THE CHOICE OF THE BEST OPTION FOR THE STABILITY OF SLOPE CONSISTING OF CLAYSTONE

Abstract


In the article the problem of ensuring the stability of buildings and construction on slopes. Incorrect assessment of slope stability can lead to an emergency situation, which in dense housing can affect existing buildings that were previously in a stable state. At the present time for stability prediction the slope stability is widely used finite element method, implemented in a variety of software systems. The aim of the study was to select the optimal solution for ensuring the stability of a slope composed of claystones. The authors solved the following tasks: review of questions to ensure slope stability is completed; the patent search is carried out and results are analyzed; the analysis of archive data of reports on the investigated object is made; the initial data for calculations and numerical simulation in the Plaxis 2D software package were determined; factors that significantly influenced the formation of an emergency situation at the research object are identified based on the results of the first series of numerical experiments; the optimal technology for slope stability is selected based on the results of the second series of numerical experiments. Claystones of the Early Permian age take part in the geological structure of the territory of Perm city, the bearing capacity of which decreases with water saturation. This can lead to loss of stability of the slope, composed of argillite-like clays, which was confirmed by the results of the first series of numerical experiments. As a result of the second series of numerical experiments, the most rational of the methods considered to ensure the stability of the slope was a method using two rows of soil-cement piles located in different parts of the slope.

Full Text

На территории г. Перми расположено более 30 малых рек с притоками, а также множество природных и антропогенных оврагов, вдоль которых находятся жилые районы города. В настоящее время эти территории активно застраиваются. Важным этапом проектирования зданий и сооружений вблизи склонов является анализ устойчивости склона. Некорректная оценка устойчивости склона может привести к возникновению аварийной ситуации и вывести склон из устойчивого состояния. Целью данного исследования являлся выбор оптимального решения по обеспечению устойчивости склона, сложенного аргиллитоподобными глинами, в г. Перми. Для достижения поставленной цели авторами решены следующие задачи: 1) выполнен обзор изученности вопроса обеспечения устойчивости склонов, применяемых методов расчетов устойчивости склонов; 2) произведен анализ архивных данных отчетов по исследуемому объекту, определены исходные данные для постановки численных экспериментов в программном комплексе Plaxis 2D; 3) по результатам первой серии численных экспериментов определены факторы, оказавшие наибольшее воздействие на устойчивость склона, сложенного аргиллитоподобными глинами; 4) по результатам второй серии численных экспериментов выбрана оптимальная технология обеспечения устойчивости склона, сложенного аргиллитоподобными глинами; 5) сформулированы выводы по численному моделированию устойчивости склона, сложенного аргиллитоподобными глинами. 1. Обзор существующих методов определения устойчивости склона В соответствии с требованиями ОДМ 218.2.006-2010 коэффициентом устойчивости склона является отношение суммы всех сил, удерживающих откос в равновесии, к сумме всех сдвигающих сил, стремящихся вывести склон его из равновесия. Склон считается устойчивым при выполнении условия, при котором коэффициент устойчивости склона, рассчитанный с учетом коэффициента надежности, больше единицы. Если же значение коэффициента устойчивости приблизительно равно единице, то данный склон находится в состоянии предельного равновесия. Для оценки устойчивости склонов в настоящее время широко применяются численные методы расчетов, реализованные в программных комплексах. Вопросами расчета устойчивости склонов в разные годы занимались А.Н. Богомолов [1], В.Н. Бухарцев [2, 3], А.В. Жабко [4], А.Л. Новодзинский [5], И.А. Маслов [6], М.П. Саинов [7], E. Alonsoa [8], M. Ashour [9], F. Cai [10], P. Miscevic [11], I. Öge [12], J. Won [13]. При расчете большое внимание следует уделять значениям входных параметров, особенно прочностных свойств грунтов. Необходимо учитывать, что некоторые разновидности грунтов, например аргиллитоподобные глины, способны изменять свои прочностные свойства при атмосферном выветривании и водонасыщении. В исследованиях А.Б. Пономарева и Е.Н. Сычкиной [14], А.А. Тимшиной [15] было доказано, что при взаимодействии аргиллитоподобных глин с водой происходит их размягчение. Таким образом, проблема устойчивости обводненных склонов, сложенных аргиллитоподобными глинами, в настоящее время является актуальной и требует разработки рациональных решений по устранению аварийных ситуаций. 2. Исходные данные и методика численных экспериментов для оценки устойчивости склона Для выполнения численных расчетов был выбран пятиэтажный кирпичный жилой дом, расположенный вблизи склона, в г. Перми. Фундамент - свайный с монолитным ростверком. Основанием фундамента здания являются аргиллитоподобные глины. Склон закреплен при помощи подпорной стенки длиной 21,30 м, выполненной из железобетона и усиленной пятью контрфорсами, в среднем через каждые 4 м. В качестве фундамента выступают железобетонные сваи, расположенные под контрфорсами кустами по 3 сваи. Уже в период строительства здания были выявлены признаки разрушения подпорной стенки, удерживающей склон. В результате проведения уточняющих инженерно-геологических изысканий было установлено наличие горизонта техногенных вод в аргиллитоподобных глинах под фундаментом и в теле насыпного грунта за подпорной стенкой, а также существенные изменения значений прочностных характеристик аргиллитоподобных глин в худшую сторону. Некоторые значения физических и прочностных характеристик аргиллитоподобных глин сведены в таблицу. Характеристики аргиллитоподобной глины Characteristics of claystone Год инженерно-геологических изысканий Плотность, г/см3 Влажность, д.е. Коэффициент водонасыщения, д.е. Удельное сцепление, кПа Угол внутреннего трения, град 1989 г. 1,80 0,19 0,66 25,0 32 2000 г. 1,82 0,28 0,81 3,4 20 В соответствии с данными, приведенными в таблице, можно утверждать, что при взаимодействии аргиллитоподобных глин с водой происходит ухудшение значений прочностных характеристик: снижение значения удельного сцепления - примерно в 7 раз, а угла внутреннего трения - более чем в 1,5 раза. Созданию аварийной ситуации также способствовало еще несколько дополнительных факторов: 1) смещение здания и подпорной стенки в ходе строительства в сторону бровки склона на 10 м; 2) отсутствие организованного стока поверхностных и подземных вод с территории, засыпка естественных дрен и строительство подпорной стенки без дренажа; 3) утечки вод из водонесущих коммуникаций. Сочетание перечисленных факторов привело к снижению коэффициента устойчивости склона на 10 %. Для выполнения численных экспериментов по устранению сложившейся аварийной ситуации был использован метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе Plaxis 2D. Нагрузка от существующего здания была принята равной 110 кН/м2 и задавалась равномерно распределенной. Для подпорной стенки и ее элементов использовалась модель материала Linear Elastic, для которой были приняты характеристики в соответствии с требованиями СП 63.13330.2012. Для контрфорсов и свай модуль упругости задавался с учетом частоты распределения данных элементов по длине подпорной стенки: для контрфорсов - 2322 кН/м2, для свай - 2111 кН/м2. Всего в данной работе было выполнено две серии численных экспериментов: - первая серия - для оценки степени влияния различных факторов на устойчивость склона, сложенного аргиллитоподобными глинами; - вторая серия - для оценки эффективности закрепления склона различными методами и выбора наиболее оптимального из них. Первая серия численных экспериментов состояла из четырех экспериментов, в которых заданы следующие исходные данные: - проектное расположение здания и подпорной стенки (эксперимент № 1.1), подземные воды отсутствуют; - проектное положение здания и подпорной стенки, аргиллитоподобная глина обводнена (эксперимент № 1.2); - здание смещено ближе к бровке склона на 10 м, подземные воды отсутствуют (эксперимент № 1.3); - здание смещено ближе к бровке склона на 10 м, аргиллитоподобная глина обводнена (эксперимент № 1.4). Расчетные схемы для проведения второй серии экспериментов приведены на рис. 1. В рамках второй серии экспериментов были смоделированы следующие варианты закрепления склона: - анкерное крепление существующей подпорной стенки за стабильный массив грунта (рис. 1, а), количество анкеров - 2, длина анкерных тяг - 15 м, грунтоцементных анкеров - 3 м, шаг анкеров - 2 м (эксперимент 2.1); - анкерное крепление существующей подпорной стенки за стабильный массив грунта (рис. 1, б), количество анкеров - 4, длина анкерных тяг - 20 м, грунтоцементных анкеров - 3 м, шаг анкеров - 2 м (эксперимент 2.2); - анкерное крепление подпорной стенки с усилением ее фундамента, при этом конструкция анкеровки соответствует конструкции, приведенной в эксперименте 2.1, однако здесь изменена конструкция фундамента подпорной стенки (рис. 1, в): диаметр свай увеличен до 1,5 м, длина - до 15 м (эксперимент 2.3); - струйная цементация грунтов по технологии Jet-1 (рис. 1, г), примерный радиус цементации в суглинках принят 0,5 м, грунтоцементные элементы расположены вдоль здания в 3 ряда, ближний к подпорной стенке ряд длиной 8 м, наклонный ряд длиной 10 м (эксперимент 2.4); - струйная цементация грунтов по технологии Jet-1 (рис. 1, д), но, в отличие от эксперимента 2.4, отсутствовал наклонный ряд грунтоцементных элементов, также длина грунтоцементных элементов, удаленных от подпорной стенки, уменьшена до 10 м (эксперимент 2.5); - струйная цементация грунтов по технологии Jet-1 (рис. 1, е), расположение рядов грунтоцементных элементов принято аналогично эксперименту 2.5, длина ряда, ближнего к подпорной стенке, составила 8 м, второго ряда - 10 м (эксперимент 2.6); - струйная цементация грунтов по технологии Jet-1, расположение рядов грунтоцементных элементов принято аналогично эксперименту 2.5, но смоделирована потеря устойчивости подпорной стенки (эксперимент 2.7). а б в г д е Рис. 1. Расчетные схемы численных экспериментов второй серии: а - эксперимент № 2.1; б - эксперимент № 2.2; в - эксперимент № 2.3; г - эксперимент № 2.4; д - эксперимент № 2.5; е - эксперимент № 2.6 Fig. 1. Calculation schemes of numerical experiments of the second series: а - experiment № 2.1; b - experiment № 2.2; c - experiment № 2.3; d - experiment № 2.4; e - experiment № 2.5; f - experiment № 2.6 3. Результаты численных экспериментов По результатам первой серии численных экспериментов, наибольшее влияние на устойчивость склона, сложенного аргиллитоподобными глинами, оказало смещение положения здания ближе к бровке склона. Негативное влияние также оказало обводнение грунтов склона. Расчеты показали, что одна лишь реконструкция подпорной стенки не устранит аварийную ситуацию, кроме того, для предотвращения повторного обводнения склона необходимо предусмотреть устройство дренажной системы. Результаты расчетов эксперимента 2.1 и 2.2 приведены на рис. 2, а и рис. 2, б соответственно. а б Рис. 2. Перемещения для случаев анкеровки склона: а - эксперимент 2.1; б - эксперимент 2.2 Fig. 2. Moves for slope anchoring cases, where: a - experiment № 2.1; b - experiment № 2.2 Из рис. 2 видно, что в случае численных экспериментов по закреплению склона анкерами склон не обладает достаточным запасом устойчивости. В результате эксперимента 2.1 было определено, что увеличение глубины анкеровки не даст положительного эффекта, а эксперимент 2.2 показал, что реконструкция фундамента подпорной стенки также не позволит удержать склон в стабильном состоянии. Моделирование численных экспериментов 2.3 и 2.4 показало, что применение грунтоцементных свай обеспечивает устойчивость склона (значения коэффициента устойчивости составили 1,25 и 1,29 соответственно). Численный эксперимент 2.4 показал, что без устройства наклонного ряда грунтоцементных свай склон также будет обладать достаточной устойчивостью. Однако за крайним рядом грунтоцементных элементов наблюдаются перемещения (рис. 3). Эксперимент 2.5 (рис. 3, в) показал, что деформации затрагивают здание, и устойчивость всех конструкций не обеспечивается. Последний эксперимент - 2.6, при котором в случае укрепления склона грунтоцементными элементами дополнительно моделировалось разрушение существующей подпорной стенки, показал, что за счет выполаживания склона, а также применения грунтоцементных элементов коэффициент запаса устойчивости склона составит 2,29. Возможные перемещения при данном способе закрепления затрагивали только поверхностный слой насыпного грунта. В результате выполненных численных экспериментов в программном комплексе Plaxis 2D наиболее оптимальным вариантом для закрепления исследуемого откоса является использование двух рядов из грунтоцементных свай, расположенных в разных частях склона: первый ряд грунтоцементных свай длиной 8 располагается на расстоянии 1,9 м от существующей подпорной стенки; второй ряд грунтоцементных свай с длиной элементов 10 м расположен на расстоянии 32,4 м от существующей подпорной стенки. Шаг грунтоцементных а б в г Рис. 3. Перемещения при закреплении склона струйной цементацией: а - численный эксперимент 2.3; б - численный эксперимент 2.4; в - численный эксперимент 2.5; г - численный эксперимент 2.6 Fig. 3. Displacements when fixing the slope by jet cementation: a - numerical experiment 2.4; b - numerical experiment 2.5; c - numerical experiment 2.6; d - numerical experiment 2.7 элементов принят равным 0,5 м. Второй ряд грунтоцементных свай выполняет сразу две функции: противооползневой защиты и противофильтрационной завесы. Поэтому вблизи второго ряда необходимо предусмотреть устройство глубинного дренажа. Таким образом, авторами обосновано, что в результате проведения предложенных мероприятий по закреплению обеспечивается достаточная надежность склона, необходимая для возобновления эксплуатационных свойств 5-этажного жилого здания и безопасного использования жилых зданий, расположенных на прилегающих территориях Выводы 1. При взаимодействии аргиллитоподобной глины с водой происходит ухудшение значений ее прочностных характеристик: снижение значения удельного сцепления примерно в 7 раз, угла внутреннего трения - более чем в 1,5 раза. 2. В качестве основных причин потери устойчивости исследуемого склона можно выделить: 1) возведение здания вблизи бровки склона; 2) отсутствие дренажной системы подпорной стенки; 3) изменение значений прочностных характеристик аргиллитоподобных глин в связи с насыщением подземными водами. 3. По результатам выполненных численных экспериментов можно рекомендовать использовать в качестве мероприятий для обеспечения устойчивости исследуемого склона два ряда из грунтоцементных элементов: ближний к подпорной стенке ряд грунтоцементных элементов устраивается на глубину 8 м, второй ряд грунтоцементных элементов устраивается на глубину 10 м.

About the authors

E. N Sychkina

Perm National Research Polytechnic University

A. A Timshina

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Расчет устойчивости откосов и проектирование противооползневых сооружений [Электронный ресурс] / А.Н. Богомолов [и др.] // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Серия: Строительная информатика. - 2012. - № 8(24). - 21 с. - URL: www.vestnik.vgasu.ru (дата обращения: 27.11.2017).
  2. Бухарцев В.Н. Общий метод расчета устойчивости грунтовых откосов в рамках плоской задачи // Гидротехническое строительство. - 1983. - № 11. - С. 28-32.
  3. Бухарцев В.Н. К определению расчетных значений параметров прочности грунтов // Гидротехническое строительство. - 2006. - № 6. - С. 27-30.
  4. Жабко А.В. Основы общей теории расчета устойчивости откосов // Известия УГГУ. - 2013. - № 4 (32). - С. 47-58.
  5. Леханова К.В., Новодзинский А.Л. Сравнение численных и аналитических методов расчета устойчивости грунтовых откосов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2011. - № 1. - С. 45-50.
  6. Маслов И.А. Аналитический метод расчета устойчивости откосов // Гидротехническое строительство. - 1989. - № 12. - С. 9-14.
  7. Саинов М.П. Методика расчета устойчивости откосов по пространственным поверхностям скольжения в виде эллипсоида вращения // Вестник МГСУ. - 2013. - № 4. - С. 188-200.
  8. Alonsoa E., Pinyol N., Yerroa A. Mathematical modelling of slopes // Procedia Earth and Planetary Science. - 2014. - № 9. - P. 64-73.
  9. Ashour M., Ardalan H. Analysis of pile stabilized slopes based on soil-pile interaction // Computers and Geotechnics. - 2012. - № 39. - P. 85-97. doi: 10.1016/j.compgeo.2011.09.001/
  10. Cai F., Ugai K. Numerical analysis of the stability of a slope reinforced with piles // Soils and foundations. - 2011. - № 40. - P. 73-84.
  11. Miscevic P., Vlastelica G. Impact of weathering on slope stability in soft rock mass // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. - 2014. - Vol. 6, iss. 3. - P. 240-250. doi: 10.1016/j.jrmge.2014.03.006
  12. Öge I. Investigation of design parameters of a failed soil slope by back analysis // Engineering Failure Analysis. - 2017. - Vol. 82. - P. 266-279. doi: 10.1016/j.engfailanal.2017.08.009/
  13. Coupled effects in stability analysis of pile-slope systems / J. Won [et al.] // Computers and Geotechnics. - 2005. - № 32. - P. 304-315. doi: 10.1016/j.compgeo.2005.02.006
  14. Ponomaryov A., Sychkina E. Analysis of strain anisotropy and hydroscopic property of clay and claystone // Applied Clay Science. - 2015. - Vol. 114. - P. 61-169. doi: 10.1016/j.clay.2015.05.023
  15. Тимшина А.А., Сычкина Е.Н. К вопросу обеспечения устойчивости склонов, сложенных аргиллитоподобными глинами // Master’s journal. - 2016. - № 1. - С. 296-305.

Statistics

Views

Abstract - 74

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2018 Sychkina E.N., Timshina A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies