искать
Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 109 , авторов - 381 ,
всего информационных продуктов - 3748 , из них
статей журнала - 799 , статей базы знаний - 87 , новостей - 2634 , конференций - 4 ,
блогов - 9 , постов и видео - 168 , технических решений - 7

© 2016-2020 ГеоИнфо

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
 

Возможности PLAXIS 2D для оценки деформаций устоев путепровода на сжимаемом основании

Аналитическая служба ГеоИнфо
28 апреля 2020 года

Если слишком экономить и не соблюдать стандарты на всех стадиях жизненного цикла мостового сооружения, то возможны его деформации и даже разрушение, что может привести к гибели сотен людей и к большим экономическим потерям. Поэтому надо относиться очень серьезно к поиску причин аварийных ситуаций, связанных с такими строительными объектами. В предлагаемой статье перечисляются основные виды этих объектов, приводятся примеры их катастрофических разрушений из-за ошибок изыскателей, проектировщиков, строителей или эксплуатирующих организаций, а также подробно рассматривается случай возникновения смещений концевых опор путепровода мостового типа, построенного на слабых грунтах, и результаты его двумерного численного анализа методом конечных элементов в программном комплексе PLAXIS 2D.

Статья подготовлена при поддержке компании "НИП-Информатика" — партнера журнала "ГеоИнфо".

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СООРУЖЕНИЙ МОСТОВОГО ТИПА

Одними из самых первых инженерных сооружений, которые начали строить люди еще тысячи лет назад, были мосты для преодоления водных преград. Например, на рисунке 1 представлена фотография каменного Мульвиева моста (Понте Мильвио) через реку Тибр в Риме. Он был построен в 109 году до нашей эры (причем деревянный мост на этом же месте существовал еще за 100 лет до этого). Правда, в 1870 году его пришлось восстанавливать из-за повреждений в результате ряда военных действий в разные века. Этим мостом пользуются до сих пор, однако машины по нему ездили лишь до 1956 года, а потом его объявили памятником старины и сделали исключительно пешеходным [10, 11].

 

Рис. 1. Мульвиев мост через реку Тибр в Риме, построенный в 109 году до нашей эры, – самый древний из ныне действующих мостов [10]
Рис. 1. Мульвиев мост через реку Тибр в Риме, построенный в 109 году до нашей эры, – самый древний из ныне действующих мостов [10]

 

На рисунке 2 — фотография одного из современных чудес инженерной техники. Это самый длинный мост в мире через водное пространство, пересекающий северную часть залива Цзяочжоу. Мост соединяет город Циндао и пригородный промышленный район Хуандао в Китае. Его длина составляет 42,5 км. Впрочем, китайцы уже построили комплекс, состоящий из серии мостов и подводных тоннелей, пересекающий дельту Жемчужной реки, общей длиной 49,6 км (между Гонконгом, Чжухаем и Макао) [7, 10, 21].

 

Рис. 2. Самый длинный мост в мире через водное пространство длиной 42,5 км (Циндаосский), пересекающий северную часть китайского залива Цзяочжоу [10]
Рис. 2. Самый длинный мост в мире через водное пространство длиной 42,5 км (Циндаосский), пересекающий северную часть китайского залива Цзяочжоу [10]

 

Если сооружение строится не для пересечения водной преграды, а над автомобильной или железной дорогой, то оно называется путепроводом мостового типа. Такие сооружения имеют от 1 до 4 пролетов. Если же пролетов больше, то это уже эстакада, причем проходить она может сразу над несколькими видами препятствий. Самая длинная из них в мире – эстакада Банг На в Таиланде длиной 54 км.

Для пересечения оврагов, ущелий и прочих значительных неровностей рельефа строят виадуки. От эстакад их отличает отсутствие однотипных опор под ними. На рисунке 3 представлена фотография виадука Мийо на юге Франции, самая большая из опор которого имеет высоту 341 м [3, 10].

 

Рис. 3. Виадук над долиной реки Тарн вблизи города Мийо на юге Франции [3]
Рис. 3. Виадук над долиной реки Тарн вблизи города Мийо на юге Франции [3]

 

Если по мостовому сооружению бежит вода (в канале или по трубе), то это уже акведук. Акведуки начали строить еще древние вавилоняне, египтяне, римляне и греки для ирригации и доставки воды в города (рис. 4). Современные акведуки служат тем же целям, но иногда бывают совсем уж необычными – по ним даже может ходить водный транспорт (рис. 5) [1, 2, 10].

 

Рис. 4. Акведук длиной 728 м и высотой 28 м, построенный древними римлянами в испанском городе Сеговия предположительно в первом столетии нашей эры [2]
Рис. 4. Акведук длиной 728 м и высотой 28 м, построенный древними римлянами в испанском городе Сеговия предположительно в первом столетии нашей эры [2]

 

Рис. 5. Магдебургский водный мост (акведук), соединяющий внутренний порт Берлина с портами на Рейне в Германии [10]
Рис. 5. Магдебургский водный мост (акведук), соединяющий внутренний порт Берлина с портами на Рейне в Германии [10]

 

В широком смысле слова все рассмотренные выше сооружения являются мостами, но все же технологии их строительства различны. Поэтому для подобных объектов обычно используют обобщенный термин «мостовые сооружения» [9].

 

РАЗРУШЕНИЯ МОСТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ И ИХ ПРИЧИНЫ

Если слишком экономить, не соблюдать нормы и допускать ошибки на стадиях инженерных изысканий, проектирования, изготовления строительных материалов, строительства или последующего обслуживания мостовых сооружений, то возможны их обрушения, а в таких ситуациях порой погибает столько же людей, сколько и при авиакатастрофах, не говоря уже о гигантских экономических потерях [16]. К сожалению, такие случаи не являются слишком большой редкостью [4].

Приведем примеры двух значительных катастроф, случившихся за последние 2 года только в Италии.

14 августа 2018 года на автостраде А10 в Генуе рухнула одна из двух центральных опор колоссального виадука Польчевера (моста Моранди), а вместе с ней – 200-метровый пролет (рис. 6). В тот момент на нем было много автотранспорта. Тогда погибло 43 человека и десятки пострадали. Только чудом не были разрушены жилые дома под сооружением. Непосредственными причинами происшествия были названы изношенность виадука, построенного еще в 1967 году, отсутствие должного мониторинга его состояния и соответствующих ремонтных работ (хотя инженеры уже в 2009, 2011 и 2016 годах сообщали об интенсивном износе опоp и дорожного покрытия виадука и предупреждали о возможности катастрофы). Но исходная причина заключалась в следующем: при строительстве этого сооружения в 1960-х годах не было учтено, что железобетон со временем деградирует, а затем разрушается, и стяжки моста были выполнены из железобетона, а не из металла. Из-за непрерывных вибраций от дорожного движения и ветровых нагрузок в бетоне появились микротрещины, в результате чего воздух и влага достигли металлической арматуры и привели к ее коррозии. Поэтому изношенный виадук Польчевера после обрушения не стали восстанавливать и ликвидировали, хотя сделать это надо было намного раньше – до катастрофы [5, 14, 16, 20].

 

Рис. 6. Обрушенный пролет виадука Польчевера (моста Моранди) на автостраде А10 в Генуе (Италия, 2018 г.) [5]
Рис. 6. Обрушенный пролет виадука Польчевера (моста Моранди) на автостраде А10 в Генуе (Италия, 2018 г.) [5]

 

А 8 апреля 2020 года целиком обрушился 260-метровый мост через реку Магра в тосканской провинции Аулла на севере Италии (рис. 7). Двое водителей получили травмы. Жертв не оказалось только потому, что дороги практически пустовали в результате карантина из-за пандемии коронавирусной инфекции. Причины этого обрушения пока не объявлены, но, судя по многочисленным фотографиям разрушенных опор моста, которые можно найти в интернете, это были и ошибки проектирования, и изношенность сооружения [12].

 

 

В статье «Риск может стоить слишком дорого: из опыта Италии» [18, 19], опубликованной в журнале «Геоинфо» в мае 2018 года, рассказывалось о том, что в этой стране вплоть до настоящего времени часто случаются обрушения зданий и сооружений, которые были возведены во время строительного бума в 1960-е годы. Компании тогда зарабатывали в том числе и на том, что старались потратить меньше времени и денег на инженерные изыскания, проектирование, материалы и строительство, а коррумпированные чиновники в огромных количествах воровали бюджетные средства, выделенные на строительство государственно важных объектов. Поэтому допускались безобразные ошибки на всех стадиях развития проектов. Да и теперь эта безалаберная итальянская экономия на всем хоть и в меньшей степени, но продолжается. Не проводится мониторинг работы изношенных сооружений, не выполняется их своевременный ремонт (или снос). Об этом приходится напоминать, поскольку ситуация в России в постсоветское время во многом напоминает итальянскую.

В таблице 1 представлена краткая информация лишь по малой доле катастроф с мостовыми сооружениями в разных странах, случившихся из-за ошибок на этапах инженерных изысканий, проектирования или эксплуатации [4–6, 8, 12–17, 20]. А ведь бывают еще обрушения таких объектов из-за стихийных бедствий (землетрясений, селей, оползней, ураганов и т.д.). Но даже для таких случаев можно предусмотреть достаточный запас прочности таких сооружений и минимизировать все риски.

 

Таблица 1. Некоторые катастрофы, связанные с обрушениями мостовых сооружений [46, 8, 1217, 20]

 

Как видно из таблицы 1, мостовые сооружения, как правило, разрушаются неожиданно, что приводит к большому количеству жертв и к экономическим потерям. Поэтому к поиску причин их отказов надо относиться более чем серьезно.

Например, И.И. Овчинников с коллегами в своей работе [15] выделили следующие группы причин аварий таких объектов:

  • недоучет ветровой нагрузки и аэродинамическая неустойчивость сооружения;
  • потеря устойчивости элементов сооружения;
  • ошибки в технологии ведения строительно-монтажных и ремонтных работ;
  • перегрузка несущих конструкций;
  • резонансные эффекты или «усталость» материала;
  • деградация материала в процессе эксплуатации или в результате неблагоприятного воздействия окружающей среды;
  • недостаточная надежность и расстройства соединений;
  • несоблюдение установленных габаритов перевозимых грузов и величин подвижных нагрузок;
  • отсутствие технического надзора;
  • появление дополнительных усилий и деформаций из-за геологических, гидрологических, оползневых, сейсмических явлений и других стихийных бедствий;
  • навал судов или наезд других видов транспорта на опоры мостовых сооружений;
  • воздействия на конструкции моста форс-мажорных нагрузок;
  • ошибки в расчетах при проектировании;
  • использование некачественных материалов при строительстве.

К этому списку, конечно, необходимо добавить (даже поставить на первое место) недостаточные и/или некачественные инженерные изыскания и, соответственно, отказы мостовых сооружений, например, из-за непредвиденных воздействий окружающей среды или поведения грунтовых оснований.

 

АНАЛИЗ ДЕФОРМАЦИЙ ПУТЕПРОВОДА НА СЖИМАЕМОМ ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ

Выявление причин отказов мостовых сооружений должно помогать совершенствованию методов их проектирования, строительства, эксплуатации, а также контроля и мониторинга на всех этапах. В том числе такой анализ должен способствовать более четкому определению внешних факторов, воздействующих на эти объекты, уточнению нормативных и расчетных нагрузок на них, разработке более совершенных методов расчета, построению и анализу более корректных расчетных моделей [15]. 

В связи с вышесказанным будет уместно рассмотреть, например, анализ причин нарушений концевых опор путепроводов, описанный в докладе канадских специалистов по геотехнике и гражданскому строительству А. Турана и др. «Горизонтальные деформации устоя путепровода мостового типа из-за сжимаемых грунтов основания» [23]. Этот доклад был сделан на Седьмой международной конференции по практическому опыту в геотехнике, которая проходила в 2013 году в Университете науки и технологий штата Миссури в США. Кратко рассмотрим материалы этой работы.

 

Деформации путепроводов в канадской провинции Онтарио, построенных в 1960-х годах

В случае слабых грунтов основания для строительства промежуточных и концевых опор путепроводов мостового типа приходится устраивать фундаменты глубокого заложения. В канадской провинции Онтарио опоры таких сооружений обычно поддерживаются забивными сваями-стойками, опирающимися на глубоко залегающую коренную породу. Однако устройство насыпей на подходах к путепроводам, построенным на дорогах данного региона в 1960-х годах на слабых сжимаемых грунтовых основаниях, по крайней мере в семи случаях привело к значительным вертикальным и горизонтальным смещениям грунтов оснований и насыпных материалов. Эти смещения привели к воздействию сил отрицательного поверхностного трения (направленных вертикально вниз) и горизонтальных усилий на боковые поверхности свайных фундаментов устоев. В результате возникли деформации и смещения свай и самих устоев, причем в трех случаях из указанных семи они были недопустимыми, поэтому пришлось проводить дорогостоящие ремонтные работы.

 

Описание конкретного случая в Онтарио

А. Туран с коллегами [23] более подробно описали случай с большими осадками подходных насыпей и их грунтовых оснований, которые привели к деформациям фундаментов концевых опор после завершения строительства путепровода мостового типа на авеню Брукдейл (на шоссе № 401 в канадской провинции Онтарио). Деформации и смещения были таковы, что потребовались существенные ремонтные работы.

Первоначальные исследования грунтового основания будущего путепровода были проведены в 1961 году. После строительства и возникновения смещений его устоев на этапе эксплуатации были выполнены дополнительные изыскания в 1965 году для анализа причин деформаций.

Территория расположения данного объекта с поверхности сложена 10,5-метровой толщей чувствительных слабых отложений (от твердых до текучепластичных и текучих), сформировавшихся в конце ледникового периода на дне древнего Шамплейнского моря и относящихся к геологической формации Leda clay. Они состоят из глины, ила и мелкого песка (будем называть их ледскими глинами). Верхние 2 м этой толщи образуют твердый поверхностный слой (корку).

Под толщей ледских глин залегает 3-метровый слой валунной глины (тилля) с большим количеством песка и гравия с валунами. А под ним – коренная порода.

Сам путепровод, построенный в 1961 году, представляет собой четырехпролетное мостовое сооружение, которое поддерживается северной и южной концевыми опорами (устоями) и тремя группами промежуточных свайных опор. Использовались стальные забивные сваями 12 ВР 53.

В фундаменте каждого устоя – по 18 свай, расположенных в 2 ряда с шагом 1,5 м. Сваи в первом ряду не вертикальны, их исходный наклон – 4V:1H

Каждая промежуточная опора поддерживается фундаментом из 28 вертикальных свай, также расположенных в два ряда.

Высота обеих насыпей подходов к путепроводу составляет 6,7 м. Откосы насыпей стабилизированы с помощью берм высотой 3,5 м и шириной 16 м и имеют уклон 2:1 как по бокам, так и перед насыпью (рис. 8-11).

 

Рис. 8. Фотография путепровода мостового типа на авеню Брукдейл [23]
Рис. 8. Фотография путепровода мостового типа на авеню Брукдейл [23]

 

Рис. 9. Схема устройства путепровода мостового типа на авеню Брукдейл и разрез его грунтового основания [23]
Рис. 9. Схема устройства путепровода мостового типа на авеню Брукдейл и разрез его грунтового основания [23]

 

По результатам инженерных изысканий на площадке строительства путепровода были выделены слои сильносжимаемых грунтов. Спрогнозировали, что создание подходных насыпей вызовет консолидационные осадки грунтов основания, которые будут продолжаться в течение длительного периода времени. Такие условия, конечно, сразу вызвали опасения насчет стабильности насыпи. Но было решено, что поддержка устоев путепровода сваями-стойками из широкополочных двутавров (с H-профилем), упирающимися в коренную породу (см. рис. 9), исключит возникновение деформаций сооружения.

Устройство насыпей на подходах к путепроводу производилось после установки свай через промежуток времени, который сочли достаточным, чтобы глина, структура которой нарушилась из-за забивки свай, восстановила свою первоначальную прочность. На насыпях были установлены контрольно-осадочные марки для последующего мониторинга осадок (см. рис. 10, 11). Эти вертикальные смещения продолжались более 5 лет, и их максимальная величина достигла 1,02 м в верхних частях насыпей (рис. 12).

 

Рис. 10. Северная подходная насыпь с бермами в плане. Кружками с номерами 1–7 обозначены контрольно-осадочные марки для нивелирования [23]
Рис. 10. Северная подходная насыпь с бермами в плане. Кружками с номерами 1–7 обозначены контрольно-осадочные марки для нивелирования [23]

 

Рис. 11. Поперечный разрез северной подходной насыпи A–A' (см. рис. 10). Кружками с номерами 1–7 обозначены контрольно-осадочные марки для нивелирования [23]
Рис. 11. Поперечный разрез северной подходной насыпи A–A' (см. рис. 10). Кружками с номерами 1–7 обозначены контрольно-осадочные марки для нивелирования [23]

 

Рис. 12. Результаты мониторинга осадок подходных насыпей путепровода для осадочных марок 1, 3, 5, 7, обозначенных цифрами в кружках [23]
Рис. 12. Результаты мониторинга осадок подходных насыпей путепровода для осадочных марок 1, 3, 5, 7, обозначенных цифрами в кружках [23]

 

Дело в том, что нагрузки от каждой насыпи в процессе ее консолидации вызвали развитие упругопластических деформаций и уплотнения ее естественного грунтового основания, поверхность которого в конце концов приняла чашеобразную форму. В свою очередь, насыпь, опирающаяся на основание, следовала за изменениями формы его поверхности. Эти процессы усугублялись работами по техническому обслуживанию сооружения, состоявшими в подсыпке грунта или в укладке асфальта для доведения поверхности подходной насыпи до первоначального уровня.

Такая перегрузка насыпей и их оснований привела к возникновению горизонтального давления на устои и поддерживавшие их сваи в направлениях от мостового сооружения. Поэтому по мере развития осадок грунтов устои постоянно смещались в указанных направлениях, что было специфично именно для данного места (поскольку в остальных шести вышеупомянутых случаях в Онтарио устои смещались, наоборот, к центру). Это привело к наклону подвижных опорных частей сооружения и к серьезным деформациям их неопреновых прокладок.

Непрерывного мониторинга смещений концевых опор путепровода на авеню Брукдейл, к сожалению, не было. Однако при его техническом обслуживании было обнаружено, что к 15 сентября 1963 года они составили 19 мм. Подвижные опорные части устоев были снова установлены в нужные положения в декабре 1964 года. Однако из-за продолжавшихся осадок пришлось выполнить еще одну их переустановку осенью 1967 года.

 

Методология численного анализа рассматриваемого случая

Чтобы изучить взаимодействия между подходной насыпью рассматриваемого путепровода, сжимаемым грунтовым основанием, концевой опорой и ее свайным фундаментом, авторы работы [23] использовали двумерный нелинейный анализ методом конечных элементов в коммерческом программном комплексе PLAXIS 2D.

Остановимся сначала на методологии выполненного ими численного анализа.

Поведение каждого ряда свай в свайных фундаментах, идущего перпендикулярно линии путепровода, было упрощено до поведения эквивалентной шпунтовой стенки с использованием модели плоской деформации (расчет производился в версии программы, не имеющей специального элемента для моделирования свай, так как он появился позднее. – Ред.). Было принято, что общая жесткость сваи и грунта на изгиб равна таковой для стенки на единицу ее ширины. Однако, поскольку вклад грунта в общую изгибную жесткость очень мал, им пренебрегли. Смещения слабого грунта между сваями также не учитывались.

Поведение материала насыпи, тилля и коренной породы (см. рис. 9) моделировалось с помощью упругопластической модели Мора – Кулона. Работа слабой глинистой толщи была смоделирована с использованием модели слабого грунта (Soft Soil – SS), представленной в программном комплексе PLAXIS 2D. В этой модели принимается логарифмическая связь между относительной объемной деформацией εv и средним эффективным напряжением p'. Эта связь выражается следующей формулой:

 

 

Чтобы сохранить корректность уравнения (1), значение p' приводится к единичному напряжению. Модифицированный коэффициент компрессии λ* в модели определяет первоначальную сжимаемость материала. В отличие от коэффициента компрессии λ, который связан с коэффициентом пористости, параметр λ* является функцией относительной объемной деформации.

Модифицированный коэффициент рекомпрессии к* определяет сжимаемость материала во время разгрузки и повторного нагружения. В отличие от коэффициента рекомпрессии к, который связан с коэффициентом пористости, параметр к* является функцией относительной объемной деформации (рис. 13).

 

Рис. 13. Натурально-логарифмическая зависимость между объемной деформацией εv и средним эффективным напряжением p' [23]
Рис. 13. Натурально-логарифмическая зависимость между объемной деформацией εv и средним эффективным напряжением p' [23]

 

Указанные характеристики связаны между собой следующим образом:

 

 

 

Величина e в уравнениях (2) и (3) представляет собой средний коэффициент пористости, измеренный при испытаниях в одометре.

На рисунке 14 изображена поверхность текучести, принятая в модели SS.

 

Рис. 14. Поверхность текучести для модели слабого грунта (модели SS) [23]
Рис. 14. Поверхность текучести для модели слабого грунта (модели SS) [23]

 

Параметры модели Мора – Кулона и модели SS, использованные при численном анализе, приведены в таблице 2.

Параметры модели Мора – Кулона были получены по результатам испытаний грунтов на срез крыльчаткой, на одноосное сжатие и на трехосное сжатие, взятым из геотехнического отчета. Был также проведен ряд компрессионных испытаний для определения консолидационных характеристик слабой глины.

Параметры модели SS для слоев глины были рассчитаны на основе результатов компрессионных и трехосных испытаний.

 

Таблица 2. Параметры грунта [23]

 

Численное моделирование

Чтобы выяснить, как взаимодействия в системе «сжимаемое грунтовое основание – насыпь – устой и его свайный фундамент» привели к значительным смещениям концевых опор путепровода, авторы доклада [23] выполнили серию численных анализов поведения этой системы с использованием метода конечных элементов (МКЭ) на основе решения системы связанных между собой уравнений «напряжение – деформация».

При численном моделировании каждая точка водонасыщенного массива грунта подвергается общему напряжению σ, которое является суммой эффективного напряжения σ', передаваемого скелетом грунта, и порового давления u. При приложении внешних нагрузок между двумя точками массива грунта возникает градиент порового давления. В результате возникает фильтрационный поток воды. Постепенно дополнительные напряжения переносятся на матрицу грунта, поровое давление уменьшается, и таким образом грунт уплотняется.

На рисунке 15 показана конечноэлементная модель, использованная при анализах, выполненных А. Тураном и др. [23] в программном комплексе PLAXIS 2D. Подходная насыпь, устой мостового сооружения и грунтовое основание были смоделированы с помощью 15-узловых элементов, деформирующихся в одной плоскости. Сваи – с использованием линейно-упругих балочных элементов, полностью связанных с грунтом (например, разъединение и проскальзывание не допускались). Для соединения сваи с ростверком были рассмотрены фиксированные условия. Горизонтальные границы были расширены на 50 м от подходной насыпи в каждом направлении, чтобы минимизировать граничные эффекты.

 

Рис. 15. Конечноэлементная модель грунтового основания и подходной насыпи путепровода, построенная в программном комплексе PLAXIS 2D. Синим цветом показаны сваи, поддерживающие устой путепровода [23]
Рис. 15. Конечноэлементная модель грунтового основания и подходной насыпи путепровода, построенная в программном комплексе PLAXIS 2D. Синим цветом показаны сваи, поддерживающие устой путепровода [23]

 

Первоначально была смоделировано естественное строение грунтового основания и ко всем слоям был применен эффективный собственный вес (К0-процедура. – Ред.). Граничные условия на поверхности толщи слабой глины были приняты открытыми (водопроницаемыми), а на подстилающем слое тилля – закрытыми (непроницаемыми).

На последующих этапах были смоделированы установка свай и поэтапное создание подходной насыпи. Полученная модель допускала проскальзывание между сваями и окружающими их слабыми грунтами. Принималось, что материал насыпи имеет более высокую проницаемость по сравнению со слабой глиной в основании. После завершения поэтапного строительства был выполнен расчет консолидации на период 2000 суток.

 

Результаты численного моделирования

Результаты полевых измерений (см. рис. 12) в свое время показали, что за 1900 суток максимальные общие осадки марок 3 и 5 составили 1,02 и 0,92 м соответственно.

На рисунке 16 представлено развитие осадки в месте наибольшего снижения уровня поверхности по результатам моделирования в PLAXIS 2D. Максимальная осадка поверхности слабой глины, рассчитанная с использованием численной модели, составила 0,93 м. Таким образом, осадки (и их скорости) по результатам измерений и моделирования хорошо согласуются между собой. Тут авторы доклада [23] отмечают, что полная (конечная) консолидационная осадка грунтового основания, рассчитанная с использованием теории 1D консолидации Терцаги, составила 0,74 м. Это указывает на то, что нагрузка от насыпи увеличила уплотнение и осадку основания (впрочем, недостатком использования теории одномерной консолидации являются некорректные результаты за пределами применимости, что на практике встречается довольно часто. – Ред.).

 

Рис. 16. Смоделированная максимальная осадка поверхности грунтового основания [23]
Рис. 16. Смоделированная максимальная осадка поверхности грунтового основания [23]

 

Моделирование горизонтальных смещений в толще слабых глин показало их значительные величины (рис. 17), причем максимальная горизонтальная деформация величиной 0,5 м была вызвана нагрузками от подходной насыпи. Вероятно, реальные деформации грунтового основания были выше из-за эффектов ползучести (текучести), но, к сожалению, полевые измерения этих перемещений в свое время не проводились, поэтому авторам доклада [23] не удалось выполнить соответствующие сравнения (для этого можно было бы использовать модель слабого грунта с учетом ползучести, то есть модель Soft Soil Creep. – Ред.).

 

Рис. 17. Распределение горизонтальных перемещений в грунтовом основании и подходной насыпи в изолиниях, смоделированное в PLAXIS 2D. Синим цветом показаны сваи, поддерживающие устой путепровода [23]
Рис. 17. Распределение горизонтальных перемещений в грунтовом основании и подходной насыпи в изолиниях, смоделированное в PLAXIS 2D. Синим цветом показаны сваи, поддерживающие устой путепровода [23]

 

Смоделированное распределение общих вертикальных деформаций (рис. 18) показало вогнутую форму поверхности насыпи на сжимаемом основании. Максимальная осадка этой поверхности составила 1,1 м. Максимальная отметка осадки находится примерно в 10 м от устоя. На рисунке 18 также видна деформированная форма концевой опоры и поддерживающих ее свай. Из всего этого А. Туран с коллегами [23] сделали вывод, что перемещения устоя и его свайного фундамента были вызваны деформацией грунта основания и материала насыпи, причем результирующая сила, действовавшая на эти конструкции, была направлена от моста (вправо на рис. 17, 18. – Ред.).

 

Рис. 18. Распределение общих вертикальных перемещений в грунтовом основании и подходной насыпи в изолиниях, смоделированное в PLAXIS 2D. Синим цветом показаны сваи, поддерживающие устой путепровода [23]
Рис. 18. Распределение общих вертикальных перемещений в грунтовом основании и подходной насыпи в изолиниях, смоделированное в PLAXIS 2D. Синим цветом показаны сваи, поддерживающие устой путепровода [23]

 

Единственное полевое измерение, касавшееся деформаций концевой опоры, было зарегистрировано во время восстановительных работ в 1964 году. Перемещение устоя тогда составило 19 мм в направлении от мостового сооружения. Результаты, полученные с помощью конечноэлементного анализа в PLAXIS 2D, указали на перемещение устоя в том же направлении (см. рис. 17, 18). А это уже говорит о достаточной пригодности выполненных расчетов, несмотря на упрощенный подход (учет только статического поведения системы, принятие плоской деформации ряда свай в виде шпунтовой стенки, пренебрежение перемещениями слабого грунта между сваями, неучет воздействий самого мостового сооружения, его проезжей части, ветра, а также истории мониторинга устоев). Хотя, к сожалению, авторы доклада [23] не смогли провести прямое сравнение между всеми смоделированными и фактическими деформациями из-за отсутствия доступных результатов измерений.

 

Заключение

Таким образом, авторы доклада [23] показали, что на основе достаточных и качественных результатов инженерных изысканий можно с приемлемой точностью оценить консолидационные осадки сжимаемого грунтового основания и подходной насыпи и их воздействие на свайные фундаменты концевых опор с использованием конечноэлементной программы PLAXIS 2D, даже используя простую модель слабого грунта (SS) и ряд упрощающих допущений.

Уроки, извлеченные из случая с путепроводом мостового типа на авеню Брукдейл и других подобных случаев в канадской провинции Онтарио (еще до исследования А. Турана с коллегами [23]), привели к усовершенствованию технологии строительства подобных сооружений на слабых грунтах в этом регионе. Теперь при возведении путепроводов там сначала выполняют предварительное нагружение (временную пригрузку) сжимаемого грунтового основания до достижения им прогнозируемых осадок и соответствующей степени уплотнения. И лишь после этого устанавливают сваи под устои и формируют подходные насыпи. Причем, чтобы уменьшить нагрузки на основания, насыпи делают из легких материалов (например, из пенополистирола или пористого доменного шлака), а для ускорения рассеивания порового давления воды в них обязательно устанавливают вертикальные дрены.

Благодаря этому в Онтарио больше не происходят излишние осадки грунтовых оснований и подходных насыпей и не возникают перемещения и деформации устоев путепроводов и их свайных фундаментов. Соответственно, сведены к минимуму риски отказов таких мостовых сооружений и излишних трат на ремонтные работы.

Хотя, конечно, в этом регионе ищут и альтернативные решения (например, устройство буронабивных фундаментов устоев и подходных насыпей), поскольку предварительная консолидация (временная пригрузка) основания требует времени и денег.

Описанные подходы можно использовать для строительства путепроводов мостового типа и в других регионах с похожими грунтовыми условиями. В любом случае результаты работы А. Турана и др. [23] должны быть интересны для исследователей и практиков, которые применяют конечноэлементное моделирование.

Например, в России есть опыт выполнения сложных геотехнических расчетов в программном комплексе PLAXIS при проектировании двух путепроводов на слабых грунтах без применения свай, а с использованием ленточных дрен и временной пригрузки на дороге М11 Москва – Санкт-Петербург [22].

В заключение хотелось бы еще раз напомнить, что экономия заказчиков и инвесторов не должна приводить к несоблюдению стандартов на этапах инженерных изысканий, проектирования, строительства, мониторинга и обслуживания мостовых сооружений. Это может слишком дорого обойтись.

Что касается прикладных научных исследований, то анализ рисков и причин возможных аварийных ситуаций должен активно служить для усовершенствования нормативных документов и технологий строительства таких объектов.

-

Статья подготовлена при поддержке компании «НИП-Информатика»  партнера журнала «ГеоИнфо».


Источники

  1. Акведук // Ru.wikipedia. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Акведук.
  2. Акведук в Сеговии // Ru.wikipedia. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Акведук_в_Сеговии.
  3. Виадук Мийо // Ru.wikipedia. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Виадук_Мийо.
  4. Гайдукевич Д. Крушения мостов: самые известные случаи // Auto.mail.ru. 16.08.2018. URL: https://auto.mail.ru/article/69876-krusheniya_mostov_samye_izvestnye_sluchai/.
  5. Горская М. Самые страшные случаи обрушения мостов в истории // Экспресс Газета. 20.04.2020. № 16. URL: https://www.eg.ru/tag/162020/https://www.eg.ru/society/597615-samye-strashnye-sluchai-obrusheniya-mostov-v-istorii-075524/.
  6. Десять самых жутких обрушений мостов за последние 100 лет // Среда обитания. 18.08.2017. URL: https://sreda.temadnya.com/1225422807197813351/10-samyh-zhutkih-obrushenij-mostov-za-poslednie-100-let/.
  7. Мост Гонконг – Чжухай – Макао // Ru.wikipedia. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Мост_Гонконг_—_Чжухай_—_Макао.
  8. Мост через реку Mianus – Mianus River Bridge // Ru.qwe.wiki. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.qwe.wiki/wiki/Mianus_River_Bridge.
  9. Мостовые сооружения // Градостроительство, городское хозяйство и гражданская оборона Вологды. 03.06.2019. URL: http://nashdom.vologda-portal.ru/economy/landscaping/mostovye_sooruzheniya/.
  10. Мосты, путепроводы, эстакады, виадуки. В чем разница? // Livejournal. 03.04.2017. URL: https://crusandr.livejournal.com/140852.html.
  11. Мульвиев мост // Ru.wikipedia. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Мульвиев_мост.
  12. На севере Италии рухнул огромный мост // Новости Mail.ru. 08 04.2010. https://news.mail.ru/society/41298475/?frommail=1.
  13. На Сицилии рухнул мост уже через 10 дней после торжественного открытия // Mirnov.ru. 06.01.2015. URL: https://mirnov.ru/lenta-novostej/na-sicilii-ruhnul-most-cherez-10-dnei-posle-ego-otkrytiya.html.
  14. Обрушение виадука в Генуе // Ru.wikipedia. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Обрушение_виадука_в_Генуе.
  15. Овчинников И.И., Майстренко И.Ю., Овчинников И.Г., Успанов А.М. Аварии и разрушения мостовых сооружений, анализ их причин. Часть 4 // Транспортные сооружения. 2018. № 1. Т. 5. URL: https://t-s.today/PDF/05SATS118.pdf.
  16. Преступная халатность. Крупнейшие обрушения мостов XXI века // Яндекс Дзен. 25.11.2018. URL: https://zen.yandex.com/media/i_i/prestupnaia-halatnost-krupneishie-obrusheniia-mostov-xxi-veka-5bd1680432ca1500aac60615.
  17. Пятьдесят девять жизней. Столько заплатила Португалия за новый мост // Pikabu. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://pikabu.ru/story/59_zhizney_stolko_zaplatila_portugaliya_za_novyiy_most_6873864.
  18. Риск может стоить слишком дорого: из опыта Италии. Часть 1 // Geoinfo.ru. 07.05.2018. URL: https://www.geoinfo.ru/product/analiticheskaya-sluzhba-geoinfo/risk-mozhet-stoit-slishkom-dorogo-iz-opyta-italii-chast-1-37448.shtml.
  19. Риск может стоить слишком дорого: из опыта Италии. Часть 2 // Geoinfo.ru. 14.05.2018. URL: https://www.geoinfo.ru/product/analiticheskaya-sluzhba-geoinfo/risk-mozhet-stoit-slishkom-dorogo-iz-opyta-italii-chast-2-37463.shtml.
  20. Рухнувший мост в Италии был объектом постоянных споров // Point.md/ru. 16.08.2018. URL: .https://point.md/ru/novosti/v-mire/rukhnuvshii-most-v-italii-byl-obektom-postoiannykh-sporov.
  21. Циндаоский мост через залив // Ru.wikipedia. Дата последнего обращения: 23.04.2020. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Циндаоский_мост_через_залив.
  22. PLAXIS. Оценка и прогноз геотехнических ситуаций в дорожном строительстве / Е. Федоренко, Р. Гиззатуллин // CADMASTER. Изыскания, генплан и транспорт. 2019. № 2. URL: https://www.cadmaster.ru/magazin/articles/cm_90_13.html.
  23. Turan A., Sangiuliano T., Alam M.Sh., El-Naggar M.H. Lateral movements of a bridge abutment due to compressible foundation soils // Proceedings of the Seventh International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, Missouri University of Science and Technology, USA, 2013. Vol. 83. URL: https://scholarsmine.mst.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=3175&context=icchge.

Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению