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".
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]
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]
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]
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. 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].
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]
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].
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]
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. 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]
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:
Рис. 13. Натурально-логарифмическая зависимость между объемной деформацией εv и средним эффективным напряжением p' [23]
Указанные характеристики связаны между собой следующим образом:
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]
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]
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]
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]
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.
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».
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку