Качество инженерно-геологической информации, как определяющий фактор достоверности расчета напряженно-деформированного состояния системы «основание – грунт»

Качество инженерно-геологической информации, как определяющий фактор достоверности расчета напряженно-деформированного состояния системы «основание - грунт»

Кулешов Александр Петрович,

старший преподаватель кафедры инженерной геологии Российского государственного геологоразведочного университета им. Серго Орджоникидзе (МГРИ), 87kuleshov@mail.ru

Петрова Ирина Игоревна,

студент кафедры инженерной геологии Российского государственного геологоразведочного университета им. Серго Орджоникидзе (МГРИ), 56irinapetrova47@mail.ru

Понимание закономерностей формирования и изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) литотехни-ческой системы в условиях плотной городской застройки, повышение качества изысканий, обеспечение безопасности строительных объектов, в значительной степени определяет характер взаимодействия человека с геологической средой. Характеристики грунтов, полученные инструментальными методами, должны удовлетворять требованиям к входным параметрам нелинейных моделей, используемых современными программными комплексами численного моделирования грунтовых оснований зданий и сооружений. Набор параметров грунта, необходимый для построения нелинейных моделей, увеличивается по мере совершенствования вычислительной техники, вместо традиционных четырех параметров (ф, с, Е, V), регламентируемых нормативными документами, используется, как правило, 10-15. Использование дополнительных характеристик грунта требует использование нетрадиционного подхода к анализу взаимодействия фундамента с грунтовым основанием. Усредненные значения физико-механических свойств грунтов, полученные в ходе традиционных изысканий, а так же характеристики, взятые из справочных пособий и других литературных источников становятся менее актуальны, так как влияют на конечный результат расчетов и ведут к завышению стоимости проектных решений.

Одним из главных способов повышения точности и достоверности геотехнических расчетов НДС системы "основание-сооружение" является комплексный подход к анализу входной информации.

Возросшая сложность элементарных и локальных литотехнических систем для более точного прогнозирования их поведения требует использования более «чувствительных» инструментов, что стимулировало разработку ряда кодов, которые позволяют моделировать эти системы в виде 2D и 3D моделей.

Использование таких кодов, требующих скорости и обработки большого массива данных, стало возможным по мере внедрения все более усложняющегося искусственного интеллекта. Это касается не только прогнозов, но и других сфер деятельности при проектировании, сооружении, эксплуатации и выводе из эксплуатации объектов, которые составляют техногенную подсистему рассматриваемых литотехнических систем.

Однако, качество получаемых результатов напрямую зависит от качества исходных данных. Поэтому результаты инженерно-геологических изысканий и геотехнических исследований должны оперативно реагировать на возрастающие требования конечного потребителя.

К сожалению, это далеко не всегда достигается и происходит по ряду причин, среди которых можно назвать недостаточное качество изысканий и отставание нормативной базы, регулирующей требования к организации инженерных изысканий и их результатам.

Без детальных инженерно-геологических изысканий с лабораторными испытаниями, в ходе которых будут получены все необходимые параметры сложные модели для расчетов применять нельзя.

Для получения характеристик грунта в модели применяются следующие два метода [1]:

- прямые (стандартные и нестандартные лабораторные и полевые исследования);

-косвенные (литературная и справочная информация).

Повысить качество расчета НДС и в итоге на выходе получить наглядное описание процесса взаимодействия системы «сооружение-основание», близкое к естественному состоянию, можно лишь достоверно охарактеризовав и разобрав на мелкие части объект и природу грунта.

Из имеющего набора математического аппарата, основанного на методе конечных элементов, в настоящее время в большей степени используется программный комплекс PLAXIS, позволяющий проводить геотехнические расчеты взаимодействия системы «сооружение-основание» на разных стадиях существования [2].

Программный комплекс PLAXIS базируется на существующей нормативной документации и позволяет внимательно, надежно охарактеризовать и оценить функционирование грунтового массива.

го А с.

м о м о

о сч о сч

m О X X

Из большего разнообразия моделей в программном комплексе PLAXIS наибольший интерес представляет модель упрочняющегося грунта.

Модель упрочняющегося грунта Hardening Soil (HS) характеризуется большим количеством неизвестных параметров грунта, в меньшей степени цитируется в отечественной нормативной базе, применяется для математического моделирования природы взаимодействия различных типов грунта.

Отличительными особенностями данной модели является учет зависимости модуля жесткости от напряжений, возможность расширения показателя текучести из-за пластических деформаций и выполнение двух типов упрочнения: при сдвиге и сжатии [5].

Математические расчеты НДС на основе модели упрочняющегося грунта способствуют более точному и наглядному описаю природы грунтового массива, но при этом требуют ввода большего количества входных характеристик грунтов:

- секущий модуль упругости при 50% значении напряжений;

- тангенциальный модуль упругости;

- модуль упругости;

- число Пуассона;

- степенной показатель жесткости;

- коэффициент бокового давления грунта;

- опорный уровень напряжений;

- сцепление;

- угол внутреннего трения;

- угол дилатансии.

Что бы оценить, раскрыть сущность и влияние входных параметров на итоговый результат при численном моделировании напряженно-деформированного состояния грунтового массива в стесненных городских условиях рассмотрены две локальные литотехнические системы, представленные многофункциональными комплексами с подземными автостоянками, расположенными на территории г. Москвы по следующим адресам [3]:

Рис. 1. План расположения исследуемых зданий и сооружений в районе ул. Ходынская, вл. 2 [3]

^Щ^Ц Контур проектируемого строительства (ул. Ходынская, владение 2)

Контур зданий, попадающий под влияния нового строительства

Рис. 2. Схема системы взаимодействия «сооружение-основание» на территории строительств по ул. Большая Садовая, д.5, строение 1,2 [3]

По конструктивным особенностям рассматриваемые здания и сооружения локальной литотехнической системы имеют следующие краткие характеристики [3]:

- круглое, четырех этажное, с подвалом, ленточными фундаментами;

- двух этажное с мансардой, с подвалом под частью здания, прямоугольное, год возведения и реконструкции не известен;

В геоморфологическом отношении исследуемый район относится к поверхности ходынской надпойменной (ул. Ходынская, вл. 2) и древнеаллювиальной (ул. Большая Садовая, д.5, строение 1,2) террасам реки Москвы [3].

Особенности геологического строения обследованных участков отображены на инженерно-геологических разрезах (рис. 3) и характеризуются наличием отложении четвертичном, систем.

верхнеюрскои и каменноугольном

Рис. 3. Инженерно-геологический разрез исследуемых территорий: а) ул. Ходынская, вл. 2, б) ул. Большая Садовая, д.5, стр.1,2 [3]

В толще грунтов основания вскрыто шесть водоносных горизонтов:

- четыре в раИоне проектируемого здания, расположенного по адресу: ул. Большая Садовая, д.5, стр.1,2 -один надъюрский и три верхнекаменноугольных (измайловский, перхуровский и ратмировский);

- два - ул. Ходынская, вл. 2 (в аллювиальных и флювиогляциальных четвертичных образованиях и среднекаменноугольных отложениях).

Оценка влияния нового строительства на окружающую застройку, достаточность и качество определяемых параметров грунта в ходе инженерно-геологических изысканий производились в рамках расчета напряженно-деформированного состояния двумя методами: послойное элементарное суммирование и математическое моделирование.

Механические свойства для численного моделирования получены по справочным пособиям, нормативным документам и лабораторными/полевыми методам in-situ.

Метод послойного суммирования рекомендован СП 22.13330.2016 [4] и является основным при расчетах осадок согласно отечественным нормам. Осадка под нагрузкой от сооружений равна сумме осадок элементарных слоев.

«Модель упрочняющегося грунта» позволяет моделировать поведение грунтового массива различного типа при сложных траекториях нагружения.

Создание геотехнической модели начинается с определения размеров расчетной области.

Гидрогеологические условия учитываются с помощью ввода горизонтов грунтовых вод, величины коэффициента фильтрации и отнесением того или иного элемента к типу водонепроницаемых.

Применительно к описанным выше объектам, расчеты производились по конкретным сечениям, согласно следующим этапам [5]:

Результаты полученных расчетов напряженно-деформированного состояния локальных литотехниче-ских систем сведены в таблицу 1.

Для понятия природы реальности, полученных результатов произведено сопоставление полученных результатов с натурными наблюдениями (см. таблицу 2).

Наиболее сопоставимые результаты с данными многолетних натурных наблюдений программный комплекс Plaxis дает при использовании входных параметров определенных специальными методами, полученными непосредственно на площадке, а не из справочных пособий (средняя ошибка 12%) [3].

Величина ошибки деформаций, полученных расчетом традиционными методами, по сравнению с данными натурных наблюдений изменяется в диапазоне от 64% до 86% [3].

о го А с.

Таблица 1

Значения осадок с учетом влияния нового строительства, полученные различными методами

m О X X

Местоположение ряееметримемою объекта Min ; шгрсдслшша ocuKWi см

ГЖЛйЙНОС ДОМСЕЕТВрИК суччированнс модель упрлчнвощогоса :р> |:и Результаты шпуряьк явлздаиЯ

lElJMMCipU И :|Ч. |Г I.&!& 1

ул. Ходинегая, ■to« 4 о,ю 0,52 0.65 0,№

| 1 Ходынская, пл. 2 0,15 0Д7 0.72 O.ÈÎ

JJL Пшккв, ДОН 12, cip.2 1,20 о,;« 0.7К 0,72

YJL 1 .11IV k: дом 1 г, CipJi ija 0,М 1,27 Ml

ул. Польша» С iиония. дом 5. imp 1 0,39 0,33 0.2 S 0^1

ул. ftmiiiaH Салонах, дом 5, етр.2 1.34 0.33 0.6S 0,79

Таблица 2

Сопоставление значений расчетных осадок по отношению к мониторинговым данным

Местоположе mie обьбхп Ошибка опредолеши осадок ричичнимн меюдлчн j» отношению к натурным наблюдениям, •/•

ИОСЛОЙНОС &мемаггарное суммирование Модели унроч някшве rod фунта

Параметры rpvimi

tlo норма гшшым документам По лабораторном методам

ул. Ходынсоа, до« 4 S5 13 5

УЛ. Ходинская. вл. 2 Н2 61 13

ул. Гашека. дом 12. егр.2 67 19 я

v.i Гашека. лом 12. стр,8 M 2-« 14

ул. 1 - ■ | : 1.14 Садояня, дом 5. стр. 1 ял 57 19

ул. Бздыовн Садовин, дом 5. cii>.2 70 58 14

Достоверность геотехнических расчетов связана с качеством определения свойств грунтов, преимущественно лабораторными методами.

Развитие этого направления имеет серьезную перспективу с точки зрения анализа влияния на:

Литература

Quality of engineering and geological information, as a determining factor for the reliability of calculating the stress-strain state of the "Base - Ground" system Kuleshov A.P., Petrova I.I.

Russian state geological exploration University. Sergo

Ordzhonikidze (MGRI) Understanding the regularities of formation and change of the stress-strain state (VAT) of the lithotechnical system in conditions of dense urban development, improving the quality of surveys, ensuring the safety of construction objects, largely determines the nature of human interaction with the geological environment.

Soil characteristics obtained by instrumental methods must meet the requirements for input parameters of nonlinear models used by modern software systems for numerical modeling of soil foundations of buildings and structures. The set of soil parameters required for constructing nonlinear models increases with the improvement of computer technology.instead of the traditional four parameters (ф, c, E, V), regulated by regulatory documents, 10-15 are usually used.

The use of additional soil characteristics requires the use of an unconventional approach to the analysis of the interaction of the Foundation with the ground base. Average values of physical and mechanical properties of soils obtained in the course of traditional surveys, as well as characteristics taken from reference manuals and other literature sources become less relevant, as they affect the final result of calculations and lead to an overestimation of the cost of design solutions. One of the main ways to improve the accuracy and reliability of geotechnical calculations of the VAT system "base-structure" is a comprehensive approach to the analysis of input information.