Probabilistic calculation in terms of deformations of the formations consisting of compacted overburden of Quarternary rocks

Abstract

Purpose is to study the effect of a stress-strain state (SSS) of rock mass on statistical dispersion of deformability characteristics of the compacted overburden; to develop modeling methods of dispersion of random values (RV) influence of subsoil material characteristics; and to analyze their SSS modeling using a finite-element method as well as simulation modeling. Methods. The following has been applied: the tested methods of experiment planning theory; methods of rock mechanics; methods of mathematical statistics and probability theory; simulation using Monte Carlo method; and finite-element method (FEM) using elastic-plastic model to simulate SSS of artificial rock masses. Findings. Statistic parameters of the distribution of RVs of both analytical and boundary resistances of the compacted overburden have been obtained as well as subsidence of plates (bases) on beddings, and their relative irregularities. Statistic parameters and regularities of plate subsidence have been identified using numerical SSS simulation of beddings, and simulation by means of Monte Carlo method. It has been determined that there is a probability of origination of a nonlinear stage of a basis deformation in addition to a linear one. The fact can be explained by variability of the compacted rock characteristics as well as random nature of loads on the bases. It has been defined that probability failure of the basis on a bedding from 1st boundary condition is allowable since safety characteristic is β > 3-4; in terms of relative irregularity criterion, their subsidence on a one layer bedding achieves 10% when its boundary value (ΔS/L) is u = 0.002 and 3% when its boundary value (ΔS/L) is u = 0.004; however, in the context of a multilayer bedding, the values are only 0.02%, and 0.0006% respectively. Originality. It has been identified that determination of deformation of the beddings, belonging to overburden Quarternary rocks, should take into consideration the determined regularities of distribution of physiomechanical characteristics of the compacted soil in the process of analytical numerical simulation, and in the context of finite element method using elastic-plastic model. Practical implications. Possibility to utilize overburden Quarternary rocks as well as their mixtures has been proved while using them as a material of soil beddings for buildings and structures; and methods have been developed to calculate artificial formations on the basis of the compacted overburden taking into consideration statistic parameters of distribution of their physiomechanical characteristics.

Мета. Вивчення впливу напружено-деформованого стану (НДС) масиву на статистичний розкид властивостей деформативності ущільнених розкривних порід. Розробка методики моделювання впливу розкиду випадкових величин (ВВ) характеристик матеріалу основи та аналіз їх НДС моделюванням методом скінченних елементів (МСЕ) та імітаційним моделюванням. Методика. Використано апробовані методи теорії планування експерименту; методи механіки гірських порід; методи математичної статистики і теорії ймовірності; методи імітаційного моделювання методом Монте-Карло; МСЕ із використанням пружно-пластичної моделі для моделювання НДС штучних масивів. Результати. Отримано статистичні параметри розподілів ВВ розрахункового та граничного опорів ущільнених розкривних порід, осад штампів (фундаментів) на подушках та їх відносної нерівномірності. Встановлено статистичні параметри і закони розподілу осад штампів на підставі чисельного моделювання НДС подушок та імітаційного моделювання методом Монте-Карло. Виявлено, що є ймовірність появи крім лінійної, ще й нелінійної стадії деформування основи, що пояснюється мінливістю характеристик ущільнених порід і випадковою природою навантажень на фундаменти. Встановлено, що ймовірність відмови фундаменту на подушці за І граничним станом допустима, оскільки характеристика безпеки β > 3-4, а за критерієм відносної нерівномірності їх осад на одношаровій подушці сягає 10% при граничній величині (ΔS/L)u = 0.002 і 3% – при (ΔS/L)u = 0ю004, але для багатошарової подушки ці значення складають відповідно тільки 0.02 і 0.0006%. Наукова новизна. Встановлено, що визначення деформацій подушок з розкривних четвертинних порід повинно враховувати встановлені закони розподілу фізико-механічних характеристик ущільнених ґрунтів при чисельній імітації аналітично та методом скінчених елементів із використанням пружно-пластичної моделі. Практична значимість. Доведена можливість утилізації розкривних четвертинних порід та їх сумішей, використовуючи їх як матеріал ґрунтових подушок споруд; розроблена методика розрахунку штучних масивів із ущільнених розкривних порід з урахуванням статистичних параметрів розподілу їх фізико-механічних характеристик.

Цель. Изучение влияние напряженно-деформированного состояния (НДС) массива на статистический разброс свойств деформативности уплотненных вскрышных пород. Разработка методики моделирования влияния разброса случайных величин (СВ) характеристик материала оснований и анализ их НДС моделированием методом конечных элементов (МКЭ) и имитационным моделированием. Методика. Использованы апробированные методы теории планирования эксперимента; методы механики горных пород; методы математической статистики и теории вероятности; методы имитационного моделирования методом Монте-Карло; МКЭ с использованием упругопластической модели для моделирования НДС искусственных массивов. Результаты. Получены статистические параметры распределений СВ расчетного и предельного сопротивлений уплотненных вскрышных пород, осадок штампов (фундаментов) на подушках и их относительной неравномерности. Установлены статистические параметры и законы распределения осадок штампов на основании численного моделирования НДС подушек и имитационного моделирования методом Монте-Карло. Выявлено, что есть вероятность появления кроме линейной, еще и нелинейной стадии деформирования основания, что объясняется изменчивостью характеристик уплотненных пород и случайной природой нагрузок на фундаменты. Установлено, что вероятность отказа фундамента на подушке по І предельному состоянию допустима, так как характеристика безопасности β > 3-4, а по критерию относительной неравномерности их осадок на однослойной подушке достигает 10% при предельной величине (ΔS/L)u = 0.002 и 3% – при (ΔS/L)u = 0.004, но для многослойной подушки эти значения составляют соответственно только 0.02 и 0.0006%. Научная новизна. Установлено, что определение деформаций подушек из вскрышных четвертичных пород должно учитывать установленные законы распределения физико-механических характеристик уплотненных грунтов при численной имитации аналитически и методом конечных элементов с использованием упругопластической модели. Практическая значимость. Доказана возможность утилизации вскрышных четвертичных пород и их смесей, используя их в качестве материала грунтовых подушек сооружений; разработана методика расчета искусственных массивов из уплотненных вскрышных пород с учетом статистических параметров распределения их физико-механических характеристик.