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.

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.

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.

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»