Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Закон'
Цей Закон визначає правові, економічні та організаційні засади державного регулювання інноваційної діяльності в Україні, встановлює форми стимулюванн...полностью>>
'Автореферат'
Актуальность проблемы. Тапеторетинальная абиотрофия (ТРА) - наследственное заболевание с первичным диффузным поражением фоторецепторов и пигментного ...полностью>>
'Конкурс'
Форум искусств славянских народов проводится как открытый фестиваль конкурс для детей и молодёжи из славянских стран, а также других государств, заин...полностью>>
'Методические рекомендации'
Методические рекомендации для врачей РПГ ВГСЧ, бригад специализированной медицинской помощи службы медицины катастроф, специализированных бригад скоро...полностью>>

Главная > Исследование

Сохрани ссылку в одной из сетей:

На правах рукописи

КАН ТХЭ САН

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

ОПОЛЗНЕВЫХ МАССИВОВ НА УДЕРЖИВАЮЩИЕ

КОНСТРУКЦИИ СИМПЛЕКС-МЕТОДОМ

Специальность 05.23.02

«Основания и фундаменты, подземные сооружения»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск, 2005

Работа выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщения

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Караулов Александр Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Полищук Анатолий Иванович

кандидат технических наук, доцент

Нуждин Леонид Викторович

Ведущая организация:

ЗАО «Сибирский научно-исследовательский институт транспортного строительства» (СИБЦНИИТС), г. Новосибирск

Защита состоится 27 апреля 2005 года в 14 часов 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.265.02 при Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: Российская Федерация, 634003, Томск, пл. Соляная, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета

Автореферат разослан 26 марта 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Недавний О.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Оползни широко распространены как на территории РФ, так и на территории КНДР. Оползневые явления наносят большой вред народному хозяйству, препятствуя освоению естественных склонов и нормальной эксплуатации инженерных сооружений. Борьба с оползнями, предупреждение оползневых процессов представляют, таким образом, важную народно-хозяйственную проблему.

Одним из эффективных способов предупреждения обрушения откосов и склонов является возведение противооползневых удерживающих сооружений. Для проектирования надежных противооползневых конструкций необходимо, прежде всего, установить инженерно-геологические условия склона и причины развития оползневых деформаций. Располагая качественной базой исходных данных, следует решить другую, не менее важную проблему, а именно  определить интенсивность силового воздействия сползающих масс грунта на проектируемую удерживающую конструкцию.

Вследствие сложности граничных условий решение задачи определения оползневого давления не удается найти строгими методами теории предельного равновесия грунтов. Широкие возможности для описания склоновых процессов открывает конечноэлементный анализ упругопластического деформирования грунтовых массивов. Это направление разрабатывается в научных организациях, имеющих необходимое оборудование и методики определения параметров упругопластических моделей грунта.

В практической работе проектных организаций для определения силового воздействия оползневых масс на подпорные сооружения, как правило, используются приближенные методы расчета, основанные на расчетной схеме «метода отсеков». Многовариантность «методов отсеков» обусловлена статической неопределимостью задачи и введением в расчет для ее раскрытия дополнительных гипотез различного характера относительно направления и положения сил взаимодействия отсеков с окружающим грунтом. При этом отсутствует метод теоретического анализа возможного диапазона изменения этих сил и, соответственно, диапазона изменения оползневого давления.

Совершенствование методов определения силового воздействия оползневых масс на удерживающие сооружения является важной и актуальной проблемой, решение которой позволит повысить надежность и эффективность противооползневых конструкций.

Цель работы заключалась в разработке методики определения максимально возможной по условиям статического равновесия и прочности грунта интенсивности силового воздействия оползневого массива на удерживающие конструкции и разработке на этой основе принципов их расчета.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

  1. Определить возможный по условиям статического равновесия и прочности грунтов диапазон изменения системы сил взаимодействия отсеков с окружающим грунтом в рамках расчетной схемы «метода отсеков».

  2. Разработать методику определения максимальных величин составляющих оползневого давления в рамках расчетной схемы «метода отсеков» на основе анализа всего диапазона изменения системы сил взаимодействия, допустимого по условиям статического равновесия и прочности грунтов.

  3. Исследовать влияние степени дискретизации расчетной схемы «метода отсеков», формы линии скольжения и положения сил взаимодействия отсеков с окружающим грунтом на расчетную величину оползневого давления.

  4. Разработать алгоритм и программу расчета составляющих силового воздействия оползневого массива на удерживающие сооружения симплекс-методом.

  5. Разработать принципы расчета противооползневых удерживающих конструкций на основе экстремального анализа параметров силового воздействия на них оползневых масс.

Научная новизна работы заключается:

        1. в постановке и решении задачи определения предельного давления грунта на подпорные стенки как задачи линейного программирования;

        2. в разработанных алгоритме и программе расчета силового воздействия оползневых массивов на удерживающие конструкции;

        3. в разработанных принципах расчета противооползневых удерживающих конструкций с помощью симплекс-метода.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования полученных результатов при проектировании противооползневых удерживающих конструкций. Реализация такой возможности обеспечивается следующими разработками:

  1. Разработана методика составления исходной симплекс-таблицы, алгоритм и программа расчета симплекс-методом предельного давления на подпорную стенку в рамках расчетной схемы «метода отсеков». Даны рекомендации по использованию результатов решения. Вычислительная работа может выполняться как по разработанной программе, так и с помощью стандартных программ, реализующих симплекс-метод.

  2. Разработаны принципы расчета подпорной стенки по предельным состояниям в соответствии с требованиями нормативных документов и на основе экстремального анализа составляющих оползневого давления, выполняемого симплекс-методом.

  3. Разработаны принципы расчета противооползневых свайных рядов или промежуточных стенок на основе экстремального анализа составляющих оползневого давления, выполняемого симплекс-методом.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовалась расчетная схема «метода отсеков». Определение силового воздействия оползневого массива на удерживающие конструкции осуществлялось симплекс-методом линейного программирования. В разработанной методике расчета оползневого давления обеспечивалось выполнение условий статического равновесия и прочности грунтов. При этом находилось наиболее невыгодное распределение сил взаимодействия отсеков с окружающим грунтом, которому соответствовала максимальная интенсивность силового воздействия оползневого массива на подпорное сооружение.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на 61-й и 62-й научно-технических конференциях НГАСУ (г. Новосибирск, 2003, 2004), на научно-технических конференциях СГУПС (г. Новосибирск, 2004), на научно-техническом семинаре СГУПС (г. Новосибирск, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

На защиту выносятся:

  1. Постановка и решение симплекс-методом задачи о предельном давлении грунта на подпорную стенку в рамках расчетной схемы «метода отсеков» как задачи линейного программирования.

  2. Результаты анализа составляющих оползневого давления в зависимости от формы линии скольжения и положения сил взаимодействия отсеков с окружающим грунтом, а также результаты сопоставительных расчетов.

  3. Алгоритм и программа расчета симплекс-методом составляющих оползневого давления.

  4. Принципы расчета противооползневых сооружений  подпорных стенок и промежуточных удерживающих конструкций на основе экстремального анализа оползневого давления.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, приложений и списка литературы, общий объем составляет 180 страниц, в т.ч. 64 рисунка и 80 таблиц. Список литературы содержит 144 источника.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится анализ существующих методов определения оползневого давления на удерживающие конструкции. Оползни  сложные геологические процессы, возникающие при нарушении равновесия земляных масс на откосах и склонах. Изучению оползневых процессов посвящены обобщающие труды А.П. Павлова, Ф.П. Саваренского, С.К. Абрамова, Е.П. Емельяновой, Г.С. Золотарева, А.М. Дранникова, Н.Н. Маслова, М.Н. Гольдштейна, Г.М. Шахунянца, Л.К. Гинзбурга, Г.Л. Фисенко, А.М. Демина, Г.И. Тер-Степаняна, В.Е. Ольховатенко, К. Терцаги, Л. Бьеррума, Л. Шукле, Р. Шустера, Р. Кризека, Хван Хо Рела, Вон Ха Ока и многих других. В диссертации рассматривается один тип оползней по характеру движения, а именно оползни скольжения. Этот тип оползней часто встречается как на естественных склонах, так и в приоткосных частях искусственных земляных сооружений. Важнейшим вопросом при проектировании противооползневых сооружений является определение оползневого давления. Эта проблема решалась в работах А.И. Билеуша, А.Я. Будина, Л.К. Гинзбурга, А.Г. Раздольского, В.Э. Даревского, А.М. Романова, М.П. Дубровского, В.П. Дыбы, А.М. Балашова, Ю.К. Зарецкого, Е.П. Смирнова, Н.К. Снитко, Л.Р. Ставницера, П.И. Яковлева, Ли Хен Су, Ро Мен Хо и многих других.

Основой для оценки устойчивости грунтовых массивов и определения предельного давления на подпорные сооружения является теория предельного равновесия, развитие которой отражено в трудах Ш. Кулона, Р. Ренкина, Ф. Кеттера, Л. Прандтля, В.В. Соколовского, С.С. Голушкевича, В.Г. Березанцева, М.В. Малышева, А.С. Строганова, Л.Р. Ставницера, Ю.И. Соловьева, В.Г. Федоровского, Р. Шилда и многих других. Следует отметить, что строгие решения получены только для ряда относительно простых по своим граничным условиям расчетных схем. Построение статических решений для неоднородных оползневых склонов произвольного очертания не представляется возможным.

Все большее применение для описания оползневых процессов находит конечноэлементный анализ упругопластического деформирования, развитию которого посвящены работы Ю.К. Зарецкого, А.К. Бугрова, В.Н. Николаевского, С.Б. Ухова, З.Г. Тер-Мартиросяна, А.Б. Фадеева, В.Г. Федоровского, А.Л. Гольдина, В.Н. Парамонова, М.М. Дубины, Ро Сол Се и многих других. В настоящее время существует целый ряд программных пакетов, например PLAXIS, COSMOS/M, NASTRAN, Геомеханика и других, на основе которых можно выполнять совместный расчет упругопластического деформирования грунтовых массивов и взаимодействующих с ними конструкций. В то же время, остается ряд вопросов, необходимость решения которых диктуется практикой геотехнического строительства. К таким вопросам относятся, например, выбор модели грунта и определение ее параметров, моделирование фазы локальных сдвигов, определение природного напряженного состояния оползневых массивов.

Для практических расчетов устойчивости оползневых склонов и, соответственно, для определения силового воздействия сползающих масс грунта на удерживающие противооползневые конструкции, применяются, как правило, приближенные методы расчета. Особое место среди них занимают решения с использованием расчетной схемы «методов отсеков». Развитию этих методов посвящены труды Н.Н. Маслова, Г.М. Шахунянца, Л.П. Ясюнас, Г. Крея, Р.Р. Чугаева, И.В. Федорова, Н. Янбу, А.Л. Можевитинова, В.Н. Бухарцева, Л.К. Гинзбурга, А. Бишопа, К. Терцаги, В. Феллениуса, Е. Нонвейе, В.И. Хорькова, В.И. Хазина, Я.Х. Хуана, И.М. Васильева, В.И. Грицыка и многие другие.

Построение любого варианта приближенного метода отсеков тем лучше отвечает действительному поведению оползня, чем качественнее решены два вопроса  определение очертания поверхности скольжения и определение системы сил взаимодействия отсеков с окружающим грунтом. Теоретически обоснованное очертание линии скольжения находится методами вариационного исчисления. Это направление было развито в трудах Ю.И. Соловьева, М.Н. Гольдштейна, А.Г. Дорфмана, Ю.М. Почтмана, А.Л. Колесниченко, В.Г. Федоровского, И.Л. Дудинцевой, У.Х. Магдеева, М.И. Шевченко, А.Д. Гиргидова, В.Э. Даревского и других. Второй вопрос  о системе сил взаимодействия  в настоящее время решается введением в расчет ограничений-равенств относительно величины и положения части сил взаимодействия между отсеками для раскрытия статической неопределимости задачи.

Линейное программирование  один из современных математических методов, на основе которого могут быть решены многие сложные математические и технические задачи. Применение методов линейного программирования для решения задач механики грунтов впервые было осуществлено Ю.М. Почтманом и А.Л. Колесниченко. Эти исследования были посвящены определению нормальных и касательных напряжений вдоль линии скольжения, которым соответствует минимальное отклонение касательных напряжений от их предельных значений. При этом распределение усилий в обрушаемой области не рассматривалось.

Во второй главе приводится обоснование выбранного направления исследований. В механике грунтов достаточно полно разработан вопрос определения активного и пассивного давления грунта на подпорные стенки. Указанные решения необходимы, но недостаточны для обеспечения проектирования противооползневых удерживающих конструкций. Оползневое давление может значительно превосходить по величине активное давление грунта, являющееся следствием предельного состояния области грунта, непосредственно примыкающей к подпорной стенке.

Существующие методы расчета оползневого давления базируются, как правило, на расчетной схеме «метода отсеков», преимущественно для условий плоской деформации. В этой расчетной схеме неизвестными являются силы взаимодействия отсеков с окружающим грунтом. В этой связи представляется необходимым оценить диапазон возможного изменения системы сил взаимодействия и разработать методику определения наиболее неблагоприятного сочетания сил, при котором силовое воздействие на удерживающее сооружение будет максимальным. Таким образом, задача определения силового воздействия оползневого массива на удерживающие конструкции рассматривается как экстремальная задача, в которой находится максимальная величина оползневого давления в зависимости от системы сил взаимодействия. Область определения этой величины ограничивается условиями статического равновесия отсеков и условием прочности грунта, которым должна удовлетворять система сил взаимодействия.

В третьей главе приводится постановка и решение задачи определения предельного давления грунта на подпорную стенку как задачи линейного программирования. Задача линейного программирования заключается в нахождении экстремума линейной функции, область определения которой дается конечным числом линейных ограничений-равенств и ограничений-неравенств. Система ограничений определяет многогранное множество, имеющее угловые точки, в одной из которых линейная функция цели достигает минимума или максимума. Для решения этой задачи Дж. Данцигом был предложен симплекс-метод, обеспечивающий направленный перебор угловых точек, при котором оптимальное решение находится по кратчайшему пути.

Рассматривается случай предельного давления грунта, когда его перемещения направлены в сторону стенки. Подпорная стенка препятствует общему обрушению склона, и при этом линия скольжения либо определяется геологическим строением склона, либо устанавливается из условия максимума предельного давления, называемого оползневым давлением. Математическая формулировка задачи оптимизации, решаемой симплекс-методом, имеет вид:

(xi)  max при gi(xi)  0 и hi(xi)  0.

(1)

В нашем случае ограничениями-неравенствами gi(xi)  0 будут служить условия прочности грунта и ограничения по положению равнодействующих давлений, а ограничениями-равенствами hi(xi)  0  уравнения равновесия и условие предельного сопротивления сдвигу по линии скольжения. Неизвестными xi являются здесь силы и моменты, определяющие статическую работу области обрушения в рамках выбранной расчетной схемы. В качестве функции цели могут выступать различные выражения в соответствии с выполняемыми расчетами. Например, это может быть горизонтальная составляющая оползневого давления.

Далее приводятся выражения (1) для расчетной схемы «метода отсеков». На рис.1 показана общая схема склона, удерживаемого от обрушения подпорной стенкой. Предположим, что смещение грунта может произойти по некоторой линии скольжения ADB. Область обрушения разделена вертикальными прямыми на n отсеков. Схема действия сил и моментов на отдельный отсек показана на рис. 2. Для удобства записи выражений равнодействующие внешних нагрузок и массовых сил и равнодействующие силы, приложенные к боковой грани и подошве отсека, приведены к крайней правой точке m подошвы отсека.

Рис. 1. Расчётная схема «метода отсеков» для определения предельного

давления грунта на подпорную стенку (P, q  внешние нагрузки, G  массовые силы, Тiпр  силы сопротивления сдвигу по линии скольжения)

Таким образом, на отдельный отсек действуют следующие силы и моменты сил: Ui , Vi , Wi вертикальная, горизонтальная силы и момент, эквивалентные действию внешних нагрузок и массовых сил на i-ый отсек; Xi , Yi , Mi  вертикальная, горизонтальная силы и момент, эквивалентные силовому воздействию на вертикальную грань i-го отсека; Ni , Ti , Ci  нормальная, касательная к подошве i-го отсека силы и момент, эквивалентные силовому воздействию по подошве i-ого отсека.

Геометрические параметры отсека  высота hi вертикальной грани, ширина bi и длина li подошвы и угол i ее наклона к горизонтали, обозначены на рис. 2. Показанные на этом рисунке направления сил, а также величины ai и i (aibi tg i) считаются положительными.

Рис. 2. Силовое воздействие на i-ый

отсек

Рис. 3. Силовое воздействие на n-ый

отсек

Система ограничений-равенств и ограничений-неравенств, которым должны удовлетворять силы взаимодействия, для отдельного отсека при имеет вид:

0   Xi 1Ni cos iTi sin iXiUi ;

0  Yi 1Ni sin iTi cos iYiVi ;

0   Xi 1 biYi 1 aiMi 1CiMiWi ;

0  Ni tg ici liTi ;

1iYi tg i*  ci* hiXi  0;

2iYi tg i*  ci* hiXi  0;

3iNi liCi  0;

4iYi hiMi  0,

(2)

где ji , ci  параметры прочности грунта на линии скольжения (угол внутреннего трения и удельное сцепление); ji*, ci*  средневзвешенные значения параметров прочности грунтов, которые пересекают боковые грани отсека.

В последнем отсеке «n» правая граница может быть в общем случае наклонена к вертикали на угол , если наклонной выполнена задняя грань подпорной стенки (рис. 3). Направление Xn примем параллельным задней грани подпорной стенки, а направление Yn – перпендикулярным к ней. Коэффициент трения грунта по задней грани подпорной стенки обозначим как tg . Соответственно для n-го отсека дается следующая система ограничений-равенств и ограничений-неравенств:

0  – Xn 1Nn cos nTn sin nYn sin   Xn cos   Un ;

0  Yn 1Nn sin nTn cos nYn cos   Xn sin   Vn ;

0  Xn 1 bnYn 1 anMn 1Cn MnWn ;

0  Nn tg ncn lnTn ;

1nYn tg  – Xn  0;

2nYn tg   Xn  0;

3nNn lnCn  0;

4nYnMn  0.

(3)

Первые три равенства в системах (2) и (3) представляют собой уравнения равновесия. Четвертое равенство  условие предельного сопротивления сдвигу грунта по линии скольжения. Пятое и шестое ограничения-неравенства обеспечивают выполнение условия прочности грунта на сдвиг по боковым граням отсека. Седьмое и восьмое неравенства ограничивают положение равнодействующих давления по граням отсека его размерами.

Функция цели в данной задаче формулируется в соответствии с выполняемым расчетом подпорной стенки. Например, для определения максимального значения горизонтальной составляющей силы оползневого давления функция цели записывается в виде:

  Yn cos  – Xn sin .

(4)

Для установления максимального опрокидывающего момента, действующего на заднюю грань подпорной стенки функция цели дается равенством:

  Mn .

(5)

Неизвестными в данной постановке задачи являются силы и моменты Xi , Yi , Mi , Ni , Ti , Ci . Величины Yi , Ni , Mi , Ci , Ti являются положительными.

Заметим, что в рассматриваемой задаче ограничения-равенства, ограничения-неравенства и функции цели линейны относительно неизвестных сил взаимодействия отсеков с окружающим грунтом. Для поиска максимума функции цели применяется алгоритм симплекс-метода, включающий в себя следующие этапы: исключение лишних неизвестных и 0-строк, нахождение базисного решения, нахождение оптимального плана. Лишними неизвестными являются переменные Xi , принимающие как положительные, так и отрицательные значения. Система ограничений-равенств и ограничений-неравенств оформляется в виде исходной симплекс-таблицы, включающей также искомую функцию цели. Преобразования симплекс-таблицы в соответствие с указанными этапами решения осуществляется с помощью модифицированных Жордановых исключений (МЖИ).

В четвертой главе изложены результаты анализа составляющих оползневого давления, выполненного симплекс-методом.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Научно-вспомогательный библиографический указатель (1)

    Библиографический указатель
    Труды профессорско-преподавательского состава ДонГТУ (1997-2007 гг.) : научно-вспомогательный библиографический указатель. В 2-х т. Т. 2. : Социально-гуманитарные науки.
  2. Работы, влияющие на безопасность объектов капитального строительства: технические вопросы, экономика, риск, менеджмент

    Учебное пособие
    Ю.Г. Иващенко, А.Н. Плотников, С.Л. Аборин, И.В. Аборина, Л.А. Акуньшина, Е.Г. Батьков, И.П. Барбасова, А.А. Ветринникова, Р.Б. Гарибов, Е.П. Давыдова, Л.
  3. Методические и учебные материалы для руководителей занятий по го и чс на предприятиях

    Документ
    Даны учебные материалы по темам Примерной программы обучения работающего населения в области гражданской обороны и защиты от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
  4. Оглавление: Предисловие

    Документ
    Античные и средневековые строители морских портов, конечно, не могли предположить, что они попутно возводят верстовые столбы времени. Кто из них мог представить, что обычные гидротехнические сооружения превратятся в будущем в своеобразные
  5. Ия Камчатского края (далее нормативы) разработан в соответствии с требованиями Градостроительного кодекса Российской Федерации, Закона Камчатской области от 14

    Кодекс
    Настоящий документ «Региональные нормативы градостроительного проектирования Камчатского края» (далее нормативы) разработан в соответствии с требованиями Градостроительного кодекса Российской Федерации, Закона Камчатской области от 14.

Другие похожие документы..