Деформационные швы

Рассылка
"Новости проекта"











Сравнение нормативных документов по геотехнике в разных отраслях

Добавлено: 13 Янв 2016
Автор: Федоренко Е.В.

В практике расчетов грунтовых сооружений уже давно используются геотехнические программные комплексы (Plaxis, Midas, Z-Soil, Phase2, GEO5 FEM и др.), однако действующие нормативные и рекомендательные документы не содержат четких указаний, каким образом следует их применять. В статье приводится сравнение между подходами в расчетах грунтовых сооружений в железнодорожной, автодорожной и гидротехнической отрасли на основе анализа СП 23.13330.2011 «Основания гидротехнических сооружений». Основная часть посвящена сопоставлению подходов к определению прочности грунтов и последующего использования ее в расчетах по предельным состояниям первой группы в программах численного моделирования.

Ключевые слова: МКЭ, численное моделирование, Plaxis, прочность грунтов, теория Терцаги, расчеты устойчивости.

Одним из основных документов для расчетов и проектирования гидротехнических объектов является СП 23.13330.2011 «Основания гидротехнических сооружений». Существенным отличием этого документа от действующих в авто - и железнодорожном проектировании является учет таких понятий как: полная и эффективная прочность, критерии прочности грунта (Кулона, Кулона-Мора, Мизеса-Шлейхера); сопротивление недренированному сдвигу. В целом по строительной отрасли СП 23.13330.2011 – один из немногих нормативных документов (если не единственный) – по заложенному в принципы расчетов смыслу сопоставим с современными геотехническими комплексами (например, Plaxis, Midas, Z-Soil, Phase2  и др.). Надо сказать, что обозначения коэффициента бокового давления в состоянии покоя (К0) и степени переуплотнения грунта (OCR) полностью соответствуют понятиям, применяемым в программах численного моделирования.

Такой отличительной особенностью СП обязан своим разработчикам – гидротехникам, заложившим основу Механики грунтов в нашей стране: В.А. Флорину и П.Л. Иванову. Здесь стоит упомянуть крупнейшего специалиста по расчетам устойчивости Р.Р. Чугаева, чьи книги содержат детальнейший анализ всех имеющихся на то время методов расчета.

В части расчетов устойчивости СП 23.13330.2011 регламентирует использование методов предельного равновесия, учитывающими все условия равновесия, что означает использование таких методов как Моргенштейн-Прайса, Спенсора, GLE [6]. А для сооружений I класса рекомендуется применять численное моделирование и нелинейные модели грунтов. Это единственный нормативный документ (в автодорожном строительстве есть аналог - ОДМ 218.2.006-2010 «Рекомендации по расчету устойчивости оползнеопасных склонов (откосов) и определению оползневых давлений на инженерные сооружения автомобильных дорог», но он не относится к нормативным), рекомендующий наряду с детерминистическими методами расчета устойчивости использовать вероятностные методы оценки надежности и отказов. В транспортном строительстве этот подход только начинает практиковаться.

Пункт 7.15 СП 23.13330.2011 для определения устойчивости сооружений на основаниях, сложенных пылевато-глинистыми грунтами с коэффициентом водонасыщения Sr>0.85, рекомендует учитывать нестабилизированное состояние грунтов двумя способами, в зависимости от используемой теории прочности. В инженерном приложении механики грунтов для слабых водонасыщенных оснований грунт рассматривается как двухфазная система: вода+минеральная часть. Расчеты по трехкомпонентной схеме (вода+воздух+минеральная часть) существуют, но являются на сегодняшний день малораспространенными ввиду малой изученности и сложности.

По своей сути Свод правил по проектированию гидротехнических объектов регламентирует применение двух подходов к определению прочности грунтов:

- теорию плотности-влажности Н.Н. Маслова, в которой влажность выступает аналогом порового давления, а прочность определяется в полных напряжениях;

- теорию К. Терцаги, в которой прочность определяется эффективными характеристиками (что соответствует полностью консолидированному состоянию), а в процессе нагружения прочность определяется с учетом избыточного порового давления.

Пользователи таких программных комплексов, как Plaxis, Midas, Z-Soil, Phase2 и пр., сталкиваются с вопросом: как в этих программах осуществляется повышение прочности грунта 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 обеих 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

По результатам проведения испытаний, в теории Н.Н. Маслова производятся преобразования с целью получения графиков зависимости прочностных характеристик от влажности (рис. 2).

Рис. 2 Результаты испытаний по методу Н.Н. Маслова [7]

Принцип расчета 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 рис. 2 определяют изменение трения и сцепления в грунтах основания.

Таким образом, расчетные характеристики грунтов должны быть приняты для определенного состояния увлажненности грунтов, т.е. при конкретной величине влажности wБ. На практике (в области транспортного строительства) 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].

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 с пониманием принципов работы программ класса Plaxis.

На рисунке 3 показаны результаты прочностных испытаний грунтов по теории Н.Н. Маслова: три образца грунта подвергались трем разным уплотняющим давлениям σn1, σn2, σn3, в результате чего происходило изменение плотности-влажности и, следовательно, прочности τ.

Рис. 3 Графики испытаний по методу плотности-влажности

Анализ графиков Н.Н. Маслова (рис. 3) показывает, что возможны следующие состояния прочности грунтов:

1. Для водонасыщенных грунтов в естественном состоянии прочность определяется влажностью wВ и соответствующей линией предельной прочности (рис. 4).

Рис. 4 Неконсолидированно-недренированные испытания или быстрый сдвиг

Если степень водонасыщения превышает Sr=0.85, то грунт считается водонасыщенным и его прочность характеризуется недренированной прочностью cu, а предельная огибающая будет в виде горизонтальной линии с углом внутреннего трения, равным нулю (на рис. 4 показано пунктиром). Однако в силу конструктивных особенностей при проведении испытаний в распространенных приборах одноплоскостного среза, предельная огибающая будет характеризоваться линией с небольшим углом наклона (углом внутреннего трения). Это состояние относится к нестабилизированному, а недренированная прочность используется при расчетах быстрого возведения грунтового сооружения. Точки В1, В2, В3 определяются неконсолидированно-недренированными испытаниями (НН) или полевым испытанием с помощью крыльчатки.

2. Точки А1, А2, А3 (рис. 5) соответствуют стабилизированному состоянию, т.е. максимальной прочности при данной нагрузке. Это испытания по консолидированно-дренированной схеме (КД), а прочность при этом определяется эффективными характеристиками ϕ’ и с’ и соответствует состоянию полной консолидации при приложенной нагрузке.

Рис. 5 Консолидированно-дренированные испытания или медленный сдвиг

Точки А2-2, А3-3 соответствуют прочности грунта при влажности wА и определяются соответствующими параметрами прочности.

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.

Действительно, использование прочности грунтов в точках А1, А2, А3 (рис. 3) для оценки начального или промежуточного состояния водонасыщенных слабых грунтов будет давать завышенные значения коэффициента устойчивости по сравнению с прочностью в промежуточных точках Б или В.

В автодорожной практике расчеты по первому предельному состоянию основаны на теории плотности-влажности Н.Н. Маслова. С одной стороны, это упрощает расчеты, поскольку нет необходимости определять полные и эффективные напряжения и поровое давление (оно заменено эквивалентом – влажностью), а с другой – возникает ряд вопросов: испытания по этому методу более длительные; требуются дополнительные данные в виде зависимости влажности от давления, а главное – как в основании сооружения будет распределяться влажность, а, следовательно, и прочность, ведь давление отличается как по глубине, так и по горизонтам.

Что касается расчетов промежуточного состояния (метод предварительной консолидации), то альтернативой итерационным и требующим дополнительных данных расчетам по Пособию [5] может стать численное моделирование [6]. Например, программа Plaxis использует тип поведения материалов Undrained A, который позволяет выполнять расчеты консолидации с упрочнением грунта. Для задания этой модели поведения требуются эффективные характеристики с’ и φ’. Такими характеристиками для рассматриваемого ниже примера будут следующие: с’=7,5 и φ’=40; эти значения получены в результате консолидированно-дренированных испытаний.

В водонасыщенных глинистых грунтах это состояние будет достигнуто через довольно длительный период, определяемый расчетом времени консолидации. А в момент после приложения нагрузки все давление будет принято поровой водой и эффективные напряжения будут определяться разницей между полными и поровым давлением. Построения на рисунке 6 выполнены для промежуточного состояния (влажность грунта w=42%) с показателями прочности сw= 46 кПа и φw=24° (по Н.Н. Маслову). В программе Plaxis это состояние достигается расчетом консолидации (снижение избыточного порового давления) до степени консолидации U=50% под нагрузкой 200 кПа. В результате эффективные напряжения составили: σ’1=100 кПа, σ’3=43 кПа (полные σ’1=200 кПа, σ’3=122 кПа), а максимальная прочность τmax=51 кПа. Как видно по рисунку 6, прочность, полученная в Plaxis (теория К. Терцаги) для исходных характеристик с’=7,5 и φ’=40 (круг 2 на рисунке 6), равна прочности по уравнению Кулона-Мора для характеристик сw= 46 кПа и φw=24° (теория Н.Н. Маслова). Таким образом, рассматриваемые теории сопоставимы, но требуют задания разных исходных данных и понимания основополагающих принципов.

Рис. 6 Сопоставление прочности по Маслову и Кулону для промежуточного состояния (20% консолидации): 1 – мобилизованная прочность; 2 – максимальная прочность

Расчет режима постепенного возведения насыпи на водонасыщенном основании должен производиться с учетом взаимосвязи показателей влажности, прочности и осадки слабых грунтов. Такой принцип расчета требует: во-первых, наличия дополнительных данных от грунтовой лаборатории; во-вторых, наличия двух программ: а) для расчета напряжений, осадки, времени консолидации, б) для расчета устойчивости; а в-третьих, выполнения непростых итерационных расчетов.

Если сопоставить графики для стабилизированного и промежуточного состояния на одном рисунке, то более обоснованно можно производить сравнение двух теорий прочности с использованием вариантов прочности, принятых в программе Plaxis (рис. 7).

Рис. 7 Сопоставление параметров прочности: 1 – мобилизованная прочность в полных напряжениях или для дренированных условий нагружения; 2 – максимальная прочность для круга 1; 3 – мобилизованная прочность в эффективных напряжениях для промежуточного состояния (степень консолидации 20%); 4 – максимальная прочность для круга 3

По рисунку 7 можно проследить следующий ход размышлений:

1. Конечное (стабилизированное) состояние. Нагружение образца в условиях полного дренирования до давления 200 кПа – показано в виде круга Мора с номером 1; этому напряженному состоянию соответствует максимальная прочность, показанная кругом с номером 2. Эта прочность получена по условию Кулона-Мора (с использованием главных напряжений), ей соответствует прочность по условию Кулона (только с использованием нормального напряжения), равная 174 кПа. Причем как с характеристиками по Н.Н. Маслову при влажности w=37.7%, так и по характеристикам по
К. Терцаги значения идентичны.

2. Промежуточное состояние. Нагружение водонасыщенного образца и последующая консолидация под нагрузкой 200 кПа до степени 50% представлены в виде круга Мора с номером 3 (в эффективных напряжениях), которому соответствует максимальная прочность, показанная кругом с номером 4. Аналогично предыдущему состоянию прочность по условию Кулона-Мора (в главных напряжениях) и по Кулону (только с использованием нормального напряжения) отличаются, но в одной системе, т.е. по Кулону - прочность с характеристиками, принятыми по К.Терцаги равна прочности с характеристиками по Н.Н. Маслову (97 кПа).

Заключение

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 (неспециализированное) представление о нелинейной механике грунтов и используемых моделях. Это обстоятельство снижает общий уровень доверия к программам и их распространение в геотехнической практике.

Нормативные документы по расчетам грунтовых сооружений в гидротехническом строительстве, в том числе издания до актуализации, написанные в Советском Союзе, на сегодняшний день, с появлением современных программ численного моделирования, не потеряли своей актуальности. Но современные представления в области Механики грунтов требуют использования более сложных инструментов, таких как программы расчетов по методу конечных элементов, которые позволяют выполнять детальный анализ и прогнозирование. 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, 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.     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/


Комментарии

Комментарии могут оставлять только зарегистрированные участники
Авторизоваться
Инженерные консультации
Размещение рекламы