2.4 Расчет устойчивости откосов
Расчет был произведен с помощью программа UST.
1. Основные характеристики программы UST
Программа UST предназначена для нахождения коэффициента запаса откосов по КЦПС. Большим преимуществом UST по сравнению с другими подобными программами является то, что она требует малого времени машинного счета, что обеспечивает возможность эффективно увеличить количество граничных линий для различных грунтов и вариантов кругов скольжения. Эта программа, в частности, полезна для тех, кто имеет небольшой опыт в расчетах устойчивости. С ее помощью может быть исследована большая зона и получен минимальный коэффициент запаса. Основные особенности этой программы формулируются следующим образом:
1. Могут рассматриваться откосы любой конфигурации при наличии большого числа различных слоев грунта (до 25).
2. Фильтрация может быть учтена как введением пьезометрической поверхности, так и коэффициентом порового давления. Можно одновременно рассматривать несколько различных случаев фильтрации.
3. Могут быть вычислены коэффициенты запаса как статической, так и сейсмической устойчивости откосов.
4. Число точек описывающих геометрию области - до 125.
5. Число отсеков обрушения шириной "b" - до 200.
6. Максимальное число центров вращения - до 400.
7. Допускается большая гибкость при назначении радиусов. Для проверяемых зон можно устанавливать один или большее число радиусов и указывать количество кругов для каждой зоны.
8. Могут быть вычислены коэффициенты запаса для ряда отдельных центров или их групп, которые образуют сетку. Путем выбора одного или большего числа вероятных центров может быть задействована процедура поиска для локализации минимального коэффициента запаса.
Расчет по методу Терцаги-ВНИИГ в программе UST
Этот метод применяется для расчета статической и сейсмической устойчивости откосов всех грунтовых сооружений и плотин. При этом расчетная область делится на элементарные отсеки шириной "b" (рис.5.49).
Рис. 2. Cхема к определению коэффициента запаса устойчивости откоса по кругло-цилиндрической поверхности скольжения: 1 - поле центров кругов скольжения; 2 - круги, проведенные с шагом ?R; 3 - круги, касательные к слоям; 4 - ось элементарных отсеков (столбиков); 5 - нижняя граница расчетной области (поверхность грунта)
Намечаются, согласно приведенным ниже указаниям, центры окружностей скольжения, и из каждого центра проводится серия возможных окружностей скольжения. Для каждой окружности скольжения определяется коэффициент статической устойчивости по формуле Терцаги - ВНИИГ:
(1)
где - масса грунта в отдельном отсеке с учетом водонасыщения;
- величина полного давления поровой воды (т/м2), равная пьезометрическому напору (м), умноженному на плотность воды (т/м3);
- ширина элементарного отсека (м);
- коэффициент трения; - расчетное сцепление грунта (т/м2);
- угол (в градусах) между вертикалью и радиусом, проведенным из центра вращения в точку пересечения оси отсека с окружностью скольжения;
- плотность водонасыщенного грунта (ниже уровня воды) или грунта природной влажности (выше уровня воды) в т/мі;
- высота отсека, занятая грунтом или водой (м).
В расчете суммирование производится по всей длине кривой скольжения до пересечения ее с поверхностью грунта в правой и левой частях плотины. Расчет можно выполнить при двух вариантах определения давления в поровой воде . В первом основном случае величина определяют как вертикальное расстояние от любой точки поверхности скольжения до депрессионной кривой (рис.3)
Рис.3. Схема определения давления в поровой воде грунта основания и плотины в расчете устойчивости откосов; учет давления воды ВБ и НБ
Во втором случае величину задают в узлах прямоугольной сетки, что позволяет учитывать влияние на устойчивость откоса ряда факторов, изменяющих картину распределения пьезометрических напоров в плотине и ее основании. Варьируя величинами полного давления воды и сопротивления сдвигу, определяют величину для всех расчетных случаев.
Перед расчетом составляется схема расчетной области в прямоугольных координатах. Начало координатных осей в первом приближении можно определить следующим образом. За нулевую отметку (ось абсцисс) принимается самая нижняя точка поверхности более прочного грунта. Если такой поверхности нет, то нулевая отметка выбирается на глубине одной - двух высот плотины от поверхности основания.
Центры кривых скольжения располагают в пределах поля центров окружностей скольжения. Далее откорректируют границы поля центов окружностей скольжения так, чтобы рассматриваемые поверхности скольжения покрывали все участки откоса, как это делалось на рис.5.49 для того, чтобы сместить поле центров окружностей скольжения или увеличить его достаточно изменить координаты поля центров вращения.
Поле центров окружностей скольжения разбивается сеткой с шагом и . Опыт показал, что величины и можно принять равными , где - абсцисса точки на поверхности сооружения. Из каждой точки сетки проводится серия окружностей скольжения разного радиуса. Одни из них являются касательными (см. рис.2) к границам слоев основания, что дает возможность учесть влияние слабого слоя на устойчивость, радиусы других окружностей меняются от максимального до минимального с шагом , который может быть произвольным. При этом для каждой точки сетки - это радиус окружности касательной к нижней границе расчетной области, для каждой точки сетки - это радиус окружности, примерно равный длине перпендикуляра из рассматриваемого центра на грань откоса плюс , не рассматриваются поверхности, содержащие 4 и менее отсеков и поверхности, в которых максимальное заглубление менее 1,6 м.
2. Новые нормы РФ на проектирование гидросооружений в сейсмических районах.
В пока еще действующих российских нормах 1981 г. (СНиП II-7-81*) [9, 10] основным расчетом, оценивающим сейсмостойкость сооружений, является расчет по линейно-спектральной теории (ЛСТ). Между тем Международная комиссия по большим плотинам (ICOLD) рекомендует для ответственных сооружений и для интенсивных землетрясений, когда превышается предел упругой работы, выполнять полномасштабный нелинейный динамический анализ по динамической теории (ДТ) на два уровня землетрясений [7, 8].
В марте 2003 г. в России утверждены новые нормы (СНиП 33-03 "Гидротехнические сооружения в сейсмических районах" [13]), регламентирующие строительство гидросооружений в сейсмических районах, которые соответствуют рекомендациям ICOLD [7, 8].
Одна из главных особенностей этого документа заключается в том, что вводятся два уровня сейсмических воздействий. Нижний уровень - это "проектное землетрясение" (ПЗ), т.е. землетрясение с максимальным сейсмическим воздействием, используемым для проверки сейсмостойкости всех сооружений, расположенных на данной строительной площадке. ПЗ с достаточной вероятностью может произойти в течение срока службы сооружения; сооружение должны быть в состоянии перенести такое землетрясение без существенных повреждений, не нарушающих нормальную эксплуатацию всего сооружения. Верхний уровень - это "максимальное возможное землетрясение" (МВЗ), т.е. землетрясение с максимальным сейсмическим воздействием, используемым для проверки сейсмостойкости наиболее ответственных сооружений из числа расположенных на данной строительной площадке. Вероятность МВЗ мала: при таком землетрясении сооружение может получить большой ущерб и утратить ряд своих функций, но оно не должно полностью разрушиться (для плотин не допускается прорыв напорного фронта).
2.1 Группы гидросооружений по их сейсмостойкости
В первую очередь проектируемое гидросооружение с учетом его вида и уровня ответственности, определяемого классом этого сооружения, должно быть отнесено к 1-ой или 2-ой группе по степени обеспечения его сейсмостойкости. К 1-ой группе относятся плотины I и II классов, ко 2-ой группе - все остальные сооружения.
Смысл разделения гидросооружений на группы по их сейсмостойкости прежде всего состоит в том, что сооружения 1-ой группы рассчитываются на два уровня сейсмических воздействий (ПЗ и МВЗ), а сооружения 2-ой группы рассчитываются только на ПЗ.
2.2 Назначение периода повторяемости расчетного землетрясения
Нормы устанавливают, что минимальное значение периода повторяемости проектного землетрясения ТПЗПОВ определяется величиной 100 лет, а максимальное значение периода повторяемости максимального возможного землетрясения ТМВЗПОВ величиной 10000 лет.д.опускается по усмотрению Заказчика принимать значение ТПЗПОВ=100-500 лет для всех сооружений, а при специальном обосновании принимать ТМВЗПОВ=5000-10000 лет.
2.3 Определение параметров расчетного землетрясения
2.3.1 Сооружения 1-ой группы
Для сооружений 1-ой группы нормы предусматривают выполнение сейсмологических исследований, в результате которых в районе сооружения должны быть установлены расположение основных зон возможных землетрясений и характеристики этих землетрясений, включая параметры сейсмических воздействий и направление подхода к сооружению сейсмических волн из расположенных в указанных зонах очагов землетрясений. На основе этих исследований для площадки строительства определяется параметр, отражающий в расчетах интенсивность сейсмического воздействия, - величина расчетного ускорения основания сооружения при землетрясениях с принятыми периодами их повторяемости (ТПЗПОВ и ТМВЗПОВ). Для указанной группы сооружений в качестве такой величины принимаются (с обеспеченностью не менее 50%) максимальные пиковые ускорения основания при проектном землетрясении аППЗ и при максимальном расчетном землетрясении аПМВЗ.
Данные величины являются главными параметрами расчетных акселерограмм (РА), моделирующих расчетные сейсмические воздействия. В качестве РА используются аналоговые акселерограммы из числа записей, сделанных непосредственно на площадке строительства или в районах, сходных с районом строительства по тектоническим, геологическим и другим условиям. Применяются также синтезированные акселерограммы, полученные с учетом таких параметров, как общая длительность сейсмических колебаний, преобладающий период колебаний с максимальным пиковым ускорением, длительность фазы сейсмических колебаний с амплитудными значениями ускорения, составляющими 0,3 или 0,5 максимального пикового значения и преобладающие периоды колебаний точек на поверхности. При синтезе РА учитываются данные о скоростных, частотных и резонансных характеристиках грунтов в основании. Используется также методика синтезирования РА, в которой заданным является спектр реакции, представляющий собой огибающую спектров реакций аналоговых акселерограмм. При необходимости аналоговые и синтезированные акселерограммы масштабируются по величинам аППЗ и аПМВЗ.
Важным элементом построения РА является ограничение снизу величин максимальных пиковых ускорений основания аППЗ и аПМВЗ. Для этой цели в качестве первой основы используются данные сейсмического районирования территории страны.
В настоящее время в России для оценки сейсмической активности местности принята 12-балльная сейсмическая шкала МSК-64 (фактически - аналог шкалы Меркалли, модифицированной ММ). В этих единицах сейсмичность территории определяется по картам Общего сейсмического районирования территории РФ (ОСР-97). На этих картах (А, В, С) указана нормативная сейсмичность IНОР, т.е. интенсивность землетрясения, имеющего на данной территории нормативное значение повторяемости ТНОРПОВ.
В связи с повышенной ответственностью сооружений 1-ой группы сейсмостойкости для этих объектов предусматривают дополнительное уточнение нормативной сейсмичности площадки строительства методами детального сейсмического районирования (ДСР).
Принято, что площадки с нормативной (исходной) сейсмичностью IНОР (при средних по сейсмическим свойствам грунтах), равной 7, 8 и 9 баллам, имеют величины расчетного ускорения основания (в долях g) 0,10; 0,20 и 0,40 соответственно.
Грунтовые условия на строительстве оцениваются через категории грунтов по их сейсмическим свойствам. Таких основных категорий грунтов принято три.
К I категории относятся большинство скальных грунтов (скорость распространения поперечных волн VS >700 м/с), за исключением сильновыветрелых и разрушенных. К II категории относятся грунты с VS=250-700 м/с: полускальные грунты (с сопротивлением на одноосное сжатие RC <5 МПа), крупнообломочные, песчано-гравелистые и песчаные грунты, плотные и влажные, пылевато-глинистые грунты с показателем текучести IL<0,5. К III категории относятся грунты с VS< 250 м/с: рыхлые и водонасыщенные пески, пылевато-глинистые грунты с показателем текучести IL> 0,5. В случаях, когда основание площадки сложено грунтами, занимающими промежуточное положение между грунтами I и II или II и III категорий (например, слоистыми грунтами), дополнительно к категориям грунта вводятся, соответственно, категории I-II и II-III. При этом расчетная сейсмичность площадки IРАС при грунтах I-II категории принимается как при грунтах II категории, а при грунтах II-III - как при грунтах III категории.
В нормах допускается при соответствующем обосновании снижать на 1 балл расчетную сейсмичность IРАС на период нахождения водохранилище в опорожненном состоянии.
Нижние границы для максимальных пиковых ускорений основания аППЗ и аПМВЗ на площадке строительства определяются по формулам:
аППЗ = kАПЗg A500 (2-1)
аПМВЗ = kАМВЗg A5000 (2-2)
где A500 и A5000 - расчетные амплитуды ускорения основания (в долях g, м/с2), определенные для землетрясений с нормативными периодами повторяемости T500ПОВ и T5000ПОВ соответственно с учетом отличия реальных грунтовых условий на площадке от средних грунтовых условий; значения A500 и A5000 (а также значения IРАС) даны в таблице 2.1; kАПЗи kАМВЗ - коэффициенты, учитывающие вероятность данного землетрясения за расчетный срок службы TСЛ, а также переход от нормативного периода повторяемости в 500 лет T500ПОВ к принятому периоду повторяемости ТПЗПОВ и от нормативного периода повторяемости в 5000 лет T5000ПОВ к принятому ТМВЗПОВ; значения kАПЗи kАМВЗ принимаются по таблице 2.1
Таблица 2.1 Значения величин A500 и A5000 (в долях g)