Расчётное обоснование проекта армогрунтовой насыпи транспортного кольца вокруг Санкт-Петербурга
И.Д. Акимов-Перетц
ОАО «Трансмост», Санкт-Петербург, Россия
А.И. Голубев
СПбГПУ, Санкт-Петербург, Россия
Селецкий А.В.
ООО «НИП-Информатика», Санкт-Петербург, Россия
АННОТАЦИЯ: Представлена общая характеристика проекта участка кольцевой автодороги вокруг Санкт-Петербурга: инженерно-геологические условия, конструкции насыпи и закрепленного основания, технология строительства. Рассмотрено использование программы «Plaxis» для инженерного обоснования конструктивных решений. Приведены некоторые результаты выполненных расчетов.
Армогрунтовые насыпи являются составной частью кольцевой автодороги (КАД) в обход Санкт-Петербурга и имеют протяженность порядка 2 км.
Инженерно-геологическая оценка природного состояния грунтового основания на участке строительства насыпи выполнена по результатам геологических изысканий, штамповых испытаний грунтов и лабораторных исследований проб грунта на одноосное и трехосное сжатие, проведенных ОАО «Трансмост» с привлечением субподрядных организаций.
Изыскания выявили достаточно сложное геологическое строение участка, включающее слои современных техногенных отложений мощностью от 0,4 – 4,3 м, подстилаемых озерно-ледниковыми отложениями различных возрастов. Озерно-ледниковые отложения представлены пылеватыми суглинками слоистой и неяснослоистой текстуры с редкими включениями гравия и гальки мощностью от 7,1 до 15,7 м. По консистенции суглинки меняются от тугопластичных до текучепластичных с преобладанием мягкопластичных. В пределах всего участка грунты с высокими прочностными и деформационными показателями располагаются на глубине 22 м от дневной поверхности. Верхняя часть геологического разреза представлена слабыми сильно сжимаемыми грунтами с достаточно низкой прочностью. Грунтовые воды на данном участке трассы КАД залегают на глубине 0,1 м – 3,0 м в техногенных отложениях.
Учитывая местные стесненные условия строительства, связанные с близостью действующих железнодорожных путей и территорий промышленной застройки, не везде позволяющие сооружать насыпь с естественными откосами, было принято решение использовать насыпи, усиленные геосинтетикой, т.е. армогрунтовые сооружения с откосами (стенками) близкими к вертикальным.
Для усиления слабого грунтового основания дорожных насыпей по рекомендации «СоюздорНИИ» в проекте было предложено использовать грунтоцементные сваи, возводимые методом струйной цементации по технологии «Jet Grouting». Эффективный расчетный диаметр сваи принят равным 1 м при средней длине сваи от 6,3 м до 14,1 м, в зависимости от ее несущей способности и грунтовых условий. Грунтоцементные сваи устраиваются в шахматном порядке: расстояние между рядами свай – 1,75 м, расстояние между сваями в ряду – 3,5 м. Для большей равномерности совместной работы грунтоцементных свай, они объединяются гибким ростверком, посредством укладки поверх их голов двух слоев георешетки TENAX LBO SAMP 330 с разделяющим их слоем песка.
Поперечный разрез односторонней армонасыпи показан на рис. 1. Насыпь имеет откос (стенку), армированный геоматериалом и закрытый облицовочной самонесущей железобетонной стенкой толщиной 300 мм, опирающейся на ленточный фундамент из монолитного железобетона. В свою очередь фундамент через щебеночную призму опирается на ряд из пескоцементных свай диаметром 0,75 м, возведенных посредством шнекового бурения с заполнением песчано-цементным раствором под давлением. Облицовочная стенка имеет угол 5 градусов с вертикалью в сторону насыпи и крепится к насыпи посредством металлических оцинкованных анкеров из арматурной стали. В качестве армирующего геосинтетического материала был использован тканый материал «Stabilenka» фирмы Huesker (Германия).
Рис. 1. Поперечный профиль армонасыпи на искусственном основании
Технология возведения армонасыпей включает следующие основные этапы:
- отсыпка грунтовой платформы для возведения свайного основания;
- сооружение грунтоцементных свай;
- устройство гибкого свайного ростверка из георешетки «TENAX»;
- возведение пескоцементных свай, щебенистой подушки, фундамента облицовочной стенки;
- сооружение армогрунтовой части насыпи путем формирования откоса из обернутых тканью «Stabilenka» анкерно-дренажных призм толщиной 0,6 м, поверх которых укладывались металлические анкера;
- возведение облицовочной стенки;
- устройство дорожного покрытия, ограждений.
К началу проектирования объекта ОАО «Трансмост» располагал положительным опытом проектирования подобных армогрунтовых сооружений и определенной расчетной базой для обоснования конструктивных решений. Однако, применяемые расчеты относятся, как правило, к отдельным элементам геотехнического сооружения или связаны с раздельной оценкой устойчивости, деформируемости армонасыпи и несущей способности основания. Такие расчеты не позволяет в полной мере учесть совместную работу конструктивных элементов сложной геотехнической системы «сооружение-основание» с учетом технологии строительства объекта.
Для проведения совместных расчетов армонасыпи и закрепленного основания был выбран расчетный комплекс «Plaxis», представляющий собой пакет прикладных геотехнических вычислительных программ для конечно-элементного анализа напряженно- деформированного состояния системы «основание-фундамент-сооружение».
Вышеизложенный материал проекта армогрунтовой насыпи участка КАД (инженерно-геологическая ситуация на участке строительства, конструкция и технология создания насыпи и искусственного основания) был положен в основу создания расчетной конечно-элементной модели и формирования последовательности этапов расчета.
Расчетная схема, приведенная на рис.2., включает следующий набор конечных элементов: 15-ти узловые треугольные элементы для моделирования естественных грунтов основания и насыпных грунтов армонасыпи, грунтоцементных и пескоцементных свай, железобетонного фундамента облицовочной стенки; специальные элементы для моделирования георешетки гибкого ростверка и геосинтетического материала насыпи; плитные элементы для моделирования железобетонной облицовочной стенки и дорожного покрытия; стержневые элементы для моделирования металлических анкеров-тяг крепления облицовочной стенки.
Рис. 2. Расчетная схема геотехнической системы «основание-насыпь»
Для моделирования поведения естественных и насыпных грунтов использована одна из предлагаемых «Plaxis» расчетных моделей – упругопластическая модель Кулона-Мора, для реализации которой имеются все необходимые параметры грунтов, полученные в ходе инженерно-геологических изысканий проекта. Все конструкционные элементы (железобетонный фундамент, облицовочная стенка, дорожное покрытие, анкеры) представлены упругими линейно деформируемыми материалами со своими жесткостными характеристиками.
Ниже приведены некоторые результаты расчетов развития напряженно-деформированного состояния системы «основание-насыпь», выполненных с учетом основных этапов строительного периода длительностью 120 суток и протекающего за это время процесса консолидации слабых водонасыщенных грунтов основания. Полученные результаты позволяют дать характеристику как совместной работы армогрунтовой насыпи и закрепленного основания, так и работы отдельных конструкционных элементов сооружения.
На рис.3 представлено распределение вертикальных перемещений в системе «основание-насыпь». Такой характер развития осадки сооружения обусловлен в основном вертикальной деформацией сжатия грунтов, которые залегают ниже подошвы условного грунто-свайного фундамента насыпи.
Рис. 3. Вертикальные перемещения
Оценка нестабилизированного напряженного состояния грунтов основания представлена в виде областей распределения эффективных вертикальных напряжений в скелете грунта (рис.4) и избыточных давлений в поровой воде (рис.5). Аналогичный совместный расчет насыпи и основания без учета процесса консолидации показал, что степень консолидации основания на момент времени 120 сут с начала отсыпки тела насыпи составляет порядка 70%.
Рис. 4. Эффективные вертикальные напряжения
Рис. 5. Избыточные поровые давления
Выполнен расчет общей устойчивости системы «основание-насыпь» в условиях нестабилизированного состояния грунтов основания на момент завершения строительного периода. Зона потенциального сдвига находится в верхней половине свободного откоса насыпи. Значение коэффициента устойчивости (безопасности) составило 1,42.
В качестве иллюстрации работы конструкционного элемента сооружения на рис.6 представлено распределение перемещений нижнего полотнища георешетки «TENAX» гибкого ростверка.
Рис. 6. Перемещения гибкого ростверка
Расчетные значения продольных растягивающих усилий в анкерах составили от 50 кН (нижний ярус) до 10 кН (верхний ярус), в геосинтетическом материале насыпи - от 40 кН/м (нижний ярус) до 1 кН/м (верхний ярус).
В заключении отметим, что полученные результаты расчетов не противоречат имеющемуся опыту проектирования армированных грунтовых сооружений на искусственных основаниях и хорошо согласуются с ранее выполненными инженерными расчетами. Таким образом, выполненные с помощью программы «Plaxis» расчеты напряженно-деформированного состояния сложной геотехнической системы подтверждают обоснованность принятых конструктивных решений проекта дорожной насыпи.