В данной статье будет рассмотрено численное моделирование при создании конструкций с использованием геотканей.

В предыдущей статье (Применение высокопрочных геотканей АРМОСТАБ в строительстве) вы можете прочитать о применений данного вида геосинтетических материалов.

Применяемые для расчетов земляного полотна методы имеют ряд ограничений, связанных, прежде всего, с разделением на предельные состояния. Инженерные расчеты позволяют получить осадку основываясь только на учете деформаций сжатия грунтов, без учета горизонтальных перемещений, а расчеты устойчивости используют состояние предельного равновесия для оценки сооружения в допредельном состоянии. Современные программные геотехнические комплексы основанные на МКЭ позволяют выполнять совместные расчеты без разделений на предельные состояния. Это предоставляет проектировщику возможность оценить влияние геосинтетических армирующих прослоек из геотканей (типа АРМОСТАБ)  как на устойчивость, так и на осадку, а также выполнять расчеты консолидации на одной расчетной схеме.

Тканный геотекстиль АРМОСТАБ (аналог Стабиленка)

В начале XX века, когда в нашей стране возникла большая потребность в массовом строительстве, инженерная наука получила мощный импульс для интенсивного развития. Основные методы расчетов были сформированы в достаточно сжатые сроки, для решения поставленных перед учеными задач были использованы все имеющиеся накопленные знания. Транспортное строительство (имеется в виду железнодорожное и автодорожное земляное полотно) заимствовало основные принципы расчетов из области оснований и фундаментов, а отдельные представления о грунтах были взяты из почвоведения (например, характерные влажности грунта).

До 60-х годов прошлого века расчеты фундаментов производились по допускаемым нагрузкам, а позже были введены расчеты по двум предельным состояниям, которые используются до сих пор. В области проектирования фундаментов основным считается расчет по деформациям, поскольку часто бывает, что несущая способность еще не исчерпана, а осадки достигли предельных значений. В транспортном строительстве ситуация обратная, осадка насыпи 5 см, так же как и садка насыпи 25 см не влияет на надежную работу сооружения, поскольку может быть компенсирована досыпкой в строительный период, в то время как устойчивость может быть не обеспечена как при одной, так и при другой величине осадки.

Из сказанного можно сделать вывод, что разделение на предельные состояния является искусственным приемом, позволяющим в упрощенной форме оценивать сложный процесс взаимодействия сооружения и основания. Не смотря на принятое разделение процесса деформирования основания на фазы, четкой границы между этими фазами нет. А различные теории расчета осадки используют только линейную зависимость между напряжениями и деформациями. Однако делаются попытки выйти за пределы линейного участка, который создает большие запасы, что экономически нецелесообразно. Так было высказано допущение о развитие областей сдвига, при определении расчетного сопротивления грунта (нагрузка, ограничивающая линейный участок зависимости нагрузка-деформация), появились метод расчета осадки при наличие областей сдвига (предложен М. В.Малышевым и рекомендован в Пособии к СНиП 2.02.01-83). Формула представляет собой экстраполяцию осадки с учетом того, что осадка неограниченно растет, т. е. применение формулы целесообразно, если осадка оказывается значительно меньше предельно допустимой (Болдырев).

За последнее десятилетие дисциплина «Механика грунтов» получила существенное развитие в области прочности и деформируемости грунтов. Эти изменения повлекли за собой возникновение новых подходов и методик расчетов транспортных сооружений. Классическая «Механика грунтов», положенная в основу принятых в нашей стране методов расчета земляного полотна автомобильных и железных дорог, базируется на знаниях 20-60-х годов прошлого века. Все методы имеют максимально возможное упрощение и достаточно существенные допущения, которые позволяют применять данные методики без калькуляторов и компьютерной техники. В тоже время, начиная с 70-х годов прошлого века, развивалось такое направление как нелинейная механика грунтов, причем за рубежом, во многом благодаря развитию компьютерных технологий, это направление получило большее распространение.

Нелинейная механика грунтов использует различные модели грунтов, позволяющие наиболее реалистично отражать поведение грунта при различных воздействиях, что, в свою очередь, требует применения численных методов для решения систем нелинейных дифференциальных уравнений. Классическая же механика грунтов основана на аналитических решениях, полученных, как правило, в виде графиков, таблиц и номограмм, что существенно упрощает процесс расчета, однако, не смотря на простоту, эти решения могут быть использованы только при линейной зависимости между напряжениями и деформациями. Очевидно, что решение таких задач, как определение устойчивости и стабильности земляного полотна на слабых основаниях не предполагает работу слабого основания как линейно деформируемого полупространства. Таким образом, использование теории классической Механики грунтов для таких задач требует применения именно нелинейной Механики грунтов.

То же можно сказать о расчетах конструкций с геосинтетическими материалами, которые находят все более широкое применение в транспортном строительстве. Использование предельных состояний для расчета не дает возможности оценить преимущества и эффективность применения геотканей. Методики расчета осадки основаны на компрессионном сжатии и никак не могут учесть геоматериалы, работающие только на растяжение, а расчеты устойчивости выполняются, как правило, методами предельного равновесия, что с учетом большого количества запасов приводит к завышению стоимости. Проверка эффективности применения геосинтетических материалов может быть подтверждена только на основе расчетов, близких к реальному поведению сооружения, т.е. при геотехническом (численном) моделировании.

В качестве примера совместного расчета по первому и второму предельным состояниям, а также для иллюстрации возможностей учета влияния геосинтетических материалов на напряженно-деформированное состояние системы «сооружение-основание» приводится пример расчета автомобильной дороги. Насыпь высотой 1,6 м из несвязных грунтов возводится на слабом основании, представленным слоем торфа мощностью до 4 м, которые подстилается илом большой мощности.
Особенность расчета заключается в необходимости учесть наличие существующей насыпи и ее консолидированное основание, а также нелинейную зависимость деформируемости грунтов основания и необходимость досыпки насыпи до требуемого уровня. Существующее земляное полотно имеет в основании лежневой настил, обеспечивающий равномерную по всей подошве деформацию сооружения.

Усиление геосинтетическими материалами выполняется в основании проектируемой насыпи с обязательным заанкериванием концов полотен. Рекомендуется использование высокопрочного тканного геотекстиля.
Применение высокопрочных геотканей (типа Стабиленка, АРМОСТАБ)
Рис. Схема усиления проектируемой насыпи тканным геотекстилем

Инженерный расчет не позволяет учесть наличие уплотненного основания существующей насыпи. Для этого необходимо использовать численное моделирование, результаты которого показывают, что максимумы осадки не по оси насыпи, в тех местах, где основание имеет естественно сложение, т.е. в стороне от существующей насыпи.
 Изополя общих перемещений в основании (максимум показан темным цветом, насыпь отключена): слева – без армирования; справа – с армированием
Рис. Изополя общих перемещений в основании (максимум показан темным цветом, насыпь отключена): слева – без армирования; справа – с армированием

Анализ результатов расчета показал, что геоткань, с большой продольной жесткостью (ЕА>2000 кН/м) в основании насыпи оказывает влияние на величину и равномерность осадки, которая в данном случае снизилась на 20 %. Очевидно, что армирование позволило уменьшить горизонтальные перемещения в слое торфа (определяется по выходу изополей за пределы контура насыпи), а так же снизить давление на подстилающий торф слой ила (уменьшение глубины распространения изополей в нижнем слое).

Однако, как уже говорилось, величина осадки не является критической для земляных сооружений, гораздо важнее проверить устойчивость и стабильность конструкции. Расчет устойчивости с учетом транспортной нагрузки показал следующие результаты: конструкция без усиления Куст=1,08; насыпь с армированием Куст=1,15; альтернативный вариант с бермами Куст=1,16. На рисунке 3 приведены изополя коэффициента стабильности, где красным цветом показаны зоны нестабильности, в которых прочности грунта недостаточно. При выходе этой области за пределы подошвы насыпи сооружение теряет устойчивость.
 
Рис. 11 Изополя распределения коэффициента стабильности в основании насыпи (красным показаны зоны К0<1): сверху - без усиления; снизу &ndash; с армированием
Рис. 11 Изополя распределения коэффициента стабильности в основании насыпи (красным показаны зоны К0<1):
сверху - без усиления; снизу – с армированием

Как видно на рисунка 3, в случае применения геосинтетической арматуры из геотканей АРМОСТАБ она воспринимает касательные напряжения и, благодаря низкой деформативности, снижает распределение зон нестабильности (красные зоны верхней и нижней части слоя торфа не сливаются), что свидетельствует о достаточной устойчивости.

Приведенные расчеты относятся к варианту быстрого возведения насыпи и выполнялись с учетом недренированной прочности. При наличие соответствующих исходных данных (консолидированно-дренированные испытания), а также коэффициента фильтрации (или консолидации) следует выполнить расчеты времени консолидации и определить устойчивость насыпи с характеристиками упрочненного грунта. Наиболее оптимальным решением будет использование программы численного моделирования (например Plaxis), которая позволяет задавать эффективные прочностные характеристики (в стабилизированном состоянии), рассчитывать поровое давление и, следовательно, определять расчетную недренированную прочность. Такой подход более приемлем для практики, чем использование зависимостей прочность-влажность по методу Н.Н. Маслова.

Заключение

Современные возможности вычислительной техники, а также развитие механики грунтов позволили создать мощные геотехнические программные комплексы, используя которые можно выполнять любые расчеты, проводить глубокий анализ геотехнических ситуаций и прогноз работы сооружения. Однако кроме этого реализация других подходов, неприменимых ранее в виду сложности расчетов, позволяет рекомендовать применение численного моделирования для решения типовых задач: расчетов осадки, времени ее реализации, устойчивости. Существенным преимуществом является единство расчетов, без искусственного деления на группы по предельным состояниям, что позволяет более достоверно учитывать в расчете геосинтетические материалы как тканный геотекстиль.

Материалы:


Рассказать друзьям: