Современные технологии в проектировании автомобильных дорог

В последнее время отмечается значительное повышение требований со стороны заказчика к качеству проектов транспортных сооружений в условиях необходимости сокращения сроков проектирования. В этой связи актуальной задачей является внедрение новых технологий на всех этапах разработки проектов от инженерных изысканий до расчетного обоснования и проектирования.

Современные технологии проектирования предполагают, во-первых, использование профессионального программного обеспечения для решения поставленных задач, во-вторых, наличие специальных средств организации совместной работы над проектом, что позволяет повысить достоверность данных и минимизировать время на согласование изменений, и в-третьих, возможность проектирования транспортного сооружения как единого объекта, включающего связанные между собой элементы. В этом случае внесение изменений в один элемент автоматически приводит к изменению других, связанных с ним, что, в свою очередь, значительно сокращает время проектирования. Рассмотрим основные характеристики программных средств, на базе которых может быть построена современная технология проектирования объектов инфраструктуры, а также примеры решаемых с их помощью задач.

Программа GeODin

Эта программа предназначена для обработки данных инженерно-геологических изысканий.

Инженерно–геологические изыскания — необходимый этап предпроектного исследования территории, предусмотренной для строительства. Результаты, полученные на этом этапе, во многом определяют технологию проектирования и строительства, а также дают необходимые данные по характеристикам грунтов, которые используются при расчетном обосновании.

Для решения задач обработки данных полевых и лабораторных исследований в рассматриваемой технологической цепочке предлагается использовать программу GeODin разработки немецкой компании FUGRO. Эта  программа позволяет выполнить не только обработку данных с получением необходимых графиков и таблиц, но также создать Базу Геологических Данных территории, которая может пополняться, корректироваться и использоваться при проектировании других объектов. На рисунках представлены графические материалы, полученные в GeODin в результате обработки данных инженерно — геологических изысканий.

Рис. 1. Колонка

Рис. 2. Отчет по статическому зондированию

Рис. 3. Геологический разрез

Программный комплекс Plaxis

Данный комплекс предназначен для выполнения расчетного обоснования проекта, учитывающего совместную работу конструктивных элементов в сложной геотехнической системе «сооружение-основание» с учетом технологии строительства объекта и его дальнейшей эксплуатации. Для линейных сооружений прежде всего выполняются расчеты для обоснования проектов дорожных насыпей разного назначения. При выполнении этих расчетов инженер-проектировщик сталкивается с большим количеством сложных геотехнических задач. Эти задачи связаны с необходимостью учета в проекте ряда важных положений и факторов, к которым можно отнести:

• геологическое строение неоднородного грунтового основания, свойства грунтов и протекающие в них механические процессы;
• особые условия строительства, связанные с близостью существующих сооружений, наличием инженерных коммуникаций;
• технологии строительства земляного полотна и технологии искусственного улучшения грунтов основания;
• применение комбинированных строительных конструкций наземных и подземных сооружений и их взаимодействие с грунтом;
• статические и динамические условия нагружения при строительстве и эксплуатации сооружения.

Правильный выбор решения стоящих перед проектировщиками задач определяет высокие показатели экономичности и надежности возводимых и эксплуатируемых объектов транспортного строительства.

Одним из современных программных средств для геотехнических расчетов является программный комплекс Plaxis, представляющий собой пакет прикладных вычислительных программ для конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния сложных геотехнических систем.

Ниже приведены общие характеристики двух проектов насыпей автомобильных дорог и некоторые результаты их расчетного обоснования с помощью Plaxis.

Первый пример связан с проектом насыпи участка кольцевой автомобильной дороги (КАД) вокруг Санкт-Петербурга, выполненным ОАО «Трансмост».

Инженерные изыскания выявили достаточно сложное геологическое строение участка со слабыми обводненными техногенными отложениями переменной мощности. Для усиления слабого грунтового основания по рекомендации «СоюздорНИИ» в проекте было предложено использовать грунтоцементные сваи, объединенные гибким ростверком из двух слоев георешетки «TENAX». Насыпь имеет облицовочную стенку с металлическими оцинкованными анкерами из арматурной стали и армирована геосинтетическим материалом «Stabilenka».

В качестве второго примера рассмотрен проект реконструкции участка автодороги «Раздольное — Хасан» в Приморском крае, выполненный ОАО «Ленгипротранс».

Результаты инженерно-геологических изысканий выявили сложное неоднородное строение грунтового основания, представленного слабыми водонасыщенными грунтами разного вида и состояния. Обеспечение общей и местной устойчивости земляного полотна дороги на слабом основании предусматривает устройство пригрузочных берм и укладку в тело насыпи геотекстиля «Stabilenka» с послойной отсыпкой песчаного грунта полным фронтом, его уплотнением и выдержкой по времени.

Приведенные ниже рисунки иллюстрируют некоторые результаты расчетов, выполненных с учетом основных этапов строительного периода и протекающего за это время процесса консолидации слабых водонасыщенных грунтов основания.

Полученные результаты позволяют оценить совместную работу насыпи и основания, а также работу отдельных конструкционных элементов сооружения. Программный комплекс Plaxis давно занимает ведущее место среди специальных компьютерных программ и пользуется заслуженной популярностью у инженеров-проектировщиков в различных областях строительства, как надежный и простой в работе инструмент проектирования.

Рис. 4. Вертикальные перемещения системы "основание-насыпь" для КАД Санкт-Петербург

Рис. 5. Вертикальные перемещения системы "основание-насыпь"
для автодороги "Раздольное - Хасан"

Рис. 6. Перемещения нижнего полотнища гибкого ростверка под насыпью КАД Санкт-Петербург

Рис. 7. Оценка устойчивости системы «основание-насыпь» автодороги «Раздольное-Хасан»

Программа AutoCAD Civil 3D

Программа предлагает технологию проектирования будущего. Использование этой программы позволяет решить задачи обработки данных геодезических изысканий (создания топоплана и цифровой модели рельефа) и проектирования транспортных объектов в единой информационной среде. Это практически исключает необходимость конвертации данных из одной программы в другую, что, как правило, связано с потерей времени, а иногда и самих данных. Но самое главное, в AutoCAD Civil 3D реализован подход проектирования дороги как единого трехмерного объекта. Необходимая рабочая документация — чертежи плана, профиля, сечений, ведомости и таблицы создаются на основе этой модели.

Все объекты Civil 3D имеют логические связи между собой. Структуру этих связей можно проследить на следующей схеме:

Благодаря этой взаимосвязи, 3D модель проектируемого объекта является динамической, т.е. при изменении исходных данных она целиком обновляется. Например, после внесения изменений в данные о поверхности земли, обновляется продольный профиль, перестраивается коридор, меняются поперечники, пересчитываются объемы и вносятся новые параметры в таблицы и чертежи. Таким образом, вся работа ведется только на основе актуальных данных.

Данная динамическая трехмерная модель одновременно с мощным функционалом программы позволяют заметно сократить время рассмотрения нескольких вариантов, разработки проектов любой сложности, внесения изменений.

С помощью программы AutoCAD Civil 3D можно разрабатывать проекты как строительства новых, так и реконструкции существующих автомобильных и железных дорог, транспортных развязок и многих других объектов инфраструктуры.

В качестве примера, можно рассмотреть несколько типовых проектов, выполненных в программе AutoCAD Civil 3D.

Первый проект — это двухуровневая транспортная развязка типа «клеверный лист». В рамках этого проекта была создана трехмерная модель всего объекта. Исходными данными служили точки поверхности, трассы пересекающихся главных дорог с продольными профилями и типовые поперечники.

Учитывая геометрию поперечников, первоначально были запроектированы круговые съезды, а затем — правосторонние. Отвод поперечного уклона на съездах с 20% до 40% обеспечивался с помощью дополнительного продольного профиля по внешней кромке съезда.

Модели всех съездов и главных дорог были созданы как отдельные коридоры, что позволило определить объемы земляных работ и материалов отдельно по каждому съезду и по каждой дороге.

Второй проект — это реконструкция городской улицы. В рамках этого проекта были решены задачи реконструкции проезжей части проспекта с прилегающими тротуарами и сохранением красных линий.

Динамическая модель, создаваемая в программе AutoCAD Civil 3D, позволила быстро определить оптимальную отметку оси проезжей части, учитывая положение водосборных колодцев и отметки красных линий.

Третий проект — это реконструкция перекрестка. Для обеспечения водоотвода были запроектированы продольные профили по лоткам, а непростая геометрия описана с помощью дополнительных трасс. Привязка модели коридора к дополнительным трассам и профилям позволила учесть все нюансы городского перекрестка.

Работа в программе AutoCAD Civil 3D основана на работе с объектами и их типами, поэтому задавая новый тип можно легко менять вид объектов на экране или в чертеже. Такой подход дает возможность настройки на отраслевые стандарты оформления чертежей.

На сегодняшний день задачу автоматизированного проектирования в той или иной степени решают большинство проектных организаций, при этом вопрос коллективной работы и управления проектами зачастую остается нерешенным. Для решения такой задачи компания Autodesk предлагает приложение Vault, которое входит в поставку AutoCAD Civil 3D. Программа Autodesk Vault позволяет организовывать проекты, доступные пользователям с определенными правами. Преимуществом этой системы является возможность добавления к проектам и дальнейшей работы абсолютно с любыми файлами. Любое изменение фиксируется в журнале проекта, что позволяет отследить, кто и когда редактировал данные и, в случае необходимости, восстановить любую версию файла.

Отличительной особенностью программы Autodesk Vault является интеграция ее в Civil 3D. Это позволяет получить доступ к проекту непосредственно из программы AutoCAD Civil 3D, а также создавать ссылки на отдельные объекты чертежа: поверхности, трассы, профили и др.

Современные условия эксплуатации объектов инфраструктуры предъявляют постоянно возрастающие требования к проектным работам как нового строительства, так ремонта и реконструкции. Соответствовать таким требованиям можно лишь при условии внедрения новых технологий проектирования и использования современного программного обеспечения:

• GeODin для обработки данных инженерно-геологических изысканий;
• Plaxis для геотехнических расчетов;
• AutoCAD Civil 3D для проектирования.

А.И. Голубев,
к.т.н., с.н.с.
О.Л. Лиферова,
нач отдела САПР
Гражданского строительства
А.Н. Терно,
ведущий инженер САПР
объектов инфраструктуры
ООО «НИП-Информатика»