Ігнатенко Дмитро Юрійович Обґрунтування параметрів ґрунтоцементних пальових підпірних конструкцій на зсувонебезпечних схилах

Краткое описание

Ігнатенко Дмитро Юрійович, тимчасово не працює. Назва дисертації: «Обґрунтування параметрів ґрунтоцементних пальових підпірних конструкцій на зсувонебезпечних схилах». Шифр та назва спеціальності 05.15.09 «Геотехнічна і гірнича механіка». Спецрада Д. 08.080.04 Національного технічного університету «Дніпровська політехніка»

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ДНІПРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЗАЛІЗНИЧНОГО
ТРАНСПОРТУ ІМЕНІ АКАДЕМІКА В. ЛАЗАРЯНА
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
«ДНІПРОВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
Кваліфікаційна наукова робота на правах рукопису
ІГНАТЕНКО ДМИТРО ЮРІЙОВИЧ
УДК 624.131.3
ДИСЕРТАЦІЯ
ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ҐРУНТОЦЕМЕНТНИХ ПАЛЬОВИХ
ПІДПІРНИХ КОНСТРУКЦІЙ НА ЗСУВОНЕБЕЗПЕЧНИХ СХИЛАХ
05.15.09 - «Геотехнічна і гірнича механіка»
Подається на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело
Науковий керівник:
Петренко Володимир Дмитрович доктор технічних наук, професор
Дніпро - 2021

ЗМІСТ
ВСТУП 24
РОЗДІЛ 1
АНАЛІЗ СТАНУ ВИРІШЕННЯ ПРОБЛЕМИ СТІЙКОСТІ ЗСУВОНЕБЕЗПЕЧНИХ ПРИРОДНИХ СХИЛІВ.
МЕТА, ІДЕЯ, ОСНОВНІ ЗАДАЧІ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ 31
1.1. Моніторинг зсувних процесів на території м. Дніпра 31
1.2. Статистика природних зсувів на території України та у світі 35
1.3. Огляд існуючих методів укріплення схилів та їх ефективність 42
1.4. Порівняльний аналіз ефективності роботи різних типів
підпірних конструкцій 45
1.5. Аналіз теоретичних розробок та практичне застосування
ґрунтоцементних паль у боротьбі зі зсувами 52
1.6. Переваги та недоліки застосування ґрунтоцементних паль для
укріплення схилів 55
1.7. Мета, ідея роботи, основні задачі і методи досліджень 57
ВИСНОВКИ 60
РОЗДІЛ 2
МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ СТІЙКОСТІ ПРИРОДНИХ СХИЛІВ 62
2.1. Мета і задачі досліджень стійкості природних схилів 62
2.2. Схеми зсувних деформацій різних типів зсувів 62
2.3. Теоретичні положення про визначення поверхонь ковзання
при зсувоутворенні. Методи визначення коефіцієнта стійкості схилу.. 68
2.4. Сучасний стан використання методу скінченних елементів при
математичному моделюванні стійкості зсувонебезпечних схилів 76
2.5. Метод відцентрового моделювання 78
2.5.1 Вихідні дані експерименту 82
2.6. Розрахунок скінченно-елементної моделі зсувонебезпечного схилу в програмному комплексі «ЛІРА-САПР 2016» в процесорі «Монтаж» .. 87
2.7. Розрахунок стійкості зсувонебезпечного схилу у програмному
комплексі «ОТКОС» 91
ВИСНОВКИ 95
РОЗДІЛ 3
МЕТОДИКА РОЗРАХУНКУ ПІДПІРНОЇ КОНСТРУКЦІЇ З ВЕРТИКАЛЬНИХ ТА ПОХИЛИХ ҐРУНТОЦЕМЕНТНИХ ПАЛЬ .... 96
3.1. Постановка задачі досліджень 96
3.1.1. Місцезнаходження, геоморфологія, рельєф території і
екзогенні процеси 97
3.1.2. Оцінка інженерно-геологічних умов території. Геологічна
будова 103
3.1.3. Гідрогеологічні умови 105
3.1.4. Геотехнічні властивості ґрунтів 106
3.1.5. Прогноз зміни інженерно-геологічних умов 107
3.2. Розробка методики розрахунку підпірної конструкції з
ґрунтоцементних паль 108
3.3. Порівняльний аналіз результатів розрахунку підпірних
конструкцій з ґрунтоцементних паль 111
3.3.1. Скінченно-елементне моделювання зсувонебезпечного схилу 112
3.3.2. Порівняння результатів розрахунку скінченно-елементних
моделей 113
ВИСНОВКИ 132
РОЗДІЛ 4
МЕТОДИКА РОЗРАХУНКУ ТА ДОСЛІДНО-ПРОМИСЛОВА ПЕРЕВІРКА ЕФЕКТИВНОСТІ ПАЛЬОВОЇ КОНСТРУКЦІЇ НА ЗСУВОНЕБЕЗПЕЧНОМУ СХИЛІ 134
4.1. Методика розрахунку несучої здатності нової пальової підпірної
конструкції 134
4.2. Вибір раціональних варіантів параметрів підпірної конструкції 143
ВИСНОВКИ 146
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 147
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 149
ДОДАТКИ 160
Додаток А. Акт впровадження в проекті інженерного захисту
зсувонебезпечної ділянки автомобільної дороги загального користування місцевого значення С141017 (Львів-Шегині) -
Судова Вишня на ділянці км 1+500 - км 2+500 161
Додаток Б. Патент на корисну модель №133008 від 25.03.2019 - «Спосіб
укріплювання зсувонебезпечних схилів» 162
Додаток В. Розрахунок економічного ефекту від впровадження результатів
кандидатської дисертації 168
Додаток Г. Список публікацій здобувача за темою дисертації 181
ВСТУП
Актуальність теми. Інженерно-геологічні умови для будівництва багатоповерхових житлових комплексів не завжди досить сприятливі для забудови деяких районів м. Дніпра. У певних випадках таке будівництво потребує додаткових інженерних вишукувань та розрахунків, особливо коли мова йде про розробку інженерно-геологічного захисту зсувонебезпечної ділянки схилу, біля якого планується звести будівлю. В такому разі для запобігання загрози зсувних процесів ці заходи є необхідними та обов’язковими. Інакше кажучи, перед проектувальниками постає задача розробки підпірних конструкцій, які стримуватимуть схил, можливий рух та сповзання якого можуть привести до катастрофи.
Разом з тим, особливу увагу з боку проектувальників потребують проекти будівництва і об’єкти господарювання, що розташовані в гірській місцевості на території України, в зоні підвищеної зсувонебезпечності.
Передумови виникнення зсувів інколи можуть бути приховані на перший погляд, коли взагалі начебто все гаразд і немає ніякої загрози зсуву поряд з будівельним майданчиком, але згодом за інших обставин з’являються зміни, що сприяють розвитку деяких умов і чинників, дія яких в подальшому може призвести до трагічних наслідків.
Для вирішення цієї проблеми потрібен системний аналіз у більш широкому значенні. Не врахування чи не передбачення небезпечної ситуації заздалегідь може бути головною помилкою під час проектування. Через раптове підвищення рівня ґрунтових вод, і це потрібно завжди брати до уваги, змінюються фізичні характеристики деяких ґрунтів, що може нести загрозу катастрофічного зсуву. Особливо така загроза виникає навесні під час танення снігу чи восени під час тривалих дощів, коли система відведення води та інженерні комунікації працюють в посиленому режимі.
Сучасні методи розрахунку стійкості схилів у поєднанні з передовими розробками у сфері технології будівництва та зведення багатоповерхових будівель дають можливість проектувати і вести будівництво на зсувонебезпечних ділянках місцевості за умов проведення спеціальних заходів щодо укріплення таких схилів.
У зв’язку з цим з’являється необхідність вирішення проблеми надійності та безпечного виконання таких проектів будівництва, а також питань щодо подальшої експлуатації будівель та споруд, які зведені в зоні розташування зсувонебезпечних схилів. Досвід минулих років наявно демонструє ситуацію на прикладі помилок проектувальників, коли вже після зведення висотних будівель та їх заселення, виникала потреба евакуювати людей під час реальної загрози руйнування в результаті активізації зсувних процесів поряд, вірогідність виникнення яких не була врахована на стадії проектування.
Таким чином, дослідження сучасних методів боротьби зі зсувами нині є актуальною темою та науково-практичним завданням.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація відповідає Закону України від 11.07.2001, №2623-III «Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки» та змінам до цього закону від 09.09.2010, №2519-IV «Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки на період до 2020 року», Постанові Кабінету Міністрів України від 23.05.2011, №547 «Про затвердження Порядку застосування будівельних норм, розроблених на основі національних технологічних традицій, та будівельних норм, гармонізованих з нормативними документами Європейського Союзу», а також тематиці науково-дослідної роботи «Наукове обґрунтування інноваційних технологій відновлення об’єктів транспортної інфраструктури України» (№ державної реєстрації 0119U001139).
Метою роботи є обґрунтування параметрів ґрунтоцементної пальової підпірної конструкції на основі результатів аналітичних та експериментальних досліджень стійкості зсувонебезпечного шаруватого схилу, а також визначення раціональних параметрів цієї конструкції шляхом вирішення контактної задачі взаємодії ґрунтового масиву та підпірних елементів.
Ідея роботи полягає в обґрунтуванні параметрів ґрунтоцементних паль, можливості застосування яких визначаються за результатами дослідження ефективності їх сумісної роботи на зсувонебезпечних природних схилах за різних умов.
Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовані та вирішені наступні задачі досліджень.
1. Виконати аналіз поточного стану яружно-балочних мереж м. Дніпра із виявленням зсувонебезпечних схилів.
2. Обґрунтувати ефективність способу підвищення коефіцієнта запасу стійкості зсувонебезпечного схилу, що полягає у використанні ґрунтоцементної пальової підпірної конструкції, порівняно з іншими способами укріплення.
3. На основі аналітичних методів визначити форми кривої поверхні ковзання, що призводять до потенційної втрати стійкості ґрунтового схилу балки. На основі проведених досліджень розробити схему підсилення схилу за допомогою ґрунтоцементних паль, параметри яких необхідно обґрунтувати.
4. Провести відцентрове моделювання ґрунтового схилу з використанням масштабної моделі ґрунтоцементної пальової підпірної конструкції для порівняння характеру залягання поверхні ковзання із аналітичними методами та оцінки позитивного впливу підсилення.
5. В ході чисельного аналізу підпірної конструкції з ґрунтоцементних паль отримати нові залежності щодо параметрів міцності та стійкості вказаної конструкції для укріплення зсувонебезпечного шаруватого схилу, складеного суглинистими ґрунтами.
Об’єктом дослідження є стійкість зсувонебезпечних ґрунтових схилів.
Предметом дослідження є технологічні параметри ґрунтоцементної пальової підпірної конструкції.
Методи досліджень. Методичну основу досліджень складає комплекс¬ний підхід, що включає в себе аналіз і узагальнення літературних даних за темою роботи, аналітичні та експериментальні дослідження, виконані з метою обґрунтування параметрів ґрунтоцементних підпірних пальових конструкцій на зсувонебезпечних схилах.
Наукові положення, що захищаються в дисертації:
1. Коефіцієнт запасу міцності підпірної конструкції з ґрунтоцементних паль 0 1,2 м, що об’єднані бетонним ростверком, має мінімум, при цьому відс¬тань між палями дорівнює 0,6 м, що дозволяє проектувати надійні підпірні конструкції такого типу.
2. Коефіцієнт запасу стійкості ґрунтового схилу, який підсилено ґрунтоцементними палями, що розташовані ортогонально до поверхні ковзання тіла зсуву, знаходиться в ступеневій залежності від відстані між палями, і становить 1,7, що забезпечує достатню стабільність зсувонебезпечного схилу.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в отриманні нових закономірностей щодо формування міцності та стійкості ґрунтоцементної підпірної конструкції для укріплення зсувонебезпечних схилів, що дає можливість прогнозування їх геомеханічної стійкості в залежності від можливого розташування кривої поверхні ковзання, а саме:
• вперше встановлено залежності зміни абсолютних зміщень, відносних деформацій, коефіцієнтів запасу міцності та стійкості, а також напружень по Мізесу в елементах підпірних конструкцій з ґрунтоцементних паль від кута їх нахилу, відстані між палями та наявності бетонного ростверку, що їх об’єднує;
• набули подальшого розвитку методи оцінки та прогнозування зсувонебезпечності ґрунтових схилів, що дозволило обґрунтувати спосіб підвищення коефіцієнта запасу стійкості в залежності від варіації параметрів ґрунтоцементної підпірної конструкції;
• вперше обґрунтовано параметри способу підвищення стійкості зсувонебезпечного схилу з пальовими підпірними конструкціями на основі комплексного математичного та відцентрового моделювання з використанням реальних ґрунтів зсувонебезпечного схилу та критеріїв подібності.
Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей формування міцності та стійкості зсувонебезпечного укріпленого схилу, що дає можливість прогнозування його геомеханічної стійкості в залежності від можливого розташування кривої поверхні ковзання. Обґрунтовано спосіб підвищення коефіцієнта стійкості ґрунтового схилу в залежності від варіації параметрів ґрунтоцементної підпірної пальової конструкції.
Практичне значення результатів роботи полягає в наступному:
• Розроблено методику розрахунку коефіцієнта стійкості зсувонебезпечного схилу, що підсилений ґрунтоцементними палями, з використанням восьми теоретичних положень та з урахуванням фізико- механічних властивостей і вологонасиченості ґрунтів;
• Розроблено методику визначення параметрів стійкості і способу закріплення земляного полотна шляхом скінченно-елементного моделювання стійкості схилу;
• Обґрунтовано ефективність застосування способу укріплення земляного полотна автодороги, що підтверджується деклараційним патентом на корисну модель та розрахунком економічного ефекту від впровадження дисертаційної роботи.
Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків, ре-комендацій підтверджується розрахунками скінченно-елементних моделей, результати яких отримані за допомогою відомих програмних комплексів, які реалізують метод скінченних елементів; задовільною збіжністю результатів скінченно-елементного і відцентрового моделювання - переміщень моделей (в межах від 80 до 90%).
Реалізація результатів роботи. Результати наукової роботи були практично впроваджені для інженерного захисту зсувонебезпечного схилу при капітальному ремонті автомобільної дороги місцевого значення С141017 (Львів-Шегині) - Судова Вишня на ділянці км 1+500 - км 2+500, Мостиського району Львівської області, що підтверджується відповідним актом.
Особистий внесок здобувача. Формулювання мети і задач дисертації, планування експериментів та обговорення результатів виконано разом із науковим керівником.
Автор дисертаційної роботи розробив підпірну протизсувну конструкцію з ґрунтоцементних паль, що підтверджено відповідним актом на впровадження робіт, а також патентом на корисну модель; виконав порівняльний аналіз отриманих результатів розрахунку скінченно-елементних моделей зсувонебезпечної ділянки на стійкість з влаштуванням різних типів протизсувних конструкцій (ґрунтоцементні палі з різною конфігурацією розташування - вертикальні, похилі, вертикальні, що об’єднуються бетонним ростверком, похилі, що об’єднуються бетонним ростверком); розробив методику проведення відцентрового моделювання схилів та навів докладний опис виконання натурних випробувань моделей зсувонебезпечних схилів; на основі опрацьованих результатів порівняльних досліджень провів аналіз та оцінку ефективності роботи ґрунтоцементних протизсувних підпірних пальових конструкцій та розрахував економічний ефект.
Апробація матеріалів дисертації. Основні результати дисертації представлені на наукових семінарах, конференціях: 77, 78, 79-та Міжнародна науково-практична конференція «Проблеми та перспективи залізничного транспорту» (м. Дніпро, 2017-2019 рр.); науково-практична конференція «Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика» (м. Дніпро, 2018 р.); конференція «Нариси гірничої науки і практики», Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпро, 2019 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 наукових робіт. 4 - в спеціалізованих періодичних фахових виданнях, 3 - у журналах, які входять до міжнародних наукометричних баз, 3 - в збірниках конференцій, 1 - патент України на корисну модель.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літературних джерел із 115 найменувань на 10 сторінках і 4 додатків на 22 сторінках. Містить 108 машинописних сторінок, 86 рисунків і 8 таблиць. Загальний обсяг дисертації складає 182 сторінки.

Список литературы

ВИСНОВКИ
1. Виконано розрахунок поверхні ковзання за допомогою 8-ми методів для зсувонебезпечної ділянки автомобільної дороги місцевого значення С141017 (Львів-Шегині) - Судова Вишня на ділянці км 1+500 - км 2+500. Встановлено, що найменший коефіцієнт стійкості, отриманий в розрахунку по методу Лоува і Карафайта, а всі інші мають підвищені коефіцієнти стійкості відносно першого, який можна прийняти за номінальний.
2. Обґрунтовано параметри ґрунтоцементної пальової підпірної конструкції, яка являє собою ряд ґрунтоцементних паль, що мають нахил для підвищення опору переміщенню тіла зсуву, об’єднаних бетонним ростверком, що підтверджується актом впровадження дисертаційної роботи (додаток А).
3. Розроблено конструктивну схему пальової підпірної конструкції з ґрунтоцементних паль для зсувонебезпечної ділянки.
4. Отримано патент на корисну модель №133008 від 25.03.2019 - «Спосіб укріплювання зсувонебезпечних схилів» (Додаток Б).
5. Розрахований економічний ефект від впровадження ґрунтоцементної пальової підпірної конструкції, який складає на 1000 м укріпленого земляного полотна зсувонебезпечної ділянки автомобільної дороги 36,71 млн. грн.
6. Результати аналізу і обґрунтувань за матеріалами розділу 4 опубліковані в друкованих роботах [77, 78].
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей зміни абсолютних зміщень, відносних деформацій, коефіцієнтів запасу міцності та стійкості, а також напружень за Мізесом в елементах підпірних конструкцій з ґрунтоцементних паль від кута їх нахилу, відстані між палями та наявності бетонного ростверку, що їх об’єднує, вирішено актуальне науково-технічне завдання обґрунтування параметрів ґрунтоцементних пальових підпірних конструкцій для захисту зсувонебезпечних схилів, що дозволяє вирішувати технічні, економічні та екологічні проблеми зсувонебезпечних регіонів.
Основні наукові та практичні результати роботи полягають у наступному:
1. Обґрунтувано ефективність способу підвищення стійкості зсувонебезпеч¬ного схилу, що полягає у використанні ґрунтоцементної пальової підпірної кон¬струкції, порівняно з іншими способами укріплення.
2. Визначено форми кривої поверхні ковзання, що призводять до потенцій¬ної втрати стійкості ґрунтового схилу балки. Розроблено схему підсилення схилу за допомогою ґрунтоцементних паль, параметри яких обґрунтовано.
3. Проведено відцентрове моделювання ґрунтового схилу з використанням масштабної моделі ґрунтоцементної пальової підпірної конструкції для порів¬няння характеру залягання поверхні ковзання із аналітичними методами та оці¬нки позитивного впливу підсилення. Встановлено, що при діаметрі ґрунтоцеме¬нтних паль 120 см і відстані між палями 0,6 м укріплена модель схилу має най¬менші абсолютні деформації.
4. Отримано нові залежності щодо параметрів міцності та стійкості вказаної конструкції для укріплення зсувонебезпечного шаруватого схилу, складеного су-глинистими ґрунтами.
5. Виконано порівняльний аналіз результатів розрахунку підпірних конструкцій з ґрунтоцементних паль на прикладі розрахунку стійкості зсувонебезпечного схилу ділянки автомобільної дороги загального користування місцевого значення С141017 (Львів-Шегині) - Судова Вишня.
Розраховано економічний ефект від впровадження ґрунтоцементної па- льової підпірної конструкції, який складає 36,71 млн. грн на 1000 м укріпленого земляного полотна зсувонебезпечної ділянки автомобільної дороги.