«Недренированный» анализ поведения глубокого котлована в глинистых грунтах в программе RS2 с использованием модели упрочняющегося грунта

ВВЕДЕНИЕ

При анализе, проводимом для решения геотехнических задач, используются различные расчетные параметры в зависимости от того, для каких условий рассматривается поведение грунтов – дренированных или недренированных. «Дренированный» анализ обычно используется для материалов с высокой водопроницаемостью (например, для песков, гравия) или для материалов, долгое время находящихся под нагрузкой. С другой стороны, при моделировании поведения глинистых грунтов при кратковременном нагружении необходимо учитывать параметры недренированного материала. Поскольку недренированная прочность не является неотъемлемым свойством глины, эта характеристика изменяется на разных глубинах модели по мере изменения поля напряжений.

То есть дренированное или недренированное поведение зависит от типа грунта и/или от скорости нагружения.

В программном комплексе RS2 от компании Rocscience «недренированный» анализ может быть смоделирован с помощью трех разных подходов.

1. С применением недренированных параметров прочности и жесткости (используя коэффициент Пуассона, близкий к 0,5, и обратный расчет недренированного модуля Юнга E по эффективному модулю сдвига G). При таком подходе не будет создаваться избыточное поровое давление, так как оно учтено в используемых параметрах (аналог – Undrained С в программе Plaxis. – Ред.).

2. С применением параметров недренированной прочности и эффективных параметров жесткости. При этом подходе избыточное поровое давление может быть получено, но оно может быть неточным (аналог – Undrained B в Plaxis. – Ред.).

3. С применением эффективных параметров прочности и жесткости. При таком подходе в зависимости от использованных комплексных геомеханических (конститутивных) моделей поведения грунта может быть точно сгенерировано избыточное поровое давление (аналог – Undrained A в Plaxis. – Ред.).

При использовании подходов 2 и 3 в программе RS2 можно смоделировать поведение недренированного грунта, либо активировав опцию Undrained («Недренированное») в пункте меню Consolidation analysis («Анализ процесса консолидации»), либо выбрав опцию Undrained («Недренированное») в пункте меню Material behaviors («Поведение материалов»). Но следует обратить внимание, что должна быть выбрана только одна из опций.

Напомним, что программный комплекс RS2 представляет собой одну из флагманских геотехнических программ от компании Rocscience. Это универсальный программный комплекс для 2D моделирования и анализа напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов, который может использоваться при подземных горных работах, для проектирования тоннелей, карьеров, котлованов и фундаментов, систем их крепления, а также для оценки устойчивости откосов и склонов и пр. [2, 3].

Далее будет рассмотрен конкретный пример aнализа поведения бортов глубокого котлована в глинистых грунтах в недренированных условиях с использованием третьего подхода. Для моделирования поведения недренированных глинистых грунтов была выбрана модель упрочняющегося грунта (Hardening Soil, HS). Параметры прочности и жесткости выражались в терминах эффективных напряжений, однако на этапах нагружения и выемки грунта материал рассматривался как недренированный.

ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ

Здание Тайбэйского национального центра предпринимательства (Taipei National Enterprise Center, TNEC) имеет 5 подземных и 18 надземных этажей. Оно было построено в городе Тайбэй (Тайвань) в 1991 году [4]. Котлован для его возведения был построен за 300 дней. Сначала с поверхности земли по периметру будущего объекта была сооружена траншейная «стена в грунте», а затем внутри ее периметра сам котлован создавался поярусно по методу «сверху вниз» (top-down) в семь этапов.

1. Грунт был вынут до глубины 2,8 м от дневной поверхности.

2. На глубине 2 м были временно установлены стальные двутавровые балки в качестве горизонтальных распорок (чтобы уменьшить деформации подпорной «стены в грунте» в процессе земляных работ перед установкой железобетонных плит междуэтажных перекрытий). Затем был вынут грунт до глубины 4,9 м от дневной поверхности.

3. На глубине 3,5 м была сооружена железобетонная плита перекрытия, после чего были удалены временные распорки, установленные на предыдущем этапе, и вынут грунт до глубины 8,6 м.

4. Были сооружены плиты перекрытий на глубине 0 м и на глубине 7,1 м. Затем был вынут грунт до глубины 11,8 м.

5. Была сооружена плита перекрытия на глубине 10,3 м, после чего был вынут грунт до глубины 15,2 м.

6. Была сооружена плита перекрытия на глубине 13,7 м. Далее был вынут грунт до глубины 17,3 м.

7. На глубине 16,5 м были снова временно установлены стальные двутавровые балки в качестве горизонтальных распорок. Затем был вынут грунт до глубины 19,7 м.

После этого были устроены фундаментная плита и пол нижнего подземного этажа, а также выполнены финишные работы по формированию фундамента [5].

На рисунке 1 показан поперечный разрез проектируемого котлована с указанием стадий выемки грунта, уровней временных распорок и железобетонных плит подземных междуэтажных перекрытий и фундамента, а также соответствующих высотных отметок от дневной поверхности.

Рис. 1. Поперечный разрез части проектируемого котлована для строительства здания Тайбэйского национального центра предпринимательства (по [4])

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПРОГРАММЕ ROCSCIENCE RS2

Описание модели

Целью представленной работы являлся анализ поведения бортов рассмотренного выше котлована и окружающего грунта с помощью моделирования в программном комплексе Rocscience RS2. Результаты анализа (горизонтальных смещений подпорной «стены в грунте» и вертикальных смещений (осадок) поверхности окружающего грунта) были сопоставлены с данными полевых измерений и с результатами эквивалентного моделирования в программном комплексе PLAXIS.

Геологический разрез рассматриваемой площадки состоит из разных слоев песчаных и глинистых грунтов. Было принято, что песчаные слои обладают высокой водопроницаемостью и ведут себя как дренированные материалы. Их поведение моделировалось с применением комплексной геомеханической (конститутивной) модели Мора – Кулона с использованием показателей свойств, приведенных в таблице 1. Также было принято, что глинистые слои имеют низкую водопроницаемость и ведут себя как недренированные материалы. Их нелинейное поведение моделировалось с применением конститутивной модели упрочняющегося грунта (Hardening Soil, HS) с использованием параметров, представленных в таблице 2.

Таблица 1. Параметры песчаных грунтов

Таблица 2. Параметры глинистых грунтов для уточненной модели на основе третьего подхода (с применением эффективных параметров прочности и жесткости)

Чтобы установить в модели начальные поля напряжений и порового давления, рассматривалась начальная стадия, для которой было принято, что все материалы являются дренированными. Процесс нагружения начинался с устройства «стены в грунте», в результате чего поведение глинистых грунтов изменилось на недренированное.

Начиная с глубины 11,8 м слой глины был разделен на глубинах 17,3; 25,0 и 33,0 м. Соответственно, в этом диапазоне глубин было выделено четыре разных слоя, которые немного различались по параметрам. Для всех этих слоев использовалась конститутивная модель упрочняющегося грунта с параметрами, которые были взяты из ранее опубликованной статьи [6] других авторов.

Стена в грунте с глубиной заложения 35 м и толщиной 90 см и ее взаимодействие с прилегающими грунтами моделировались в RS2 при активировании опции Structural interface («Cтруктурный интерфейс») с помощью опорных элементов и скользящих соединительных элементов, располагавшихся с каждой стороны между опорными элементами и элементами грунта (рис. 2). Коэффициент снижения прочностных свойств соединительного интерфейса из-за нарушения структуры грунта был принят равным 70% от прочности окружающего грунта.

Рис. 2. Схематичное представление компонентов структурного интерфейса (рисунок на основе схемы из архивов сайта rocscience.com добавлен редактором)

Боковые опоры (временные стальные распорки и бетонные плиты междуэтажных перекрытий) были смоделированы в RS2 с помощью пружинных элементов (при активировании опции Springs в программе RS2), свойства которых перечислены в таблице 3. Величины их удерживающей способности в этой таблице отражены, однако окончательные значения жесткости пружин, которые использовались при моделировании, были рассчитаны на основе понижающего коэффициента 20% применительно к каждой боковой опоре на основе рекомендации из статьи [6].

Таблица 3. Параметры боковых опор, использованные при моделировании

На каждом этапе выемки внутри периметра «стены в грунте» выполнялось водопонижение с поддержанием уровня грунтовых вод на 1 м ниже дна котлована. Геометрия, слои грунта и сетка конечных элементов на последнем этапе земляных работ представлены на рисунке 3. Видно, что сетка сгущается вокруг зоны выемки грунта. Это было сделано для повышения точности расчетов.

Рис. 3. Геометрия модели и сетка конечных элементов для заключительного этапа выемки грунта

Полученные результаты

Измеренные и смоделированные (в Rocsience RS2 [1] и PLAXIS [6]) горизонтальные смещения подпорной стенки внутрь котлована и осадки поверхности грунта, примыкающего к подпорной стенке снаружи от котлована, сопоставлены в разных сочетаниях на рисунках 4-7.

Рис. 4. Сопоставление данных полевых измерений и результатов моделирования в программе PLAXIS, выполненного авторами работы [6], по горизонтальным смещениям подпорной стенки внутрь котлована (слева) и по осадкам поверхности грунта, примыкающего к подпорной стенке снаружи от котлована (справа) для всех этапов выемки грунта

Рис. 5. Сопоставление данных полевых измерений и результатов моделирования в программе Rocscience RS2 [1]  по горизонтальным смещениям подпорной стенки внутрь котлована (слева) и по осадкам поверхности грунта, примыкающего к подпорной стенке снаружи от котлована (справа) для всех этапов выемки грунта

Рис. 6. Сопоставление результатов моделирования в программах Rocsience RS2 [1] и PLAXIS [6] по горизонтальным смещениям подпорной стенки внутрь котлована (слева) и по осадкам поверхности грунта, примыкающего к подпорной стенке снаружи от котлована (справа) для всех этапов выемки грунта

Рис. 7. Сопоставление данных полевых измерений и результатов моделирования в программах Rocsience RS2 [1]  и PLAXIS [6] по горизонтальным смещениям подпорной стенки внутрь котлована (слева) и по осадкам поверхности грунта, примыкающего к подпорной стенке снаружи от котлована (справа), для заключительного этапа выемки грунта

Из рисунков 4-7 видно, что численные расчеты на основе моделирования в программах Rocscience RS2 [1] и PLAXIS [6] дали очень близкие друг к другу результаты, которые одинаково хорошо соответствовали данным полевых измерений на всех этапах выемки грунта при строительстве котлована.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье рассмотрено исследование устройства глубокого котлована в слоях глинистых (преимущественно) и песчаных грунтов для строительства здания Тайбэйского национального центра предпринимательства. Выполнялось численное моделирование в конечноэлементной программе Rocscience RS2 с использованием комплексной геомеханической (конститутивной) модели упрочняющегося грунта для глин и конститутивной модели Мора – Кулона для песков. Для глин моделировалось поведение в недренированных условиях, для песков – в дренированных.

Полученные результаты показали, что с помощью конечноэлементного моделирования в программах Rocscience RS2 [1] и PLAXIS [6] можно одинаково успешно прогнозировать прогибы подпорной стенки и осадки грунта во время земляных работ. Их величины были очень близки друг к другу для этих двух инструментов даже при таком сложном многоэтапном моделировании, какое было рассмотрено.

Источники

1. Undrained analysis of a deep excavation in clayey soils using PLAXIS Hardening Soil model in RS2 // Rocscience.com. 13 March 2023. URL: rocscience.com/learning/undrained-analysis-for-deep-excavation-in-clayey-soils-using-rs2?utm_source=rocnews&utm_medium=email&utm_campaign=March2023.
2. RS2 // Advanced Survey Technologies (ООО «Современные изыскательские технологии»). 2022. URL: geoast.pro/rs2.
3. RS2 // Rocscience. 2022. URL: rocscience.com/software/rs2.
4. Ou C.-Y., Shiau B.-Y., Wang I.-W. Three-dimensional deformation behavior of the Taipei National Enterprise Center (TNEC) excavation case history // Canadian Geotechnical Journal. 2000. Vol. 37. № 2. P. 438–448. DOI:10.1139/t00-018.
5. Метод «топ-даун» в строительстве. // Топ-рейтинги.  01.11.2022. URL: topreytings.ru/metod-top-daun-stroitel-stvo/
6. Lim A., Ou C.-Y., Hsieh P.-G. Evaluation of soil constitutive models for analysis of deep excavation under undrained condition // Journal of GeoEngineering. 2010. Vol. 5. № 1.P. 9–20. DOI:10.6310/jog.2010.5(1).2.