Особенности численного моделирования оползневых процессов на примере города Сочи

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОСОБЕННОСТИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОПОЛЗНЕВЫХ ПРОЦЕССОВ НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА СОЧИ

Лейер Дарья Валерьевна

Анализ инженерно-геологической ситуации

Чрезвычайная ситуация сложилась на строительной площадке участка железной дороги «Адлер - Аэропорт» (рис. 1). В период выполнения строительно-монтажных работ по устройству защитного припортального сооружения на свайном основании у западного портала железнодорожного тоннеля, произошла активизация оползневых смещений грунта. В результате планировочных работ после подрезки низовой части склона было отмечено смещение строящейся удерживающей подпорной стены, и перемещение ее секций в верхней части друг относительно друга на 24 см (рис. 2). Сложившаяся ситуация создавала прямую угрозу безопасности дальнейшего проведения строительно-монтажных работ, а также нормальному режиму эксплуатации железной дороги и нижерасположенных сооружений.

Рисунок 1 - Участок строительства железнодорожной линии «Адлер - Аэропорт»

Для стабилизации склона выполнен ряд дополнительных исследований, которые помогли выявить причину развития чрезвычайной ситуации и разработать мероприятия усиления существующих и строящихся подпорных стен [19]. В число исследований входит следующее:

- проанализированы данные архивных инженерных изысканий;

- разработана программа мониторинга, проведены дополнительные геологические и геофизические исследования [19];

- установлена сеть геодезического и геотехнического оборудования, работающая в едином комплексе;

- разработаны и проанализированы расчетные модели оползневого склона с учетом существующих деформаций подпорных стен.

Рисунок 2 - Перемещение секций удерживающей подпорной стены на 24 см

оползневый обвальный сейсмичность стабилизация

При сопоставлении дополнительных (новых) результатов исследований инженерно-геологических условий и имеющихся данных изысканий выявлены значительные отличия в установленной глубине поверхности скольжения оползня, положения уровня грунтовых вод (УГВ), а также векторе смещения грунтов (табл. 1). Некачественное или недостаточное выполнение инженерно-геологических изысканий часто приводит к развитию аварийных ситуаций [1-2, 4-7, 9-10], особенно при строительстве на оползневых склонах.

Таблица 1 - Сопоставление результатов изысканий и мониторинга

Анализ полученных и имеющихся данных позволил установить особенности инженерно-геологических условий на строительной площадке и причины развития оползневых деформаций. Выявлено следующее:

- в-основном, залегают сильнотрещиноватые, сильновыветрелые аргиллиты очень низкой прочности;

- имеются системы трещин напластования и тектонических трещин;

- обнаружены разуплотнения в структуре массива;

- отмечены участки застоя поверхностных вод, зоны обводненности грунта и наличие межпластовых вод.

Таким образом, в пределах исследуемой территории активно развиты неблагоприятные экзогенные и эндогенные процессы. Сложность условий площадки строительства и необходимость восстановления железнодорожного сообщения потребовала незамедлительного проведения инженерно-технических мероприятий, таких как выполнение расчетов прочности защитных конструкций и устойчивости склона, моделирование поведения склона с учетом различных моделей грунтов при различных инженерно-геологических условиях, разработка программы долгосрочного мониторинга.

Расчеты прочности конструкций и устойчивости склона выполнены в конечно-элементном программном комплексе Plaxis. Оценка прочности произведена при следующих условиях:

- при выполнении расчетов учитывалось изменение рельефа склона с учетом поэтапного возведения в процессе строительства сооружений;

- УГВ принят максимальным прогнозным, в соответствии с результатами дополнительных инженерно-геологических изысканий и мониторинга [18];

- прочностные характеристики грунтов приняты по данным дополнительных инженерно-геологических изысканий [18].

При выполнении серий расчетов устойчивости склона и прочности конструкций выявлено, что результаты, в большинстве случаев, не соответствуют фактической ситуации. Так, полученные коэффициенты устойчивости склона, Ку, на активных оползневых очагах имели величины, большие единицы, а расчетные перемещения защитных конструкций не соответствовали данным натурных наблюдений. Основная причина несоответствия результатов расчетов сложившимся условиям связана с тем, что расчетные значения прочностных характеристик грунтов, могут отличаться от реальных величин в области поверхности скольжения. Для уточнения характеристик грунтов потребовалось выполнение «обратных» расчетов устойчивости склона [18, 11], в которых прочностные (сдвиговые) характеристики грунтов должны подбираться до достижения результатов, соответствующих фактическому состоянию. «Обратные» расчеты позволили выполнить дальнейшее моделирование состояния склона.

Дополнительные изыскания и натурное наблюдение (мониторинг)

На площадках ВОХР у западного портала тоннеля №2 выполнено бурение шести инклинометрических скважин глубиной до 40 м под установку обсадных колонн инклинометров. Инклинометрические скважины позволяют определить отклонение обсадной трубы от начального положения, что дает возможность определить величину, вектор и скорость смещения грунтов.

Опрос скважин выполнялся по графику работ. В таблице 2 приведены наблюдаемые параметры, а также состав и количество установленного геотехнического и геодезического оборудования, периодичность наблюдений.

Рисунок 3 - Инклинометрическая скважина И2-3

Таблица 2 - Наблюдаемые параметры, тип установленного геотехнического оборудования и его количество

Инженерно-геофизические изыскания выполнялись с целью определения зон обводненности, разуплотненности, трещинноватости, выделения уровня грунтовых вод, границ залегания геологических слоев, обнаружения поверхностей скольжения.

При постановке методики для проведения сейсморазведочных работ на участке учитывались факторы поверхностных условий, глубины исследования, геологического, гидрологического и тектонического строения, расположение зданий и сооружений. При проведении электроразведочных работ на участке применялся метод вертикального электрического зондирования установкой Шлюмберже (симметричная установка AMNB). В таблице 3 приведены виды и объемы проведенных геофизических работ.

Инженерно-геофизические изыскания были проведены методами:

- сейсморазведки: КМПВ (корреляционный метод преломленных волн с использованием преломленных и преломлено-рефрагированных) волн для детального изучения верхней части разреза. Методика КМПВ позволяет расчленить верхнюю часть разреза до 20?35 м и провести более подробный анализ скоростного разреза;

- электроразведки: ВЭЗ (вертикальное электрическое зондирование) - метод изучения геоэлектрического разреза по кривым зависимости кажущегося электрического сопротивления от расстояния между питающими и приемными электродами установки, используется для изучения геоэлектрического разреза на глубину. Метод ВЭЗ применяется для выделения зон повышенной трещиноватости и увлажненности, что позволяет выявлять отдельные особенности оползневого процесса и прогнозировать его дальнейшее развитие; ЕП (естественного поля) - основан на измерении локальных естественных электрических полей электрокинетической и электрохимической природы, используется для исследований участков интенсивной фильтрации вод. Метод ЕП выполняется в методике потенциала с шагом 2,0 м.

Проведенные электроразведочные исследования и полученные по ним данные по прилегающим к площадке территории, включая сами площадки, полностью подтверждаются выполненными сейсморазведочными исследованиями. Также все данные полученные по геофизическим данным полностью коррелируются с данными геологии, полученными позднее.

В результате анализа материалов инженерно-геологических изысканий, проектных материалов, результатов мониторинга и визуального осмотра выявлено следующее:

- Площадка работ находятся на ползнеопасной территории.

- На территории обнаружены застои и скопления воды.

- После строительства припортального низового сооружения возникли перемещения верха стены.

- Зафиксированы смещения грунта на глубине до 20?22 м.

- Выделена зона разуплотненности массива в интервале глубин от 4 до 22 метров от дневной поверхности.

- По данным геодезических наблюдений по припортальному сооружению (низовое) суммарные максимальные перемещения составляют 253 мм. По сооружению площадки ВОХР (верховое) суммарные максимальные перемещения составляют 106 мм.

Таблица 3 - Виды и объемы проведенных геофизических работ

Моделирование оползневой ситуации

Моделирование оползневого склона с учетом существующих деформаций выполнено с помощью программного комплекса Plaxis с применением различных моделей грунта: Mohr-Coulomb и Linear Elastic. Использование других моделей грунта не рассматривалось, в связи с отсутствием необходимых для их использования данных изысканий. Рассмотрены три расчетные модели склона, представленные ниже. Выбор эффективных мероприятий по усилению подпорных стен и обеспечению устойчивости склона производился на основе разработанной системы действий (рис. 4).

Расчетная модель № 1 (рис. 5). Выполняется моделирование перемещение верха припортального сооружения на величину 24 см Оползневые грунты (элювиально-оползневые и делювиальные) описаны моделью Mohr-Coulomb с использованием прочностных свойств, полученных «обратными» расчетами; грунт основания описан моделью Linear Elastic (скальный грунт).

В результате получено следующее: при перемещениях верха сооружения в 24 см изгибающие моменты, возникающие в припортальном сооружении, превышают допустимые величины. В этом случае произошло бы разрушение конструкции. Так как в период исследований трещин на теле конструкции не обнаружено, можно предположить наличие равномерных перемещений, начиная с пяты сваи до верха. В данной расчетной моделе устойчивость склона обеспечена (Ky=1,180), что не соответствует оползневому давлению, при котором развились бы фактические перемещения [11-12, 8, 17-18]. Следовательно, расчетная модель не соответствует фактическому состоянию.

Расчетная модель № 2 (рис. 6). Грунт основания описывается моделью Mohr-Coulomb, как и оползневой грунт, при этом прочностные показатели подбирались «обратными» расчетами.

В результате получено следующее: при достижении перемещений, превышающих 24 см, изгибающие моменты в сваях не достигают предельных величин, то есть свайное сооружение перемещается равномерно, при этом расчетная поверхность скольжения проходит ниже концов свай. При визуальном осмотре склона не выявлен выпор грунта в основании сооружения, что говорит о том, что предполагаемая поверхность скольжения упирается в низовое сооружение. Такая модель не подтверждает гипотезу о расположении поверхности скольжения ниже концов свай. В данной расчетной модели устойчивость склона не отражает реальной ситуации.

Рисунок 4 - Блок-схема расчета устойчивости склона

Рисунок 5 -Расчетная модель № 1: разрез склона с припортальным сооружением и прогнозной поверхностью скольжения

Рисунок 6 - Расчетная модель № 2: разрез склона с припортальным сооружением и прогнозной поверхностью скольжения

Расчетная модель №3 (рис. 7). Состояние склона моделируется с использованием функции interface (моделирование заданной поверхности скольжения) при расположении прогнозной поверхности скольжения на глубине около 20 м. Оползневые грунты и зона поверхности скольжения описываются моделью Mohr-Coulomb с использованием прочностных свойств, полученных «обратными» расчетами; грунт основания описан моделью Linear Elastic (скальный грунт).

Получено следующее: прогнозная поверхность скольжения проходит в трещиноватых аргиллитах на глубине около 20 м, устойчивость склона не обеспечена (Ky=1,047). Полученные расчетные перемещения припортального сооружения подтверждаются фактическими данными.

Анализ результатов трех расчетных моделей (гипотез) показал целесообразность использования третьей расчетной модели для дальнейшего проектирования конструкций усиления припортального сооружения. Выбор правильной модели позволил получить целесообразные параметры конструкций инженерной защиты (устройство анкеров и железобетонных упорных ростверков) и обеспечить безопасную эксплуатацию линии железной дороги «Адлер - Аэропорт».

Рисунок 7 - Расчетная модель № 3: разрез склона с припортальным сооружением и прогнозной поверхностью скольжения

В период строительства запроектированных сооружений инженерной защиты по расчетной модели № 3, выполнялся геотехнический мониторинг - наблюдение за реперами на существующем сооружении. На рисунке 8 представлен фактический график развития деформаций припортального сооружения после выполнения усиливающих мероприятий [3, 9-10, 13-16]. Очевидно, что после устройства укрепительных мероприятий состояние склона стабилизировалось.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 8 - График развития деформаций существующего сооружения

Заключение

Моделирование оползневой ситуации на основе различных гипотез позволило разработать эффективные конструкции инженерной защиты, обеспечивающие безопасную эксплуатацию оползневого участка железной дороги «Адлер - Аэропорт». Выполнение дополнительных инженерно-геологических и геофизических изысканий, численное моделирование оползневой ситуации, а также комплексный геотехнический мониторинг позволили своевременно выявить тенденцию развития деформаций конструкций и выполнить мероприятия усиления на аварийном участке в кратчайшие сроки (рис. 8).

Рисунок 9 -Железнодорожный тоннель и припортальное сооружение

Список литературы

1. Богомолов А. Н. Причины активизации оползня на федеральной автомобильной дороге г. Сочи и мероприятия по его стабилизации / Богомолов А. Н. [и др.] // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. - 2012. - № 29 (48). - С. 6-14.

2. Богомолов А. Н. Стабилизация оползня на участке строительства железной дороги в г. Сочи/ Богомолов А. Н. [и др.] // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. - 2012. - № 29 (48). - С. 15-25.

3. Коломиец М. С. Применение анкерных свай в противооползневых сооружениях / М. С. Коломиец, С. И. Маций, А. К. Рябухин. // Научное обеспечение агропромышленного комплекса 2012. -2012. -С. 399-400.

4. Лейер Д. В. Оптимизация методики расчета защитного сооружения на свайном основании, «обтекаемого» оползневыми глинистыми грунтами / Д. В. Лейер // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2016. - №05(119). - IDA [article ID]: 1191605083. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2016/05/pdf/83.pdf, 1,063 у.п.л.

5. Лейер Д. В. Инженерная защита опор эстакад на оползневых склонах города Сочи (Краснодарский край) / Д. В. Лейер // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2016. Т. 7. № 3. С. 127-143.

6. Лесной В. А. Практика проведения геотехнического мониторинга при строительстве автодорожных тоннелей «Дублера Курортного проспекта» в г. Сочи / В. А. Лесной, С. И. Маций, Д. В. Лейер, А. О. Конева, А. К. Рябухин, Л. К. Рябухин, М. С. Ткачева // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2016. - № 120. - С. 449-465.

7. Ляшенко П.А., Шмидт О.А., Гохаев Д. В., Исследование на модели развития осадки буронабивной сваи // Научный журнал КубГАУ (Электронный ресурс), 2013, № 90 (06).

8. Маслов, Н. Н. Механика грунтов в практике строительства / Н. Н. Маслов // М.: Стройиздат. - 1977. - 320[12] с.; 20 см. - Библиогр.: с. 312-318.

9. Маций С. И. Мониторинг и моделирование оползневых процессов на примере города Сочи / С.И. Маций, Д. В. Лейер, Е. В. Безуглова // Строительство и архитектура. - 2013. - Т. 1. № 1. - С. 54-61.

10. Маций, С. И. Свайно-анкерные противооползневые конструкции / С. И. Маций, А. К. Рябухин. - Краснодар: КубГАУ. - 2017. - 189 с. - ISBN 978-5-00097-369-1.

11. ОДМ 218.2.006-2010. Рекомендации по расчету устойчивости оползнеопасных склонов (откосов) и определению оползневых давлений на инженерные сооружения автомобильных дорог. - М., 2011.

12. Рекомендации по количественной оценке устойчивости оползневых склонов / ПНИИИС Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1984.

13. Рябухин А.К., Маций С. И., Безуглова Е.В. Исследование диапазона допустимых горизонтальных перемещений буронабивных свай противооползневых сооружений // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2013. - № 41. - С. 160-163.

14. Лейер Д.В. Взаимодействие свайных фундаментов защитных сооружений опор эстакад с глинистыми грунтами на оползневых склонах: автореф. дис. … канд. технич. наук / Д. В. Лейер. - Краснодар, 2016.

15. Лейер Д. В. Взаимодействие свайных фундаментов защитных сооружений опор эстакад с глинистыми грунтами на оползневых склонах //Диссертация кандидата технических наук: 05.23.02. Кубанский государственный аграрный университет им. И. Т. Трубилина. - Краснодар. -2016.

16. Рябухин А.К., Маций С.И., Безуглова Е.В. Исследование диапазона допустимых горизонтальных перемещений буронабивных свай противооползневых сооружений // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. - 2013. - № 31-2 (50). - С. 279-283.

17. СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия / Взамен СНиП 2.01.07-85* // М.: ФГУП ЦПП. - 2010.

18. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. - М., 2003.

19. Технический отчет по инженерно-геологическим изысканиям на объекте «Организация железнодорожного сообщения Сочи - Адлер - аэропорт «Сочи» со строительством новой железнодорожной линии Адлер-аэропорт. Противооползневые мероприятия /Арх. № ИИ-2474/ ООО «СочиТисизПроект». - 2009.

Размещено на Allbest.ru