Расчеты армогрунтовой стены на слабом основании - Е.В. Федоренко

Е.В. Федоренко – Армогрунтовые подпорные стены устраиваются, как правило, в случаях ограниченного места в зоне откосной части насыпи или в виде устоев мостов с раздельными функциями [4]. В тех случаях, когда грунты основания считаются слабыми, АГС устраивают на свайном фундаменте, однако при большой протяженности участка трассы на слабом основании с вертикальным откосом стоимость такой конструкции значительно возрастает. Альтернативным решением может служить АГС с пассивной облицовкой. Под активной облицовкой понимается обычная АГС, в которой геосинтетическая арматура крепится непосредственно к облицовочным блокам (рис. 1б). Пассивная облицовка предполагает особую технологию возведения – стадийность строительства: сначала возводят армогрунтовый откос путем обертывания армирующей тканью, для ускорения сроков консолидации используются ленточные дерны (вертикальное дренирование), а для равномерности осадки дополнительный пригруз в виде мешков с песком на месте будущей облицовочной части. После завершения консолидации и полной осадки насыпи, устраивается облицовка в виде блоков (рис. 1а).

Расчеты армогрунтовой стены на слабом основании - Е.В. Федоренко
Рис. 1 Схемы облицовок АГС: а – пассивная; б – активная

Основной особенностью проектирования является выполнение проверочных расчетов, а именно численного моделирования процесса строительства. Такие расчеты рекомендуется выполнять в геотехнических программных комплексах, работающих на основе метода конечных элементов (МКЭ): Plaxis, MIDAS GTS, Phase2, ГЕО5 МКЭ и др. На наш взгляд наиболее удобным и профессиональным программным продуктом является программа Plaxis. Однако ее использование, как и использование других подобных программ, требует от исполнителя наличия знаний по механике грунтов и основам поведения моделей грунтов. Подробную информацию можно найти в [2,3,5].
В качестве примера рассмотрен процесс расчета АГС на автомобильной дороге М11 (СПАД Москва-Санкт-Петербург). Выполнение подобных расчетов стало возможно благодаря наличию полноценных исходных данных по инженерно-геологическим изысканиям, выполненным голландской транснациональной компанией Fugro с участием грунтовой лаборатории ВНИИГ им. Веденеева.

АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Геологическое строение представлено преимущественно коркой более прочных грунтов (1-2 м), подстилаемых слоем текучих суглинков большой мощности или слоем текучих супесей. Были выполнены следующие виды полевых и лабораторных испытаний грунтов:

  • статическое зондирования глубиной до 30 м;
  • тесты на рассеивание порового давления грунта (глинистые грунты);
  • фильтрационные работы в песчаных и глинистых грунтах;
  • установка датчиков для мониторинга порового давления грунта;
  • лабораторные испытания грунтов, в т.ч. компрессионные, сдвиговые, трехосные консолидированно-недренированные и неконсолидированно-недренированные.

Имеющиеся исходные данные условно разделены на две группы:
1 группа. Данные в традиционной для нашей страны форме, полученные изыскательским отделом проектной организации, которые соответствуют текущему состоянию грунтов (прочность определяется по показателю текучести) и позволяют определить устойчивость сооружения только для одного этапа строительства. Эти характеристики не учитывают изменение прочности грунта в результате возведения земляного полотна с вертикальным дренированием и не отражают нелинейность вертикальных деформаций [1,6].
2 группа. Данные компании Fugro, соответствующие современной геотехнической практике, позволяют выполнить расчеты упрочнения грунта в ходе строительства насыпи, а также учесть нелинейную зависимость деформационных характеристик при расчете осадки [5,6]. Основные характеристики второй группы приведены в таблице 1.

Расчеты армогрунтовой стены на слабом основании - Е.В. Федоренко
Таблица 1

РАСЧЕТЫ КОНСТРУКЦИИ

Общая схема выполнения расчетов построена в зависимости от объема и полноты предоставленных исходных данных, возможностей вычислительных программ и требований нормативных документов [6]. Для дальнейших расчетов принята следующая последовательность (таблица 2).

Расчеты армогрунтовой стены на слабом основании - Е.В. Федоренко
Таблица 2

Конструкция АГС представлена на рисунке 2. Для равномерности деформаций в области размещения облицовочных блоков используется матрас Рено, выступающий за габариты вертикального откоса. На выступающую часть укладываются мешки с песком (big bag) для выравнивания осадки в этой зоне.
Расчеты армогрунтовой стены на слабом основании - Е.В. Федоренко
Рис. 2 Конструкция АГС с пассивной облицовкой

Расчеты по подбору параметров армирования подпорной стенки выполнялись в программе «Армогрунтовые насыпи» комплекса ГЕО5 по следующим критериям [5,7]:

  • внутренняя устойчивость (разрыв, выдергивание, смещение по армирующей прослойке);
  • внешняя устойчивость (опрокидывание, сдвиг, проверка эксцентриситета, коэффициент устойчивости).

Такой подход позволяет выполнить итерационные расчеты по раскладке армирующих прослоек в простой параметрической программе, такие действия в программах численного моделирования весьма трудоемкие. Полученную схему армирования необходимо проверить в программе численного моделирования [7]. В результате расчетов принята схема армирования из 14 прослоек высокопрочного тканого геополотна с длительной прочность 39 кН/м [1], длиной 5,5 м с шагом по высоте 0,4 м (рис. 3).

Расчеты армогрунтовой стены на слабом основании - Е.В. Федоренко
Рис. 3 Результаты расчетов внутренней и внешней устойчивости

Для обеспечения требуемой устойчивости рекомендовано увеличить прочность нижнего армирующего элемента до длительной прочности 166 кН/м, в этом случае устойчивость насыпи обеспечена, Куст = 1,37. Следует отметить, что этот расчет выполнен на основе исходных данных первой группы и является консервативной оценкой [6].
Расчеты осадки были выполнены в программе ГЕО5 «Осадка» [5] (без учета нелинейности деформационных характеристик по данным первой группы) и показали максимальную величину, равную 41 см.
Дальнейшие расчеты выполнялись путем численного моделирования строительства конструкции с элементами вертикального дренирования и учетом их влияния на изменение параметров прочности слабого основания [5]. В процессе возведения насыпи ленточные дрены обеспечивают снижение избыточного порового давления. Максимальная величина после окончания отсыпки (длительность отсыпки принята равной 25 дней) составляет около 65 кН/м2, область концентрации избыточного порового давления располагается под дренами (рис. 4). При отсутствии элементов вертикального дренирования избыточное поровое давление возникает непосредственно под подошвой насыпи.
Расчеты армогрунтовой стены на слабом основании - Е.В. Федоренко
Рис. 4 Избыточное поровое давление после завершения отсыпки

Устойчивость в строительный период (нагрузка строительной техники принята равной 20 кПа) до консолидации обеспечена, Куст=2,2. В расчете консолидации осадки учтен вес дополнительных слоев грунта, соответствующих величине расчетной осадки. Подразумевается, что досыпка
грунта вызовет дополнительную осадку и повлияет на общее время консолидации.
Характер протекания процесса консолидации с учетом пригруза показан на рисунке 5. За величину конечной осадки принята осадка реализованная в процессе расчета снижения избыточного порового давления до 1 кН/м2 (по оси насыпи Sк=54 см).
Расчеты армогрунтовой стены на слабом основании - Е.В. Федоренко
Рис. 5 Кривые зависимости вертикальных деформаций от времени

Конечная осадка под армогрунтовым откосом составляет Sк=44 см, завершение консолидации на 90% будет соответствовать осадке S=40 см и времени 97 суток, включая время строительства.
Расчеты армогрунтовой стены на слабом основании - Е.В. Федоренко
Рис. 6 Консолидационная кривая для области основания под облицовочной стенкой

Осадка на момент завершения 90% консолидации показана на рисунке 7.
Расчеты армогрунтовой стены на слабом основании - Е.В. Федоренко
Рис. 7 Эпюра вертикальных деформаций после консолидации

Разгрузка временно уложенных мешков с грунтом требует проверки устойчивости, полученное значение коэффициента устойчивости Куст=1,37 превышает требуемое.
После возведения облицовочных блоков максимальные деформации поверхности матраса Рено не превышают 1 см (рис. 8).
Расчеты армогрунтовой стены на слабом основании - Е.В. Федоренко
Рис. 8 Эпюра вертикальных деформаций в основании армогрунтового сооружения

Отклонение подпорной стенки происходит в полевую сторону на максимальную величину 1 см (рис. 9).
Расчеты армогрунтовой стены на слабом основании - Е.В. Федоренко
Рис. 9 Эпюра горизонтальных перемещений облицовочной стенки

Устойчивость сооружения в эксплуатационный период с нагрузкой 45 кПа обеспечена, Куст=1,6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные расчеты позволяют назначить параметры возведения конструкции армогрунтовой подпорной стенки на слабом основании. Основные результаты расчетов приведены в таблице 3.

Расчеты армогрунтовой стены на слабом основании - Е.В. Федоренко
Таблица 3

Рассмотренная технология возведения благодаря применению ленточных дрен позволяет обеспечить снижение избыточного порового давления на этапе строительства и ускорить сроки консолидации, а армирование геосинтетическими материалами обеспечивает требуемую степень устойчивости сооружения. Таким образом, строительство армогрунтовых подпорных стен на слабых основаниях возможно без высоких затрат на свайный фундамент при условии использования геотехнического расчетного обоснования, которое, в свою очередь, невозможно без полноценных и достоверных исходных данных.
Федоренко Евгений, к.г.-м.н, руководитель технической группы Миаком. Вице-президент Российского общества по геосинтетике RCIGS. www.miakoming.ru


Список использованной литературы:
1. Вавринюк Т.С., Федоренко Е.В. Справочник по техническим характеристикам геосинтетических материалов. Общие положения по расчету земляного полотна. – СПБ.: МИАКОМ 2014. – 47 с., ил.
2. Практикум по программе Plaxis. Часть 1. Виртуальная лаборатория Soil Test /Электронный ресурс http://miakoming.ru/Away/
3. Практикум по программе Plaxis. Часть 2. Напряжения. Прочность /Электронный ресурс http://miakoming.ru/Away/
4. Соколов А.Д. Армогрунтовые системы автодорожных мостов и транспортных развязок. СПб.: ООО Отраслевая медиакорпорация «Держава», 2013. 504 с.
5. Справочное пособие «Геотехника и геосинтетика в вопросах и ответах» под ред. Федоренко Е.В. Санкт-Петербург, 2016.
6. Федоренко Е.В. Расчеты земляного полотна на слабом основании в программе Plaxis / XIII Научно-техническая конференция с международным участием. Чтения, посвященные памяти профессора Г.М. Шахунянца. Москва, МИИТ, 2016
7. Федоренко Е.В. Армогрунтовые системы в транспортном строительстве / Инновационные технологии в мостостроении и дорожной инфраструктуре: материалы межвузовской научно-практической конференции Военной академии материально-технического обеспечения имени генерала А.В. Хрулева. СПб., 2014. – с. 309-311