Метод предельного напряженного состояния

ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
УДК 622.83.02
ПРОБЛЕМЫ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ
УСТОЙЧИВОСТИ ГРУНТОВЫХ
К.А. Лужецкий,
МАССИВОВ
И.А. Садовенко
Национальный горный университет, Днепропетровск
У статті розглянуті особливості виникнення зсувів у міських регіонах. Автори намагалися
провести аналіз існуючих методик визначення стійкості схилів та відкосів. Як виявилося, усі
методи, що використовуються сьогодні, не дають точних результатів, а результати моделювання визнаються точними при багатьох припущеннях. У цьому контексті зроблено акцент на необхідності розробки особливих методів моделювання, заснованих на урахуванні усіх факторів,
які впливають на стійкість схилу, у тому числі і термодинамічної складової.
В статье рассматриваются особенности возникновения оползней в городских районах. Авторы попытались провести анализ существующих методик определения устойчивости склонов и
откосов. Как оказалось, все, используемые сегодня методы, не дают точных результатов и результаты моделирования признаются точными при многих допущениях. В этом контексте сделан акцент на необходимость разработки особых метод моделирования, основанных на учете
всех факторов, воздействующих на устойчивость склона, в том числе и термодинамической составляющей.
При
решении
различных
инженерногеологических задач чаще всего приходится
сталкиваться с осадочными породами, которые
залегают, в основном в верхних слоях земной
коры. Эти породы представляют собой многофазные глинистые грунты. Деформируемость и
прочность многофазных грунтов существенно
отличается от деформируемости и прочности
однофазных грунтов и скальных пород, и поэтому трудности чаще всего возникают при решении прикладных задач, связанных с использованием их в качестве основания или среды для различных сооружений.
Под многофазными грунтами понимаются
природные минерально-дисперсные образования,
поры которых заполнены водой и газом в растворенном и нерастворенном состоянии. Деформирование и прочность такого образования существенным образом зависит от его минерального и гранулометрического состава, исходной
плотности, влажности, соотношения твердой
минеральной, жидкой и газообразной фаз, а также от истории его формирования, т.е. исходного
напряженно деформированного состояния.
Основными силами, влияющими на формирование исходного напряженного состояния,
являются силы гравитации, тектоники, фильтрации и др. Сформированное в массиве грунта исходное напряженное состояние является одним
из существенных факторов, влияющим на возникновение одного из наиболее опасных геомеханических процессов – оползневого процесса на
склонах и откосах.
Для
количественного
прогнозирования
оползня в пространстве и во времени необходимо выбрать определенные критерии, характеризующие состояние склона в данный момент и в
заданный период времени (например, критерий,
характеризующий состояние устойчивости и деформации склона – кратковременную и длительную устойчивость склона).
Под кратковременной устойчивостью склонов понимается устойчивость массива грунта в
целом и прочность в отдельных его частях на
данный момент времени. Целью данной статьи
является оценка основных расчетных схем и методов для характеристики устойчивости склонов
и откосов во взаимодействии с сооружениями,
обоснование нового метода для их совершенствования
Кратковременная устойчивость оценивается
следующими наиболее известными методами [1]:
круглоцилиндрической поверхности скольжения;
предельного напряженного состояния; допредельного напряженного состояния, основанного
на модели линейно-деформируемой среды.
Метод круглоцилиндрической поверхности
скольжения - наиболее простой метод, широко
использующийся в инженерной практике для
предварительных расчетов. Сущность метода
заключается в определении отношения сил,
удерживающих и сдвигающих массив грунта
относительно некоторого центра круглоцилиндрической поверхности, выбранного произвольно.
Весь массив грунта разбивается на блоки, и
вес каждого блока прикладывают к центру
скольжения, а силами взаимодействующими по
вертикальным плоскостям блоков пренебрегают,
© Лужецкий К.А., Садовенко И.А. , 2003
184
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
полагая, что давление от соседних отсеков равны
по величине и противоположны по направлению.
Раскладывая далее силы веса Q i на нормальные
метода можно определить максимальное давление на горизонтальную поверхность массива
грунта, при которой откос определенного очертания остается в равновесии, а также формы
равноустойчивого откоса, предельного угла
наклона для заданных параметров массива.
Недостатки метода: метод не учитывает действие фильтрационных сил, что важно для определения устойчивости откоса, а также фактор
времени. Существуют два показания прочности
грунта и устойчивости склона : нагрузка, которую грунт может выдержать при ёё кратковременном действии и предельную нагрузку, которую грунт может выдерживать длительное время. При длительном нагружении происходит
образование пластической зоны, затем перегруппировка структуры, после - повышение несущей
способности грунта. При длительном нагружении происходят два противоположных процесса:
один – стремится повысить пластические свойства грунта, другой – наоборот их понизить и
повысить прочность. В рамках данного метода
это не учитывается.
Метод допредельного напряженного состояния - в основе этого метода лежит теория линейно-деформируемой среды. Здесь полагается,
что массив грунта в целом находится в допредельном напряженном состоянии, а предельное
напряженное состояние может иметь место лишь
в локализованных участках массива. Этот метод
наиболее успешно реализуется с использованием
аппарата численного геомеханического моделирования, применяемым на базе метода конечных
элементов. Оценка напряженного состояния
склонов, имеющих большой запас устойчивости,
таким способом позволяет выделить зоны пластического течения и определить потенциальную
зону поверхности скольжения, характер развития
зон запредельного деформирования при наличии
и отсутствии нагрузки от сооружений, поле
сдвиговых вертикальных деформаций. Однако
метод не учитывает перераспределение энергии
в массиве пород, которая в целом определяет
состояние грунтового массива как замкнутой
системы.
Обоснование нового подхода
к оценке
устойчивости грунтовых массивов.
Рассмотренные способы определения устойчивости склонов являются статическими расчетами, проведение которых неизбежно связано со
значительной схематизацией разреза и всего явления.
Ни один из перечисленных методов не учитывает динамику и, что главное, термодинамику
развития процесса. В грунтовом массиве закономерно протекают процессы перераспределения,
переноса тепла и энергии. На действие внешней
нагрузки накладываются тепловые колебания
первичных частиц (атомов, молекул). Вследствие
N i и тангенциальные Ti составляющие поверхности скольжения , определяют величины сил
трения на поверхности скольжения N i tgi и
сцепления
Ci Li (где Li – длина дуги скольже-
ния, в пределах i-го отсека).Коэффициент устойчивости в этом случае определяется следующим
образом [2] :
tN
 N
где
  N ii  Xi   Ti  
(1)
I 1
N i  Qi cos  ;
Ti  Qi sin  Ti;
Fi  tg ;  – угол наклона основания отсека
к горизонту.
Главный недостаток метода заключается в
том, что он не учитывает взаимное влияние отдельных секций и их деформируемость в процессе скольжения. Однако, благодаря простоте, метод позволяет рассчитывать коэффициент запаса
устойчивости для массивов грунтов неоднородного сложения, любой формы, а также учитывать
силы фильтрации, сейсмики. Точность оценок
следует признать ориентировочной.
Метод предельного напряженного состояния
- в основе метода лежит теория равновесия грунтовой среды, получившая плодотворное развитие
в работах В.В. Соколовского [3]. Согласно этой
теории нарушение устойчивости грунта в точке
объясняется проявлением деформаций сдвига
или пластических деформаций, а нарушение
устойчивости массива грунта – развитием этих
деформаций в некоторой области получившей
название пластической зоны .
Потеря устойчивости проявляется возникновением в грунте незатухающих деформаций
сдвига или, так называемых, пластических деформаций, поэтому их возникновение будет
определять предельно-напряженное состояние
грунта в какой-либо совокупности точек.
В.В. Соколовский [3] вывел уравнение предельного равновесия грунтов:
1  1   2 lg  1   2


 c,
cos 
2
2
где
1 ,  2
(2)
– соответственно нормальные напря-
жения в точках,  - угол внутреннего трения
грунта
Используя эту теорию при известных напряжениях и месте точек измерения, можно определить величину сцепления грунта и оконтурить
пластическую зону, сопоставляя величину сцепления в отдельных точках массива. С помощью
185
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
хаотичности распределения энергии тепловых
колебаний, то в одной, то в другой точке происходит
местное сосредоточение кинетической
энергии (тепловая флуктуация). Эти тепловые
флуктуации как бы активизируют соответствующую молекулу, позволяя ей преодолевать сопротивление смещению (потенциальный барьер)
со стороны соседних неактивных молекул. В
результате такой флуктуационной активизации
молекулы испытывают колебательные смещения во всех направлениях, но при наличии сдвигающих усилий эти колебания происходят в
направлении этих сил [2].
Это объясняет непредвиденную потерю
устойчивости оползневого склона, хотя по расчётным данным, произведенным по ранее описанным методам, этот склон имеет большой
коэффициент устойчивости или коэффициент
устойчивости равный единице в случае вялотекущего оползня.
При термодинамическом подходе к процессу
потери устойчивости грунтовых массивов этот
процесс может рассматриваться как механический перенос деформации или объема (выступающих в качестве обобщенных координат под
действием тензоров напряжения ), являющимися обобщенными потенциалами переноса [4].
Потеря устойчивости грунтового массива
может быть следствием увеличения действия
какой-либо или нескольких причин : изменение
термодинамических свойств фазового состава
грунта (тепловые флуктуации ), изменение параметров процессов переноса в грунте воды, газа,
тепла, энергии.
Этот процесс может быть описан замкнутой
системой уравнений, полученной на основе законов сохранения энергии, баланса энтропии,
уравнений сохранения массы, импульса, калорических уравнений состояния, уравнений для вектора скорости тензоров деформаций и напряжений.
Мы считаем, что существует необходимость в
разработке нового подхода к расчету устойчивости склонов, основанном не только на статических расчетах и схематизации явления, но также
и на учете термодинамических процессов, возникающих под воздействием тепловых и энергетических потоков внутри земной коры в целом и
грунтовых массивах в частности.
Перечень ссылок
1. Гольдштейн М.Н. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты: учебник. - М.: Транспорт, 1981. - 320 с.
2. Королев В.А. Термодинамика грунтов. Учебное пособие. - М.: Из-во МГУ, 1997. - 168 с.
3. Соколовский В.В. Теория пластичности. Изд.3-е, перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1969. 608 с.
4. Тер-Мартиросян З.Г. Прогноз механических процессов в массивах многофазных грунтов. - М.:
Недра, 1986. - 292 с.
К.А. Louzhetsky, PROBLEMS OF THE TECHNIQUE
I.A. Sadovenko ESTIMATION OF EARTH FILES
STABILITY
National Mining University, Dniepropetrovsk
In this article are considered features of occurrence of landslips in city areas. Authors have tried to
lead the analysis of existing techniques of definition of stability of slopes and slopes. As appeared, everything used today methods, do not give exact results and results of modelling admit exact at many assumptions. In this context the accent on necessity of development special a method of the modelling, all
factors based on the account influencing stability of a slope, including is made by a thermodynamic
component.
Поступила в редколлегию 3 ноября 2003 г.
Представлено членом редколлегии канд. техн. наук П.И. Копачем
186