Геотехнический расчет конструкции укрепления земляного полотна при строительстве автомагистрали с транспортной развязкой "Клеверный лист" с применением геосинтетических материалов

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)
• 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, в которых перемещения определяются во всех узлах, а напряжения (вычисляются по методу К.Терцаги) – в 3 точках.
Расчет больших деформаций модели с учетом изменения координат узлов относительно УГВ ведется по обновляемой сети элементов и с перерасчетом взвешивающего давления вод (учитывается снижение эффективного веса грунтов в воде и изменение их объема).

Грунтовая модель – упругопластическая, Кулона-Мора. Глубина активной зоны (сжимаемой толщи) определена как половина ширины насыпи/выемки в основании, соответственно для ПК51+00 – 41,0м, ПК54+50 – 28,0м, ПК62+50 – 24,4м; ПК96+50 – 24,4м, ПК110+00 – 34,0м, ПК126+50 – 23,3м, ПК193+50 – 54,0, ПК246+00 – 25,5м, ПК333+50 – 29,2м, ПК372+00 – 54,0м, ПК374+50 – 32,0м и т.д.

Расчеты проводились в соответствии с положениями «Пособия по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах (к СНиП 2.05.02-85)» и ОДМ 218.5.003-2010. В соответствии с п. 8а вышеуказанного ОДМ требуемая степень консолидации UТР (90%) при расчете сроков консолидации армированной насыпи может быть снижена до значения 0,9хUТР. Транспортная нагрузка, учитываемая в расчетах – 45 кН/м², принята по ГОСТ Р 52748-2007 «Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения и габариты приближения».

Из положений механики грунтов известно, что напряженное состояние в какой-либо точке грунта рассматривается как предельное в том случае, когда незначительное добавочное воздействие нарушает равновесие и приводит грунт в неустойчивое состояние. Разрушение грунта происходит в результате преодоления внутренних сил трения и сцепления между частицами по определенным поверхностям скольжения.

В общем виде устойчивость сооружения определяется коэффициентом безопасности, 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.

Последовательность расчета следующая: коэффициенту снижения прочности (К_уст) присваивается значение К_уст=1. В ходе расчета К_уст увеличивается, при этом сопротивление сдвигу и деформация оцениваются на каждом этапе до наступления разрушения. Результаты вычислений приводятся в виде графиков, на которых показано влияние коэффициента снижения прочности (К_уст) на смещение контрольной точки (узла сетки конечных элементов). Критерий разрушения модели определяется условием Кулона-Мора. Если в результате конечно-элементного расчета будет получено решение для последнего устойчивого состояния откоса, то график расчетов примет горизонтальное положение и коэффициент снижения прочности будет соответствовать коэффициенту устойчивости К_уст.

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

Наименование и мощность грунтов основания в расчетной модели (от поверхности):

1) ИГЭ 1 Растительный грунт – 0,4м (заменяется грунтом ИГЭ 9а);

2) ИГЭ 2 Суглинок твердый полутвердый просадочный – 0,4м (в левой части при выравнивании заменяется грунтом ИГЭ 9а);

3) ИГЭ 2а Суглинок твердый полутвердый – 1,8м;

4) ИГЭ 2в Суглинок мягкопластичный – 5,3м;

5) ИГЭ 10а Песчаник безводный – 1,68м;

6) ИГЭ 10б Песчаник водоносный – до границы активной зоны, 31,4м;

С учетом результатов геотехнического расчета насыпи без укрепительных мероприятий выбран оптимальный вариант армирования:

прослойки из тканого геотекстиля прочностью 80кН/м в насыпи на отметках 6 и 12м от верха; обойма высотой 1,0м из геотекстиля в нижней части насыпи и заменяемой части грунта (как показано на рисунке 1.1Б).

Наименование и мощность грунтов основания в расчетной модели (от поверхности):

1) ИГЭ 1 Растительный грунт – 0,4м (заменяется грунтом ИГЭ 9а);

2) ИГЭ 2б Суглинок тугопластичный – 2,0м;

3) ИГЭ 2в Суглинок мягкопластичный – 2,55м;

4) ИГЭ 2г Суглинок текучепластичный – 2,92м;

5) ИГЭ 10б Песчаник водоносный – до границы активной зоны, 20,14м;

С учетом результатов геотехнического расчета насыпи без укрепительных мероприятий выбран оптимальный вариант армирования:

прослойки из тканого геотекстиля прочностью 80кН/м в насыпи на отметках 3,6 и 6м от верха; обойма высотой 1м из тканого геотекстиля в нижней части насыпи и заменяемой части заторфованного грунта ИГЭ 1з (как показано на рисунке 1.1Б).

Наименование и мощность грунтов основания в расчетной модели (от поверхности):

1) ИГЭ 1 Растительный грунт – 0,3м (заменяется грунтом ИГЭ 9а);

2) ИГЭ 2в Суглинок мягкопластичный – 1,78м (заменяется грунтом ИГЭ 9а на 0,5м);

3) ИГЭ 3а Глина твердая полутвердая – 4,29м;

4) ИГЭ 9а Глина твердая полутвердая – до границы активной зоны, 20,14м;

С учетом результатов геотехнического расчета насыпи без укрепительных мероприятий выбран оптимальный вариант армирования:

прослойка из тканого геотекстиля прочностью 80кН/м в насыпи на отметке 6м от верха; обойма высотой 1,0м из тканого геотекстиля в нижней части насыпи и заменяемой части грунта основания (как показано на рисунке 1.1Б).

Наименование и мощность грунтов основания в расчетной модели (от поверхности):

1) ИГЭ 1 Растительный грунт – 0,4м (заменяется грунтом ИГЭ 11а);

2) ИГЭ 3а Глина твердая полутвердая – 1,6м (в левой части при выравнивании заменяется грунтом ИГЭ 11а максимум на 0,4м);

3) ИГЭ 2г Суглинок текучепластичный – 2,3м;

4) ИГЭ 2б Суглинок тугопластичный – 1,2м;

5) ИГЭ 7б Карбонатно-глинистая мука водоносная – 2,0м;

6) ИГЭ 3а Глина твердая полутвердая – 8,0м;

7) ИГЭ 7а Карбонатно-глинистая мука безводная – 1,0м;

8) ИГЭ 11а Алевролит безводный – 0,5м;

9) ИГЭ 10б Песчаник водоносный выветрелый – до границы активной зоны, 13,3м.

С учетом результатов геотехнического расчета насыпи без укрепительных мероприятий выбран оптимальный вариант армирования:

прослойка из тканого геотекстиля прочностью 80кН/м в насыпи на отметке 6м от верха; обойма высотой 1м из тканого геотекстиля в нижней части насыпи и заменяемой части грунта (как показано на рисунке 1.1Б).

Наименование и мощность грунтов основания в расчетной модели (от поверхности):

1) ИГЭ 1 Растительный грунт – 0,4м (заменяется грунтом ИГЭ 3а);

2) ИГЭ 2а Суглинок твердый полутвердый – 0,84м;

3) ИГЭ 2г Суглинок текучепластичный – 2,74м;

4) ИГЭ 7б Карбонатно-глинистая мука водоносная – 1,64м;

5) ИГЭ 10б Песчаник водоносный – 2,13м;

6) ИГЭ 12а Известняк – 1,29м;

7) ИГЭ 11а Алевролит безводный – 3,4м

8) ИГЭ 7а Карбонатно-глинистая мука безводная – 2,75м;

9) ИГЭ 7б Карбонатно-глинистая мука водоносная – до границы активной зоны, 38,83м.

С учетом результатов геотехнического расчета насыпи без укрепительных мероприятий выбран оптимальный вариант армирования:

прослойка из тканого геотекстиля прочностью 80кН/м в насыпи на отметке 6м от верха; обойма высотой 1м в нижней части насыпи из тканого геотекстиля (в 24м от краев низа насыпи как показано на рисунке 1.1Б).

Наименование и мощность грунтов основания в расчетной модели (от поверхности):

1) ИГЭ 1 Растительный грунт – 0,4м (заменяется грунтом ИГЭ 3а);

2) ИГЭ 2г Суглинок текучепластичный – 2,27м;

3) ИГЭ 6в Песок мелкий водонасыщенный – 0,63м;

4) ИГЭ 7б Карбонатно-глинистая мука водоносная – 1,11м;

5) ИГЭ 12а Известняк – 1,29м;

6) ИГЭ 11а Алевролит безводный – 4,86м

7) ИГЭ 7а Карбонатно-глинистая мука безводная – 4,0м;

8) ИГЭ 11а Алевролит безводный – 1,5м

9) ИГЭ 7б Карбонатно-глинистая мука водоносная – до границы активной зоны, 16,0м.

С учетом результатов геотехнического расчета насыпи без укрепительных мероприятий выбран оптимальный вариант армирования:

прослойка из тканого геотекстиля прочностью 80кН/м в насыпи на отметке 6м от верха; обойма высотой 1м из тканого геотекстиля в нижней части насыпи и заменяемой части заторфованного грунта ИГЭ 1з (как показано на рисунке 1.1Б).

Наименование и мощность грунтов основания в расчетной модели (от поверхности):

1) ИГЭ 1з Грунт заторфованный – 0,91м (заменяется грунтом ИГЭ 11а);

2) ИГЭ 2в Суглинок мягкопластичный – 1,71м (срезается справа под насыпью при выравнивании максимум на 0,4м);

3) ИГЭ 5в Песок мелкий водонасыщенный – 1,48м;

4) ИГЭ 2в Суглинок мягкопластичный – 2,8м;

5) ИГЭ 7б Карбонатно-глинистая мука безводная – до границы активной зоны, 11,1м.

С учетом результатов расчета насыпи без укрепительных мероприятий выбран оптимальный вариант армирования:

прослойки из тканого геотекстиля прочностью 80кН/м в насыпи на отметке ~3,5м и 6м от верха; обойма высотой 0,91м из тканого геотекстиля в заменяемой части грунта 1з (как показано на рис.1.1Б).

Наименование и мощность грунтов основания в расчетной модели (от поверхности):

1) ИГЭ 1з Грунт заторфованный – 1,1м (заменяется грунтом ИГЭ 11а);

2) ИГЭ 2в Суглинок мягкопластичный – 0,9м;

3) ИГЭ 5в Песок пылеватый водонасыщенный – 2,82м;

4) ИГЭ 7б Карбонатно-глинистая мука водоносная – до границы активной зоны, 15,0м.

С учетом результатов геотехнического расчета насыпи без укрепительных мероприятий выбран оптимальный вариант армирования:

прослойка из тканого геотекстиля прочностью 80кН/м в насыпи на отметке в ~4м от верха; обойма высотой 1,1м из тканого геотекстиля в заменяемой части заторфованного грунта ИГЭ 1з.

Наименование и мощность грунтов основания в расчетной модели (от поверхности):

1) ИГЭ 1з Грунт заторфованный – 0,85м (заменяется грунтом ИГЭ 11а);

2) ИГЭ 2а Суглинок твердый полутвердый – 1,75м;

3) ИГЭ 2в Суглинок мягкопластичный – 1,1м;

4) ИГЭ 7б Карбонатно-глинистая мука водоносная – до границы активной зоны, 13,1м.

С учетом результатов геотехнического расчета насыпи без укрепительных мероприятий выбран оптимальный вариант армирования:

прослойка из тканого геотекстиля прочностью 80кН/м в насыпи на отметке в ~3,5м от верха; обойма высотой 0,85м из тканого геотекстиля в заменяемой части заторфованного грунта ИГЭ 1з.