Учет геосинтетических прослоек в расчетах консолидации земляного полотна

В инженерной практике для определения устойчивости сооружений на основаниях, сложенных пылевато-глинистыми грунтами с коэффициентом водонасыщения Sr>0.85, необходимо учитывать нестабилизированное состояние грунтов. В целях упрощения для расчетов принята двухфазная система: вода+минеральная часть. Расчеты по трехкомпонентной схеме (вода+воздух+минеральная часть) существуют, но являются на сегодняшний день малораспространенными в виду малой изученности и сложности.

Рекомендательные документы [5] регламентируют использование теории Н.Н. Маслова, в соответствии с которой не требуется вычислять поровое давление, а изменение прочности определяется влажностью грунта. Однако на практике этот подход не применяется в виду необходимости проведения дополнительных испытаний грунтов.

Теория Н.Н. Маслова является инженерным упрощением теории К. Терцаги, в которой прочность определяется эффективными характеристиками (что соответствует полностью консолидированному состоянию), а в процессе нагружения прочность определяется с учетом избыточного порового давления и имеет минимальное значение, соответствующее неконсолидированному состоянияю.

Пользователи таких программных комплексов как Plaxis, Midas, Z-Soil, Phase2 и пр. сталкиваются с вопросом: как в этих программах осуществляется повышение прочности в процессе уплотнения грунтов основания, ведь в них нет такого расчетного параметра, как влажность. Для того чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо произвести сопоставление методов испытаний, предназначенных для установления параметров в теориях.

При сопоставлении результатов теории «плотности-влажности» Н.Н. Маслова и первоначальной теории К. Терцаги видно (рис. 1), что они хорошо согласуются между собой [4], разница между ними заключается лишь в интерпретации данных. Современные программные продукты, зарубежного исполнения, благодаря возможностям компьютерной техники [2], реализуют более сложную теорию К. Терцаги, в то время как действующие отечественные методики расчетов [5] основаны на теории Н.Н. Маслова.

Рис. 1 Сопоставление двух теорий прочности

Принцип расчета по Н.Н. Маслову заключается в следующем: определяют напряжения от грунтового сооружения с учетом взвешивающего действия грунтовых вод, по необходимым дополнительным графикам зависимости влажности от давления определяют изменение влажности в процессе отсыпки насыпи и далее по графикам определяют изменение трения и сцепления в зависимости от расчетной влажности.

Геотехнические программные комплексы, например Plaxis, основываются на проведении испытаний в приборах трехосного сжатия (стабилометров) по трем схемам: КД – консолидированно-дренированное, НН – неконсолидированно-недренированное и КН – консолидированно-недренированное (подробнее можно прочитать в [1]). Поскольку все отечественные представления проектировщиков, занимающихся расчетами земляного полотна, основаны на теории «плотности-влажности» Н.Н. Маслова, то возникают определенные сложности и пониманием принципов работы программ класса Plaxis.

На рисунке 2 показаны результаты прочностных испытаний грунтов по теории Н.Н. Маслова: три образца грунта подвергались трем разным уплотняющим давлениям σ_n1, σ_n2, σ_n3, в результате чего происходило изменение плотности-влажности и, следовательно, прочности τ [7].

Рис. 2 Графики испытаний по методу плотности-влажности

Из графиков испытаний (рис. 2) следует, что грунт описывается как минимум двумя наборами характеристик прочности:

1. естественные водонасыщенный грунт при влажности w_В в виде недренированной прочности, в силу конструктивных особенностей приборов одноплосткостного среза выражаемой в виде низких значений трения и сцепления (Пособие [5] рекомендует пренебрегать трением).

2. консолидированный грунт, у которого прочность определяется эффективными характеристиками ϕ’ и с’ и соответствует состоянию полной консолидации при приложенной нагрузке. Точки А₁, А₂, А₃ (рис. 3) соответствуют стабилизированному состоянию, т.е. максимальной прочности при данной нагрузке.

Здесь стоит отметить высказывание Н.Н. Маслова о неправомерности использования известного выражения Кулона (получаемого по результатам КД испытаний в виде точек А₁, А₂, А₃) для начальной и промежуточной стадии нагружения водонасыщенного основания. В [4] говорится о том, что игнорирование этого высказывания не раз приводило строителей и инженеров-геологов к тяжелым непоправимым ошибкам.

Таким образом, расчетные характеристики грунтов должны быть приняты для определенного состояния увлажненности грунтов, т.е. при конкретной величине влажности w_Б. На практике проектировщик часто принимает для расчета значения из сводной таблицы физико-механических свойств грунтов отчета по инженерным изысканиям, при этом не всегда понятно, что это за значения: получены они при естественной влажности или для водонасыщенных образцов; был это быстрый или медленный срез. Отсутствие такой информации значительно снижает эффективность расчетов [8].

В результате будет получено два варианта решения:

1. при использовании эффективных характеристик прочности – устойчивое состояние насыпи, для достижения которого требуется произвести вычисления длительности консолидации.

2. неустойчивое состояние насыпи при отсыпке на естественное слабое основание. В этом случае потребуется усиление земляного полотна, например, армирующими силовыми геосинтетическими прослойками.

Опыт показывает, что в реалиях сегодняшнего дня качество изысканий оставляет желать лучшего и проектировщик вынужден довольствоваться имеющимися, далеко не полными исходными данными. В случае наличия только первого набора характеристик следует принять прочность для нестабилизированного состояния по справочным данным и назначить параметры армирования. Если в распоряжении проектировщика только данные второго варианта, то ничего другого не остается, кроме как назначить усиление земляного полотна. Очевидно, что после консолидации, которая может происходить в течение нескольких месяцев (или меньше) прочность будет увеличена и потребность в высоких разрывных характеристиках армирующих прослоек (назначенных с запасом на 100 лет) отпадет.

На рисунке 3 черной линией показано состояние устойчивости насыпи без армирующих прослоек. В процессе возведения сооружения, по мере отсыпки, коэффициент устойчивости снижается, после происходит консолидация и упрочнение грунта. При достаточном количестве времени устойчивость возрастет до такой величины, которая обеспечит требуемый коэффициент устойчивости после приложения эксплуатационной нагрузки. 

Рис. 3 Схематичный график изменения устойчивости сооружения во времени

В случае применения геосинтетической прослойки в период строительства устойчивость будет выше, следовательно, время консолидации до обеспечения требуемой прочности в эксплуатационный период будет снижено (на графике рис. 3 показано красной линией).

По результатам расчетов устойчивости и осадки насыпей на слабых водонасыщенных основаниях получают значения коэффициента устойчивости до и после приложения эксплуатационной нагрузки, а также время консолидации. В случаях, когда насыпь после возведения устойчивая, но имеет недостаточную устойчивости в эксплуатационный период, за время консолидации произойдет повышение прочности. С другой стороны длительное время консолидации увеличивает сроки укладки асфальтобетонного покрытия (после достижения скорости консолидации 2 см/год) или покрытия переходного типа (5 см/год) [6].

В качестве мероприятий по ускорению сроков консолидации рекомендуется применение ленточных дрен. Армирующие геосинтетические прослойки на время консолидации не влияют, однако, их применение позволяет уменьшать сроки консолидации с позиций обеспечения устойчивости (как показано на рисунке 3). Общая схема оценки и принятия решения приведена на рисунке 4.

Рис. 4 Схема оценки и принятия решения по результатам геотехнических расчетов

Для полной оценки, по приведенной на рисунке 4 схеме, требуется выполнить расчеты в программах, позволяющих на одной расчетной схеме одновременно вычислять устойчивость, осадку и консолидацию, т.е. в программах численного моделирования.

Заключение

Геосинтетические материалы, являющиеся частью геоматериалов (грунтов) требуют качественно нового подхода к учету в различных конструкциях транспортных сооружений. Для их полноценного учета необходимо использование таких инструментов анализа как программы численного моделирования.

В последнее время появилось много программ, работающих на основе метода конечных элементов. Разработчики программных средств всячески рекламируют преимущества своих продуктов, однако с точки зрения эффективности применения современных геотехнических комплексов все зависит от уровня знаний и понимания пользователей. Разработчики проводят обучение преимущественно работе с самой программной оболочкой, либо дают только общее (не специализированное) представление о нелинейной механике грунтов и используемых моделях. Это обстоятельство снижает общий уровень доверия к программам и их распространение в геотехнической практике.

Сегодня требуется пересмотр системы обучения студентов и повышения квалификации действующих специалистов с целью гармонизации документов прошлых лет с современными представлениями в области геотехники. Все предпосылки были сформированы еще при создании нормативных документов [3], и сейчас требуется выполнить «привязку» заложенной основы к используемым программным продуктам.

Литература

1. Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние вопроса. Пенза: ПГУАС, 2008. 696 с.
2. Вавринюк Т.С. Федоренко Е.В. Результаты инженерных изысканий, как основа для расчетов транспортных сооружений. Инженерные изыскания Издательство: Геомаркетинг (Москва) ISSN: 1997-8650. - 2014. - №3. - С. 46-49
3. Иванов, П. Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений / П. Л. Иванов. - М. : Высшая школа, 1985.
4. Маслов, H.H. Механика грунтов в практике строительства Текст. М. : Стройиздат, 1977. - 244 с.
5. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах. М., 2004. 205 c 
6. Федоренко Е.В. Метод расчета устойчивости путем снижения прочностных характеристик. Транспорт Российской Федерации №6 (49) 2013 с. 24-26
7. Федоренко Е.В. Экзогенные геологические процессы и их влияние на транспортное освоение территории: на примере Юго-Западного Приморья Автореф. дисс. на соиск. уч степ. канд. геол.-мин. наук, Хабаровск.: ДВГУПС, 2007. 25 c
8. Электронный ресурс: http://miakoming.ru/forum/