Об оценке оползневых давлений при расчетах устойчивости склонов

Активное освоение оползнеопасных терри­торий для строительства промышленных и гражданских зданий и сооружений предполагает проведение инженерных мероприятий, направленных на обеспечение их устойчивости. Разнообразие, сложность и многофакторность оползневого процесса делают задачу разработки и внедрения передовых методик инженерной защиты архиважной. При проектировании любых противооползневых мероприятий, при строительстве на неустойчивых склонах работы следует начинать с оценки степени их устойчивости. При использовании аналитических (традиционных) [15][19][20] методов расчета такая оценка производится путем вычисления коэффициента устойчивости (К_у), который характеризуется отношением сил и/или моментов, удерживающих массив грунта, к силам и/или моментам, сдвигающим этот массив. В советской, а затем и российской практике для проектирования противооползневых мероприятий нередко требуется определять величину оползневого давления. Однако с внедрением в практику расчетов устойчивости склонов зарубежных методик и основанного на них программного обеспечения возник вопрос: возможно ли определение оползневого давления на их основе и какие существуют дополнительные подходы для расчетов и обоснования сооружений инженерной защиты на оползневых и оползнеопасных склонах?

Целью данного исследования являлось рассмотрение существующих методик оценки оползневых давлений и их сравнительный анализ.

Объекты и методы

1.1. Объект исследования

Сахалинскую область по количеству проявления оползневых процессов следует отнести к одному из наиболее проблемных регионов России. В настоящий момент изучение оползневых процессов на Сахалине происходит в связи с необходимостью безопасной эксплуатации нефте- и газопроводов [1][4]. В частности, значительная часть трассы трубопроводной системы «Сахалин-2», расположенная в Макаровском районе Сахалинской области, поражена оползневыми процессами.

Оползневые явления на участке исследований представлены блоковыми оползнями мощностью до 15 м. захватывающими, как правило, весь склон.

По морфологии оползневого тела — это циркообразные либо фронтальные, вытянутые вдоль склона, с четко выраженными бровками срыва и оползневыми ступенями.

Боковая эрозия в русле притока р. Лазовая значительно увеличивает интенсивность оползневого процесса. При подмыве нижних частей склонов развитие оползней носит регрессивный характер, и, зародившись в подножии склонов, такие оползни со временем могут достигать гребней водораздела.

1.2. Методы исследования

Большинство из существующих методов расчета оползней было разработано для вычисления коэффициента устойчивости склона. Затем эти расчеты преобразовывались для определения так называемого оползневого давления, т.е. давления, передающегося от неустойчивых грунтовых масс оползневого склона. При этом для проектирования противооползневых удерживающих конструкций разработаны способы построения эпюры оползневого давления по протяженности оползня [12].

Из всех существующих в настоящее время методов расчета рассмотрим: аналитический метод Г.М. Шахунянца [23], методы предельного равновесия [6] и расширенный метод предельного равновесия [6].

Метод Г.М. Шахунянца представляет наибольший интерес из всех подходов к расчету устойчивости склонов, относящихся группе методов [15][19][20], основанных на сложении сил, действующих на границе отсеков. Это связано со следующими причинами: он является наиболее строгим, так как в нем удовлетворяется условие предельного равновесия для всего оползневого блока; он чрезвычайно популярен в отечественной практике расчетов устойчивости; расчет оползневых давлений составляет суть данного метода. В классической постановке при расчетах оползневого давления положение наиболее опасной поверхности скольжения принимается уже установленным.

При расчетах устойчивости склона или оползневого давления в рассматриваемом методе сползающий грунтовый блок членится вертикальными линиями на ряд сегментов. Обычно сегменты принимаются такими, чтобы без потери точности можно было в их пределах принимать поверхность за плоскость, а сдвиговые характеристики грунтов в пределах каждого сегмента по его основанию были одинаковы.

Подробный алгоритм расчета приведен в работах [13][16][24].

На рисунке 1 показана расчетная схема с разделением массива на отдельные блоки.

Коэффициент устойчивости всего оползневого блока, рассчитанный по методу Шахунянца, составил 1,13.

1.3. Методы предельного равновесия

В отечественной практике расчетов устойчивости склонов существует ошибочное мнение [9][10][14], что на основе методов предельного равновесия возможно определить оползневое давление. Интересно отметить, что разработчики методов предельного равновесия вполне понимали не реалистичность расчетных значений сил, действующих на границе сегментов. Моргенштейн и Прайс (1978) [8]писали, что одно из применений «…коэффициента устойчивости заключается в измерении среднего напряжения при сдвиге, мобилизованного в склоне». Далее они утверждали: «Это напряжение нельзя путать с фактически давлением». К сожалению, иногда, по мере внедрения методов в практику, эти основные моменты забывают.

Все методы предельного равновесия требуют итеративных техник для определения К_у. Они обязательно должны отвечать двум критериям, а именно:

• многоугольник сил в каждом сегменте должен быть замкнут (для соблюдения условия равновесия);
• коэффициент устойчивости склона равен К_у в каждом из сегментов потенциального оползневого тела.

Вышесказанное значит, что силы, действующие на границе сегментов, представляют не фактические силы, из которых складывается оползневое давление, они в процессе расчета перераспределяются таким образом, чтобы удовлетворять описанным выше критериям, обеспечивающим выполнение условия предельного равновесия. Достаточно просто можно убедиться, что метод Г.М. Шахунянца этим критериям не удовлетворяет.

Таким образом, применение методов предельного равновесия недопустимо для определения оползневого давления. Достаточно очевидно, что определение коэффициента устойчивости недостаточно для проектирования противооползневых сооружений (один и тот же К_у могут иметь и оползень-оплывина размером несколько кубических метров, и грандиозный оползень объемом в кубический километр). Означает ли это, что результаты, полученные на основе методов предельного равновесия, бесполезны для проектирования инженерной защиты? Ответ на поставленный вопрос — нет, не означает! Для разработки противооползневых мероприятий и оценки величины сдвигающей силы, которую надо компенсировать для обеспечения устойчивости склона с заданным К_у, в методах предельного равновесия применяется анализ дефицита удерживающих сил или, в зарубежной терминологии, — обратный анализ (данный подход не следует путать с термином «обратный анализ» в российской практике расчетов устойчивости склонов).

Обратный анализ использует уравнения предельного равновесия. Однако, вместо того чтобы рассчитывать коэффициент устойчивости (величина К_у задается заранее), определяется сила, необходимая для достижения указанного коэффициента устойчивости. На первом этапе для каждой потенциальной поверхности скольжения с К_у меньшим заданного уровня определяется величина удерживающей силы, необходимая для достижения заданного коэффициента устойчивости. На втором этапе определяется поверхность скольжения, для которой требуется максимальная удерживающая сила. Определение положения такой поверхности скольжения и величины максимальной удерживающей силы являются результатами обратного анализа, которые могут быть использованы для проектирования противооползневых сооружений.

На рисунке 2 приведен результат обратного анализа для исследуемого склона, выполненный методом Янбу [5]. Анализ выполненного расчета показывает, что рассчитанный К_у склона — 1,1. Для достижения заданного К_у = 1,2 необходимо увеличить удерживающие силы на 412кН.

Коэффициент устойчивости всего оползневого блока, рассчитанный по методу Янбу, составил 1,10.

1.4. Расширенный метод предельного равновесия [6]

Методы предельного равновесия основаны на принципе статики, т.е. комбинации моментов, вертикальных и горизонтальных сил. Однако они имеют ряд существенных недостатков, главными из которых являются следующие:

• методы предельного равновесия статически не определены и для решения системы уравнений требуются дополнительные допущения [22];
• они не удовлетворяют критерию неразрывности напряжений и деформаций [15].

Существенным фактором, влияющим на развитие оползней, является напряженно-деформированное состояние склона [9][11][15][17][21]. В настоящее время существуют две группы методов, которые используют результаты конечно-элементного анализа для определения напряженно-деформированного состояния с последующим расчетом коэффициента устойчивости склонов. К первой группе относится расширенный метод предельного равновесия [7]. В нем на основе линейного упругого анализа осуществляется расчет напряженного состояния склона. Ко второй группе относится упруго-пластичный анализ снижения прочности (Strength Reduction method) [3]. Следует заметить, что оба метода (как на основе упругой модели, так и на основе упруго-пластичной модели) дают близкие результаты [2]. В данном исследовании был использован расширенный метод предельного равновесия.

В 1969 г. Kulhawy сформулировал подход, позволяющий объединить методы предельного анализа и метод конечных элементов, и назвал его «Расширенный метод предельного равновесия». Процедура анализа следующая:

На первом этапе, необходимо определить распределение напряжений в склоне методом конечных элементов.

На втором этапе значения напряжений, рассчитанные методом конечных элементов, импортируются в традиционный расчет по методу предельного равновесия. Напряжения σ_х, σ_y и τ_xy известны для каждого узла конечно-элементной сетки, с помощью этой информации можно просчитать значения силы сдвига в средней точке основания для каждого сегмента. Принципиальная схема представлена на рисунке 3.

Коэффициент устойчивости рассчитывается по следующей формуле [7]:

Ку = ΣSr / ΣSm,

где Sr — прочность грунтов на сдвиг; Sm — мобилизованная сдвигающая сила.

Наиболее существенным преимуществом рас­ширенного метода предельного равновесия в сравнении с традиционными [11][15][19] методами расчета является тот факт, что он является статически определенным и не нуждается в каких-либо дополнительных допущениях. Следствием этого является тот факт, что, в отличие от методов предельного равновесия, К_у в сегментах, на которые разбито потенциальное оползневое тело, не является постоянной величиной, что, в свою очередь делает возможным построение эпюры оползневых давлений вдоль поверхности скольжения.

На рисунке 4 приведены результаты расчета устойчивости исследуемого склона расширенным методом предельного равновесия.

Коэффициент устойчивости всего оползневого блока, рассчитанный по расширенному методу предельного равновесия, — 1,08, что достаточно хорошо согласуется с результатом, полученным методами Янбу (К_у — 1,1) и Шахунянца (К_у — 1,13).

Результаты и обсуждение

Целью данного исследования являлось рассмотрение существующих методик оценки оползневых давлений и их сравнительный анализ. По этой причине наибольший интерес представляет сравнение данных по оползневым давлениям, полученных расширенным методом предельного равновесия и методом Шахунянца. Графики распределения оползневого давления вдоль поверхности скольжения, полученные данными методами, приведены на рисунке 5.

Анализ графиков оползневого давления показывает, что общая тенденция изменения оползневого давления вдоль поверхности скольжения в обоих методах достаточно близкая. Так же хорошо согласуются устойчивые и неустойчивые части потенциального оползневого тела. Однако абсолютные величины оползневого давления имеют большой разброс, при этом метод Г.М. Шахунянца дает, как правило, существенно завышенные значения. В таблице 1 приведено различие, рассчитанное в процентах от среднего между критическими точками, полученными методом Г.М. Шахунянца и расширенным методом предельного равновесия. Из таблицы видно, что различие может достигать 185%.

Заключение

На сегодняшний день в российской практике оценки устойчивости склонов наиболее распространенными подходами для расчета оползневого давления, рекомендованными к использованию [12][14][16], являются метод Г.М. Шахунянца и методы предельного равновесия. Основным выводом выполненного исследования является нецелесообразность использования метода Г.М. Шахунянца и недопустимость использования методов предельного равновесия для расчета оползневого давления с целью проектирования сооружений инженерной защиты.

Лучшим вариантом для расчета подобных задач является использование расширенного метода предельного равновесия. Однако данный подход в российской практике практически не используется. Как альтернативу можно рекомендовать основанный на методах предельного равновесия анализ дефицита удерживающих сил (в зарубежной терминологии — обратный анализ).