Поетапне будівництво насипів на слабких ґрунтах
Актуальна в геотехнічному та дорожньому будівництві проблема виникає, коли потрібно звести дорожній насип великої висоти на дуже слабких ґрунтах з малою міцністю та великою стисливістю в найкоротші терміни. Через малу міцність основи насип не може бути побудований цілком відразу і доводиться вдаватися до поетапного будівництва. Для здійснення поетапного будівництва потрібно виконати попередні розрахунки для визначення послідовності, якої слід дотримуватися в даній ситуації, що забезпечує зведення насипу в найкоротші терміни при необхідній безпеці.
2. Розрахунки стійкості насипу
Програма Plaxis 2D (версія 8.0) забезпечує знаходження напруг і переміщень (у задачах плоскої деформації), проводить розрахунок стійкості дорожніх насипів, що зводяться на будь-яких шаруватих основах та за різних станів порового тиску. Розрахунки можуть бути зроблені на основі комплексу доступних опцій: тип елемента, велика і дрібна сітки, моделі грунтів, такі як модель Мора-Кулона, модель повзучості слабкого грунту, модель грунту, що зміцнюється і т.д. Крім того, опції сітки, що оновлюється, і консолідації можуть бути використані для більш точного визначення переміщень насипу і розсіювання надлишкового порового тиску.
3. Приклад
3.1 Опис
Для ілюстрації поетапного будівництва дорожнього насипу в найкоротші терміни з дотриманням вимог безпеки на проміжних етапах зведення та під час експлуатації (тривалий проміжок часу) було обрано приклад з учбового посібника з Plaxis 2D (урок 5), зображений на рис. 1.
Мал. 1 Дорожній насип на слабкому ґрунті
Геометрична модель, дані за матеріалами, сітка кінцевихелементів та початкові умови були збережені такими ж, як і у посібнику. Зокрема, було використано модель плоскої деформації та 15-вузлові елементи. Оскільки завдання симетричне, було змодельовано лише половину насипу. Деформації глибинного шару піску приймаються рівними нулю, тому цей шар не був включений у модель, і замість нього було введено відповідну граничну умову (рис. 2).
Характеристики ґрунтів наведені у табл. 1.
Уд. вага ґрунту в ненасич. сост.
Уд. вага ґрунту у водонас. сост.
При визначенні початкових умов рівень ґрунтових вод визначається по підошві шару глини.
3.2 Розрахунок безпеки при поетапному будівництві
Зведення насипу в найкоротші терміни визначає час кожного етапу будівництва, що забезпечує стійкість насипу при його зведенні до проектної позначки та контрольний коефіцієнт запасу. Чим більший коефіцієнт запасу, тим тривалішим буде час кожного етапу будівництва. Після завершення етапу будівництва деякий час потрібно збільшення недренованої міцності в процесі консолідації, що необхідно для забезпечення стійкості і збільшення висоти насипу на наступному етапі. Надалі після закінчення зведення насипу деякий час резервується на процес консолідації до певного значення надлишкового тиску; ця функція є Plaxis, де ми задаємо етап консолідації до певного значення надлишкового порового тиску (наприклад, 1 кН/м 2 ). Таким чином, повний необхідний час включає фактичну тривалість кожного етапу та час між послідовними етапами, включаючи проміжок часу після заключного етапу будівництва. Якщо, визначена таким чином, послідовністьбудівництва задана при різних контрольних коефіцієнтах запасу, інженер-геотехнік може знайти компроміс між відведеним часом на завершення будівництва та ризиком, що оцінюється коефіцієнтом запасу.
4. Результати
4.1 Послідовність будівництва
На першому етапі було отримано, що перші 2 м насипу можуть бути зведені в мінімальні терміни – 4, 20, 50 та 70 діб з контрольним коефіцієнтом запасу до кінця етапу відповідно – 1,10, 1,15, 1,20, 1,25 . До початку другого етапу потрібно забезпечити достатній інтервал часу для суттєвого збільшення міцності у процесі консолідації. Однак, навіть після тривалого інтервалу часу (понад 1000 днів) збільшення міцності недостатньо для зведення насипу ще на 2 м до проектної позначки - 4 м. Тому було вирішено 2 м, що залишилися, добудувати в два етапи по одному метру. Таким чином, насип будується у три етапи. Перед другим етапом зведення мінімальний необхідний інтервал становить 75, 100 та 125 діб для контрольного коефіцієнта запасу на кінець зведення відповідно 1.10, 1.15, 1.20, 1.25. У цьому випадку мінімальний час на зведення становить відповідно - 2, 10, 25 та 35 діб. Аналогічно були отримані мінімальні інтервали часу перед третім етапом зведення та час третього етапу. У висновку було виявлено проміжок часу між закінченням зведення насипу та зниженням надлишкового порового тиску (менше, ніж 1 кН/м 2 ). Вся послідовність будівництва, визначена в такий спосіб, показано на рис. 3 за різних коефіцієнтів запасу. Тривалий коефіцієнт запасу насипу становив 1.39.
Мал. 3 Послідовність будівництва
4.2 Співвідношення коефіцієнта запасу та переміщень
Хоча розрахунок безпекипоказує стан стійкості насипу, розрахунок переміщень забезпечує виконання вимог міцності; іншими словами, переміщення, що відбуваються особливо за тривалий період, показують, чи задовільно працює насип під час експлуатації. Як уже говорилося, при плануванні поетапного будівництва інженер-проектувальник має орієнтуватися на контрольний коефіцієнт запасу. У цьому випадку інженер приймає рішення, ґрунтуючись на оцінці переміщень, що виникають наприкінці зведення та після тривалого періоду. На рис. 4 показано таке співвідношення як графіка залежності коефіцієнта запасу від переміщень.
Мал. 4 Графік залежності коефіцієнта запасу від переміщень
Використовуючи опцію змінної КЕ сітки Plaxis, вище згадані переміщення були повторно визначені і представлені при контрольних коефіцієнтах запасу на рис. 5. Такий розрахунок може не забезпечити достатнього коефіцієнта запасу, тому послідовність будівництва при сітці, що змінюється, не може бути визначена аналогічно рис. 3. Однак час консолідації після завершення зведення насипу виходить значно меншим, ніж за початкового розрахунку. Це може дозволити інженеру визначити мінімальний термін готовності насипу до укладання дорожнього покриття.
Мал. 5 Зміна вертикальних зсувів при контрольних коефіцієнтах запасу (за змінною сіткою)
5. Короткий виклад та висновки
У наведеній статті продемонстровано ефективне використання програми Plaxis (версія 8.0) для забезпечення інженерів результатами розрахунків стійкості та переміщень, що дає можливість визначити послідовність будівництва дорожнього насипу. Очевидно, що послідовність будівництва залежить від контрольного коефіцієнтазапасу на проміжних етапах: що вищий коефіцієнт запасу, то триваліший період будівництва. Однак, переміщення (особливо вертикальні) до кінця зведення насипу, а також після тривалого періоду повинні бути враховані інженером. Прирощення переміщень обернено пропорційні повному часу і, отже, коефіцієнту запасу. Таким чином, існує зв'язок між доступним часом та максимальними допустимими вертикальними переміщеннями (опадами насипу). З огляду на це результати розрахунків були представлені у формі двох графіків - один графік залежності висоти насипу від часу при різних коефіцієнтах запасу; інший – графік залежності вертикальних переміщень при контрольних коефіцієнтах запасу.