Геотехнический расчет укрепления земляного полотна автомобильной дороги с применением геосинтетических материалов
geotexnik.ru

Геотехнический расчет укрепления земляного полотна автомобильной дороги с применением геосинтетических материалов


Обустройство Аганского месторождения нефти. Подъезды к кусту скважин
Какая задача стояла перед инженером?

Проектом предусматривается устройство насыпи автомобильной дороги на участке с наличием в основании слабых грунтов (торф слабо- и сильноразложившийся, суглинки текучие). При этом стоит принять во внимание неоднородность инженерно-геологических условий, высокий уровень грунтовых вод.

Согласно п.7.44 СП 34.113330.2012 при устройстве насыпей на слабых основаниях без их замены следует назначать обосновываемые расчетами специальные мероприятия, обеспечивающие возможность использования слабых грунтов в основании - армирование насыпей геосинтетическими материалами (ткаными геотекстилями, геосетками, плоскими и объемными георешетками, геокомпозитами).

Заключение разработано на основе геотехнического расчета устойчивости и деформаций насыпи с применением оптимального варианта укрепления геосинтетическими материалами:
тканого геотекстиля (геоткани) максимальной прочностью 80кН/м в виде замкнутой грунтовой обоймы высотой 1,0м, устраиваемой в осадке (в 0,5м от поверхности болота) и прослойки из геоткани прочностью 50кН/м под покрытием проезжей части и обочин.

При устройстве покрытия с армирующей прослойкой отсутствуют потери щебня в результате повышения сдвигоустойчивости слоя, общего модуля упругости, устранения эффекта втапливания в песок и колееобразования, поэтому возможно снижение толщины слоя на 15см – с 35см (по проекту) до 20см.

Геологические условия

Для расчетного анализа предоставлены поперечные и продольные профили заездов 1 (ПК0+00 – ПК1+04,50) и 2 (ПК0+00 – ПК1+25,50) на куст скважин.

Категория дороги – III-в. Конструкция насыпи: грунт – песок по ГОСТ 8736-93*, ширина поверху – 9,5м (проезжей части – 6,5м), откос 1:2. УГВ -0,1м.
Наименование и мощность грунтов основания
Наименование и мощность грунтов основания
Характеристики грунтов
Характеристики грунтов

Геотехнический расчет осадки и устойчивости насыпи

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. 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.

Геотехнические 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 τпред к минимальному значению, необходимому для обеспечения равновесия τдейств: Кбез = τпред / τдейств

Если формулу представить в виде стандартного условия Кулона, то она примет вид: Кбез = (σn tgφ' + c') / (σn tgφr + cr),

где c' и φ' – исходные параметры прочности и σn – фактическое нормальное напряжение; cr и φr – 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: cr = с / Куст и φr = φ / Куст ,

где Куст – коэффициент снижения прочности, соответствующий коэффициенту устойчивости в момент разрушения.

Последовательность расчета следующая: коэффициенту снижения прочности (Куст) присваивается значение Куст=1. В ходе расчета Куст 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 (Куст) 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 Куст. 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: Ктр = Кн ∙ Nс ∙ Nо / Мо,

где Кн - коэффициент надежности по назначению сооружения (см. СНиП2.02.01-83): для дорог III-в категории Кн=1,1; Nс – коэффициент сочетания нагрузок, Nс=1-0,9; No – коэффициент перегрузки, No=1,2 для насыпей; Mo – коэффициент условий работы, Мо=0,9 для пылевато-глинистых грунтов в стабилизированном состоянии и Мо=0,85 – в нестабилизированном состоянии.

Ктр =1,1*0,9*1,2/0,85 = 1,4
Моделирование строительных этапов выполнено по следующей схеме:

1. подготовка песчаного основания (0,5м) для раскатки геополотен – 1день;

2. устройство армирующей обоймы, отсыпка рекомендуемого значения осадки (за вычетом 0,5м песчаного основания) – 3 дня;

3. первичная консолидация (по расчету);

4. досыпка насыпи – 2 дня;

5. вторичная консолидация (по расчету);

6. начало эксплуатации – приложение транспортной нагрузки;

7. конечная консолидация (по расчету).
Параметры насыпи и осадки
Параметры насыпи и осадки

Результаты геотехнического расчета армогрунтовой насыпи

- геометрические размеры насыпи и осадки до консолидации существенно меньше, чем у типовой, что ведет к экономии песка и трудоресурсов;
- после консолидации осадки и планировки верхней части насыпи ее размеры и рабочие отметки соответствуют требуемым до устройства покрытия;
- коэффициент устойчивости выше требуемого – конструкция устойчива.
Модель грунтового основания с типовой насыпью с лежневым настилом и покрытием из щебня
Деформации модели грунтового основания с типовой насыпью с лежневым настилом и покрытием из щебня (в виде сети конечных элементов) на этапе конечной консолидации на примере ПК 1+25,5 (заезд 2), шкала в метрах
Рис.2. Деформации модели грунтового основания с типовой насыпью с лежневым настилом и покрытием из щебня (в виде сети конечных элементов) на этапе конечной консолидации на примере ПК 1+25,5 (заезд 2), шкала в метрах
Модель грунтового основания с армонасыпью
Деформации модели грунтового основания с армонасыпью (в виде сети конечных элементов) на этапе конечной консолидации на примере ПК 1+25,5 (заезд 2), шкала в метрах
Рис.4. Деформации модели грунтового основания с армонасыпью (в виде сети конечных элементов) на этапе конечной консолидации на примере ПК 1+25,5 (заезд 2), шкала в метрах
 Осадка (м) на этапе конечной консолидации насыпи в виде изополей вертикальных деформаций. Заезд 1 ПК0+09.
Рис.5. Осадка (м) на этапе конечной консолидации насыпи в виде изополей вертикальных деформаций. Заезд 1 ПК0+09
Осадка (м) на этапе конечной консолидации насыпи в виде изополей вертикальных деформаций. Заезд 1 ПК0+20
Рис.6. Осадка (м) на этапе конечной консолидации насыпи в виде изополей вертикальных деформаций. Заезд 1 ПК0+20
Осадка (м) на этапе конечной консолидации насыпи в виде изополей вертикальных деформаций. Заезд 1 ПК0+30
Рис.7. Осадка (м) на этапе конечной консолидации насыпи в виде изополей вертикальных деформаций. Заезд 1 ПК0+30
Осадка (м) на этапе конечной консолидации насыпи в виде изополей вертикальных деформаций. Заезд 1 ПК0+90
Рис.8. Осадка (м) на этапе конечной консолидации насыпи в виде изополей вертикальных деформаций. Заезд 1 ПК0+90
Осадка (м) на этапе конечной консолидации насыпи в виде изополей вертикальных деформаций. Заезд 1 ПК1+04,5
Рис.9. Осадка (м) на этапе конечной консолидации насыпи в виде изополей вертикальных деформаций. Заезд 1 ПК1+04,5
Осадка (м) на этапе конечной консолидации насыпи в виде изополей вертикальных деформаций. Заезд 2 ПК0+20
Рис.11. Осадка (м) на этапе конечной консолидации насыпи в виде изополей вертикальных деформаций. Заезд 2 ПК0+20
Осадка (м) на этапе конечной консолидации насыпи в виде изополей вертикальных деформаций. Заезд 2 ПК1+25,5
Рис.12. Осадка (м) на этапе конечной консолидации насыпи в виде изополей вертикальных деформаций. Заезд 2 ПК1+25,5
Графики коэффициентов устойчивости по участкам
Рис.13. Графики коэффициентов устойчивости по участкам

Результаты геотехнического расчета армогрунтовой насыпи

2. Экономические показатели типовой и армогрунтовой конструкций насыпи на болоте

Согласно расчету экономия песка при использовании армирующей обоймы из геоткани прочностью 80кН/м в насыпи вместо лежневого настила для заезда 1 в среднем составляет около 10%, а для заезда 2 – 14%.

Экономия щебеночного покрытия с прослойкой из геоткани прочностью 50кН/м при этом составит 36,27%.

Сметная стоимость песка на объекте – 700р/м3, лежневого настила – 4000р/м3, щебня по ГОСТ 3344-83** – 2000р/м3. Ориентировочная стоимость геоткани прочностью 80кН/м – 150,00р/м2, 50кН/м – 105,00р/м2 с доставкой.
Заключение
Геотехнический расчет устойчивости и прогноз осадки насыпи автомобильной дороги с укреплением армирующими материалами выявил следующие аспекты:

Ø Требуемая устойчивость насыпи обеспечена с запасом;

Ø Геометрические размеры насыпи и осадки до консолидации существенно меньше, чем у типовой. После консолидации осадки и планировки верхней части насыпи ее размеры и рабочие отметки соответствуют требуемым до устройства покрытия;

Ø Увеличивается безопасность эксплуатации и срок службы конструкции благодаря долговечности геоматериалов в сравнении с древесиной лежневого настила;

Ø Общая экономия на строительных материалах составит более 2,3 млн руб.

GEOTEXNIK.RU - детальные геотехнические расчеты с заключением для любых форм рельефа

Made on
Tilda