Расчет устойчивости откосов методом конечных элементов

Ссылка для цитирования этой статьи:

Каменчуков А.В., Николаева Г.О., Горшков Н.И., Ловцов А.Д. Оценка устойчивости откосов системы «земляное полотно – дорожная одежда» с нарушенной структурой // Транспортные сооружения, 2020 №4, https://t-s.today/PDF/05SATS420.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/05SATS420

Оценка устойчивости откосов системы «земляное полотно – дорожная одежда» с нарушенной структурой

1 Каменчуков А.В., 2 Николаева Г.О., 1 Горшков Н.И., 1 Ловцов А.Д.

1 ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный университет», Хабаровск, Россия
2 ФГБОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова», Якутск, Россия

Автор, ответственный за переписку: Каменчуков Алексей Викторович, e-mail: 006641@pnu.edu.ru

Аннотация. В статье рассмотрены вопросы оценки устойчивости нестандартных грунтово-геологических систем в сложных условиях. Выполнен аналитический обзор современных методов и средств оценки устойчивости откосов насыпи. Рассмотрены особенности работы насыпи в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. Отдельное внимание отдано вопросу устойчивости насыпей на талом основании. Изучены особенности проектирования насыпей на многолетнемерзлых грунтах при сохранении или частичном оттаивании мерзлых грунтов. Представлены два варианта расчетных статических схем поверхностей скольжения: основание – земляное полотно и основание – земляное полотно – дорожная одежда. Представлены основные причины приводящие к потере устойчивости грунтовых откосов. На основе результатов полевых исследований определены физико-механические характеристики грунтов насыпи и основания земляного полотна, которые стали основой для математического моделирования и оценки устойчивости откосов насыпи. В программных комплексах GeoStab (демо) и Geo5 (учебная лицензия), на основе метода конечных элементов и результатов полевых исследований, построены цифровые модели насыпей на слабом основании. Выполнен расчет устойчивости системы «основание – земляное полотно» под действием стандартной равномерно-распределенной нагрузки. Предложены два варианта усиления системы, для повышения ее устойчивости: армирование грунтовыми анкерами и геосинтетическими материалами. Так же проверена адекватность гипотезы о влиянии состояния покрытия дорожной одежды на устойчивость насыпи. Рассмотрены две модели системы и основание – земляное полотно – дорожная одежда: без трещин на полосе накати и с трещинами. Установлено что дефекты покрытия влияют на устойчивость системы только при наличии землетрясения средней силы и более сильных. Даны рекомендации по усилению откосов насыпей, работающих в сложных грунтово-геологических условиях.

Ключевые слова: автомобильная дорога; насыпь; дорожная одежда; деформация; физико-механические характеристики; напряженно-деформированное состояние; моделирование; устойчивость откосов

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

ISSN 2413-9807 (Online)
Уважаемые читатели! Комментарии к статьям принимаются на русском и английском языках.
Комментарии проходят премодерацию, и появляются на сайте после проверки редактором.
Комментарии, не имеющие отношения к тематике статьи, не публикуются.

Расчет устойчивости откосов методом конечных элементов

Программа использует метод конечных элементов, применяется для моделирования и анализа широкого спектра геотехнических проблем (расчеты осадки рельефа, шпунтовых/мембранных стенок, устойчивости откосов, земляных работ, анализ тоннелей). Модуль предлагает несколько вариантов моделей грунтов и различных структурных элементов, таких как стены, анкера, геотекстиль или геосетки. GEO5 МКЭ позволяет рассчитывать смещения, внутренние силы в структурных элементах, напряжения и деформации, пластические зоны в грунте и другие величины на каждой стадии проектирования.

Вместе с дополнительными модулями программа также позволяет выполнять моделировние тоннеля, анализ стационарного или переходного состояния грунтовой воды, расчет консолидации грунта, или анализа геотехнических задач.

Доступен в пакетах:

Изгибающие моменты на подкладке

Генерация сетки

Строение выемки

Особенности программы

Множество классических и новейших моделей материалов:
- линейная упругая модель
- измененная упругая модель
- модель Мора-Кулона
- модифицированная модель Мора-Кулона с укреплением/смягчением
- модель Друкера-Прагера
- модель Cam Clay
- модель гипоплазии для глины
Широкий диапазон общих структурных элементов:
- бетонные стены, шпунтовые стенки, вертикальная свайная стена (круговое защитное покрытие) или армированная обделка тоннеля моделируются с помощью балочных элементов, применяется каталог профилей и материалов;
- Анкеры;
- Нагели;
- опоры;
- армирование (геотекстиль, георешетка).
Элементы контактов между грунтом и структурой с нелинейным отношением смещения напряжения.
Модель составляется из нескольких этапов проектирования для расчета строительного процесса.
Любое количество пригрузок (трапециевидная, линейная нагрузка) может быть добавлено к модели на любой строительной стадии.
Граничные условия создаются либо автоматически, либо определяются конкретно для выбранных точек или линий.
Уровень грунтовых вод или определяется пользователем, или вычисляется с помощью программного модуля GEO5 МКЭ – «Фильтрация грунтовой воды» и импортируется через ГеоБуфер.
Каждая модель материала может быть представлена и в дренированных, и в недренированных условиях.
Анализ устойчивости может быть выполнен на каждом этапе проектирования или в статичных условиях, или с учетом фактора землетрясения, что позволит обеспечить текущий коэффициент безопасности.
Обширный список переменных (осадка, усилия, деформации, пластичные зоны, поровое давление и т.д.) для любой деформированной или недеформированной модели.
Доступно распределение внутренних сил и деформации элементов конструкции.
Изменение величин в выбранных точках наблюдается с помощью рамок «Мониторы» и «Графики».
Автоматический генератор сетки предупреждает о проблемных частях топологии.
Размер элементов можно регулировать с помощью точечных, линейных и свободных уточнений.
Программа поддерживает импорт и экспорт DXF.

Учебные материалы

Технические руководства

Новые возможности в GEO5 2021

Приложения во всех программах GEO5
Стратиграфия — Земляные работы (Новый модуль)
МКЭ — Землетрясение (Новый модуль)
Системы координат (Стратиграфия)
Обшивка и горизонтальные крепления (Ограждения котлованов)

Пример отчета программы “МКЭ”

Основные преимущества отчета GEO5

Настройка структуры отчета с использованием корневого меню
Логотип компании в заголовке отчета
Простота в добавлении различных фотографий
Возможность пользователя изменять изображения
Восстановление изображения при изменении входных данных

Расширенная программа МКЭ:

МКЭ — Тоннель – Расчет тоннелей
МКЭ — Фильтрация грунтовой воды – Фильтрация грунтовой воды
МКЭ — Консолидация – Анализ зависимости осадки конструкции от времени
МКЭ — Землетрясение – Анализ динамического воздействия землетрясения

Программы основаны в том числе на методике д.т.н., профессора Г.М. Шахунянца, отвечают всем требованиям действующих СП, СНиП и ГОСТ.

Комплекс наиболее оптимально приспособлен к реалиям Республики Казахстан. Программа хорошо зарекомендовала себя при расчете подпорных стен из габионных сетчатых конструкций.

Программный комплекс при достаточно простом и интуитивном интерфейсе позволяет выполнять расчеты достаточно сложных геотехнических систем с разными грунтовыми условиями, гидрогеологической ситуацией, учетом сейсмического воздействия, возможен комплексный расчет с учетом этапов возведения сооружения.

Разное

Метод расчета устойчивости путем снижения прочностных характеристик

В статье приводится сравнение расчетов устойчивости методами предельного равновесия (МПР) и методом снижения прочности, используемым при вычислениях методом конечных элементов (МКЭ). Расчеты путем численного моделирования (МКЭ) имеют определенные преимущества перед широко применяемыми методами предельного равновесия (Бишоп, Шахунянц и др.) при сложных инженерно-геологических условиях и дают близкие результаты при расчетах в простых случаях (однородный откос).

Ключевые слова: методы расчета устойчивости, методы предельного равновесия, численное моделирование, МКЭ, Plaxis, геосинтетические материалы.

Сравнение нормативных документов по геотехнике в разных отраслях

В практике расчетов грунтовых сооружений уже давно используются геотехнические программные комплексы (Plaxis, Midas, Z-Soil, Phase2, GEO5 FEM и др.), однако действующие нормативные и рекомендательные документы не содержат четких указаний, каким образом следует их применять. В статье приводится сравнение между подходами в расчетах грунтовых сооружений в железнодорожной, автодорожной и гидротехнической отрасли на основе анализа СП 23.13330.2011 «Основания гидротехнических сооружений». Основная часть посвящена сопоставлению подходов к определению прочности грунтов и последующего использования ее в расчетах по предельным состояниям первой группы в программах численного моделирования.

Ключевые слова: МКЭ, численное моделирование, Plaxis, прочность грунтов, теория Терцаги, расчеты устойчивости.

Инженерные изыскания и транспортная геотехника: аспекты взаимодействия

Сокращение затрат на инженерно-геологические изыскания приводит к ухудшению качества проектных решений, необходимости их пересмотра и корректировки в процессе строительства, а также к необоснованным затратам при эксплуатации объекта. Современное развитие лабораторного оборудования, с одной стороны, и не менее мощное развитие вычислительных программных комплексов, с другой — позволяет решать как очень сложные геотехнические задачи, так и выполнять более достоверное прогнозирование для типовых условий. Однако проблема заключается во взаимодействии геологов (изыскателей) и геотехников (проектировщиков-расчетчиков): одни должны давать техническое задание на выполнение изысканий с полным представлением о процессе, а другие понимать, для чего выполняются те или иные лабораторные опыты и как правильно использовать полученные характеристики.

Ключевые слова: транспортные сооружения; инженерные изыскания; проектирование; расчеты; взаимодействие; качество; достоверность; информативность; геологическое строение; характеристики грунта; лабораторное оборудование; программные комплексы.

Учет геосинтетических прослоек в расчетах консолидации земляного полотна

В практике проектирования и расчетов мероприятий инженерной
защиты транспортных сооружений уже давно используются геотехнические программные
комплексы (Plaxis, Midas, Z-Soil, Phase2, GEO5 FEM и др.), однако действующие
нормативные и рекомендательные документы не содержат четких указаний, каким
образом следует их применять. Основная часть статьи посвящена сопоставлению
подходов к определению прочности грунтов и последующего использования ее в расчетах
по предельным состояниям первой группы в программах численного моделирования.
Используя указанный подход, появляется возможность полноценного учета
геосинтетических материалов в проектируемой конструкции, особенно в части
необходимой их прочности.
Ключевые слова: МКЭ, численное моделирование, Plaxis, прочность грунтов, теория
Терцаги, расчеты устойчивости, консолидация.

Заказ окон физическим лицом, особенности договора, монтажа со стороны заказчика

Намедни мне поставили новые окна в квартире, появился некий опыт со стороны заказчика, которым хотелось бы поделиться пока не забыл. Город Санкт-Петербург, лето 2014 года.

Описывается процесс и нюансы заказа окон физическим лицом, нюансы договора, нюансы монтажа, материалов.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ СКЛОНОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАСЧЕТОВ АНАЛИТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ И МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Перевощикова Н. А. 1 , Идиятуллин М. М. 2

1 ORCID: 0000-0002-0372-8481, Кандидат геолого-минералогических наук, 2 ORCID: 0000-0003-1273-3722, Магистрант, Санкт-Петербургский государственный университет

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ СКЛОНОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАСЧЕТОВ АНАЛИТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ И МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Аннотация

В статье приводится сравнение результатов расчётов устойчивости двух потенциально оползнеопасных склонов, расположенных в Волгоградской области. Оценка устойчивости склонов выполнена численными и аналитическими методами, в том числе с использованием современного программного комплекса GEO5. Аналитические расчёты производились в соответствии с положениями теории предельного равновесия, тогда как для расчета по численной модели был использован метод снижения прочности. Применение двух принципиально различных расчетных схем позволяет с большей достоверностью оценить устойчивость склонов и перспективы их использования в качестве основания сооружений.

Ключевые слова: расчёт устойчивости, устойчивость склона, методы расчета устойчивости, метод конечных элементов, метод снижения прочности, GEO5.

Perevoshchikova N. A. 1 , Idiyatullin M. M. 2

1 ORCID: 0000-0002-0372-8481, PhD in Geology and Mineralogy, 2 ORCID: 0000-0003-1273-3722, Master student, Saint-Petersburg State University

COMPARATIVE ANALYSIS OF SLOPES’ STABILITY WITH HIGH POTENTIAL RISK OF LANDSLIDE BY THE RESULT OF CALCULATION USING ANALYTICAL METHODS AND FINAL ELEMENT METHOD

Abstract

The article compares results of stability calculations of two slopes in Volgograd region with high potential risk of landslide. Evaluation is accomplished using analytical and numerical methods also using modern GEO5 software. Analytical calculations were made by provisions of Coulomb’s wedge theory, in contrast of numerical model, where was used shear reduction method. Usage of two different calculation schemes renders possible to make a high-precision conclusion about slopes’ stability and about using them as a structure base.

Keywords: stability calculation, slope stability, calculation of stability methods, finite elements method, shear reduction method, GEO5.

При проектировании и строительстве линейных сооружений значительное влияние на их эксплуатационную надёжность оказывает распространение опасных геологических и инженерно-геологических процессов. Развитие в районе работ особого типа опасных склоновых процессов – оползней – требует углублённого изучения инженерно-геологических особенностей строения оползнеопасных (или потенциально оползнеопасных) участков.

Для проектирования сооружения и мероприятий по инженерной защите склона требуется выполнение оценки устойчивости склона. Количественной мерой устойчивости при этом является величина коэффициента устойчивости (К_у). Расчёт производится при известном положении поверхности скольжения для оползнеопасных склонов или при предполагаемом положении наиболее опасной поверхности скольжения – для потенциально оползнеопасных склонов.

При выполнении инженерно-геологических изысканий для строительства линейного объекта в Волгоградской области было отмечено развитие консеквентных оползней и оползней-оплывин на склонах нескольких крупных балок и оврагов.

В пределах трассы проектируемого сооружения были выявлены два участка, где существует возможность развития оползневых процессов. Их уклон в пределах участка работ достигает 30-35°. Склоны задернованы, на наиболее крутых участках присутствуют проявления осыпей. По совокупности этих признаков, а так же исходя из наличия в районе работ оползневых процессов на аналогичных склонах, склоны были отнесены к потенциально оползнеопасным.

Геологическое строение участка работ характеризуется наличием в разрезе четвертичных отложений аллювиального генезиса, представленных преимущественно песчаными, в меньшей степени глинистыми грунтами. Песчаная фракция представлена мелко- и среднезернистыми песками, средней плотности и плотными, маловлажными. Среди глинистых грунтов выделены супеси пылеватые, суглинки легкие пылеватые и песчанистые, глины легкие пылеватые. Консистенция глинистых отложений от тугопластичной до твёрдой. Залегание преимущественно в виде линз и прослоев мощностью до 2 метров. Помимо аллювиальных отложений, в отдельный инженерно-геологический элемент был выделен почвенно-растительный слой, мощностью 0,8-0,9 м.

Гидрогеологические условия характеризуются наличием водоносного горизонта на отметке менее 110 абс. м (по данным разведочного бурения), что позволяет не учитывать действие подземных вод при расчёте устойчивости склонов.

В качестве механизмов, которые могут привести к интенсификации оползневых процессов, были обозначены изменения гидрогеологических условий (повышение уровня грунтовых вод при изменении условий питания и разгрузки водоносного горизонта), а также антропогенное изменение профиля склона и почвенного покрова в результате инженерной или мелиоративной деятельности человека.

Методы расчёта устойчивости.

Большинство методов расчета устойчивости склона основываются на положениях теории предельного равновесия. При этом грунтовый массив рассматривается с точки зрения критерия прочности Кулона-Мора, согласно которому разрушение грунта происходит в виде сдвига по поверхности с наименьшей несущей способностью. Прочность грунтового массива определяется его прочностными характеристиками: сцеплением и углом внутреннего трения, при этом деформационные характеристики в расчётах по первому предельному состоянию не учитываются. Решение такого рода задач обеспечивается связью между нормальными и касательными напряжениями.

Данный подход применялся при решении поставленной задачи по оценке устойчивости склона аналитическими методами. Несколько другой алгоритм расчёта был использован при выполнении расчётов численным методом конечных элементов (МКЭ). Если первая расчётная схема подразумевает предварительное нахождение потенциальных поверхностей скольжения, а затем выполнение по ним расчёта устойчивости, с определением наименее устойчивой конфигурации склона, то для второй схемы применялся метод снижения прочности (SRM – shear reduction method). Суть данного метода заключается в одновременном снижении показателей прочностных характеристик. При этом возникающие в массиве деформации оцениваются для каждой итерации, вплоть до наступления момента разрушения грунта. Положение поверхности скольжения формируется автоматически, исходя из величины возникающих в массиве деформаций. Таким образом, программой единовременно выполняется расчёт коэффициента устойчивость склона и нахождение наиболее опасной поверхности скольжения [1].

Оценка устойчивости склонов.

В ходе данного исследования были выполнен расчёт устойчивости двух потенциально оползнеопасных склонов по методам Маслова, Шахунянца, Феллениуса-Петтерсона, Спенсера, Бишопа, а также методом конечных элементов.

В качестве исходных данных были приняты материалы инженерно-геологических исследований склона, которые включали: рекогносцировочные маршрутные наблюдения, проходку инженерно-геологических выработок с отбором проб грунтов, определение физико-механических характеристик грунтов в лаборатории и полевые испытания грунтов “in situ” методами статического и динамического зондирования.

Нормативные значения прочностных характеристик грунтов принимались по результатам лабораторного определения сопротивления грунта неконсолидированному срезу, а также по данным статического и динамического зондирования и таблицам СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*». При оценке устойчивости склонов использовались расчетные значения характеристик прочности грунтов (Таблица 1), принятые по первому предельному состоянию.

Расчёт методом Маслова выполнялся вручную. Определение положения наиболее опасной кривой скольжения при этом производилось методом подбора. Графические построения выполнялись в программной среде AutoCAD. Расчеты устойчивости склонов прочими методиками выполнялся в программной среде GEO5.

Таблица 1 – Значения физико-механических характеристик грунтов, используемых при расчёте устойчивости склонов

Выполнение аналитических расчётов в программе GEO5 осуществлялось по двум алгоритмам. В первом случае нахождение наиболее опасной поверхности скольжения производилось программой автоматически (методом подбора). Во втором случае поверхности скольжения задавались вручную. Это позволило сравнить значения коэффициента устойчивости, полученного программой, с результатами ручного расчета. По найденным программой наиболее опасным поверхностям скольжения также был выполнен расчёт вручную.

Решение задачи методом конечных элементов выполнялось программой автоматически, без возможности задания геометрии поверхностей скольжения.

Сравнение результатов расчётов.

Положение предполагаемых кривых скольжения при расчёте методом Маслова показано на инженерно-геологических разрезах потенциально оползнеопасных склонов (рис. 1, 2). Поверхности скольжения №10 и №7 являются наиболее опасными поверхностями скольжения, найденными программой для склонов №1 и №2 соответственно. Примечательно, что их положение оказалось идентичным для каждого аналитического метода, по которому выполнялся расчёт в программе GEO5.

Сравнение результатов расчётов, выполненных аналитическими методами (Таблицы 2, 3) позволяет сделать вывод, что для склона № 1 найдена результирующая для всех методов наиболее опасная поверхность скольжения. Для склона № 2 положения таких поверхностей значительно различаются.

Графические схемы распределения горизонтальных деформаций в расчётных грунтовых моделях на момент потери устойчивости склонов, полученные расчётом по методу конечных элементов (рис. 3, 4) позволяют визуализировать положение поверхности скольжения при более сложной геометрической форме.

Рис. 1 – Инженерно-геологический разрез склона № 1

Рис. 2 – Инженерно-геологический разрез склона № 2

Рис. 3 – Графическая схема распределения горизонтальных деформаций массиве грунта в момент потери устойчивости (склон № 1)

Рис. 4 – Графическая схема распределения горизонтальных деформаций массиве грунта в момент потери устойчивости (склон № 2)

Таблица 2 – Значения коэффициента устойчивости склона № 1, полученные аналитическими методами

Таблица 3 – Значения коэффициента устойчивости склона № 2, полученные аналитическими методами

Сравнение наименьших значений коэффициента устойчивости склонов, рассчитанных различными методами (Таблица 4) позволяет предположить устойчивость склонов в естественном состоянии.

Наименьшие значения получены при расчёте методом Феллениуса-Петтерсона. Данный метод применим только к круглоцилиндрическим поверхностям скольжения и удовлетворяет только уравнению равновесия моментов сил. Это самый простой метод, не отличающийся высокой точностью. Его применение в условиях неоднородного геологического разреза не вполне корректно, т.к. в этом случае не учитывается более сложная механика оползневых смещений [4].

Расчёт методом Маслова показал наибольшие значения коэффициента устойчивости. Этот метод удовлетворяет уравнению равновесия сил, при расчётах рассматриваются их горизонтальные составляющие. Он позволяет производить расчёт как по круглоцилиндрической, так и по многоугольной поверхностям скольжения. При этом значения коэффициента устойчивости, рассчитанные по методу конечных элементов, из всех методов оказались наиболее близкими к значениям, полученным при расчете вручную по методу Маслова.

Таблица 4 – Сравнение результатов расчётов, выполненных различными методами

Выводы.

Исходя из полученных значений, оба склона в естественном состоянии являются устойчивыми. Анализ результатов расчётов показывает, что значения коэффициента устойчивости, полученные расчётом вручную, оказались выше, чем значения, полученные расчётом в программе GEO5. Говорить о завышении или занижении результатов расчётов не представляется возможным, ввиду отсутствия истинных эталонных значений коэффициента устойчивости. Тем не менее, рассмотрение склонов с точки зрения строительства подразумевает принятие наименьших значений коэффициента устойчивости. Возможное занижение результатов оценки устойчивости склонов в таком случае будет работать в запас устойчивости склона.

При проведении строительных работ, возможное изменение инженерно-геологических условий в результате нарушения почвенного слоя, подрезки склона, повышения уровня грунтовых вод и других воздействий может привести к снижению их устойчивости и интенсификации оползневых процессов. Поэтому при использовании склонов в качестве основания рекомендуется выполнение дополнительных геотехнических расчётов, исходя из особенностей принимаемых конструктивных решений и приложенных нагрузок.

Литература

Федоренко Е.В. Метод расчета устойчивости путем снижения прочностных характеристик // Транспорт Российской Федерации. – 2013. – №6 (49). – С. 24-26.
Хуан Я.Х. Устойчивость земляных откосов. Пер. с англ. В.С. Забавина. Под ред. В.Г. Мельника. – М.: Стройиздат, 1988. – 240 с.
Методические рекомендации по предотвращению оползней на автомобильных дорогах Таджикской ССР. Под ред. Э.М. Доброва. – М.: СОЮЗДОРНИИ, 1977. – 53 с.
Рекомендации по количественной оценке устойчивости оползневых склонов. Тихвинский И.О. – М.:ПНИИИС, Стройиздат, 1984. – 80 с.
ГОСТ 20522-2012 Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. – М.: Стандартинформ, 2013.
ГОСТ 25100-2011 Грунты. Классификация. – М.: Стандартинформ, 2013.
СП 11-105-97 Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов. – М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2004.
СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. – М.: Минрегион России, 2011.

Применение верификационных тестов при расчетах устойчивости земляного полотна железнодорожного пути

Анализ современного состояния проектирования, строительства и эксплуатации инфраструктурных объектов свидетельствует о необходимости реализации комплекса мер по повышению качества расчетных обоснований проектных решений. В настоящее время производить расчеты инфраструктурных объектов невозможны без применения современного программного обеспечения.

Для приведения уровня качества расчетных обоснований проектных решений современных инфраструктурных объектов строительства проектным организациям рекомендуется осуществлять расчеты не менее, чем по двум сертифицированным программных комплексов, проводить сопоставительный анализ полученных результатов, так называемая верификация. Такая практика широко применяется в развитых странах. Эти верификационные тесты предназначены для проверки инженером правильности расчета устойчивости земляного полотна железнодорожного пути в расчетной программе.

Органами государственной экспертизы рекомендуется запрашивать в необходимых случаях расчетные обоснования конструктивных решений с использованием двух независимо разработанных программ.

Как известно, земляное полотно железных дорог представляет собой сложный комплекс грунтовых объектов, работающих в сложных условиях природно-климатической среды и динамических нагрузок. Все элементы железнодорожного пути по прочности, устойчивости и состоянию должны обеспечивать безопасное движение поездов. Для проверки обеспечения безопасности состояния земляного полотна применяют различные расчеты.

Несмотря на большое многообразие методик и возможностей решения расчетов устойчивости земляного полотна, необходимо проводить оценку достоверности выполненных расчетов в различных геотехнических программах.

Положительным результатом верификации является соответствие результатов расчетов значениям «эталонного решения» с допустимой погрешностью. Погрешность определяется путем сравнения результатов расчета с «эталонными» решениями.

На основании общедоступных методик и примеров, приведенных в открытых литературных источниках, сотрудники института провели верификационный анализ в геотехнической программе GEO5 — Устойчивость откосов (Версия программы: 2016.49).

Верификационный тест № 1
Модель, описанная в [1-2], представляет собой простой анализ однородного склона с одинаковыми свойствами грунта. Эта модель впервые опубликована в исследовании [3]. Физико-механические свойства грунта склона: с = 3,0 kN/m2; φ = 19,6°; γ = 20,0 kN/m3.

Результаты расчета полученными различными методами приведены в таблице 1. Как видно из таблицы 1, результаты, полученные программами Slide, SVSLOPE и GEO5-Устойчивость откосов, достаточно хорошо согласуется. Отличия по полученным коэффициентам устойчивости составляет по методу Bishop и Spenser 0,2%.

Таблица 1 – Результаты верификационного анализа

Левая точка поверхности скольжения

Правая точка поверхности скольжения

«GEO5 — Устойчивость откосов»

Шахунянц

Верификационный тест № 2
Модель, описанная в [4], представляет собой простой анализ однородного склона сложенного из супеси, с одинаковыми свойствами грунта, с учетом уровня грунтовых вод. Дополнительно были проведены расчеты с укреплением анкерами. Физико-механические свойства грунта склона и характеристики анкера: с = 21,0 kN/m2; φ = 27,0°; γ = 18,5 kN/m3, γsat = 19,50 kN/m3, F = 20 kN/m2, FА = 200 kN, bA=2.00 м, Hзакрепления анкера = [x,z] = [16.00;9.00].
Результаты расчета, полученные различными методами, приведены в таблице 2. Как видно из таблицы 2, результаты расчета без оптимизации линии поверхности скольжения, полученные авторами и выполненные нами, совпадают. Нами также были дополнительно проведены расчеты с учетом оптимизации поверхности скольжения. Результат расчета с учетом оптимизацией на 1-4% меньше, чем без оптимизации. Что также необходимо учитывать при проектировании.

Таблица 2 – Результаты верификационного анализа

[4] и «GEO5 — Устойчивость откосов» (ООО «ИПИТ»)

Bishop (Anchored slope)

Spencer (Anchored slope)

Шахунянц

«GEO5 — Устойчивость откосов» с учетом оптимизации

Bishop(Anchored slope) (рис. 1)

Spencer (Anchored slope) (рис. 2)

Шахунянц

Шахунянц (Anchored slope) (рис. 3)

В строительной практике для определения устойчивости грунтового сооружения, как правило, используются методы предельного равновесия, регламентированные нормативными источниками и разработанные такими авторами как Шахунянц, Маслов, Терцаги, Бишоп, Моргенштерн, Спенсер и многими другими, однако ни один из авторов расчета устойчивости не предполагал в своем методе наличие геосинтетических прослоек. Отечественной нормативной документацией предлагаются методы учета геосинтетических материалов в расчетах, в то же время методы разнятся в зависимости от отрасли (а.д. или ж.д.), года выпуска и взглядов авторов документа. Единый подход для учета геосинтетических материалов в расчетах, регламентированный нормативной документацией, на данный момент отсутствует, в связи с чем, все чаще прибегают к расчетам методом численного моделирования.

Метод численного моделирования (программный комплекс Plaxis) позволяет решать сложные геотехнические задачи, связанные с индивидуальным проектированием и более корректно выполнять расчеты сооружений с геосинтетическими материалами, учитывая как прочностные характеристики материала, так и его деформацию в процессе эксплуатации (перемещение, растяжение, разрыв). В мировой практике применение подобных комплексов считается современным и актуальным подходом. Применение численных методов расчета с 2010 года начинает регламентироваться некоторыми отечественными нормативными источниками.

Вывод. Следует иметь в виду, что опыт накопленный в геотехническом проектировании свидетельствует о необходимости тщательного анализа и проверки полученных результатов. Также необходимо учитывать, что на рабочих компьютерах инженеров должны быть не один, а как минимум два программных расчетных комплексов.

Список использованных источников
[1] Rocscience Inc. (2015). Slope Stability. Verification Manual Part I. Slide. 2D limit equilibrium slope stability for soil and rock slopes Точка доступа: https://www.rocscience.com/help/slide/webhelp/pdf_files/verification/Slide_SlopeStabilityVerification_Part1.pdf (Дата обращения: 22.09.2016).
[2] SVSLOPE Slope Stability Modeling Software. Verification Manual SoilVision Systems Ltd. Saskatoon, Saskatchewan, Canada. Точка доступа: https://www.soilvision.com/downloads/software/svoffice2009/SVSlope_Verification_Manual.pdf (Дата обращения: 22.09.2016).
[3] Giam, P.S.K. and I.B. Donald (1989), «Example problems for testing soil slope stability programs», Civil Engineering Research Report No. 8/1989, Monash University, ISBN 0867469218, ISSN 01556282.
[4] GEO5 Slope Stability — Verfication manual. Точка доступа: http://www.finesoftware.ru/rukovodstvo-po-proverke/ (Дата обращения: 22.09.2016).

Рисунок 1 – Результаты расчета устойчивости откосов земляного полотна методом Bishop (Anchored slope) с оптимизированной поверхностью скольжения

Рисунок 2 – Результаты расчета устойчивости откосов земляного полотна методом Fellenius/Petterson (Anchored slope) с оптимизированной поверхностью скольжения

Рисунок 3 – Результаты расчета устойчивости откосов земляного полотна методом Шахунянц (Anchored slope) с оптимизированной поверхностью скольжения

Рисунок 4 – Результаты расчета устойчивости откосов земляного полотна методом конечных элементов с выводом величины Epsilon

Рисунок 5 – Результаты расчета устойчивости откосов земляного полотна методом конечных элементов с выводом величины осадки dx

Рисунок 6 – Результаты расчета устойчивости откосов земляного полотна методом конечных элементов с выводом величины осадки dz

0 0 голоса

Рейтинг статьи

Читать еще: Въезд под кирпич задом