В транспортном строительстве принят подход проектирования на основании разделения протяжённого линейного сооружения на участки типового и индивидуального проектирования. Типовое проектирование предназначено прежде всего для хорошего грунтового основания без сложностей инженерно-геологических условий и для типового геометрического очертания насыпей и выемок. Однако далеко не всегда транспортные магистрали проходят по хорошим грунтам и не требуют устройства геометрических ограничений, например, подпорных стен или крутых откосов. Часто по трассе встречаются слабые грунты: болота и заболоченные места, подходные участки насыпей к мостовым переходам. Да и на хорошем основании высокие насыпи (более 12,5 м) и глубокие выемки уже выходят за рамки типового проектирования, а при необходимости оптимизировать конструкцию, например, уменьшить подошву высокой насыпи, которую пересекает водопропускная труба, требуется обосновать изменение типовой геометрии.
84-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» и отраслевые нормативные документы (ГОСТ 33149 «Дороги автомобильные общего пользования. Правила проектирования автомобильных дорог в сложных условиях»; СП 34.13330 «Автомобильные дороги»; СП 238.1326000 «Железнодорожный путь» и др.) требуют выполнения расчётного обоснования принятых решений. Становится очевидным, что в каждой проектной организации должен быть геотехник, а лучше геотехнический отдел. И действительно, как можно запроектировать сложное ответственное сооружение без соответствующего обоснования его надёжности?
Перед участниками строительного процесса стоит основная задача — обеспечить надёжность и бесперебойность работы транспортного сооружения. Достижение этой цели обеспечивается в процессе проектирования принятием проектного решения, обоснованием которого являются геотехнические расчёты. Сегодня расчёты выполняются всё больше с применением метода конечных элементов, что легко проследить по изменениям в сводах правил (актуализация) и в соответствующих пунктах издаваемых нормативных документов. Объясняется это тем, что численное моделирование — это универсальный инструмент и с его помощью можно выполнить как самый простой расчёт осадки и устойчивости, так и невероятно сложный анализ любой геотехнической ситуации. Самым популярным представителем этого вида программ является программный комплекс PLAXIS, успешно применяемый в нашей стране более 20 лет. Над его разработкой трудятся ведущие специалисты в области геотехники со всего мира, а огромный объём научно-исследовательских публикаций и статей с опытом практического применения по всему миру подтверждает успех программы в нашей стране.
Использование PLAXIS в процессе проектирования и строительства автомобильных и железных дорог может быть на любой стадии:
Первоочередными задачами оценки надёжности транспортного объекта являются расчёты устойчивости, осадки и времени её реализации. Впервые внедрённый разработчиками PLAXIS в программу численного моделирования метод расчёта устойчивости на основе снижения прочности за десятилетия использования подтвердил свою эффективность. В отличие от неоднозначной оценки традиционными методами предельного равновесия, этот метод даёт более однозначный результат, но безусловно требует подтверждения. Выполненный в основном модуле PLAXIS расчёт методом снижения прочности может быть легко проверен любым аналитическим методом предельного равновесия путём автоматической и быстрой конвертации расчётной схемы из конечно-элементной программы в дополнительный модуль PLAXIS LE, который с учётом самых передовых разработок в области расчётов устойчивости обеспечит оценку надёжности методами предельного равновесия.
Что касается расчётов осадки и консолидации, то даже в двухмерной постановке эта задача будет решена более достоверно по сравнению с аналитическим одномерным расчётом по формулам нормативных документов. PLAXIS 2D учтёт не только сжатие слоёв (вертикальные перемещения), но и боковое отжатие, сдвиговые деформации и области снижения жёсткости при переходе в предельное состояние и влияние этих факторов на величину осадки. Расчёт консолидации происходит не путём подбора времени под заданную осадку (аналитический расчёт), а прямым расчётом времени рассеивания избыточного порового давления (консолидации). При необходимости можно учесть нелинейность зависимости «напряжения-деформация» и снижение проницаемости при сжатии.
Типовые результаты расчётов: устойчивость (сверху), осадка и консолидация (снизу)
Расчёты консолидации весьма важны для транспортных сооружений на слабых грунтах. Это связано с требованиями нормативных документов в автодорожной отрасли к началу запуска эксплуатации (движения транспорта). Например, укладка асфальтобетона допускается после снижения интенсивности осадки до 2 см/год или после достижения 90% консолидации. Расчёт в PLAXIS позволяет легко построить график осадки во времени и получить как время, соответствующее 90% консолидации, так и время достижения интенсивности 2 см/год или 5 см/год. Наличие специального элемента для моделирования ленточных дрен (вертикальная система дренирования) даёт возможность проектировщику оценить преимущества этого варианта путём сравнения сроков консолидации, которые за счёт дрен существенно сокращаются.
Применительно к расчётам высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ) в расчётах осадки важно ценить не только время фильтрационной консолидации, но и осадку за период эксплуатации (например, 50 лет). Этот расчёт основан на реологических свойствах грунтов и может быть выполнен в PLAXIS с использованием соответствующих моделей. Например, с помощью самой доступной модели SoftSoilCreep, в параметрах которой задаётся коэффициент ползучести.
Одной из сложных геотехнических задач можно считать расчёты для уширения существующих насыпей, вторых путей или участков съезда/заезда вставок или участков спрямления. Эти задачи актуальны как для железнодорожного строительства (строительство вторых путей), так и для автодорожного — активное строительство обходов крупных городов. Суть проблемы сводится к необходимости учесть два основных фактора: 1) оценка влияния отсыпки уширяемой части на осадку существующей насыпи; 2) проектирование мероприятий по обеспечению устойчивости и равномерности деформаций уширяемой части на слабом основании рядом с уже стабилизированным основанием существующей насыпи.
Решение этой сложной задачи наиболее доступно только численным методом.
При проектировании выемок часто встречаются случаи обрушения откосов. Причём происходят они в грунтах твёрдой и полутвёрдой консистенции, а простые расчёты устойчивости показывают большие запасы — коэффициент устойчивости более 2. Эта проблема является комплексной и требует особого подхода не только в расчётах, но и в изысканиях и лабораторных испытаниях, поэтому подробное рассмотрение выходит за рамки этой публикации. В части расчётов оценка надёжности требует использования остаточной прочности (испытание плашка-по-плашке) и учёта увлажнения грунтов после выпадения атмосферных осадков или таяния снега. В первом приближении оценка локальной устойчивости может быть выполнена в PLAXIS через отделение в откосной части области глубиной до 2 м, в которой задаётся остаточная прочность.