Влияние параметров нагрузок при усилении оползневых склонов нагелями на основе трубчатых винтовых штанг на их несущую способность и прочностные характеристики

Введение

Проблема оползневой опасности широко распространена во всем мире. Высокая стоимость возведения подпорных стен для удержания оползневых склонов привела к необходимости разработки других методов. Одним из них является метод армирования грунтового массива склонов с помощью нагельных полей.

Устройство грунтовых нагелей – это метод стабилизации грунта, который используется для усиления неустойчивых склонов природного или техногенного сложения. Этот подход также используется для безопасного увеличения крутизны грунтового массива склонов. При этом методе стабилизации склонов в грунтовый откос устанавливается относительно тонкий армирующий элемент. Нагели обычно представляют собой стальные стержни или трубы, армирующие элементы из композитных материалов или наиболее часто применяемые железобетонные элементы. Выбор материала производится в зависимости от требований и условий устройства.

Важным фактором при устройстве нагельных полей является угол заложения нагеля. Специалисты до сих дискутируют о влиянии угла заложения нагеля на его несущую способность и устойчивость грунтового массива [1]. Также требует оценки вопрос влияния изгиба нагеля под воздействием поперечных сил, вызванных движением оползневого тела [2].

Состояние вопроса

В статье [1] исследовалось влияние углов заложения нагелей на изменение величин выдергивающих усилий, возникающих в них при усилении оползневых склонов. Расчет склона был произведен для трех углов откоса (45°, 63° и 80°) с применением упругопластической грунтовой модели Мора – Кулона. Нагели в расчетной модели располагались в пять рядов с углами заложения 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35° к горизонтали.

На рис. 1 представлены графики распределения выдергивающих усилий для четвертого нагеля при различных углах заложения нагелей и углах откоса.

В статье [2] предложена математическая модель для моделирования процесса передачи нагрузки на контакте нагеля и окружающего грунта.

Принято, что нагели работают преимущественно на растяжение, но в них также возникают сдвиговые усилия и изгиб на границе поверхности скольжения (рис. 2а). В условиях эксплуатации изгибом обычно пренебрегают. Однако по мере приближения к потере устойчивости склона вклад изгиба становится более значительным. Изгиб также может влиять на нормальное давление по длине нагеля и, следовательно, на сопротивление сдвигу по контакту нагеля и грунта. На рис. 2б показано, что изгиб нагеля способствует развитию нормальных и сдвиговых напряжений вокруг нагеля. Однако вклад изгиба нагеля в сопротивление сдвигу по контакту нагеля и грунта не исследовался. Предложено оценивать влияние изгиба нагеля в процессе роста деформаций грунта в откосе.

В работе [3] ученые из Технического университета в Брно исследовали поведение грунтовых анкеров в мелкозернистых песках под действием нагрузок и перемещений.

Ими установлено, что развитие сдвиговых напряжений вдоль корня грунтовых анкеров происходит неравномерно во времени. На первых этапах нагружения напряжения сдвига, возникающие на контакте «грунт – анкер», концентрируются в начальной части корня анкера. После достижения пикового значения напряжение сдвига последовательно уменьшается до остаточного значения. Пиковое сдвиговое напряжение перемещается вдоль анкера, как схематично показано на рис. 3. Подобное пиковое распределение напряжения сдвига вдоль анкера было экспериментально подтверждено несколькими авторами: Остермайер [4], Шееле [5], Барли [6], Вудс и Баркхордари [7]. Описанное явление оказывает серьезное влияние на предельное сопротивление грунтовых анкеров и на графики зависимости перемещения от нагрузки. Предельная несущая способность анкера по грунту не прямо пропорциональна длине корня анкера.

Поскольку максимальное напряжение сдвига достигается только на небольшом участке корня анкера, то анкеры с длиной корня более 8 м неэффективны (Барли [8]). Допущение о постоянном значении сдвиговых напряжений по всей длине корня анкера может привести к завышению значения несущей способности.

Расчетная оценка устойчивости склона, усиленного нагелями

В настоящее время устройство нагелей при усилении оползневых склонов является достаточно распространенным методом. При этом многие вопросы и параметры остаются за рамками проектирования. Для оценки коэффициентов устойчивости склона до и после усиления нагелями был выполнен расчет в программном комплексе PLAXIS 2D.

В качестве расчетной модели был принят склон с углом откоса, равным 40° (рис. 4). Расчеты производились с применением упругопластической грунтовой модели Мора – Кулона. Были приняты следующие расчетные физико-механические характеристики для грунта:
γ = 2,66 г/см³; С = 0,002 МПа; φ = 38°; Е = 20,5 МПа; ν = 0,29.

При проведении расчетов было принято пять рядов нагелей длиной 10 м и диаметром 120 мм со следующими вариантами угла заложения (рис. 5):

I – угол заложения всех нагелей – 30° к горизонту;

II – горизонтальное положение всех нагелей;

III – каждый из пяти нагелей расположен перпендикулярно потенциальной поверхности скольжения.

Результаты расчетов представлены на рис. 6–8 и в таблице.

По представленным результатам расчетов можно сделать вывод, что величина выдергивающих усилий, возникающих в нагелях, имеет наименьшее значение при угле заложения, равном нулю, а наибольшее – при угле 30°. Проверку сопротивления нагелей по материалу необходимо выполнять на совместное действие N, M и Q.

Заключение

На основании анализа и данных научных источников и выполненного расчета можно сделать следующие выводы.

1. По результатам расчета наиболее высокое значение коэффициента устойчивости грунтового массива, усиленного нагелями, соответствует углу их заложения в диапазоне от 0° до 5° к горизонту.
2. Развитие сдвиговых напряжений вдоль нагеля происходит неравномерно во времени.
3. Допущение о постоянном значении сдвиговых напряжений по всей длине корня анкера может привести к завышению значения несущей способности по грунту.