Вязко-пластическое деформирование структурированных сред, взаимодействующих с удерживающими конструкциями, под действием массовых сил

Калачёва, Елена Николаевна

Вязко-пластическое деформирование структурированных сред, взаимодействующих с удерживающими конструкциями, под действием массовых сил тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Калачёва, Елена Николаевна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Вязко-пластическое деформирование структурированных сред, взаимодействующих с удерживающими конструкциями, под действием массовых сил»

Автореферат диссертации на тему "Вязко-пластическое деформирование структурированных сред, взаимодействующих с удерживающими конструкциями, под действием массовых сил"

На правах рукописи

Калачёва Елена Николаевна

ВЯЗКО - ПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРИРОВАННЫХ СРЕД, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С УДЕРЖИВАЮЩИМИ КОНСТРУКЦИЯМИ, ПОД ДЕЙСТВИЕМ МАССОВЫХ СИЛ

Специальность: 01.02.04 — Механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2013

005059440

Работа выполнена в ФБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет им. B.C. Черномырдина» на кафедре «Строительное проектирование и производство»

Научный руководитель Буслов Анатолий Семенович, доктор

технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Морозов Евгений Михайлович,

доктор технических наук, профессор кафедры «Физика прочности» Национального исследовательского ядерного университета МИФИ

Джинчвелашвили Гурам Автандилович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Сопротивление материалов» ФБОУ ВПО МГСУ-МИСИ

Ведущая организация — ООО Проектный институт

«Промгражданпроект», г. Рязань, ул. Ленина, 27.

Защита состоится «29» мая 2013 года в 1630 часов на заседании диссертационного совета Д 212.137.02 в Московском государственном открытом университете им. B.C. Черномырдина по адресу: 107996, г. Москва, ул. П.Корчагина, д.22 e-mail msou@msou.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного открытого университета им. B.C. Черномырдина

Автореферат разослан апреля 2013 г.

Ученый секретарь и

диссертационного Совета ^-ч*-*— н.В. Лакшина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время остро стоит вопрос безопасного строительства зданий и сооружений в районах, подверженных оползневым процессам. Диссертация посвящена решению одной из актуальных задач механики деформируемого твердого тела о ползучести бингамовых структурированных сред с начальным сопротивлением сдвигу. В качестве таких сред рассматриваются укрепляемые сваями оползневые массы грунта, находящиеся в зависимости от их увлажнения и гравитационных сил в состоянии нестационарной ползучести - кратковременных подвижек, а также постоянных или нарастающих скоростей деформирования.

Теории и практике укрепления оползней сваями посвящены многочисленные исследования. В основном в них рассматриваются вопросы расчета устойчивости и несущей способности противооползневых свай при стабилизации ими оползней-сколъжения. Наряду с этим, остается недостаточно изученным вопрос влияния разреженного ряда свай либо сплошной противооползневой стены на скорость ползучести оползней-потоков.

Вязко — пластический поток, набегая на препятствия в виде разреженного или сплошного ряда свай, может сваи обтекать, растекаться вдоль стенки или «переползать» поверх нее с различными комбинациями течения в зависимости от реологических свойств потока и конструктивных особенностей удерживающих конструкций. Строгого решения задач нестационарной ползучести потока с изменяющимися граничными условиями для структурированных сред, каким является грунт, не имеется.

В диссертации для получения приближенного решения поставленной задачи весь поток свайно-оползневого пространства с изменяющимися граничными условиями разбивается на отдельные участки, для которых применимы частные случаи точных решений вязкого течения на основе уравнений Навье-Стокса и объединения их на основе общего параметра. Показано, что объединяющим параметром для задач ламинарного движения оползня с последующим обтеканием сплошных, либо отдельно стоящих препятствий является контрольный объем установившегося вязкого течения потока перед входом в область с изменяющимися граничными условиями.

Основные реологические модели, используемые в механике деформируемого твердого тела по аналогии с вязкими жидкостями, такие как линейные зависимости вязкого ньютонова течения, вязкопластического течения Бингама -Шведова с начальным сопротивлением сдвигу, а также нелинейные модели неньютонова течения применимы лишь к какой либо одной из стадий

деформирования грунта оползневого массива и, хотя все стадии от затухающей ползучести до прогрессирующего течения являются единым реологическим процессом, математически они между собой не связаны.

Для построения обобщенной модели в диссертации использован принцип последовательной смены стационарных состояний, в котором на основе скорости установившейся ползучести можно «step by step» перейти к неустановившемуся движению оползня.

Решение теоретических задач ползучести структурированных сред при изменяющихся граничных условиях и динамики потока имеет актуальное прикладное значение в вопросах стабилизации и регулирования скорости движения вязких и вязкопластических оползней.

На практике они связаны с чрезвычайно большой стоимостью противооползневых мероприятий. В ряде случаев наиболее выгодным является поэтапное освоение капиталовложений за счет частичного замедления движения оползня, например, разреженным рядом свай, в допускаемых пределах для каждого конкретного случая. На следующем этапе можно осуществлять дальнейшее замедления движения оползня либо его полная стабилизация. Метод поэтапной стабилизации оползневых участков особенно эффективен при эксплуатационном содержании автомобильных и железных дорог, проходящих в оползнеопасных районах.

Инженерное управление оползневыми процессами требует дальнейшего развития теоретических методов их расчета на основе исследования вопросов реологической механики взаимодействия оползней и удерживающих сооружений. В связи с этим, разработка и развитие аналитических методов расчета деформирования вязко-пластических сред, взаимодействующих с удерживающими сооружениями, представляет теоретический и прикладной интерес, чем и определяется актуальность темы диссертационной работы.

Целью работы является:

- разработка аналитического метода расчета скорости установившейся ползучести вязкого оползня при взаимодействии его с разреженным рядом свай и со сплошной подпорной стенкой;

- разработка аналитического метода расчета скорости деформирования вязкопластического оползня, взаимодействующего с разреженным рядом свай;

- сопоставление результатов расчетов по предложенным методам с данными проведенных в лотке экспериментальных исследований скорости деформирования вязких и вязкопластических оползней, взаимодействующих со свайными контрфорсами;

- разработка реологической модели, объединяющей все стадии деформирования от затухающих деформаций, до установившейся и нарастаю-

щей ползучести в зависимости от уровня напряженного состояния грунта оползневого массива;

- разработка эмпирических зависимостей по расчету основных реологических характеристик грунтов, необходимых для исследований оползневых процессов, на основании обработки имеющихся в литературе обобщенных опытных данных;

- применение разработанных методов реологических расчетов на примере деформирования реального оползневого участка (по данным архивных материалов).

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

- разработан аналитический метод исследования процессов деформирования структурированных сред, позволяющий определять скорости ползучести оползневых масс со сложной траекторией движения. Показана возможность объединения аналогий точных решений для частных случаев установившегося течения на основе контрольного объема стационарного потока перед входом в область с изменяющимися граничными условиями;

- показано, что реологическая модель экспоненциального характера с обобщающим фактором при экспоненте в виде функции повреждения в условиях ползучести, позволяет рассчитывать процесс вязко — пластического деформирования грунтов оползневого массива как единый - от затухающих кратковременных подвижек до стационарного и прогрессирующего течения;

- впервые установлено, что в стадии ползучести с нарастающей скоростью в формулу периода ползучести экспоненциальной реологической модели необходимо вводить параметр связности (сцепления) фунта вместо модуля сдвига, закономерного только для стадии затухающей ползучести;

- комплекс проведенных экспериментальных реологических исследований взаимодействия вязких и вязкопластических грунтовых масс с модельными сваями подтвердил основные теоретические выводы и показал достаточную точность расчетов по предлагаемым зависимостям;

- на основе результатов экспериментальных исследований, как других авторов, так и собственных, разработаны эмпирические зависимости по расчету основных реологических характеристик, таких как вязкость, угол внутреннего трения и сцепление грунтов, необходимых для исследований оползневых процессов;

- показано, что реологические расчеты, проведенные на примере реального оползневого участка с использованием разработанных аналитических и эмпирических зависимостей, позволяют достаточно точно оценить реальную картину деформирования увлажняемого оползня от кратковременных затухающих его подвижек до установившейся и нарастающей скорости ползучести.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, предложенных в диссертации, определяется применением основных положений и законов механики деформируемого твердого тела, механики разрушения, вероятностных методов обработки результатов экспериментальных исследований и подтверждена хорошей корреляцией полученных результатов с известными теоретическими и экспериментальными данными.

Практическая ценность и внедрение результатов. Разработанные теоретические методы реологических расчетов оползней, взаимодействующих с контрфорсами, доведены до уровня практического их применения. Результаты исследований внедрены при строительстве сооружений следующими организациями: 1. ООО Проектный институт «Промгражданпроект» г. Рязань, 2013 г. 2. Муниципальное предприятие «РСУ №1» г. Рязань, 2013 г. 3. ООО «ПРОЕКТРЕСТАВРАЦИЯ» г. Рязань, 2013.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

- разработанные методы расчета скорости установившейся ползучести вязкого и вязкопластического оползня при наличии удерживающих свай;

- разработанный метод реологического расчета с обобщением всех стадий напряженно-деформированного состояния оползня от кратковременных затухающих деформаций до установившейся и нарастающей скорости ползучести;

- результаты экспериментальных исследований реологии вязких и вяз-копластических оползней при взаимодействии с модельными сваями;

- разработанные эмпирические зависимости по определению реологические характеристики грунтов на основании обработки имеющихся в литературе обобщенных опытных данных;

- методика реологического прогнозирования увлажняемого оползня на примере расчета реального оползневого участка с использованием разработанных зависимостей.

Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах: 1. Ежегодная научно-практическая конференция «Повышение эффективности образовательного процесса в техническом вузе». Рязань, 26-27 января 2012. 2. Х-я межвузовская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов. «Новые технологии в учебном процессе и производстве». Рязань, 25 апреля 2012. 3. Конференция «Повышение эффективности образовательного процесса в вузе с учетом требований новых образовательных стандартов». Рязань, 25 января 2012. 4.1 -я Международная научно - практическая конференция «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития». Йошкар- Ола, 10 дек. 2012 г. 5. Общеуниверситетский научный семинар «Механика неоднородных структур и систем» при МГОУ им. B.C. Черномырдина, Москва, 2013 г. 6. Расширенный семинар кафедры «Строительное проектирование и производство», 2013 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, отражающих основные научные результаты диссертации. Из них 2 работы опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и по главам, списка использованных источников и приложения. Диссертационная работа изложена на 180 страницах машинописного текста, включающего 63 рисунка, 7 таблиц, списка использованных источников из 130 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе выполнен литературный обзор, дана краткая общая характеристика региональных оползней и основных факторов возникновения оползневых процессов, представлены генетические типы оползней.

Этому методу посвящены работы Аносовой Л.А., Емельянова Е.П., Золотарева Г.С., Ерыш И.Ф., Клюкина A.A., Корженевского И.Б., Кюнтцеля В.В., Муратова М.В., Осипова А.Е., Шагоянца С.А., Тржцинского Ю.Б., Ларионова А.К., Липсона Г.А., Кривошеева З.А., Шадунц К.Ш., Маций С.И., Попова И.И., Хромовских B.C. и многих других.

Обобщение причин и классификация оползней изложены в трудах Н.Н.Маслова, Ф.П.Саваренского, И.В.Попова,Золотарева Г.С., Кнорре М.Е. и др., Ясюнас Л.П., S.Sharpe, K.Terzaghi, D.Varnes и ряда других. Среди них вопросам исследования, расчета и стабилизации оползней-потоков уделяли внимание такие исследователи, как Шадунц К.Ш., Билеуш А.И., Будин А.Я., Буслов A.C., Гольдштейн М.Н., Туровская А.Я., Лапидус Л.С., Маслов H.H., Добров Э.М., Шукле Л., Pasuto, S. Silvano.

Наряду с этим, остается недостаточно изученным вопрос влияния удерживающих конструкций в виде разреженного ряда свай либо сплошной противооползневой стены на скорость деформирования вязких и вязкопла-стических оползней. Имеются лишь отдельные работы в этом направлении

(А.Я. Будин, A.C. Буслов и др.). Пентковски Р.Б. (Польша) приводит данные по практическому наблюдению последовательного замедления движения оползня в процессе погружения противооползневых буровых свай.

Инженерное управление оползневыми процессами требует дальнейшего развития практических методов их расчета на основе исследования вопросов реологической механики вязких и вязкопластических оползней при взаимодействии их с противооползневыми сооружениями. Все это предопределило цель и задачи дальнейших исследований, сформулированных в заключение первой главы диссертации.

Вторая глава посвящена аналитическим решениям движения оползней-потоков при наличии удерживающих свай.

Рассмотрен вопрос применения терминологий исследуемых процессов. Под ползучестью подразумеваются все виды деформирования во времени. Термин «течение» применительно к твердым телам заимствован из теории вязкой жидкости. Под ним подразумевается непрерывное и неограниченное изменение формы. Течение рассматривается как частный случай ползучести, относящийся к стадии деформирования, развивающегося с постоянной или нарастающей скоростью (прогрессирующее течение).

Как показывают многочисленные наблюдения, в районах с повышенным уровнем атмосферных осадков грунты оползневых склонов и косогоров в виду их переувлажнения приобретают способность медленного вязкого течения. Для таких грунтов предельное сопротивление сдвигу тгр —> 0, а касательные напряжения между слоями жидкости, возникающие между слоями при движении жидкости прямолинейными слоями, пропорциональны градиенту скорости в виде закона Ньютона:

где коэффициент пропорциональности ц называется динамическим коэффициентом вязкости или просто вязкостью жидкости.

Для исследования движения переувлажненных оползней обычно используется система уравнений Навье-Стокса по аналогии с вязкими жидкостями. Нахождение точных решений уравнений Навье-Стокса наталкивается в общем случае на непреодолимые математические трудности, возникающие из-за нелинейности этих уравнений. Однако в некоторых частных случаях получены точные решения уравнений Навье-Стокса.

Особенно простой класс точных решений представляют, так называемые слоистые течения. Их характерным признаком является существование в них лишь одной составляющей скорости. В диссертации этот класс течений принят за основу при разработке методов взаимодействия вязких оползней с противооползневыми сооружениями.

Движущийся оползневой поток при наличии разреженного ряда свай либо сплошной подпорной стенки можно условно разделить на три участка (рис. 1).

Как видно из представленной схемы (рис. 1), пространство от начала оползня до подпорной стенки (разреженной или сплошной) разделяется на две области: область истока с неограниченным по ширине В одномерным гравитационным течением склона, движущимся со скоростью и область регулируемого стока с разветвляющимся по осям х, у, 2 потоком.

Для первого участка движения оползня область плоскопараллельного стационарного течения характеризуется следующими известными зависимостями. Максимальное значение скорости Ух при у=Н (рис. 2) принимается как для гравитационного равномерного движения вязкой жидкости по наклонной поверхности равное:

углах _ рдН2Ипа „ч

Значение средней скорости по всему поперечному сечению оползня:

у;р = -зУ™°*. о)

Объемный расход (3 фунта оползня в единицу времени на участке шириной В:

О = У'РВН. (4)

При набегании потока по оси X на твердую поверхность (второй участок) скорость Ух в точке х=0, г=0 равна нулю (рис. 1а, б). Линия тока искривляется, и поток продолжает течь уже вдоль оси X (рис. 16). В окрестностях твердой поверхности скорость потока, соприкасающегося с осью ХиД равна нулю из условия прилипания вязкой жидкости. При этом линия тока по оси X принимается условно за твердую (неподвижную) поверхность.

Поскольку скорость Ух потока по высоте Н не является постоянной, а зависит от у (рис. 2), то для анализа изменения профиля скорости потока в плоскости Х02 рассмотрим поток толщиной Ау, в пределах которой профиль скорости 140') может рассматриваться как условно постоянный.

Область плоскопараллельного 1_

Рис. 1. Картина течения вязкого оползня с контрфорсами: а - фрагмент оползня с установленным против его течения разреженным рядом свай; б - обтекание вязкой жидкостью неподвижного твердого препятствия.

Рис. 2. Вязкое течение склона.

При изменении потоком своего первоначального направления движения вблизи критической точки О (рис. 16) возникают вихри, оказывающие сопротивление движению оползневого потока.

Рассматривая движение потока элементарной толщины после его поворота и течения вдоль оси Ъ, величину скорости иъ можно представить в виде суммы скоростей поступательной Ух и вращения Уго1:

^ = Ух+Уго1. (5)

В критической точке О при изменении направления элементарного потока на 90° У=0. Тогда в точке О имеем У= Уго1, откуда У-Уго,=0= V.

Следовательно, вихрь оказывает тормозящее сопротивление поступательному движению струи при изменении ее траектории.

Для установления характера изменения скорости был использован анализ функции комплексного переменного для линий тока у жесткой стенки с прямым углом, имеющих вид равнобочной гиперболы с асимптотами вдоль координатных осей. Решение задачи приводит к средней скорости потока и?, равной:

££>(х)=^1£ = 0,707Ц. (6)

Эпюра £4(х), исходя из выражения для ее среднего значения (6) , будет носить параболический характер, что соответствует результатам более сложного численного решения данной задачи в дифференциальных уравнениях, полученным К. Хименцем и Л. Хоуартом.

Скорость потока Ух , как известно, зависит от ординаты У (рис. 2), а следовательно и скорость 1/г также будет зависеть от этой ординаты. Учитывая, что средняя скорость прямолинейного потока, движущегося по наклонной плоскости, равна = ^У™ах, при переходе к средней скорости потока иполучаем

ис/ (*, \ ИГа*=0,471(7)

Здесь скорость У™"* определяется по формуле (2).

Как видно, на всех участках оползневого откоса скорости движения разные, следовательно, первоначально стационарное течение потока меняется в какой-то период времени на нестационарный. Со временем поток становится стационарным, но с измененной скоростью. В качестве объединяющего параметра всего установившегося потока свайно-оползневого пространства принимается контрольный объем стационарного потока жидкости перед входом в область с изменяющимися граничными условиями.

Контрольный объем установившегося потока жидкости, протекающий в единицу времени вдоль оси Ъ, в конце стенки длиной В/2 будет равен: <2 (г,у) = Ц?(х,у)ЬН. (8)

Поскольку поток имеет вид равнобочной гиперболы, то Ь=В. Тогда формула (8) с учетом зависимости (7) приобретает вид:

0(.х,у) - 0,2351%"ахВН. (9)

При натекании вязкого оползня на сплошную стенку поток течет вдоль стенки в противоположные стороны от критической точки О. Тогда общий контрольный объем установившегося потока вязкой жидкости, вытекающий в единицу времени вдоль оси ±2, будет равен:

Е<3(х,>0 = 0,47УхтахВН = 0,707\£РВН. (10)

Отношение объемных расходов потока без подпорного сооружения (форм. 4) и с ним (форм. 10) в итоге равно отношению средних скоростей потоков в том и другом случаях. Тогда

Ц?(х.У) = +0,3531^0') (11)

Из формулы (11) видно, что поток вязкой жидкости растекается в две противоположные стороны вдоль сплошной подпорной стенки и скорость его замедляется по сравнению со скоростью движения плоскопараллельного потока неограниченной ширины.

В случае, когда подпорная стенка представляет собой разреженный ряд свай (рис. 1а), плоскопараллельный поток, движущийся со скоростью разделится на два потока: один движется вдоль оси Ъ со скоростью С/2, а другой между сваями по оси, параллельной оси X — со скоростью £/х.

Контрольный объем установившегося потока жидкости, протекающий в единицу времени вдоль оси ±Х, в случае разреженного ряда свай (рис.1 а) будет равен:

= (12)

Здесь: и - число свай в ряду; А - шаг свай по осям; В2 - расстояние между сваями в свету.

Контрольный объем установившегося движения вязкого потока жидкости, протекающий в единицу времени при разреженном ряду свай по оси X (форм. 4), равен:

0х = У:Р^пВН. (13)

Отношение контрольных объемов установившегося движения потока соответствует отношению скоростей вязкого течения, откуда с учетом зависимости (10) получаем

и7(х.У) = ±0,3 531// (1 - у. (14)

Соответственно скорость потока, протекающего сквозь разреженный ряд свай, можно найти по отношению контрольных потоков по аналогии плоскопараллельного установившегося гравитационного движения бесконечного откоса и течения в канале.

В прикладных задачах гидромеханики в качестве условий на входе в расчетную область наиболее часто рассматривается ударный профиль. Принимают, что все скорости на входе равны друг другу и направлены перпендикулярно плоскости входа.

В рассматриваемом случае перед входом сформировалось стабилизированное плоскопараллельное течение вдоль оси X. На выходе из межсвайного пространства профиль скорости зависит от длины этого пространства (канала). При достаточно длинном канале профиль скорости формируется за

счет трения по боковым граням канала и принимает вид параболы Пуазейля, а при коротком канале можно приближенно принять профиль, аналогичный плоскопараллельному движению.

Для ряда, состоящего из свай прямоугольного или круглого сечения, профили скоростей в плоскостях XOZ и ХОУ можно приближенно принять одинаковыми. Тогда на основе анализа контрольных объемов на входе и выходе межсвайного пространства получим:

If/ = (15)

При D2 -»Д, Uc/ -» VyP~, при Di ->0; Щ -> 0, что соответствует частным случаям течения вязкой жидкости.

Следует отметить, что в основу рассматриваемого анализа движения вязкого оползня положено решение о течении неограниченного по ширине оползневого откоса, для которого из-за отсутствия боковых преград возможно расползание вдоль установленного поперек его движения контрфорсного препятствия.

На практике, как правило, встречаются оползни с бортами. Для таких оползней скорость вдоль установленной поперек его движения контрфорсной стенки Uz=О, однако, возможно «переползание» вязкого потока поверх подпорного сооружения, что и наблюдается на практике.

На рис. 3 представлена возможная картина движения вязкого оползня с бортами при наличии сплошной противооползневой стенки.

Поскольку течение вязкой массы в горизонтальном направлении вдоль стенки в этом случае невозможно, оползень под действием гравитационного давления выдавливается вверх. При этом перед подпорной стенкой по ее высоте от нижней границы оползня до уровня горизонта образуется по законам гидростатики застойная зона, где = 0. Выше этой зоны, как видно на рис. 3, из двух неравновесных движений со скоростями V~p = const и V** = fix) формируется стационарное течение оползня поверху подпорной стенки со скоростью iff.

Движение оползневой массы abcdef (рис.4) формируется из вязких течений двух отсеков abe и bcde. Отсек bcde движется со скоростью установившегося плоскопараллельного вязкого течения с параболическим распределением скорости по высоте Н.

Оползень

Рис.3. Картина формирования вязкого течения оползня поверху сплошной подпорной

стенки.

Рис.4. Формирование средней скорости движения оползня acdf из неравновесных течений двух отсеков abe и bcde.

Пренебрегая условием прилипания вязкой массы на границе бортов оползня из-за значительных размеров его ширины, получено следующее выражение для определения суммарной средней скорости течения оползня, учитывающее «протекание» и «переползание» оползневой вязкой массы для разреженного ряда свай:

+ у (16)

В третьей главе дается решение для скорости деформирования вязко-пластического оползня при наличии удерживающих свай. Модель вязкопла-стической среды, построенная Сен-Венаном, Ф.Н. Шведовым, Э.К Бингамом и X. Хенки, является классической двухпараметрической моделью. Когда один из параметров равен нулю, она превращается либо в вязкую среду, либо в модель идеальной пластичности.

Модель вязкопластической среды довольно кратко изложена в монографиях - по вязкой жидкости: Лойцянский Л.Г.; пластичности: Качанов

JI.M. , Соколовский В.В., Ишлинский А.Ю. и др.; в курсах по механике сплошной среды или в монографиях по реологии: Вялов С.С., Рейнер М. и др. Наиболее полно теория вязкопластичности изложена в работах Огибалова П.М. и Мирзаджанзаде А.Х.; Климова Д.М., Петрова А.Г. и Георгиевского Д.В.

В то же время следует отметить недостаточное количество исследований по реологии вязкопластических оползней при наличии удерживающих-конструкций, которые существенно изменяют картину и скорость их движения, что играет большую роль при расчетах стабилизации оползневых потоков.

Среди немногочисленных работ в этом направлении следует отметить исследования по определению горизонтальной нагрузки на цилиндрические сваи, возникающей при вязкопластическом течении грязевого потока сквозь разреженный свайный ряд, проведенные Seyhan Firat , Mehmet Sanbiyik и Erkan Celebi на основе применения ими численного метода конечных разностей.

Одним из характерных моментов движения вязкопластической среды является то, что в ней может быть жесткая зона, внутри которой скорость течения равна нулю. В случае безынерционного плоскопараллельного движения тяжелого слоя вдоль наклонной поверхности эта зона движется совместно с вязкой средой, и общая скорость течения вязкопластического оползня в этом случае будет определяться реологией вязкой среды (N. J. Balmforth, R. V. Craster и R. Sassi).

Реологическое уравнение состояния вязкопластической среды как двухпараметрической модели определяется связью между девиаторами скорости деформации и напряжений. Для изотропных сред их соотношение не должно зависеть от выбора направлений декартовой системы координат.

Уравнения состояния вязкопластической среды по модели Ильюшина могут быть представлены в виде объединения скалярных и тензорных определяющих соотношений:

т = ts +/Л/; = (17)

Здесь:

ts - предел текучести при сдвиге;

¡1 - динамическая вязкость;

Sfj - девиатор тензора напряжений;

vif - тензор скоростей деформаций;

Т = - максимальное касательное напряжение; (18)

U = ^J2v~v~ - максимальная скорость скольжения. (19)

Для получения точных решений движения вязкопластической среды необходим подбор системы координат, в которой были бы отличны от нуля только одна компонента скорости vx ^ 0 и одна компонента тензора деформации v12 = г?21 ^ 0. При этом U — 2г12, а девиатор напряжений будет иметь только одну, не равную нулю, компоненту - s12.

На рис. 5 показана схема плоскопараллельного течения вязкопластиче-ского оползня без контрфорсов. Видно, что оползневая масса разделяется на две области: жесткое ядро (иногда его называют псевдо-жестким), внутри которого скорость течения равна нулю, и слой с вязким течением. Жесткое ядро оползает вместе с вязким слоем, причем скорость его оползания из условия прилипания равна скорости течения вязкого слоя на их контакте.

В рассматриваемой нами задаче в отличие от известного решения М.П. Волоровича и A.M. Гуткина, в котором грунт наделен только сцеплением, принята схема плоскопараллельного вязкопластического течения среды, обладающей как сцеплением (коэффициент сцепления с), так и внутренним трением (угол внутреннего трения грунта ср).

Предельное сопротивление такой среды описывается законом Кулона ts = a tan ip + с , где а = pgh.

Для наклонной поверхности оползающего массива имеем: ts = pghXm ср cos а + с. (20)

Рис. 5. Схема плоскопараллельного вязкопластического течения для среды, обладающей сцеплением и внутренним трением.

Течение вязкого слоя происходит под действием разницы Дтсда между сдвигающими и удерживающими касательными напряжениям: Дтсдв = pghs'm а - pghtan (р cos а -с. (21)

Тогда максимальное значение скорости течения Vx(yt) вязкого слоя определится уравнением вида:

, „ \pgh sin Л)

YT™ O'l) = —- J--. (22)

При <p — О (грунт идеально связный) имеем Ts =с= pgD sin a. Тогда VxmaxbO = en¡^, (23)

т.е. приходим к выражению для среды, обладающей только сцеплением. Среднее значение скорости течения вязкого слоя в этом случае будет равно:

ИГОО = (24)

Величина D определится из соотношения т = ts (рис. 3). Учитывая, что т = рд Dsin а, а тг = {рд D tan <р cos а — с), найдем:

Д = n taW . ■ (25)

При ср — О, D = —-— = ——— , что соответствует случаю идеально рд sin а рд sin а

связной среды. При <р Ф 0 и с=0 имеем идеально сыпучую среду, поэтому жесткое ядро D = 0. Этот случай не относится к рассматриваемым нами вариантам вязкого и вязкопластического течения оползня и задача решается, исходя из теории устойчивость сыпучей среды.

Рассмотренные выше закономерности позволяют провести анализ скорости ползучести вязкопластического оползня при стабилизации его разреженным рядом свай. На рис. 6 показано, что в случае укрепления оползня сваями жесткое ядро оползневого массива стабилизируется (при условии «непродавливания» жесткого ядра между сваями). Его движение прекращается.

Скорость ползучести вязкого слоя меняется от варианта вязкого течения со свободной поверхностью (рис. 5) на случай вязкого течения между двумя параллельными неподвижными поверхностями (рис. 6).

Для случая ползучести вязкого слоя при «торможении» жесткого ядра скорость деформирования определится следующей зависимостью:

V* = bPa [ф2->'=Ипа- (26)

Соответственно изменяется максимальное значение скорости ползучести вязкого слоя:

у max _ -l-pgyi sin а. (27)

B/i

Среднее значение скорости ползучести вязкого слоя соответственно равно:

C=¿/WÍsina. (28)

Средняя скорость выдавливания вязкой массы между сваями при наличии поверх нее жесткого неподвижного ядра равняется:

y*=jLSLpgsiaa. (29)

Рис. 6. Выдавливание вязкого слоя между сваями при стабилизации вязкопластического

оползня.

Количество оползневой массы Q, протекающее в единицу времени в пространстве Dz между сваями и неподвижными поверхностями у=0 и y=yi в этом случае равно:

,v, 2(— Iapg sin а п. v? nj

0= О2У1 / v*dyB = -— = — — Р9 sin a. (30)

При í>2 -*■ 0, V^ -* 0 и Q^O (вариант сплошного свайного ряда). При D2 Dj (пренебрежение сопротивлением свай вязкому слою)

^ ТГиР9У* sina' (31)

Сравнение зависимостей (31) и (24) показывает, что при вязкопласти-ческом оползне закрепление отдельными сваями жесткого ядра дает уменьшение скорости ползучести вязкого слоя V^ по сравнению с природным состоянием в зависимости от шага свай в ряду от VlfL áO^Sl^íL до К.1? =0 в

* ОС i С 5 Xtii pj AiCo

случае сплошного ряда свай. На основании расчетов можно подобрать такой шаг противооползневых свай, при котором скорость выдавливания вязкого слоя будет либо практически ничтожна, либо в пределах допустимых значений для данного сооружения.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований деформирования вязких и вязкопластических оползней при стабилизации их маломасштабными сваями в лотке.

Известные и наиболее распространенные методы определения вязкости грунтов основаны на применении стандартных лабораторных приборов, та-

ких как вискозиметры, срезные, шариковые и др. Основным их недостатком является несравнимый с реальными оползневыми потоками малый объем исследуемого грунта.

В диссертации освещен впервые примененный метод определения ос-редненной для всей оползневой толщи вязкости грунта по опытному значению установившейся скорости движения откоса в лотке на основе формулы гравитационного плоскопараллельного стационарного движения вязкой массы.

Для проведения исследований был изготовлен стенд с лотком. Устройство испытательного стенда позволяет поднимать лоток с грунтом на различную высоту, изменяя тем самым градиент силы тяжести грунтовой массы (рис. 8).

При общей базе лотка в 100 см, угол наклона «оползневого склона» определялся через arc sina, и составлял соответственно: «1=8,62° (sin «[=0,15); а2=11,53° (sin а2=0,2); а3=17,45° (sina3=0,3); ff4=23,58° (sina4=0,4).

Для проведения исследований была подготовлена перемятая масса глинистого грунта общим объемом 4,32* 104 см3 и массой 82 кг со

кн

следующими показателями: у = 19—; Wp=0,18; WL=0,32; 1р=0,14 (суглинок); W=35%; показатель текучести IL=—= 1,214 > 1,0. По показателю текучести грунт относится к текучей консистенции, что характерно для оползней вязкого течения.

По результатам испытаний движения вязкой грунтовой среды при различных углах наклона оползневой поверхности среднее значение вязкости

2 о ^кН-сут

,32—f—.

В программу реологических исследований вязкого оползня входило изучение влияния шага свай в противооползневых сооружениях на скорость гравитационного движения оползневого склона (рис. 8).

Для изучения влияния параметров противооползневого свайного ряда на скорость движения вязкого оползня использовался предыдущий стенд, в котором перегородка заменялась свайным рядом с переменным шагом свай. На рис. 8 приведен один из опытов, в котором использовались модели свай с поперечным сечением 25 X 25.Ш(; число свай в ряду л=10 шт; вычисленное расстояние между сваями по осям - ^=50,5 мм; вычисленный просвет между сваями - Df= 25,5 мм; шаг свай по осям равен r=2,02d (рис. 8). Отношение — = 0,505. Угол наклона лотка as=l 1,53°; sin а5=0,2. Время наблюдения Di

за движением оползневой массы Т=53 часа. Отношение теоретического и

f q 930X10"*2

опытного значений вязкости составляет ^Т!^" = --- = 0,894.

V*"' 1.04Х10-2

Всего было проведено 14 опытов с модельными сваями, установленными поперек движения оползня с вариациями шага свай и размерами их поперечного сечения. Хотя отдельные расхождения расчетных и опытных данных достигали 14,3... 14,8 %, средняя величина погрешности в расчетах скорости движения вязкого оползня по предложенному методу в сравнении с полученными в экспериментах опытными данными при доверительном интервале «= 0,85 составляет всего 3,15%.

На рис. 9 показан график изменения скорости Ухшах течения вязкого оползня в зависимости от шага свай в ряду противооползневой стенки. Видно, что заметное снижение скорости движения вязкого оползня наблюдается только при шаге свай в ряду в пределах (2.. ,3)с1 сваи.

по А - А

Вид в плане

Рис. 7. Схема экспериментального стенда с лотком для проведения реологических исследований вязких оползней - течения.

Рис. 8. Деформирование оползневого отсека в лотке с устройством свайного ряда при ^ = 0,505 («5=11,53% «5=0,2).

При более редком расположении свай эффективность резко снижается и при шаге (9...10)с1 определение скорости потока находится в пределах точности определения значений вязкости грунта оползневого массива.

1.0 3.0 5.0 7.0 9.0 11.0 13.0 „_ Р]

Рис. 9. Зависимость между скоростью течения вязкого оползня и шагом свай в ряду противооползневой стенки: --теоретическая кривая; о - опытные точки.

Для исследования характера движения вязкопластического оползня при взаимодействии его со сваями была изготовлена экспериментальная установка (рис. 10). По сравнению с исследованиями вязкого течения данный лоток имел значительно большую высоту, позволяющую выделить жесткое ядро из общего оползневого пласта.

После относительного выравнивания влажности грунта по глубине лотка при среднем ее значении "^з^ЗЗ проводились исследования характера реологического течения оползающего слоя по наклонной поверхности («вязкое», «вязкопластическое») в зависимости от изменения размеров областей «жесткого» ядра толщиной Н) и вязкого слоя - Н2 (рис . 10 в). Прочностные характеристики для увлажненного грунта: с=0,1кН/см2; ср=5°. Показатель консистенции 1ь=1,09, что относится к текучим глинистым грунтам. Вязкость грунта для консистенции 1Ь=1,09; |1=4,ЗЗкН-сут/м2. По динамическому состоянию такие оползни в реальных условиях в соответствии с предлагаемой нами классификации следует отнести к оползням быстро протекающего течения.

В табл. 1 приведены опытные данные областей вязкопластического (Н[) и вязкого (Н2) течений в зависимости от угла наклона лотка с оползневой массой грунта к горизонту.

Рис. 11. Разделение «псевдожесткой» и вязкой сред в вязкопластичном оползне.

Рис. 10. Экспериментальная установка исследования реологии вязко-пластического оползня.

Таблица 1. Опытные данные величин Н1 и Н2 в зависимости от угла наклона лотка к горизонту.

№№ п/п Бт ос Соз а а, град Нь см Н2, см

1 0,20 0,98 11,54 45,0 4,0

2 0,30 0,954 17,46 27,0 22,0

3 0,40 0,917 23,58 15,0 24,0

4 0,50 0,866 30,00 11,0 28,0

Из данных, приведенных в табл. 1, видно, что с увеличением угла наклона лотка к горизонту «жесткое» ядро уменьшается по высоте оползневого массива, а область вязкого течения увеличивается. Глубину распространения «жесткого» ядра Н\ можно рассчитать в соответствии с аналитической зависимостью (24).

Как видно из рис. 12, зависимость глубины распространения области пластического течения Н! от угла наклона лотка носит нелинейный характер. Сравнение результатов расчетов и опытных данных значений глубины распространения области вязкопластического течения Н, в зависимости от угла наклона лотка с оползневой грунтовой массой показывает их достаточно близкую сходимость.

Следует отметить, что дальнейшее даже незначительное увеличение влажности глинистого грунта, находящегося в текучем состоянии, сущест-

венно влияет на динамику развития вязких и вязкопластических областей оползня. Так, при увеличении влажности оползневой массы до значения W=0,34 имеем IL=1,182, вязкость грунта ц=1,87кН-сут/м2. Хотя угол внутреннего трения грунта практически не изменился, величина удельного сцепления грунта снизилась и составила с=0,05кН/см2. В соответствии с зависимостью (24) толщина «жесткого» ядра H¡ = 23,3см. Соответственно высота вязкой зоны составит Н2=25,7см. По результатам опытов высота вязкого слоя составляет от 22,0 до 23,0 см. В среднем ее можно принять равной 22,5см.

Н. см

50---

^ УЧ х (?пыт

зо —ЛЧ--

20 -теория^л^^ -

10---—

0 ---

0.2 0.3 0.4 0.5 sin а

Рис. 12. Нелинейный характер зависимостей области

пластического (Hi) течения от угла наклона лотка к горизонту.

Следует отметить, что после наклона лотка с переувлажненным грунтом первоначально происходит быстрый вывал некоторого объема, связанного с местным нарушением устойчивости нижнего увлажненного слоя грунта на границе с днищем лотка. После этого наблюдается процесс длительного вязкого выдавливания грунта между сваями, захватывающего высоту Н2 и ширину межсвайного пространства.

«Выход» массы грунта за счет вязкого течения между средними сваями в период наблюдения 3 суток составляет по опыту (при Н2=22,5см; D2=10cm; Ь=5см) в среднем объеме Vcp=0,5-22,5-10-5=5,625-Ю2 см3.

На основании теоретического решения (30) количество оползневой массы Q, протекающее в единицу времени в пространстве D2 между сваями и неподвижными поверхностями у=0 и y=y¡ в этом случае равно g=l,98-102 см3/сут. За период наблюдения 3 суток количество выдавленной оползневой массы составит 5,94-102 см3. Теоретические и осредненные опытные значения достаточно близки. В их разброс необходимо включать и

см

V >пыт

-теория

отклонения при осреднении опытных величин. О более точном схождении теоретических и опытных значений в случаях с грунтами, находящимися в текучем состоянии, говорить не приходится, поэтому в случае вязкого течения можно прогнозировать скорее качественную картину, нежели количественные показатели.

В то же время весьма интересно оценить, насколько эффективно применение контрфорсных свай в плане уменьшения скорости вязкопластического движения оползня.

Для рассматриваемого опыта средняя скорость движения оползня без свай при ц=1,87кН-сут/м2 на основании зависимости (28) составляет 1,2 см/сут. Фактическая скорость при наличии свай составила 0,4 см/сут, то есть происходит уменьшение скорости в 3 раза.

С увеличением угла наклона лотка высота «жесткого» ядра Н! уменьшается, тогда как зона вязкого течения увеличивается в нелинейной зависимости. Так, при подъеме конца лотка на высоту 30 см (в1па=0,3; а=17,46°) в соответствии с зависимостью (25) находим Н1=12,5 см и Н2=36,5 см, что в 1,864 раза отличается от предыдущего опыта, хотя угол наклона при этом изменился лишь в 1,514 раз.

По опыту величина вязкой зоны составила при этом Н2=40,5 см (рис.11). Увеличение ее по сравнению с предыдущим опытом составило 1,8 раз.

Таким образом видно, что в случае вязкопластического течения крутых оползневых склонов эффективность применения разреженного ряда свай в качестве удерживающих конструкций значительно снижается.

Пятая глава посвящена разработке рекомендаций по стабилизации вязких и вязкопластических оползней на основании результатов проведенных исследований. Показано, что выбор расчетных моделей потока зависит от характера оползня.

Основные реологические модели, такие как линейные зависимости вязкого Ньютонова течения, вязкопластического течения Бингама -Шведова с начальным сопротивлением сдвигу, а также нелинейные модели Неньютонова течения применимы лишь к какой либо одной из стадий деформирования грунта оползневого массива и, хотя все стадии от затухающих деформаций до установившейся и нарастающей скорости ползучести являются единым реологическим процессом, математически они между собой не связаны.

При использовании различных реологических моделей анализ скорости движения оползневого потока со смешанными течениями существенно усложняется, поэтому обоснование и выбор обобщенной зависимости для описания смешанного характера ползучести оползневого потока является весьма важным в механике деформируемого твердого тела.

Для построения обобщенной реологической модели использован принцип последовательной смены стационарных состояний. В соответствии с этим принципом на основе характеристик установившегося течения можно «step by step» перейти к неустановившемся движению оползня.

В диссертации показано, что реологическая модель экспоненциального характера (32) с обобщающим фактором при экспоненте в виде функции повреждения A.A. Ильюшина (1-оо), позволяет рассчитывать процесс ползучести фунтов оползневого массива как единый от затухающих кратковременных подвижек до стационарного и прогрессирующего течения.

у = yoe-(i-")tco/f. (32)

Здесь у - скорость деформирования при сдвиге; у0- условно-мгновенная скорость деформации при t -* 0; G0 - условно - мгновенный (упругий) модуль сдвига при со-* 0; ц- вязкость грунта; t- время; со- безразмерная функция уровня напряжений (степень поврежденности), принимаемая равной со =т/т5.

В формуле (32) величина /JGü=Tr в соответствии с релаксационной формулой Максвелла носит название условного периода релаксации. В формуле (32) показатель степени Х= (а> — 1 )/Гсг при ш<1 имеет отрицательное значение и является коэффициентом затухания деформаций', при со> 1 показатель степени экспоненты "к приобретает положительное значение и является коэффициентом возрастания деформаций. При ш=\ у = уя, т.е. имеет место установившаяся ползучесть оползня. Таким образом, в принимаемой модели в зависимости от уровня напряжений в грунте коэффициент затухания последовательно трансформируется через нулевое значение в коэффициент возрастания при ТСТ, являющимся периодом ползучести. Однако в данной модели имеется один недостаток.

В диссертации на основе анализа микроструктурных исследований разрушения фунта С.С. Вялова и Р.В. Максимяк показано, что в стадии прогрессирующего течения в формулу периода ползучести Тсг необходимо вводить параметр связности (сцепления) «с» вместо модуля сдвига Go грунта, закономерного только для стадии затухающей ползучести, поскольку в остальных стадиях он равен нулю. Этот момент в применении реологической модели экспоненциального характера для описания движения оползневой массы имеет принципиальное отличие, поскольку попытки использования этой модели при запредельных напряжениях с модулем сдвига в коэффициенте возрастания приводят к нереальным увеличениям скорости ползучести среды, не подтверждаемым практикой.

Предлагаемая обобщенная модель стационарной и нестационарной ползучести для вязко - пластической структурированной среды имеет вид:

У = У,«", (33)

где

1) при т<т5 Л= (£у-7)Оо/ц- коэффициент затухания;

2) при т=т8 А=0 - стационарное течение;

3) при т=т5 Х=(со-1)с%%/(х —коэффициент возрастания (прогрессирования);

4) ув- условно-мгновенная скорость деформации при t -*0;

5) сгу - связность грунта, зависящая от влажности (по Н.Н.Маслову);

6) со =т/т5.

Таким образом, в предлагаемой реологической модели коэффициент затухания при допредельных напряжениях является функцией поврежденно-сти, вязкости и упругости грунта. При предельных напряжениях и в отсутствии затухания он равен нулю, при запредельных - имеем коэффициент возрастания (прогрессирования), являющийся функцией поврежденности, вязкости и связности грунта.

В диссертации приведены расчеты реального оползневого участка на 144 км Сахалинского отделения ДВЖД с использованием разработанных зависимостей, которые показали достаточно близкие результаты с данными независимых эксплуатационных наблюдений, как в состоянии затухающих кратковременных подвижек, так и более длительного прогрессирующего течения оползня.

На конкретном практическом примере рассмотрено влияние контр-форсных свай на реологию оползня. Расположение свай - двухрядное в шахматном порядке, расстояние между сваями и между рядами - 3,0 м.

На рис. 13 показаны графики незатухающих деформаций ползучести откоса в природном состоянии и при наличии удерживающих свай. Видно, что устройство противооползневых свай значительно уменьшает скорость деформаций откоса.

Скорость Vlfl.i:<, см / eyr.

Бремя t. c>tkii

Рис. 13. Графики незатухающих деформаций ползучести откоса в природном состоянии и при наличии удерживающих свай.

При проведении практических расчетов, по вполне понятным причинам, не всегда имеются необходимые реологические характеристики грунтов по реальным оползневым объектам.

rilcvr, м-

состояние глинистых грунтив по консистенции

Рис. 13. Логарифмическая зависимость Igfi динамического состояния оползня от показателя Д, - консистенции слагающих его глинистых грунтов по данным: о -H.H. Маслова;Д - А.Я. Будина; □ - D. Xiaobi & W. Lansheng; х - автора.

кгс

sintp; с. см-

Рис. 14. Эмпирические зависимости прочностных параметров sin/p, с и показателя консистенции глинистых грунтов Д. по опытным данным H.H. Маслова.

В связи с этим, в диссертации приведены эмпирические зависимости по их определению, полученные автором на основании обработки имеющихся в литературе обобщенных опытных данных.

На рис. 14 представлена зависимость lg /л динамического состояния оползня от показателя /L - консистенции слагающих его глинистых грунтов, построенная по данным: H.H. Маслова; А .Я. Будина; D. Xiaobi и W. Lansheng; а также автора диссертации. На рис. 15 показаны эмпирические зависимости прочностных параметров sirup, с и показателя консистенции глинистых грунтов /L по опытным данным H.H. Маслова.

Полученные достаточно близкие результаты расчетов по предлагаемым зависимостям с данными натурных наблюдений за поведением оползневого откоса на реальном оползневом участке 144 км Сахалинского отделения ДВЖД (расхождения не превышают 13%) показали практическую приемлемость предлагаемого осреднения реологических параметров, принимаемых в этих методах.

В целом представленный комплекс теоретических и эмпирических разработок может служить материалом для реологического прогнозирования и регулирования оползневого процесса.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан аналитический метод исследования процессов деформирования структурированных сред, позволяющий определять скорости ползучести оползневых масс со сложной траекторией движения при наличии удерживающих конструкций, основанный на изменении контрольного объема стационарного потока в областях с изменяющимися граничными условиями.

2. Предложен и апробирован метод экспериментального определения осредненного по всей оползневой массе значения вязкости грунта по величинам установившейся скорости движения откоса в лотке на основе формулы гравитационного плоскопараллельного вязкого течения.

Получены эмпирические зависимости для определения основных реологических характеристик, таких как вязкость, угол внутреннего трения и сцепление структурированных сред.

3. Достоверность разработанных аналитических методов и полученных теоретических расчетов подтверждена подтверждена хорошей корреляцией полученных результатов с известными теоретическими и экспериментальными данными.

4. Предложена реологическая модель экспоненциального вида, позволяющая описать весь процесс деформирования структурированных сред от затухающих кратковременных подвижек, до установившейся и нарастающей скорости ползучести. В предложенной модели в зависимости от уровня напряжений коэффициент затухания последовательно трансформируется через нулевое значение в коэффициент возрастания (прогрессирования).

5. Впервые установлено, что в стадии ползучести с нарастающей скоростью в формулу периода ползучести экспоненциальной реологической модели необходимо вводить параметр связности (сцепления) среды вместо модуля сдвига, закономерного только для стадии затухающей ползучести.

6. Показано, что разработанные аналитические методы и предлагаемые эмпирические зависимости позволяют достаточно точно оценить реальную картину деформирования увлажняемого оползневого участка от кратковременных затухающих его подвижек до установившейся и нарастающей скорости ползучести, что подтверждено практическими исследованиями оползня на Сахалинском отделении Дальневосточной железной дороги.

7. Разработанная методика исследования деформирования вязко-пластической среды при взаимодействии ее с удерживающими конструкциями может быть использована как для оценки безопасности строительства и эксплуатации сооружений в оползнеопасных районах, так и для инженерного управления оползневым процессом во времени.

Публикации по теме диссертации

1. Буслов A.C., Калачева E.H. Скорость движения оползней вязкого течения при устройстве свайного ряда и сплошной подпорной стены. 2012. №3, М., ФГБОУ ВПО «МГСУ». С. 16-25 (перечень ВАК РФ).

2. Буслов A.C., Калачева E.H. Реология вязкопластических оползней в природном состоянии и при стабилизации их сваями. 2012. №11, М., ФГБОУ ВПО «МГСУ». С. 45-54 (перечень ВАК РФ).

3. Калачева E.H. Инженерно-геологические схемы для расчета движения оползней-потоков в природном состоянии и при наличии контрфорсов. Новые технологии в учебном процессе и производстве. РИ(ф)МГОУ-Рязань: Узорочье, 2012. С. 89-90 .

4. Калачева E.H. Строительство храмов в современном облике города Рязани. Храм Праведного Иоанна Кронштадтского. Архитектор и его время. Памяти В.И. Баженова, М.Ф. Казакова, Н.И. Воронихина. -Рязань: РИАМЗ, 2012. С. 179-181.

5. Калачева E.H. Особенности взаимодействия вязких оползней с противооползневыми сооружениями - М: Новые технологии №4, 2012. С. 52-56.

6. Буслов A.C., Калачева E.H. Опыт определения вязкости грунта по

скорости движения оползневой массы в лотке-М: Новые технологии №5-6, 2012. С. 44-49.

7. Калачева E.H. Решения инженерных задач вязкого и вязкопластиче-ского течения оползней при взаимодействии их с контрфорсами. I Международная научно-практическая конференция «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития», 10 дек. 2012 г.: (материалы) / Приволжский научно-исследовательский центр. - Йошкар-Ола: Коллоквиум, 2013. С. 222-228.

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Калачёва, Елена Николаевна, Москва

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреяедение высшего профессионального образования «Московский государственный открытый университет» имени B.C. Черномырдина

04201356686

Калачёва Елена Николаевна

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность: 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

УДК 539.3

На правах рукописи

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Буслов А.С.

Москва - 2013

Содержание

ВВЕДЕИЕ.................................................................................5

ГЛАВА 1. ОПОЛЗНИ И МЕТОДЫ БОРЬБЫ С НИМИ. КРАТКИЙ

ОБЗОР ...........................................................................8-33

1.1. Краткая общая характеристика региональных оползней и основные факторы оползневых процессов.................................................8

1.2. Генетические типы оползней ...................................................11

1.3. Механизм образования оползней-потоков и инженерно-геологические схемы для расчета их движения...............................................18

1.4. Методы борьбы с оползнями и особенности стабилизации оползней-потоков ..............................................................................20

1.5. Анализ методов исследования оползней и взаимодействия их с удерживающими сооружениями......................................................30

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 .................................................................32

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ВЯЗКОГО ТЕЧЕНИЯ ОПОЛЗНЕЙ - ПОТОКОВ ПРИ НАЛИЧИИ КОНТРФОРСОВ 34-66

2.1. Теория ползучести и реология.....................................................34

2.2. Общность закономерностей деформирования грунтов.....................35

2.3. Теоретические основы движения вязкой жидкости..........................36

2.4. Решения уравнений Навье-Стокса для частных случаев движения вязкой жидкости....................................................................................44

2.4.1. Одномерное вязкое течение оползневого склона..................46

2.4.2. Плоское течение вблизи критической точки..........................49

2.4.3. Стационарное плоское течение в канале..............................51

2.5. Приближенное решение задачи вязкого течения оползня при наличии

на пути его движения контрфорсных свай..........................................54

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2..................................................................66

ГЛАВА 3. ВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЕ ОПОЛЗНЯ 67-78 3.1. Физическая модель вязкопластической среды.................................67

3.2. Основы реологии вязкопластической среды....................................69

3.3. Точные решения плоскопараллельного течения вязкопластической среды.............................................................................................71

3.3.1. Исходные уравнения стационарного движения.....................71

3.3.2. Гравитационное движение вязкопластического слоя вдоль наклонной поверхности...........................................................72

3.4. Реология вязкопластического оползня, стабилизируемого сваями.....76

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3..................................................................78

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ЛОТКЕ РЕОЛОГИИ ВЯЗКИХ И ВЯЗКОПЛАСТИЧНЫХ ОПОЛЗНЕЙ ПРИ СТАБИЛИЗАЦИИ ИХ МАЛОМАСШТАБНЫМИ СВАЯМИ 79-129

4.1. Исследование влияния градиента грунтовой массы и шага противооползневых свай на скорость течения вязкого оползня.................................79

4.1.1. Метод определения вязкости грунта оползневой массы...........79

4.1.2. Влияние шага свай в ряду на скорость гравитационного движения вязких оползней.......................................................89

4.2. Экспериментальные исследования реологии увлажняемого вязкопла-стичного оползня при наличии контрфорсных свай..............................116

4.2.1. Зависимость вязкости и реологического состояния оползня от консистенции грунта............................................................116

4.2.2. Реология вязкопластического оползня, взаимодействующего с опытными сваями в лотке......................................................119

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4................................................................127

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СТАБИЛИЗАЦИИ ВЯЗКИХ И ВЯЗКОПЛАСТИЧНЫХ ОПОЛЗНЕЙ НА ОСНОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 130-162

5.1. Выбор расчетных моделей потока в зависимости от динамики оползня.............................................................................................130

5.2. Обобщенная модель стационарного и нестационарного течения вязкого и вязкопластического оползня.........................................................136

5.3. Прогнозирование поведения увлажняемого оползня и методы инженерного регулирования реологических процессов....................................147

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5................................................................160

ОСНОВНЫЕВЫВОДЫ................................................................163

Список использованной литературы ..........................................165

Приложение № 1. Акты о внедрении результатов диссертационной работы.. 178

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время остро стоит вопрос безопасного строительства зданий и сооружений в районах, подверженных оползневым процессам. Диссертация посвящена решению одной из задач механики деформируемого твердого тела о ползучести бингамовых структурированных сред с начальным сопротивлением сдвигу. В качестве таких сред рассматриваются укрепляемые сваями оползневые массы грунта, находящиеся в зависимости от их увлажнения и гравитационных сил в состоянии нестационарной ползучести -кратковременных подвижек, а также постоянных или нарастающих скоростей деформирования.

Теории и практике укрепления оползней сваями посвящены многочисленные исследования. В основном в них рассматриваются вопросы расчета устойчивости и несущей способности противооползневых свай при стабилизации ими оползней-скольжения. Наряду с этим, остается недостаточно изученным вопрос влияния разреженного ряда свай либо сплошной противооползневой стены на скорость ползучести оползней-потоков.

Вязко - пластический поток, набегая на препятствия в виде разреженного или сплошного ряда свай, может сваи обтекать, растекаться вдоль стенки или «переползать» поверх нее с различными комбинациями течения в зависимости от реологических свойств потока и конструктивных особенностей удерживающих конструкций. Строгого решения задач нестационарной ползучести потока с изменяющимися граничными условиями для структурированных сред, каким является грунт, не имеется.

объединяющим параметром для задач ламинарного движения оползня с по-

следующим обтеканием сплошных, либо отдельно стоящих препятствий является контрольный объем установившегося вязкого течения потока перед входом в область с изменяющимися граничными условиями.

Основные реологические модели, используемые в механике деформируемого твердого тела по аналогии с вязкими жидкостями, такие как линейные зависимости вязкого Ньютонова течения, вязкопластического течения Бингама -Шведова с начальным сопротивлением сдвигу, а также нелинейные модели Неньютонова течения применимы лишь к какой либо одной из стадий деформирования грунта оползневого массива и, хотя все стадии от затухающей ползучести до прогрессирующего течения являются единым реологическим процессом, математически они между собой не связаны.

На практике они связаны с чрезвычайно большой стоимостью противооползневых мероприятий. В ряде случаев наиболее выгодным является поэтапное освоение капиталовложений за счет частичного замедления движения оползня, например, разреженным рядом свай, в допускаемых пределах для каждого конкретного случая. На следующем этапе можно осуществлять дальнейшее замедление движения оползня либо его полную стабилизацию. Метод поэтапной стабилизации оползневых участков особенно эффективен при эксплуатационном содержании автомобильных и железных дорог, проходящих в оползнеопасных районах.

Инженерное управление оползневыми процессами требует дальнейшего развития теоретических методов их расчета на основе исследования во-

просов реологической механики взаимодействия оползней и удерживающих сооружений. В связи с этим, разработка и развитие аналитических методов расчета деформирования вязко-пластических сред, взаимодействующих с удерживающими сооружениями, представляет теоретический и прикладной интерес, чем и определяется актуальность темы диссертационной работы.

Целью работы является:

- разработка реологической модели, объединяющей все стадии деформирования от затухающих деформаций, до установившейся и нарастающей ползучести в зависимости от уровня напряженного состояния грунта оползневого массива;

ГЛАВА 1. ОПОЛЗНИ И МЕТОДЫ БОРЬБЫ С НИМИ.

КРАТКИЙ ОБЗОР

1.1. Краткая общая характеристика региональных оползней и основные факторы оползневых процессов

Оползни на территории Российской Федерации распространены очень широко, несмотря на равнинность большей ее части и почти горизонтальное залегание слоев горных пород на данной части. Это обусловлено тем, что в слагающих равнинную часть отложениях широко распространены глинистые породы различной уплотненности, представляющие собой глины от полужестких до пластичных. В достаточно высоких и крутых склонах эти глины не выдерживают нагрузки вышележащих слоев и раздавливаются или выдавливаются, давая начало оползням. Оползни выдавливания в горизонтальных слоях и представляют собой наиболее распространенный в равнинной части РФ тип оползней, хотя на их фоне нередко развиваются и более поверхностные смещения [31].

Оползневая проблема весьма сложная и многосторонняя и поэтому разрабатывается специалистами нескольких направлений - геологами, инженерами (гидротехниками, путейцами, строителями), экологами и др. Однако отечественные исследователи при изучении оползней в основном используют региональный геологический подход. Большое внимание в исследованиях уделяется возрасту и приуроченности оползней к различным комплексам пород (А.Павлов, Е.А.Милановский, И.В.Попов, Ф.И.Саваренский и др. [31]), выделению понятий региональных [10, 26, 38, 40, 42, 45, 47, 49, 56, 60, 69, 73, 76, 87, 89, 90], генетических типов оползней и склонов (Г.С.Золотарев [31]), развитию историко-геологического метода изучения и оценки устойчивости склонов и т.п.

Геологический подход к разработке к разработке оползневой проблемы

на первом этапе позволяет глубже вникнуть в познание природы оползней и

закономерностей их распространения. Например, оползни выдавливания достигают наиболее широкого развития там, где склоны имеют наибольшую высоту и где подмыв берегов наиболее интенсивен, т.е. на наиболее крупных реках, обычно имеющих высокий правый берег, а также на берегах морей, подмывающих высокие плато с глинами в основании.

В региональных исследованиях, как правило, рассматриваются причины и факторы оползневых процессов, во многих из них делаются попытки восстановить историю формирования склонов и развития оползней в рассматриваемых районах. Так, при региональном изучении оползней выдавливания наряду с общим описанием всей обстановки развития оползней наиболее важными являются вопросы характеристики глинистой породы, с раздавливанием которой связаны оползни, ее мощность и положение относительно подошвы склона, а также выявление минимальной высоты склона над этим слоем, ниже которой оползни уже не возникают.

В горных районах РФ оползни также широко развиты, и типы их здесь более разнообразны. Иногда эти оползни захватывают коренные породы, но подавляющее их большинство связано с покровными образованиями на склонах (эллювиально - деллювиальный покров и разнообразные гравитационные отложения, иногда лессы).

Интенсивность развития оползней в горных районах зависит от геологического строения и возраста горных систем. Их больше в молодых горных системах как Кавказ, чем в более древних таких, как Урал. Также велико влияние климата и интенсивности хозяйственного освоения территории. Строительство в горных условиях, например, почти всегда связано с подрезками или подсыпками склонов, что сильно активизирует оползневые процессы.

Более 40% территории РФ относится к зоне многолетней мерзлоты. Оползни в этой зоне также широко распространены. Они тесно связаны с термическим режимом почвогрунтов и обладают рядом особенностей.

Одной из важнейших задач регионального изучения оползней является выяснение геологических условий, к которым приурочены оползни. В частности, выявляются горные породы, в которых преимущественно происходит сдвиг, их условия залегания, их предельной мощности, предельной нагрузки на них и т.д.

Так, в исследованиях С.А.Шагоянца [90] оползневые процессы на Северном Кавказе рассматривались по стратиграфическим горизонтам глинистых пород. Здесь каждый глинистый горизонт при соответствующих условиях давал начало оползневым явлениям.

Ю.Б.Тржцинский [87], рассматривая оползни в бассейнах рек Илима и Ангары, отмечал, что они приурочены только к определенным формациям и возникают при непременном условии наличия мягких глинисто-мергелистых пород. При этом он также отдельно описывает оползни, образующиеся в различных стратиграфических комплексах.

Многими исследователями в возникновении оползней большое значение придается суффозии (Г.Г.Великий [17], А.К.Ларионов [47], Г.А.Липсон [49] и др.). В то же время ни в одном из существующих методов расчета устойчивости склонов суффозия не учитывается, и в механике грунтов ее влияние на устойчивость склонов не рассматривается.

В региональных исследованиях отмечается связь между распространением оползней и их активности с наличием временного подмыва основания склонов. При этом влияние подмыва на развитие оползней большинством исследователей оценивается как один из основных факторов, определяющих развитие оползней в природных условиях. Весьма ценен в этом отношении опыт Сочи-Мацестенского района, а также оживление оползней на берегах водохранилищ [68].

Рядом исследователей придается большое значение землетрясениям

как фактору оползневых процессов. Так, В.С.Хромовский [89] все оползни в

кристаллических породах южного Прибайкалья относит к сейсмогравитаци-

онным только на том основании, что они распространены в сейсмическом

районе. В то же время достоверных фактических данных о времени смещения оползней и связи их с землетрясениями практически не имеется.

Оценка состояния и прогноз развития оползней и устойчивости склонов является главным вопросом при инженерно-геологическом обосновании проектов борьбы с оползнями и использования территорий для строительства. Оползни и обвалы - сложные и многофакторные природные явления, возникающие на высоких речных, морских и озерных склонах неоднородного геологического строения. Их формирование происходит в течение длительного времени и отражает общий ход новейшей геологической жизни данного района.

Для построения расчетной схемы оползневого склона сложного строения, либо выделения главного оползнеобразующего фактора в целях применения того или иного метода расчета необходимо знание геологической истории его развития. Поэтому наряду с расчетными методами и моделированием отечественными учеными большое внимание уделяется историко-геологическим методам оценки устойчивости склонов.

В этом направлении р