Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

сять инженерно-геологических элементов (ИГЭ), для которых были определены физико-механические характеристики грунтов (табл. 1).

Характерный поперечный профиль насыпи приведен на рис. 1.

Рис. 1. Поперечный инженерно-геологический профиль насыпи участка Таёжный-Камарчага Красноярской ж. д.

Для установления причин деформирования были выполнены расчеты устойчивости насыпи (правого и левого откосов).

Оценка устойчивости проводилась с использованием метода Г.М. Шахунянца [2], реализованного в двух сертифицированных программных комплексах

GEO5 Fine (Чешскаяреспублика) [3] иGeoStab фирмыGeoSoft (Россия) [4].

При выполнении расчетов использовались данные поперечного профиля насыпи, предварительно построенного графическими средствами и импортированного в программные комплексы с использованием специальных шаблонов, расчетные характеристики грунтов (ИГЭ) и перспективные значения поездных нагрузок, приложенныенауровнеосновнойплощадки, равные80 кПа

Результаты расчетов устойчивости насыпи показаны на рис. 2. Анализ результатов расчетов, выполненных с использованием про-

граммных комплексов показал, что были получены одинаковые результаты. Так для правого откоса насыпи коэффициент устойчивости составил 1.06

461

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

и для левого откоса 1,30…1,31. Было установлено, что устойчивость правого откоса для рассмотренных условий не достаточна и эксплуатационная надежность насыпи не обеспечивается, так как расчетное значение коэффициента устойчивости оказалось значительно меньше нормативного значения коэффициента устойчивости [К] =1.20, установленного по СТН Ц-01–95 [5] как для железнодорожной линии 2 категории. Это связано с наличием в теле насыпи неоднородных прослоек глинистых грунтов разной консистенции: от твердой до мягкопластичной и текучепластичной, последние имеют низкие прочностные характеристики.

Таким образом, для обеспечения эксплуатационной надежности на этом участке железной дороги необходимо усиление правой стороны насыпи.

В качестве мероприятий по ее усилению были рассмотрены варианты технических решений по повышению устойчивости откосных частей насыпи помощи грунтовых нагелей (рис. 3 и 4).

Грунтовый нагель представляет собой горизонтальный или наклонный армирующий элемент или буроинъекционную микросваю, закрепляемые без предварительного натяжения в откосе или в склоне [6]. При устройстве нескольких рядов грунтовых анкеров создается система грунтовых нагелей, которая армирует массив грунта и способствует повышению устойчивости насыпи.

Нагельное крепление в глинистых грунтах устраивается по следующей технологии [6]:

бурение скважины шнеком;

погружение в скважину арматурного стержня;

462

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

заполнение скважины цементным раствором через инвентарную инъекционную трубку;

закрепление головки нагеля на защитном покрытии после схватывания цементного раствора в скважине.

Рис. 3. Поперечный профиль насыпи,усиленной грунтовыми нагелями: 1 – оголовок анкера; 2 – опорная конструкция; 3 – анкеруемое сооружение; 4 – буровая скважина; 5 – изолирующая оболочка; 6 – тяга; 7 – заделка; 8 – пята; 9 – напорная труба;10 – цементное тело

Рис. 4. Грунтовый нагель [7]

Конструктивные параметры нагельного крепления (грунтовых нагелей) (диаметр, длина, шаг нагелей по длине откоса; угол наклона; прочность на разрыв) приведены в табл. 2.

463

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

GEO5

Устойчивость правого откоса К=1.20

GeoStab

Устойчивость правого откоса К=1.20

Рис. 5. Результаты расчетов устойчивости насыпи после усиления нагельным креплением

Грунтовые инъекционные нагели можно разделить на две группы. Первая группа обеспечивает местную устойчивость насыпи, армирует тело насыпи и закрепляется в ядре насыпи, нагели имеют длину 20 м. Вторая группа обеспечивает общую устойчивость насыпи, нагели закрепляются в прочном основании и имеют длину 25 м.

Результаты расчетов насыпи, усиленной нагелями, установленных с правой стороны в откос насыпи в шахматном порядке с шагом 2.0 м, показаны на рис. 5.

464

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Расчетами устойчивости насыпи было установлено, что устойчивость насыпи после ее усиления нагельными креплениями обеспечивается, расчетные коэффициенты устойчивости для левого откоса составили 1.20, что соответствует нормативному значению [К] =1.20. Что свидетельствует о возможности применения нагельных конструкций для усиления насыпей, сложенных неоднородными глинистыми грунтами. При этом следует отметить практически полную идентичность расчетных значений коэффициентов устойчивости, полученных в программных комплексах GEO5 и GeoStab.

Литературы

1.Материалы рабочего проекта «Модернизация железнодорожного пути на участке Таёжный-Камарчага, направления Мариинск-Юрты Красноярской железной дороги», ОАО «Росжелдорпроект», 2013.

2.Шахунянц Г.М. Проектирование железнодорожного пути. – М.: Транспорт, 1972. – 319 с.

3.Программный комплекс GEO5 – Slope Stability (educational license)/ version

5.14.6.0

4.Программный комплекс GeoStab 4 – Slope Stability (educational license)/ version

4.1.1.4082

5.Строительно-технические нормы МПС РФ. Железные дороги колеи 1520 мм СТН Ц-01-95. – М.: МПС, 1995. – 87 с.

6.СТО НОСТРОЙ 109-2013. Стандарт организации. Освоение подземного пространства. Устройство грунтовых анкеров, нагелей и микросвай. Правила и контроль выполнения. Требования к результатам работ.

7.Брошюра фирмы «Геоизол»

УДК 624.137

П.Г. Долгов (ПГУПС, Санкт-Петербург)

МЕТОДЫ РАСЧЕТА УДЕРЖИВАЮЩИХ ГРУНТОВЫХ БЕРМ

В статье представлено описание существующих методов учета удерживающих грунтовых берм при расчете ограждающих конструкций. Выполнено сопоставление результатов полученных различными методами, приводятся выводы и рекомендации о возможности их использования.

Введение

Грунтовые бермы могут служить эффективным способом ограничения деформаций и увеличения общей устойчивости ограждающих и подпорных конструкций различного типа.

Использование удерживающих грунтовых берм является популярным решением при откопке котлованов, применяемым в качестве основного мероприятия по креплению стенки, а так же совместно с наклонными или горизонтальными распорными конструкциями. Метод в основном используется в качестве временного мероприятия при ведении работ захватками.

465

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Не смотря на относительную популярность данного типа удерживающей конструкции, на сегодняшний день существует лишь ограниченное количество исследований в этой области, методов расчета и руководств по проектированию.

При исходных инженерно-геологических условиях, величина дополнительного пассивного давления передаваемого грунтовой бермой на ограждающую конструкцию зависит от ее высоты H, ширины основания B и угла откоса α (рис. 1). Максимальное значение угла откоса зависит от характеристик грунта и гидрогеологических условий, в то время как ширина основания берм ограничивается пространственными возможностями площадки строительства.

Рис. 1. Геометрия грунтовых берм

В представленной статье приводится описание существующих аналитических методов учета грунтовых берм в расчетах устойчивости и взаимодействия конструкций с грунтом, среди которых можно выделить следующие (в дополнение к переводу, приводится оригинальное название на английском языке):

метод эквивалентной нагрузки – equivalent surcharge [1]

метод увеличения уровня планировки дна котлована – the raised effective formation level [2]

расчет одиночной или множества призм обрушения – single or multiple Coulomb wedge analysis [3, 4, 5, 6]

Кроме перечисленных методов, в статье представлены: модифицированный метод увеличения уровня планировки дна котлована [5], в ряде случаев показавший наиболее точные результаты при использовании в расчетах эффективных прочностных параметров грунта, а так же решение по возможности учета в расчетах трения грунта о стенку.

466

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Рис. 3. Метод увеличения планировки дна котлована

Модифицированный метод увеличения уровня планировки дна котлована

В качестве альтернативного варианта, вместо того, чтобы принимать постоянное увеличение уровня планировки в зависимости от геометрии бермы, при использовании метода описанного выше, более рациональным решением может быть увеличение уровня планировки в зависимости от ее реального веса, распределенного по поверхности от края ограждения до края поверхности теоретического обрушения отходящей от нижней точки ограждения.

Для ограждающей конструкции без трения и горизонтальной поверхности грунта засыпки, увеличение уровня планировки y, может быть найдено из выражения:

y W tan(45 2)

d

где W, d – обозначения – см. рис. 2, γ – единица объемного веса грунта, d – глубина погружения ограждающей конструкции.

Никакого дальнейшего дополнительного увеличения к уровню планировки не применяется

Учет трения грунта о стенку в методах дополнительной эквивалентной нагрузки и модифицированном методе увеличения уровня планировки котлована

468

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

За счет эффекта трения грунта о стенку угол поверхности призмы обрушения от горизонтали – θс , будет меньше чем (45°– φ’/2). Учет трения значительно влияет на значение дополнительной эквивалентной нагрузки и уровень увеличения планировки, при использовании соответствующих методов. Угол поверхности обрушения при учете трения грунта о стенку, может быть найден по формуле:

где δ – угол трения грунта о стенку, φ’ – угол внутреннего трения грунта, Использование θс основанного на предположении плоской поверхности

обрушения при учете трения может привести к небольшим погрешностям, поскольку реальная поверхность обрушения призмы должна быть криволинейной. Криволинейная поверхность обрушения может давать различную длину, в зависимости от которой рассчитывается увеличение планировки или дополнительное эквивалентная нагрузка. Данная погрешность является относительно небольшой для значений угла внутреннего трения φ’ до 20°, типичного для глинистых грунтов.

Очевидно, что при использование большего значения угла трения грунта о стенку увеличивается полученный коэффициент устойчивости. При сравнении полученных результатов при δ/φ’ = 0 и δ/φ’ = 2/3, значение коэффициента устойчивости увеличивается в среднем на 12%. По этим обстоятельствам, полагают, что использование нулевого трения грунта о стенку со стороны пассивного давления приводит к слишком консервативным решениям.

Метод кратных призм обрушения при дренированном анализе в условиях предельного равновесия

Распределение дополнительного пассивного давления от берм по глубине ограждающей конструкции с использованием данного метода, определяется путем рассмотрения нескольких призм обрушения расположенных через равные промежутки.

На рис. 4 изображены усилия действующие в призме пассивного давления. Разложение вертикальных и горизонтальных сил действующих в призме, позволяет определить боковое усилие, которое она оказывает на ограждение, F:

F (N c l cot ) tan sin (N U R )cos UW ,

где нормальная реакция к поверхности обрушения, N’, определяется по формуле:

469

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

N c l(cos sin tan ) U R (cos tan sin ) W UW tan cW lW , sin tan cos tan sin tan cos tan

где c’, φ’, l, UR, UW, W, cW, lW – обозначения (рис. 4), θ – угол наклона поверхности обрушения от вертикали, δ – угол трения грунта о стенку.

Рис. 4. Усилия действующие в призме пассивного давления

W – вес призмы обрушения, F – боковое усилие передаваемое на ограждение, N’ – нормальная реакция к поверхности обрушения, RR – трение вдоль поверхности обрушения, c’l – эффективное сцепление вдоль поверхности обрушения (где l – длина поверхности теоретического обрушения, c’ – удельное сцепления частиц грунта), RW – трение на поверхности грунт/стена, cwlw – сцепление на поверхности грунт/стена (где lw – глубина рассматриваемой призмы обрушения с примыкании к стене, cw – сцепление грунта со стенкой), UR – поровое давление воды действующее на поверхности теоретического об-

рушения, UW – поровое давление воды действующее на стену

Процедура расчета представлена на рис. 5 и выполняется в следующей последовательности:

а) ограждающая конструкция разделяется точками интервалом 1 метр по всей глубине;

б) принимается точка поворота стены на глубине h+Zp ниже планировочной отметки (предварительно возможно принять расположение точки поворота на глубине 97,5 % от суммарной длины ограждения h+d ниже уровня планировки [6]):

в) расчет призм пассивного давления для каждой расчетной точки в уровне и выше точки поворота ограждения, при условии рассмотрении плоской поверхности обрушения обеспечивающей минимальное сопротивление;

470