Анализ влияния устройства свай на устойчивость грунтовых откосов при землетрясениях

Введение. Природные и техногенные склоны при изменении физико-механических свойств грунтов, сейсмическом воздействии или дополнительном нагружении могут терять устойчивость. Это зачастую приводит к активизации оползневых процессов, повреждению зданий, сооружений, дорог и создает угрозу безопасности и жизни людей. Наибольшую опасность и сложность обеспечения устойчивости представляют склоны в сейсмоопасных районах, для которых совершенствование методов инженерной защиты склонов остается весьма актуальной задачей. В настоящей статье рассматривается физическое и численное моделирование песчаного склона, закрепленного сваями, при сейсмических воздействиях.

Материалы и методы. В работе использованы численные методы для изучения влияния землетрясений на склоны из песчаного грунта, укрепленные сваями. Метод конечных элементов (МКЭ) — популярный метод изучения взаимодействия конструкций и грунта, особенно при сложных сочетаниях нагрузок и воздействий. Он точно воспроизводит сложное поведение массива, включая напряжения, деформации, горизонтальные и вертикальные смещения, а также характер разрушения, наблюдаемый в системе склон-свая, когда она подвергается сейсмическим нагрузкам. Моделирование указанной системы выполнено в нелинейной постановке.

Результаты исследования. Работа сваи позволяет перенести часть веса поверхностных слоев склона на более глубокие и устойчивые слои, что помогает поддерживать устойчивость склона. Исследованы параметры свай, влияющие на восприятие сейсмических нагрузок и устойчивость укрепленного склона, в том числе тип сваи, способ ее возведения, параметры землетрясения и склона. Проведенное исследование взаимодействия свай и динамических нагрузок позволит улучшить проектные решения по инженерной защите склонов от оползневых процессов в сейсмических районах.

Обсуждение и заключения. В результате моделирования установлено, что сваи могут уменьшить боковое давление на грунт, увеличить прочность грунта на сдвиг и существенно повлиять на устойчивость склона, особенно в случае землетрясения или наводнения. Однако эффективность стабилизации с помощью свай зависит от нескольких факторов, таких как жесткость, расстояние между сваями, их длина, расположение на склоне и соединение с фундаментом.

1. Кан К., Зеркаль О.В., Лю Ц. Сравнительный анализ учета сейсмического воздействия при количественной оценке устойчивости склонов в России, Китае и Европе. В: Материалы докладов XIII Общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации». Москва: Геомаркетинг; 2017. С. 533–540. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=32741019 (дата обращения: 23.07.2024).

2. Кан К., Зеркаль О.В., Фоменко И.К., Пономарев А.А. Современные подходы к количественной оценке устойчивости склонов при сейсмическом воздействии. Инженерная геология. 2018;13(1–2):72–85. https://doi.org/10.25296/1993-5056-2018-13-1-2-72-85

3. Кан К., Зеркаль О.В., Пономарев А.А., Фоменко И.К. Вероятностный анализ устойчивости склонов на основе обобщенного критерия Хоека-Брауна при сейсмическом воздействии. Основания, фундаменты и механика грунтов. 2021;(3):11–16. https://elibrary.ru/item.asp?id=46397799 (дата обращения: 23.07.2024).

4. Ye Sh, Shi Y. Reliability Analysis of Slope Reinforced by Anchors under Earthquake Action. Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2022;59(4):376–384. https://doi.org/10.1007/s11204-022-09825-4

5. Рогожин Е.А., Овсюченко А.Н., Шварев С.В., Лутиков А.И., Новиков С.С. Оценка уровня сейсмической опасности района Большого Сочи в связи со строительством олимпийских объектов. ГеоРиск. 2008;(4):6–12. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=12774227 (дата обращения: 23.07.2024).

6. Фоменко И.К., Захаров Р.Г., Самаркин-Джарский К.Г., Сироткина О.Н. Учет сейсмического воздействия при расчете устойчивости склонов (на примере Краснополянского геодинамического полигона). ГеоРиск. 2009;4:50–55. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=13502840 (дата обращения: 23.07.2024).

7. Кропоткин М.П. Некоторые аспекты оценки влияния сейсмических воздействий на устойчивость склонов (на примере осваиваемой прибрежной зоны Западного Кавказа). Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2020;2:16–27. https://doi.org/10.31857/S086978092002006X

8. Гридневский А.В., Прокопов А.Ю. Природно-техногенные условия формирования подтопления межбалочных пространств города Ростова-на-Дону. Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019;2:26–37. https://elibrary.ru/item.asp?id=38509754 (дата обращения: 23.07.2024).

9. Прокопов А.Ю., Лебидко В.А. Выбор и обоснование методов берегоукрепления (на примере р. Кубань в г. Краснодаре). Известия Ростовского государственного строительного университета. 2015;20:41–48. https://elibrary.ru/item.asp?id=25294277 (дата обращения: 23.07.2024).

10. Стром А.Л., Калинкин Е.Г., Ломоносов А.А. О специфике учёта сейсмических воздействий при проектировании сооружений, предназначенных для защиты от наводнений. Гидротехническое строительство. 2023;(6):2–7. https://elibrary.ru/item.asp?id=54802079 (дата обращения: 23.07.2024).

11. Прокопов А.Ю., Жур В.Н., Рубцова Я.С. Проблемы обеспечения безопасности городской застройки на подработанных территориях Восточного Донбасса. В: Материалы юбилейной конференции, посвященной 25-летию образования ИГЭ РАН «Сергеевские чтения. Инженерная геология и геоэкология. Фундаментальные проблемы и прикладные задачи». Москва: Российский университет дружбы народов; 2016. С. 346–351. https://elibrary.ru/item.asp?id=25885381 (дата обращения: 23.07.2024).

12. Цомин В.Ю., Хататаев А.У., Петляков В.С., Прокопова М.В. Проектирование объектов транспортной инфраструктуры в сейсмических районах. В: Труды конференции «Транспорт: наука, образование, производство». Ростов-на-Дону: Ростовский государственный университет путей сообщения; 2020. С. 363–366. https://elibrary.ru/item.asp?id=44143300 (дата обращения: 23.07.2024).

13. Ponomarev A.A., Zerkal O.V., Samarin E.N. Protection of the Transport Infrastructure from Influence of Landslides by Suspension Grouting. Procedia Engineering. 2017;189:880–885. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.05.137

14. Zhang W, Wang TY, Wu HG, Yuan Y, Zhou AH. Remote Boundary for Numerical Simulations of Soil Slope Response to Earthquakes. Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2023;60(5):459–465. https://doi.org/10.1007/s11204-023-09915-x

15. Гайджуров П.П., Савельева Н.А., Труфанова Е.B. Численное моделирование поведения кинематически нестабильных склонов при динамических воздействиях. Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). 2021;21(4):300–307. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2021-21-4-300-307

16. Al-Jeznawi D, Alzabeebee S, Mohammed Shafiqu QS, Güler E. Analysis of Slope Stabilized with Piles under Earthquake Excitation. Transportation Infrastructure Geotechnology. 2024;11:197–215. https://doi.org/10.1007/s40515-022-00265-z

17. Gong WB, Li JP , Li L. Limit Analysis on Seismic Stability of Anisotropic and Nonhomogeneous Slopes with AntiSlide Piles. Science China Technological Sciences. 2018;61(1):140–146. https://doi.org/10.1007/s11431-017-9147-8

18. Jacob AS, Venkataramana K. Slope Stability Analysis Under Earthquake Load Using Plaxis Software. Journal of Advances in Geotechnical Engineering, 2021;3(3):1–8. https://doi.org/10.5281/zenodo.4432296

19. Zhang AJ, Mo HH, Zhang JC. Analytical Prediction for Piles Used for Slope Stabilization. Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2016;53(2):108–118. https://doi.org/10.1007/s11204-016-9373-9

20. Pantelidis L, Griffiths DV. Footing on the Crest of Slope: Slope Stability or Bearing Capacity? In: Proceedings of the Conference “Engineering Geology for Society and Territory”. Volume 2. Lollino G, Giordanet D, Crosta GB, Corominasal J, Azzam R, Wasowski Janusz, et al (Eds). Cham: Springer; 2015. P. 1231–1234. https://doi.org/10.1007/978-3-319-09057-3_215