Порівняння нормативних документів з геотехніки у різних галузях
Ключові слова : МКЕ, чисельне моделювання, Plaxis, міцність ґрунтів, теорія Терцаги, розрахунки стійкості.
Такий характерною рисою СП завдячує своїм розробникам – гідротехнікам, котрі заклали основу Механіки грунтів нашій країні: В.А. Флоріну та П.Л. Іванову. Тут варто згадати найбільшого фахівця із розрахунків стійкості Р.Р. Чугаєва, чиї книжки містять детальний аналіз всіх методів розрахунку, що є на той час.
За своєю суттю Зведення правил із проектування гідротехнічних об'єктів регламентує застосування двох підходів до визначення міцності ґрунтів:
- Теорію щільності-вологості Н.М. Маслова, у якій вологість виступає аналогом порового тиску, а міцність визначається повних напругах;
- теорію К. Терцаги, у якій міцність визначається ефективними характеристиками (що відповідає повністю консолідованому стану), а процесі навантаження міцність визначається з урахуванням надлишкового порового тиску.
Користувачі таких програмних комплексів, як Plaxis, Midas, Z-Soil, Phase2 та ін., стикаються з питанням: як у цих програмах здійснюється підвищення міцності ґрунту в процесі ущільнення ґрунтів основи, адже в них немає такого розрахункового параметра, як вологість. Для того щоб розібратися в цьому питанні, необхідно зробити зіставлення методів випробувань, призначених для встановлення параметрів обох теорій.
У порівнянні результатів теорії «щільності-влажности» Н.Н. Маслова та первісної теорії К. Терцаги видно (рис. 1), що вони добре узгоджуються між собою [4], різниця між ними полягає лише в інтерпретації даних. Сучасні програмні продукти, зарубіжного виконання, завдяки можливостям комп'ютерної техніки [2] реалізують більшскладну теорію К. Терцаги, тоді як діючі вітчизняні методики розрахунків [5] засновані на теорії Н.М. Маслова.
Мал. 1 Зіставлення двох теорій міцності
За результатами проведення випробувань, теоретично М.М. Маслова проводяться перетворення з метою отримання графіків залежності характеристик міцності від вологості (рис. 2).
Мал. 2 Результати випробувань методом Н.Н. Маслова [7]
Принцип розрахунку полягає в наступному: визначають напруги від ґрунтової споруди з урахуванням зважуючої дії ґрунтових вод, за необхідними додатковими графіками залежності вологості від тиску визначають зміну вологості в процесі відсипання насипу і далі за графіками рис. 2 визначають зміну тертя та зчеплення в ґрунтах основи.
Отже, розрахункові характеристики грунтів би мало бути прийняті певного стану зволоженості грунтів, тобто. за конкретної величини вологості wБ. На практиці (в галузі транспортного будівництва) проектувальник часто приймає для розрахунку значення зі зведеної таблиці фізико-механічних властивостей ґрунтів звіту з інженерних досліджень, при цьому не завжди зрозуміло, що це за значення: отримані вони за природної вологості або для водонасичених зразків; був це швидкий чи повільний зріз. Відсутність такої інформації значно знижує ефективність розрахунків [8].
Геотехнічні програмні комплекси, наприклад Plaxis, ґрунтуються на проведенні випробувань у приладах тривісного стиснення (стабілометрів) за трьома схемами: КД – консолідовано-дренований, ПН – неконсолідовано-недренований і КН – консолідовано-недренований (докладніше можна прочитати). Оскільки всі вітчизняні уявлення проектувальників, які займаються розрахункамиземляного полотна, що ґрунтуються на теорії «щільності-вологості» Н.М. Маслова, виникають певні складнощі з розумінням принципів роботи програм класу Plaxis.
На малюнку 3 показані результати випробувань міцності грунтів по теорії Н.М. Маслова: три зразки ґрунту піддавалися трьом різним ущільнюючому тиску σn1, σn2, σn3, внаслідок чого відбувалася зміна щільності-вологості і, отже, міцності τ.
Мал. 3 Графіки випробувань за методом густини-вологості
Аналіз графіків Н.М. Маслова (рис. 3) показує, що можливі такі стани міцності ґрунтів:
1. Для водонасичених ґрунтів у природному стані міцність визначається вологістю wВ та відповідною лінією граничної міцності (рис. 4).
Мал. 4 Неконсолідовано-недреновані випробування або швидке зрушення
Якщо ступінь водонасичення перевищує Sr=0.85, то ґрунт вважається водонасиченим і його міцність характеризується недренованою міцністю cu, а гранична обгинальна буде у вигляді горизонтальної лінії з кутом внутрішнього тертя, що дорівнює нулю (на рис. 4 показано пунктиром). Однак в силу конструктивних особливостей при проведенні випробувань у поширених приладах одноплощинного зрізу, гранична огинаюча характеризується лінією з невеликим кутом нахилу (кутом внутрішнього тертя). Цей стан відноситься до нестабілізованого, а недренована міцність використовується при розрахунках швидкого зведення ґрунтової споруди. Точки В1, В2, В3 визначаються неконсолідовано-недренованими випробуваннями (ПН) або польовим випробуванням за допомогою крильчатки.
2. Крапки А1, А2, А3 (рис. 5) відповідають стабілізованого стану, тобто. максимальної міцності при даному навантаженні. Це випробування зконсолідовано-дренованої схеми (КД), а міцність при цьому визначається ефективними характеристиками ϕ' і с' і відповідає стану повної консолідації при прикладеному навантаженні.
Мал. 5 Консолідовано-дреновані випробування або повільне зрушення
Точки А2-2, А3-3 відповідають міцності ґрунту при вологості wА та визначаються відповідними параметрами міцності.
Тут слід зазначити висловлювання М.М. Маслова про неправомірність використання відомого виразу Кулона (одержуваного за результатами КД випробувань у вигляді точок А1, А2, А3) для початкової та проміжної стадії навантаження водонасиченої основи. У [4] йдеться про те, що ігнорування цього висловлювання неодноразово призводило будівельників та інженерів-геологів до важких непоправних помилок.
Дійсно, використання міцності ґрунтів у точках А1, А2, А3 (рис. 3) для оцінки початкового або проміжного стану водонасичених слабких ґрунтів даватиме завищені значення коефіцієнта стійкості порівняно з міцністю в проміжних точках Б або В.
У автодорожній практиці розрахунки за першим граничним станом ґрунтуються на теорії щільності-вологості Н.М. Маслова. З одного боку, це спрощує розрахунки, оскільки немає необхідності визначати повну та ефективну напругу та поровий тиск (воно замінено еквівалентом – вологістю), а з іншого – виникає низка питань: випробування за цим методом більш тривалі; потрібні додаткові дані у вигляді залежності вологості від тиску, а головне – як у підставі споруди розподілятиметься вологість, а, отже, і міцність, адже тиск відрізняється як по глибині, так і по горизонтах.
Щодо розрахунків проміжного стану (метод попередньої консолідації), тоальтернативою ітераційним і які потребують додаткових даних розрахунками по Допомозі [5] може бути чисельне моделювання [6]. Наприклад, програма Plaxis використовує тип поведінки матеріалів Undrained A, який дозволяє виконувати розрахунки консолідації зі зміцненням ґрунту. Для завдання цієї моделі поведінки потрібні ефективні характеристики с' та φ'. Такими характеристиками для прикладу, що розглядається нижче, будуть наступні: с'=7,5 і φ'=40; ці значення отримані в результаті консолідовано-дренованих випробувань.
У водонасичених глинистих ґрунтах цей стан буде досягнутий через досить тривалий період, який визначається розрахунком часу консолідації. А в момент після застосування навантаження весь тиск буде прийнято поровою водою і ефективна напруга визначатиметься різницею між повним і поровим тиском. Побудови на малюнку 6 виконані для проміжного стану (вологість ґрунту w=42%) з показниками міцності сw= 46 кПа і φw=24° (Н.Н. Маслову). У програмі Plaxis цей стан досягається розрахунком консолідації (зниження надлишкового порового тиску) до консолідації U=50% під навантаженням 200 кПа. В результаті ефективні напруги склали: σ'1=100 кПа, σ'3=43 кПа (повні σ'1=200 кПа, σ'3=122 кПа), а максимальна міцність τmax=51 кПа. Як видно з малюнку 6, міцність, отримана в Plaxis (теорія К. Терцаги) для вихідних характеристик с'=7,5 і φ'=40 (круг 2 на малюнку 6), дорівнює міцності за рівнянням Кулона-Мора для характеристик сw= 46 кПа та φw=24° (теорія Н.Н. Маслова). Таким чином, теорії, що розглядаються, можна порівняти, але вимагають завдання різних вихідних даних і розуміння основоположних принципів.
Мал. 6 Зіставлення міцності за Масловом та Кулоном для проміжного стану (20% консолідації): 1 –мобілізована міцність; 2 – максимальна міцність
Розрахунок режиму поступового зведення насипу на водонасиченому підставі повинен проводитися з урахуванням взаємозв'язку показників вологості, міцності та опади слабких ґрунтів. Такий принцип розрахунку вимагає: по-перше, наявності додаткових даних від ґрунтової лабораторії; по-друге, наявності двох програм: а) для розрахунку напруг, опади, часу консолідації; б) для розрахунку стійкості; а по-третє, виконання непростих ітераційних розрахунків.
Якщо зіставити графіки для стабілізованого та проміжного стану на одному малюнку, то більш обґрунтовано можна порівняти дві теорії міцності з використанням варіантів міцності, прийнятих у програмі Plaxis (рис. 7).
Мал. 7 Зіставлення параметрів міцності: 1 – мобілізована міцність у повних напругах або для дренованих умов навантаження; 2 - максимальна міцність для кола 1; 3 – мобілізована міцність в ефективних напругах для проміжного стану (ступінь консолідації 20%); 4 – максимальна міцність для кола 3
На малюнку 7 можна простежити наступний хід роздумів:
1.Кінцевий (стабілізований) стан. Навантаження зразка в умовах повного дренування до тиску 200 кПа показано у вигляді кола Мора з номером 1; цьому напруженому стану відповідає максимальна міцність, показана навколо номера 2. Ця міцність отримана за умовою Кулона-Мора (з використанням головних напруг), їй відповідає міцність за умовою Кулона (тільки з використанням нормальної напруги), що дорівнює 174 кПа. Причому як із характеристиками за Н.М. Маслову при вологості w=37.7%, і за характеристиками по К. Терцаги значення ідентичні.
2.Проміжнестан. Навантаження водонасиченого зразка та подальша консолідація під навантаженням 200 кПа до ступеня 50% представлені у вигляді кола Мора з номером 3 (в ефективних напругах), якому відповідає максимальна міцність, показана навколо з номером 4. Аналогічно попередньому стану міцність за умовою Кулона головних напругах) і з Кулону (тільки з використанням нормальної напруги) відрізняються, але у системі, тобто. за Кулоном - міцність з характеристиками, прийнятими за К.Терцагою дорівнює міцності з характеристиками за Н.М. Маслову (97 кПа).
Висновок
Нормативні документи щодо розрахунків ґрунтових споруд у гідротехнічному будівництві, у тому числі видання до актуалізації, написані в Радянському Союзі, на сьогодні, з появою сучасних програм чисельного моделювання, не втратили своєї актуальності. Але сучасні уявлення в області Механіки ґрунтів вимагають використання складніших інструментів, таких як програми розрахунків за методом кінцевих елементів, які дозволяють виконувати детальний аналіз та прогнозування. Сьогодні потрібен перегляд системи навчання студентів та підвищення кваліфікації чинних фахівців з метою гармонізації документів минулих років із сучасними уявленнями в галузі геотехніки. Всі передумови були сформовані ще при створенні нормативних документів, і зараз потрібно виконати «прив'язку» закладеної основи до програмних продуктів, що використовуються.
Література
1. Болдирєв Г.Г. Методи визначення механічних властивостей ґрунтів. Стан питання. Пенза: ПГУАС, 2008. 696 с.
2. Вавринюк Т.С. Федоренко О.В. Результати інженерних досліджень як основа для розрахунків транспортних споруд. Інженерні дослідження Видавництво: Геомаркетинг(Москва) ISSN: 1997-8650. – 2014. – №3. – С. 46-49
3. Іванов, П. Л. Грунти та основи гідротехнічних споруд / П. Л. Іванов. - М.: Вища школа, 1985.
4. Маслов, H.H. Механіка ґрунтів у практиці будівництва Текст. М.: Будвидав, 1977. - 244 с.
5. Посібник із проектування земляного полотна автомобільних доріг на слабких ґрунтах. М., 2004. 205 з
6. Федоренко О.В. Метод розрахунку стійкості шляхом зниження характеристик міцності. Транспорт Україна №6 (49) 2013 с. 24-26
7. Екзогенні геологічні процеси та їх вплив на транспортне освоєння території: на прикладі Південно-Західного Примор'я Автореф. дис. на соїск. уч степ. канд. геол.-хв. наук, Хабаровськ.: ДВГУПС, 2007. 25 з