Анализ исходных данных при геотехническом расчете грунтовых сооружений

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:

1. Традиционный подход на основе использования табличных значений физико-механических характеристик грунтов из отчета по инженерно-геологическим изысканиям.
2. 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

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

По результатам расчетов получено, что устойчивость насыпи обеспечена, Куст=1,3 (рис. 2).

Рис. 2. Результаты расчетов устойчивости

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)

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

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:

1. в нестабилизированном состоянии - недренированной прочностью;
2. в стабилизированном состоянии - эффективной прочностью;
3. 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

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)

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

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)

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

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

Рис. 11. Испытания для определения Е50

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

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

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

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

Рис. 16. График осадки во времени (результаты расчетов консолидации)

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

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.