• Сегодня: Четверг, Август 17, 2017

Учет геосинтетических прослоек в расчетах консолидации земляного полотна

Укрепление железнодорожного полотна геосентетиками

Аннотация

В практике проектирования и расчетов мероприятий инженерной защиты транспортных сооружений уже давно используются геотехнические программные комплексы (Plaxis, Midas, Z-S oil, Phase2, GEO5 FEM и др.), однако действующие нормативные и рекомендательные документы не содержат четких указаний, каким образом следует их применять. Основная часть статьи посвящена сопоставлению подходов к определению прочности грунтов и последующего использования ее в расчетах по предельным состояниям первой группы в программах численного моделирования. Используя указанный подход, мы получаем возможность полноценного учета геосинтетических материалов в проектируемой конструкции, особенно в части необходимой их прочности.


При всем богатстве функционала современных геотехнических программных комплексов, они порой пасуют перед требованиями российской нормативной и рекомендательной документальной базы. Тем не менее существуют способы привести результаты расчетов в соответствие с критериями отечественной экспертной оценки. Гораздо важнее адекватно оценить полученные данные и предусмотреть в проекте решения, обеспечивающие стабильность и безопасность объекта.

В инженерной практике для определения устойчивости сооружений на основаниях, сложенных пылевато-глинистыми грунтами с коэффициентом водонасыщения Sr > 0,85, необходимо учитывать нестабилизированное состояние грунтов. В целях упрощения для расчетов принята двухфазная система: вода + минеральная часть. Расчеты по трехкомпонентной схеме (вода + воздух + минеральная часть) существуют, но являются на сегодняшний день мало распространенными в виду малой изученности и сложности.

Рекомендательные документы [5] регламентируют использование теории Н.Н. Маслова, в соответствии с которой не требуется вычислять поровое давление, а изменение прочности определяется влажностью грунта. Однако на практике этот подход не применяется в виду необходимости проведения дополнительных испытаний грунтов.

Теория Н.Н. Маслова является инженерным упрощением теории К. Терцаги, в которой прочность определяется эффективными характеристиками (что соответствует полностью консолидированному состоянию), а в процессе нагружения прочность определяется с учетом избыточного порового давления и имеет минимальное значение, соответствующее неконсолидированному состоянию.

Пользователи таких программных комплексов, как Plaxis, Midas, Z-Soil, Phase2 и пр., сталкиваются с вопросом: как в этих программах осуществляется повышение прочности в процессе уплотнения грунтов основания, ведь в них нет такого расчетного параметра, как влажность. Для того чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо произвести сопоставление методов испытаний, предназначенных для установления параметров в теориях.

При сопоставлении результатов теории «плотности–влажности» Н.Н. Маслова и первоначальной теории К. Терцаги видно, что они хорошо согласуются между собой [4], разница между ними заключается лишь в интерпретации данных (рис. 1). Современные программные продукты зарубежного исполнения благодаря возможностям компьютерной техники [2] реализуют более сложную теорию К. Терцаги, в то время как действующие отечественные методики расчетов [5] основаны на теории Н.Н. Маслова.

Сопоставление двух теорий прочности
Рис. 1. Сопоставление двух теорий прочности

Принцип расчета по Н.Н. Маслову заключается в следующем: определяют напряжение от грунтового сооружения с учетом взвешивающего действия грунтовых вод, по необходимым дополнительным графикам зависимости влажности от давления определяют изменение влажности в процессе отсыпки насыпи и далее по графикам определяют изменение трения и сцепления в зависимости от расчетной влажности.

Геотехнические программные комплексы, например Plaxis, основываются на проведении испытаний в приборах трехосного сжатия (стабилометров) по трем схемам: КД – консолидированно-дренированное, НН – неконсолидированно-недренированное и КН – консолидированно-недренированное [1]. Поскольку все отечественные представления проектировщиков, занимающихся расчетами земляного полотна, основаны на теории «плотности–влажности» Н.Н. Маслова, то возникают определенные сложности с пониманием принципов работы программ класса Plaxis.

На рис. 2 показаны результаты прочностных испытаний грунтов по теории Н.Н. Маслова: три образца грунта подвергались трем разным уплотняющим давлениям σn1, σn2, σn3, в результате чего происходило изменение плотности–влажности и, следовательно, прочности τ [7].

Графики испытаний по методу «плотности–влажности»
Рис. 2. Графики испытаний по методу «плотности–влажности»

Из графиков испытаний (рис. 2) следует, что грунт описывается как минимум двумя наборами характеристик прочности:

  1. Естественный водонасыщенный грунт при влажности wВ в виде недренированной прочности, в силу конструктивных особенностей приборов одноплоскостного среза выражаемой в виде низких значений трения и сцепления (пособие [5] рекомендует пренебрегать трением).
  2. Консолидированный грунт, у которого прочность определяется эффективными характеристиками ϕ’ и с’ и соответствует состоянию полной консолидации при приложенной нагрузке. Точки А1, А2, А3 (рис. 3) соответствуют стабилизированному состоянию, т.е. максимальной прочности при данной нагрузке.
Схематичный график изменения устойчивости сооружения во времени
Рис. 3. Схематичный график изменения устойчивости сооружения во времени

Здесь стоит отметить высказывание Н.Н. Маслова о неправомерности использования известного выражения Кулона (получаемого по результатам КД испытаний в виде точек А1, А2, А3) для начальной и промежуточной стадии нагружения водонасыщенного основания. Игнорирование данного высказывания не раз приводило строителей и инженеров-геологов к тяжелым непоправимым ошибкам [4].

Таким образом, расчетные характеристики грунтов должны быть приняты для определенного состояния увлажненности грунтов, т.е. при конкретной величине влажности wБ. На практике проектировщик часто принимает для расчета значения из сводной таблицы физико-механических свойств грунтов из отчета по инженерным изысканиям, при этом не всегда понятно, что это за значения: получены они при естественной влажности или для водонасыщенных образцов; был это быстрый или медленный срез. Отсутствие такой информации значительно снижает эффективность расчетов [8].

В результате будет получено два варианта решения:

  1. При использовании эффективных характеристик прочности – устойчивое состояние насыпи, для достижения которого требуется произвести вычисления длительности консолидации.
  2. Неустойчивое состояние насыпи – при отсыпке на естественное слабое основание. В этом случае потребуется усиление земляного полотна, например, армирующими силовыми геосинтетическими прослойками.

Опыт показывает, что в реалиях сегодняшнего дня качество изысканий оставляет желать лучшего и проектировщик вынужден довольствоваться имеющимися, далеко не полными исходными данными. В случае наличия только первого набора характеристик следует принять прочность для нестабилизированного состояния по справочным данным и назначить параметры армирования. Если в распоряжении проектировщика только данные второго варианта, то ничего другого не остается, кроме как назначить усиление земляного полотна. Очевидно, что после консолидации, которая может происходить в течение нескольких месяцев (или меньше), прочность будет увеличена и потребность в высоких разрывных характеристиках армирующих прослоек (назначенных с запасом на 100 лет) отпадет.

На рис. 3 черной линией обозначено состояние устойчивости насыпи без армирующих прослоек. В процессе возведения сооружения, по мере отсыпки, коэффициент устойчивости снижается, после происходит консолидация и упрочнение грунта. При достаточном количестве времени устойчивость возрастет до такой величины, которая обеспечит требуемый коэффициент устойчивости после приложения эксплуатационной нагрузки.

В случае применения геосинтетической прослойки в период строительства устойчивость будет выше, следовательно, время консолидации до обеспечения требуемой прочности в эксплуатационный период будет снижено (на графике рис. 3 показано красной линией).

По результатам расчетов устойчивости и осадки насыпей на слабых водонасыщенных основаниях получают значения коэффициента устойчивости до и после приложения эксплуатационной нагрузки, а также время консолидации. В случае, когда насыпь после возведения устойчивая, но имеет недостаточную устойчивость в эксплуатационный период, за время консолидации произойдет повышение прочности. С другой стороны, длительное время консолидации увеличивает сроки укладки асфальтобетонного покрытия (после достижения скорости консолидации 2 см/год) или покрытия переходного типа (5 см/год) [6].

В качестве мероприятий по ускорению сроков консолидации рекомендуется применение ленточных дрен. Армирующие геосинтетические прослойки на время консолидации не влияют, однако их применение позволяет уменьшать сроки консолидации с точки зрения обеспечения устойчивости (рис. 3). Общая схема оценки и принятия решения приведена на рис. 4.

Схема оценки и принятия решения по результатам геотехнических расчетов
Рис. 4. Схема оценки и принятия решения по результатам геотехнических расчетов

Для полной оценки по приведенной на рис. 4 схеме требуется выполнить расчеты в программах, позволяющих на одной расчетной схеме одновременно вычислять устойчивость, осадку и консолидацию, т.е. в программах численного моделирования.

Заключение

Геосинтетические материалы, являющиеся частью геоматериалов (грунтов), требуют качественно нового подхода к учету в различных конструкциях транспортных сооружений. Для их полноценного учета необходимо использование таких инструментов анализа, как программы численного моделирования.

В последнее время появилось много программ, работающих на основе метода конечных элементов. Разработчики программных средств всячески рекламируют преимущества своих продуктов, однако с точки зрения эффективности применения современных геотехнических комплексов все зависит от уровня знаний и понимания пользователей. Разработчики проводят обучение преимущественно работе с самой программной оболочкой либо дают только общее (не специализированное) представление о нелинейной механике грунтов и используемых моделях. Это обстоятельство снижает общий уровень доверия к программам и их распространение в геотехнической практике.

Сегодня требуется пересмотр системы обучения студентов и повышения квалификации действующих специалистов с целью гармонизации документов прошлых лет с современными представлениями в области геотехники. Все предпосылки были сформированы еще при создании нормативных документов [3], и сейчас требуется выполнить привязку заложенной основы к используемым программным продуктам.


Литература

  1. Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние вопроса. Пенза: ПГУАС, 2008. 696 с.
  2. Вавринюк Т.С. Федоренко Е.В. Результаты инженерных изысканий как основа для расчетов транспортных сооружений. // Инженерные изыскания. №3. 2014. С. 46-49.
  3. Иванов П. Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. М.: Высшая школа, 1985.
  4. Маслов H.H. Механика грунтов в практике строительства. М.: Стройиздат, 1977. 244 с.
  5. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах. М., 2004. 205 c.
  6. Федоренко Е.В. Метод расчета устойчивости путем снижения прочностных характеристик // Транспорт Российской Федерации. № 6 (49). 2013. С. 24–26.
  7. Экзогенные геологические процессы и их влияние на транспортное освоение территории: на примере Юго-Западного Приморья / Автореф. дисс… канд. геол.-мин. наук. Хабаровск: ДВГУПС, 2007. 25 c.
  8. Электронный ресурс: http://miakoming.ru/forum/
Евгений Федоренко

Главный инженер Инженер-проектировщик компании "Миаком Инжиниринг"