Принятие проектных решений в дорожном строительстве на основании геотехнических расчётов в PLAXIS - iGrader.ru

Принятие проектных решений в дорожном строительстве на основании геотехнических расчётов в PLAXIS

В транспортном строительстве принят подход проектирования на основании разделения протяжённого линейного сооружения на участки типового и индивидуального проектирования. Типовое проектирование предназначено, прежде всего, для хорошего грунтового основания без сложностей инженерно-геологических условий и для типового геометрического очертания насыпей и выемок.

Однако далеко не всегда транспортные магистрали проходят по хорошим грунтам и не требуют устройства геометрических ограничений, например, подпорных стен или крутых откосов. Часто по трассе встречаются слабые грунты: болота и заболоченные места, подходные участки насыпей к мостовым переходам. Да и на хорошем основании высокие насыпи (более 12,5 м) и глубокие выемки уже выходят за рамки типового проектирования, а при необходимости оптимизировать конструкцию, например, уменьшить подошву высокой насыпи, которую пересекает водопропускная труба, требуется обосновать изменение типовой геометрии.

Рис. 1. Типовые результаты расчётов: устойчивость (1), осадка и консолидация (2)
Рис. 1. Типовые результаты расчётов: устойчивость (1), осадка и консолидация (2)
Рис. 1. Типовые результаты расчётов: устойчивость (1), осадка и консолидация (2)
Рис. 1. Типовые результаты расчётов: устойчивость (1), осадка и консолидация (2)

84-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» и отраслевые нормативные документы (ГОСТ 33149 «Дороги автомобильные общего пользования. Правила проектирования автомобильных дорог в сложных условиях»; СП 34.13330 «Автомобильные дороги»; СП 238.1326000 «Железнодорожный путь» и др.) требуют выполнения расчётного обоснования принятых решений.

Становится очевидным, что в каждой проектной организации должен быть геотехник, а лучше геотехнический отдел. И действительно, как можно запроектировать сложное ответственное сооружение без соответствующего обоснования его надёжности?

Перед участниками строительного процесса стоит основная задача — обеспечить надёжность и бесперебойность работы транспортного сооружения. Достигнуть этого можно принятием проектного решения, обоснованием которого являются геотехнические расчёты. Сегодня их выполняют всё больше с применением метода конечных элементов, что легко проследить по изменениям в сводах правил (актуализация) и в соответствующих пунктах издаваемых нормативных документов.

Объясняется это тем, что численное моделирование — это универсальный инструмент и с его помощью можно выполнить как самый простой расчёт осадки и устойчивости, так и невероятно сложный анализ любой геотехнической ситуации. Самым популярным представителем этого вида программ является программный комплекс PLAXIS, успешно применяемый в нашей стране более 20 лет.

Рис. 2. Сложное инженерное решение для насыпи на косогоре:  расчётная схема
Рис. 2. Сложное инженерное решение для насыпи на косогоре: расчётная схема
Рис. 2. Сложное инженерное решение для насыпи на косогоре: оценка устойчивости и несущей способности
Рис. 2. Сложное инженерное решение для насыпи на косогоре: оценка устойчивости и несущей способности

Над его разработкой трудятся ведущие специалисты в области геотехники со всего мира, а огромный объём научно-исследовательских публикаций и статей с опытом практического применения по всему миру подтверждает успех программы в нашей стране.

Использование PLAXIS в процессе проектирования и строительства автомобильных и железных дорог может быть на любой стадии:

  1. Оценка надёжности проектируемой конструкции: традиционные расчёты устойчивости, осадки и консолидации.
  2. Расчёты с учётом влияющих факторов (увлажнение, ослабление и др.), особенно для откосов выемок и насыпей.
  3. Оценка параметров конструкций усиления: армирование, стабилизация, сваи и т. п.
  4. Оперативная оценка сложных геотехнических ситуаций, возникших в процессе строительства или эксплуатации.
  5. Контроль технико-экономического обоснования и надёжности принятых проектных решений техническим отделом заказчика.

Оценка надёжности проектной конструкции

Первоочередными задачами оценки надёжности транспортного объекта являются расчёты устойчивости, осадки и времени её реализации. Впервые внедрённый разработчиками PLAXIS в программу численного моделирования метод расчёта устойчивости на основе снижения прочности за десятилетия использования подтвердил свою эффективность.

В отличие от неоднозначной оценки традиционными методами предельного равновесия, этот метод даёт более однозначный результат, но, безусловно, требует подтверждения. Выполненный в основном модуле PLAXIS расчёт методом снижения прочности может быть легко проверен любым аналитическим методом предельного равновесия путём автоматической и быстрой конвертации расчётной схемы из конечно-элементной программы в дополнительный модуль PLAXIS LE, который с учётом самых передовых разработок в области расчётов устойчивости обеспечит оценку надёжности методами предельного равновесия.

Что касается расчётов осадки и консолидации, то даже в двухмерной постановке эта задача будет решена более достоверно по сравнению с аналитическим одномерным расчётом по формулам нормативных документов. PLAXIS 2D учтёт не только сжатие слоёв (вертикальные перемещения), но и боковое отжатие, сдвиговые деформации и области снижения жёсткости при переходе в предельное состояние и влияние этих факторов на величину осадки.

Расчёт консолидации происходит не путём подбора времени под заданную осадку (аналитический расчёт), а прямым расчётом времени рассеивания избыточного порового давления (консолидации). При необходимости можно учесть нелинейность зависимости «напряжения-деформация» и снижение проницаемости при сжатии.

Расчёты консолидации весьма важны для транспортных сооружений на слабых грунтах. Это связано с требованиями нормативных документов в автодорожной отрасли к началу запуска эксплуатации (движения транспорта). Например, укладка асфальтобетона допускается после снижения интенсивности осадки до 2 см/год или после достижения 90% консолидации.

Расчёт в PLAXIS позволяет легко построить график осадки во времени и получить как время, соответствующее 90% консолидации, так и время достижения интенсивности 2 см/год или 5 см/год. Наличие специального элемента для моделирования ленточных дрен (вертикальная система дренирования) даёт возможность проектировщику оценить преимущества этого варианта путём сравнения сроков консолидации, которые за счёт дрен существенно сокращаются.

Применительно к расчётам высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ) в расчётах осадки важно ценить не только время фильтрационной консолидации, но и осадку за период эксплуатации (например, 50 лет). Этот расчёт основан на реологических свойствах грунтов и может быть выполнен в PLAXIS с использованием соответствующих моделей. Например, с помощью самой доступной модели Soft Soil Creep, в параметрах которой задаётся коэффициент ползучести.

Одной из сложных геотехнических задач можно считать расчёты для уширения существующих насыпей, вторых путей или участков съезда/заезда вставок или участков спрямления. Эти задачи актуальны как для железнодорожного строительства (строительство вторых путей), так и для автодорожного — активное строительство обходов крупных городов.

Суть проблемы сводится к необходимости учесть два основных фактора: 1) оценка влияния отсыпки уширяемой части на осадку существующей насыпи; 2) проектирование мероприятий по обеспечению устойчивости и равномерности деформаций уширяемой части на слабом основании рядом с уже стабилизированным основанием существующей насыпи. Решение этой сложной задачи наиболее доступно только численным методом.

Расчёт с учётом влияющих факторов: увлажнение, ослабление и т. п.

При проектировании выемок часто встречаются случаи обрушения откосов. Причём происходят они в грунтах твёрдой и полутвёрдой консистенции, а простые расчёты устойчивости показывают большие запасы — коэффициент устойчивости более 2. Эта проблема является комплексной и требует особого подхода не только в расчётах, но и в изысканиях и лабораторных испытаниях, поэтому подробное рассмотрение выходит за рамки этой публикации.

В части расчётов оценка надёжности требует использования остаточной прочности (испытание плашка-по-плашке) и учёта увлажнения грунтов после выпадения атмосферных осадков или таяния снега. В первом приближении оценка локальной устойчивости может быть выполнена в PLAXIS через отделение в откосной части области глубиной до 2 м, в которой задаётся остаточная прочность.

Влияние атмосферных осадков в современной механике грунтов основано на теории не полностью водонасыщенных грунтов, хорошо проработанной теоретически и практически внедрённой в PLAXIS. Эта теория позволяет распределять влажность в грунтах с учётом капиллярного поднятия и учитывать дополнительное сцепление.

А специальный совместный фильтрационно-деформационный расчёт в нестационарной постановке обеспечивает учёт на распределение влажности дождевых осадков, которые можно задать по дням в соответствии с данными метеостанций. Такой способ выполнения расчётов позволяет более реалистично учесть области замачивания и снижения сопротивления сдвигу.

Рис. 3. Подходы к мостовому сооружению: 1 — устой; 2 — свайное поле; 3 — ленточные дрены;
4 — армирующие прослойки; 5 — берма.
Рис. 3. Подходы к мостовому сооружению: 1 — устой; 2 — свайное поле; 3 — ленточные дрены;
4 — армирующие прослойки; 5 — берма.

Оценка параметров конструкций усиления: армирование, стабилизация и т. п.

Основная цель геотехнических расчётов для конструкций усиления и мероприятий по стабилизации — обеспечить получение требуемых параметров, например, прочности геосинтетических армирующих прослоек, несущей способности анкеров, времени выдержки в процессе отсыпки и допустимый темп строительства и пр.

Отличительной особенностью работы в PLAXIS является выполнение разных расчётов в одной расчётной схеме. Обычные методы требуют применять разные, не связанные друг с другом формулы в разных программах: устойчивость в одной, осадка и консолидация в другой, подпорная стена в третьей.

Численное моделирование оперирует понятием «модель грунта», в которую входят наборы разного рода характеристик, обеспечивающих оценку как первого (устойчивость), так и второго (осадка, деформации) предельных состояний. Простейшая модель Мора-Кулона может быть легко задана по данным стандартных инженерных изысканий. Для более точного решения задач требуются более точные данные.

Возможности программы позволяют моделировать любые конструктивные варианты проектных решений по усилению и стабилизации. Для этого могут быть использованы как кластеры с заданным набором параметров, например, временный пригруз, бермы и контрбанкеты, грунтовые прорези; так и специальные конечные элементы: geogrid — для моделирования любых видов плоских силовых геосинетических материалов; anchor — для грунтовых и других анкеров; embedded beam — для свайной подпорной стены или свайного основания; well и drain — для моделирования откачки воды или ленточных дрен.

Такой богатый арсенал инструментов позволяет геотехнику моделировать любые сценарии развития событий и оценивать их эффективность, а на основе полученного решения — определять денежные затраты, формируя таким образом такую важную оценку проектирования, как технико-экономическое обоснование проектных решений.

Использование в расчётной схеме элемента geogrid востребовано не только для насыпей на слабых основаниях или для высоких насыпей и крутых откосов, но и для такой проблемы, как карстовая опасность. Аналитические методики весьма условные и не учитывают многих влияющих факторов. Численное моделирование, особенно в пространственной постановке, что важно для таких задач, даёт возможность рассмотреть различные варианты развития событий: раскрытие воронок разным диаметром в разных местах и оценка возможности предупреждения катастрофических последствий за счёт использования геосинтетических материалов.

Оперативная оценка сложных геотехнических ситуаций

Геотехнические расчёты требуются не только для обоснования проектного решения на стадии разработки проекта, но и во время строительства и даже эксплуатации. Процесс строительства, особенно в сложных условиях, может выявить существенные отклонения от проектной документации.

Типичный пример — локальные, не выявленные при изысканиях, участки залегания линз слабых грунтов, или недооценка механических свойств грунтов в процессе расчётного обоснования проектного решения. Часто такая проблема встречается при строительстве мостовых переходов. Отчасти это связано с разделением функций проектирования насыпи и самого моста.

Отсыпка подходной насыпи оказывает влияние на сваи опоры моста и может приводить к наклону опоры. Таким образом, уже в процессе строительства возникает проблемная ситуация, когда необходимо выполнить её оценку и дать прогноз развития и варианты решения. Проблема взаимодействия насыпи с искусственным сооружением корректно может быть решена только в пространственной постановке.

Возможности PLAXIS 3D позволяют формировать геологическое строение с помощью скважин, а в случае его сложного геометрического вида — импортом из формата *.dxf. Построение насыпи легко осуществляется набором инструментов программы: выдавливание, поворот, перемещение, разбиение на плоскости и др. Сваи могут быть выполнены в виде объёмных элементов или с использованием специального встроенного элемента embedded beam, который особенно востребован в проектах с большим количеством свай.

При возникновении нештатных, не предусмотренных проектом, ситуаций любой реализованный проект при наличии мониторинга может быть замоделирован в PLAXIS, а после калибровки расчётной схемы с результатами мониторинга и характером проявленных деформаций — сделан прогноз развития событий, и выполнена оценка необходимости вмешательства, которое часто бывает дорогостоящим для существующих объектов, либо принимается решение, что деформации носят затухающий характер и не представляют серьёзной опасности.

Таким образом, PLAXIS — не только инструмент проектировщика, но и подрядчика, и даже заказчика. Наличие в техническом отделе заказчика специалиста-геотехника позволяет выполнять оценку надёжности принятого проектного решения и его экономической целесообразности.

Заключение

Изменения, происходящие в строительной отрасли, в том числе связанные с цифровизацией, предъявляют высокие требования к проектным решениям. Геотехнические расчёты в современном программном комплексе PLAXIS позволяют не только принимать надёжные, экономически целесообразные проектные решения на стадии проектирования, но и выполнять оценку их правильности службой заказчика и оперативно реагировать на проблемные ситуации при строительстве.

Универсальность инструмента позволяет использовать программу как в самой простой форме, аналогично ручному счёту по нормативным документам с использованием стандартных результатов изысканий, так и выполнять сложный геотехнический анализ с использованием передовых достижений механики грунтов.

Встроенные возможности автоматизации процесса расчёта и взаимодействия со смежным программным обеспечением делает PLAXIS удобным инструментом в цепочке BIM-проектирования.


Текст: Евгений Федоренко, научный консультант ООО «НИП-Информатика»

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Подпишитесь
на ежемесячную рассылку
для специалистов отрасли
*
Крупным планом
кран
NEO краны: 25 тонн модернизации от завода «Галичанин»
В 2022 году отечественный производитель подъёмной техники «Галичанин» анонсировал обновление своих автокранов серии NEO и запуск серийного...
17 мая 2022
СуперМАЗ
МАЗ-6422: легендарная «голова» по прозвищу «СуперМАЗ»
К 1970 году конструкторы Минского автозавода поняли, что выпуск морально устаревших грузовиков 500-й серии — дело бесперспективное. К тому же надо...
07 апреля 2022
Самая короткая надстройка UDS на внедорожном «КАМАЗ-43118»
Самая короткая надстройка UDS на внедорожном «КАМАЗ-43118»
Многоцелевые телескопические экскаваторы в России больше известны как «планировщики» или «золотая ручка». Хотя они могут не только планировать откосы...
23 ноября 2021
Показать ещё ↓
Строительство и обслуживание дорог Грузоперевозки
Дорожники
форум импортозамещение
Строительство и обслуживание дорог
Участники рынка обсудили главные проблемы дорожно-строительной отрасли в рамках форума НАИК 26 апреля 2022 года в Москве прошел Форум «Инфраструктурное строительство. Курс на импортозамещение», организованный Национальной ассоциацией инфраструктурных компаний (НАИК) при поддержке ГК...
04 мая 2022
Строительство и обслуживание дорог
Потребуются время и люди: эксперты об импортозамещении в дорожной отрасли Вне всяких сомнений импортозамещение за последние месяцы стало в России самой популярной темой для обсуждения. И несмотря на то, что ситуация остаётся достаточно неопределённой, ясно одно: просто...
18 апреля 2022
Строительство и обслуживание дорог
Принятие проектных решений в дорожном строительстве на основании геотехнических расчётов в PLAXIS Однако далеко не всегда транспортные магистрали проходят по хорошим грунтам и не требуют устройства геометрических ограничений, например, подпорных стен или крутых откосов. Часто по трассе...
18 апреля 2022
Грузоперевозки
Систему «Платон» предложили отменить Несколько депутатов Государственной Думы предложили отменить систему взимания платы за проезд по дорогам общего пользования с владельцев грузовиков массой более 12 тонн. Соответствующий законопроект...
16 марта 2022
Пит-стоп
НАМИ-076 «Ермак»: 25 т гордости советского автопрома
Читать
Российский бронеавтомобиль ЗиЛ «Каратель»: актуальненькое название, не так ли?
Читать
XM-759: болотоход-амфибия с колёсами в гусеницах
Читать
Shockwave Jet truck: грузовик с реактивным двигателем, или 36 000 бесполезных лошадиных сил
Читать
Nicolas Tractomas TR 10X10 D100: самый большой тягач в мире из ЮАР
Читать
GM Futurliner: посмотрите на этот щеголеватый ретроавтобус. Или грузовик?
Читать
Показать ещё ↓
Оформить подписку
на журнал Грейдер
Получайте подборку статей каждый месяц

    Подпишитесь
    на ежемесячную рассылку
    для специалистов отрасли
    *

    Не нашли, что искали?

    Подпишитесь на наш дайджест и получайте подборку самых актуальных публикаций каждый месяц на электронную почту!
    100% отраслевая информация и никакого спама.

    Сообщить об опечатке

    Текст, который будет отправлен нашим редакторам: