Geotexnik.ru
Заключение по устойчивости, прогноз деформаций, подбор мероприятий по укреплению земляного полотна
Проект реконструкции автомобильной дороги в г. Пенза
Какая задача стояла перед инженером?
Проектом реконструкции предусматривается возведение земляного полотна на участке со слабым основанием, представленным суглинками различной консистенции, с примесями органических веществ. Требуется оценить устойчивость, вероятные деформации конструкции, при этом стоит принять во внимание неоднородность инженерно-геологических условий, а также высокий расчетный уровень высоких вод.
Проектом реконструкции предусматривается возведение земляного полотна на участке со слабым основанием, представленным суглинками различной консистенции, с примесями органических веществ. Требуется оценить устойчивость, вероятные деформации конструкции, при этом стоит принять во внимание неоднородность инженерно-геологических условий, а также высокий расчетный уровень высоких вод.
Геологические условия
Исходные данные:
Для моделирования насыпи и грунтового основания принят поперечный профиль с наихудшими грунтами в основании – ПК21+30.
Ширина земляного полотна поверху – 22,72м, высота (по оси, с КДО) – 20,25м, заложение 1:1,5÷1:2,5. Ширина проезда – 16,0м.
Расчетный уровень паводковых высоких вод на отметке 141.6 (р. Пенза). Грунт насыпи – песок мелкий.
Наименование и мощность грунтов на ПК21+30 (по скважине 13):
1) ИГЭ10 Песок мелкий светло-коричневый, серый, маловлажный, с маломощными прослоями суглинка, средней плотности – 0,7м;
2) ИГЭ8 Суглинок серый, песчанистый, тяжелый, мягкопластичный, с примесью органических веществ, с маломощными прослоями песка – 2,2м;
3) ИГЭ12 Песок мелкий светло-коричневый, серый, темно-серый, водонасыщенный, с редким включением дресвы и щебня кристаллических пород, с маломощными прослоями суглинка, средней плотности – 2,6м;
4) ИГЭ14 Глина серая, песчанистая, легкая, тугопластичная, с примесью органических веществ, слюдистая, с тонкими прослоями пылеватого песка – 2,0м;
5) ИГЭ15 Глина серая, песчанистая, легкая, полутвердая, с примесью органических веществ, слюдистая, с тонкими прослоями пылеватого песка – 13,5м.
Ширина земляного полотна поверху – 22,72м, высота (по оси, с КДО) – 20,25м, заложение 1:1,5÷1:2,5. Ширина проезда – 16,0м.
Расчетный уровень паводковых высоких вод на отметке 141.6 (р. Пенза). Грунт насыпи – песок мелкий.
Наименование и мощность грунтов на ПК21+30 (по скважине 13):
1) ИГЭ10 Песок мелкий светло-коричневый, серый, маловлажный, с маломощными прослоями суглинка, средней плотности – 0,7м;
2) ИГЭ8 Суглинок серый, песчанистый, тяжелый, мягкопластичный, с примесью органических веществ, с маломощными прослоями песка – 2,2м;
3) ИГЭ12 Песок мелкий светло-коричневый, серый, темно-серый, водонасыщенный, с редким включением дресвы и щебня кристаллических пород, с маломощными прослоями суглинка, средней плотности – 2,6м;
4) ИГЭ14 Глина серая, песчанистая, легкая, тугопластичная, с примесью органических веществ, слюдистая, с тонкими прослоями пылеватого песка – 2,0м;
5) ИГЭ15 Глина серая, песчанистая, легкая, полутвердая, с примесью органических веществ, слюдистая, с тонкими прослоями пылеватого песка – 13,5м.
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).
Обоснование основано на расчетной оценке несущей способности основания, прогноза суммарной осадки и устойчивости. Расчеты проводились в соответствии с положениями действующих документов:
1. СП 34.13330.2012 Автомобильные дороги» (изменение 1);
2. СП 116.13330.2012 (СНиП 22-02-2003) «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения»;
3. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах. Издание официальное. Минтранс России, ФДА, Москва. 2004;
4. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах (к СНиП 2.05.02-85). Союздорнии Минтрансстроя. - М.: Стройиздат. 1989;
5. ОДМ 218.5.003-2010 «Рекомендации по применению геосинтетических материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог» ФДА, Москва;
6. ГОСТ Р 52748-2007 «Автомобильные дороги общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения, габариты приближения»;
7. ГОСТ Р 32960-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки. Расчетные схемы нагружения»;
8. ОДМ 218.3.032-2013 «Методические рекомендации по усилению конструктивных элементов автомобильных дорог пространственными георешетками (геосотами)».
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 12 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). Граница активной (сжимаемой) толщи грунтов основания определена как половина ширины насыпи понизу. Грунтовая модель в данном расчете – упругопластическая, Кулона-Мора. Нагрузка от транспортных средств, учитываемая в расчетах устойчивости насыпи приведена к равномерно распределенной 45кН/м2 на проезжую часть автодороги в соответствии с [6]. Согласно п.4.3.2 [7] при расчетах осадки насыпи в качестве временной подвижной нагрузки следует принимать нагрузку АК, приведенную к эквивалентной равномерно распределенной нагрузке на верх земляного полотна qАК интенсивностью, кПа:
qАК = (7,4 ∙ n / BЗП) ∙ K =18,18
Kгде n - число полос движения (4);
BЗП - ширина земляного полотна поверху, м (средняя – 22,8);
К - класс нагрузки АК (14).
Моделирование армирующей геосинтетики в PLAXIS осуществляется с помощью параметра нормальной (осевой) жесткости ЕА. Осевая жесткость определяется отношением приращения силы, приложенной к материалу, к произошедшему под воздействием этой силы перемещению.
В соответствии с п. 8а [5] требуемая степень консолидации UТР (в рассматриваемом случае – 90%) при расчете сроков консолидации армированной насыпи может быть снижена до значения 0,9хUТР = 81%.
В общем виде устойчивость сооружения определяется коэффициентом устойчивости, представляющим собой отношение максимально возможной прочности грунта τпред к минимальному значению, необходимому для обеспечения равновесия τдейств: Куст = τпред / τдейств
Если формулу представить в виде стандартного условия Кулона, то она примет вид: Куст = (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, 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. Согласно п.3.38 [3], [4] требуемый коэффициент устойчивости принят равным 1,3.
Обоснование основано на расчетной оценке несущей способности основания, прогноза суммарной осадки и устойчивости. Расчеты проводились в соответствии с положениями действующих документов:
1. СП 34.13330.2012 Автомобильные дороги» (изменение 1);
2. СП 116.13330.2012 (СНиП 22-02-2003) «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения»;
3. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах. Издание официальное. Минтранс России, ФДА, Москва. 2004;
4. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах (к СНиП 2.05.02-85). Союздорнии Минтрансстроя. - М.: Стройиздат. 1989;
5. ОДМ 218.5.003-2010 «Рекомендации по применению геосинтетических материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог» ФДА, Москва;
6. ГОСТ Р 52748-2007 «Автомобильные дороги общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения, габариты приближения»;
7. ГОСТ Р 32960-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки. Расчетные схемы нагружения»;
8. ОДМ 218.3.032-2013 «Методические рекомендации по усилению конструктивных элементов автомобильных дорог пространственными георешетками (геосотами)».
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 12 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). Граница активной (сжимаемой) толщи грунтов основания определена как половина ширины насыпи понизу. Грунтовая модель в данном расчете – упругопластическая, Кулона-Мора. Нагрузка от транспортных средств, учитываемая в расчетах устойчивости насыпи приведена к равномерно распределенной 45кН/м2 на проезжую часть автодороги в соответствии с [6]. Согласно п.4.3.2 [7] при расчетах осадки насыпи в качестве временной подвижной нагрузки следует принимать нагрузку АК, приведенную к эквивалентной равномерно распределенной нагрузке на верх земляного полотна qАК интенсивностью, кПа:
qАК = (7,4 ∙ n / BЗП) ∙ K =18,18
Kгде n - число полос движения (4);
BЗП - ширина земляного полотна поверху, м (средняя – 22,8);
К - класс нагрузки АК (14).
Моделирование армирующей геосинтетики в PLAXIS осуществляется с помощью параметра нормальной (осевой) жесткости ЕА. Осевая жесткость определяется отношением приращения силы, приложенной к материалу, к произошедшему под воздействием этой силы перемещению.
В соответствии с п. 8а [5] требуемая степень консолидации UТР (в рассматриваемом случае – 90%) при расчете сроков консолидации армированной насыпи может быть снижена до значения 0,9хUТР = 81%.
В общем виде устойчивость сооружения определяется коэффициентом устойчивости, представляющим собой отношение максимально возможной прочности грунта τпред к минимальному значению, необходимому для обеспечения равновесия τдейств: Куст = τпред / τдейств
Если формулу представить в виде стандартного условия Кулона, то она примет вид: Куст = (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, 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. Согласно п.3.38 [3], [4] требуемый коэффициент устойчивости принят равным 1,3.
ПК21+30 Модель осадки насыпи без укрепления в виде сети конечных элементов (шкала в метрах)
ПК21+30 Суммарная осадка насыпи без укрепления в виде изополей суммарных деформаций (мм)
ПК21+30 Вертикальная осадка насыпи без укрепления в виде изополей суммарных деформаций (мм)
ПК21+30 Горизонтальная осадка насыпи без укрепления в виде изополей суммарных деформаций (мм)
ПК21+30 Теоретические кривые обрушения в виде изополей суммарных деформаций
ПК21+30 Модель осадки насыпи с армированием в виде сети конечных элементов (шкала в метрах)
ПК21+30 Суммарная осадка насыпи с армированием в виде изополей суммарных деформаций (мм)
ПК21+30 Вертикальная осадка насыпи с армированием в виде изополей суммарных деформаций (мм)
ПК21+30 Горизонтальная осадка насыпи с армированием в виде изополей суммарных деформаций (мм)
ПК21+30 Графики устойчивости насыпи без укрепления и с армированием
ПК21+30 Расчет устойчивости в программе КРЕДО ОТКОС без укрепительных мероприятий
ПК21+30 Расчет устойчивости в программе КРЕДО ОТКОС с армированием
ПК21+30 График хода осадки и консолидации насыпи без укрепления и с армированием (отсыпка 60 дней)
Заключение по результатам геотехнического расчета
Геотехнический расчет устойчивости, деформаций насыпи выявил следующие аспекты:
Ø Требуемая устойчивость насыпи без укрепления не обеспечена, Куст 1,01 < 1,3;
Ø Расчет устойчивости проведен также в программе КРЕДО ОТКОС для подтверждения результатов – полученные значения практически совпадают.
Ø Рекомендуется устройство прослоек в насыпи на ПК21+30 из высокопрочных полиэфирных геотканей (прочность в продольном и поперечном направлениях – 500кН/м) на отметках 137,0, 140,7 (с заворотом остатков рулона в полуобойму высотой от 1,0м), 144,4, 147,4, 150,4, 153,4. Кроме этого необходимо укрепление поверхности откоса объемной георешеткой по слою геоматериала обратного фильтра до отметки 142.1 с заведением в насыпь на 1м и анкерной канавой глубиной 0,5м (на 0,5м выше РУПВВ) с заполнением щебеночной смесью во избежание размыва
Ø Требуемая устойчивость армированной насыпи обеспечена на ПК21+30,Куст = 1,3;
Ø Максимальная осадка насыпи без укрепления на ПК21+30 составит 58,5см с армированием ниже – 54,0см.
Ø Перераспределение транспортных и иных нагрузок на слабое основание происходит равномернее, о чем свидетельствует минимальная разница в осадке у края проезжей части и по оси проезда;
Ø Технологичность и срок службы армированной конструкции возрастает в сравнении с традиционными методами строительства.
Ø Требуемая устойчивость насыпи без укрепления не обеспечена, Куст 1,01 < 1,3;
Ø Расчет устойчивости проведен также в программе КРЕДО ОТКОС для подтверждения результатов – полученные значения практически совпадают.
Ø Рекомендуется устройство прослоек в насыпи на ПК21+30 из высокопрочных полиэфирных геотканей (прочность в продольном и поперечном направлениях – 500кН/м) на отметках 137,0, 140,7 (с заворотом остатков рулона в полуобойму высотой от 1,0м), 144,4, 147,4, 150,4, 153,4. Кроме этого необходимо укрепление поверхности откоса объемной георешеткой по слою геоматериала обратного фильтра до отметки 142.1 с заведением в насыпь на 1м и анкерной канавой глубиной 0,5м (на 0,5м выше РУПВВ) с заполнением щебеночной смесью во избежание размыва
Ø Требуемая устойчивость армированной насыпи обеспечена на ПК21+30,Куст = 1,3;
Ø Максимальная осадка насыпи без укрепления на ПК21+30 составит 58,5см с армированием ниже – 54,0см.
Ø Перераспределение транспортных и иных нагрузок на слабое основание происходит равномернее, о чем свидетельствует минимальная разница в осадке у края проезжей части и по оси проезда;
Ø Технологичность и срок службы армированной конструкции возрастает в сравнении с традиционными методами строительства.
