Учебный центр
15.05.2007

Поэтапное строительство насыпей на слабых грунтах

Дорожная насыпь на слабом грунте1. Введение

Актуальная в геотехническом и дорожном строительстве проблема возникает, когда нужно возвести дорожную насыпь большой высоты на очень слабых грунтах с малой прочностью и большой сжимаемостью в кротчайшие сроки. Из-за малой прочности основания насыпь не может быть построена целиком сразу и приходится прибегать к поэтапному строительству. Для осуществления поэтапного строительства, требуется выполнить предварительные расчеты для определения последовательности, которой следует придерживаться в данной ситуации, обеспечивающей возведение насыпи в кротчайшие сроки при необходимой безопасности.

2. Расчёты устойчивости насыпи

Программа Plaxis 2D (версия 8.0) обеспечивает нахождение напряжений и перемещений (в задачах плоской деформации), проводит расчет устойчивости дорожных насыпей, возводимых на любых слоистых основаниях и при различных состояниях порового давления. Расчеты могут быть сделаны на основе комплекса доступных опций: тип элемента, крупная и мелкая сетки, модели грунтов, такие как модель Мора-Кулона, модель ползучести слабого грунта, модель упрочняющегося грунта и т.д. Кроме того, опции обновляемой сетки и консолидации могут быть использованы для более точного определения перемещений насыпи и рассеяния избыточного порового давления.

3. Пример

3.1 Описание

Для иллюстрации поэтапного строительства дорожной насыпи в кротчайшие сроки с соблюдением требований безопасности на промежуточных этапах возведения и во время эксплуатации (продолжительный промежуток времени) был выбран пример из учебного руководства по Plaxis 2D (урок 5), изображенный на рис. 1.

Дорожная насыпь на слабом грунте

Рис. 1 Дорожная насыпь на слабом грунте

Геометрическая модель, данные по материалам, сетка конечных элементов и начальные условия были сохранены такими же, как и в пособии. В частности, была использована модель плоской деформации и 15-узловые элементы. Поскольку задача симметрична, была смоделирована только одна половина насыпи. Деформации глубинного слоя песка принимаются равными нулю, поэтому этот слой не был включен в модель, и вместо него было введено соответствующее граничное условие (рис. 2).

Геометрическая модельРис. 2 Геометрическая модель

Характеристики грунтов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметр

Наименование

Глина

Торф

Песок

Ед.
изм

Модель материала

Модель

Мор-Кулон

-

Тип поведения

Тип

Недренированный


Уд. вес грунта в ненасыщ. сост.

γunsat

15.00

8.00

16.00

кН/м3

Уд. вес грунта в водонас. сост.

γsat

18.00

11.00

20.00

кН/м3

Коэф. фильтрации

kx

1*10-4

2*10-3

1.00

м/сут

ky

1*10-4

1*10-3

1.00

м/сут

Модуль деформации

Eref

1000

350

3000

кН/м2

Коэф. Пуассона

n

0.33

0.35

0.3

-

Сцепление

cref

2.00

5.00

1.00

кН/м2

Угол трения

φ

24

20

30

°

Угол дилатансии

ψ

0.0

0.0

0.0

°

При определении начальных условий уровень грунтовых вод задается по подошве слоя глины.

3.2 Расчет безопасности при поэтапном строительстве

Возведение насыпи в кротчайшие сроки определяет время каждого этапа строительства обеспечивающее устойчивость насыпи при ее возведении до проектной отметки и контрольный коэффициент запаса. Чем больше коэффициент запаса, тем продолжительнее будет время каждого этапа строительства. После завершения этапа строительства некоторое время требуется для увеличения недренированной прочности в процессе консолидации, что необходимо для обеспечения устойчивости и увеличения высоты насыпи на следующем этапе. В дальнейшем, после окончания возведения насыпи, некоторое время резервируется на процесс консолидации до определенного значения избыточного давления; эта функция имеется в Plaxis, где мы задаем этап консолидации до определенного значения избыточного порового давления (например, 1 кН/м2). Таким образом, полное требуемое время включает фактическую продолжительность каждого этапа и время между последовательными этапами, включая промежуток времени после заключительного этапа строительства. Если, определенная таким образом, последовательность строительства задана при разных контрольных коэффициентах запаса, инженер-геотехник может найти компромисс между отведенным временем на завершение строительства и риском, оцениваемым коэффициентом запаса.

4. Результаты

4.1 Последовательность строительства

На первом этапе было получено, что первые 2 м насыпи могут быть возведены в минимальные сроки - 4, 20, 50 и 70 суток с контрольным коэффициентом запаса к концу этапа соответственно - 1,10, 1,15, 1,20, 1,25. До начала второго этапа требуется обеспечить достаточный интервал времени для существенного увеличения прочности в процессе консолидации. Однако, даже после длительного интервала времени (более 1000 дней) увеличение прочности недостаточно для возведения насыпи еще на 2 м до проектной отметки - 4 м. Поэтому было решено оставшиеся 2 м достроить в два этапа по одному метру. Таким образом, насыпь строится в три этапа. Перед вторым этапом возведения минимальный требуемый интервал составляет 75, 100 и 125 суток для контрольного коэффициента запаса на конец возведения соответственно 1.10, 1.15, 1.20, 1.25. В этом случае минимальное время на возведение составляет соответственно - 2, 10, 25 и 35 суток. Аналогично были получены минимальные интервалы времени перед третьим этапом возведения и время самого третьего этапа. В заключении был выявлен промежуток времени между окончанием возведения насыпи и снижением избыточного порового давления (менее, чем 1 кН/м2). Вся последовательность строительства, определенная таким образом, показана на рис. 3 при различных коэффициентах запаса. Длительный коэффициент запаса насыпи составил 1.39.

Последовательность строительства

Рис. 3 Последовательность строительства

4.2 Соотношение коэффициента запаса и перемещений

Хотя расчет безопасности показывает состояние устойчивости насыпи, расчет перемещений обеспечивает выполнение требований прочности; другими словами, перемещения, происходящие в особенности за длительный период, показывают, удовлетворительно ли работает насыпь при эксплуатации. Как уже говорилось, при планировании поэтапного строительства инженер-проектировщик должен ориентироваться на контрольный коэффициент запаса. В этом случае инженер принимает решение, основываясь на оценке перемещений, возникающих в конце возведения и после длительного периода. На рис. 4 показано такое соотношение в виде графика зависимости коэффициента запаса от перемещений.

Изменение вертикальных смещений при контрольных коэффициентах запаса

Рис. 4 График зависимости коэффициента запаса от перемещений

Используя опцию изменяемой КЭ сетки в Plaxis, выше упомянутые перемещения были повторно определены и представлены при контрольных коэффициентах запаса на рис. 5. Такой расчет может не обеспечить достаточного коэффициента запаса, поэтому последовательность строительства при изменяемой сетке не может быть определена аналогично рис. 3. Однако время консолидации после завершения возведения насыпи получается значительно меньшим, чем при первоначальном расчете. Это может позволить инженеру определить минимальный срок готовности насыпи к укладке дорожного покрытия.

Рис 5 Изменение вертикальных смещений при контрольных коэффициентах запаса (по изменяемой сетке)

Рис. 5 Изменение вертикальных смещений при контрольных коэффициентах запаса (по изменяемой сетке)

5. Краткое изложение и выводы

В представленной статье продемонстрировано эффективное использование программы Plaxis (версия 8.0) для обеспечения инженеров результатами расчетов устойчивости и перемещений, что дает возможность определить последовательность строительства дорожной насыпи. Очевидно, что последовательность строительства зависит от контрольного коэффициента запаса на промежуточных этапах: чем выше коэффициент запаса, тем продолжительнее период строительства. Однако, перемещения (особенно вертикальные) к концу возведения насыпи, а также после длительного периода, должны быть учтены инженером. Приращения перемещений обратно пропорциональны полному времени и, следовательно, коэффициенту запаса. Таким образом, существует связь между доступным временем и максимальными допустимыми вертикальными перемещениями (осадками насыпи). Учитывая это, результаты расчетов были представлены в форме двух графиков - один график зависимости высоты насыпи от времени при разных коэффициентах запаса; другой - график зависимости вертикальных перемещений при контрольных коэффициентах запаса.

Занятия проводятся по официальным учебным пособиям Autodesk, Altium и по авторским пособиям по Plaxis, разработанным преподавателями нашего учебного центра.