Разработка и внедрение геомеханического обеспечения проектирования транспортных сооружений на основе метода конечных элементов Горшков Николай иванович

Содержание к диссертации

Введение

1. Проблемы геомехаhического обеспечеhия объектов проектирования транспортных сооружений. цель и задачи исследований 10

1.1 Конструктивные особенности транспортных сооружений 10

1.2 Актуальные проблемы геомеханического обеспечения объектов проектирования транспортных сооружений

1.3 Возможности численных методов расчета, анализа и оценок НДС системы «сооружение – геосреда» 28

1.4 Выводы по главе 32

2. Основные уравнения, методики расчета, анализа и оценок напряженно-деформированного состояния элементов модели системы “сооружение–геосреда” 34

2.1 Общие правила и возможности решения прикладных задач геомеханики программой GenIDE32 34

2.2 Уравнения линейной теории упругости (деформируемости) и метода конечных элементов 38

2.3 Уравнения линейной теории теплопроводности и метода конечных элементов 49

2.4 Уравнения линейной теории фильтрации и метода конечных элементов 51

2.5 Уравнения линейной теории пластичности и метода конечных элементов 54

2.6 Уравнения для оценки устойчивости склонов (откосов) 55

2.7 Особенности анализа и оценки результатов расчета НДС элементов модели системы «сооружение – геосреда» 62

2.8 Критериальные оценки результатов расчета НДС элементов модели системы «сооружение – геосреда» 65

2.9 Выводы по главе 68

3. Расчеты устойчивости транспортных сооружений на основе МКЭ 69

3.1 Выбор направлений в развитии методов оценки устойчивости на основе расчетов МКЭ 69

3.2 Методические особенности расчетов устойчивости склонов (откосов) по программе GenIDE32 74

3.3 Результаты оценки устойчивости грунтовых сооружений МКЭ (модельные задачи) 82

3.4 Результаты оценки устойчивости грунтовых сооружений МКЭ (исследовательские задачи) 103

3.5 Результаты оценки устойчивости транспортных сооружений МКЭ (прикладные задачи) 127

3.6 Выводы по главе 137

4. Расчеты несущей способности оснований фундаментов транспортных сооружений на основе МКЭ 139

4.1 Выбор направлений в развитии методов оценки несущей способности оснований на основе расчетов МКЭ 139

4.2 Особенности методики оценки несущей способности оснований по программе GenIDE32 144

4.3 Результаты оценки несущей способности оснований МКЭ (модельные задачи) 149

4.4 Результаты оценки несущей способности оснований МКЭ (исследовательские задачи)

4.5. Результаты оценки несущей способности оснований и устойчивости транспортных сооружений МКЭ (прикладные задачи) 175

4.6. Выводы по главе 189

5. Расчеты напряженно-деформированного состояния транспортных сооружений взаимодействующих с геологической средой 191

5.1 Выбор направлений в развитии методов проектирования элементов поперечного сечения автомобильных дорог в рамках модели системы «сооружение – геосреда» 191

5.2 Методические особенности расчетов НДС моделей системы «автодорога – геосреда» 193

5.3 Результаты расчетов НДС модели системы «автодорога – геосреда» МКЭ (исследовательская задача №1 – оценка влияния схемы загружения поверхности покрытия транспортной нагрузкой) 194

5.4 Результаты расчетов НДС модели системы «автодорога – геосреда» МКЭ (исследовательская задача №2 – оценка влияния толщины материалов покрытия) 227

5.5 Результаты расчетов НДС модели системы «автодорога – геосреда» МКЭ (исследовательская задача №3 – оценка влияния изменения параметров прочности и деформируемости в элементах системы) 253

5.6 Результаты расчетов НДС модели системы «автодорога – геосреда» МКЭ (исследовательская задача №4 – оценка влияния параметров транспортной нагрузки) 268

5.7 Результаты расчетов НДС модели системы «автодорога – геосреда» МКЭ (исследовательская задача №5 – оценка влияния дефектов материалов покрытия) 280

5.8 Результаты расчетов НДС модели системы «автодорога – геосреда» МКЭ (исследовательская задача №6 – определение мест разрушения материалов покрытия) 290

5.9 Результаты расчетов НДС модели системы «автодорога – геосреда» МКЭ (исследовательская задача №7 – особенности изменения НДС элементов системы при действии циклической нагрузки от транспорта) 303

5.10 Результаты расчетов НДС модели системы «автодорога – геосреда» МКЭ (исследовательская задача №8 – особенности изменения НДС элементов системы с учетом нежесткого взаимодействия сплошных материалов покрытия с дисперсными материалами основания дорожной одежды).. 308

5.11 Результаты расчетов НДС модели системы «автодорога – геосреда» МКЭ (прикладные задачи) 326

5.12 Методические особенности расчета, анализа и выполнения критериальных оценок НДС модели системы «автодорога – геосреда» 346

5.13 Выводы по главе 359

Основные выводы 362

Список литературы

• Возможности численных методов расчета, анализа и оценок НДС системы «сооружение – геосреда»
• Уравнения линейной теории фильтрации и метода конечных элементов
• Результаты оценки устойчивости грунтовых сооружений МКЭ (модельные задачи) 82
• Результаты оценки несущей способности оснований МКЭ (модельные задачи)

Введение к работе

Актуальность работы. В соответствии с государственной программой Российской Федерации «Развитие транспортной системы», утвержденной Постановлением Правительства РФ от 15 апреля 2014 г. №319, а также транспортной стратегией России на период до 2030 года, в целях увеличения пропускной способности и повышения осевых нагрузок, необходимо прежде всего обеспечить надежность работы дорог, которая в свою очередь, зависит от реализации обоснованных проектных решений.

Линейные транспортные сооружения большой протяженности – автомобильные и железные дороги, имеют свои конструктивные особенности. Каждый километр их пути характеризуется разными климатическими, геоморфологическими, гидрологическими, инженерно-геологическими, гидрогеологическими и другими условиями.

Основное отличие автомобильных дорог от железных заключается в конструкции их верхних частей, служащих для пропуска специфических для каждой из них транспортных средств – основной силовой нагрузки.

При этом, состояние материалов конструктивных элементов автомобильных дорог зависит от веса и режима движения транспортных средств и постоянно действующих контурных (приповерхностных) напряжений, которые являются функцией напряженно-деформированного состояния (НДС) движущихся тектонических структур верхней части земной коры и местных природно-климатических условий.

В современной практике строительного проектирования инженерное сооружение и геологическая среда рассматриваются как единое целое, составные части которого взаимно влияют друг на друга. Такой взгляд на систему проектирования требует постоянного совершенствования расчетных схем, методов анализа и оценок напряженно-деформированного состояния элементов системы «сооружение – геосреда».

Разработка и совершенствование схем и методов проектирования, предшествующих выходу новых нормативных документов, не должны идти только по пути уточнения значений поправочных коэффициентов и величин, заложенных в действующие нормативные методики. Такой вариант совершенствования нормативного документа по проектированию нежестких дорожных одежд был применен в более чем 50-ти летней практике его использования (четыре документа на основе одной и той же расчетной схемы). И это делалось, несмотря на появление и развитие в 1960-х годах XX века новых мощных средств решения прикладных технических задач – численных методов исследования НДС элементов систем «сооружение – геосреда».

Результаты инженерных исследований по количественной оценке взаимодействия элементов системы определяются средствами их реализации, т.е. возможностями инженера по учету тех или иных особенностей конструкций сооружения; строения, состава, свойств и состояния грунтов вмещающей их геологической среды в рамках решения конкретных прикладных задач транспортного строительства.

Анализ действующих нормативных расчетных схем и методов расчета, которые применяются при проектировании тела автомобильной дороги (линейного сооружения!), показал, что некоторые из них, например осесимметричная расчетная схема дорожной одежды, по принятым в ней допущениям и упрощениям, не может прогнозировать возникновение и развитие колей и продольных трещин (линейных отказов!) в материалах покрытия.

Как известно, автомобильная дорога включает в себя множество искусственных сооружений: мостов, труб, тоннелей, подпорных стен и т.п.

Существует проблема учета взаимодействия таких элементов системы, как основания, фундаменты и сооружения, расположенные в теле автомобильных дорог: береговые опоры мостов, водопропускные трубы, пешеходные тоннели, подпорные стенки, пересечения коммуникативных и трубопроводных систем и т.п.

Принятые в проектировании транспортных сооружений нормативные расчетные схемы, которые должны адекватно отражать реальные свойства материалов (грунтов) сооружений и

геологической среды, основываются на результатах решений прикладных задач механики сплошной среды с принципиально различными упрощениями и допущениями, и поэтому, актуальность разработки других подходов в расчетах дорожных сооружений очевидна.

Актуальность проблемы заключается в использовании современных возможностей численных методов расчета и создании на их основе программного геомеханического обеспечения -включающего все необходимое для выполнения инженерных исследований на основе расчетов, анализа и оценок напряженно-деформированного состояния элементов модели реальной системы - транспортных сооружений и вмещающей их геологической среды.

Целью исследований является разработка и внедрение геомеханического обеспечения проектирования транспортных сооружений на основе метода конечных элементов (МКЭ).

Задачи исследований, решаемые для достижения поставленной цели, включают в себя:

анализ проблем проектирования систем «транспортные сооружения - геосреда»;

выбор метода расчета систем «транспортные сооружения - геосреда», который учитывает в своих расчетных схемах основные конструктивные особенности линейных транспортных сооружений и вмещающую их геологическую среду;

разработку алгоритмов и программы на основе метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния геотехнической системы;

разработку методики анализа и количественной оценки НДС элементов модели системы на основе выполняемых расчетов;

решение прикладных задач для реальных объектов транспортного строительства с помощью разработанной программы.

Объектом и предметом исследований являются транспортные сооружения, в первую очередь автомобильные дороги с нежестким покрытием и сопутствующие им конструкции и сооружения (опоры мостов, водопропускные трубы, тоннели, подпорные стены и др.), взаимодействующие с грунтами геологической среды.

Методы исследований. Для достижения поставленной цели в работе использовались математические методы исследования, реализованные в алгоритмах метода конечных элементов и сертифицированной программе GenIDE32.

Достоверность основных научных результатов определяется: применением математических методов механики сплошной среды и прикладной геомеханики в строительстве в использовании основных математических уравнений; сравнением полученных результатов с известными результатами решения прикладных задач, выполненных другими авторами; сравнением полученных результатов с известными результатами экспериментальных исследований взаимодействия транспортных сооружений и конструкций с массивами грунтов; востребованностью и внедрением в практику проектирования транспортных сооружений на территории Дальневосточного федерального округа (ДФО).

Научная новизна работы состоит:

1. В актуализации и дальнейшем развитии приложений метода конечных элементов к решению задач транспортного строительства;

2. В создании на этой основе геомеханического обеспечения в виде программы GenIDE32, позволяющей на основе численных расчетов моделировать устройство системы «сооружение - геосреда», а также выполнять на любой стадии моделирования анализ и количественные оценки НДС её элементов с учетом требований действующих нормативных документов (класс задач - плоские и осесимметричные);

3. В создании инструментов интерфейса программы для анализа НДС элементов системы «сооружение - геосреда» на основе графиков изменения траекторий нагружения в пространстве инвариантов тензоров напряжений о_у- и относительных деформаций #;

4. В развитии методов оценки устойчивости системы «сооружение - геосреда» на основе синтеза результатов решений, полученных на основе численных методов, с заложенными в них по определению универсальными возможностями, с проверенными на практике

инженерными методами оценки устойчивости, что потребовало разработки новых алгоритмов и создания новых инструментов интерфейса программного продукта;

5. В выполнении сравнительного исследования НДС и устойчивости систем «сооружение – геосреда» (выемки и насыпи, карьеры и др.) в процессе моделирования их возведения на основе результатов решения плоских и осесимметричных задач теории пластичности МКЭ;

6. В реализации в программе кроме известных численных способов оценки несущей способности оснований фундаментов и сооружений способа, в котором на каждом этапе нагружения основания поверхностными нагрузками выполняется оценка устойчивости модели системы «сооружение (штамп) – основание» и при достижении условия k_st[k_st] определяется предельное давление;

7. В реализации в программе кроме известных численных способов оценки несущей способности оснований фундаментов и сооружений способа, в котором с помощью графиков вычисленных величин (u_i, _ij, _ij и их производных) определяется предельное давление (нет необходимости в определении или задании формы и местоположения линии скольжения и вычисления на ней значения величины k_st);

8. В выполнении сравнительного исследования НДС, несущей способности и устойчивости системы «насыпь – двухслойное основание», где в первом случае возведение насыпи моделировалась последовательным приложением трапецеидальной нагрузки, во втором послойным ее возведением;

9. В реализации в программе GenIDE32 методологии расчета, анализа и оценок НДС системы «автодорога – геосреда», которая использовалась в исследованиях по оценке влияния факторов, определяющих работу системы, но прямо не учитываемых в действующих нормативных расчетных схемах и методиках;

10. В реализации с помощью новой программы GenIDE32 реальных проектов транспортного строительства на территории ДФО.

Практическая значимость работы заключается в разработке программного

геомеханического обеспечения проектирования транспортных сооружений, решении прикладных задач транспортного строительства для территорий ДФО, внедрении программного обеспечения в практику проектирования инженерных сооружений организациями Российской Федерации и стран СНГ и в учебный процесс ВУЗов (программы GenIDE32 и её демоверсий).

Внедрение результатов работы. Результаты исследований и практические рекомендации, приведенные в диссертационной работе, внедрены в проектных институтах и строительных организациях: ОАО Дальгипротранс г. Хабаровск (в 20-ти проектах), ОАО Хабаровский филиал ГипродорНИИ (4), ОАО Дальаэропроект г. Хабаровск (2), ОАО Дальмостострой г. Хабаровск (2), ОАО Дальгипроводхоз г. Хабаровск (1), ОАО Дальстроймеханизация г. Хабаровск (2), Хабаровский филиал «Дальспецпроект» ФГУП «ГУСС «Дальспецстрой» при Спецстрое России» (2), ОАО «СТРОЙ ТРЕСТ» г. Хабаровск (1), ОАО Хабаровскгражданпроект г. Хабаровск (3), ГУ ДСД «Дальний Восток» г. Хабаровск (1), ГУП Автодорпроект г. Южно-Сахалинск (12), ОАО Бамстроймеханизация (1) и ООО «ХК Амур-мост» (1) г. Тында Амурской области, ООО «Нотех-2000» (3) и ООО «Капитель» (1) г. Владивосток, ОГУДЭП «Магаданское» г. Магадан (1), ГУ «Дирекция автомобильных дорог Камчатской области» г. Петропавловск-Камчатский (1) и др. Сертифицированный программный продукт МКЭ GenIDE32 на основе лицензионных договоров используется в практике проектирования инженерных сооружений следующих организаций: ОАО Дальгипротранс г. Хабаровск, ОАО Хабаровский филиал ГипродорНИИ, ООО «Дальгипроводхоз» г. Хабаровск, ООО «Азимут» г. Хабаровск, ООО «Нотех-2000» г. Владивосток, РГП «КазНИИССА» г. Алма-Аты (Республика Казахстан), ООО НПСО «Фундаментспецстрой» г. Ростов-на-Дону, ГУП Автодорпроект г. Южно-Сахалинск, ООО «СибНИИуглепроект» г. Кемерово, ОАО «Томгипротранс» г. Томск, ОАО «Кировводпроект» г. Киров, ЗАО «ИСК»Милбор» г. Сочи, ЗАО «ГазНИИпроект» г. Самара, ООО «ЦСК Групп» г. Москва. Программный продукт GenIDE32 используется в учебном процессе ВУЗов: ТОГУ и ДВГУПС г.

Хабаровска, СПбГАСУ г. Санкт-Петербург, МАДГТУ (МАДИ) г. Москва, а его демоверсии во многих ВУЗах РФ и стран СНГ.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены на семинаре
“Контроль качества работ на строительстве дороги Чита-Находка” (г. Хабаровск, 1997 г.), на
Международной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс,

экономика, экология, строительство и архитектура» (21-23 мая 2003 года, г. Омск), на Международной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы механики» (8-11 октября 2003 года, г. Хабаровск), на Российской научно-технической конференции «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог. Механизация строительства. Охрана окружающей среды» (17-19 ноября 2004 г., г. Пермь), на Международной конференции «Проблемы комплексного освоения георесурсов» (9-10 сентября 2007 г., г. Хабаровск), на Международной конференции «Развитие городов и геотехническое строительство» (Санкт-Петербург, 16-19 июня 2008 г.), на международной конференции «Геотехнические проблемы мегаполисов» (7-10 июня 2010 г., Москва), на I-ом и II-ом Всероссийских дорожных конгрессах (Москва, 28-30 января 2009 г. и 19-21 ноября 2010 г.), на научно-технической конференции «Численные методы расчета в практической геотехнике» (Санкт-Петербург, 1-3 февраля 2012 г.), на международной научно-практической конференции «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» (Пермь, 17-18 апреля 2012 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» (Новочеркасск, 7-8 июня 2012 г.), на международной научно-практической конференции «Строительство в прибрежных курортных регионах» (г. Сочи, 17-21 мая 2010 г., 17-21 мая 2012 г.), на международной конференции «Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение» (Санкт-Петербург, 5-8 февраля 2014 г.), на международной конференции по геотехнике «Взаимодействие оснований и сооружений. Подземные сооружения и подпорные стены» (Санкт-Петербург, 16-18 июня 2014 г.), на международной научно-практической конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (Пермь, 23-24 апреля 2015), на внутривузовских конференциях кафедр строительного профиля ХПИ, ХГТУ, ТОГУ (г. Хабаровск, 1980-2015 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 77 основных работ, в том числе 14 публикаций из Перечня ВАК РФ ведущих рецензируемых научных журналов, 1 монография, получено 5 сертификатов и 1 свидетельство о государственной регистрации на программный продукт, и 1 патент на изобретение.

Личный вклад автора. Все научные результаты, изложенные в диссертации, принадлежат автору.

На защиту выносятся:

1. Конечно-элементная методика расчетов напряженно-деформированного состояния элементов системы «сооружение – геосреда».

2. Методы оценки устойчивости систем «сооружение – геосреда» на основе расчетов МКЭ.

3. Методы оценки несущей способности оснований транспортных сооружений на основе расчетов МКЭ.

4. Методы анализа и оценки НДС элементов системы «автодорога – геосреда» на основе расчетов МКЭ.

5. Результаты внедрения разработанных математических моделей, методики программного геомеханического обеспечения для решения практических задач в проектировании, строительстве и эксплуатации транспортных сооружений, а также в научных исследованиях и учебном процессе.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы (231 наименование). Работа имеет объем 383 стр., содержит 332 рисунка, 13 таблиц. Диссертационная работа выполнена в 1997… 2015 г.г. в Тихоокеанском государственном университете г. Хабаровск. Автор выражает глубокую признательность за

сотрудничество в выполнении исследований соавтору разработанного программного средства GenIDE32 М.А. Краснову.

Возможности численных методов расчета, анализа и оценок НДС системы «сооружение – геосреда»

Приложение численных методов к решению геомеханических задач, в том числе задач теории пластичности, также способствовали и способствуют развитию методов оценки устойчивости [12, 14, 19, 20, 21 и др.].

При проектировании земляного полотна на основаниях из «слабых» грунтов, а также при проектировании оснований фундаментов транспортных сооружений, необходимо выполнять расчеты по определению несущей способности оснований.

Разработке методов определения несущей способности оснований фундаментов и сооружений посвящены работы таких авторов, как: А.А. Бартоломей, В.Г. Березанцев, А.Н. Богомолов, А.К. Бугров, С.С. Вялов, Н.М. Герсеванов, А.Л. Гольдин, М.Н. Гольдштейн, С.С. Голушкевич, М.И. Горбунов-Посадов, А.Л. Готман, Б.И. Далматов, В.П. Дыба, П.А. Евдокимов, Ю.К. Зарецкий, Е. Захареску, В.М. Казарновский, А.И. Калаев, С.С. Кананян, А.М. Караулов, П.А. Коновалов, В.С. Копейкин, К.В. Королев, А.П. Криворотов, А.Л. Крыжановский, В.И. Курдюмов, М.В. Малышев, Р.А. Мангушев, Н.Н. Маслов, Г.Г. Меергоф, Ю.Н. Мурзенко, А.А. Ничипорович, В.И. Новоторцев, Г.Е. Паукер, Д.Е. Польшин, А.Б. Пономарев, Л. Прандтль, Н.П. Пузыревский, У. Ренкин, В.В. Соколовский, Ю.И. Соловьев, А.С. Строганов, З.Г. Тер-Мартиросян, К. Терцаги, В.А. Федоровский, В.А. Флорин, Н.А. Цытович, Р. Хилл, В.С. Христофоров, Р.Т. Шилд, И. В. Яропольский и др.

Определение величин, характеризующих несущую способность грунта основания, может быть выполнено на основе результатов решения прикладных задач, полученных в замкнутой форме (строгие или точные решения) и численном виде. В первом случае чаще всего в практике проектирования используют решения Л. Прандтля, К. Терцаги, В.Г. Березанцева и др. [22, 23, 24, 25]. Во втором случае решения В.В. Соколовского и его последователей [18], а также численные решения на основе теории пластичности, реализованные в программных продуктах, например [26, 27, 28 и др.].

Здесь нужно отметить, что нормативные документы по проектированию транспортных сооружений не ограничивают инженера-проектировщика относительно выбора метода расчета устойчивости сооружения и несущей способности грунта основания, подходящих к объекту проектирования.

После определения основных размеров земляного полотна проектируется конструкция дорожной одежды – жесткая или нежесткая.

За более чем столетний период, со времени появления автомобильных дорог, было выполнено много исследований с целью создания и развития методов проектирования конструкций дорожных одежд.

В отечественной истории, в первой половине ХХ века, над созданием теорий по расчету дорожных одежд работали выдающиеся исследователи [29], в первую очередь: Н.Н. Иванов, В.Ф Бабков, А.К. Бируля, А.А. Иноземцев, Г.И. Покровский, А.М. Кривисский, М.Б. Корсунский, М.И. Якунин и др.

По результатам исследований группы проф. Н.Н. Иванова был разработан метод расчета дорожных одежд нежесткого типа, названный методом «Союздорнии». Основой полуэмпирического метода вычисления напряжений в конструкции дорожной одежды стала расчетная схема полупространства с осевой симметрией, на поверхности которого в пределах круга приложена распределенная нагрузка [30, 31]. Материал полупространства деформировался по законам линейной теории упругости.

С развитием математических методов механики сплошной среды в расчетные схемы линейно-упругого полупространства вводились слоистость, вязкоупругие модели материалов, разные способы учета взаимодействия между слоями и др. [32, 33 и др.].

На этой основе появился первый нормативный документ по расчету нежестких дорожных одежд с расчетной схемой в виде слоистого линейно 18 упругого полупространства с осевой симметрией [34]. Дальнейшие исследования отечественных ученых были направлены на развитие и уточнение этой методики [35, 36, 37, 38, 39 и др.], реализованной в нормативных документах второй половины ХХ века [40, 41] и начала XXI [42].

В экспериментальном исследовании работы нежестких дорожных одежд, в создании расчетно-теоретического аппарата принимали участие отечественные ученые: В.Ф. Бабков, А.П. Васильев, Г.И. Глушков, Н.Н. Иванов, М.С. Коганзон, С.В. Коновалов, С.С. Коновалов, В.К. Некрасов, В.П. Носов, А.Я. Тулаев, С.В. Шестоперов, Ю.М. Яковлев (МАДИ-ТУ); В.А. Давыдов, В.Е. Каганович, А.В. Смирнов, А.А. Малышев, В.В. Сиротюк (СибАДИ); В.М. Сиденко, В.И. Заворицкий (КАДИ); О.Т. Батраков, В.А. Золотарев, А.Я. Калужский, Н.А. Медведкова, В.Н. Ряпухина (ХАДИ), А.К. Приварников (ДГУ); B.B. Леонович (БПИ); Н.В. Горелышев, В.Д. Казарновский, В.С. Исаев, Б.С. Марышев, А.Е. Мерзликин, Ю.Л. Мотылев, В.И. Рувинский, Н.Ф Хорошилов, В.М. Юмашев (СоюздорНИИ); Ю.М. Васильев, М.Б. Корсунский, П.И. Теляев, В.А. Мазуров, А.О. Саль (СПб филиал СоюздорНИИ); В.К. Апестин, А.В. Руденский (ГипродорНИИ); В.Д. Браславский (Союздорпроект), А.М. Шак (ИПК Минавтодора РСФСР); В.Н. Ефименко (Томск ГАСУ); А.И. Ярмолинский (ТОГУ) и др.

В предпоследний нормативный документ [41] вводились положения, учитывающие результаты исследований динамических воздействий на слоистое вязкоупругое полупространство, расположение нагрузки на поверхности покрытия и другое, выполненные Б.С. Радовским [43].

За рубежом, аналогичными вопросами занимались многие исследователи, результаты их работ воплощались в методики [44, 45] и расчетные программы. Со второй половины ХХ века начали публиковаться результаты численных исследований НДС дорожных конструкций, в которых не только рассматривались вопросы расчета земляного полотна, дорожных одежд, но и всей системы «автодорога – геосреда» [3, 46, 47, 48 и др.].

Уравнения линейной теории фильтрации и метода конечных элементов

Специфические особенности решения прикладных задач приводятся в документации для пользователей программного продукта GenIDE32 [74]. В документации для каждого класса решаемых задач указываются файлы тестовых примеров. Как правило, в каждой тестовой задаче, с целью обучения и проведения сравнительного анализа в пункте «Параметры – Задача – Информация» приводятся результаты и описание особенностей решения.

Решение задач линейной теории упругости (деформируемости) производится на основе численного решения уравнений линейной теории упругости МКЭ [89, 125]. Решение задач линейной теплопроводности производится на основе решения уравнений линейной теплопроводности МКЭ [89, 126, 127]. Решение задач линейной фильтрации производится на основе решения уравнений линейной фильтрации МКЭ [89, 91]. Решение задач теории пластичности производится на основе численного решения уравнений теории пластичности МКЭ [95, 125]. В программе GenIDE32 заложен алгоритм решения задач теории пластичности МКЭ [81, 88, 95, 128]. В численном решении задач теории пластического течения на основе ассоциированного закона и условия текучести Кулона-Мора используется один из вариантов метода начальных напряжений. Решение линейных уравнений выполняется методом квадратного корня. Для принятого метода начальных напряжений, по умолчанию установлен начальный коэффициент ускорения сходимости итерационного процесса равный 1,5. Для конкретной задачи допускается изменение его величины, значение которой определяется пробными расчетами. Решение контактных задач теории пластичности осуществляется вводом в контактные зоны специальных, так называемых «контактных» конечных элементов [129]. Решение связанных задач теории упругости (пластичности) и фильтрации производится при совместном решении соответствующих уравнений МКЭ [130]. В программе это класс задач «фильтрация+НДС».

По алгоритму программы сначала решаются уравнения фильтрации и вычисляются напоры в узлах, затем решаются уравнения теории упругости (пластичности) с учетом действующих напоров в узлах, вычисляется вектор перемещений в узлах, относительные деформации и эффективные напряжения в конечных элементах и узлах.

Решение задач, связанных с моделированием устройства выемок, насыпей, подземных сооружений и др., заключается в последовательном решении нескольких задач, отражающих изменения в геометрии расчетной области [131, 132]. Например, таким образом, моделируется процесс устройства котлована под фундаменты линейного сооружения (экскавация), а затем подготовки под подошву фундамента, тела фундамента, грунта обратной засыпки и т. п. (насыпь). Общая схема решения состоит из двух этапов: 1. Определение начального напряженного состояния элементов модели геотехногенного массива; 2. Последовательное решение задачи при изменении геометрии расчетной области в соответствии с принятой для каждого этапа моделирования технологией процесса устройства инженерного сооружения. Для первого этапа расчета должна быть создана расчетная область, которая включала бы в себя зоны по неоднородности материалов, отражающие расположение элементов конструкции инженерного сооружения и технологию его устройства. На первом этапе расчета, значения параметров таких зон должны быть равны значениям параметров грунтов, залегающих на месте расположения будущих элементов конструкций возводимого сооружения. Участки расчетной схемы, которые не используются на первом этапе расчета, например, тело насыпи при моделировании ее возведения на грунтовом основании, средствами интерфейса могут не учитываться в расчете. Все конечные элементы (КЭ), расположенные в пределах области будущей насыпи выделяются, и для них вводится специальное условие пунктом меню “Конечный элемент – Не учитывать при расчете”.

Изменение геометрии расчетной области на любом этапе расчета, согласно принятой последовательности выполнения технологии строительных работ, начинается с выделения конечных элементов. Для выделенных КЭ в пункте меню «Конечный элемент» устанавливается одно из условий типа этапа моделирования: «Экскавация» или «Насыпь».

Действие объемных сил в удаляемой зоне «экскавации» заменяется действием в узлах на линии раздела «удаляемых КЭ-неудаляемых КЭ», так называемых «эквивалентных» сил. «Эквивалентные» силы вычисляются как внутренние силы в узлах КЭ, расположенных на линии раздела. Внутренние силы в узлах являются функцией напряжений в КЭ, действующих на момент начала очередного этапа экскавации. Направление действия таких сил обратно направлению сил, действующих до «экскавации».

В узлах всех конечных элементов, расположенных в области участка моделируемой «насыпи» на очередном этапе ее возведения, вычисляются объемные силы. Кроме этого, в узлах на линии контакта новых конечных элементов «насыпи» с элементами старой расчетной области прикладываются, так называемые «компенсационные» силы. Это делается для того, чтобы обеспечить неразрывность перемещений на линии контакта. «Компенсационные» силы вычисляются в конечных элементах от величин смещений в узлах (предыдущий этап моделирования), расположенных на линии контакта. Направление действия таких сил обратно направлению сил, действующих до устройства «насыпи». Решение задач, связанных с изменением удельного веса грунтов выполняется при моделировании понижения-повышения уровня подземных вод, промерзания-оттаивания грунтов, суффозии, кольматации, растворении; при выполнении некоторых мероприятий технической мелиорации грунтов и т. п.

Учет изменения удельного веса зон расчетной области на любом этапе расчета, согласно принятой последовательности моделирования, начинается с выделения конечных элементов в таких зонах. Для выделенных КЭ в пунктах меню «Конечный элемент» устанавливается условие: «Изменение удельного веса».

Решение задач, связанных с изменением параметров деформируемости и прочности материалов может быть выполнено на каждом этапе моделирования. Все изменения параметров на данном этапе моделирования вводятся в соответствующие зоны по неоднородности расчетной схемы.

Решение задач, связанных с армированием грунтовых массивов, устройством ограждений, анкеров и свай выполняется с применением одномерных конечных элементов. На созданной сетке разбивки, в месте расположения арматуры создаются одномерные макроэлементы (МЭ), по тем же правилам, как и двумерные. Каждый МЭ разбивается на одномерные конечные элементы сжатия-растяжения (геоткани, распорки, анкера и т.п.), изгибные (шпунт и т.п.), оболочечные (сваи-оболочки).

Для моделирования ограждения в виде «стена в грунте» введены специальные четырехугольные КЭ с билинейной аппроксимацией перемещений на конечном элементе [133]. После решения системы линейных уравнений, по вычисленным значениям смещений узлов, с помощью уравнений, описывающих деформацию стержня типа Э. Рейснера, находятся значения перемещений и углов поворота для созданного двумерного стержня. Далее, в конечных элементах, с использованием значений смещений и углов поворотов вычисляются напряжения, усилия и моменты.

Результаты оценки устойчивости грунтовых сооружений МКЭ (модельные задачи) 82

Современные транспортные магистрали проектируются в глубоких выемках и на высоких насыпях, в сложных инженерно-геологических условиях. При большой протяженности таких мест, устойчивость откосов грунтовых транспортных и удерживающих сооружений, в том числе проходящих по склонам, а также специфических конструкций транспортных сооружений, например береговых (крайних) опор мостов, должна подтверждаться соответствующими расчетами.

Применение численных методов расчета НДС системы «сооружение – геосреда» предполагает совершенствование существующих методов оценки устойчивости и разработку новых.

Некоторые конструкции искусственных транспортных сооружений, например, береговые (крайние) опоры мостов, входят в состав изначально оползнеопасной геотехногенной системы «подходная насыпь – опора – основание» [141]. Часто, в этой системе верхняя часть основания сложена так называемыми «слабыми» грунтами, что увеличивает её оползневую опасность. Для такой системы дополнительно необходим прогноз величин смещений её элементов.

Введение в грунтовые и удерживающие сооружения новых конструктивных элементов, например различных армирующих геоматериалов, также предполагает обоснованное приложение существующих методов оценки устойчивости, совершенствование и разработку новых.

Из множества классификаций методов оценки устойчивости склонов (откосов) грунтовых массивов, например [142, 143, 144, 145 и др.], здесь принимается к вниманию простая и удобная классификация проф. З.Г. Тер-Мартиросяна [16]. В этой классификации выделяются следующие методы: 1. инженерные, где на заданной или найденной поиском поверхности скольжения по авторским формулам вычисляются значения kst; 2. на основе теории предельного состояния, где местоположение наиболее опасной поверхности скольжения определяется при решении самой задачи, а её форма задается на стадии постановки задачи; 3. допредельного напряженного состояния, где поверхность скольжения с kst min определяется на основе результатов решения задач теорий упругости или пластичности. В инженерных методах оценки устойчивости используются следующие основные допущения (плоская задача): оползающий или сдвигаемый грунтовый массив (призма оползания) отделяется от неподвижного массива поверхностью скольжения; во всех точках поверхности скольжения соблюдаются условия предельного состояния, основанные на том или ином условии прочности; для условий равновесия на поверхности скольжения используются уравнения статики. Для практических расчетов призма оползания разбивается на вертикальные отсеки. След поверхности скольжения на вертикальной плоскости – линия скольжения, задается в виде прямой, круглоцилиндрической или произвольной формы; в вычислении kst на этой линии в большинстве инженерных методов учитывается только вертикальная компонента тензора напряжений.

Основное отличие инженерных методов друг от друга заключается в принятых упрощениях – в учете сил, действующих на отсек, числе решаемых уравнений равновесия и возможности расчета по некруглоцилиндрической линии скольжения.

Серьезный анализ принятых в инженерных методах оценки устойчивости допущений и упрощений выполнен авторами статьи [146], в выводах которых делается упор на развитие методов оценки устойчивости, основанных на результатах численного решения прикладных задач.

Как отмечалось в параграфе 2.6, приложение МКЭ к решению задач прикладной геомеханики сразу предполагало использование результатов расчета в оценке устойчивости грунтовых сооружений и природных склонов.

Известные американские специалисты по инженерной геологии и строительству автомобильных дорог, авторы фундаментальной монографии об оползнях [147], отмечают, что развитие МКЭ (1970 год!) ликвидировало основное препятствие для прогнозирования оползней на автодорогах – несовершенство методов расчета по деформациям.

В первых приложениях МКЭ к задачам геомеханики вычисление коэффициента запаса устойчивости kst производилось на основе результатов расчета НДС системы в основном по формулам 2.6.1 [14, 84] и 2.6.12 [97]. В расчетах использовались разные приемы выбора значений напряжений в окрестности линии скольжения для метода «предельных касательных напряжений» (2.6.1) и различные способы вычисления коэффициента запаса прочности (2.6.16) [97, 148, 149].

В известной программе РLAXIS вычисление коэффициента запаса устойчивости по формуле 2.6.5 (метод снижения прочности) реализуется в специальной процедуре «фи-си» [135]. При моделировании последовательного устройства грунтового сооружения, когда необходима информация об устойчивости его элементов на значимых нескольких этапах строительства, применение этого метода потребует больших затрат времени.

В статье [20] автором диссертации предложен прием, в котором результаты расчетов МКЭ (формула 2.6.7), полученные для склонов (откосов), использовались для вычисления kst по формулам авторов инженерных методов (2.6.6… 2.6.11).

Как известно, для учета сейсмических воздействий необходимо решать динамическую задачу МКЭ [81]. Учет действия фильтрационных сил МКЭ предполагает решение уравнений гидростатики или гидродинамики [150, 151]. Решение этого класса задач МКЭ требует дополнительных исследований грунтов и высокого уровня подготовки инженерного состава.

Между тем, на основе расчетов МКЭ можно создать алгоритмы по учету фильтрации, сейсмики и других факторов, не требующие решения сложных связных и динамических задач. Для этого результаты расчетов МКЭ можно ввести в авторские формулы инженерных методов оценки устойчивости, см. формулы 2.6.13 и 2.6.15.

Как известно, метод конечного элемента является приближенным методом численного решения дифференциальных уравнений математической физики. Разрабатываемые алгоритмы и программы МКЭ проверяются на известных эталонных задачах теории упругости (сравнение по напряжениям, смещениям) и пластичности (сравнение предельных давлений на основание).

Результаты расчетов МКЭ, используемые в оценках, зависят от класса решаемой задачи (упругости, пластичности и т.п.) и особенностей численного решения (типа КЭ, сетки разбивки, граничных условий и др.).

Создание новых или модификация существующих методов оценки устойчивости требует их сравнительной оценки, доказательства правильности расчетов.

Проблему правильности оценки устойчивости грунтовых сооружений, полученных на основе численных методов, из-за отсутствия результатов «точного» решения такой задачи, решали сравнением с результатами оценки, выполненными на основе инженерных методов [149 и др.].

Численные исследования устойчивости грунтовых откосов на основе теории пластического течения, которые выполнили авторы статьи [151], привели их к обратному выводу: “инженерные методы, использующие концепцию поиска «фиксированной поверхности обрушения» с минимальным коэффициентом запаса, следует признать обоснованными”.

Результаты оценки несущей способности оснований МКЭ (модельные задачи)

Расчетами проверялась устойчивость транспортных сооружений: насыпей, расположенных на слабых, вечномерзлых, карстовых и оттаивающих основаниях [70, 71, 72, 73, 113, 121]; подходных насыпей к трубам, мостам, путепроводам [109, 110, 115, 118]; сопряжений насыпей с береговыми и крайними опорами мостов и путепроводов, в том числе на слабых основаниях [113, 123].

Также были выполнены расчеты устойчивости причальных сооружений водного и морского транспорта [120], откосов предпортальных выемок железнодорожных тоннелей [165], природного склона со снегозадерживающими сооружениями [166], высокой автодорожной насыпи для обоснования провоза сверхтяжелых грузов [119] и др.

Обобщения по исследованиям устойчивости грунтовых транспортных сооружений МКЭ докладывались на конференциях [167, 168, 169, 170, 171, 172] и были опубликованы в виде статьи [173].

В качестве объекта решения прикладной задачи, связанной с исследованием устойчивости транспортных сооружений, принята береговая опора однопролетного моста с металлическими пролетными строениями длиной 42 м (р. Мерея, Сахалинская область). Результаты исследования впервые были доложены на международной конференции [171].

Специфической особенностью мостовых переходов является наличие в конструктивной схеме моста береговых (крайних) опор. При взаимодействии таких опор с высокими подходными насыпями и основаниями, в особенности сложенными «слабыми» грунтами, образуется новая оползнеопасная геотехногенная система «подходная насыпь – опора – конус – основание».

Основные проблемы, которые нужно решать при проектировании береговых (крайних) опор мостов, показаны исследователями НИЦ «Мосты» в их статье [141]. Они решаются конструктивно, в виде новых конструкций опор и примыканий к ним. Для количественной оценки взаимодействия элементов системы разрабатываются соответствующие методики на основе теории предельного состояния.

Часто, для обеспечения устойчивости системы армируют ее элементы, а под опоры используют свайные фундаменты, которые стараются опирать на практически несжимаемые или малосжимаемые грунты.

Эта система может обеспечить несущую способность грунтов «слабого» основания и устойчивость подходной насыпи с конусом, но она иногда не может остановить горизонтальное смещение свайного фундамента (сантиметры). Причиной смещения является давление (активное или пассивное?) на элементы опоры и фундамента из-за движения слабых грунтов основания к свободным ненагруженным поверхностям грунтового массива.

Стандартный инженерно-геологический разрез по оси мостового перехода, который ограничивается по длине скважинами под береговые (крайние) опоры, часто скрывает оползнеопасность таких геотехногенных систем. Искаженный масштабом инженерно-геологический разрез продольного профиля подходов к мосту и малая глубина скважин на этих участках не могут дать наглядной информации о возможном оползневом инженерно-геологическом строении территории, примыкающей к береговым опорам.

Таким образом, решение задачи, связанной с проектированием береговых опор на свайных фундаментах, заключается не только в оценке несущей способности грунта основания и устойчивости системы, но и в оценке элементов системы по деформациям.

Цель исследования – расчеты, анализ НДС, оценки несущей способности основания, устойчивости и деформируемости системы «насыпь-опора-конус-основание»; разработка мероприятий для повышения устойчивости и снижения деформируемости системы. Основание подходных насыпей рассматриваемого моста было представлено следующими грунтами: 130 Торф высокозольный и нормальнозольный, сильноразложившийся, средней мощностью 0,9 м; Ил суглинистый с примесью органических веществ, мощностью от 6,00 до 18,00 м; Суглинки тяжелые и легкие пылеватые со щебнем, твердые и полутвердые, являющиеся продуктом выветривания алевролитов. Насыпь выполнена из местного щебенистого грунта с супесчаным заполнителем до 30%, при этом нижняя её часть армирована высокопрочной геотканью. Высота левобережной подходной насыпи по вертикальным отметкам равна 5,19 м (правая опора) и 6,32 м (левая). Отметка поверхности природного рельефа около 0,00 м, уровня меженных вод -1,35 м.

Береговые опоры выполнены из двух рядов буронабивных свай (d=1,02 м), по шесть свай в ряду. Расстояние между осями рядов свай 2,7 м, между осями свай в ряду 2,1 м. Головы свай объединены ригелем (насадкой) с размерами: 1,00х4,00х12,10 м.

Отметка низа свай правобережной опоры ОК-1 -21,12 м, левобережной опоры ОК-2 -10,13. Все сваи проходят слой ила (13,00 м ОК-1 и 7,00 м ОК-2) и заглублены в алевролит выветрелый до твердых суглинков с дресвой на глубину 8,00 м ОК-1 и 5,00 м ОК-2 (данные проекта).

Геоморфология долины реки в месте ее пересечения мостом: со стороны правого берега широкая заболоченная пойма, со стороны левого пойменный участок переходит в склон первой надпойменной террасы.

Строительство подходных насыпей автомобильной дороги и опор моста через реку выполнялось раздельно. Вблизи опор моста со стороны подходных насыпей оставались участки насыпи (прогалы), на которых строительство не велось.

После устройства шкафной части опор, опорных устройств и установки пролетных строений производилась засыпка грунтом оставшихся «прогалов» подходных насыпей. При засыпке «прогала» опоры ОК-2 наблюдался выпор поверхности дна русла реки, сопровождавшийся помутнением воды. Этот фактор указывал на движение ила в межсвайном пространстве опоры из-за опускания кровли ила в месте «прогала».

После устройства проезжей части, при осмотре подвижной опорной части обнаружились срезанные болты. После этого проводились замеры смещений нижней опорной плиты относительно верхней, а также замеры плановых и высотных смещений элементов насадки, поверхности грунта.

При анализе причин появления горизонтальных смещений насадки свайного фундамента были сформулированы два варианта их возникновения: 1) за счет изгиба свай, заделанных в малодеформируемый выветрелый до твердых суглинков алевролит; 2) за счет движения свайного фундамента на фронте оползня с поверхностью скольжения, проходящей под низом свай. После обнаружения смещений опоры было выполнено исследование инженерно-геологического строения массива грунтов по оси дороги. Геоморфологическое (переход поймы в первую надпойменную террасу) и инженерно-геологическое строение массива грунта в окрестности опоры ОК-2 (падение кровли выветрелого алевролита в сторону русла реки) подтверждает возможность формирования глубоких оползней с поверхностями скольжения, проходящими по подошве ила, рисунок 3.54. Не исключалась вероятность того, что поверхность скольжения могла проходить в зоне выветрелых алевролитов: по обломкам (обломочная зона) или трещинам (трещинная зона), насыщенным водой.