В статье рассматривается решение проблемы оптимизации работы проектной организации при проектировании земляного полотна транспортных сооружений на территориях распространения многолетнемерзлых грунтов. Автоматизация выполнения расчетов тепловой осадки под насыпями путем численного моделирования позволяет ускорить ввод данных за счет использования командной строки и выполнения расчетов для большого количества расчетных сечений. Тепловая осадка условно разделяется на осадку за счет изменения объема при таянии льда (осадка оттаивания) и осадку уплотнения под нагрузкой и определяется как сумма этих двух составляющих.
В условиях меняющегося климата особенно остро стоит вопрос обеспечения надежности земляного полотна на оттаивающем основании. Опыт проектирования участков БАМ с 2020 года показывает, что во многих районах, где ранее была зафиксирована сплошная или островная мерзлота, теперь ее нет. Это обстоятельство требует практически повсеместного проектирования по второму принципу, следовательно, возникает необходимость прогнозирования деформаций многолетнемерзлых грунтов при их оттаивании. Программа численного моделирования SiO
2D позволяет рассчитывать тепловую осадку под насыпями стандартным методом, описанным в СП 25.13330.2020 [1], как в одномерной постановке, так и в двухмерной. Кроме того, с помощью использования командной строки в программе можно автоматизировать эти расчеты, существенно сократив время на их выполнение. Для проверки реализации данного типа расчетов в SiO 2D результаты, полученные в программе, сравниваются с соответствующими значениями, вычисленными вручную по СП 25.13330.2020.
Расчет тепловой осадки производится по СП 25.13330.2020 путем послойного суммирования произведения мощности слоя и относительной деформации оттаивающего грунта. При этом относительная деформация (δth) складывается из двух составляющих: коэффициента оттаивания (Аth, д.ед.), характеризующего относительную осадку грунта при оттаивании в условиях отсутствия внешней нагрузки, и деформации при уплотнении грунта после оттаивания, рассчитываемой с помощью коэффициента сжимаемости (mth, кПа-1). Соответственно, расчет тепловой осадки будет состоять из двух частей:
Рис. 1. Конечно-элементная модель SiO 2D (a); заданный по слоям коэффициент оттаивания Аth (b); эпюра вертикальных напряжений по глубине от веса насыпи (с)
При расчете осадки за счет уплотнения под весом грунта в качестве входного параметра в программе используется одометрический модуль деформации (Eoed, кПа), который рассчитывается в соответствии с величиной коэффициента сжимаемости mth как его обратная величина. Так, для суглинка mth=0,000714 кПа-1, Eoed =1/0,00074 = 1400 кПа. Значения mth,i можно рассчитать по формуле (1) по данным таблицы 1 и соответствующим средним вертикальным напряжениям в грунтовых слоях.
По результатам численного моделирования рассматриваемого примера получено следующее: осадка за счет протаивания равна 0,99 м, осадка за счет уплотнения равна 0,24 м (см. рис. 2).
Результаты расчетов в программе совпадают с расчетами по аналитическим зависимостям СП 25.13330.2020. Однако в данном случае была использована простая линейно-деформируемая модель без критериев прочности. В действительности уплотнение грунта имеет нелинейный характер и требует использования других моделей, например, модели компрессионного сжатия, для которой необходимо иметь результаты испытаний в одометре. В настоящее время ведется разработка специальной модели для расчета тепловой осадки, учитывающей обе составляющие деформации.
Рис. 2. Результаты расчетов тепловой осадки в SiO 2D: а) за счет протаивания; б) общая тепловая осадка
Преимущество предлагаемого подхода в его универсальности: задача определения осадки насыпи при оттаивании решается в одномерной постановке полностью в автоматизированном режиме, что существенно ускоряет работу проектных подразделений, но при этом возможности численного моделирования позволяют решать задачу более реалистично, с учетом нестабилизированного состояния и консолидации, в том числе на основании трехслойной модели, изложенной в [8]. Кроме того, геотехническая модель является цифровым двойником объекта и позволяет: во-первых, назначать критерии мониторинга, а во-вторых, корректировать модель по результатам мониторинга и выполнять его анализ.
Проектирование насыпей транспортирных сооружений в районах распространения многолетнемерзлых грунтов в условиях изменений климата требует использования второго принципа с допущением оттаивания. Необходимые в таком случае расчеты тепловой осадки могут быть выполнены автоматически с использованием команд в программе SiO 2D. Линейно-деформируемая модель грунта и одномерная постановка задачи позволяют получить результаты, сопоставимые с расчетом ручным способом. При этом программа позволяет выполнять расчеты с нелинейными моделями и в полноценной двухмерной постановке с учетом прочностных характеристик грунтов и процесса консолидации.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку