Геотехнический расчет устойчивости конуса транспортной развязки с крайней правой опорой, расположенной на ряде свай

Категория дороги – III. Ширина земляного полотна поверху – 14,2м, проезжей части – 10м. Высота – 9,6м. Заложение откосов насыпи 1:1,5 (6м сверху), 1:1,75 (ниже).

Существующая насыпь земляного полотна в модели разреза конуса с опорой представлена суглинком тяжелым пылеватым твердой консистенции (ИГЭ-2) мощностью около 9м. УГВ на отметке 86.12 (на глубине 11,3м от дневной поверхности)

Грунтовое основание представлено следующими геологическими элементами по скв. 6 ('13) от отметки дневной поверхности (97.42), с мощностью:

1) ИГЭ-3 Почвенно-растительный слой глина легкая пылеватая темно-серая до черного твердая с остатками растительности – 0,3м;

2) ИГЭ-4 Суглинок тяжелый пылеватый желто-бурый твердый, при водонасыщении тугопластичный, просадочный – 10,5м;

3) ИГЭ-5 Суглинок тяжелый пылеватый бурый полутвердый, с включением карбонатов – 4,6м;

4) ИГЭ-6 Глина легкая пылеватая коричневая твердая, от слабо до средненабухающей, местами переходящая в суглинок тяжелый, с включением карбонатов – 9,6м.

Численный анализ деформаций и устойчивости насыпи выполнен при помощи программного комплекса геотехнических расчетов PLAXІS 2D по методу конечных элементов (МКЭ).

Применение численных методов расчета (МКЭ) регламентируется такими документами как: СП 16.13330.2012 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения» (Актуализированная редакция СНиП 22-02-2003) и ОДМ 218.2.006-2010 Рекомендации по расчету устойчивости оползнеопасных склонов (откосов) и определению оползневых давлений на инженерные сооружения автомобильных дорог. ОДМ 218.001-2009 «Рекомендации по проектированию и строительству водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур на автомобильных дорогах общего пользования с учетом региональных условий (дорожно-климатических зон)».

При создании геометрической модели грунтовый массив разбивается на сеть 6 узловых треугольных изопараметрических конечных элементов, (далее в заключении – КЭ) в которых перемещения определяются во всех узлах, а напряжения (вычисляются по методу К.Терцаги) – в 3 точках. Расчет больших деформаций модели с учетом изменения узловых координат ведется в обновляемой сети элементов (на каждом шаге нагружения, по мере выполнения вычислений) по методу, известном как «модифицированная формулировка Лагранжа» (Updated Lagrangian Formulation) (Bathe, 1982) с возможностью оперативного перерасчета давления вод (учитывается снижение эффективного веса грунтов в воде (или ниже УГВ) и изменение их объема).

Грунтовая модель – упругопластическая, Кулона-Мора. Асфальт и бетон в дорожной одежде, конструкциях опоры и укрепления конуса описаны в виде линейно упругих материалов. Свайный ряд рассчитывается в виде модели «ряд погруженных свай», учитывающей параметры отдельных свай С16-35Т7, такие как марка бетона, удельный вес в грунте, размер и тип сечения, максимальная воспринимаемая нагрузка, сопротивление на концах, а также шаг свай. На поверхности данной модели автоматически создается контактный интерфейс, учитывающий ее взаимное влияние с окружающим грунтом (см. рис. слева). Транспортная нагрузка, учитываемая в расчетах – 45 кН/м², принята по ГОСТ Р 52748-2007 «Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения и габариты приближения», располагается не ближе чем в 1,75м от края насыпи или сооружения.

Высотные отметки и масштаб в модели реальные, приняты с предоставленных чертежей, масштаб на диаграммах изополей деформаций также 1 : 1.

Требуемая степень консолидации насыпи – 90%. Хотя формально степень консолидации характеризует отношение достигнутой осадки к окончательной осадке, в PLAXIS она задается как отношение максимального достигнутого избыточного порового давления к максимальному начальному избыточному поровому давлению p_max / p_{max initial} .

В общем виде устойчивость сооружения определяется коэффициентом безопасности (устойчивости), представляющим собой отношение максимально возможной прочности грунта τ_пред к минимальному значению, необходимому для обеспечения равновесия τ_действ: К_без = τ_пред / τ_действ

Если формулу представить в виде стандартного условия Кулона, то она примет вид: К_без = (σ_n ∙ tgφ' + c') / (σ_n ∙ tgφ_r + c_r),

где c' и φ' – исходные параметры прочности и σ_n – фактическое нормальное напряжение; c_r и φ_r – параметры прочности, сниженные в ходе расчета до минимальных значений, достаточных для поддержания равновесия.

Метод снижения прочности (SRM – shear reduction method) по принципу расчета схож с методом Р.Р. Чугаева, известном в гидротехническом строительстве. Метод снижения прочности реализован в программах, работающих на основе метода конечных элементов и конечных разностей (Plaxis, GEO5, Phase2, FLAC). Прогноз разрушения осуществляется путем одновременного понижения обоих показателей сдвиговой прочности: c_r = с / К_уст и φ_r = φ / К_уст, где К_уст – коэффициент снижения прочности, соответствующий коэффициенту устойчивости в момент разрушения.

Для оценки эффективности армогрунтовой конструкции с применением геосинтетических материалов согласно ОДМ 218.5.003-2010 принят К_уст = 1,3 (стандартное минимальное значение).

Моделирование возведения конструкции условно разделено на следующие этапы:

1) Забивка свай и установка крайней опоры – 7 дней;

2) Отсыпка 1 слоя конуса и подхода насыпи с нарезанием уступов – 6 дней;

3) Отсыпка 2 слоя конуса и подхода насыпи с нарезанием уступов – 5,5 дней;

4) Отсыпка 3 слоя конуса и подхода насыпи с нарезанием уступов – 5 дней;

5) Отсыпка 4 слоя конуса и подхода насыпи с нарезанием уступов – 4,5 дня;

6) Отсыпка 5 слоя конуса и подхода насыпи с нарезанием уступов – 4 дня;

7) Период консолидации и устранения деформаций/досыпки до проектных отметок – по расчету 2 дня;

8) Устройство дорожной одежды, переходной плиты и сопутствующих операций по подготовке к началу эксплуатации сооружения – 14 дней.

9) Период эксплуатации. Ситуация с подъемом уровня грунтовых вод на 1м от установившейся отметки – 7 дней (расчет от этапа 8);

10) Период эксплуатации. Ситуация с подтоплением паводковыми талыми, ливневыми водами до отметки 98.00 – 7 дней (расчет от этапа 8).

Геотехнический расчет напряженно-деформируемого состояния инженерного сооружения выявил следующие аспекты:

Ø Требуемая устойчивость насыпи обеспечена, К_уст > 1,3 (1,39);

Ø Максимальная вертикальная деформация в модели разреза конструкции конуса транспортной развязки с крайней правой опорой составила 87,5мм до консолидации и досыпки; после, в период эксплуатации – 63мм (рекомендуется предусмотреть строительный подъём с небольшим запасом на этапе досыпки);

Ø Максимальная горизонтальная деформация по оси крайней правой опоры в модели разреза конструкции конуса транспортной развязки составила 5мм до консолидации и досыпки, вертикальная – 23мм; после, в период эксплуатации – 40,5мм и 5мм соответственно (рекомендуется предусмотреть строительный подъём с небольшим запасом на этапе досыпки);

Ø Максимальная вертикальная деформация в модели поперечного профиля подхода насыпи к транспортной развязке составила 22,4см до консолидации и досыпки; после, в период эксплуатации – 9,2см (рекомендуется предусмотреть строительный подъём с небольшим запасом на этапе досыпки);

Ø Период консолидации (по расчету – 2 дня) рекомендуется совместить с мероприятиями по устранению осадки на этапе досыпки с учетом строительного подъема;

Ø Моделирование ситуаций подъёма грунтовых вод на 1м от устоявшегося уровня и подтопления сооружения до отм.98.00 при эксплуатации не выявило существенных деформаций конструкции (>0,9см – на стыке существующей насыпи и новой).