Программа оценки устойчивости склонов мезорельефа на подрабатываемых территориях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Программа оценки устойчивости склонов мезорельефа на подрабатываемых территориях

ВВЕДЕНИЕ

мезорельеф склон программа

Территория значительной части Донецкого бассейна характеризуется мезорельефом, т.е. крупными формами рельефа с амплитудами высот до нескольких десятков метров. Достаточно характерной в этом отношении является территория Центрального района Донбасса и Восточного Донбасса, где практически повсеместно наблюдаются холмистый рельеф, повышенная крутизна склонов холмов, разветвленная структура лощин (типа балок).

Жилая и промышленная застройка территорий с мезорельефом, в особенности на его склонах, уже содержит определенные риски возникновения склоновых подвижек и оползневых проявлений. Подработка склонов мезорельефа подземными горными работами многократно увеличивает эти риски. Этому способствует и изменение физико-механических свойств грунтов на этих склонах вследствие увеличения их влажности из-за подъема уровня подземных грунтовых вод. Все указанные факторы могут проявляться как по отдельности, так и совместно.

При совместном их проявлении доминирующий фактор возникновения склоновых подвижек может маскироваться другими факторами и относиться на их счет. Известны случаи, когда разрушение зданий, построенных на крутых склонах, вследствие перехода склонов в неустойчивое состояние, упорно приписывалось вредному влиянию шахтной подработки и от горного предприятия требовали компенсации понесенных убытков. В связи с неуклонным ростом юридической образованности населения есть основания ожидать, что количество таких претензий к горным предприятиям будет только возрастать.

Учитывая указанные выше факторы, следует признать, что разработка надежного и эффективного метода расчета устойчивости склонов мезорельефа на подрабатываемых территориях является актуальной научно-технической задачей.

1.АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ СКЛОНА

В массиве, ограниченном склоном, под влиянием сил тяжести грунт стремится сдвинуться вниз и в сторону склона. В работах Березанцева В.Г. [1], Соколовского В.В. [2], Фисенко Г.Л. [3], Цытовича Н.А. [4] и других авторов устойчивость склона определяется по соотношению величины сопротивления грунта сдвигу к величине касательных напряжений с помощью теории сыпучей среды, которая позволяет охарактеризовать напряженное состояние в любой точке массива склона.

В работах Маслова Н.Н. [5, 6] изложен метод "устойчивого откоса", который оказался наиболее простым и надежным и получил широкое распространение в инженерной практике при проектировании выемок и насыпей, а также при проверке устойчивости естественных склонов [7, 8].

Сравнение расчетных значений углов откосов, приведенное в работе [3] и отраженное на рис. 1, показало, что методы Маслова Н.Н. и Соколовского В.В. в большом диапазоне дают результаты, которые хорошо согласуются между собой. Определение углов откосов производилось при следующих исходных данных: коэффициент запаса устойчивости откоса k_зап = 2; высота откоса Н = 300 м;, угол внутреннего трения = 30; удельное сцепление грунта С = 100 т/м²; объемный вес = 2,5 т/м³.

Рис.1 - Сравнение углов откоса, рассчитанных разными методами: 1 - по Цимбаревичу; 2 - по Жаки; 3 - по Феллениусу; 4 - по Фисенко (плоский откос); 5 - по Соколовскому и Галушкевичу; 6 - по Маслову

Из всех известных методов оценки устойчивости склонов в настоящее время наибольшее распространение в нашей стране получили метод "устойчивого откоса" (метод Маслова Н.Н.) и метод кругло-цилиндрических поверхностей скольжения (метод Соколовского В.В.). Поэтому разработка программы оценки устойчивости склонов мезорельефа была сосредоточена на этих двух методах.

Главной характеристикой устойчивости склона является значение коэффициента запаса устойчивости k_зап, что отражено в основных нормативных документах [8, 9, 10]. Оценка устойчивости склона производится, исходя из следующих условий:

если k_зап 1, то склон находится в неустойчивом состоянии;

если k_зап в пределах 1, то склон находится в состоянии предельного равновесия;

если k_зап > 1, то склон находится в устойчивом состоянии.

В методе "устойчивого откоса" величина коэффициента запаса устойчивости склона k_зап для несвязанного грунта определяется по формуле

, (1)

а для связанного грунта - по формуле:

, (2)

где - угол внутреннего трения грунта; - угол падения склона; _р - угол сопротивления грунта сдвигу.

Связным является грунт, особенность строения которого обусловлена количественным соотношением частиц, обеспечивающих его целостность. К связным грунтам относятся: супесь, суглинок, глина.

Несвязный грунт состоит из частиц размерами от 0,05 до 200 мм. К несвязным грунтам относятся: галька, щебень, гравий, дресва, песок, пыль.

Величина угла сопротивления грунта сдвигу определяется по формуле:

, (3)

где - вертикальная естественная нагрузка; С - удельное сцепление; - объемный вес; h - глубина расположения рассматриваемого сечения.

В методе "устойчивого откоса" массив склона разделяется в соответствии со стратиграфией пород на ряд горизонтальных слоев (рис.2). Для каждого слоя определяются следующие исходные данные: средняя глубина расположения слоя h; удельное сцепление C; угол внутреннего трения грунта ; угол падения склона б_скл; объемный вес .

Рис. 2 - Расчетная схема для метода "устойчивого откоса"

Затем производится вычисление коэффициента запаса устойчивости для каждого слоя в следующей последовательности:

- вертикальная естественная нагрузка ;

- тангенс угла внутреннего трения tg;

- отношение удельного сцепления к вертикальной естественной нагрузке (C/p_o);

- тангенс угла сопротивления грунта сдвигу ;

- коэффициент запаса устойчивости склона k_зап = tg / tgб.

Устойчивость всего склона оценивается по минимальной величине коэффициента устойчивости для каждого из слоев.

Для реализации предложенного алгоритма в среде Delphi на языке Object Pascal разработана компьютерная программа. Фрагмент интерфейса программы приведен на рис. 3.

Рис. 3 - Интерфейс программы расчета устойчивости склона методом "устойчивого откоса"

В разработанной программе предусмотрена интеграция с электронными таблицами Microsoft Excel (ввод исходных данных и запись результатов расчета в XLS-файлы). В программе также предусмотрена компьютерная графика для отображения склона и слагающих его грунтовых слоев в заданном масштабе.

В методе кругло-цилиндрических поверхностей (методе Соколовского В.В.) за поверхность скольжения, по которой происходит перемещение грунтового слоя, принимают кругло-цилиндрическую поверхность (рис. 4).

Рис. 4 - Расчетная схема для метода кругло-цилиндрических поверхностей

Сползающий клин делится вертикальными сечениями на ряд элементов. На каждый элемент клина действуют следующие силы:

- сила, приложенная в центре тяжести элемента и равная собственному весу элемента;

- реакция оставшейся части грунта на поверхности скольжения.

Глубина h₀, ниже которой в массиве склона могут возникать площадки скольжения, определяется по формуле:

, (4)

где C - удельное сцепление; - объемный вес; - угол внутреннего трения.

Вначале в алгоритме строится площадь скольжения в массиве подрабатываемого склона и для каждого элемента определяется угол _n путем построения составляющих векторов веса грунта Q_n (рис. 4). На приведенной схеме силы t_n - это касательные составляющие сил Q_n, а силы q_n - это нормальные составляющие сил Q_n.

Далее в алгоритме вычисляют:

- вес грунта n-го блока (F_n - площадь n-го слоя);

- нормальные составляющие ;

- касательные составляющие .

Затем для всех элементов находят суммы и , т.е. суммарные значения удерживающих и сдвигающих сил, после чего определяют коэффициент запаса устойчивости грунта по формуле:

, (5)

Для реализации предложенного алгоритма в среде Delphi на языке Object Pascal также разработана компьютерная программа, фрагмент интерфейса которой приведен на рис. 5.

Рис. 5 - Интерфейс программы расчета устойчивости склона методом кругло-цилиндрических поверхностей

Для удобства проведения расчетов устойчивости склонов обе программы были объединены в одну с предоставлением выбора метода расчета непосредственно пользователю. Разработанная программа была протестирована на ряде математических моделей склонов и на производственном материале (при подготовке в институте УкрНИМИ проектов подработки жилых зданий в г. Донецке).

Из аналогичных зарубежных программ следует отметить программу Slope проф. А. Верруита (A. Verruijt) из Технологического университета г. Дельфт (Нидерланды), в которой реализованы методы Феллениуса, Бишопа и двойного сдвига [12].

Вопрос установления критерия гарантированной устойчивости склона мезорельефа рассматривался целым рядом исследователей. Так в работе [5] для обеспечения устойчивости склона проф. Маслов Н.Н. рекомендует величину k_зап принимать равной 1,25, а в особо ответственных случаях - равной 1,50. В работе [3] для обеспечения устойчивости склона проф. Фисенко Г.Л. рекомендует принимать величину k_зап равной 2,0, потому что значение k_зап 1 не учитывает пластическое состояние грунтов. В то же время в классической работе [11] Авершина С.Г. отмечается, что величина k_зап от 1,5 до 2,0 обеспечивает устойчивость склона.

Анализ приведенных источников указывает, что величину коэффициента гарантированной устойчивости склона k_зап следует принимать равной двум.

ВЫВОДЫ

мезорельеф склон программа

1. Территория большей части Донецкого бассейна, в особенности Центрального района Донбасса и Восточного Донбасса характеризуется мезорельефом, т.е. крупными формами рельефа с амплитудами высот до нескольких десятков метров.

2. Жилая и промышленная застройка склонов мезорельефа несет определенные риски возникновения склоновых подвижек и оползневых проявлений. Подработка склонов мезорельефа подземными горными работами многократно увеличивает эти риски. Возникает актуальная задача разработки надежного и эффективного метода расчета устойчивости склонов мезорельефа на подрабатываемых территориях.

3. Разработаны алгоритм и программное обеспечение для расчета устойчивости склонов по методу "устойчивого откоса" и по методу кругло-цилиндрических поверхностей. Программное обеспечение протестировано на математических моделях склонов и на производственном материале.

4. На основе анализа ряда исследований установлен критерий гарантированной устойчивости склона мезорельефа, заключающийся в том, что величину коэффициента гарантированной устойчивости склона следует принимать равной двум.

ИСТОЧНИКИ

1. Березанцев, В.Г. Расчет прочности оснований и сооружений [Текст]/ В.Г. Березанцев. - Ленинград: Госстройиздат, 1960. - 138 с.

2. Соколовский, В.В. Статика сыпучей среды. Изд. 2 [Текст]/ В.В. Соколовский. - М.: Гостеиздат, 1954.

3. Фисенко, Г.Л. Устойчивость бортов угольных карьеров [Текст]/ Г.Л. Фисенко. - М.: Углетехиздат, 1956. - 230 с.

4. Цытович, Н.А. Механика грунтов [Текст]/ Н.А. Цытович. - М.: Госстройиздат, 1960.

5. Маслов, Н.Н. Механика грунтов в практике строительства (оползни и борьба с ними) [Текст]/ Н.Н. Маслов. - М.: Стройиздат, 1977. - 320 с.

6. Маслов, Н.Н. Прикладная механика грунтов [Текст]/ Н.Н. Маслов. - М.: Изд-во мин-ва стр-ва предпр. машиностроения, 1949. - 328 с.

7. Сложные основания и фундаменты [Текст]: справочник проектировщика/ М.И. Горбунов-Посадов, В.А. Ильичев, В.И. Крутов и др.; под общ. ред. Ю.Г. Трофименкова. - М.: Стройиздат, 1969. - 272 с.

8. Земляные сооружения, основания и фундаменты: СНиП 3.02.01-87 [Текст]. - Утв. Госстрой СССР. - Введ. 1988 -07-01. - М.: ЦНТИ Госстр. ССР, 1989. - 128 с.

9. Основания зданий и сооружений: СНиП 2.02.01-83 [Текст]. - Утв. Госстрой СССР. - Введ. 1985-01-01. - М.: Стройиздат, 1985. - 44 с.

10. Захист від небезпечних геологічних процесів, шкідливих експлуатаційних впливів, від пожежі. Будівництво у сейсмічних районах України: ДБН В. 1.1-12: 2006 [Текст]. - Затв. Мінбуд України. - Введ. 2007-02-01. - К., 2007. - 82 с.

11. Авершин, С.Г. Горные работы под сооружениями и водоемами [Текст]/ С.Г. Авершин. - М.: Углетехиздат, 1954. - 324 с.

Размещено на Allbest.ru