Геотехнический расчет укрепления земляного полотна дороги с металлической гофрированной водопропускной трубой на слабом основании с применением геосинтетики

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 15 узловых треугольных изопараметрических конечных элементов, в которых перемещения определяются во всех узлах, а напряжения (вычисляются по методу К.Терцаги) – в 6 точках. Грунтовая модель – упругопластическая, Кулона-Мора.

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 0,84хUТР. 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. Поверхность скольжения при использовании МКЭ формируется во время расчета.

Согласно п.3.38 «Пособия по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах (к СНиП 2.05.02-85)» требуемый коэффициент устойчивости следует определять по формуле: К_тр = К_н ∙ N_с ∙ N_о / М_о,

где К_н - коэффициент надежности по назначению сооружения (см. СНиП2.02.01-83): для дорог I категории К_н=1,25, для дорог II категории К_н=1,2, для дорог III категории К_н=1,15, для дорог IV категории К_н=1,1; N_с – коэффициент сочетания нагрузок, N_с=1-0,9; N_o – коэффициент перегрузки, N_o=1,2 для насыпей; M_o – коэффициент условий работы, М_о=0,9 для пылевато-глинистых грунтов в стабилизированном состоянии и М_о=0,85 – в нестабилизированном состоянии.

К_тр =1,2*1,0*1,2/0,85 = 1,694

Моделирование строительных этапов выполнено с учетом условных временных интервалов: подготовки грунтового основания и подушки под трубу (7дней), установки, сборки и засыпки трубы с устройством грунтовой обоймы (14 дней), досыпки насыпи (7дней), консолидации до устройства КДО (27 дней по расчету), устройства КДО и начала эксплуатации (7 дней), конечной консолидации (26 дней по расчету).

Результаты расчетного анализа армогрунтовой насыпи показали:

• максимальная конечная осадка составляет 9,1см (рис. 9, 10);
• коэффициент устойчивости – 2,43 (рис.12), что выше требуемого – конструкция устойчива.

Геотехнический расчет устойчивости и прогноз деформаций насыпи автомобильной дороги с укреплением армирующими материалами выявил следующие аспекты:

Ø Требуемая устойчивость насыпи обеспечена с запасом (К_без = 2,43>1,694);

Ø Максимальная деформация насыпи составила 9,1см;

Ø Эффективно распределяется нагрузка, действующая на грунтовую засыпку трубы и слабое основание под ней;

Ø Исключается неравномерность деформирования, связанная с неоднородностью инженерно-геологических условий