удерживающей способности оползневых блоков, расположенных ниже свайной конструкции, целесообразно допустить возможность некоторого ограниченного развития деформаций прорезания сваями оползневых масс в режиме ползучести, для чего величина расчетной оползневой нагрузки на одиночную сваю, определяемой по формуле Белзецкого, должна быть больше пороговой, но меньше предельной.

7. Теоретический анализ также показал, что характер и величина оползневого давления на свайную конструкцию в значительной степени зависит от разновидности грунтов (пластичная или скрыто-пластичная) и формы их течения на оползневом склоне (отсутствие или наличие пассивной зоны), при этом очертание эпюры оползневого давления оказывается подобным очертанию эпюры скорости развития деформаций ползучести по высоте слоя оползневых грунтов, а величина изгибающих моментов и поперечных сил зависит от плотности грунта, мощности оползневых накоплений на склоне, угла падения плоскости скольжения и диаметра сваи. При анализе условий взаимодействия свайной конструкции и смещающихся оползневых грунтов, залегающих на бесконечной наклонной плоскости, также было выявлено, что величина оползневого давления на одиночную сваю не зависит от динамической вязкости грунта.

8. Методами математического моделирования нами изучены основные закономерности влияния свайной конструкции на динамику стабилизации оползневого массива при этом установлено, что увеличение массы вовлеченных в оползневой процесс грунтов, рост масштабов оползневого массива, вызывающих рост инерционных сил, приводит к существенному снижению скорости затухания начальной скорости смещения оползня и снижению эффективности свайной конструкции. В то же самое время увеличение числа свай, их рабочей даны и, особенно диаметра, приводит к изменению интенсивности начальной (до устройства свайной конструкции) скорости оползневого смещения.

9. Анализ условий стабилизации двух реальных оползневых участков на автомобильных дорогах свайными конструкциями с учетом особенностей физико-механических и реологических характеристик оползневых грунтов, в соответствии с результатами выполненных исследований, показал, что их стабилизация и снижение начальной скорости смещения от 5,5см/год на первом участке и 15см/год - на втором достигается за счет устройства свайной удерживающей конструкции ( два и три ряда свай соответственно) через 4-5 месяцев.

10. На основе выполненных исследований разработаны методические рекомендации по совершенствованию методов расчета свайных противооползневых конструкций, учитывающих особенности динамики

164 оползневого процесса, его инерционность и фактор времени при прогнозе процесса стабилизации оползневых участков на автомобильных дорогах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Насер Абдельрахман Эльхуссейн, 2001 год

1.Андреев Г.А. Златоверховников Л.Ф., Карпов В. М.К вопросу оценки длительной деформации основания портовой набережной. Труды ВНИИГ, вып.38, "Энергия", 1968, с.262-269.

2. БабковВ.Ф. Устойчивость земляного полотна автомобильных дорог. М., Высшая школа, 1966, 107с.

3. Бабков В.Ф. Андреев О.В ., Замахаев М .С . Проектированиеавтомобильных дорог. М., Транспорт, 1970, 316с.

4. БабковВ.Ф. Ландшафтное проектирование автомобильных дорог.- М.: Транспорт,1980.-188с.

5. Бабков В.Ф. Дорожные условия и безопасность движения-М.: Транспорт, 1982.-293с.

6. Билеуш А.И. Порядок применения и расчет дренажных и удерживающих противооползневых сооружений/Научно-исследовательский конструк-торскотехнол-огический институт городского хозяйства.-Киев, 1978 .с.

7. Билеуш А.И. К определению усилий в стенке из свай при закреплении движущихся оползней.-В кн.: Наука и техника в городском хозяйстве.-Киев: Будивель-ник, 1970,.с152-157(вып. 14).

8. Высшая школа", 1978,447с. 11 .Гинзбург JI. К. Удерживающие свайные конструкции при строительстве на оползневых склонах. В кн.: Материалы 111 Всесоюзного совещания.-Киев: Буд-ивельник, 1971, с. 361-363.

9. Гинзбург JI. К. Противооползневые удерживающие конструкции.-М. :Стройиздат, 1979.-80с.

10. Грицюк JI. В.Г Применение буронабивных свай при строительстве противооползневых сооружений на автомобильных дорогах. Автодорожник Украины, 1970, №4, с. 37-38.

11. Грицюк JI. В. Опыт проектирования противооползнвых сооружений с буронабивными сваями на автомобильных дорогах Южного берега Крыма. Труды СоюздоНИИ, вып74, М.,Изд.СоюздорНИИ,1974.

12. Давыдов Т.Д., Гинзбург Л. К. Укрепление оползневых склонов буронабивными сваями.-"Механизация строительства", 1969, № 9, с.13-15.

13. Добров Э.М., Пудов Ю.В., Аксенов А.П. О применении анкерных устройств и свайных конструкций для стабилизации оползней. Труды СоюздорНИИ, вы п. 58 (1), М., Изд.СоюздорНИИ, 1972, с.89-113.

14. Добров Э.М., Длительная устойчивость насыпей на косогорных участках рельефа. Труды СоюздорНИИ, вьш.75, М, Изд. СоюздорНИИ, 1974, с.120-131.

15. Добров Э.М., Обеспечение устойчивости склонов и откосовв дорожном строительстве с учетом ползучести грунтов.М., "Транспорт", 1975, 216с.

16. Дрнников А.М., Стрельцес Г.В., Купраш Р.П. Оползни на автомобильных дорогах.-М. .Транспорт, 1972.-160с.

17. Ермолаева А.Н., Крылова В.И., Рельтов Б.Ф. К вопросу о природе порога ползучести и длительной прочности связных грунтов. Труды ВНИИГ, вып.38, JL, 1968, с.77-89.

18. Жихович В.В. О ползучести, стандартной и длительной прочности плотных лиотических глин.-"Основания, фундаменты и механика грунтов", 1963, № 4, с.7 -10.

19. Казарновский В.Д., Попуновский А.Г. и Др. Синтетические -текстильные материалы в транспортном строительстве,М., Транспорт, 1984,159с.

20. Караулова З.М. Значение порога ползучести в практике строительства и методы его определения. Совещание по строительству на слабых грунтах. Таллин, Из д.Госстроя Эстонской ССР, 1965, с.247-251.

21. Караулова З.М. Порог ползучести и коэффициент вязкостиглинистых грунтов. Труды ВНИИГ, вып.38, Л., "Энергия", 1968, с. 120-130.

22. Караулова З.М. К вопросу о возможности снижения величины сцепления в глинистых грунтах в условиях проявления деформаций ползучести. Труды СоюздорНИИ, 1974, с. 157-166.

23. Коновалов С.В., Орешкин Б.В. Организация и технология строительства дорог в сложных природных условиях.-М: Высшая школа, 1968.-211с.

24. Львович Ю.М. Мотылёв Ю.Л.Укрепление откосов земляногополотна автомобильных дорог. И., Транспорт, 1979,159с.

25. Маслов Н.Н. Механика грунтов в практике строительства.—

26. М.: Стройиздат.1977.—320с. 31 .Маслов Н.Н. Условия устойчивости склонов и откосов в гидротехническом строительстве. М., Госэнергоиз-датД955,467с.

27. Маслов Н.Н. Сопротивляемость глинистых грунтов сдвигув консолидированном состоянии и вопросы ползучести. Материалы совещания по строительству на слабых грунтах. Таллин, Изд. Госстроя 1965, с. 192-206.

28. Маслов Н.Н. Длительная устойчивость и деформация смещения подпорных сооружений. М., "Энергия", 1968, 160с.

29. Месчян С.Р. Исследование ползучести глинистых грунтовпри сдвиге. Известия АН СССР, т. 17, № 6, Ереван, изд. АН Арм. ССР, 1965, с.128-139.

30. Месчян С.Р. О длительном сопротивлении сдвигу глинистых грунтов. Известия АН СССР, т. 18, № 3, Ереван, Изд. АН Арм. ССР, 1965, с. 128-139.

31. Методические рекомендации по проектированию и строительству свайных противооползневых конструкций на автодорогах / Союздорнии.-М.» 1977.89 с.

32. Методические рекомендации по противооползневым мероприятиям на автомобильных дорогах в условиях Молдавской ССР/Союздорнии.-М., 1975. -58с.

33. Мотылев Ю. JL, Казарновский В. Д. Современные исследования в области сооружения земляного полотна.- Автомобильные дороги, 1971, № 3, с. 3-5.

34. Нечаев И. Д., Эидин И.С. Решена сложная инженерная задача о строительстве дороги Ялта-Севастополь. -Автомобильные дороги, 1973, № 1, с. 4-6. 40.0рлов С.С., Устинова Т.И. Оползни Молдавии. Кишинев,

35. Картя Молдовеняска", 1969. 41.ПереселенковГ.С. Научно-технические основы интеграции технологий изысканий, проектирования и постройки железных дорог, Автореферат докт.дисс. М., 1988. 48с.

36. Пудов Ю.В. Обеспечение устойчивости откосов земляногополотна автомобильных дорог с помощью анкерных конструкций. Канд.дисс. 1984, 241с.

37. Рельтов Б.Ф., Ермолаева А.Н., Крылова В.И. К вопросу о —природе порога ползучести и длительной прочности связных грунтов. Материалы реологического совещания ВНИИГ, 1968, с. 77-89.

38. Рекомендации по проектированию свайных фундаментов. -М.: Стройиздат, 1980. 150с.(НИИОСП им Г-ерсеванова Госстроя СССР).

39. Семендяев Л.И. Комплексная оценка устойчивости откосов и склонов при проектировании автомобильных дорог в условиях пересеченной местности. Канд.дисс., 1985,212с.

40. Сотников С.Н. Закономерности развития деформации ползучестиглинистых грунтов при сдвиге. Л., Изд.ЛИСИ, 1960,40

41. Строганов А.С. Вязко-пластическое течение грунтов. Доклад к У Между народ ном}' конгрессу по механике грунтов и Фундаментостроению. М., Изд. Госстроя СССР, 1961, С. 194-202.

42. ЗО.Строительные нормы и правила, ч. 11. Нормы проектирования. Гл.

43. Свайные фундаменты (СНиП П-17-17).-М.: Строй-Издат, 1978. —45 с.

44. Строительные нормы и правила, ч. И. Нормы проектирования. Гл. 21;. Бетонные и железобетонные конструкции (СНиП 11-21—75).-М.: Стройиздат,. 1976. -89 с.

45. Строительные нормы и правила, ч. 11. Нормы проектирования. Гл. 28 Защита строительных конструкций от коррозии (С

46. НиП П-28—73). -М.: Стройиздат, 1974.—32с.

47. Тер-Мартиросян З.Г., Лейкан А.В., О вязко-пластическом деформировании глин при сдвиге. Труды СоюздорНИИ, выи. 74, М., Изд. СоюздорНИИ, 1974, с. 86-96.

48. Тер-Степанян Г.И. О механизме многоярусных оползней. Материалы к УП Международному конгрессу по механике грунтов и фундаментостроению. М., Стройиздат, 1969,с. 190-199.

49. Титов В.П. Усиление земляного полотна длительно эксплуатируемых железных дорог. М., Стройиздат, 1980, 272с.

50. Указания по проектированию земляного полотна железных и автомобильных дорог. М., Стройиздат, 1973, 113с.

51. Флорин В.А. Основы механики грунтов, т.2, М., Госстройиздат,1961, 543с.

52. Хархута Н.Я., Иевлев В.М. Реологические свойства грунтов. М.,

53. Автотрансиздат, 1961, 63с.

54. Цытович Н.А., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве. М., Высшая школа, 1981, 317с. бО.Чугаев Р.Р. Расчет устойчивости земляных откосов по методу плоских поверхностей сдвига грунта. М., " Энергия " , 1964, 178с.

55. Чугаев Р.Р. Графики для расчета устойчивости земляных откосов, частично насыщенных покоящейся водой. М., " Энергия ", 1965, 48с.

56. Шахиров В.Б., Зиязов Я.Ш. Экспериментальные исследования сопротивляемости одиночных свай, подверженных совместному действию вертикальных и горизонтальных нагрузок. -В кн.: Основания, фундаменты и механика грунтов. Киев: Будивельник, 1971, с.32-40.

57. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь.-М.: Транспорт, 1969.615с.

58. Шукле Л. Реологические проблемы механики грунтов. Перевод сангл. Н.Н. Маслова. М., Стройиздат, 1973, 485с.

59. Эккель Э.Б. Оползни и инженерная практика. М.: Трансжелдор-издат, 1960. - 275 е.

60. Akai К. On the stress distribution in the earth embankment and thefoundation. Proc. 4-th Japan Nat. Cong. Applic. Mech. 1954, Tokio, pp.15.

61. AndreiS., Athanasiu R., «Stress-strain relation in slope stability analysis». Proc. Int. Symp. Landslides. New Delhi, 1980, 105-108p.

62. Bishop A.W. Stability coefficients for ea rth slopes. Geotechnique,1. N.4, 1960,pp. 129-151.

63. Bjerrum L. Theoretical and experimental ^investigation of the strength of soils. Norvegion geotechnical institute, publication N.5, Oslo, 1954, pp. 375-376.

64. Bjerrum L. Simons N., Torblaa L. The effec t of time on the shearstrength of a soft marine clay. Proc.Brussel Conf Earth Press. V.l, 1958, pp. 33-37.

65. CheongH.P., Subranmanuam R. V. «Probability of failure and safety factors in stability of natural slopes», proc. Int. Symp. Landslides, New Delhi, 1980, 263-266 p.

66. Folgue J. Rheological properties of compacted unsaturated soils. Proc. of the 5-th Int. Cong. On soils.mechanics and foundation engineering, v.l, pp. 113-116, Paris, 1961.

67. Frohlich O.K. On the danger of sliding of the upstream embankmentof earth dam caused by complete or partial discharge of thereservoir. Trans. 4-th Cong.large dam 1951,pp. 59-63.

68. FrohlichO.bC General theory of stability of slopes. Geotechnique, v. 5, n.l, 1955, pp.37-48.

69. Kopacsy J. Distribution des contraintes a la rupture, forme de la surface de glissement et hauteur theorique des telus. Proc. v, Int. Conf. on Soil Mech., v.ll, Paris, 1961.

70. Landslidesa in Japan. The Sapar Socilty of Landslide. National Conf.of landslide control. 1972.

71. Landslides. Proceedings Int. Symp. New Delhi, 1980, pp. 469.

72. Peynireioglu X. Earth movement investigations in a landslide area on the Bosphorus. 4-th ICOSOMEF, 1957, v.ll,pp.320-327.

73. S.Duncan I. M., Wright S.G. «The accuracy of equilibriu methods of slope stability analysis», Proc. Int. Symp. Landsides, New Delhi, 1980, 247-254 p. 80.Skempton A.W. Long-term Stability of clay slopes. Geotechnique, 1964 v.14, N.2, pp.75-103.

74. Taylor D. Stability of Earth Slopes. Journal of the Boston Society of

75. Civil Eng. N. 1937, v.24, N.3 pp. 197-246.

76. Terzaghi K., Peck R. В., Soil Mechanics in engineering Practice, Wiley, New York, 1967, 729.

77. Федеральное государственное унитарное предприятие

78. Институт по проектированию и изысканиям автомобильных дорог1. СОЮЗДОРПРОЕКТ»

79. Москва 1 13035, Софийская наб., 34в тел.: [phone], факс: [phone] E-mail: [e-mail]

80. О г » с?£гусГс? 2001 г. № 30/2//5 30на №1. Справкао внедрении результатов исследования

81. Это позволило провести более обоснованно проектирование удерживающих сооружений, особенно в части прогноза развития возможных деформаций ползучести при использовании свайных удерживающих конструкций для обеспечения устойчивости откосов оползневых скло