Анализ исходных данных при геотехническом расчете грунтовых сооружений
![Федоренко Евгений Владимирович Федоренко Евгений Владимирович](/brands/_logo/fedorenko-e-v.png)
Традиционно сложившаяся практика работы участников двух смежных этапов проектирования - изыскателей и проектировщиков, в общем виде представлена следующей последовательностью: получение лабораторных данных о свойствах грунтов, предоставление их в виде ведомости или сводной таблицы физико-механических свойств и последующий расчет с использованием этих значений.
Следует отметить тот факт, что кроме общепринятого и известного ГОСТ 12248-2010 "Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости", который можно назвать общестроительным, есть два отраслевых автодорожных, в которых отражена специфика линейных сооружений:
1) ГОСТ Р 54477-2011 "Грунты. Методы лабораторного определения характеристик деформируемости грунтов в дорожном строительстве"
2) ГОСТ Р 54476-2011 "Грунты. Методы лабораторного определения характеристик сопротивляемости сдвигу грунтов в дорожном строительстве".
Основной упор в двух отраслевых нормативных документах делается на специфику оценки свойств слабых грунтов применительно к дорожному строительству. Особенности линейных сооружений необходимо учитывать еще на стадии инженерно-геологических изысканий!
В данном вводном посте блога "Транспортная геотехника (геомеханика)" рассмотрены два подхода к анализу исходных данных перед выполнением геотехнических расчетов насыпи на слабом основании:
- Традиционный подход на основе использования табличных значений физико-механических характеристик грунтов из отчета по инженерно-геологическим изысканиям.
- Геотехнический подход на основе анализа исходных данных, как правило, представленных в приложении к отчету по изысканиям в виде протоколов лабораторных испытаний.
На сегодняшний день можно констатировать необходимость иметь в проектных институтах геотехнический отдел или специалиста геотехника. Это связано с большим объемом информации в области Геотехники, науки объединяющей Инженерную геологию, Механику грунтов и геотехнические виды расчетов. Далее приведен пример, подтверждающий этот тезис.
Пример из практики
Рассмотрим пример выполнения расчетов по первому из обозначенных подходов. В таблице 1 приведен фрагмент ведомости физико-механических характеристик грунтов из отчета по инженерно-геологическим изысканиям.
![Таблица 1. Фрагмент ведомости физико-механических характеристик грунтов](/images/dynamic/img37940.jpg)
Приняв к расчету насыпи на двухслойном основании, представленном сверху грунтом ИГЭ6б, а снизу грунтом ИГЭ3 (рис. 1), соответствующие характеристики плотности (удельного веса), трения и сцепления, а также модуля деформации, проектировщик-расчетчик выполняет расчеты устойчивости и осадки.
![Рис. 1. Расчетная схема](/images/dynamic/img37941.jpg)
По результатам расчетов получено, что устойчивость насыпи обеспечена, Куст=1,3 (рис. 2).
![Рис. 2. Результаты расчетов устойчивости](/images/dynamic/img37942.jpg)
Расчеты осадки, по заданному модулю деформации показали, что конечная осадка (фильтрационная) составляет около 15 см (рис. 3).
![Рис. 3. Результаты расчетов осадки (глубина активной зоны 31 м)](/images/dynamic/img37943.jpg)
Таким образом, выполненные расчеты свидетельствуют об удовлетворительном прогнозе поведения насыпи. Однако любого геотехника даже с небольшим с опытом может насторожить тот факт, что ИГЭ 6б - суглинок мягкопластичный - не относится к хорошим грунтам, а, следовательно, стоит задуматься о корректности полученных результатов.
Теперь рассмотрим второй подход к анализу исходных данных, названный геотехническим. В этом случае таблица физико-механических характеристик (табл. 1) практически не используется (только для общего представления о грунтах, их названии и удельном весе, а также дополнительно требующихся физических характеристиках). Основным же источником данных служат приложения отчета по инженерно-геологическим изысканиям, в которых помещены протоколы лабораторных и полевых испытаний грунтов.
Почему механические характеристики в сводной таблице не годятся для расчетов? Во-первых, для сооружений на слабых грунтах необходимо иметь две пары прочностных характеристик: для нестабилизированного (до консолидации) и стабилизированного (после консолидации) состояния. Какие из них приведены в таблице? Это зависит от того, какой тип опыта сделан в лаборатории: медленный или быстрый срез. Для расчетов необходимы и те, и другие испытания!
Во-вторых, модуль деформации применительно к расчетам осадки транспортных (линейных) сооружений является величиной неприемлемой. И в автодорожных, и в железнодорожных нормативных документах используется либо модуль осадки, либо коэффициент пористости. Модуль деформации может иметь отличия в несколько раз в зависимости от метода его получения: одометрический; компрессионный; штамповый; секущий; касательный; дренированный; недренированный. Однако наиболее существенным нюансом, связанным с особенностью линейных сооружений, является зависимость модуля деформации от уровня действующих напряжений.
Так, для участка пути, расположенного на одном, простирающемся вдоль трассы ИГЭ одинаковой мощности, для насыпей с разной высотой требуется принимать различные значения модуля деформации. Например, в соответствии с компрессионными испытаниями для высоты насыпи 2,5 м - Е=7,5 МПа, для 10 м - Е= 24 МПа (рис. 4). То есть использование одного значения модуля деформации из сводной таблицы неприемлемо.
![Рис. 4. Фрагмент продольного профиля линейного сооружения](/images/dynamic/img37944.jpg)
Характеристики грунтов в геотехнических расчетах земляного полотна выполняются на основе анализа следующих групп данных:
- Прочностные параметры для расчетов устойчивости.
- Жесткость грунта (деформационные параметры) для расчетов осадки.
- Консолидационные параметры для расчетов времени реализации осадки.
Оценка устойчивости насыпи
Прочность слабых водонасыщенных грунтов описывается как минимум тремя состояниями и тремя условиями прочности:
- в нестабилизированном состоянии - недренированной прочностью;
- в стабилизированном состоянии - эффективной прочностью;
- в промежуточном состоянии - прочностью в полных напряжениях, в зависимости от величины избыточного порового давления или его эквивалента - влажности.
В нормативной литературе рекомендуется проверка устойчивости и стабильности только для двух первых состояний (упрощенный вариант).
![Рис. 5. Прочность грунтов](/images/dynamic/img37945.jpg)
Прочностные характеристики в рассматриваемом примере представлены в виде трехосных испытаний по схеме КД (консолидированно-дренированные испытания). Именно из этого протокола (рис. 6) испытаний цифры были перенесены в сводную ведомость физико-механических характеристик. Согласно представлениям о прочности грунтов, схема КД соответствует прочности в стабилизированном состоянии, т.е. для слабых водонасыщенных грунтов это прочность после завершения процесса фильтрационной консолидации. Таким образом, использование этих параметров в расчетах не позволяет оценить устойчивости сооружения в начальный момент (отсыпка земляного полотна).
![Рис. 6. Протокол трехосных испытаний (КД)](/images/dynamic/img37946.jpg)
Аналогичные результаты показывают более традиционные испытания методом одноплоскостного среза (рис. 7). В приведенном на рисунке 7 примере протокола не указан вид испытаний, что часто встречается в практике. В таких случаях геотехнику необходимо сделать запрос в грунтовую лабораторию о том, по какой схеме были выполнены срезовые испытания:
- быстрый сдвиг (аналог НН неконсолидированно-недренированных испытаний) - получение условной недренированной прочности для оценки нестабилизированного состояния;
- медленный сдвиг (КД испытания) - получение эффективных параметров прочности для оценки устойчивости после завершения консолидации.
![Рис. 7. Испытания методом одноплоскостного среза](/images/dynamic/img37947.jpg)
Близость результатов трехосных и срезовых испытаний свидетельствует о том, что методом одноплоскостного среза были получены эффективные параметры прочности, следовательно, схема испытаний была "медленный сдвиг".
Дальнейший анализ приложения с результатами испытаний показал, что в наличии имеется еще один вид трехосных испытаний - неконсолидированно-недренированные (НН схема). В этом протоколе приводится в качестве результата недренированная прочность (рис. 8), которая характеризует нестабилизированное состояние, а, следовательно, позволяет оценить устойчивость сооружения на начальном этапе.
![Рис. 8. Результаты трехосных испытаний (НН схема)](/images/dynamic/img37948.jpg)
В результате расчетов устойчивости с недренированной прочностью получены диаметрально противоположные результаты: насыпь будет разрушена еще до окончания строительства (рис. 9), Куст<1.
![Рис. 9. Результаты расчетов устойчивости с недренированной прочностью](/images/dynamic/img37949.jpg)
Оценка осадки насыпи
Аналогичный анализ необходимо провести для параметров жесткости грунта. В приложении отчета по инженерно-геологическим изысканиям есть несколько протоколов. Первый из них - испытания грунта в стабилометре. Эти результаты сложно использовать в простых инженерных расчетах (аналитических), поскольку эти данные больше подходят для моделей грунтов, реализованных в программах численного моделирования. Испытание произведено при всестороннем сжатии 300 кПа, в то время как образец отобран с глубины 6,1 м и при удельном весе 18,4 кН/м3 бытовое давление составит всего около 113 кПа. Кроме того, сама аналитическая (инженерная) методика расчета предполагает компрессионное сжатие, т.е. отсутствие бокового расширения. Как видно из рисунка 10, значение в таблице 1 - Е=6,4 МПа, принято именно по этим испытаниям.
Стоит отметить, что довольно часто трехосные испытания представлены в другой форме (рис. 11). В таких протоколах результатом является не модуль общей деформации, как это указано на рисунке 11, а секущий модуль при 50% уровне напряжений, так называемый модуль Е50, используемый в моделях грунта при численном моделировании.
Таким образом, приведенное в таблице значение, равно как и значение из другого протокола трехосных испытаний в инженерном (ручном) расчете осадки непригодно.
Испытание, которое полностью соответствует расчетной методике, называется компрессионное сжатие, а производится оно в приборе - одометр, отсюда и название получаемого модуля - одометрический.
![Рис. 10. Трехосные испытания деформационных параметров](/images/dynamic/img37950.jpg)
![Рис. 11. Испытания для определения Е50](/images/dynamic/img37951.jpg)
Следует различать модуль деформации компрессионный и модуль деформации одометрический. Понятие модуль общей деформации в настоящее время не используется, поскольку смысл этого термина заключается в том, что эта характеристика описывает как упругие, так и остаточные деформации. По своей сути одометрический и компрессионный модули являются модулями общей деформации. Протокол испытаний представлен на рисунке 12 в виде компрессионной кривой и таблицы значений модуля при различных уровнях напряжений.
![Рис. 12. Компрессионные испытания](/images/dynamic/img37952.jpg)
Однако и здесь не все так просто. Следует разобраться с приведенными данными. Во-первых, для расчетов насыпи используется одометрический модуль деформации, либо компрессионный, но с учетом коэффициента B, зависящего от коэффициента Пуассона.
Eкомпресс = Еодом*B
Поскольку коэффициент Пуассона крайне редко получают по результатам испытаний, предпочтительнее будет использование одометрического модуля, как первичного по значению.
Во-вторых, применять коэффициент Агишева mk к расчетам насыпей нет необходимости, этот коэффициент позволяет осуществить переход от компрессионного модуля к штамповому, считающемуся более достоверным. Однако штамповый модуль деформации описывает эквивалентную жесткость всех слоев, попадающих в зону его влияния (около 2,5 диаметров) и применяется для расчетов осадки зданий или для расчетов дорожных одежд.
В-третьих, модуль деформации зависит от уровня напряжений, т.е. для одного ИГЭ, простирающегося по территории трассы для насыпи высотой 1 м и для насыпи высотой 10 м, значение модуля деформации будет разным. Получение модуля деформации осуществляется путем деления сжимаемой толщи на элементарные слои и выделением прямолинейных участков в диапазоне от бытовых до суммарных напряжений (рис. 13).
![Рис. 13. Схема к определению модуля деформации](/images/dynamic/img37953.jpg)
Наиболее простым и достоверным способом выбора необходимого модуля деформации и выполнения расчета является расчет по компрессионной кривой. Возможности программы "ГЕО5 Осадка" позволяют задать в качестве исходных данных переменный модуль - компрессионную кривую - и выполнить итерационный расчет. Другие программы, в том числе и программы численного моделирования, используют принцип логарифмической компрессионной кривой в виде модели SoftSoil.
![Рис. 14. Результаты расчетов конечной осадки для активной зоны 31 м](/images/dynamic/img37954.jpg)
Как видно по сравнению рисунков 3 и 14, результаты отличаются практически в 2 раза.
Поскольку в транспортном строительстве нет критерия величины осадки, оценка расчета по деформациям ведется на основе ее скорости, т.е. консолидации (например, 2 см/год для укладки асфальтобетона). Для выполнения расчета консолидации необходимо иметь соответствующий параметр. На рисунке 15 приведен пример протокола консолидационных испытаний. В таком протоколе необходимо проверить соответствие расчетной нагрузки от сооружения и давления в опыте. В данном примере давление в приборе составило 100 кПа, что близко к давлению под подошвой насыпи (103 кПа), следовательно, использование этого показателя правомерно. В практике чаще случается так, что испытания в лаборатории производят при других (как правило, существенно больших) давлениях, чем вес насыпи, что делает эти результаты бесполезными.
Выполненные расчеты консолидации показали, что завершение 90% консолидации произойдет через 800 суток (рис. 16).
![Рис. 15. Консолидационные испытания](/images/dynamic/img37955.jpg)
![Рис. 16. График осадки во времени (результаты расчетов консолидации)](/images/dynamic/img37956.jpg)
Заключение
Выполненные расчеты показали, что два подхода: традиционный и геотехнический, позволяют по-разному оценить ситуацию. Подход, основанный на анализе предоставленной информации, позволяет оценить достаточность и полноту исходных данных и получить более достоверную оценку поведения сооружения. Традиционный же подход, практикуемый в проектных организациях, может привести к таким ситуациям, как в рассмотренном примере, когда результатом проектирования будет разрушение сооружения или существенные затраты на лишний или недостаточный объем грунта. В таблице 2 приведены сопоставительные результаты расчетов для более наглядного сравнения.
Таблица 2. Сопоставление результатов расчетов
Вид расчета |
Результат |
|
Традиционный подход |
Геотехнический подход |
|
Устойчивость |
Куст=1,3 |
Куст<1 |
Осадка |
S= 15 см |
S=33 см |
Как показывает практика, далеко не всегда отчеты по инженерно-геологическим изысканиям содержат достаточное количество необходимых испытаний, поэтому даже при желании выполнить геотехнический анализ сделать это не получится.
Из чего следует простой вывод: составление технического задания на инженерно-геологические изыскания должно осуществляться при обязательном участии геотехника - специалиста-расчетчика, который может указать, какие данные и для каких грунтов потребуются при выполнении расчетов. Однако отказ от системы трехстадийного проектирования и часто встречающиеся случи работы проектно-изыскательских организаций далеко за пределами своего региона, а также сжатые сроки могут приводить к отсутствию предварительных данных и невозможности оценить геотехником предстоящих задач, а, следовательно, к затруднениям при составлении технического задания на изыскания.