Сравнительный анализ устойчивости потенциально оползнеопасных склонов по результатам расчетов аналитическими методами и методом конечных элементов

DOI: 10.18454/IRJ.2016.48.126 Перевощикова Н.А.1, Идиятуллин М.М.2

1ORCID: 0000-0002-0372-8481, Кандидат геолого-минералогических наук, 2ORCID: 0000-0003-1273-3722, Магистрант, Санкт-Петербургский государственный университет

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ СКЛОНОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАСЧЕТОВ АНАЛИТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ И МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ

Аннотация

В статье приводится сравнение результатов расчётов устойчивости двух потенциально оползнеопасных склонов, расположенных в Волгоградской области. Оценка устойчивости склонов выполнена численными и аналитическими методами, в том числе с использованием современного программного комплекса GEO5. Аналитические расчёты производились в соответствии с положениями теории предельного равновесия, тогда как для расчета по численной модели был использован метод снижения прочности. Применение двух принципиально различных расчетных схем позволяет с большей достоверностью оценить устойчивость склонов и перспективы их использования в качестве основания сооружений.

Ключевые слова: расчёт устойчивости, устойчивость склона, методы расчета устойчивости, метод конечных элементов, метод снижения прочности, GEO5.

Perevoshchikova N.A.1, Idiyatullin M.M.2

1ORCID: 0000-0002-0372-8481, PhD in Geology and Mineralogy, 2ORCID: 0000-0003-1273-3722, Master student, Saint-Petersburg State University

COMPARATIVE ANALYSIS OF SLOPES' STABILITY WITH HIGH POTENTIAL RISK OF LANDSLIDE BY

THE RESULT OF CALCULATION USING ANALYTICAL METHODS AND FINAL ELEMENT METHOD

Abstract

The article compares results of stability calculations of two slopes in Volgograd region with high potential risk of landslide. Evaluation is accomplished using analytical and numerical methods also using modern GEO5 software. Analytical calculations were made by provisions of Coulomb's wedge theory, in contrast of numerical model, where was used shear reduction method. Usage of two different calculation schemes renders possible to make a high-precision conclusion about slopes' stability and about using them as a structure base.

Keywords: stability calculation, slope stability, calculation of stability methods, finite elements method, shear reduction method, GEO5.

При проектировании и строительстве линейных сооружений значительное влияние на их эксплуатационную надёжность оказывает распространение опасных геологических и инженерно-геологических процессов. Развитие в районе работ особого типа опасных склоновых процессов - оползней - требует углублённого изучения инженерно-геологических особенностей строения оползнеопасных (или потенциально оползнеопасных) участков.

Для проектирования сооружения и мероприятий по инженерной защите склона требуется выполнение оценки устойчивости склона. Количественной мерой устойчивости при этом является величина коэффициента устойчивости (Ку). Расчёт производится при известном положении поверхности скольжения для оползнеопасных склонов или при предполагаемом положении наиболее опасной поверхности скольжения - для потенциально оползнеопасных склонов.

При выполнении инженерно-геологических изысканий для строительства линейного объекта в Волгоградской области было отмечено развитие консеквентных оползней и оползней-оплывин на склонах нескольких крупных балок и оврагов.

В пределах трассы проектируемого сооружения были выявлены два участка, где существует возможность развития оползневых процессов. Их уклон в пределах участка работ достигает 30-35°. Склоны задернованы, на наиболее крутых участках присутствуют проявления осыпей. По совокупности этих признаков, а так же исходя из наличия в районе работ оползневых процессов на аналогичных склонах, склоны были отнесены к потенциально оползнеопасным.

Геологическое строение участка работ характеризуется наличием в разрезе четвертичных отложений аллювиального генезиса, представленных преимущественно песчаными, в меньшей степени глинистыми грунтами. Песчаная фракция представлена мелко- и среднезернистыми песками, средней плотности и плотными, маловлажными. Среди глинистых грунтов выделены супеси пылеватые, суглинки легкие пылеватые и песчанистые, глины легкие пылеватые. Консистенция глинистых отложений от тугопластичной до твёрдой. Залегание преимущественно в виде линз и прослоев мощностью до 2 метров. Помимо аллювиальных отложений, в отдельный инженерно-геологический элемент был выделен почвенно-растительный слой, мощностью 0,8-0,9 м.

Гидрогеологические условия характеризуются наличием водоносного горизонта на отметке менее 110 абс. м (по данным разведочного бурения), что позволяет не учитывать действие подземных вод при расчёте устойчивости склонов.

В качестве механизмов, которые могут привести к интенсификации оползневых процессов, были обозначены изменения гидрогеологических условий (повышение уровня грунтовых вод при изменении условий питания и разгрузки водоносного горизонта), а также антропогенное изменение профиля склона и почвенного покрова в результате инженерной или мелиоративной деятельности человека.

Методы расчёта устойчивости

Большинство методов расчета устойчивости склона основываются на положениях теории предельного равновесия. При этом грунтовый массив рассматривается с точки зрения критерия прочности Кулона-Мора, согласно которому разрушение грунта происходит в виде сдвига по поверхности с наименьшей несущей способностью. Прочность грунтового массива определяется его прочностными характеристиками: сцеплением и углом внутреннего трения, при этом деформационные характеристики в расчётах по первому предельному состоянию не учитываются. Решение такого рода задач обеспечивается связью между нормальными и касательными напряжениями.

Данный подход применялся при решении поставленной задачи по оценке устойчивости склона аналитическими методами. Несколько другой алгоритм расчёта был использован при выполнении расчётов численным методом конечных элементов (МКЭ). Если первая расчётная схема подразумевает предварительное нахождение потенциальных поверхностей скольжения, а затем выполнение по ним расчёта устойчивости, с определением наименее устойчивой конфигурации склона, то для второй схемы применялся метод снижения прочности (SRM -shear reduction method). Суть данного метода заключается в одновременном снижении показателей прочностных характеристик. При этом возникающие в массиве деформации оцениваются для каждой итерации, вплоть до наступления момента разрушения грунта. Положение поверхности скольжения формируется автоматически, исходя из величины возникающих в массиве деформаций. Таким образом, программой единовременно выполняется расчёт коэффициента устойчивость склона и нахождение наиболее опасной поверхности скольжения [1].

Оценка устойчивости склонов

В ходе данного исследования были выполнен расчёт устойчивости двух потенциально оползнеопасных склонов по методам Маслова, Шахунянца, Феллениуса-Петтерсона, Спенсера, Бишопа, а также методом конечных элементов.

В качестве исходных данных были приняты материалы инженерно-геологических исследований склона, которые включали: рекогносцировочные маршрутные наблюдения, проходку инженерно-геологических выработок с отбором проб грунтов, определение физико-механических характеристик грунтов в лаборатории и полевые испытания грунтов "in situ" методами статического и динамического зондирования.

Нормативные значения прочностных характеристик грунтов принимались по результатам лабораторного определения сопротивления грунта неконсолидированному срезу, а также по данным статического и динамического зондирования и таблицам СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*». При оценке устойчивости склонов использовались расчетные значения характеристик прочности грунтов (Таблица 1), принятые по первому предельному состоянию.

Расчёт методом Маслова выполнялся вручную. Определение положения наиболее опасной кривой скольжения при этом производилось методом подбора. Графические построения выполнялись в программной среде AutoCAD. Расчеты устойчивости склонов прочими методиками выполнялся в программной среде GEO5.

Таблица 1 - Значения физико-механических характеристик грунтов, используемых при расчёте устойчивости

склонов

№ п/п № ИГЭ Грунт Влажность Плотность грунта Плотность частиц грунта Число пластичности Коэффициент пористости Угол внутреннего трения Сцепление

w, д.ед. р, г/см3 Ps, г/см3 Ip, д.ед. e, д.ед. Ф, ° с, кПа

1 2 Почвенный слой 0,133 1,78 2,68 0,130 0,706 18,7 20

2 12 Песок мелкий 0,058 1,50 2,65 - 0,788 30 2

3 13 Песок средней крупности 0,071 1,56 2,65 - 0,689 31 0,6

4 14 Супесь твердая 0,122 1,90 2,69 0,063 0,593 28 9

5 15 Суглинок твердый 0,201 1,97 2,68 0,125 0,655 25 29

6 16 Суглинок полутвердый 0,245 1,91 2,69 0,131 0,734 23 25

7 17 Суглинок тугопластичный 0,249 1,96 2,69 0,130 0,750 19 32

8 20 Глина полутвердая 0,278 1,95 2,71 0,246 0,767 9 32

Выполнение аналитических расчётов в программе GEO5 осуществлялось по двум алгоритмам. В первом случае нахождение наиболее опасной поверхности скольжения производилось программой автоматически (методом подбора). Во втором случае поверхности скольжения задавались вручную. Это позволило сравнить значения

коэффициента устойчивости, полученного программой, с результатами ручного расчета. По найденным программой наиболее опасным поверхностям скольжения также был выполнен расчёт вручную.

Решение задачи методом конечных элементов выполнялось программой автоматически, без возможности задания геометрии поверхностей скольжения.

Сравнение результатов расчётов

Положение предполагаемых кривых скольжения при расчёте методом Маслова показано на инженерно -геологических разрезах потенциально оползнеопасных склонов (рис. 1, 2). Поверхности скольжения №10 и №7 являются наиболее опасными поверхностями скольжения, найденными программой для склонов №1 и №2 соответственно. Примечательно, что их положение оказалось идентичным для каждого аналитического метода, по которому выполнялся расчёт в программе GEO5.

Сравнение результатов расчётов, выполненных аналитическими методами (Таблицы 2, 3) позволяет сделать вывод, что для склона № 1 найдена результирующая для всех методов наиболее опасная поверхность скольжения. Для склона № 2 положения таких поверхностей значительно различаются.

Графические схемы распределения горизонтальных деформаций в расчётных грунтовых моделях на момент потери устойчивости склонов, полученные расчётом по методу конечных элементов (рис. 3, 4) позволяют визуализировать положение поверхности скольжения при более сложной геометрической форме.

Рис. 1 - Инженерно-геологический разрез склона № 1

Рис. 2 - Инженерно-геологический разрез склона № 2.

Рис. 3 - Графическая схема распределения горизонтальных деформаций массиве грунта в момент потери

устойчивости

Рис. 4 - Графическая схема распределения горизонтальных деформаций массиве грунта в момент потери

устойчивости

Таблица 2 - Значения коэффициента устойчивости склона № 1, полученные аналитическими методами

№ п/п Радиус поверхности скольжения, м Протяженность оползневого тела в плане, м Коэффициент устойчивости склона Ку по методу:

Маслов Бишоп Феллениус-Петтерсон Спенсер Шахунянц

1 9,3 11,4 1,35 1.37 1,20 1,36 1,21

2 26,5 18.0 1,34 1.30 1,26 1,30 1,27

3 14,4 18.0 1,32 1.60 1,42 1,59 1,45

4 44,5 38,6 1,53 1.79 1,70 1,79 1,74

5 34,6 38,6 1,57 2,02 1,85 2,02 1,90

6 71,9 49,3 1,61 1.86 1,81 1,86 1,84

7 50.1 49,3 1,68 2,09 1,96 2,09 2,02

8 143,3 60,3 1,68 2,06 2,03 2,06 2,05

9 79,4 60,3 1,68 2,21 2,14 2,21 2,18

10 15,8 12,0 1,32 1Д4 1,09 1,13 1,10

Таблица 3 - Значения коэффициента устойчивости склона № 2, полученные аналитическими методами

№ п/п Радиус поверхности скольжения, м Протяженность оползневого тела в плане, м Коэффициент устойчивости склона Ку по методу:

Маслов Бишоп Феллениус-Петтерсон Спенсер Шахунянц

1 32,5 21,3 2,87 1,62 1,59 1,62 1,59

2 22,7 23,9 1,78 1,73 1,63 1,73 1,65

3 79,3 28,3 2,68 1,72 1,71 1,72 1,72

4 38.0 30,9 1,97 1,71 1,66 1,71 1.68

5 262,8 35,7 3,68 2,19 2,19 2,19 2,19

6 51,8 38,3 2,11 2,11 2,05 2,11 2,10

7 18,3 10,4 2,37 1,29 1,26 1,28 1,26

Сравнение наименьших значений коэффициента устойчивости склонов, рассчитанных различными методами (Таблица 4) позволяет предположить устойчивость склонов в естественном состоянии.

Наименьшие значения получены при расчёте методом Феллениуса-Петтерсона. Данный метод применим только к круглоцилиндрическим поверхностям скольжения и удовлетворяет только уравнению равновесия моментов сил. Это самый простой метод, не отличающийся высокой точностью. Его применение в условиях неоднородного геологического разреза не вполне корректно, т.к. в этом случае не учитывается более сложная механика оползневых смещений [4].

Расчёт методом Маслова показал наибольшие значения коэффициента устойчивости. Этот метод удовлетворяет уравнению равновесия сил, при расчётах рассматриваются их горизонтальные составляющие. Он позволяет производить расчёт как по круглоцилиндрической, так и по многоугольной поверхностям скольжения. При этом значения коэффициента устойчивости, рассчитанные по методу конечных элементов, из всех методов оказались наиболее близкими к значениям, полученным при расчете вручную по методу Маслова.

Таблица 4 - Сравнение результатов расчётов, выполненных различными методами

Склон Коэффициент устойчивости склона Ку по методу:

Расчёт вручную Расчёт в программной среде GEO5

Аналитические методы Численный метод

Маслов Бишоп Феллениус-Петтерсон Спенсер Шахунянц Метод конечных элементов

№ 1 1,32 1,14 1,09 1,13 1,10 1,14

№ 2 1,78 1,29 1,26 1,28 1,26 1,46

Выводы

Исходя из полученных значений, оба склона в естественном состоянии являются устойчивыми. Анализ результатов расчётов показывает, что значения коэффициента устойчивости, полученные расчётом вручную, оказались выше, чем значения, полученные расчётом в программе GEO5. Говорить о завышении или занижении результатов расчётов не представляется возможным, ввиду отсутствия истинных эталонных значений коэффициента устойчивости. Тем не менее, рассмотрение склонов с точки зрения строительства подразумевает принятие наименьших значений коэффициента устойчивости. Возможное занижение результатов оценки устойчивости склонов в таком случае будет работать в запас устойчивости склона.

При проведении строительных работ, возможное изменение инженерно-геологических условий в результате нарушения почвенного слоя, подрезки склона, повышения уровня грунтовых вод и других воздействий может привести к снижению их устойчивости и интенсификации оползневых процессов. Поэтому при использовании склонов в качестве основания рекомендуется выполнение дополнительных геотехнических расчётов, исходя из особенностей принимаемых конструктивных решений и приложенных нагрузок.

Литература

1. Федоренко Е.В. Метод расчета устойчивости путем снижения прочностных характеристик // Транспорт Российской Федерации. - 2013. - №6 (49). - С. 24-26.

2. Хуан Я.Х. Устойчивость земляных откосов. Пер. с англ. В.С. Забавина. Под ред. В.Г. Мельника. - М.: Стройиздат, 1988. - 240 с.

3. Методические рекомендации по предотвращению оползней на автомобильных дорогах Таджикской ССР. Под ред. Э.М. Доброва. - М.: СОЮЗДОРНИИ, 1977. - 53 с.

4. Рекомендации по количественной оценке устойчивости оползневых склонов. Тихвинский И.О. -М.:ПНИИИС, Стройиздат, 1984. - 80 с.

5. ГОСТ 20522-2012 Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. - М.: Стандартинформ,

2013.

6. ГОСТ 25100-2011 Грунты. Классификация. - М.: Стандартинформ, 2013.

7. СП 11-105-97 Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов. - М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2004.

8. СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. - М.: Минрегион России, 2011.

References

1. Fedorenko E.V. Metod rascheta usojchivosti putem snizhenija prochnostnyh harakteristik // Transport Rossijskoj Federacii. - 2013. - №6 (49). - S. 24-26.

2. Huan Ja.H. Ustojchivost zemljanyh otkosov. Per. s. angl. V.S. Zabavina. Pod red. V.G. Melnika. - M.: Strojizdat, 1988. - 240 s.

3. Metodicheskie rekomendacii po predotvrashcheniju opolznej na avtomobilnyh dorogah Tadzhikskoj SSR. Pod red. E.M. Dobrova. - M.: SOYUZDORNII, 1977. - 53 s.

4. Rekomendacii po kolichestvennoj ocenke ustojchivosti opolznevyh sklonov. Tihvinskij I.O. - M.: PNIIIS, Strojizdat, 1984. - 80 s.

5. GOST 20522-2012 Grunty. Metody statisticheskoj obrabotki rezultatov ispytanij. - M. Standartinform, 2013.

6. GOST 25100-2011 Grunty. Klassifikacija. - M.: Standartinform, 2013.

7. SP 11-105-97 Inzhenerno-geologicheskie izyskanija dlja stroitelstva. Chast II. Pravila proizvodstva rabot v rajonah razvitija opasnyh geologicheskih i inzhenerno-geologicheskih processov. - M.: Gosstroj Rossii, GUP CPP, 2004.

8. SP 22.13330.2011 Osnovanija zdanij I sooruzhenij. Aktualizirovannaja redakcija SniP 2.02.01-83*. - M.: Minregion Rossii, 2011.

DOI: 10.18454/IRJ.2016.48.142 Соловицкий А.Н.

ORCID: 0000-0001-7483-3484, Кандидат технических наук, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева ОСОБЕННОСТИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПОСТРОЕНИЙ ПРИ СОЗДАНИИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ КУЗБАССА

Аннотация

Разработана теория геодезических построений при создании геодезического мониторинга напряженно-деформированного состояния земной коры при освоении угольных месторождений Кузбасса. Основным отличием предложенных геодезических построений является применение пространственной фигуры в качестве ячейки сети, что обеспечивает определение динамических параметров в глубине блока земной коры. Такой подход обеспечивает не только жесткость и надежность геодезической сети, но и одинаковую точность определения изменений координат мобильных пунктов. Впервые была разработана многоступенчатость таких построений в зависимости от геодинамической активности блоков земной коры, реализация которой обеспечивае гибкость и эффективность.

Ключевые слова: геодезический мониторинг, геодезические построения.

Solovitskiy А-N.

ORCID: 0000-0001-7483-3484, PhD in Engineering, Kuzbass State Technical University named TF Gorbachev FEATURES OF GEODETIC CONSTRUCTIONS DURING CREATION OF GEODETIC MONITORING OF THE INTENSE DEFORMED CONDITION OF CRUST OF KUZBASS

Abstract

The theory of geodetic constructions during creation of geodetic monitoring of the intense deformed condition of crust at development of coal fields of Kuzbass is developed. The main difference of the offered geodetic constructions is application of a spatial figure as a network cell that provides determination of dynamic parameters in the depth of the crust block. Such approach provides not only rigidity and reliability of a geodetic network, but also identical accuracy of definition of changes of coordinates of mobile offices. For the first time multi-layered constructions was developed depend on the geodynamic activity of the earth crust blocks, which provide flexibility and efficiency.

Keywords: geodetic monitoring, geodetic constructions.

Нормативными документами при проведении прикладных геодинамических исследованиях в районах освоения м есторождений полезных ископаемых рекомендуется следующая схема геодезических построений. Мобильные пункты закладываются на двух взаимно перпендикулярных профилях с интервалом через 2 км, а стабильные - на их противоположных концах вне зоны влияния техногенной деятельности [1, 2]. Теория геодезического мониторинга напряженно-деформированного состояния земной коры (ГМНДСЗК), которую развивает автор, основывается на иной методологической базе и обеспечивает информационное взаимодействие между геодезией и смежными науками о Земле [3]. Таким образом, ГМНДСЗК имеет существенные отличия, особенности которых заключаются в следующем.

Пространственная структурная модель ячейки геодезических построений

Первой особенностью геодезических построений (ГП) является разработка новой модели их ячейки. При проведении ГМНДСЗК повторные наблюдения предлагается проводить на мобильных пунктах (МП) образующих не плоскую, а пространственную фигуру. Опыт применения пространственных фигур в геодезии мало освещен, особенно при проведении прикладных геодинамических исследований. МП такой модели имеют определенную схему