• Сегодня: Вторник, Декабрь 10, 2019

Расчеты осадки, устойчивости и стабильности земляного полотна с геосинтетическими материалами путем численного моделирования

Стабильность земляного полотна

Автор:
Евгений Федоренко
Главный инженер компании “Миаком Инжиниринг”


В начале XX века, когда в нашей стране возникла большая потребность в массовом строительстве, инженерная наука получила мощный импульс для интенсивного развития. Одним из активно развивавшихся направлений стала механика грунтов.

Основные методы расчетов были сформированы в достаточно сжатые сроки, для решения поставленных перед учеными задач были использованы все имеющиеся накопленные знания. Транспортное строительство (имеется в виду железнодорожное и автодорожное земляное полотно) заимствовало основные принципы расчетов из области оснований и фундаментов, а отдельные представления о грунтах были взяты из почвоведения (например, характерные влажности грунта).

До 60-х годов прошлого века расчеты фундаментов производились по допускаемым нагрузкам, а позже были введены расчеты по двум предельным состояниям, которые используются до сих пор. В области проектирования фундаментов основным считается расчет по деформациям, поскольку часто бывает, что несущая способность еще не исчерпана, а осадки достигли предельных значений. В транспортном строительстве ситуация обратная, осадка насыпи 5 см, так же как и садка насыпи 25 см, не влияет на надежную работу сооружения, поскольку может быть компенсирована досыпкой в строительный период, в то время как устойчивость может быть не обеспечена как при одной, так и при другой величине осадки.

Из сказанного можно сделать вывод, что разделение на предельные состояния является искусственным приемом, позволяющим в упрощенной форме оценивать сложный процесс взаимодействия сооружения и основания. Несмотря на принятое разделение процесса деформирования основания на фазы, четкой границы между этими фазами нет. А различные теории расчета осадки используют только линейную зависимость между напряжениями и деформациями. Однако делаются попытки выйти за пределы линейного участка, который создает большие запасы, что экономически нецелесообразно. Так, было высказано допущение о развитии областей сдвига при определении расчетного сопротивления грунта (нагрузка, ограничивающая линейный участок зависимости нагрузка-деформация), появился метод расчета осадки при наличие областей сдвига (предложен М. В. Малышевым и рекомендован в Пособии к СНиП 2.02.01-83). Формула представляет собой экстраполяцию осадки с учетом того, что осадка неограниченно растет, т. е. применение формулы целесообразно, если осадка оказывается значительно меньше предельно допустимой (Болдырев).

За последнее десятилетие дисциплина «Механика грунтов» получила существенное развитие в области прочности и деформируемости грунтов. Эти изменения повлекли за собой возникновение новых подходов и методик расчетов транспортных сооружений. Классическая «Механика грунтов», положенная в основу принятых в нашей стране методов расчета земляного полотна автомобильных и железных дорог, базируется на знаниях 20–60-х годов прошлого века. Все методы имеют максимально возможное упрощение и достаточно существенные допущения, которые позволяют применять данные методики без калькуляторов и компьютерной техники. В то же время начиная с 70-х годов прошлого века развивалось такое направление, как нелинейная механика грунтов, причем за рубежом, во многом благодаря развитию компьютерных технологий, это направление получило большее распространение.

Нелинейная механика грунтов использует различные модели грунтов, позволяющие наиболее реалистично отражать поведение грунта при различных воздействиях, что, в свою очередь, требует применения численных методов для решения систем нелинейных дифференциальных уравнений. Классическая же механика грунтов основана на аналитических решениях, полученных, как правило, в виде графиков, таблиц и номограмм, что существенно упрощает процесс расчета, однако, несмотря на простоту, эти решения могут быть использованы только при линейной зависимости между напряжениями и деформациями. Очевидно, что решение таких задач, как определение устойчивости и стабильности земляного полотна на слабых основаниях, не предполагает работу слабого основания как линейно деформируемого полупространства. Таким образом, использование теории классической механики грунтов для таких задач требует применения именно нелинейной механики грунтов. То же можно сказать о расчетах конструкций с геосинтетическими материалами, которые находят все более широкое применение в транспортном строительстве. Использование предельных состояний для расчета не дает возможности оценить преимущества и эффективность применения геоматериалов. Методики расчета осадки основаны на компрессионном сжатии и никак не могут учесть геоматериалы, работающие только на растяжение, а расчеты устойчивости выполняются, как правило, методами предельного равновесия, что, с учетом большого количества запасов, приводит к завышению стоимости.


Проверка эффективности применения геосинтетических материалов может быть подтверждена только на основе расчетов, близких к реальному поведению сооружения, т.е. при геотехническом (численном) моделировании


В качестве примера совместного расчета по первому и второму предельным состояниям, а также для иллюстрации возможностей учета влияния геосинтетических материалов на напряженно-деформированное состояние системы «сооружение-основание» приводится пример расчета автомобильной дороги. Насыпь высотой 1,6 м из несвязных грунтов возводится на слабом основании, представленном слоем торфа мощностью до 4 м, которое подстилается илом большой мощности.

Стабильность земляного полотна
Тканый геотекстиль

Особенность расчета заключается в необходимости учесть наличие существующей насыпи и ее консолидированное основание, а также нелинейную зависимость деформируемости грунтов основания и необходимость досыпки насыпи до требуемого уровня. Существующее земляное полотно имеет в основании лежневой настил, обеспечивающий равномерную по всей подошве деформацию сооружения.

Усиление геосинтетическими материалами выполняется в основании проектируемой насыпи с обязательным заанкериванием концов полотен. Рекомендуется использование высокопрочного полиэфирного геотекстиля.

Стабильность земляного полотна
Рис. 1. Схема усиления проектируемой насыпи

Инженерный расчет не позволяет учесть наличие уплотненного основания существующей насыпи. Для этого необходимо использовать численное моделирование, результаты которого показывают, что максимумы осадки не по оси насыпи, а в тех местах, где основание имеет естественное сложение, т.е. в стороне от существующей насыпи.

Стабильность земельного полотна
Рис. 2. Изополя общих перемещений в основании (максимум показан темным цветом, насыпь отключена): сверху — без армирования; снизу — с армированием

Анализ результатов расчета показал, что геосинтетический материал с большой продольной жесткостью (ЕА>2000 кН/м) в основании насыпи оказывает влияние на величину и равномерность осадки, которая в данном случае снизилась на 20 %. Очевидно, что армирование позволило уменьшить горизонтальные перемещения в слое торфа (определяются по выходу изополей за пределы контура насыпи), а также  снизить давление на подстилающий торф слой ила (уменьшение глубины распространения изополей в нижнем слое).

Однако, как уже говорилось, величина осадки не является критической для земляных сооружений, гораздо важнее проверить устойчивость и стабильность конструкции. Расчет устойчивости с учетом транспортной нагрузки показал следующие результаты: конструкция без усиления Куст=1,08; насыпь с армированием Куст=1,15; альтернативный вариант с бермами Куст=1,16. На рис. 3 приведены изополя коэффициента стабильности, где красным цветом показаны зоны нестабильности, в которых прочности грунта недостаточно. При выходе этой области за пределы подошвы насыпи сооружение теряет устойчивость.

Стабильность земляного полотна
Рис. 3. Изополя распределения коэффициента стабильности в основании насыпи (красным показаны зоны К0<1): сверху — без усиления; снизу — с армированием

Как видно на рис. 3, в случае применения геосинтетической арматуры она воспринимает касательные напряжения и благодаря низкой деформативности снижает распределение зон нестабильности (красные зоны верхней и нижней части слоя торфа не сливаются), что свидетельствует о достаточной устойчивости.

Приведенные расчеты относятся к варианту быстрого возведения насыпи и выполнялись с учетом недренированной прочности. При наличии соответствующих исходных данных (консолидированно-дренированные испытания), а также коэффициента фильтрации (или консолидации) следует выполнить расчеты времени консолидации и определить устойчивость насыпи с характеристиками упрочненного грунта. Наиболее оптимальным решением будет использование программы численного моделирования (например, Plaxis), которая позволяет задавать эффективные прочностные характеристики (в стабилизированном состоянии), рассчитывать поровое давление и, следовательно, определять расчетную недренированную прочность. Такой подход более приемлем для практики, чем использование зависимостей прочность–влажность по методу Н.Н. Маслова.

Заключение

Современные возможности вычислительной техники, а также развитие механики грунтов позволили создать мощные геотехнические программные комплексы, используя которые можно выполнять любые расчеты, проводить глубокий анализ геотехнических ситуаций и прогноз работы сооружения. Однако кроме этого реализация других подходов, неприменимых ранее ввиду сложности расчетов, позволяет рекомендовать применение численного моделирования для решения типовых задач: расчетов осадки, времени ее реализации, устойчивости. Существенным преимуществом является единство расчетов без искусственного деления на группы по предельным состояниям, что позволяет более достоверно учитывать в расчете геосинтетические материалы.

Евгений Федоренко

Главный инженер Инженер-проектировщик компании "Миаком Инжиниринг"