 |
Вероятностная оценка эксплуатационного состояния конструкции откоооукрепительных сооружений
|
|
|
|
Надежность и эффективность откосоукрепительных сооружений определяются в значительной степени правильностью заданных при их проектировании расчетных параметров: грунта, защитного покрытия укрепления и характера воздействия внешних нагрузок. Методика определения таких расчетных параметров разработана недостаточно. Это приводит или к чрезмерному повышению запаса прочности, или к быстрому разрушению конструкции. Анализ ситуаций, возникающих в практике проектирования откосоукрепительных сооружений, показывает, что обычный расчет системы при произвольно назначенных исходных данных создает видимость получения объективной информации о напряженно-деформированном состоянии конструкции. В то же время этот расчет способствует определению лишь единичной реализации значений усилий, а для получения аффективных оценок параметров должны быть использованы методы, учитывающие степень неопределенности исходных данных.
Основной путь внедрения теории надежности в практику проектирования заключается в нормировании расчетных значений усилий.
Задачи нормирования расчетных значений формулируются как информационные и сводятся к задачам оценивания усилий и перемещений в условиях неполной исходной информации.
В зависимости от степени обеспеченности информацией исходные данные задаются в виде детерминированных и неопределенных величин.
В настоящее время известны несколько способов описания неопределенных величин. В работе [ 63] неопределенные величины задаются на нечетких множествах с субъективно вводимой функцией принадлежности, в работе [ 64] - в виде детерминированных величин, которые могут принимать любые значения из некоторого интервала, а в работе [ 65]- в виде случайных величин с известным классом плотностей вероятностей.
|
|
|
В данной работе использован вероятностный способ описания неопределенных величин, заимствованных из работ [ 64, 66].
Представлены пять случаев информационной обеспеченности, которые могут встретиться в практике проектирования. Соответственно рассматриваются пять классов симметричных плотностей вероятнос тей Ф (d):
с ограниченной дисперсией 
;
со средней величиной дисперсии 
;
с интервалом значений неопределенной величины 
;
с ограниченной вероятностью того, что неопределенная величина расположена в заданном интервале 
;
представляющая собой композицию 
,
где q (d) - известная, a h (d) - неизвестная плотности, b - заданное число.
Для каждого из классов известны, кроме того, оценки центра распределения.
Общий вид разрешающей системы уравнения [ 67] имеет вид
С ·У = Р+ d, (35)
где С, У, Р - соответственно матрица жесткости, векторы неизвестных перемещений и нагрузки; d - вектор ошибок.
Система (35) недоопределена, так как содержит кроме неизвестных У еще и неизвестные ошибки d. Дня получения единственного условия необходимо поставить дополнительное условие.
В качестве такого условия примем максимум количества информации [ 68], содержащегося в оценке 
относительно величины ошибок d, т.е.
(36)
где
d = d р + С d d с. (37)
Принимая во внимание систему (35), запишем
(38)
С учетом формулы (38) выражение для 
примет вид
(39)
Оба слагаемых в (39) имеют следующий информационный смысл: первое представляет собой энтропию Нр, второе - условную энтропию нагрузки 
относительно фиксированного значения 
(40)
Энтропия характеризует информационные потери, вызванные неполнотой информации. Из выражения (40) видно, что если 
, тоинформация об равна энтропии Р. Если 
,что имеет место в рассматриваемом случае, то данная задача сводится к максимизации 
.
|
|
|
Поскольку Нр не зависит от ,то данная задача сводится к минимизации по
(41)
В зависимости ох имеющейся информации относительно вектора нагрузок Р на основе минимизации 
можно решать следующие две задачи.
Задача экспериментатора. Если известны результаты Р i, наблюдений Р, то задача сводится к нахождению оценок из минимизации эмпирического аналога
(42)
т.е. к задаче оценки методом максимума правдоподобия. Аналогичная задача решена в работе [ 67] применительно к диафрагмам многоэтажных зданий.
Задача проектировщика. На стадии проектирования есть информация о первичной статистической обработке результатов наблюдений, представленная в нормах и справочниках в виде нормативных значений. Обычно это среднеарифметические значения 
результатов наблюдений Р i.
Если линеаризовать выражение (42) в ряд Тейлора относительно точек 
,удерживая три первых члена, и учесть, что плотности 
симметричны относительно 
,то получим
(43)
Ограничение количества членов в ряде Тейлора приводит к зависимости качества оценок , полученных из уравнения (43), от вида плотностей 
.
Критерии качества в виде минимума объема дисперсионного эллипсоида ошибок d у оценок удовлетворяет только нормальное распределение, для которого среднеарифметическое значение является достаточной статистикой. Для остальных видов плотностей 
оценки 
получаемые из уравнения (43), оптимальны в классе линейных несмещенных оценок.
Оценка эксплуатационного состояния конструктивных систем с существенно неполной информацией. Часто ошибки d i элементов матрицы С могут быть настолько существенны, что приведение ее к линейной форме может оказаться некорректным. В этом случае гарантированные значения можно получить выборочным методом, моделируя распределения, как показано в работе [ 66].
Использование выборочного метода дает возможность рассматривать параметры эксплуатационной пригодности как случайные величины и моделировать их на ЭВМ совместно с параметрами напряженно-деформированного состояния, определяя в результате вероятностную оценку эксплуатационного состояния конструкций.
С помощью выборочного метода предпосылки вероятностно-оптимизационного подхода [ 61] можно соединять с методами проверки статистических гипотез [ 69].
|
|
|
Для наглядности будем считать: конструктивный элемент характеризуется одним параметром состояний y, что несущественно повлияет на общность выводов. Например, рассмотрим в качестве y резерв прочности конструкции [ 61].
y = R - S (44)
где R - прочность конструкции;
S - усилие в конструкции.
Пусть конструкция находится в одном из двух эксплуатационных состояний: пригодности (y ³ 0)и непригодности (y < 0).
Задано вероятностное описание резерва прочности, т.е. известны вид функции распределения y и часть его параметров. Формально плотность распределения можно задать в параметрическом виде f (q, y),где q - вектор параметров распределения, который является элементом множества W. Множество W разделено на два подмножества W о и W 1, назначаемых так, чтобы при q Î W оконструкция считалась пригодной. В общем случае пространство W можно разделить на основе обучающих выборок, а также методов работы [ 61].
Рассмотрим случай, когда y распределен нормально, среднее значение параметра т существует в интервале (- ~ ¸ ~), а дисперсия s 2постоянна. Множество (- ~ ¸ ~) параметра т разделяется на подмножества пригодности (то ¸ ~) и непригодности (- ~ ¸ то) на основании [ 61].
то = g · s 1 (45)
где g - характеристика безопасности конструкции.
Задача определения эксплуатационного состояния конструкции сводится к проверке сложной гипотезы о среднем нормального распределения H о: т ³ то против сложной альтернативы H о: т < то при известной дисперсии. Используя критерий Неймана-Пирсона, показываем, что решающее правило для принятия гипотезы
(46)
где y a - a -отклонение, %;
a - уровень значимости;
n - число расчетов.
На основе изложенной методики можно сделать следующие выводы:
определение расчетных значений перемещений и усилий сформулировано как задача расчета конструкций в условиях неполной информации;
задача оценки эксплуатационного состояния конструкции в условиях неполной информации сведена к проверке сложных статистических гипотез;
задача решена статистическим методом, заключающимся в выборе наиболее невыгодного распределения из заданного класса распределений и получении оценки с минимальной дисперсией.
|
|
|
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приведенные в обзоре конструктивные решения по укреплению устойчивости откосов автомобильных дорог от размыва свидетельствуют об эффективности и многообразии их применения. Во многих случаях размыв откосов связан не только с недостаточным совершенствованием конструкции, но и с трудностями учета их взаимодействия с внешними факторами (паводками, селевыми потоками, выветриванием, затоплением).
Укрепительные и защитные устройства следует сооружать из долговечных местных дешевых материалов, обеспечивая максимальную механизацию работ.
Проектируя любые конструкции защитных покрытий откосов, целесообразно в проект включить живые посадки как элемент укрепления, так и источник сохранения чистоты окружающей среды.
Применение хворостяных и каменно-хворостяных укреплений, фашин и фашинных тюфяков можно рекомендовать в условиях, обеспечивающих длительную и надежную их работу. Такие укрепления должны применяться для подводных частей. В надводных частях они должны быть прорастаемыми; при этом следует обеспечить соответствующий агротехнический уход за ними.
В качестве основного мероприятия по борьбе с размывами и подмывами текущей водой и волноприбоем целесообразно применять каменные наброски, допускающие полную механизацию работ.
Вместо каменных набросок в ряде случаев, например для устройства обратных фильтров, следует использовать фигурные блоки (тетрапод, стабилопод, трибарс, стебит и др.), если они обеспечивают такие же условия работы сооружений, как и каменные наброски.
При дефиците каменных материалов и технико-экономической нецелесообразности применения каменных набросок необходимо рассмотреть варианты плитных покрытий.
Если поверхности крепления велики, есть возможность выполнить работы в сухое и теплое время года, основания под плитами защищены от неравномерных осадок, следует применять монолитные карты, особенно при криволинейных поверхностях крепления.
Сборно-плитные крепления используют при крутизне откосов не более 1:2,5. При этом особое внимание необходимо уделять высококачественному устройству швов, обратных фильтров, шарнирных соединений и стыковых узлов в целом.
Плитные конструкции обычно рассчитывают на невсплываемость, устойчивость и прочность; обратные фильтры - на обеспечение от вымывания грунта под плитами; основания под плитами, как и в случае наброски, - от тиксотропных разжижений грунтов под систематическими ударными воздействиями волн.
|
|
|
Одним из возможных путей решения проблемы защиты поверхности откосов от нарушения их местной устойчивости является применение сборных железобетонных элементов, которые после объединения в стыках образуют решетчатую конструкцию. Ячейки такой конструкции могут быть заполнены любым материалом - от растительного грунта с посевом трав до более мощного заполнения в виде грунта, обработанного вяжущими, или монолитного бетона.
Решетчатые конструкции являются действенным типом укрепления, обеспечивающим немедленный эффект зашиты.
При использовании решетчатых конструкций можно повысить крутизну откосов, что позволяет уменьшить объем земляных работ, строить дороги в стесненных условиях, уменьшить ширину выемки поверху или ширину насыпи по подошве.
Применение защитного покрытия из коробчатых прямоугольных плит по способу соединения элементов с шинами с регулируемой высотой повышает устойчивость покрытия на сдвиг за счет заглубления в грунт, а также создает упругие барьеры для гашения удара волновых воздействий и задержания снежных и песчаных заносов.
Преимуществами каменных блоков, снабженных разрезанными вдоль покрышками и соединенных между собой в ряд хомутами, перемычками, длинными и короткими тросами, являются высокая степень проницаемости, определяющая повышенный волногасящий эффект, устойчивое положение блоков и гибких матов, что позволяет увеличить крутизну откосов дорог.
Для обеспечения устойчивости неподтапливаемых откосов, сооружаемых из мелких песков, исключения размывов рекомендуется их укреплять пропиткой поверхности песка битумной эмульсией, нетканым синтетическим материалом дорнитом и решетчатыми конструкциями из сборных элементов.
При использовании решетчатых конструкций крутизну откосов принимают 1:2 независимо от климатического района и высоты насыпи.
В случая неблагоприятного сочетания климатических факторов и чувствительности грунтов к процессам физико-химического выветривания устраивают совмещенные термогидроизоляционные покрытия.
В районах с суровыми природно-климатическими условиями более выгодным является применение комплексного метода укрепления
откосов пойменных насыпей с использованием синтетических нетканых материалов и полимерных сеток.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Савин К.Д. Искусственные сооружения. - М.: Транспорт, 1983.
2. Методические рекомендации по проектированию и строительству гибких железобетонных покрытий откосов транспортных сооружений / ЦНИИС. - М., 1984.
3. Гидротехнические сооружения: Справочник проектировщика / Под ред. В.П. Недриги. - М.: Стройиздат, 1983.
4. Рекомендации по проектированию железобетонных и каменнонабросных креплений откосов земляных сооружений берегов внутренних водоемов /ВНИИ "ВодГЕО" М.: Стройиздат, 1984.
5. Альбом конструкции креплений откосов земляного полотна железных и автомобильных дорог общей сети Союза CC Р / Мосгипротранс. - М., 1970.
6. Методические рекомендации по выбору конструкции укрепления конусов и откосов земляного полотна, технологии и механизации укрепительных работ / Союздорнии. - М., 1981.
7. Толмачев К.Х. Автомобильные дороги: Спец. сооружения. - М.: Транспорт, 1986.
8. Дранников A. M.,Стрельцес Г.В., Купраш Р.П. Оползни на автомобильных дорогах. - М.: Транспорт, 1972.
9. Костомаров В.М. Противооползневые мероприятия в городах. - М.: Стройиздат, 1967.
10. Морозов A. M. Строительство морских берегозащитных сооружений. - М.: Изд-во МИСИ, 1984.
11. Гинзбург Л.К. Противооползневые удерживающие конструкции. - М.: Стройиздат, 1979.
12. Защита земляного полотна от горных рек: Сб. тр. комитета по земляному полотну. Вып. 12. - М.: Транспорт, 1975.
13. Тевдорашвили Н. Защита земляного полотна дорог от размыва в узких горных долинах // Защита земляного полотна от горных рек. - М.: Транспорт, 1975.
14. Методические рекомендации по выбору решетчатых конструкций для укрепления конусов и откосов земляного полотна автомобильных дорог / Союздорнии. - М., 1973.
15. Дурикин В.Т., Львович Ю.М. Новый способ укрепления конусов и откосов земляного полотна автомобильных дорог. - М., 1975. - (Обзорн. информ. /Оргтрансстрой).
16. Укрепление откосов земляного полотна сборными и решетчатыми конструкциями/ В.Б. Завадский, Ю.Л. Мотылев, В.Д. Казарновский и др. // Автомоб. дороги. - 1971. - № 7.
17. Гидротехнические сооружения: Ч. 2 / Под ред. М.М. Гришина. - М.: Высш. школа, 1979.
18. Наместников С.К., Борисов Г.В., Кузнецов Е.И. Строительство сборных берегозащитных покрытий из асфальтополимербетона. -Киев: Буд i вельник, 1986.
19. Десятова Н.С. Укрепление откосов пойменных насыпей синтетическими неткаными материалами и цементогрунтами - М., 1986. -(ЭИ/ ВПТИтрансстрой)
20. Методические рекомендаций по защите откосов песчаных насыпей от размыва в условиях Казахстана/Союздорнии. -М., 1980.
21. Методические указания по оценке местной устойчивости откосов и выбору способов их укрепления в различных природных условиях/ ЦНИИС. - М., 1970.
22. Трескинский С.А. Склоны и откосы в дорожном строительстве. - М.: Транспорт, 1984.
23. Барванов В.А., Воронель Д.А. Сооружения из армированного грунта. - М., 1984. - (Стр-во и архитектура. Сер. 8. Строит, конструкции: Обзорн. информ. /БНИИИС Госстроя СССР; Вып. 7).
24. Böschungsschutz mit Enkamat // Tiefbau-Ingenieurbau-Strassenbau. - 1977. - Vol.19. - N 1.
25. Verge G.C., Reid I.B. Reinforced earth retaining walls in Highways // Austral. Road Res. - 1976. - Vol.6. - N 3.
26. Порожняков B. C. Проектирование и строительство горных дорог. - М., 1986. - (Итоги науки и техники/ ВИНИТИ; Т. 7).
27. Львович Ю.М., Мотылев Ю.Л. Укрепление откосов земляного полотна автомобильных дорог. - М.: Транспорт, 1979.
28. Бетонные блоки для защиты берегов от эрозии // Трансп. стр-во за рубежом: Экспресс-информ. / ВПТИтрансстрой.- 1985.-Вып. I.
29. Микроинформация // Гражд. стр-во (США). - 1989. - № 12.
30. Dalton D.C., Hoban K.M. Tyre walls in highway construction // The Highwey Engineer. - 1982. - N 2.
31. Цурси Хироси. Анкерные подпорные стенки //Сэко гидзюцу.- 1976. - Vol. 9. - № 8.
32. Юдин Л.Н. Устойчивость набросного материала в решетчатой конструкции при возведении речного потока // Мероприятия по обеспечению устойчивости земляного полотна автомобильных дорог в пересеченной и горной местности. - М., 1980. - C..101-107 - (Сб. тр. / Союздорнии).
33. Кацман А.Я., Хромов Ю.И. укрепление откосов земляных сооружений цементогрунтовым набрызгбетоном // Мероприятия по обеспечению устойчивости земляного полотна автомобильных дорог в пересеченной и горной местности. - М.,1980. - С. 95 - 100 -(Сб. тр. / Союздорнии).
34. Brandel H. Boschungssicherungen und oanierung von Rutschuagen // Strasse und Autobahn. - 1976. - Vol.27. - H 6.
35. Vogel F. Bepflanzung von Stutzbauverkehr mit aufge-loaten Oberflachen // Strasse und Verkehr. - 1983. - Vol. 69. -H 4.
36. Яковенко В.Г. Строительство берегоукрепительных сооружений. - М.: Транспорт, 1986.
37. Байнатов Ж.Б. Комбинированные защитные покрытия откосов автомобильных дорог от размыва // Автомоб. дороги: Науч.-техн. достижения и передовой опыт в области автомоб. дорог: Информ. сб. / ЦБНТИ Росавтодора РСФСР. - 1991. - Вып. 4.
38. Байнатов Ж.Б. Защитные покрытия откосов дорог // Транспорт, наука, управление: Сб. обзорн. информ. / ВИНИТИ. - 1991.-№ 12.
39. Байнатов Ж.Б. Искусственные защитные сооружения на горных автомобильных дорогах/ - М., 1992. - (Итоги науки и техники Сер. Автомоб. дороги / ВИНИТИ; т. 10).
40. Байнатов Ж.Б., Досхожаев А.С. Эффективные конструкции защитных покрытий от размыва // Водохоз. стр-во: Экспресс-информ. / Госстрой КазССР. - 1991. - № 2.
41. Перевозников Б.Ф. Водоотвод с автомобильных дорог. - М.: Транспорт, 1982.
42. Перевозников Б.Ф. Водопропускные сооружения лоткового типа. - М.: Транспорт, 1978.
43. Перевозников Б.Ф. Расчет максимального стока при проектировании дорожных сооружений. - М.: Транспорт. 1975.
44. Клейн Г.К., Скуратов Л.Ф. Расчет балок на нелинейно-деформируемом основании // Строит, механика / ЦНИИСК, МИСИ, Воен,-инж. акад. - М.: Стройиздат, 1966.
45. Жемочкин Б.Н., Синицын А.П. Практические метода расчета фундаментных балок и плит на упругом основании. - М.: Госстройиздат, 1962.
46. Беручашвили Г.М. Некоторые вопросы динамики селевого потока // Материалы IV Всесоюз. конф. по селевым потокам. -Алма-Ата, изд-во АН КазССР, 1959.
47. Херхеулидзе И.И. Сквозные защитные и регулирующие сооружения на горных реках. - М.: Гидрометеоиздат, 1967.
48. Херхеулидзе И.И. Расчет основных характеристик селевых потоков: ООН, междунар. симпозиум по паводкам и их расчетам. - Л., 1967.
49. Виноградова Б.И., Херхеулидзе Г.И. О силовом воздействии структурного селевого потока на противоселевые конструкции // Тр. ЗакНИГМИ. - 1970. - Вып. 37 (43).
50. Виноградова В.И., Херхеулидзе Г.И., Огаян В.К. Лабораторные исследования лобового сопротивления противоселевых сооружений системы ЗакНИГМИ /Ар. ЗакНИГМИ. - 1969. - Вып. 32(38).
51. Гагошидзе М.С. Селевые явления и борьба с ними. - Тбилиси: Сабчота Сапартвело, 1970.
52. Тевзадзе В.И. О применимости механики ньютоновских систем для описания динамики структурных селевых потоков // Тр. ГрузНИИГиМ. - 1968. - Вып. 26.
53. Херхеулидзе. К определению нагрузок от воздействия селевого потока на поперечные преграды. // Тр. ЗакНИГМИ. -1972. - Вып. 40(46).
54. Херхеулидзе И.И., Виноградова В.И., Рухадзе Н.В. Эмпирические зависимости для расчета элементов прорыва завальных плотин // Тр. ЗакНИГМИ. - 1972. - Вып. 40(46).
55. Виноградова В.И., Херхеулидзе Г.И. Влияние вязкости и турбулентности потока на характеристики сопротивления сквозных конструкций // Тр. ЗакНИГМИ. - 1970. - Вып. 37(43).
56. Непорожний П.С. Защита гидроэлектростанции от селевых потоков. - М.: Госэнергоиздат, 1947.
57. Мехти-Заде P. M. Методы теории надежности в строительном проектировании. - М., 1987. - (Стр-во и архитектура. Сер. Обществ, здания: Обзорн. информ. / ЦНИИС Госстроя СССР; Вып. 6).
58. Бегам Л.Г., Цыпин В.Ш. Надежность мостовых переходов через водотоки. - М.: Транспорт; 1984.
59. Противооползневые конструкции на автомобильных дорогах/ В.Д. Браславский, Ю.М. Львович, Л.В. Грицюк и др. - М.: Транспорт, 1985.
60. Болотин В.В. Применение методов теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. - М.: Стройиздат, 1971.
61. Ржаницын Р.А. Теория расчета строительных конструкций на надежность. - М., Стройиздат, 1979.
62. Волга B. C., Подольский Д.М. Оптимизационные модели надежности жилых зданий, эксплуатируемых в сложных условиях // Надежность и долговечность машин и сооружений / АН УССР. - Киев.-1983. - № 4.
63. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. - М.: Мир, 1976.
64. Эльясберг А.Е., Бахшиян Б.Ц. Определение траектории полета космического аппарата при отсутствии сведений о законе распределения ошибок измерений // Космические исследования. - 1969.-Сер. 7. - Вып. I. - С. 25-31.
65. Huber P.I. Robust estimation of a location parameter // Ann. Mathematical Statistics. - 1964. - № 35.
66. Подольский Д.М. О решении задач надежности сложных систем // Надежность и долговечность машин и сооружений/ АН УССР, -Киев, 1982. - № 2.
67. Подольский Д.М., Байнатов Ж.Б. Выбор расчетных моделей диафрагм жесткости многоэтажных зданий на основе экспериментальных исследований // Строит, механика и расчет сооружений.-1978. - № I.
68. Пугачев B. C. Введение в теорию вероятностей. - М.: Наука, 1968. - 368 с.
69. Закс Ш. Теория статистических выводов. - М.: Мир, 1975.
|
|
|
