Учебный центр
25.05.2005

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

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»

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

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 на-пряжения

Рис. 4. Эффективные вертикальные напряжения

Рис. 5. Избыточные поровые давления

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

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.

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