Сравнение нормативных документов по геотехнике в разных отраслях

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 w_Б. 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 σ_n1, σ_n2, σ_n3, 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 w_В 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 c_u, 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 А_2-2, А_3-3 соответствуют прочности грунта при влажности w_А 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 с_w= 46 кПа и φ_w=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 τ_max=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 с_w= 46 кПа и φ_w=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/