Возможности PLAXIS 2D для оценки деформаций устоев путепровода на сжимаемом основании
Если слишком экономить и не соблюдать стандарты на всех стадиях жизненного цикла мостового сооружения, то возможны его деформации и даже разрушение, что может привести к гибели сотен людей и к большим экономическим потерям. Поэтому надо относиться очень серьезно к поиску причин аварийных ситуаций, связанных с такими строительными объектами. В предлагаемой статье перечисляются основные виды этих объектов, приводятся примеры их катастрофических разрушений из-за ошибок изыскателей, проектировщиков, строителей или эксплуатирующих организаций, а также подробно рассматривается случай возникновения смещений концевых опор путепровода мостового типа, построенного на слабых грунтах, и результаты его двумерного численного анализа методом конечных элементов в программном комплексе PLAXIS 2D.
Статья подготовлена при поддержке компании "НИП-Информатика" — партнера журнала "ГеоИнфо".
![](/images/dynamic/img46909.jpg)
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СООРУЖЕНИЙ МОСТОВОГО ТИПА
Одними из самых первых инженерных сооружений, которые начали строить люди еще тысячи лет назад, были мосты для преодоления водных преград. Например, на рисунке 1 представлена фотография каменного Мульвиева моста (Понте Мильвио) через реку Тибр в Риме. Он был построен в 109 году до нашей эры (причем деревянный мост на этом же месте существовал еще за 100 лет до этого). Правда, в 1870 году его пришлось восстанавливать из-за повреждений в результате ряда военных действий в разные века. Этим мостом пользуются до сих пор, однако машины по нему ездили лишь до 1956 года, а потом его объявили памятником старины и сделали исключительно пешеходным [10, 11].
![Рис. 1. Мульвиев мост через реку Тибр в Риме, построенный в 109 году до нашей эры, – самый древний из ныне действующих мостов [10]](/images/dynamic/img42555.jpg)
На рисунке 2 — фотография одного из современных чудес инженерной техники. Это самый длинный мост в мире через водное пространство, пересекающий северную часть залива Цзяочжоу. Мост соединяет город Циндао и пригородный промышленный район Хуандао в Китае. Его длина составляет 42,5 км. Впрочем, китайцы уже построили комплекс, состоящий из серии мостов и подводных тоннелей, пересекающий дельту Жемчужной реки, общей длиной 49,6 км (между Гонконгом, Чжухаем и Макао) [7, 10, 21].
![Рис. 2. Самый длинный мост в мире через водное пространство длиной 42,5 км (Циндаосский), пересекающий северную часть китайского залива Цзяочжоу [10]](/images/dynamic/img42556.jpg)
Если сооружение строится не для пересечения водной преграды, а над автомобильной или железной дорогой, то оно называется путепроводом мостового типа. Такие сооружения имеют от 1 до 4 пролетов. Если же пролетов больше, то это уже эстакада, причем проходить она может сразу над несколькими видами препятствий. Самая длинная из них в мире – эстакада Банг На в Таиланде длиной 54 км.
Для пересечения оврагов, ущелий и прочих значительных неровностей рельефа строят виадуки. От эстакад их отличает отсутствие однотипных опор под ними. На рисунке 3 представлена фотография виадука Мийо на юге Франции, самая большая из опор которого имеет высоту 341 м [3, 10].
![Рис. 3. Виадук над долиной реки Тарн вблизи города Мийо на юге Франции [3]](/images/dynamic/img42557.jpg)
Если по мостовому сооружению бежит вода (в канале или по трубе), то это уже акведук. Акведуки начали строить еще древние вавилоняне, египтяне, римляне и греки для ирригации и доставки воды в города (рис. 4). Современные акведуки служат тем же целям, но иногда бывают совсем уж необычными – по ним даже может ходить водный транспорт (рис. 5) [1, 2, 10].
![Рис. 4. Акведук длиной 728 м и высотой 28 м, построенный древними римлянами в испанском городе Сеговия предположительно в первом столетии нашей эры [2]](/images/dynamic/img42558.jpg)
![Рис. 5. Магдебургский водный мост (акведук), соединяющий внутренний порт Берлина с портами на Рейне в Германии [10]](/images/dynamic/img42559.jpg)
В широком смысле слова все рассмотренные выше сооружения являются мостами, но все же технологии их строительства различны. Поэтому для подобных объектов обычно используют обобщенный термин «мостовые сооружения» [9].
РАЗРУШЕНИЯ МОСТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ И ИХ ПРИЧИНЫ
Если слишком экономить, не соблюдать нормы и допускать ошибки на стадиях инженерных изысканий, проектирования, изготовления строительных материалов, строительства или последующего обслуживания мостовых сооружений, то возможны их обрушения, а в таких ситуациях порой погибает столько же людей, сколько и при авиакатастрофах, не говоря уже о гигантских экономических потерях [16]. К сожалению, такие случаи не являются слишком большой редкостью [4].
Приведем примеры двух значительных катастроф, случившихся за последние 2 года только в Италии.
14 августа 2018 года на автостраде А10 в Генуе рухнула одна из двух центральных опор колоссального виадука Польчевера (моста Моранди), а вместе с ней – 200-метровый пролет (рис. 6). В тот момент на нем было много автотранспорта. Тогда погибло 43 человека и десятки пострадали. Только чудом не были разрушены жилые дома под сооружением. Непосредственными причинами происшествия были названы изношенность виадука, построенного еще в 1967 году, отсутствие должного мониторинга его состояния и соответствующих ремонтных работ (хотя инженеры уже в 2009, 2011 и 2016 годах сообщали об интенсивном износе опоp и дорожного покрытия виадука и предупреждали о возможности катастрофы). Но исходная причина заключалась в следующем: при строительстве этого сооружения в 1960-х годах не было учтено, что железобетон со временем деградирует, а затем разрушается, и стяжки моста были выполнены из железобетона, а не из металла. Из-за непрерывных вибраций от дорожного движения и ветровых нагрузок в бетоне появились микротрещины, в результате чего воздух и влага достигли металлической арматуры и привели к ее коррозии. Поэтому изношенный виадук Польчевера после обрушения не стали восстанавливать и ликвидировали, хотя сделать это надо было намного раньше – до катастрофы [5, 14, 16, 20].
![Рис. 6. Обрушенный пролет виадука Польчевера (моста Моранди) на автостраде А10 в Генуе (Италия, 2018 г.) [5]](/images/dynamic/img42560.jpg)
А 8 апреля 2020 года целиком обрушился 260-метровый мост через реку Магра в тосканской провинции Аулла на севере Италии (рис. 7). Двое водителей получили травмы. Жертв не оказалось только потому, что дороги практически пустовали в результате карантина из-за пандемии коронавирусной инфекции. Причины этого обрушения пока не объявлены, но, судя по многочисленным фотографиям разрушенных опор моста, которые можно найти в интернете, это были и ошибки проектирования, и изношенность сооружения [12].
![](/images/dynamic/img42561.png)
В статье «Риск может стоить слишком дорого: из опыта Италии» [18, 19], опубликованной в журнале «Геоинфо» в мае 2018 года, рассказывалось о том, что в этой стране вплоть до настоящего времени часто случаются обрушения зданий и сооружений, которые были возведены во время строительного бума в 1960-е годы. Компании тогда зарабатывали в том числе и на том, что старались потратить меньше времени и денег на инженерные изыскания, проектирование, материалы и строительство, а коррумпированные чиновники в огромных количествах воровали бюджетные средства, выделенные на строительство государственно важных объектов. Поэтому допускались безобразные ошибки на всех стадиях развития проектов. Да и теперь эта безалаберная итальянская экономия на всем хоть и в меньшей степени, но продолжается. Не проводится мониторинг работы изношенных сооружений, не выполняется их своевременный ремонт (или снос). Об этом приходится напоминать, поскольку ситуация в России в постсоветское время во многом напоминает итальянскую.
В таблице 1 представлена краткая информация лишь по малой доле катастроф с мостовыми сооружениями в разных странах, случившихся из-за ошибок на этапах инженерных изысканий, проектирования или эксплуатации [4–6, 8, 12–17, 20]. А ведь бывают еще обрушения таких объектов из-за стихийных бедствий (землетрясений, селей, оползней, ураганов и т.д.). Но даже для таких случаев можно предусмотреть достаточный запас прочности таких сооружений и минимизировать все риски.
Таблица 1. Некоторые катастрофы, связанные с обрушениями мостовых сооружений [4–6, 8, 12–17, 20]
![](/images/dynamic/img42573.jpg)
Как видно из таблицы 1, мостовые сооружения, как правило, разрушаются неожиданно, что приводит к большому количеству жертв и к экономическим потерям. Поэтому к поиску причин их отказов надо относиться более чем серьезно.
Например, И.И. Овчинников с коллегами в своей работе [15] выделили следующие группы причин аварий таких объектов:
- недоучет ветровой нагрузки и аэродинамическая неустойчивость сооружения;
- потеря устойчивости элементов сооружения;
- ошибки в технологии ведения строительно-монтажных и ремонтных работ;
- перегрузка несущих конструкций;
- резонансные эффекты или «усталость» материала;
- деградация материала в процессе эксплуатации или в результате неблагоприятного воздействия окружающей среды;
- недостаточная надежность и расстройства соединений;
- несоблюдение установленных габаритов перевозимых грузов и величин подвижных нагрузок;
- отсутствие технического надзора;
- появление дополнительных усилий и деформаций из-за геологических, гидрологических, оползневых, сейсмических явлений и других стихийных бедствий;
- навал судов или наезд других видов транспорта на опоры мостовых сооружений;
- воздействия на конструкции моста форс-мажорных нагрузок;
- ошибки в расчетах при проектировании;
- использование некачественных материалов при строительстве.
К этому списку, конечно, необходимо добавить (даже поставить на первое место) недостаточные и/или некачественные инженерные изыскания и, соответственно, отказы мостовых сооружений, например, из-за непредвиденных воздействий окружающей среды или поведения грунтовых оснований.
АНАЛИЗ ДЕФОРМАЦИЙ ПУТЕПРОВОДА НА СЖИМАЕМОМ ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ
Выявление причин отказов мостовых сооружений должно помогать совершенствованию методов их проектирования, строительства, эксплуатации, а также контроля и мониторинга на всех этапах. В том числе такой анализ должен способствовать более четкому определению внешних факторов, воздействующих на эти объекты, уточнению нормативных и расчетных нагрузок на них, разработке более совершенных методов расчета, построению и анализу более корректных расчетных моделей [15].
В связи с вышесказанным будет уместно рассмотреть, например, анализ причин нарушений концевых опор путепроводов, описанный в докладе канадских специалистов по геотехнике и гражданскому строительству А. Турана и др. «Горизонтальные деформации устоя путепровода мостового типа из-за сжимаемых грунтов основания» [23]. Этот доклад был сделан на Седьмой международной конференции по практическому опыту в геотехнике, которая проходила в 2013 году в Университете науки и технологий штата Миссури в США. Кратко рассмотрим материалы этой работы.
Деформации путепроводов в канадской провинции Онтарио, построенных в 1960-х годах
В случае слабых грунтов основания для строительства промежуточных и концевых опор путепроводов мостового типа приходится устраивать фундаменты глубокого заложения. В канадской провинции Онтарио опоры таких сооружений обычно поддерживаются забивными сваями-стойками, опирающимися на глубоко залегающую коренную породу. Однако устройство насыпей на подходах к путепроводам, построенным на дорогах данного региона в 1960-х годах на слабых сжимаемых грунтовых основаниях, по крайней мере в семи случаях привело к значительным вертикальным и горизонтальным смещениям грунтов оснований и насыпных материалов. Эти смещения привели к воздействию сил отрицательного поверхностного трения (направленных вертикально вниз) и горизонтальных усилий на боковые поверхности свайных фундаментов устоев. В результате возникли деформации и смещения свай и самих устоев, причем в трех случаях из указанных семи они были недопустимыми, поэтому пришлось проводить дорогостоящие ремонтные работы.
Описание конкретного случая в Онтарио
А. Туран с коллегами [23] более подробно описали случай с большими осадками подходных насыпей и их грунтовых оснований, которые привели к деформациям фундаментов концевых опор после завершения строительства путепровода мостового типа на авеню Брукдейл (на шоссе № 401 в канадской провинции Онтарио). Деформации и смещения были таковы, что потребовались существенные ремонтные работы.
Первоначальные исследования грунтового основания будущего путепровода были проведены в 1961 году. После строительства и возникновения смещений его устоев на этапе эксплуатации были выполнены дополнительные изыскания в 1965 году для анализа причин деформаций.
Территория расположения данного объекта с поверхности сложена 10,5-метровой толщей чувствительных слабых отложений (от твердых до текучепластичных и текучих), сформировавшихся в конце ледникового периода на дне древнего Шамплейнского моря и относящихся к геологической формации Leda clay. Они состоят из глины, ила и мелкого песка (будем называть их ледскими глинами). Верхние 2 м этой толщи образуют твердый поверхностный слой (корку).
Под толщей ледских глин залегает 3-метровый слой валунной глины (тилля) с большим количеством песка и гравия с валунами. А под ним – коренная порода.
Сам путепровод, построенный в 1961 году, представляет собой четырехпролетное мостовое сооружение, которое поддерживается северной и южной концевыми опорами (устоями) и тремя группами промежуточных свайных опор. Использовались стальные забивные сваями 12 ВР 53.
В фундаменте каждого устоя – по 18 свай, расположенных в 2 ряда с шагом 1,5 м. Сваи в первом ряду не вертикальны, их исходный наклон – 4V:1H
Каждая промежуточная опора поддерживается фундаментом из 28 вертикальных свай, также расположенных в два ряда.
Высота обеих насыпей подходов к путепроводу составляет 6,7 м. Откосы насыпей стабилизированы с помощью берм высотой 3,5 м и шириной 16 м и имеют уклон 2:1 как по бокам, так и перед насыпью (рис. 8-11).
![Рис. 8. Фотография путепровода мостового типа на авеню Брукдейл [23]](/images/dynamic/img42562.png)
![Рис. 9. Схема устройства путепровода мостового типа на авеню Брукдейл и разрез его грунтового основания [23]](/images/dynamic/img42563.jpg)
По результатам инженерных изысканий на площадке строительства путепровода были выделены слои сильносжимаемых грунтов. Спрогнозировали, что создание подходных насыпей вызовет консолидационные осадки грунтов основания, которые будут продолжаться в течение длительного периода времени. Такие условия, конечно, сразу вызвали опасения насчет стабильности насыпи. Но было решено, что поддержка устоев путепровода сваями-стойками из широкополочных двутавров (с H-профилем), упирающимися в коренную породу (см. рис. 9), исключит возникновение деформаций сооружения.
Устройство насыпей на подходах к путепроводу производилось после установки свай через промежуток времени, который сочли достаточным, чтобы глина, структура которой нарушилась из-за забивки свай, восстановила свою первоначальную прочность. На насыпях были установлены контрольно-осадочные марки для последующего мониторинга осадок (см. рис. 10, 11). Эти вертикальные смещения продолжались более 5 лет, и их максимальная величина достигла 1,02 м в верхних частях насыпей (рис. 12).
![Рис. 10. Северная подходная насыпь с бермами в плане. Кружками с номерами 1–7 обозначены контрольно-осадочные марки для нивелирования [23]](/images/dynamic/img42564.jpg)
![Рис. 11. Поперечный разрез северной подходной насыпи A–A' (см. рис. 10). Кружками с номерами 1–7 обозначены контрольно-осадочные марки для нивелирования [23]](/images/dynamic/img42565.jpg)
![Рис. 12. Результаты мониторинга осадок подходных насыпей путепровода для осадочных марок 1, 3, 5, 7, обозначенных цифрами в кружках [23]](/images/dynamic/img42566.jpg)
Дело в том, что нагрузки от каждой насыпи в процессе ее консолидации вызвали развитие упругопластических деформаций и уплотнения ее естественного грунтового основания, поверхность которого в конце концов приняла чашеобразную форму. В свою очередь, насыпь, опирающаяся на основание, следовала за изменениями формы его поверхности. Эти процессы усугублялись работами по техническому обслуживанию сооружения, состоявшими в подсыпке грунта или в укладке асфальта для доведения поверхности подходной насыпи до первоначального уровня.
Такая перегрузка насыпей и их оснований привела к возникновению горизонтального давления на устои и поддерживавшие их сваи в направлениях от мостового сооружения. Поэтому по мере развития осадок грунтов устои постоянно смещались в указанных направлениях, что было специфично именно для данного места (поскольку в остальных шести вышеупомянутых случаях в Онтарио устои смещались, наоборот, к центру). Это привело к наклону подвижных опорных частей сооружения и к серьезным деформациям их неопреновых прокладок.
Непрерывного мониторинга смещений концевых опор путепровода на авеню Брукдейл, к сожалению, не было. Однако при его техническом обслуживании было обнаружено, что к 15 сентября 1963 года они составили 19 мм. Подвижные опорные части устоев были снова установлены в нужные положения в декабре 1964 года. Однако из-за продолжавшихся осадок пришлось выполнить еще одну их переустановку осенью 1967 года.
Методология численного анализа рассматриваемого случая
Чтобы изучить взаимодействия между подходной насыпью рассматриваемого путепровода, сжимаемым грунтовым основанием, концевой опорой и ее свайным фундаментом, авторы работы [23] использовали двумерный нелинейный анализ методом конечных элементов в коммерческом программном комплексе PLAXIS 2D.
Остановимся сначала на методологии выполненного ими численного анализа.
Поведение каждого ряда свай в свайных фундаментах, идущего перпендикулярно линии путепровода, было упрощено до поведения эквивалентной шпунтовой стенки с использованием модели плоской деформации (расчет производился в версии программы, не имеющей специального элемента для моделирования свай, так как он появился позднее. – Ред.). Было принято, что общая жесткость сваи и грунта на изгиб равна таковой для стенки на единицу ее ширины. Однако, поскольку вклад грунта в общую изгибную жесткость очень мал, им пренебрегли. Смещения слабого грунта между сваями также не учитывались.
Поведение материала насыпи, тилля и коренной породы (см. рис. 9) моделировалось с помощью упругопластической модели Мора – Кулона. Работа слабой глинистой толщи была смоделирована с использованием модели слабого грунта (Soft Soil – SS), представленной в программном комплексе PLAXIS 2D. В этой модели принимается логарифмическая связь между относительной объемной деформацией εv и средним эффективным напряжением p'. Эта связь выражается следующей формулой:
![](/images/dynamic/img42551.jpg)
Чтобы сохранить корректность уравнения (1), значение p' приводится к единичному напряжению. Модифицированный коэффициент компрессии λ* в модели определяет первоначальную сжимаемость материала. В отличие от коэффициента компрессии λ, который связан с коэффициентом пористости, параметр λ* является функцией относительной объемной деформации.
Модифицированный коэффициент рекомпрессии к* определяет сжимаемость материала во время разгрузки и повторного нагружения. В отличие от коэффициента рекомпрессии к, который связан с коэффициентом пористости, параметр к* является функцией относительной объемной деформации (рис. 13).
![Рис. 13. Натурально-логарифмическая зависимость между объемной деформацией εv и средним эффективным напряжением p' [23]](/images/dynamic/img42567.jpg)
Указанные характеристики связаны между собой следующим образом:
![](/images/dynamic/img42552.jpg)
![](/images/dynamic/img42553.jpg)
Величина e в уравнениях (2) и (3) представляет собой средний коэффициент пористости, измеренный при испытаниях в одометре.
На рисунке 14 изображена поверхность текучести, принятая в модели SS.
![Рис. 14. Поверхность текучести для модели слабого грунта (модели SS) [23]](/images/dynamic/img42568.jpg)
Параметры модели Мора – Кулона и модели SS, использованные при численном анализе, приведены в таблице 2.
Параметры модели Мора – Кулона были получены по результатам испытаний грунтов на срез крыльчаткой, на одноосное сжатие и на трехосное сжатие, взятым из геотехнического отчета. Был также проведен ряд компрессионных испытаний для определения консолидационных характеристик слабой глины.
Параметры модели SS для слоев глины были рассчитаны на основе результатов компрессионных и трехосных испытаний.
Таблица 2. Параметры грунта [23]
![](/images/dynamic/img42574.jpg)
Численное моделирование
Чтобы выяснить, как взаимодействия в системе «сжимаемое грунтовое основание – насыпь – устой и его свайный фундамент» привели к значительным смещениям концевых опор путепровода, авторы доклада [23] выполнили серию численных анализов поведения этой системы с использованием метода конечных элементов (МКЭ) на основе решения системы связанных между собой уравнений «напряжение – деформация».
При численном моделировании каждая точка водонасыщенного массива грунта подвергается общему напряжению σ, которое является суммой эффективного напряжения σ', передаваемого скелетом грунта, и порового давления u. При приложении внешних нагрузок между двумя точками массива грунта возникает градиент порового давления. В результате возникает фильтрационный поток воды. Постепенно дополнительные напряжения переносятся на матрицу грунта, поровое давление уменьшается, и таким образом грунт уплотняется.
На рисунке 15 показана конечноэлементная модель, использованная при анализах, выполненных А. Тураном и др. [23] в программном комплексе PLAXIS 2D. Подходная насыпь, устой мостового сооружения и грунтовое основание были смоделированы с помощью 15-узловых элементов, деформирующихся в одной плоскости. Сваи – с использованием линейно-упругих балочных элементов, полностью связанных с грунтом (например, разъединение и проскальзывание не допускались). Для соединения сваи с ростверком были рассмотрены фиксированные условия. Горизонтальные границы были расширены на 50 м от подходной насыпи в каждом направлении, чтобы минимизировать граничные эффекты.
![Рис. 15. Конечноэлементная модель грунтового основания и подходной насыпи путепровода, построенная в программном комплексе PLAXIS 2D. Синим цветом показаны сваи, поддерживающие устой путепровода [23]](/images/dynamic/img42569.jpg)
Первоначально была смоделировано естественное строение грунтового основания и ко всем слоям был применен эффективный собственный вес (К0-процедура. – Ред.). Граничные условия на поверхности толщи слабой глины были приняты открытыми (водопроницаемыми), а на подстилающем слое тилля – закрытыми (непроницаемыми).
На последующих этапах были смоделированы установка свай и поэтапное создание подходной насыпи. Полученная модель допускала проскальзывание между сваями и окружающими их слабыми грунтами. Принималось, что материал насыпи имеет более высокую проницаемость по сравнению со слабой глиной в основании. После завершения поэтапного строительства был выполнен расчет консолидации на период 2000 суток.
Результаты численного моделирования
Результаты полевых измерений (см. рис. 12) в свое время показали, что за 1900 суток максимальные общие осадки марок 3 и 5 составили 1,02 и 0,92 м соответственно.
На рисунке 16 представлено развитие осадки в месте наибольшего снижения уровня поверхности по результатам моделирования в PLAXIS 2D. Максимальная осадка поверхности слабой глины, рассчитанная с использованием численной модели, составила 0,93 м. Таким образом, осадки (и их скорости) по результатам измерений и моделирования хорошо согласуются между собой. Тут авторы доклада [23] отмечают, что полная (конечная) консолидационная осадка грунтового основания, рассчитанная с использованием теории 1D консолидации Терцаги, составила 0,74 м. Это указывает на то, что нагрузка от насыпи увеличила уплотнение и осадку основания (впрочем, недостатком использования теории одномерной консолидации являются некорректные результаты за пределами применимости, что на практике встречается довольно часто. – Ред.).
![Рис. 16. Смоделированная максимальная осадка поверхности грунтового основания [23]](/images/dynamic/img42570.jpg)
Моделирование горизонтальных смещений в толще слабых глин показало их значительные величины (рис. 17), причем максимальная горизонтальная деформация величиной 0,5 м была вызвана нагрузками от подходной насыпи. Вероятно, реальные деформации грунтового основания были выше из-за эффектов ползучести (текучести), но, к сожалению, полевые измерения этих перемещений в свое время не проводились, поэтому авторам доклада [23] не удалось выполнить соответствующие сравнения (для этого можно было бы использовать модель слабого грунта с учетом ползучести, то есть модель Soft Soil Creep. – Ред.).
![Рис. 17. Распределение горизонтальных перемещений в грунтовом основании и подходной насыпи в изолиниях, смоделированное в PLAXIS 2D. Синим цветом показаны сваи, поддерживающие устой путепровода [23]](/images/dynamic/img42571.jpg)
Смоделированное распределение общих вертикальных деформаций (рис. 18) показало вогнутую форму поверхности насыпи на сжимаемом основании. Максимальная осадка этой поверхности составила 1,1 м. Максимальная отметка осадки находится примерно в 10 м от устоя. На рисунке 18 также видна деформированная форма концевой опоры и поддерживающих ее свай. Из всего этого А. Туран с коллегами [23] сделали вывод, что перемещения устоя и его свайного фундамента были вызваны деформацией грунта основания и материала насыпи, причем результирующая сила, действовавшая на эти конструкции, была направлена от моста (вправо на рис. 17, 18. – Ред.).
![Рис. 18. Распределение общих вертикальных перемещений в грунтовом основании и подходной насыпи в изолиниях, смоделированное в PLAXIS 2D. Синим цветом показаны сваи, поддерживающие устой путепровода [23]](/images/dynamic/img42572.jpg)
Единственное полевое измерение, касавшееся деформаций концевой опоры, было зарегистрировано во время восстановительных работ в 1964 году. Перемещение устоя тогда составило 19 мм в направлении от мостового сооружения. Результаты, полученные с помощью конечноэлементного анализа в PLAXIS 2D, указали на перемещение устоя в том же направлении (см. рис. 17, 18). А это уже говорит о достаточной пригодности выполненных расчетов, несмотря на упрощенный подход (учет только статического поведения системы, принятие плоской деформации ряда свай в виде шпунтовой стенки, пренебрежение перемещениями слабого грунта между сваями, неучет воздействий самого мостового сооружения, его проезжей части, ветра, а также истории мониторинга устоев). Хотя, к сожалению, авторы доклада [23] не смогли провести прямое сравнение между всеми смоделированными и фактическими деформациями из-за отсутствия доступных результатов измерений.
Заключение
Таким образом, авторы доклада [23] показали, что на основе достаточных и качественных результатов инженерных изысканий можно с приемлемой точностью оценить консолидационные осадки сжимаемого грунтового основания и подходной насыпи и их воздействие на свайные фундаменты концевых опор с использованием конечноэлементной программы PLAXIS 2D, даже используя простую модель слабого грунта (SS) и ряд упрощающих допущений.
Уроки, извлеченные из случая с путепроводом мостового типа на авеню Брукдейл и других подобных случаев в канадской провинции Онтарио (еще до исследования А. Турана с коллегами [23]), привели к усовершенствованию технологии строительства подобных сооружений на слабых грунтах в этом регионе. Теперь при возведении путепроводов там сначала выполняют предварительное нагружение (временную пригрузку) сжимаемого грунтового основания до достижения им прогнозируемых осадок и соответствующей степени уплотнения. И лишь после этого устанавливают сваи под устои и формируют подходные насыпи. Причем, чтобы уменьшить нагрузки на основания, насыпи делают из легких материалов (например, из пенополистирола или пористого доменного шлака), а для ускорения рассеивания порового давления воды в них обязательно устанавливают вертикальные дрены.
Благодаря этому в Онтарио больше не происходят излишние осадки грунтовых оснований и подходных насыпей и не возникают перемещения и деформации устоев путепроводов и их свайных фундаментов. Соответственно, сведены к минимуму риски отказов таких мостовых сооружений и излишних трат на ремонтные работы.
Хотя, конечно, в этом регионе ищут и альтернативные решения (например, устройство буронабивных фундаментов устоев и подходных насыпей), поскольку предварительная консолидация (временная пригрузка) основания требует времени и денег.
Описанные подходы можно использовать для строительства путепроводов мостового типа и в других регионах с похожими грунтовыми условиями. В любом случае результаты работы А. Турана и др. [23] должны быть интересны для исследователей и практиков, которые применяют конечноэлементное моделирование.
Например, в России есть опыт выполнения сложных геотехнических расчетов в программном комплексе PLAXIS при проектировании двух путепроводов на слабых грунтах без применения свай, а с использованием ленточных дрен и временной пригрузки на дороге М11 Москва – Санкт-Петербург [22].
В заключение хотелось бы еще раз напомнить, что экономия заказчиков и инвесторов не должна приводить к несоблюдению стандартов на этапах инженерных изысканий, проектирования, строительства, мониторинга и обслуживания мостовых сооружений. Это может слишком дорого обойтись.
Что касается прикладных научных исследований, то анализ рисков и причин возможных аварийных ситуаций должен активно служить для усовершенствования нормативных документов и технологий строительства таких объектов.
Статья подготовлена при поддержке компании «НИП-Информатика» – партнера журнала «ГеоИнфо».
Источники
- Акведук // Ru.wikipedia. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Акведук.
- Акведук в Сеговии // Ru.wikipedia. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Акведук_в_Сеговии.
- Виадук Мийо // Ru.wikipedia. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Виадук_Мийо.
- Гайдукевич Д. Крушения мостов: самые известные случаи // Auto.mail.ru. 16.08.2018. URL: https://auto.mail.ru/article/69876-krusheniya_mostov_samye_izvestnye_sluchai/.
- Горская М. Самые страшные случаи обрушения мостов в истории // Экспресс Газета. 20.04.2020. № 16. URL: https://www.eg.ru/tag/162020/https://www.eg.ru/society/597615-samye-strashnye-sluchai-obrusheniya-mostov-v-istorii-075524/.
- Десять самых жутких обрушений мостов за последние 100 лет // Среда обитания. 18.08.2017. URL: https://sreda.temadnya.com/1225422807197813351/10-samyh-zhutkih-obrushenij-mostov-za-poslednie-100-let/.
- Мост Гонконг – Чжухай – Макао // Ru.wikipedia. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Мост_Гонконг_—_Чжухай_—_Макао.
- Мост через реку Mianus – Mianus River Bridge // Ru.qwe.wiki. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.qwe.wiki/wiki/Mianus_River_Bridge.
- Мостовые сооружения // Градостроительство, городское хозяйство и гражданская оборона Вологды. 03.06.2019. URL: http://nashdom.vologda-portal.ru/economy/landscaping/mostovye_sooruzheniya/.
- Мосты, путепроводы, эстакады, виадуки. В чем разница? // Livejournal. 03.04.2017. URL: https://crusandr.livejournal.com/140852.html.
- Мульвиев мост // Ru.wikipedia. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Мульвиев_мост.
- На севере Италии рухнул огромный мост // Новости Mail.ru. 08 04.2010. https://news.mail.ru/society/41298475/?frommail=1.
- На Сицилии рухнул мост уже через 10 дней после торжественного открытия // Mirnov.ru. 06.01.2015. URL: https://mirnov.ru/lenta-novostej/na-sicilii-ruhnul-most-cherez-10-dnei-posle-ego-otkrytiya.html.
- Обрушение виадука в Генуе // Ru.wikipedia. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Обрушение_виадука_в_Генуе.
- Овчинников И.И., Майстренко И.Ю., Овчинников И.Г., Успанов А.М. Аварии и разрушения мостовых сооружений, анализ их причин. Часть 4 // Транспортные сооружения. 2018. № 1. Т. 5. URL: https://t-s.today/PDF/05SATS118.pdf.
- Преступная халатность. Крупнейшие обрушения мостов XXI века // Яндекс Дзен. 25.11.2018. URL: https://zen.yandex.com/media/i_i/prestupnaia-halatnost-krupneishie-obrusheniia-mostov-xxi-veka-5bd1680432ca1500aac60615.
- Пятьдесят девять жизней. Столько заплатила Португалия за новый мост // Pikabu. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://pikabu.ru/story/59_zhizney_stolko_zaplatila_portugaliya_za_novyiy_most_6873864.
- Риск может стоить слишком дорого: из опыта Италии. Часть 1 // Geoinfo.ru. 07.05.2018. URL: https://www.geoinfo.ru/product/analiticheskaya-sluzhba-geoinfo/risk-mozhet-stoit-slishkom-dorogo-iz-opyta-italii-chast-1-37448.shtml.
- Риск может стоить слишком дорого: из опыта Италии. Часть 2 // Geoinfo.ru. 14.05.2018. URL: https://www.geoinfo.ru/product/analiticheskaya-sluzhba-geoinfo/risk-mozhet-stoit-slishkom-dorogo-iz-opyta-italii-chast-2-37463.shtml.
- Рухнувший мост в Италии был объектом постоянных споров // Point.md/ru. 16.08.2018. URL: .https://point.md/ru/novosti/v-mire/rukhnuvshii-most-v-italii-byl-obektom-postoiannykh-sporov.
- Циндаоский мост через залив // Ru.wikipedia. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Циндаоский_мост_через_залив.
- PLAXIS. Оценка и прогноз геотехнических ситуаций в дорожном строительстве / Е. Федоренко, Р. Гиззатуллин // CADMASTER. Изыскания, генплан и транспорт. 2019. № 2. URL: https://www.cadmaster.ru/magazin/articles/cm_90_13.html.
- Turan A., Sangiuliano T., Alam M.Sh., El-Naggar M.H. Lateral movements of a bridge abutment due to compressible foundation soils // Proceedings of the Seventh International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, Missouri University of Science and Technology, USA, 2013. Vol. 83. URL: https://scholarsmine.mst.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=3175&context=icchge.
Журнал остается бесплатным и продолжает развиваться.
Нам очень нужна поддержка читателей.
Поддержите нас один раз за год
Поддерживайте нас каждый месяц