ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ СКАЛЬНОГО ОСНОВАНИЯ ДВОРЦА ЛАСТОЧКИНО ГНЕЗДО, РЕСПУБЛИКА КРЫМ

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ СКАЛЬНОГО ОСНОВАНИЯ ДВОРЦА ЛАСТОЧКИНО ГНЕЗДО, РЕСПУБЛИКА КРЫМ

Transcript

1. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ СКАЛЬНОГО ОСНОВАНИЯ ДВОРЦА ЛАСТОЧКИНО ГНЕЗДО, РЕСПУБЛИКА КРЫМ ФОМЕНКО И.К., КАРАСЕВ М.А., БУФЕЕВ Ф.К., КУВШИННИКОВ В.М., ПОСПЕХОВ Г.Б.
2. Основные этапы работ u Предварительный этап. Обработка данных топографической съемки и конструктивных решений сооружения. Построение аналитической модели рассматриваемого объекта, включающую модель сооружения и породного массива. u Первый этап. Формирование структурной модели рассматриваемого объекта. Обработка результатов инженерно-геологических изысканий. Обоснование основных законов деформирования породного массива и механического поведения на контакте между поверхностями ослабления. u Второй этап. Создание численных моделей прогноза устойчивости породного массива. Расчет устойчивости породного массива по наиболее неблагоприятным сечениям в плоско-деформационной постановке при статической и сейсмической нагрузках. u Третий этап. Создание пространственной численной модели взаимодействия сооружения с породным массивом. Оценка устойчивости породного массива при статическом и сейсмическом воздействии. Оценка повреждения элементов сооружения при сейсмической нагрузке. u Четвертый этап. Разработка численных моделей взаимодействия сооружения и породного массива и проведения расчетов для оценки эффективности принятой схемы усиления здания при заданных нагрузках и воздействиях.
3. Основные методические положения
 Оползни в скальных грунтах ("скальные оползни") характеризуются наличием целого ряда специфических особенностей, принципов и закономерностей формирования и механизмов смещения и имеют существенные отличия по сравнению с развитием оползней в толщах нелитифицированных или слаболитифицированных грунтов. В настоящее время в действующих нормативных документах, регламентирующих изучение оползневых процессов, включая количественную оценку устойчивости склонов, практически полностью отсутствует учет особенностей развития скальных оползней, что существенно снижает качество получаемой инженерно-геологической информации для этого типа склоновых деформаций. Исходя из принципа наибольшей опасности (вероятности обрушения), для рассматриваемого скального уступа обрушение может происходить по следующим схемам : a) Азимут падения трещин систем совпадает с азимутом падения склона. В данном варианте задача оценки его устойчивости может быть решена в плоской постановке. b) Азимут падения трещин систем не совпадает с азимутом падения склона, но при этом по результатам кинематического анализа вероятно образование обрушений типа «клин». В данном варианте задача устойчивости решается в трехмерной постановке, на основе метода объемных скальных блоков.
4. Первый этап Скальные оползни с явно выраженной плоскостью скольжения, совпадающей с простиранием склона (а). На изучаемом объекте к данному типу может быть отнесен участок с направлением падения уступа скалы 120-125 градусов Консеквентный оползень
5. Оползень-обвал типа «клин» (120-1250) Скальные оползни с двумя плоскостями скольжения, падающими навстречу друг другу и вниз по склону (типа «клин») (b). На изучаемом объекте к данному типу может быть отнесен участоки с направлением падения уступа скалы 120-125 и 285 градусов
6. Оползень-обвал типа «клин» (2850)
7. Пространственная модель скального основания
8. Используемые подходы Одной из главных проблем, при моделировании устойчивости скальных оползней, является объективный учет влияния параметров трещин и иных поверхностей раздела на результаты расчета. С одной стороны, естественные скальные массивы характеризуются нерегулярностью сети трещин, с другой, при изучении трещиноватости всегда существует определённая погрешность измерений. Все это может приводить к существенной изменчивости замеренных параметров трещин, и как следствие, к ошибкам при оценке оползневой опасности скальных склонов. При этом в отличие от прочностных характеристик грунтов, мы не можем воспользоваться понятием расчетных значений, т.е. как-то изменить параметры трещин, чтобы получить необходимый коэффициент запаса. u Оценка влияния трещиноватости на устойчивость уступа может проводится 3 способами: u На основе детерминистического анализа (используются средние значения по замерам трещин) u На основе вероятностного подхода (используется статистическое распределение замеренных трещин) u На основе фактического (вероятностно-детерминистического) подхода (используются сочетания фактически замеренных трещин) При оценке устойчивости уступа скалы «Ласточкино гнездо» были использованы вероятностный и фактический подходы.
9. Осредненные параметры трещин Способ замеров трещиноватости Система трещин 1 2 3 Угол падения Азимут падения Угол падения Азимут падения Угол падения Азимут падения Поверхностный анализ 61 124 54 288 74 169 Скважинный анализ 58 113 47 288 67 169 Совместный анализ данных 60 122 52 288 73 169
10. Графическое изображение трещин с учетом выделенных систем
11. Свойства грунтов и свойства массива № системы трещин Прочностные свойства по контакту стенок трещины Сцепление, МПа Угол внутреннего трения, град Система трещин №1 0,33 35 Система трещин №2 0,24 32 Система трещин №3 0,42 26 Методика оценки механических свойства грунтоваго массива Модуль деформации, МПа Угол внутреннего трения , град Сцепление , МПа Методика Хока и Брауна 1 821 54.25 0.654 Методика С.Г. Фисенко - - 0.585 Методика Н. Бартона - 56.31 0.532 Согласно СП 23.13330.2011 - 53-57 1.0-1.7 Принятые в качестве расчетных 1 821 54.25 0.654 № ИГЭ Наименование ИГЭ γ, кН/м3 E о , МПа σсж , МПа ϕ, град с, МПа 1 Техногенный грунт 28 - 20.3 0.012 2 Известняк очень прочный 26.5 5 930 133.8 - - 3 Известняк прочный 26.5 5 720 63.5 - - 4 Щебенистый грунт 28 - 20.3 0.012
12. Кинематический анализ (фактический подход) Азимут падения уступа скалы 125◦ 42,14% критических поверхностей Азимут падения уступа скалы 285◦ 47,47% критических поверхностей
13. Азимут падения 101◦, вероятность обрушения 29% Кинематический анализ (вероятностный подход)
14. Ку 1 10 100 Азимут падения уступа 0 100 200 300 400 3,18 3,56 4,39 6,47 61,23 26,55 18,58 15,06 13,09 11,84 31,1 7,28 4,34 3,78 3,9 3,67 3,56 3,27 3,23 12 100100 100 100 3,51 3,37 3,17 Зависимость коэффициента устойчивости от ориентировки уступа скалы
15. Второй этап Азимут падения уступа 101◦. Среднее значение коэффициента устойчивости 3,18, минимальное значение коэффициента устойчивости 0,51 Результаты анализа методом объёмных скальных блоков (вероятностный подход)
16. Кумулятивная кривая вероятности обрушения Азимут падения уступа 101◦ , вероятность обрушения 0,2%
17. Результаты анализа методом объёмных скальных блоков фактический подход Азимут падения 285◦, коэффициент устойчивости 1,42
18. Азимут падения 125◦,коэффициент устойчивости 0,94 Результаты анализа методом объёмных скальных блоков фактический подход
19. Результаты анализа методом объёмных скальных блоков в зависимости от азимута падения уступа в диапазоне 120-140◦ Азимут падения 120◦ Азимут падения 130◦ Азимут падения 140◦
20. Зависимость коэффициента устойчивости и веса блока обрушения от азимута падения уступа в диапазоне 120-140◦ Вес блока обрушения МН 0 50 100 150 200 Азимут падения уступа 110 118 125 133 140
21. Двухмерный анализ устойчивости Расчётное сечение В направлении азимута падения уступа 120-140 градусов допустимо выполнять расчеты при плоской постановке задачи (в плоских деформациях). Однако, в этом случае, в сравнении с вариантом расчета методом объемных скальных блоков меняется механизм обрушения.
22. Двухмерный анализ устойчивости Результаты расчета устойчивости методом плоского клина Наиболее неблагоприятные параметры: угол падения 58, коэффициент устойчивости 1,72, вероятность обрушения – 13%
23. Вероятностный анализ Статистические параметры, используемые при вероятностном анализе
24. Вероятностный анализ Результаты вероятностного анализа по методу Сарма
25. Вероятностный анализ Результаты вероятностного анализа методом конечных элементов
26. Вероятностный анализ Результаты расчётов Метод Ку детерм. Ку средний Показатель надежности Вероятность % Янбу 1,645 2,31 1.17 8.36 Бишопа 1,52 2,16 1,39 6,38 Сарма 1,5 2,16 1,9 0,474 МКЭ 1,54 2.02 1.06 14.5 1 2 3 4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Factor of Safety - bishop simplified Percent of Range (mean = 50%) Material 1 : Anisotropic Angle (deg) Material 1 : Cohesion (kN/m2) Material 1 : Cohesion2 (kN/m2) Material 1 : Phi (deg) Material 1 : Phi2 (deg) 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Factor of Safety - sarma Percent of Range (mean = 50%) Material 1 : Anisotropic Angle (deg) Material 1 : Cohesion (kN/m2) Material 1 : Cohesion2 (kN/m2) Material 1 : Phi (deg) Material 1 : Phi2 (deg) Seismic Coefficient Horizontal Seismic Coefficient Vertical Результаты анализа чувствительности (метод Бишопа) Результаты анализа чувствительности методом Сарма с учетом сейсмического воздействия
27. Определение критического сейсмического ускорения обрушения 0.427 0.427 0.427 0.427 0.427 0.427 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Расчет максимального горизонтального сейсмического ускорения Метод Сарма – 0,43 м/с2, Янбу – 0,435 м/с2
28. Анализ чувствительности коэффициента устойчивости к величине сейсмического воздействия 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Factor of Safety - sarma Percent of Range (mean = 50%) Seismic Coefficient Horizontal Seismic Coefficient Vertical
29. Динамический анализ методом Ньюмарка Акселерограмма горизонтальных ускорений в направлении Х Акселерограмма горизонтальных ускорений в направлении Z
30. Результаты динамического анализа Направление Х Смещение по методу Сарма 2,9 см, Янбу – 2,6 см Направление Z Смещение по методу Сарма 1,6 см, Янбу -1,7 см 2.921 cm 2.921 cm 2.921 cm 2.921 cm 2.921 cm 2.921 cm 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1.548 cm 1.548 cm 1.548 cm 1.548 cm 1.548 cm 1.548 cm 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
31. Третий этап
 Конечно-элементная модель оценки общей устойчивости скального основания
32. Результаты оценки устойчивости скального основания Результирующие деформации скального основания Воздействие Коэффициент запаса по устойчивости скального основания Расчётные показатели свойств по трещинам Статическое воздействие 1,50 Статическое и сейсмическое воздействие интенсивностью 9 балов 1,09
33. Четвертый этап Геометрическое представление расчетной модели взаимодействия здания и основания
34. Картина повреждения каменных конструкций здания при сейсмическом воздействии интенсивностью 9 баллов
35. Выводы u На основе кинематического анализа, выполненного по фактическим замерам трещин наиболее опасными являются два направления с максимальной вероятностью обрушения: u Азимут падения уступа скалы 125 градусов (количество критических поверхностей смещения при угле падения уступа 80 градусов – 42.14% ). u Азимут падения уступа скалы 285 градусов (количество критических поверхностей смещения при угле падения уступа 90 градусов – 47.47% ). u Результаты расчета методом объемных скальных блоков по фактически замеренным трещинам, показали, что u при параметрах трещин: u система трещин 1: u угол падения трещин 75 градусов, азимут падения – 123 градуса u система трещин 2: u угол падения трещин 68 градусов, азимут падения – 170 градусов u система трещин 3: u угол падения трещин 45 градусов, азимут падения – 310 градусов В направлении падения уступа 125 градусов, возможно обрушение незначительных по объему объемов горных пород, что потенциально может представлять опасность для устойчивости здания “Ласточкино гнездо”. Необходимо оценить интенсивность развития этого процесса, и в случае необходимости разработать меры по предотвращению его развития.
36. Выводы При параметрах трещин: система трещин 1: угол падения трещин 80 градусов, азимут падения – 135 градуса система трещин 2: угол падения трещин 80 градусов, азимут падения – 230 градусов система трещин 3: угол падения трещин 50 градусов, азимут падения – 285 градусов в направлении падения уступа 285 градусов, скала устойчива (Ку = 1.42). Результаты расчета методом объемных скальных блоков по средним значениям параметров трещиноватости: система трещин 1: угол падения трещин 60 градусов, азимут падения – 122 градуса система трещин 2: угол падения трещин 73 градусов, азимут падения – 169 градусов система трещин 3: угол падения трещин 35 градусов, азимут падения – 288 градусов показали, что наиболее опасным является направление падения уступа скалы 101 градус (количество критических поверхностей смещения по фактическим замерам трещин при угле падения уступа 90 градусов – 29% ). При данных параметрах систем трещин среднее значения - Ку = 3.175, вероятность обрушения - 0,2%, т.е. несмотря на значительную величину Ку обрушение уступа скалы в данном направлении возможно, хотя и маловероятно.
37. Выводы u Двумерные расчеты устойчивости в направлении падения уступа скалы 125 градусов, показали, что несмотря на высокие значения Ку (1.5-1.65), вероятность обрушения уступа скалы существует (вероятность обрушения от 0,48 – 14,5% в зависимости от метода расчета), что подтверждает необходимость реализации мероприятий по инженерной защитеуступа скалы в данном направлении. u Выполненный анализ чувствительности Ку к факторам оползнеобразования показал, что наибольшее влияние на величину Ку оказывают: величина сцепления между трещинами; угол падения трещин и величина сейсмического воздействия в горизонтальном направлении. u Расчет максимального горизонтального сейсмического ускорения показал, что в выбранном направлении расчета, скала потеряет устойчивость при ПГА 0,43 м/с2, т.е выдержит землетрясение интенсивностью более 9 баллов. u Динамический анализ методом Ньюмарка, показал, что на основании расчета с использованием экспертных акселерограмм, величина возможных смещений (по выбранному направлению расчета) не превысит 3см. u Результаты расчетов показали, что при интенсивности землетрясения более 8 балов несущие конструкции здания будут подвергнуты значительном воздействию и часть из них может быть повреждена. Растягивающие напряжения формирующиеся в стенах здания при действии сейсмического воздействия превышают предел прочности кладки растяжению, что приводит к повреждению каменной конструкции, формированию трещин и может привести к подвижкам каменных блоков относительно друг друга. u Основной методологический вывод – статистически обработанные параметры трещин – не тоже самое, что наиболее опасные.
38. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ Расчеты выполнены в программных комплексах Rocscience и ABAQUS. Официальным представителем компании R o c s c i e n c e на территории РФ «Современные изыскательские технологии» (Ltd «Advanced Survey Technologies»).