Методика Методика расчета устойчивости грунтовых насыпей, армированных георешетками
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ДОРОЖНЫЙ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
СОЮЗДОРНИИ
МЕТОДИКА РАСЧЕТА
УСТОЙЧИВОСТИ ГРУНТОВЫХ
НАСЫПЕЙ, АРМИРОВАННЫХ
ГЕОРЕШЕТКАМИ
МЕТОДИКА РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ
ГРУНТОВЫХ НАСЫПЕЙ, АРМИРОВАННЫХ ГЕОРЕШЕТКАМИ
1. Методические основы оптимизационного расчета армированных откосов
2. Программное обеспечение оптимизационного решения задачи расчета армированных откосов
3. Примеры использования разработок
отзыв на методику расчета фунтовых насыпей, армированных георешетками
1. Методические основы оптимизационного расчета армированных откосов
Метод армирования земляных сооружений с целью повышения степени их устойчивости известен давно, однако, только в последние годы сфера его использования существенно расширилась в связи с тем, что строительство земляных сооружений приходится осуществлять в сложных условиях, а также в связи с тем, что в широком ассортименте появились новые армирующие материалы, в первую очередь, геотекстильные (геотекстиль, геосетки, георешетки и т.п.). Разнообразие таких материалов и их характеристик позволяет сегодня успешно решать задачу повышения несущей способности земляных сооружений различного назначения, в том числе и повышения до требуемого уровня степени устойчивости откосов земляного полотна автомобильных дорог. Такая задача возникает при строительстве земляного полотна в стесненных условиях, строительстве высоких насыпей, использовании при сооружении земляного полотна местных грунтов, отличающихся сравнительно невысокими прочностными показателями, и в ряде других случаев.
Методические аспекты решения задачи расчета армогрунтовых конструкций, в том числе и армированных откосов земляного полотна, развивались зарубежными и отечественными исследователями на протяжении многих лет. Наряду с известными достижениями в этом направлении существует и определенное количество проблем, требующих дополнительных исследований. В первую очередь, это относится к необходимости повышения уровня соответствия расчетных схем решения задачи реальным условиям работы армирующих прослоек в конструкции.
Существующие методы расчета армированных откосов земляного полотна в определенной мере носят приближенный характер, так как в своем большинстве не в полной мере учитывают особенности работы армирующей прослойки в грунте, ее деформативные свойства. Практически во всех известных разработках в этом направлении размещение прослоек по высоте земляного сооружения принимается фиксированным с постоянным шагом. Расчет ориентирован лишь на определение степени устойчивости конкретной конструкции без решения задачи по наиболее целесообразному, с точки зрения повышения степени устойчивости откосов, сооружения до требуемого уровня размещения прослоек, равномерного распределения оползневых нагрузок на каждую из прослоек с учетом деформативных и прочностных свойств армирующего материала. При этом не рассматривается задача определения оптимального (минимально необходимого) количества горизонтов армирования, оптимального места расположения каждого из них в теле земляного полотна, минимальных объемов работ, количества расходуемых материалов, учета технологических условий при проведении строительных работ.
Проведенный анализ существующих методов расчета армированных откосов, а также результатов экспериментальных исследований, выполненных в последние годы, позволил разработать новый, более совершенный и гибкий, по сравнению с известными отечественными и зарубежными аналогами, метод расчета армированных откосов земляного полотна, ориентированный не только на усовершенствование известных разработок, но и позволяющий решать задачу определения оптимального количества армирующих прослоек и их наиболее рационального размещения в теле земляного сооружения. При этом в качестве армирующего элемента может быть рассмотрен любой конкретный материал любого типа (геотекстиль, геосетки, георешетки и т.п.).
В предложенной методике не рассматривается также задача выбора средств и мероприятий по укреплению поверхности откоса, что в общем случае является обязательным как с точки зрения устранения возможности негативных проявлений процессов выветривания, обсыпания, сползания поверхностных слоев грунта откоса, так и его размывания талыми и дождевыми потоками. Особенно актуальной такая задача является в случаях сооружения откосов повышенной крутизны, в том числе и армированных.
Методика решения задачи оптимизационного расчета армированного откоса построена на предположении существования ожидаемой поверхности смещения ограниченного сектора откосной части конструкции без учета эффекта ее армирования. Без нарушения общности в качестве такой поверхности может быть рассмотрена круглоцилиндрическая поверхность.
В соответствии с разработанной в Союздорнии / 2/ методологией предполагается поэтапное решение задачи расчета армированных откосов.
На первом этапе по специально разработанной программе для ПЭВМ, реализующей интегральную модификацию известного метода круглоцилиндрических поверхностей скольжения (КЦПС), оценивается степень устойчивости неармированного откоса. Если при этом расчетное значение коэффициента устойчивости Куст откоса оказывается больше требуемого Ктр, нет необходимости в повышении степени устойчивости откоса с использованием любых мероприятий, в том числе и метода армирования.
Если же в результате проведенных расчетов оказывается, что Куст меньше Ктр, целесообразно провести анализ места расположения критической поверхности смещения. В частности, если она заходит в основание конструкции, необходимо осуществление мероприятий по устранению такого эффекта с использованием различных средств и приемов, в том числе и обоснованной укладки непосредственно в основание насыпи армирующих прослоек.
С целью наиболее полного приближения расчетного аппарата к реальным условиям предусмотрена возможность учета при решении задачи расчета армированных откосов влияния равномерно распределенной на фиксированном отрезке поверхности насыпи нагрузки (рис. 1).
Таким образом, если в результате проведенных предварительных расчетов оказывается, что Куст меньше Ктр и дуга не захватывает слон основания, с целью повышения степени устойчивости откоса до требуемого уровня (Куст больше или равно Ктр) может оказаться целесообразным использование метода армирования. При этом в качестве армирующего элемента могут быть использованы различные конкретные материалы (геотекстиль, геосетки, георешетки и др.), обладающие определенными свойствами и характеристиками.
Собственно расчет армированных откосов осуществляется с использованием специально разработанной программы для ПЭВМ. В основу расчетной схемы положено представление о том, что в этом случае критическая дуга должна проходить через подошву откоса, т.е. захватывать весь откос по его высоте, а не отдельную его часть. Результаты многочисленных расчетов свидетельствуют, что в абсолютном большинстве случаев ситуация складывается именно таким образом.
Расчет конструкции осуществляется сверху вниз. При этом место расположения первой (верхней) армирующей прослойки выбирается исходя из условия минимально допустимого по технологическим или некоторым другим соображениям ее заглубления от поверхности насыпи. Примерно по тем же соображениям в качестве естественного ограничения фигурирует величина минимально допустимого расстояния по вертикали между соседними горизонтами армирования. В первом приближении обе ограничительные величины могут составлять 1 м.
С учетом определенных таким образом условий решение задачи оптимизационного расчета армированных откосов осуществляется с ориентацией на характеристики конкретного материала, который предполагается использовать в качестве армирующего. В общем случае по выбранному материалу необходимы количественные оценки следующих характеристик:
— разрывная нагрузка, т/м;
— модуль деформации, т/м.кв;
Рис. 1. Методологическая схема оптимизационного расчета армированных откосов
Основным используемым при решении задачи показателем, характеризующим выбранный материал, является величина разрывной нагрузки. Все другие характеристики материала необходимы в том случае, если предполагается определять расчетное значение осадки грунта под прослойкой от нагрузки Е1 = Е·cos α, где
Расчет армированного откоса осуществляется в следующей последовательности.
По известной величине Р разрывной нагрузки (или нагрузки, при которой достигается допустимый уровень удлинения материала) условие допустимости расположена прослойки на заданном уровне может быть определено из соотношения
Коэффициент 0,75 регулирует уровень использования прочностных свойств армирующего материала. В зависимости от значений характеристик материала (величина удлинения при различных нагрузках и др.) значение указанного коэффициента может быть выбрано иным.
Определяется критическое положение поверхности скольжения (КЦПС) при условии ее прохождения через подошву откоса, т.е. значения координат (А, В) места расположения ее центра и значение радиуса R, при которых достигается минимальное значение коэффициента устойчивости неармированного откоса.
Оптимальное место расположения очередного горизонта армирования откоса определяется поиском такой точки Хк, при которой на отрезке (Хн, Хк) выполняется условие (рис. 1)
оползневая нагрузка на горизонт в пределах отрезка (Хн, Хк);
При этом расчетный горизонт расположения прослойки в грунте откоса соответствует середине высоты (толщины) полосы армирующего материала.
Расчетное значение Хк итерационным путем выбирается таким образом, чтобы с заданной точностью (например, 0,0001) выполнялось условие (2). Если при этом оказывается, что расстояние
(5)
меньше предельно допустимого, необходимо либо использовать другой армирующий материал, обладающий более высокими прочностными характеристиками, либо увеличить количество полос на горизонте выбранного армирующего материала с повторением комплекса расчетов до тех пор, пока расстояние по вертикали между соседними горизонтами армирования окажется не меньше предельно допустимого.
При выполнении всех перечисленных условий оптимальное место расположения очередного горизонта армирования можно считать определенным с заданной точностью. После этого можно переходить к определению места расположения следующего горизонта армирования аналогичным образом, полагая
При этом в каждом случае анализируется текущее значение Хк. Если при соблюдении условия ( 1) в процессе расчетов Хк оказывается больше Хр (см. рис. 1), задача определения минимально необходимого количества горизонтов армирования (и полос материала) и оптимального места расположения каждого из них в теле насыпи с учетом положения критической поверхности скольжения откоса в целом может считаться решенной.
Вместе с тем, при использовании в качестве армирующих современных материалов с высокими прочностными показателями (разрывная нагрузка больше 5-10 т/м) в результате проведенных таким образом расчетов может оказаться, что все горизонты армирования располагаются в низовой части откоса. В таких случаях целесообразно дополнительно рассматривать задачу для верховой, незаармированной по результатам предшествующих расчетов, части откоса, начиная с определения места расположения локальной критической поверхности смещения (А1, В1, R1). При этом возможны два варианта решения этой указанной локальной задачи: с использованием выбранного материала с высокими прочностными характеристиками или же с заменой выбранного материала на другой, более дешевый и обладающий меньшими значениями прочностных показателей.
В первом случае (исходный материал) для обеспечения требуемой степени устойчивости Ктр верховой части откоса может быть назначена схема ее армирования с расстоянием между соседними горизонтами, равным минимально допустимому или несколько большим. В таком случае требуемый уровень устойчивости верховой части откоса будет обеспечен с определенным запасом.
Во втором случае (другой материал) решение задачи осуществляется в соответствии с общей схемой. Различие заключается лишь в том, что при этом в качестве расчетной конструкции следует рассматривать только верхнюю, незаармированную по результатам решения общей задачи, часть откоса, учитывая при этом как минимально допустимое значение глубины от поверхности насыпи расположения верхнего горизонта армирования, так и высоту верхней части конструкции, устойчивой (КЦПС) без дополнительных мероприятий.
По итогам решения такого комплекса задач может быть назначена схема оптимального расположения горизонтов армирования откоса в целом с учетом условий, определяемых как положением общей критической поверхности смещения, так и локальной с обоснованным выбором оптимального количества горизонтов армирования, полос армирующего материала на каждом горизонте.
Назначенная таким образом схема армирования откоса будет работать лишь в том случае, если выполнены некоторые дополнительные условия. В первую очередь, необходимо позаботиться о том, чтобы полоса армирующего материала на каждом горизонте была достаточно жестко зафиксирована в устойчивой части откоса с тем, чтобы предотвратить возможность ее выдергивания за счет действия оползневой нагрузки. Это условие может быть выполнено путем обоснованного расчета длины заделки армирующей прослойки в устойчивой части откоса.
Ю.В. Пудовым / 2/ предложено минимально необходимую длину заделки прослойки в устойчивой части откоса при ее горизонтальном расположении определять по формуле
(7)
Условие заделки прослойки в неустойчивой части откоса (зоне возможного обрушения) однозначно определяется полным перекрытием прослойкой неустойчивой части откоса с выходом ее на поверхность откоса.
В соответствии с зависимостью (7) длина заделки прослойки в устойчивой части откоса определяется величиной оползневой нагрузки на горизонт, а это означает, что она будет увеличиваться пропорционально количеству полос армирующего материала и принимать сравнительно меньшие значения при решении задачи локального армирования верховой части откоса.
2. Программное обеспечение оптимизационного решения задачи расчета армированных откосов
В общем случае решение задачи осуществляется с использованием двух разработанных программных комплексов.
Оценка устойчивости откосов осуществляется с использованием разработанной в Союздорнии / 2/ интегральной модификации известного метода круглоцилиндрических поверхностей скольжения. В отличие от классической расчетной схемы метода, разработанная его интегральная модификация полностью реализует основную рабочую гипотезу метода: смещение неустойчивой части откоса происходит по дуге окружности, а не по ломаной поверхности, когда отрезок дуги заменяется хордой. При этом в разработанной модификации метода отсутствует необходимость разбиения отсека обрушения на ограниченное количество расчетных блоков, ширина которых оказывает определенное влияние на точность результатов расчетов. Формально предложенная модификация метода рассматривает бесконечное множество расчетных блоков нулевой ширины или, что то же самое, весь отсек обрушения в качестве единого расчетного блока.
В соответствии с основной концепцией метода КЦПС степень устойчивости откоса определяется по значению коэффициента его устойчивости
(9)
Разработанная интегральная модификация метода ориентирована на координатное представление как дуги скольжения, так и геометрических параметров конструкции.
Если уравнение поверхности откоса (или ее отдельных частей) записать в виде
а уравнение дуги круглоцилиндрической поверхности скольжения в виде
то основные слагающие части выражения (9) могут быть представлены в виде
(12)
(13)
(14)
(15)
С точки зрения организации вычислительного процесса формально назначаются расчетные блоки, в пределах которых не изменяются значения параметров А, В, С, φ в автоматическом режиме.
Для уточнения значений параметров а, в, R критической поверхности скольжения, которой соответствует минимально возможное значение коэффициента устойчивости, организованы направленные итерационные циклы, позволяющие получить решение задачи с высокой точностью: в программах комплекса величина погрешности вычисления не превышает 0,0001.
В общем случае программный комплекс рассчитан на оценку устойчивости откосов конструкций, имеющих сложную геометрию поверхности откоса и сложную неоднородную структуру ( рис. 2). Конструкция может состоять из нескольких (до 10) слоев, каждый из которых может отличаться видом и свойствами слагающего его грунта, геометрическими параметрами, принадлежностью к насыпи или основанию.
Программный комплекс ориентирован на геометрическое представление исходной информации по каждой рассчитываемой конструкции и на определенный способ ее представления.
По каждому варианту предусмотрен ввод следующих данных:
1. Признак IPR, в соответствии со значением которого в автоматизированном режиме осуществляется настройка программного комплекса на определенную схему организации вычислений.
Программно подготовленные таким образом исходные данные на расчет варианта переводятся в координатную форму представления и в соответствии с заданным значением признака IPR осуществляется расчет варианта. Предусмотрена возможность рассмотрения 5 различных значений признака IPR:
При подготовке исходных данных на расчет варианта следует иметь в виду, что значения удельного веса грунтов по всем слоям конструкции не должны существенно различаться, так как при расчетах в качестве осредненного весового показателя грунта в пределах расчетного блока принимается значение удельного веса грунта слоя, в пределах которого проходит дуга.
В рамках общей задачи результаты оценки устойчивости неармированного откоса, предварительно полученные с использованием программного комплекса RUO, позволяют:
— определить значение коэффициента устойчивости откоса, в соответствии с которым сделать вывод о необходимости осуществления мероприятии по повышению степени устойчивости откоса до требуемого уровня;
— проанализировать положение критической поверхности скольжения, оценить влияние основания конструкции на устойчивость откосов;
— в соответствии с эпюрой распределения по протяженности поверхности скольжения оползневой нагрузки оценить целесообразность использования того или иного армирующего материала для обеспечения требуемой степени устойчивости откоса методом армирования.
По каждому рассчитанному варианту в табличной форме выводятся основные исходные данные, а также дополнительная, введенная в зависимости от значения признака IPR, информация.
В качестве результатов расчетов выводятся значение коэффициента устойчивости неармированного откоса и параметры критической поверхности скольжения в системе координат бровка-подошва откоса. В табличной форме выводится информация, характеризующая закономерность изменения баланса удерживающих и сдвигающих сил и других показателей как по отдельным блокам (для удобства пользования шириной не более 1 м), так и по протяженности дуги.
С использованием полученных таким образом результатов расчетов могут быть определены условия и подготовлены исходные данные для решения задачи оптимизационного расчета армированного откоса с использованием разработанного для этой цели программного комплекса ОРАО.
Перечень исходных данных для этого комплекса несколько изменен по сравнению с данными для RUO с сохранением при этом общего принципа их формирования для расчета конкретной конструкции.
В соответствии с тем, что при расчете в этом случае предполагается, что дуга проходит через подошву откоса, нет необходимости в рассмотрении признака IPR и во вводе дополнительной информации в том составе и виде, на которые был ориентирован комплекс RUO.
Помимо этого, в расчете армированных откосов в общем случае могут оказаться необходимыми и несколько расширенные данные, касающиеся характеристик слагающих откос грунтов. Дополнительно к информации, необходимой для работы с комплексом RUO, в этом случае по каждому конструктивному слою могут понадобиться значения модуля деформации (т/м.кв.) и коэффициент Пуассона грунта слоя.
В качестве дополнительной информации при работе с комплексом ОРАО вводится следующая информация:
— интенсивность равномерно распределенной на ограниченном отрезке поверхности насыпи внешней нагрузки q и границы XG1 и XG2 такого отрезка относительно бровки откоса. При нулевом значении нагрузки границы отрезка не вводятся;
— требуемое значение коэффициента устойчивости откоса Ктр;
— номер в локальной базе данных материала, выбранного в качестве армирующего. В случае отсутствия информации о конкретном материале в локальной базе данных комплекса ОРАО возможен ввод его характеристик с экрана.
По каждому рассчитанному варианта выводятся в полном объеме исходные данные, а также результаты расчетов в следующем составе:
результаты оценки устойчивости откоса в целом и его верховой части;
в табличной форме полученная в результате расчетов схема армирования откоса.
3. Примеры использования разработок
Пример 1
В качестве примера, в определенной степени иллюстрирующего возможности программных комплексов и результаты расчетов на их основе, была рассмотрена однородная по структуре насыпь с простым заложением откосов повышенной крутизны ( рис. 3).
Расчеты осуществлялись в два этапа.
толщина слоя Н = 10 м
заложение откоса = 0,5
протяженность бермы = 0
сцепление грунта С = 1 т/м.кв.
угол внутреннего трения грунта =10 град
удельный вес грунта = 1,9 т/м.куб.
Признак конца исходных данных 99999.
Получены следующие результаты расчетов:
коэффициент устойчивости откоса Куст = 0,493;
параметры критической поверхности скольжения:
Расчет устойчивости откоса и склона
Основные положения по расчету устойчивости откосов и склонов
Расчет устойчивости откоса и склона предполагает, во-первых, определение схемы наиболее вероятного разрушения, и, во-вторых, определение расчетного коэффициента устойчивости для этой схемы. Необходимость расчета устойчивости откоса и склона крайне часто возникает в инженерной практике. В данной статье описан современный подход к выполнению этого расчета, и приведены рекомендации для Заказчиков и инженеров.
Коэффициент устойчивости откоса (склона) – это отношение суммы всех сил, удерживающих откос в равновесии, к сумме всех сдвигающих сил, стремящихся вывести его из равновесия.
Коэффициент устойчивости подразделяют на:
– расчетный коэффициент устойчивость, который определяется в ходе геотехнических расчетов;
– нормативный (требуемый, допустимый) коэффициент устойчивость, который установлен нормативными документами.
Расчетный коэффициент устойчивости kst должен быть более или равен нормативному коэффициенту устойчивости [kst], определяемому согласно СП 116.13330.2012.
Из определения коэффициента устойчивости видно, что по результатам расчетов возможны четыре основных варианта:
Варианта №1
Значение коэффициента устойчивости выше единицы (kst>1) – это означает, что анализируемый откос или склон устойчив.
Вариант №2
Значение коэффициента устойчивости приблизительно равно единице (kst≈1) – это означает, что анализируемый откос или склон находится в состоянии предельного равновесия.
Вариант №3
Значение коэффициента устойчивости менее единицы (kst
Вариант №4.
Вариант №4. По расчету склон не устойчив, а по факту – устойчив, или наоборот. Это особый случай, который подробнее рассмотрим ниже.
Порядок работ по оценке устойчивости откосов и склонов
Оценка устойчивости существующего и проектируемого склона должна включать:
Выполняя расчеты, следует учитывать следующие положения СП 436.1325800.2018:
Исходные данные для расчета устойчивости склона
Для расчета устойчивости склонов и откосов необходимо построить расчетные сечения, которые в общем случае содержат следующую основную информацию:
