Приложение А (справочное). Пример расчетного обоснования в программной системе конечно-элементного анализа

Приложение А
(справочное)

Пример расчетного обоснования в программной системе конечно-элементного анализа

А.1 Пример оценки несущей способности слабого основания земляного полотна высотой 3,5 м (с учетом технологического слоя мощностью 0,7 м) на слабом основании водонасыщенных грунтов. Исходные данные характеристики грунтов принимают по результатам инженерных изысканий.

Рисунок А.1 - Поперечный разрез исследуемого участка

Рисунок А.2 - Расчетная схема насыпи с применением ВСНСМ

Таблица А.1 - Параметры автомобильной дороги

Параметр	Значение
Категория дороги	I-б
Ширина земляного полотна	35 м
Ширина проезжей части	2х11,25 м
Число полос движения	6
Ширина обочин	3,75 м
Ширина разделительной полосы	5 м
Тип дорожной одежды	Капитальный
Вид покрытия	Асфальтобетон

Таблица А.2- Исходные параметры насыпи, свай и грунтов основания

Группа параметров	Характеристики грунта	Обозначения характеристик	Значения характеристики
Торф	Модуль деформации, кПа	E	1000
	Удельный вес грунта,		14
	Угол внутреннего трения, град		10
	Сцепление, кПа	с	12
	Плотность,		1,4
	Коэффициент фильтрации, м/сутки	Кф	0,15
	Модель материала	Уплотняемый грунт (Hardering soil)	-
	Тип дренирования	Undrained A ( не дренированный)	-
Песок	Модуль деформации, кПа	E	33 000
	Удельный вес грунта,		19,6
	Угол внутреннего трения, град		24
	Сцепление, кПа	с	1
	Плотность,		1,96
	Коэффициент фильтрации, м/сутки	Кф	1
	Модель материала	Уплотняемый грунт (Hardering soil)
	Тип дренирования	Undrained A ( не дренированный)
Насыпь	Модуль деформации, кПа	E	45 000
	Коэффициент Пуассона		0,3
	Удельный вес грунта,		18
	Угол внутреннего трения, град		30
	Сцепление, кПа	с	1
	Плотность,		1,8
	Коэффициент фильтрации, м/сутки	Кф	5
	Модель материала	Mohr-Coulomb ( Кулона-Мора)
	Тип дренирования	Дренированный

А.2 Расчет несущей способности слабого основания автодорожной насыпи выполняется на основе раздела 8 настоящего ОДМ.

А.3 Расчет проводился в верифицированном программном комплексе, построенном на методе конечных элементов.

А.4 Для определения осадки насыпи от временной подвижной нагрузки необходимо вычислить равномерно распределенную нагрузку согласно ГОСТ 32960-2014 (раздел 4), кПа:

кПа (А.1)

где n - число полос движения, равно 6;

- ширина земляного полотна, равно 22;

K - класс нагрузки АК по ГОСТ 32960-2014 (подраздел 3.3), равно 11,5.

Допустимая суммарная осадка на конец срока службы автомобильной дороги от временной подвижной нагрузки приведена в СП 34.13330 и равна 10 см при толщине нестабильных слоев грунтового основания насыпи более 2 м.

Коэффициент устойчивости откосов насыпи должен быть в соответствии с СП 34.13330

Для расчета устойчивости откосов насыпи земляного полотна определяется нагрузка согласно ГОСТ 32960 - 2014 (раздел 4), кПа:

Моделирование производится в несколько этапов:

- устройство технологического слоя и насыпи ("Насыпь");

- устройство ВСНСМ ("Сваи");

- консолидация ("Консолидация");

- приложение АК нагрузки, расчет осадки ("АК Нагрузка");

- приложение НК нагрузки ("НК Нагрузка");

- расчет коэффициента устойчивости насыпи под воздействием НК нагрузки ("Устойчивость").

А.5 Первым этапом строительства насыпи является выторфовка основания на глубину 3 метра с заменой слабого водонасыщенного торфа на свайный материал.

А.6 Следующим этапом является отсыпка насыпи. Для этого сначала необходимо возвести технологический слой. В данном случаем технологический слой составляет 0,7 метра, а самой насыпи 2,8 метра. Изополя вертикальных смещений данной фазы представлена на рисунке А.2.

ГАРАНТ:

Нумерация рисунков приводится в соответствии с источником

Рисунок А.2 - Изополя вертикальных смещений фазы "Насыпь"

А.7 Согласно требованиям СП 34.13330 к насыпям, возводимым на слабых грунтах, предъявляются дополнительные требования, а именно:

- интенсивная часть осадки основания должна завершиться до устройства покрытия (исключение допускается при применении сборных покрытий в условиях двух стадийного строительства);

А.8 За завершение интенсивной части осадки допускается принимать момент достижения 90%-ной консолидации основания или интенсивности осадки не более 2,0 см/год при дорожных одеждах капитального типа и 80%-ной консолидации или интенсивности осадки не более 5,0 см/год при дорожных одеждах облегченного типа. На рисунке А.3 приведены изополя вертикальных смещений фазы консолидация.

Рисунок А.3 - Иозополя вертикальных смещений фазы "Консолидация"

По результатам расчетов 90% консолидации основания будет достигнуто через 34 дня от начала строительства. Интенсивность осадки за год составила 1,86 см. Далее производится расчет осадки под воздействием временной подвижной нагрузки АК. На рисунке А.4 приведены изополя вертикальных смещений фазы "АК нагрузка"

Рисунок А.4 - Изополя вертикальных смещений фазы "АК нагрузка"

А.9 Допустимая суммарная осадка на конец срока службы автомобильной дороги от временной подвижной нагрузки составила 14,29 см, что не соответствует требованиям СП 34.13330 при толщине нестабильных слоев грунтового основания насыпи более 2 м.

А.10 Последний этапом расчета насыпи является определения коэффициента устойчивости под воздействием нормативной нагрузки от автотранспортных средств, осуществляющих перевозки тяжеловесных грузов, пропускаемых в специальном режиме НК. Изополя вертикальных смещений фазы "НК нагрузка" представлены на рисунке А.5.

Рисунок А.5 - Изополя вертикальных смещений фазы "НК нагрузка" устойчивости

Коэффициент устойчивости насыпи под воздействием НК нагрузки составил 1,144, что не удовлетворяет условию .

А.11 Таким образом, получаем, что строительство насыпи на данном участке без мероприятий по увеличению несущей способности грунтов невозможно. Осадка значительно превышают максимально допустимую по СП 34.13330, коэффициент устойчивости меньше необходимого и также не удовлетворяет требованиям.

А.12 В следующем примере проведен аналогичный расчет с усилением основания ВСНСМ.

А.13 В примере представлена оценка несущей способности слабого основания земляного полотна высотой 3,5 м (с учетом технологического слоя в 0,7 м) на слабом основании водонасыщенных грунтов. Исходные данные характеристики грунтов принимают по результатам инженерных изысканий, а параметры насыпи и ВСНСМ по ПД.

А.14 Для увеличения несущей способности слабого основания и устойчивости откосов земляного полотна использовано укрепление основания ВСНСМ (рисунок А.6) со следующими параметрами: диаметр ВСНСМ - 0,8 м; сетка 2 м х 1,7 м.

Таблица А.3 - Исходные параметры насыпи, ВСНСМ и грунтов основания

Группа параметров	Характеристики грунта	Обозначения характеристик	Значения характеристики
СМ	Модуль деформации, кПа	E	35000
	Коэффициент Пуассона		0,3
	Удельный вес грунта,		19
	Угол внутреннего трения, град		35
	Сцепления, кПа	с	1
	Плотность,		1,9
	Коэффициент фильтрации, м/день	Кф	50
	Модель материала	Кулон-Мор ( Mohr-Coulomb)	-
	Тип дренирования	Дренированный (Drained)

Рисунок А.6 - Схема устройства свай

А.15 Улучшение прочностных и деформационных характеристик грунта в зоне уплотнения приводит к увеличению несущей способности грунтов, что позволяет передать на модифицированные грунтовые основания большие нагрузки. Заполненные дренирующим материалом ВСНСМ одновременно выполняют функцию вертикальных дрен по ускорению процесса консолидации водонасыщенных грунтов за счёт сокращения пути фильтрации воды, отжимаемой из слабой толщи.

А.16 Расчет производится в той же последовательности с введением дополнительной фазы для устройства ВСНСМ.

- выторфовка слабого основания на глубину 3 метра с заменой на песчано-гравийную смесь ("Выторфовка");

- устройство рабочей площадки и насыпи ("Насыпь");

- устройство ВСНСМ ("Сваи");

- консолидация ("Консолидация");

- приложение АК нагрузки, расчет осадки ("АК Нагрузка");

- приложение НК нагрузки, расчет осадки;

- расчет коэффициента устойчивости под воздействием НК нагрузки.

Рисунок А.7 - Изополя вертикальных смещений фазы "Выторфовка"

Рисунок А. 8 - Изополя вертикальных смещений фазы "Насыпь"

Рисунок А.9 - Изополя вертикальных смещений фазы "ВСНСМ"

Рисунок А.10 - Изополя вертикальных смещений фазы "Консолидация"

А.17 По результатам расчетов 90% консолидации основания будет достигнуто через 34 дня от начала строительства. Интенсивность осадки за год составила 1,72 см. Расчетное время консолидации грунтов основания земляного полотна совпало при расчете без усиления ВСНСМ и усилением. Это обуславливается тем, что 90% консолидация была достигнута еще на этапе строительства насыпи. На рисунке А.11 приведен график рассеяния порового давления, что свидетельствует о наступлении консодилированного состояния.

Рисунок А.11 - График рассеяния порового давления

Рисунок А.12 - Изополя вертикальных смещений фазы "АК нагрузка"

А.18 Суммарная осадка на конец межремонтного срока по капитальному ремонту автомобильной дороги от временной подвижной нагрузки составит 1,1 см, что не превышает предельную осадку в 10 см согласно СП 34.13330.

А.19 Результаты расчетов показали значение коэффициента устойчивости в размере 1,426, что выше требуемого значения. Из результатов расчета следует, что усиление слабых оснований при помощи ВСНСМ обеспечивает заданный коэффициент устойчивости насыпи и может быть рекомендовано в качестве конструктивно-технологического мероприятия для повышения несущей способности слабых оснований и устойчивости откосов земляного полотна.

А.20 Пример технико-экономического обоснования применения ВСНСМ представлен в приложении Г.