Admin

Инновационный подход к проектированию инженерных сооружений

Э.К. КУЗАХМЕТОВА, докт. техн. наук

При строительстве, особенно в сложных инженерно-геологических условиях, достаточно часто приходится сталкиваться с отрицательными моментами, к которым можно отнести следующие: переход к новой нормативно-правовой системе в условиях еще действующих документов;

сокращение финансирования всех этапов строительства не только вновь сооружаемых, но и реконструируемых объектов;

возможность участия в проектировании и строительстве непрофильных организаций и неквалифицированных специалистов (на уровне конкурсов, торгов и др.);

занижение роли различных исследований и практически полное прекращение финансирования научных проектов.

Вполне очевидно, что в подобной ситуации необходимо развивать такие направления современного строительного производства, которые могут повысить его качество. Речь идет о намеченной актуализации и гармонизации нормативных документов по проектированию и строительству. В настоящее время идет активное обсуждение этих вопросов.

Перечислим задачи актуализации документов по строительству железных и автомобильных дорог:

анализ действующих документов в части их изменения в связи с последними техническими, технологическими и методическими новациями;

создание и при необходимости переработка документов в соответствии с повышением требований к содержанию и качеству работ, свойствам материалов и грунтов, точности расчетов;

приведение отраслевых документов к единой терминологии;

независимое обсуждение проектов новых документов;

привлечение квалифицированных специалистов к использованию новых документов на практике, которое целесообразно осуществлять в рамках научно-технического сопровождения проектирования, строительства и реконструкции.

Совокупность решений перечисленных задач и составляет сущность правильного подхода к названной проблеме. Основополагающими же являются научные исследования, использование накопленного многолетнего опыта участия научно-исследовательских институтов в проектировании и строительстве сложных объектов.

При создании новых и переработке существующих документов по проектированию следует исходить из уточненных принципов оценки взаимного влияния сооружения и основания, заключающихся в более детальном анализе условий работы системы «сооружение—грунт». Необходим также комплексный учет всех факторов, влияющих на выбор конструкции и технологических решений, — природных, техногенных, технических и временных.
Принцип совместного учета природных и техногенных факторов заключается в оценке поведения используемого грунта (в качестве основания или материала) не как упругопластичной вязкой среды безотносительно к конструкции, а как функционирующей в системе «сооружение-грунт», когда принимается во внимание тот факт, что природные механические свойства грунта изменяются в новом напряженно-деформированном состоянии под действием нагрузки от веса сооружения. В общепринятых расчетах рассматривается влияние вида и величины нагрузки, мерности задачи (одно- и двухмерная), дренирования толщи (одно- и двухстороннее) и режима возведения. Однако не все результаты воздействия сооружения на грунтовый массив в данном случае отражены. Например, при прогнозе устойчивости склонов не учитывается зона влияния сооружения в области концентрации массовых сил и истинная траектория нагружения, при прогнозе осадки насыпи на слабом основании во всех случаях принимается, что путь фильтрации поровой воды равен слабой толще при односторонней фильтрации или половине при двухсторонней.

Следует отметить, что не при всех нагрузках в грунте на том или ином расчетном горизонте может возникнуть напряжение, достаточное для отжатия поровой воды и ее фильтрации к дренирующему слою. Для этого необходим определенный градиент порового давления, а грунт должен быть водопроницаемым. Если градиент напора в поровой воде в расчетном слабом слое достаточен для ее отжатия, и он (слой) расположен между дренирующими слоями, то грунт работает как в открытой системе. Если указанное условие не создается, грунт малопроницаем и поровая вода не может прийти в движение, тогда грунт расчетного слоя работает как в закрытой системе.

Следовательно в активной зоне сжатия основания, где возможно статическое уплотнение, в зависимости от соотношения уплотняющей нагрузки и природных физико-механических свойств грунта (плотность, влажность, коэффициент фильтрации и др.) могут возникнуть разные условия фильтрации толщи, предопределяющие различный характер ее уплотнения (консолидации). Это доказывает необходимость детального анализа работы грунта под воздействием сооружения, после чего можно выполнять расчет конструкции.

Таким образом, для повышения точности индивидуального проектирования дорог в сложных природных условиях обязательным является прогноз возможных деформаций используемого грунта в системе «сооружение-грунт» с учетом их взаимодействия.

Автор предлагает использовать научно-методические аспекты инновационного подхода (его основы были сформулированы В.Д. Казарновским, И.Е. Евгеньевым и др.) к выбору конструкции насыпи на слабом основании при индивидуальном проектировании в части прогноза ее осадки. Сейчас определение условий уплотнения грунтового основания под нагрузкой от веса сооружения регламентируется сравнением напряжений в расчетном слое со структурной прочностью грунта на сжатие (если таковой грунт обладает) и с начальным градиентом напора (если грунт обладает таким свойством).

В нормативной и технической литературе по инженерному строительству (на основе работ Г.М. Шахунянца, Н.А. Цытовича, Н.Н. Маслова и др.) задача уплотнения с учетом структурной прочности грунта на сжатие в расчете конечной осадки решается методом послойного суммирования. Конечную осадку еще и с учетом остаточного порового давления и начального градиента напора рассчитывают методом эквивалентного слоя. Надо отметить, что на практике последние два фактора не рассматриваются из-за сложности их определения в лаборатории. Кроме того, до настоящего времени не разработаны единая методика установления этих параметров и соответствующие стандарты. Учет влияния на ход осадки во времени начального градиента напора более сложен. С.А. Роза и В.А. Флорин предлагают применять уравнения консолидации для приближенной оценки влияния начального градиента на время достижения требуемой степени консолидации, но они также не нашли применения.

Целесообразность неучета начального градиента напора при прогнозе времени завершения интенсивной части осадки подтверждается экспериментальными и теоретическими исследованиями (Р.Э. Дашко, Р.С. Зиангиров и др.) водопроницаемости различных грунтов. Результаты экспериментов еще раз подтвердили сложную сущность этого параметра, в частности, из-за большой разницы в характере возникновения давления в поровой воде (при передаче давления на грунт водой или с помощью штампа), а значит и неопределенность установления значения градиента в лаборатории.

Р.Э. Дашко предложила заменить начальный градиент напора на градиент начала фильтрационной консолидации, т.е. на градиент напора, при котором начинается сжатие грунта за счет фильтрации воды. По результатам испытаний органоминеральных глинистых грунтов получена зависимость данного параметра от гранулометрического состава грунта и степени его литификации. Этот прием использован на практике в единичных случаях и до настоящего времени не регламентирован в отраслевых документах. Ясно, что дальнейшее решение рассматриваемого вопроса очень важно, поскольку от него зависит оценка условий работы грунта в зоне воздействия сооружения и точность выбора конструкции. С этой целью целесообразно сравнить состояние и свойства грунтовой толщи до и после начала возведения сооружения.

Природное залегание грунта характеризуется равновесным состоянием. Его физико-механические свойства формировались под действием бытовой нагрузки и природно-климатических факторов. Поэтому каждая разновидность грунта на том или ином горизонте имеет определенные водопроницаемость, прочность, сжимаемость, вязкость. В зависимости от текстуры, структуры и перечисленных свойств грунта процесс фильтрации воды в толще может начаться сразу или после преодоления внутреннего сопротивления продвижению воды, которое выражается начальным градиентом фильтрации. С момента приложения нагрузки деформации грунта могут начаться сразу или после преодоления им внутреннего сопротивления сжатию, величина которого характеризуется структурной прочностью на сжатие. Эти два критерия — начальный градиент фильтрации и структурная прочность на сжатие — свойства грунта, обусловленные природным состоянием.

Грунт в напряженно-деформированном состоянии, созданном под действием нагрузки от веса сооружения, характеризуется другими показателями — модулем деформации, консолидационными параметрами, коэффициентом фильтрации и др. Их значения предопределяются перераспределением напряжения между фазами грунта (скелет, вода, воздух) как в момент приложения нагрузки, так и во время восстановления равновесного состояния грунтовой толщи в случае возникновения незначительных по размерам зон пластических деформаций. Так, в поровой воде после завершения уплотнения под каждой ступенью нагрузки наблюдается остаточное поровое давление. По мнению большинства ученых, оно не позволяет определить начальный градиент фильтрации грунта, соответствующий той или иной степени уплотнения. Для оценки условий сжатия грунта в системе «сооружение-грунт» необходим критерий, оценивающий начало проявления деформационных и фильтрационных свойств грунта в зоне воздействия сооружения.

При приложении нагрузки к слабым грунтам наиболее часто встречается статическое уплотнение — деформация, обусловленная главным образом отфильтрованием поровой воды. В связи с этим предлагается новая деформационная характеристика — предел перехода грунтовой толщи в фильтрационное состояние под действием веса сооружения СИГМАф. Это и есть нагрузка, при которой начинается фильтрационная консолидация. Для определения СИГМАф разработана специальная методика испытаний на консолидацию идентичных образцов с разными путями фильтрации и уплотненных под несколькими ступенями нагрузок. По результатам гостированных испытаний можно вычислить такое значение СИГМАф, при котором или создаются условия для начала фильтрационной консолидации (открытая система), или не создаются (закрытая).

Сущность новой деформационной характеристики заключается в том, что она отражает изменения природных деформационно-фильтрационных свойств грунтов под влиянием техногенного воздействия в системе «сооружение—грунт».

Строительные свойства грунтов (три вида) зависят, во-первых, от свойств минеральных частиц скелета и поровой воды, во-вторых, от относительного расположения частиц скелета в грунте, характера связей между ними и взаимодействия частиц с поровой средой, в-третьих, от геологических и гидрологических особенностей грунтовой толщи. Первую группу свойств называют компонентной, вторую — агрегатной, третью — ситуационной. Группа свойств, проявляющихся в системе «сооружение—грунт», должна быть отнесена не к ситуационной, а к техногенно-ситуационной. При прогнозе осадки сооружения к техногенно-ситуационной группе следует отнести деформационные и фильтрационные свойства грунта в зоне воздействия сооружения, предопределяемые степенью его (сооружения) влияния на компонентные и агрегатные свойства грунта. Степень влияния в нашем случае оценивается с помощью предлагаемого критерия СИГМАф.

Указанные группы строительных свойств грунтовой толщи в зависимости от условий работы грунта в основании сооружения представлены в таблице.

Сравнение СИГМАф с вертикальными напряжениями от сооружения по глубине слоя в активной зоне сжатия позволяет определить, где будут созданы условия для фильтрационной консолидации, и где не будут. Очевидно, что в первом случае превысится структурная прочность грунта на сжатие, и в поровой воде возникнет градиент отжатия, превышающий начальный градиент фильтрации данного грунта. Во втором эти величины не будут превышены, и уплотнение обусловится сжатием воздуха, упругими деформациями, перемещениями агрегатов относительно друг друга за счет выравнивания градиентов по плотности и влажности.

В качестве примера практического применения изложенного выше подхода к проектированию инженерных сооружений на слабых грунтах приведем конкретную расчетную схему насыпи высотой 6 м на слабом основании мощностью 12 м. В основании слой грунта толщиной 7 м деформируется в условиях открытой системы, а 5 м — закрытой. Значит, мероприятия для ускорения фильтрационной консолидации необходимо назначать из расчета 7, а не 12 м. Так, если рассматривается конструкция с вертикальными дренами, то их нужно рассчитывать при длине 7 м. На возможную существенную разницу в геометрии конструкции следует обратить особое внимание, поскольку это связано с материальными и техническими затратами и с обеспечением ее работоспособности.


В учете истинного характера прохождения осадки грунтового основания в зависимости от соотношения внешних и внутренних факторов и выделения условий именно по отжатию поровой воды и заключается инновационное предложение автора. Исследования показали, что предел СИГМАф правомочно использовать и для прогноза естественной консолидации слоя глинистого грунта повышенной влажности в насыпи под нагрузкой от веса вышележащих слоев. В этом случае нагрузка начала фильтрационной консолидации позволяет выбрать наиболее оптимальное расположение слоя по высоте насыпи при проектировании ее конструкции, при котором будет обеспечено механическое отжатие поровой воды и его (слоя) максимальное уплотнение.

Кроме того, обобщение научных знаний и многолетнего практического опыта ученых 1970— 1990-х гг. в части повышения уровня нормативной базы будет способствовать эффективному пересмотру механизма уплотнения грунтов, а также понятий и параметров, базирующихся на классической механике грунтов, применительно к транспортному строительству. Ведь всесторонний анализ тех или иных параметров с точки зрения соответствия их физике описываемых процессов в зависимости от поведения грунтов в таком широком диапазоне изменения их исходного состояния, с которым приходится иметь дело в современном строительстве, обеспечит наиболее обоснованное их трактование, а значит, и точность методов определения со всеми вытекающими последствиями.

Уточнение понятий и параметров в части оценки показателей сжимаемости связных грунтов показало, что исходя из физико-механических процессов, происходящих при уплотнении грунта, следует использовать его активную, а не геометрическую пористость. Данные величины сравнивали по результатам компрессионно-консолидационных испытаний грунтов нескольких разновидностей, с различной структурой, и практически во всех опытах прослеживались расхождения в значениях коэффициента пористости после уплотнения под заданной нагрузкой. Коэффициент геометрической пористости на 10—40 % больше активной у глинистых грунтов с нарушенной структурой мягкопластичной и текучепластичной консистенции. Для образцов сапропеля и торфяного грунта ненарушенной структуры эта разница составляет 20—100 %. Она увеличивается при повышении влажности грунта, и в большей степени расхождение наблюдается у грунтов природного сложения, чем у искусственно созданных. Поэтому очень важно исходить из активной пористости при прогнозе осадки, например, при использовании в основании торфяных грунтов, так как они имеют сложную геометрию порового пространства.

Изложенный выше путь эволюции индивидуального проектирования насыпей на слабых грунтах в части прогнозирования конечной во времени осадки, показывает, что нельзя допустить автоматического переноса положений действующих документов при их переработке в новый вариант, требуется их тщательный анализ применительно к новым условиям строительства — природным, техногенным, техническим.

Таким образом, только при научном и комплексном подходе можно ожидать положительных результатов от актуализации нормативной базы по проектированию. Подобный принцип должен быть принят и при ее гармонизации, ведь зарубежные нормы не всегда подходят к нашим условиям строительства.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

Если у вас возникли вопросы по работе сайте - пишите на почту admin@scbist.com

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Путь и путевое хозяйство".

Перенес: Admin