Робота утримувальної протизсувної споруди у вигляді паль-шпонок

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНЕ ПІДПРИЄМСТВО

“ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ”

УДК 624.131.52

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Робота утримувальної протизсувної споруди у вигляді паль-шпонок

Спеціальність 05.23.02 - основи і фундаменти

Сільченко Костянтин Васильович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в інституті «КРИМГІІНТІЗ».

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Калюх Юрій Іванович, Державне підприємство «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій» Міністерства регіонального розвитку та будівництва України, завідувач лабораторії моніторингу та системних досліджень будівельних конструкцій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Петраков Олександр Олександрович, Державне підприємство «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій» Міністерства регіонального розвитку та будівництва України, завідувач Донецької лабораторії будівельних конструкцій та геотехнічних об'єктів;

кандидат технічних наук, доцент Корчевський Богдан Болеславович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри інженерної та комп'ютерної графіки.

Захист відбудеться "14" грудня 2010 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 Державного підприємства «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій» Мінрегіонбуду України за адресою: 03680, м. Київ-37, вул. Івана Клименка, 5/2, к. 218.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного підприємства «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій» Мінрегіонбуду України за адресою: 03680, м. Київ-37, вул. Івана Клименка, 5/2.

Автореферат розісланий "12" листопада 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 26.833.01, кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ю.С. Слюсаренко.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На сьогодні в Україні налічується понад 20 тис. зсувів, які по її території розподілені нерівномірно. В Автономній Республіці Крим (АРК) ураженість ними різних районів становить від 0,31% (Південно-Східне узбережжя) до 7,65% (Південне узбережжя). Недостатня розробка методів розрахунку протизсувних споруд з урахуванням особливостей складних ґрунтових умов конкретних регіонів призводить до того, що вимоги будівельних норм порушуються, що, у свою чергу, спричинює з року в рік активізацію зсувних аварій і катастроф.

Відсутність надійних методик розрахунку протизсувних споруд (ПС) зумовлює необхідність в АРК на практиці приймати конструктивні рішення, які не завжди забезпечують запас несучої здатності, що призводить до їх руйнування та необхідності підсилення. Виходячи з цього розробка сучасних наукових основ, нових уточнених моделей і методів розрахунку напружено-деформованого стану (НДС) ПС у вигляді паль-шпонок під дією як статичних, так і сейсмічних навантажень з урахуванням регіональних особливостей складних ґрунтових умов Криму є на сьогодні актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати дисертаційного дослідження відповідають сучасним напрямам науково-технічної політики України, визначеним у Постанові Кабінету Міністрів України № 409 від 5 травня 1997 р. "Державна програма «Зсуви»", та увійшли до складу науково-технічних робіт, які виконувались Державним підприємством "Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій" на замовлення Міністерства регіонального розвитку та будівництва України за темою: "Розроблення проекту ДБН В.1.1-12:2006 «Будівництво в сейсмічних районах України»" (РК 0109U003351).

Мета й завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є експериментально-теоретичне дослідження взаємодії паль-шпонок із зсувним ґрунтом, розробка та впровадження в будівельну практику прикладної методики розрахунку протизсувних споруд у вигляді паль-шпонок.

Для досягнення мети дослідження були поставлені такі завдання:

- систематизувати й узагальнити наявні дані за регіональними особливостями конструкцій пальових ПС, методами їх розрахунку як у зсувній товщі, так і в закладанні в стійких незміщуваних ґрунтах Криму;

- обґрунтувати та застосувати математичне моделювання для опису НДС зсувного масиву з розміщеним у середині елементом у вигляді паль-шпонок під дією статичних та сейсмічних навантажень;

- розглянути й конкретизувати методологію експериментального моделювання НДС паль-шпонок під дією зсувного навантаження, за допомогою р-теореми визначити безрозмірні критерії та масштаби моделювання;

- експериментально дослідити епюри згинальних моментів в моделі палі-шпонки й здійснити порівняльний аналіз експериментальних даних з даними власних розрахунків дисертанта, а також з окремими відомими даними інших авторів;

- розробити за допомогою отриманих експериментальних даних методи розрахунку НДС паль-шпонок у зсувній товщі на переповзання та продавлювання, а також на дію горизонтальної сили в закладанні для випадку, коли рівень закладання паль-шпонок у міцних ґрунтах розміщений нижче від поверхні ковзання на значній глибині;

- здійснити апробацію запропонованої прикладної методики для побудови прикладної програми та розрахунку протизсувних споруд у вигляді паль-шпонок на об'єктах будівництва в АРК.

Об'єкт дослідження - пальові утримувальні протизсувні споруди.

Предмет дослідження - НДС паль-шпонок у вигляді укорочених паль у процесі взаємодії із зсувним ґрунтом.

Гіпотеза дослідження базується на припущенні, що експериментально отримані епюри згинальних моментів для моделі паль-шпонок дадуть змогу розробити методи розрахунку НДС паль-шпонок та прикладну програму у зсувній товщі на продавлювання та переповзання, а також на дію горизонтальної сили в закладанні для випадку, коли рівень закладання паль-шпонок у міцних ґрунтах розміщений нижче від поверхні ковзання на значній глибині.

Методи дослідження. Для реалізації мети й завдань дисертаційного дослідження використовувались: теоретичний аналіз наукової літератури, математична статистика й обробка даних вимірювань; сучасні інформаційні технології для математичного моделювання та побудови прикладної програми; структурно-логічне моделювання для опису результатів досліджень. протизсувний пальовий епюра

Наукова новизна дослідження визначається тим, що автором отримані нові науково обґрунтовані результати, які в сукупності дали змогу розробити прикладну методику та програму розрахунку НДС паль-шпонок у зсувній товщі. Виходячи з цього, у дисертаційній роботі

вперше:

експериментально встановлено закономірності розподілу епюри зсувного тиску по лобовій поверхні для різних довжин укорочених паль у зсувній товщі;

запропоновано за допомогою експериментально-теоретичних досліджень розрахункову схему та прикладну методику розрахунку паль-шпонок на продавлювання та переповзання у зсувній товщі та в зоні закладання у стійких ґрунтах під дією горизонтального навантаження;

обґрунтовано алгоритм, методику і виконано програмну реалізацію розрахунку конструкції ПС у вигляді паль-шпонок;

узагальнено наявні дані по конструкціях існуючих пальових ПС, методах їх розрахунку як у зсувній товщі, так і в закладанні в стійких незміщуваних ґрунтах;

дістали подальшого розвитку:

математичне моделювання НДС зсувних схилів з ПС у вигляді паль-шпонок під дією сейсмічних навантажень, що відповідає регіональним особливостям складних ґрунтових умов Криму;

експериментальні дослідження пальових ПС методами фізичного моделювання.

Достовірність наукових результатів та положень забезпечується відповідним тестуванням розроблених програмних продуктів на відомих результатах, зіставленням отриманих теоретичних розрахункових результатів з даними окремих експериментів, таруванням та сертифікацією відповідного експериментального обладнання і чутливих елементів, неодноразовою перевіркою та повторюванням окремих експериментальних дослідів.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані нові експериментально-теоретичні результати слугували основою для створення прикладної методики розрахунку ПС у вигляді паль-шпонок, яка реалізована у вигляді програми для ПЕОМ. Пропонована методика дає змогу коректніше розраховувати палі-шпонки утримувальних протизсувних споруд залежно від ґрунтових умов і отримати оптимальні параметри для ухвалення найбільш економічних і надійних проектно-конструкторських рішень. Результати роботи використані в процесі проектування утримувальних протизсувних споруд на території будівництва спортивно-оздоровчого центру "Єдність" у смт. Гурзуф (2004 р.) і для групи проектованих житлових будинків (16-, 15-, 14-поверхових) по вул. Південній у смт. Кореїз (2006 р.).

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень, включених у дисертацію, отримані автором самостійно. У працях, опублікованих разом зі співавторами [5-6], внесок здобувача полягає в постановці, науковому обґрунтуванні завдань та особистій участі в їх реалізації.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися: на науково-практичній конференції за міжнародною участю "Нові машини для виробництва будівельних матеріалів та конструкцій, сучасні будівельні технології" (Полтава, 2000), п'ятій Всеукраїнській науково-технічній конференції "Механіка ґрунтів, геотехніка та фундаментобудування" (Одеса, 2004), сьомій Всеукраїнській науково-технічній конференції "Будівництво в сейсмічних районах України" (Ялта, 2008), шостій Всеукраїнській науково-технічній конференції "Механіка ґрунтів, геотехніка та фундаментобудування" (Полтава, 2008).

У повному обсязі дисертація доповідалася: на спільному науковому семінарі КримГІІНТІЗу, КримНДІпроекту та відділу автоматизації досліджень та сейсмостійкості будівель і споруд ДП "НДІБК" (2009), науковому семінарі Донецької лабораторії будівельних конструкцій та геотехнічних об'єктів ДП "НДІБК" (2009), науковому семінарі кафедри геобудівництва та гірничих технологій Національного технічного університету України "КПІ" (2010).

Публікації. Основні наукові результати дисертаційної роботи опубліковані в шести статтях у фахових виданнях, затверджених ВАК України. Загальний обсяг публікацій за темою дослідження - 3,6 друкованих аркуша.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, додатків, списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації становить 193 сторінки, обсяг основного тексту - 130 сторінок. Робота містить 21 таблицю, 63 рисунка, 9 додатків. Список використаних джерел складається з 137 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність досліджуваної проблеми, наукова новизна і практична цінність дисертаційної роботи, подана її загальна характеристика.

У першому розділі - "Огляд існуючих методів розрахунку утримувальних споруд. Постановка завдання досліджень "- наведено аналіз науково-технічної літератури з проблеми інженерного захисту від зсувів та утримувальних споруд.

Вивчення літературних джерел показало, що різні аспекти цієї проблеми досліджувало багато сучасних науковців: В. Г. Абросімов, О. І. Білеуш, І. П. Бой-ко, Ю. Й. Великодний, Ю. Л. Винников, Л. К. Гінзбург, М. Н. Гольдштейн, М. П. Дубровський, М. Л. Зоценко, Е. Я. Кільвандер, С.М. Клєпіков, Б. Б. Корчевський, М. М. Маслов, І. В. Матвеєв, М.С. Метелюк, О. О. Петраков, Ю. С. Слюсаренко, В. В. Соколовський, О. М. Трофімчук, Г.І. Черний, Я. І. Червинський, Г. М. Шаху-нянц, В. С. Шокарев та ін. Творче осмислення автором доробку зарубіжних учених, таких, як A. Батог, В. Г. Грама, П. Дженінгс, Н. Дронік, З. Жап, Р. І. Ізбайскі, С. Йоммі, M. Ковач, Л. Ламбой, І. П. Магнан, A. M. Мак-Намара, І. Нігрей, C. A. Ожтурк, І. Пруска, Д. Рейд, С. Росс, С. M. Спрінгмен, С. И. Стейлібрасс, Р. Н. Tейлор, П. Тайссайр та інших сприяло формуванню концептуального бачення специфічного поля дослідження: розрахунку й проектування протизсувних споруд.

Слід виділити сучасні підходи, спрямовані на "регіоналізацію" вивчення зсувних проявів. Зокрема, можна згадати роботи О. О. Арешкович та Шехаде Алі Кассема, які під керівництвом І. П. Бойка вивчали напружено-деформований стан зсувної основи київських схилів, Н. О. Петракової, яка під керівництвом М. Л. Зоценка досліджувала стійкість та інженерний захист зсувних схилів узбережжя Азовського моря. Питання регіональних особливостей протизсувних споруд та зсувонебезпечних схилів Чернівецької області в глинах неогенового віку вивчав В. В. Полевецький, характеристики міцності ґрунтів при оцінці стійкості зсувних схилів Полтавщини, складених просідаючими ґрунтами - В. О. Титаренко.

За технологією виготовлення утримувальні протизсувні конструкції можуть бути у вигляді буронабивних паль або стовпів шахтної проходки при потужності зсуву понад 5 м і забивних паль при потужності зсувних ґрунтів до 5 м у м'яких, сипких породах. У специфічних умовах Криму забивні палі, як правило, не виконуються через повсюдне поширення ґрунтів з великою кількістю скельних включень і твердих порід, представлених аргилітами і алевролітами з прошарками піщанику. Найбільш широке застосування мають буронабивні палі, які з 1968 р. споруджуються на зсувних схилах Криму і дають змогу успішно закріплювати зсуви, потужність яких досягає 15-20 м. Одним з раціональних рішень утримувальних протизсувних споруд вважається застосування паль-шпонок. Вони являють собою укорочені буронабивні палі, які заглиблюються нижче від поверхні ковзання на розрахункову величину і виводяться вище від неї на відстань, що забезпечує перекриття зміщуваних ґрунтів. Ще в 1955 р. професор М. М. Маслов, позитивно охарактеризувавши цю конструкцію (рис. 1), вказував на економічну доцільність застосування таких споруд при великій потужності зсувної товщі (понад 16-18 м). Проте нині улаштування утримувальних споруд з паль-шпонок має лише випадковий характер. Відсутність перевіреної на практиці методики розрахунку не дає змоги впевнено їх застосувати як цілком надійний стабільний захід щодо утримання зсувних ґрунтових мас. Разом з тим наявністьфактів застосування паль-шпонок як заходів проти зсувних зміщень свідчить про те, що вони є не тільки ефективним засобом боротьби проти зсувів, але й вимагають додаткового дослідження та експериментально-теоретичного обґрунтування.

Виходячи з поставлених завдань, дисерта-ційне дослідження можна поділити на чотири етапи: математичне моделювання зсувного схилу з палями-шпонками; експериментальне визначення величини зсувного тиску на палі-шпонки; розробка за допомогою експеримент-тально отриманої епюри зсувного тиску на палі-шпонки методів розрахунку НДС паль-шпонок у зсувній товщі на продавлювання та переповзання, а також на дію горизонтальної сили в закладанні для випадку, коли рівень закладання паль-шпонок у міцних ґрунтах розміщений нижче від поверхні ковзання на значній глибині; апробація результатів дослідження на практиці у вигляді прикладної програми та їх впровадження у будівництво.

Рис.1. Схема утримувальної протизсувної споруди з паль-шпонок: 1 - зсувний масив; 2 - стійкий грунт; 3 - лінія ковзання; 4 - напрям зсувного зміщення; 5 - палі-шпонки; 6 - зворотна засипка гирла свердловини

Другий розділ - "Математичне моделювання напружено-деформованого стану системи "зсувний масив-паля-шпонка" в плоскому наближенні" присвячений математичному моделюванню взаємодії палі-шпонки утримувальної протизсувної споруди із зсувним масивом у плоскій постановці і розробці методики експериментальних досліджень. У розрахунках варіювалися: висота палі-шпонки (1); ширина палі-шпонки (2); положення палі-шпонки в зсувному масиві (3). Вибір положення палі-шпонки в тілі зсувного схилу визначався величинами найбільших вертикальних градієнтів і рівною відстанню по вертикалі між її першим і другим положеннями у схилі: перше положення палі шпонки - при зниженні висоти схилу на 10 м (загальна протяжність по висоті модельованого схилу ~ 25 м); друге положення палі-шпонки - при наступному зниженні висоти зсувного схилу на 10 м; третє положення палі-шпонки - при нульовому куті між дотичною до лінії ковзання схилу і горизонтальною віссю. В результаті розрахунків оцінювався вплив зміни в геометрії і положенні палі-шпонки на підсумковий коефіцієнт стійкості схилу. Початковий коефіцієнт стійкості модельованого схилу був 1.08, у результаті розрахунків він змінювався до 12 %. На другому і третьому етапах розрахунків коефіцієнт стійкості схилу змінювався до 18-25 %.

Було досліджено вплив небезпечних геологічних явищ на території Криму на НДС "зсувний схил-паля-шпонка": сейсмічні чинники і підтоплення. Сейсмічне навантаження в разі 6-9-бальної нормативної сейсмічності при I - III категоріях ґрунтів визначається за формулою

,(1)

де , - коефіцієнт, що враховує вірогідність сейсмічної події протягом призначеного терміну служби споруди Т_сл; - розрахункова амплітуда прискорення основи (у частках g); - прискорення вільного падіння; - коефіцієнт, що відображає міру неприпустимості в споруді ушкоджень; - коефіцієнт, що враховує демпфуючі властивості конструкцій; - маса розрахункового блоку; - сейсмічне прискорення основи; - коефіцієнт динамічності; - коефіцієнт форми власних коливань.

Формули для визначення коефіцієнта стійкості схилу і величини зсувного тиску за відсутності ґрунтових вод при звичайному водонасиченні схилу і врахуванні сейсмічної сили Q_c мають вигляд

(2)

(3)

де c_вi, ц_вi - відповідно питоме зчеплення і кут внутрішнього тертя по поверхні ковзання в цьому відсіку; б_i - кут нахилу плоскої поверхні ковзання в межах відсіку; l_вi - довжина підошви або основи відсіку; P_вi - вага відсіку з урахуванням зважування водою; E_i - результуючий тиск від одного відсіку; E_зс - сумарний зсувний тиск сповзаючого блоку; K_у - фактичний коефіцієнт стійкості; K_у^з - коефіцієнт стійкості (для зміцнюваного схилу), що задається; Q_сi - сейсмічна сила.

Нерідко на практиці трапляються випадки дії на схил струменистих потоків ґрунтових вод (наприклад, на Південному березі Криму або на схилах Кавказьких гір). У такому випадку гідродинамічний тиск необхідно враховувати, а зважування ґрунту не враховується, оскільки суцільне насичення ґрунтів схилу відсутнє. Числове моделювання було проведене для трьох варіантів положення палі-шпонки у зсувному схилі. Причому в усіх трьох варіантах висота палі-шпонки була однакова і дорівнювала 2 м при ширині 1 м. Результати розрахунків коефіцієнта стійкості зсувного схилу при зміні сейсмічних чинників залежно від місця положення палі-шпонки в схилі наведені в табл. 1. Найбільш суттєву відмінність у результатах коефіцієнта стійкості схилу отримано при варіюванні ширини палі-шпонки і її положення. Проте математичне моделювання на основі моделі Шахунянца не дає змоги врахувати такі чинники, як можливість утворення нових ліній ковзання, що можуть проходити через голови паль і вище, тобто може статися переповзання ґрунту; не можна оцінити прорізання або продавлювання ґрунту між палями; при недостатньому закладанні палі в ґрунти, що не зміщуються, можливі загальний зсув споруди або утворення нових ліній ковзання, які можуть проходити під нижнім кінцем паль. Тому для коректнішого аналізу НДС палі-шпонки в закладанні на дію горизонтальної сили було вирішено експериментальним шляхом визначити розподіл зсувного тиску на неї, а результати потім використати для створення прикладної методики розрахунку паль-шпонок при проектуванні ПС.

Таблиця 1 Коефіцієнт стійкості зсувного схилу при зміні сейсмічних чинників в залежності від місцеположення палі-шпонки в схилі

Рис.2. Загальний вигляд експериментальної установки

Роботу протизсувних конструкцій на моделях вивчали такі вчені, як В. Г. Абросімов, Л. К. Гінзбург, М. С. Метелюк, З. С. Орагвелідзе, Н. В. Назарова та ін. Отримані ними результати добре узгоджуються з роботою реальних протизсувних споруд, проте НДС утримувальних елементів довжиною менше від потужності зрушуваного блоку, що моделює зсувну товщу, не досліджувався. Для виявлення якісної і кількісної картини розподілу зсувного тиску по довжиніпалі-шпонки вище від зони закладання була розроблена експериментальна установка, наведена на рис. 2. Як при-пущення при проведенні експеримен-тальних досліджень вважається, що зсувні маси однорідні і зміщуються по поверхні ковзання, яка зумовлена геоло-гічною будовою; паля-шпонка жорстко затиснена в незміщуваних ґрунтах.

Для розробки методики експериментів були визначені відповідні р-змінні для нашого випадку і розроблена методика експериментальних досліджень. Розглянемо адекватну модель напружено-деформованого стану палі-шпонки в зсувному масиві, виконану з оргскла, оскільки коефіцієнти Пуассона моделі (оргскло) і натури (бетон) не збігаються. В цьому разі будь-яка компонента напруги у точці x_k палі-шпонки може бути виражена у вигляді

^,(4)

де L - довжина палі-шпонки; a, b - характерні розміри прямокутного перерізу палі-шпонки; Q - інтенсивність бічного тиску за довжиною палі-шпонки, що моделює інтенсивність зсувного тиску за довжиною на палю-шпонку; E - модуль пружності. Застосування р-теореми показує, що для опису цієї задачі потрібні три р-змінні:

У разі квадратного поперечного перерізу палі-шпонки (a = b) кількість р-змінних зменшується до двох (р₁ і р₃). Співвідношення, виведені на основі безрозмірних змінних, є загальними і не обмежені якими-небудь окремими системами одиниць. На основі р-змінних моделі палі-шпонки були визначені масштаби моделювання і побудована адекватна модель палі-шпонки перерізом 300х300 мм при потужності зсувних накопичень 3 м. Результуючий масштаб моделювання становив 1:10.

Третій розділ - "Експериментальні дослідження палі-шпонки в зсувному масиві" - присвячений аналізу результатів експериментальних досліджень моделі палі-шпонки в зсувному масиві в об'ємному лотку. Експерименти проводилися в лабораторії інституту "КРИМГІІНТІЗ" у 2003-2005 рр. Експериментальна установка складається з таких основних частин (рис. 3): сталевої нерухомої утримувальної конструкції 1; рухомого бездонного лотка 2 розмірами 57х35х33 см, який може переміщуватися по дерев'яній основі 7. Переміщення бездонного лотка 2 вимірюються прогиноміром 6, навантаження здійснюється через вантажну підвіску 5. Модель 3 встановлюється в гніздо 35х35 мм в основі 7 і жорстко фіксується у вертикальному положенні затискним пристроєм 8. Проміжок між моделлю і основою в гнізді заповнюється розчином алебастру.

Четвертий розділ - "Розрахунок протизсувних споруд з використанням паль-шпонок" - присвячений методології і практиці розрахунку протизсувних споруд з використанням паль-шпонок на основі експериментально-теоретичних досліджень попереднього розділу. Розрахунок паль у закладанні на дію горизонтальної сили є одним з найважливіших, і в багатьох випадках - визначальним під час проектування ПС. Для аналізу беремо такі розрахункові передумови: паля-шпонка розглядається як нескінченно жорсткий вертикальний стрижень, розміщений на пружній основі Фусса-Вінклера, що чинить опір зміщенням по горизонталі; зміна коефіцієнта постелі C_z з глибиною береться лінійна по трапеції; грунт під підошвою палі-шпонки розглядається як пружна основа Фусса-Вінклера, що чинить опір зміщенням по вертикалі і горизонталі; опори цим зміщенням характеризуються коефіцієнтами постелі основи C₀ і C_?; вертикальна епюра зсувного тиску взята прямокутна.

У переважній більшості випадків жорсткість поперечного перерізу палі-шпонки в протизсувній споруді досить велика, а довжина її закладання в міцні ґрунти досить мала для того, щоб у процесі розрахунку без істотних втрат для точності отримуваних результатів можна було б знехтувати деформаціями палі і вважати її нескінченно жорсткою. Встановимо вираз для визначення тиску палі-шпонки на грунт _z, згинальних моментів M_z і поперечних сил Q_z в її перерізах

;(5)

;(6)

,(7)

де K₁ і K₂ - коефіцієнти пропорційності відповідно зсувної товщі і ґрунту зони закладення палі-шпонки, тс/м⁴; - потужність зсувної товщі, м; - дійсна глибина занурення палі-шпонки (її нижнього кінця) в грунт закладання, м; z - довільна глибина від площини ковзання, м; z₀, ? - розрахункові значення відповідно глибини від площини ковзання до точки повороту в закладенні палі, м, і кут повороту палі, рад; - умовна ширина палі, м; Q₀, M₀ - розрахункові значення відповідно поперечної сили, тс, і згинального моменту, тс•м, що беруться b і ; E_зс - зсувний тиск, тс/м; b - крок паль у ряді, м; l₀ - плече докладання сили, яке визначається залежно від довжини палі у зсувній товщі l і епюри зсувного тиску (на основі проведених експериментальних досліджень в третьому розділі при l = H - трикутна епюра l₀ = 0,33 Н, при l = 0,8 H - трапецієподібна епюра l₀ = 0,39 l, при l ? 0,5 H - прямокутна епюра l₀ = 0,5 l, м).

У процесі проектування ПС з паль-шпонок однією з необхідних умов є виключення "переповзання" зсувного масиву через споруду. Для цього слід визначити висоту палі у зсувному тілі так, щоб не було зміщення ґрунту по площинах ковзання, що проходять через голови паль, тобто граничний тиск Е_гр, за якого зсувний грунт починає переповзати через споруду. Для розв'язання цієї задачі пропонується наближений інженерний підхід, коли заздалегідь відома поверхня ковзання, тобто метод реалізується з використанням теорії граничної рівноваги у рамках наближеного розв'язання. Вираз для знаходження висоти палі-шпонки h_ш визначається формулою:

.(8)

;

; ;

Величина граничного тиску на споруду Е_гр, висота якої дорівнює зсувній товщі або максимально можливому зсувному тиску у перерізі зсуву Е_{зс (max)} (при h_ш = H), визначається виразом

.(9)

При проектуванні пальових протизсувних споруд однією з необхідних є умова недопущення "продавлювання" зсувних мас між елементами конструкцій. Шуканим параметром, який слід визначити в цьому разі, буде відстань b між утримувальними елементами в плані, за якого такий "провал" не спостерігатиметься:

,(10)

де l - довжина палі-шпонки у зсувній товщі, яка в першому наближенні береться такою, що дорівнює або більша за величину h_ш, отриманою в розрахунку на "переповзання", м; k_ф - коефіцієнт форми, для круглого перерізу k_ф=0,9; d - діаметр палі-шпонки, м; Е_зс - зсувний тиск, що діє на споруду, тс/м; b - критична відстань між утримуючими елементами палі-шпонки; с - зчеплення ґрунту зсуву, тс/м²; z - глибина, на якій визначається розрахунковий опір ґрунту, м; М_с -коефіцієнт, що визначається за формулою

Рис.8. Порівняльний графік результатів розра-хунків на "продавлювання" і "переповзання" (для зсувної товщі H = 10 м): 1 - розрахунок на "переповзання"; 2 - розрахунок на "переповзання"; 3 - розрахунок на "переповзання"; 4 - розрахунок на "продавлювання"

П'ятий розділ - "Застосування протизсувних споруд з використанням паль-шпонок на практиці" - присвячений опису прикладної методики і програми розрахунку утримуючих ПС у вигляді паль-шпонок і двом прикладам їх практичного застосування. Прикладна методика розрахунку ПС у вигляді паль-шпонок умовно розподіляється на три етапи: перший етап - перевірка роботи споруди у зсувній товщі; другий етап - перевірка стійкості ґрунту закладення палі-шпонки; третій етап - визначення внутрішніх зусиль і перевірка міцності перерізів палі по опору матеріалів. На основі алгоритму була розроблена прикладна програма з використанням мови програмування C++. Результати дисертаційного дослідження були використані для проектування протизсувних споруд № 1 на території будівництва спортивно-оздоровчого центру "Єдність" у смт. Гурзуф і протизсувних споруд № 2 для групи житлових будинків (16-, 15-, 14-поверхових) у смт. Кореїз по вул. Південній (рис. 9). Ця конструкція палі-шпонки у комплексі з дренажною системою була запропонована для зміцнення схилу майданчика будівництва групи 16-, 15-, і 14-поверхових житлових будинків. Підземні води розкриті всіма свердловинами із сталим рівнем 0,5-6,5 м від поверхні землі. Характер підземних вод потоко-струменистий, з місцевим напором в окремих свердловинах. Високий рівень стояння підземних вод пояснюється локально-застійним режимом ґрунтових вод унаслідок низьких фільтраційних властивостей ґрунтів. Сейсмічність ділянки становить 8 балів. У результаті були розраховані, спроектовані і виготовлені палі-шпонки для протизсувної споруди № 2 на території спорудження групи житлових будинків. Нині ведеться їх будівництво.

Основні результати роботи й загальні висновки

У дисертаційній роботі вирішене нове науково-прикладне завдання щодо експериментально-теоретичного дослідження взаємодії паль-шпонок із зсувним ґрунтом, здійснено розробку та впровадження в будівельну практику прикладної методики та програми розрахунку паль-шпонок. На підставі отриманих результатів було сформульовано такі висновки.

1. Аналіз літературних джерел свідчить про відсутність надійних методик розрахунку елементів ПС у вигляді паль-шпонок: епюри розподілу зсувного тиску по довжині палі, характеру роботи на "переповзання" і на "продавлювання" при різних відстанях між елементами, робота палі-шпонки в закладанні на дію горизонтальних навантажень у складних ґрунтових умовах Криму та реального сейсмічного впливу. Тому існує потреба в додаткових дослідженнях.

2. Математичне моделювання НДС системи "зсувний схил-паля-шпонка" на основі метода Г.М. Шахунянца підтвердило, що наявність палі-шпонки залежно від місця її розташування приводить до підвищення коефіцієнта стійкості схилу в разі сейсмічної дії та інших зсувопровокуючих чинниках, які притаманні території Криму.

3. Розроблено методологію експериментального моделювання НДС палі-шпонки при дії зсувного навантаження, за допомогою р-теореми визначені безрозмірні критерії та масштаби моделювання.

4. Експериментальні дослідження взаємодії моделі палі-шпонки з ґрунтовим масивом у лотку засвідчили вплив її довжини в зсувній товщі на форму епюри тиску. Для моделі палі-шпонки, яка відповідає її повній довжині l = Н, відповідна епюра подібна до трикутної форми. Із зменшенням довжині моделі від l = Н до l = 0,5 Н епюра тиску еволюціонує від трикутної форми до трапецієподібної. При довжині моделі l = 0,5 Н та менше епюра тиску трансформується від трапецієподібної форми до прямокутної.

5. За підсумком експериментально-теоретичних досліджень узагальнено алгоритм, розроблено інженерну обчислювальну методику та виконано програмну реалізацію розрахунку конструкції ПС у вигляді паль-шпонок.

6. Результати роботи були використані: в додатку Е ДБН В.1.1-12:2006 "Будівництво в сейсмічних районах України", при облаштуванні ПС у вигляді паль-шпонок для території будівництва спортивно-оздоровчого центру "Єдність" у смт. Гурзуф та для групи житлових будинків у смт. Кореїз по вул. Південній.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Сильченко К. В. Свая-шпонка как элемент удерживающего противооползневого сооружения (УПС) / К. В. Сильченко // Зб. наук. пр. (галузеве машинобудування, будівництво) - Полтава : ПДТУ ім. Юрія Кондратюка, 2000. - Вип. 6. - Ч. 2. - С. 147-149.

2. Сильченко К. В. Экспериментальное исследование на моделях противооползневого сооружения в виде укороченных свай (свай-шпон) / К. В. Сильченко // Будівельні конструкції : зб. наук. пр.: в 2 кн. - К. : НДІБК, 2004. - Вип. 61. - Кн. 2. - С. 398-402.

3. Сильченко К. В. Расчет удерживающих противооползневых сооружений в виде свай-шпон на "переползание" / К. В. Сильченко // Строительство и техногенная безопасность : сб. науч. тр. - Симферополь : "Нац. акад. природоохран. и курорт. стр-ва", 2005. - Вып. 12. - С. 86-88.

4. Сильченко К. В. Расчет противооползневых сооружений в виде свай-шпон на продавливание / К. В. Сильченко // Коммунальное хозяйство городов : науч-тех- сб. - К. : Техніка, 2006. - Вып. 67. - С. 106-109. - (Серия: Техн. науки и архитектура).

5. Сильченко К. В. Метод расчета сваи-шпонки противооползневого сооружения в заделке на действие горизонтальной силы / К. В. Сильченко, Э. Я. Кильвандер, Ю. И. Калюх // Будівельні конструкції : зб. наук. пр.: в 2 кн. - К. : НДІБК, 2008. - Вип. 71.- Кн. 2. - С. 229-234.

6. Кильвандер Э. Я. Анализ учета сейсмических воздействий при расчете устойчивости склонов по "Приложению Е" в ДБН В.1.1-12:2006 "Строительство в сейсмических районах Украины" / Э. Я. Кильвандер, К. В. Сильченко, А. Н. Безгинов // Будівельні конструкції : зб. наук. пр. - К. : НДІБК, 2008. - Вип. 69. - С. 86-89.

Анотації

Сільченко К. В. Робота утримувальної протизсувної споруди у вигляді паль-шпонок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.02 - основи і фундаменти. - Державне підприємство "Науково-дослідний інститут будівельних конструкцій" Міністерства регіонального розвитку та будівництва України. - Київ, 2010.

Робота присвячена експериментально-теоретичним дослідженням взаємодії палі-шпонки із зсувним ґрунтом, розробці та впровадженню в будівельну практику прикладної методики розрахунку ПС. Вперше експериментально встановлено картину розподілу епюри зсувного тиску по лобовій поверхні для різних довжин палі-шпонки; розроблено прикладну методику розрахунку палі-шпонки на переповзання та продавлювання в зсувній товщі та в зоні її закладання в стійких ґрунтах під дією горизонтального навантаження. Узагальнено алгоритм і виконано програмну реалізацію методики розрахунку ПС у вигляді палі-шпонки. Дістали подальшого розвитку математичне моделювання НДС зсувних схилів ПС у вигляді палі-шпонки під дією сейсмічних навантажень та інших зсувопровокуючих факторів, що відповідає регіональним особливостям складних ґрунтових умов Криму.

Ключові слова: палі-шпонки, напружено-деформований стан, протизсувні споруди, зсуви, коефіцієнт стійкості, методика, регіональні особливості.

Сильченко К. В. Работа удерживающего противооползневого сооружения в виде свай-шпонок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 - основания и фундаменты. - Государственное предприятие "Научно-исследовательский институт строительных конструкций" Министерства регионального развития и строительства Украины. - Киев, 2010. Работа посвящена экспериментально-теоретическим исследованиям взаимодействия свай-шпонок (СШ) с оползающим грунтом, разработке и внедрению в строительную практику прикладной методики и программы расчета СШ.

В первом разделе приведен обзор существующих конструктивных решений удерживающих противооползневых сооружений глубокого заложения, схем и методов расчета свайных конструкций противооползневых сооружений отечественных и зарубежных ученых. Проанализированы методы расчета устойчивости склона и определения эпюры оползневого давления по высоте противооползневого сооружения; методы расчета в оползневой толще на продавливание и переползание; методы расчета в заделке свай на воздействие горизонтальных и моментных нагрузок. Указано, что применение СШ свидетельствует лишь о том, что они являются эффективным средством борьбы против оползней, но требуют дополнительного исследования и экспериментально-теоретического обоснования.

Во втором разделе проведено математическое моделирование взаимодействия сваи-шпонки удерживающего противооползневого сооружения с оползневым массивом в плоской постановке, осуществлена пошаговая оценка влияния изменения в геометрии и положении СШ на итоговый коэффициент устойчивости склона. Выполнено моделирование влияния опасных геологических явлений, характерных для сложных инженерно-геологических условий Крыма (сейсмических факторов и др.), на эволюцию коэффициента устойчивости склона с СШ. Рассмотрена р-теорема для выбора безразмерных параметров модели, критериев геометрического и кинематического подобия модели, с помощью которой в следующем разделе проведены экспериментальные исследования.

В третьем разделе на основе безразмерных критериев разработана методика экспериментальных исследований. Экспериментальная установка состоит из следующих основных частей: стальной неподвижной удерживающей конструкции; подвижного бездонного лотка, который может перемещаться по деревянному основанию. Для эксперимента была разработана конструкция модели сваи из оргстекла, позволяющая производить замеры давления и изгибающих моментов по её высоте. Оценена интегральная погрешность измерений для экспериментальной установки. Основу математической модели формирования погрешности результата измерения составляет математическая модель формирования результата измерения. В результате расчетов получено среднеквадратическое отклонение результата единичного измерения. Вклад этой погрешности был учтен при оценке интегральной погрешности единичного эксперимента, которая варьировалась от 8 до 14 % (в зависимости от длины модели сваи-шпонки, условий нагружения и других факторов). В условиях более медленного загружения все деформации грунта успевают полностью реализоваться; в условиях быстрого загружения развитие деформаций отстаёт от развития напряжений и зона деформаций имеет меньшее распространение. Было проведено 5 видов лабораторных испытаний с четырехкратным повторением: сдвига лотка без модели и сдвигов с моделью при изменении её длины: 30, 24, 15 и 9 см. Число только базовых опытов равно 20. Четвертый раздел посвящен методологии и практике расчета противооползневых сооружений с использованием СШ на основе экспериментально-теоретических исследований разд. 3. Приведен расчет СШ в заделке на действие горизонтальной силы. Определена высота СШ в оползневом теле так, чтобы не было смещения грунта по плоскостям скольжения, проходящим через головы свай, т.е. исключая переползание через СШ. Рассчитано расстояние b между СШ в плане, при котором "продавливание" оползневых масс между ними будет исключено.

В пятом разделе изложена прикладная методика расчета СШ, которая на стадии проектирования позволяет поэтапно определить их параметры (диаметр, длину в оползневой толще и заделке, шаг свай-шпонок, усилия для подбора арматуры). Приведены практические примеры спроектированных противооползневых сооружений из СШ для территории строительства спортивно-оздоровительного центра "Единство" в пгт. Гурзуф и для группы жилых домов (16-, 15-, и 14- этажных) в пгт. Кореиз по ул. Южной, которые в настоящий момент выполнены и введены в эксплуатацию.

Ключевые слова: сваи-шпонки, напряженно-деформированное состояние, противооползневые сооружения, оползни, коэффициент устойчивости, методика, региональные особенности.

Silchenko K.V. Work of landslide retaining structure which consists of short piles - The manuscript.

Technical Science candidate's thesis on specialty 05.23.02 - Bases and Foundations. - The State Enterprise “Research Institute of Building Constructions” of Ministry of regional development and construction of Ukraine. - Kyiv, 2010.

Dissertation work is devoted to experimental and theoretical study of short pile interaction with sliding soil; development and implementation of this type of landslide retaining structures to construction practices of Crimea. For the first time the distribution diagram of landslide pressure on the frontal surface of the short pile with it different lengths experimentally established. There is developed the applied calculation method for short piles on creeping and punching in landslide depth and in area of short piles installation in stable soils under action of horizontal loading. Algorithm is summarized and program for implementation of calculation method for retaining structures as short piles is elaborated. Mathematical modeling of stress-strain state for landslide slopes with using of retaining structures as short piles under action of seismic loads and other factors provoking landslide (it corresponds to regional features of complex soil conditions in Crimea) are got a further development.

Keywords: short pile, stress-strain state, landslide retaining structure, landslide, stability coefficient, method, regional features.

Размещено на Allbest.ru