[11-2023] Расчет насыпи на подходах к мосту с укреплением основания щебеночными сваями

[Admin]

Расчет насыпи на подходах к мосту с укреплением основания щебеночными сваями

АВХИМОВИЧ Р.А., АО «Институт Гипростроймост — Санкт-Петербург», руководитель группы, ЧИЖОВ С.В., Петербургский государственный университет путей сообщения (ПГУПС), канд. техн, наук, АНТОНЮК А.А., ПГУПС, инженер


Аннотация. Приведены основные положения расчета устойчивости насыпи на подходах к мосту, усиленной щебеночными сваями. Задача решена в плоской постановке в программном комплексе PLAXIS, использующем метод конечных элементов. Приведены также особенности самой технологии усиления насыпи с обоснованием принятого решения на примере конкретного сооружения.
Ключевые слова: насыпь, статический расчет, щебеночные сваи, мост, усиление основания, конечно-элементное моделирование.

Особая природа слабых грунтов делает их одним из самых сложных типов основания с точки зрения инженерной геотехники. Две основные проблемы при реализации проектов на слабых грунтах: чрезмерная осадка и низкая прочность на сдвиг. Из-за высокого коэффициента пористости и деформативности осадки могут возникать уже в процессе строительства и продолжаться в течение длительного периода консолидации. Низкая сдвиговая прочность таких грунтов может отрицательно сказываться на конструкции насыпи при ее возведении, так как она является одной из основных причин разрушения по плоскостям скольжения.
Для улучшения характеристик слабых грунтовых отложений используют различные методы, например армирование геосинтетическими материалами, предварительный пригруз с вертикальными дренами (или без них), глубокое динамическое уплотнение и устройство щебеночных свай, или щебеночно-арми-рующих элементов (ЩАЭ) [1—7]. Последний метод эффективен с точки зрения трудоемкости и надежен, так как повышает эксплуатационные характеристики грунта за счет снижения осадок на начальном этапе и ускорения консолидации грунтов в системе «основание—насыпь» [8—12].
В данной статье рассмотрена аналитическая задача поведения элементов системы «основание—насыпь» в двухмерной постановке, которая может использоваться на практике для моделирования слабых грунтовых оснований, усиленных ЩАЭ [13—15].
Решается поставленная задача на основе расчета укрепления слабого основания насыпи автодорожного моста через проток Сухой Аган при проектировании мостового перехода через р. Обь в районе г. Сургут, разработанного АО «Институт Гипростроймост—Санкт-Петербург» в 2021 г.
Обоснование принятой технологии усиления основания. При разработке проекта моста высота насыпи
составила 10 м. Учитывая, что верхние слои грунта сложены текучими, мягкопластичными суглинками и рыхлыми песками, устойчивость конусов насыпи в естественном состоянии от глубинного сдвига не обеспечивалась. Рассмотрены три варианта укрепления грунтов основания: струйной цементацией (Jet Grouting); песчаными и щебеночными сваями.
Усиление основания по технологии Jet Grouting (диаметр грунтоцементных свай —1м; шаг — 0,8 м) возможно только с перекрывающим друг друга шагом грунтоцементных свай, что значительно удорожает технологию [16].
Метод усиления песчаными сваями в связи с наличием в основании прослоек пылеватого песка и пылевато-глинистых грунтов не рекомендуется, так как возможна суффозия мелких частиц в тело свай. При этом поры в песчаной свае намного меньше, чем в щебеночной, поэтому суффозионный процесс закупорит путь для отжимаемой воды, а следовательно, затруднит стабилизацию основания и ухудшит устойчивость сооружения.
Для устройства щебеночных свай обычно используют следующие способы:
влажный способ с верхней подачей щебня (виброзамещение). Для создания скважин применяют виброуплотнитель (виброфлот) в сочетании со струей воды, которая промывает скважину и подготавливает ее к подаче щебня. Для облегчения подачи щебня используют сжатый воздух либо воду с воздухом. На финальном этапе виброфлот быстро перемещают вверх-вниз, формируя и уплотняя тело сваи. При этом грунт, окружающий сваю, уплотняется. После этого свая способна выдерживать значительные вертикальные нагрузки;
сухой способ (вибросмещение). Бывает с верхней или нижней подачей щебня. Скважина формируется с использованием виброфлота под воздействием вибрации и сжатого воздуха. При этом природный грунт уплотняется и смещается в боковом направлении. При верхней подаче щебень доставляется в скважину с поверхности грунта с использованием сжатого воздуха, а при нижней — щебень подается в скважину через установленную параллельно виброфлоту трубу;
способ обсадной, или забивной, трубы. Сваи сооружаются поэтапной утрамбовкой щебня в предварительно пробуренных скважинах с использованием тяжелого падающего груза. Это наиболее трудоемкий способ.
Виброуплотнитель подбирают в зависимости от выбранного способа строительства. Оборудование используется на базе буровой установки либо крепится к крану или экскаватору.

Комплекс оборудования для производства работ представлен на рис. 1.
В результате устройства ЩАЭ в грунте возникают значительные радиальные и тангенциальные напряжения, за счет которых окружающий грунт уплотняется и консолидируется.
Для получения среднего модуля деформации усиленного массива необходимо провести не менее двух штамповых испытаний щебеночных свай и межсвайного пространства, а также не менее трех испытаний статического зондирования в соответствии с [17]. Испытания грунтов проводят после «отдыха» (перерыва между окончанием работ по усилению грунтов и началом работ по испытанию статистическим зондированием) в течение 14 сут.
Как правило, ЩАЭ состоят из щебня с размером частиц менее 1/7 диаметра сваи. В данном проекте использован щебень фракции 20—40 мм, маркой по прочности 800.
Обычно ЩАЭ устраивают (в плане) в треугольной, квадратной или шестиугольной разбивке (рис. 2).
Элементарная ячейка определяется как цилиндр с заданным диаметром de, охватывающий одну сваю и окружающий ее грунт, на который она воздействует. Максимальные диаметры de зависят от схемы устройства ЩАЭ. Для треугольной, квадратной и шестиугольной сеток щебеночных свай их значения определяют соответственно по формулам:

При добавлении ЩАЭ получают композитный материал с более низкой общей сжимаемостью и более высокой прочностью на сдвиг, чем у исходного грунта. Уплотнение и жесткость сваи обеспечиваются за счет бокового давления окружающего грунта. Когда осевая нагрузка прикладывается к вершине сваи, под поверхностью грунта увеличивается ее диаметр. Это расширение, в свою очередь, повышает боковое давление в грунте, что обеспечивает дополнительное защемление сваи. В конечном итоге достигается равновесное состояние, что приводит к уменьшению вертикальных осадок по сравнению с неукрепленным грунтом.
Расчетно-теоретическое обоснование. Расчетнотеоретическое исследование (с помощью программного комплекса PLAXIS) позволяет более точно прогнозировать развитие осадок благодаря различным моделям грунта с учетом его нелинейной работы при воздействии нагрузок.
При строительстве все изменения напряженно-деформированного состояния грунта основания подразделяют на технологические и силовые.

Технологические изменения происходят при динамическом воздействии и связаны с работой техники на площадке (погружение шпунта, сваебойные работы и др.). Они не поддаются расчету и зависят от качества выполняемых работ, правильно подобранных частотных характеристик оборудования, соблюдения технологии работ.
Силовые изменения происходят при откопке котлована и возведении сооружения. Такие воздействия можно отнести к статическим нагрузкам.
Устойчивость откоса определили в соответствии с [19]. Расчетное значение обобщенного сопротивления грунтового массива сдвигающему воздействию определяется из условия соотношения между нормальными оп и касательными xlim напряжениями по всей поверхности скольжения. Такое соотношение, соответствующее предельному состоянию призмы обрушения, должно отвечать условию:
т.. = ст tgcp, + с,,
где ф15 Cj — значения соответственно угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта, при которых наступает его сдвиг.
В расчете использовалась модель грунта Мора-Кулона. Для границ усиления насыпи были приняты приведенные характеристики грунта хэкв, которые определили по формуле
. ХСАС + хгрАгр экв ас + ап, ’
где хс, хгр — характеристики соответственно материала сваи и грунта, окружающего сваю; Ас, Агр — соответственно площадь сваи и площадь ее влияния на окружающий грунт.
Решая задачу в двухмерной постановке, при определении эквивалентных характеристик учитываем только площадь влияния сваи в поперечном оси моста направлении.

Используем следующие параметры щебня: модуль деформации Е = 40 МПа; удельный вес у = 18,5 кН/м3; угол внутреннего трения <р = 40°; удельное сцепление с = 1 кПа. Шаг и длина свай, границы усиления подобраны по расчету на устойчивость исходя из требуемого коэффициента устойчивости.
При подборе оптимального шага пришли к выводу, что увеличение расстояния между сваями приводит к росту напряжений, передающихся на сваи, до определенного уровня (после этого эффект становится незначительным), к снижению осадки, увеличению продолжительности консолидации.
Временная нагрузка НК принята 75,6 кН/м [20]; коэффициент надежности к нагрузке НК — 1,1; коэффициент устойчивости — 1,38 [21].
Результаты расчетно-теоретического исследования устойчивости конусов показали, что требуемый коэффициент запаса устойчивости конусов в естественном состоянии не обеспечен.
Результаты определения коэффициента устойчивости представлены на рис. 3, 4.

Полная продолжительность процесса консолидации составляет 3600 дней.
Применение щебеночных свай в качестве усиления основания позволяет достичь необходимого коэффициента устойчивости основания. Расчетная модель выполнена с учетом стадийности сооружения насыпи: начальная стадия (грунты находятся в естественном состоянии); стадия 1 (отсыпка насыпи до уровня рабочей площадки); стадия 2 (устройство ЩАЭ); стадия 3 (отсыпка насыпи до проектных отметок); стадия 4 (приложение временной нагрузки НК).
Деформированный вид конечно-элементной модели на стадии приложения нагрузит НК представлен на рис. 5.
Устройство ЩАЭ способствует снижению избыточного порового давления в грунтах основания, ускоряя процесс консолидации. Результаты определения коэффициента устойчивости насыпи с учетом усиления ЩАЭ представлены на рис. 6, 7.
Полная продолжительность процесса консолидации составляет 357 дней.
Выводы. По результатам расчетов конусов опор в естественном состоянии требуемый коэффициент запаса устойчивости не достигнут. Надежность сооружения не обеспечена.

После усиления основания ЩАЭ коэффициент запаса устойчивости конуса опоры 1 составил 1,44, опоры 2 — 1,41, что больше минимально требуемого коэффициента 1,38. Также удалось сократить период консолидации более чем в девять раз.
По результатам расчета приняты: шаг свай 2,8x2,4 м; длина свай для насыпи опоры 1 — 15,6 м, для насыпи опоры 2 — 12 м.
Таким образом, применение технологии устройства щебеночных свай:
способствует снижению деформаций основания, передает нагрузки на более прочные слои грунта и уменьшает осадку;
увеличивает несущую способность основания, предотвращая возможную потерю их устойчивости;
улучшает дренируемость грунтового массива, ускоряя консолидацию и упрочнение грунтового основания;
позволяет устраивать высокие насыпи, не дожидаясь существенных осадок консолидации;
позволяет выполнять фундаменты зданий и сооружений без земляных работ по замене слабого основания.

Список источников

1. Ambily А.Р., Gandhi S.R. Behavior of stone columns based on experimental and FEM analysis // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2007. Vol. 133, Iss. 4. P. 405—415. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(2007)133:4(405).
2. Black J., Sivakumar V., McKinly J.D. Performance of clay samples reinforced with vertical granular columns // Canadian Geotechnical Journal. 2007. Vol. 44, Iss. 1. P. 89—95. DOI: https://doi.org/10.1139/t06-081.
3. Castro J. An61isis teyrico de la consolidaciyn у deformaciyn alrededor de columnas de grava = Theoretical analysis of the consolidation and deformation around stone columns: Doctor’s Dissertation / Cantabria University. Cantabria, Spain, 2008.
4. Deb K. Modeling of granular bed-stone column-improved