Plaxis. Строительство дорожной насыпи (урок 5)

7. СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОЖНОЙ НАСЫПИ (УРОК 5)

Строительство насыпи на слабых грунтах с высоким уровнем грунтовых вод ведет к повышению порового давления. В результате такого недренированного поведения эффективное напряжение остается низким и для надежного строительства насыпи должны быть приняты периоды промежуточного уплотнения. При уплотнении избыточное поровое давление рассеивается так, что грунт может получить необходимую сдвиговую прочность, обеспечивающую продолжение процесса строительства.

В настоящем уроке рассмотрен вопрос строительства дорожной насыпи, с подробным анализом описанного выше механизма. В задаче представлены три новых варианта расчетов, а именно: расчет консолидации, расчет по изменяемой сетке и расчет коэффициента безопасности методом снижения (, c.



Рис. 7.1 Дорожная насыпь на слабых грунтах

7.1 Входные данные

На рис. 7.1 представлен разрез дорожной насыпи. Ширина насыпи 16.0 м, высота 4.0 м. Заложение откосов составляет 1:3. Задача является симметричной, поэтому моделируется только одна половина (в данном случае выбрана правая половина). Сама насыпь возведена из рыхлого песчаного грунта. Основание включает слой слабого грунта толщиной 6.0 м. Верхние 3 м этого слабого слоя грунта представлены слоем торфа, а нижние 3 м - слоем глины. Уровень грунтовых вод совпадает с естественной поверхностью основания. Под слоями слабого грунта находится слой плотного песка, который не включается в модель.

Геометрическая модель

Насыпь, показанная на рис. 7.1, может быть рассчитана в рамках модели плоской деформации. Для этого примера используются пятнадцатиузловые элементы. Для Длины, Силы и Времени используются стандартные единицы измерения (м, кН и сутки). В геометрической модели учитывается общая длина 40 м, начиная от середины насыпи. Полную геометрию можно начертить, используя опцию Geometry line. Предполагается, что деформация глубинного песчаного слоя на рис. 7.1 равна нулю. Следовательно, этот слой не включается в модель и вместо него используется неподвижное основание. Для определения граничных условий можно использовать Стандартные закрепления.



Рис. 7.2. Геометрическая модель проекта дорожной насыпи

Таблица 7.1. Свойства материала дорожной насыпи и основания

Параметры
Обозн.
Глина
Торф
Песок
Ед. изм.

Модель материала

Тип поведения

Удельный вес грунта

Удельный вес насыщенного грунта

Горизонт. проницаемость

Вертикал. проницаемость

Модуль Юнга

Коэффициент Пуассона

Сцепление

Угол трения

Угол дилатансии
Model

Type

(unsat

(sat


kx

ky

Eref

(

cref

(

(
M-К

Недрениров.

15

18


1(10-4

1(10-4

1000

0.33

2.0

24

0
M-К

Недрениров.

8

11


2(10-3

1(10-3

350

0.35

5.0

20

0
M-К

Дрениров.

16

20


1.0

1.0

3000

0.3

1.0

30

0

-

-

кН/м3

кН/м3


м/сут

м/сут

кН/м2

-

кН/м2

(

(



Набор данных материалов и построение сетки

Свойства различных типов грунта даны в таблице 7.1. Должны быть созданы три набора данных материалов в соответствии с таблицей. Слои глины и торфа являются недренированными, что ведет к повышению порового давления во время строительства насыпи. Определите данные для соответствующих кластеров в геометрической модели. После ввода параметров материала может быть построена простая сетка конечных элементов с использованием средних величин крупности Medium. Постройте сетку, щелкнув кнопкой Generate mesh.




Начальные условия

В начальных условиях вес воды устанавливается 10 кН/м3. Давление воды полностью гидростатическое и определяется общим уровнем грунтовых вод в точках (0.0; 6.0) и (40.0; 6.0).

Кроме уровня грунтовых вод следует обратить внимание на граничные условия для задачи консолидации, выполняющейся при расчетах. Без каких-либо дополнительных вводных данных все границы водопроницаемы, так что вода может свободно проходить через них, а избыточное поровое давление может рассеиваться во всех направлениях. Однако в рассматриваемой ситуации левая вертикальная граница должна быть закрыта, поскольку она является осью симметрии, так что горизонтальная фильтрация не возможна. Правая вертикальная граница также должна быть закрыта, поскольку на этой границе нет свободного оттока. Нижняя граница открыта, потому что под слоями слабого грунта возникающее поровое давление может свободно проникать в глубинный и проницаемый песчаный слой (не включенный в модель). Верхняя граница также явно открыта. Для создания соответствующих граничных условий консолидации выполните следующие шаги:

Щелкните на панели кнопкой (желтая линия) Closed consolidation boundary.

Переместитесь к верхней точке левой границы (0.0; 10.0) и щелкните на этой точке. Переместитесь к нижней точке левой границы (0.0; 0.0) и щелкните вновь. Щелкните правой кнопкой мыши для завершения этого замкнутого контура.

Переместитесь к верхней точке правой границы (40.0; 6.0) и щелкните. Переместитесь к нижней точке (40.0; 0.0) и щелкните вновь. Завершите этот замкнутый контур.

Щелкните кнопкой Generate water pressure для создания давления воды и граничных условий консолидации.

После создания давления воды щелкните на "переключатель" ("switch") для изменения начальной геометрической конфигурации. Насыпь в первоначальном состоянии не представлена. Поэтому для создания первоначального напряжения насыпь сначала должна быть деактивирована. Это можно сделать, щелкнув один раз в двух кластерах, представляющих насыпь, точно также, как при расчете поэтапного строительства. Когда насыпь деактивирована (соответствующие кластеры должны быть белого цвета), оставшаяся активная геометрия будет горизонтальной с горизонтальными слоями, так что, для расчета начального напряжения можно использовать Ko-процедуру. Примерные значения Ko глинистого и торфяного слоя могут быть приняты на основе формулы Jaky: Ko = 1-sin(. После создания начального напряжения ввод данных завершен и могут выполняться расчеты.


Совет:
Закрытые границы консолидации могут определяться только, если щелкнуть на существующие геометрические точки. Программа автоматически найдет промежуточные геометрические точки. Граничные условия консолидации должны быть созданы в граничных узлах сетки. Это делается вместе с созданием давления воды. Таким образом, после ввода или изменения границ консолидации, всегда щелкайте кнопкой Generate water pressures





7.2 Расчеты

Строительство насыпи состоит из двух этапов, каждый из которых продолжается 5 суток. После первого этапа строительства вводится период консолидации в течение 200 суток для того, чтобы рассеялось избыточное поровое давление. После второго этапа строительства вводится еще один период консолидации, из которого можно определить окончательную осадку. Таким образом, следует выполнить четыре этапа расчетов.

Анализ консолидации вводит в расчеты временную протяженность. Для того, чтобы правильно выполнить расчет консолидации должен быть выбран соответствующий временной шаг. Использование временных шагов, меньших критического минимального значения, может привести к колебаниям напряжений. В программе PLAXIS предоставляется полностью автоматическая пошаговая процедура, которая учитывает этот критический шаг. Сама процедура имеет три возможности: либо консолидация на предварительно определенный период, включая влияния изменения активной геометрии (Staged construction), либо консолидация до тех пор, пока все избыточные поровые давления в области не снизятся до предварительно определенного минимального значения (Minimum pore pressure) или консолидация для определенного количества шагов, используя коэффициенты приращений для глобального увеличения нагрузок во времени (Incremental multiplier) . Первые две возможности будут использованы в данном упражнении.

Для определения этапов расчетов выполните следующие шаги:

Первый этап расчетов – расчет консолидации Consolidation, Staged construction. Выберите Consolidation из комбинированного окна во вкладке General. Во вкладке Parameters введите 5 суток в поле Time interval (временной интервал). Выберите Staged construction для Loading input и щелкните кнопкой (Define(. Активируйте первую часть насыпи в окне Геометрической конфигурации и щелкните кнопкой (Update(. Вернитесь в окно Расчетов, щелкните кнопкой (Next(, чтобы ввести следующий этап расчетов.

Второй этап - это также расчет консолидации, поэтапное строительство. Во вкладке Parameters введите значение 200 для временного интервала. Щелкните кнопкой (Next(, чтобы ввести следующий этап расчетов.

Третий этап расчетов – также расчет консолидации, поэтапное строительство. После выбора Staged construction во вкладке Parameters введите значение 5 суток в поле Time interval. Щелкните на кнопку (Define( и активируйте вторую часть насыпи. Щелкните кнопкой (Update( и введите следующий этап.

Четвертый этап - это расчет консолидации до минимального порового давления. Во вкладке Parameters выберите Minimum pore pressure в группе Loading input и примите значение по умолчанию 1 кН/м2 для минимального давления.

До начала расчетов щелкните кнопкой Select points for curves (Выберите точки для кривых) и выберите следующие точки: в качестве точки А выберите подошву насыпи. Вторая точка (точка В) будет использоваться для построения развития (снижения) избыточного порового давления. С этой целью необходима точка где-нибудь в середине слоев слабого грунта около левой границы. Выбрав эти точки, начинайте расчеты.

Во время расчета консолидации ход времени может отображаться в верхней части информационного окна расчета. Помимо множителей имеется еще параметр PPmax, указывающий текущее максимальное избыточное поровое давление. Этот параметр представляет интерес для Minimum pore pressure (Минимального порового давления) при расчете консолидации, когда все поровые давления становятся ниже предварительно определенного значения.
7.3 Выходные данные

В окне расчета выберите одновременно третий и четвертый этап (при выборе этих этапов удерживайте клавишу (Ctrl( на клавиатуре) и щелкните кнопкой (Output(. Выходное окно теперь показывает две деформированные сетки: одну после недренированного возведения завершающей части насыпи, другую после полной консолидации. Рассматривая результаты третьего этапа (недренированное возведение), деформированная сетка показывает подъем подошвы насыпи и поверхности основания, вызванный недренированным режимом. Оценивания приращения полных смещений, можно видеть, что развивается механизм разрушения (см. рис. 7.3). Кроме того, на рис. 7.4 показано распределение избыточного порового давления. Ясно, что наивысшее избыточное поровое давление имеет место под центральной частью насыпи.

Можно видеть, что осадка естественной поверхности грунта и насыпи значительно возрастает на четвертом этапе. Это связано с рассеиванием избыточного порового давления, что вызывает уплотнение грунта. На рис. 7.5 показано распределение остаточного порового давления после консолидации, когда максимальное значение давления стало ниже 1,0 кН/м2.



Рис.7.3 Приращения смещений после недренированного возведения насыпи



Рис.7.4 Избыточное поровое давление после недренированного возведения насыпи


Рис.7.5 Изобары избыточного порового давления после консолидации до Pexcess(избыточн) (1,0 кН/м2

Может быть использована программа Curves (Кривые) для показа развития во времени избыточного порового давления под насыпью. Для создания такой кривой выполните следующие шаги:
Щелкните кнопкой Go to curves program (Перейдите в программу кривых) в верхнем левом углу Выходного окна.
Выберите New chart (Новая диаграмма) и выберите текущий проект из запросчика файлов.
В окне Curve generation (Построение кривой) выберите Time для оси х. Для оси y выберите Excess pore pressure (Избыточное поровое давление) и выберите точку в середине слоев слабого грунта (Точка В) из комбинированного окна Point. После щелчка кнопкой (OK( должна появиться кривая, подобная кривой на рис. 7.6.

На рис.7.6 ясно показаны четыре этапа расчетов. На этапах недренированного возведения насыпи избыточное поровое давление возрастает при малом увеличении времени, в то время, как в периоды консолидации избыточное поровое давление со временем падает. Из кривой можно видеть, что необходимо свыше 700 суток для достижения полного уплотнения.



Рис.7.6 Развитие избыточного порового давления под насыпью



7.4 Анализ безопасности

При проектировании насыпи важно учитывать не только окончательную устойчивость, но также и устойчивость во время строительства. Из результатов вычислений ясно, что механизм разрушения начинает развиваться после второго этапа строительства. Интересно определить общий коэффициент безопасности на этом этапе, а также на других этапах строительства.

При проектировании зданий и сооружений коэффициент безопасности обычно определяется как отношение разрушающей (предельной) нагрузки к действующей нагрузке. Однако для грунтовых сооружений это определение не всегда пригодно. Например, для насыпей большая часть нагрузки вызвана весом грунта, а увеличение веса грунта не обязательно ведет к разрушению. Действительно, откос несвязного грунта не разрушится при испытаниях, в которых сам вес грунта увеличивается (как при испытаниях в центрифуге). Наиболее подходящее определение коэффициента безопасности следующее:
13 EMBED Equation.3 1415

Где S означает прочность на сдвиг. Отношение реальной прочности к вычисленной минимальной прочности, необходимой для равновесия – это коэффициент безопасности, обычно используемый в механике грунтов. Вводя стандартное условие Кулона, получаем коэффициент безопасности:

13 EMBED Equation.3 1415
Где с и ( - входные параметры прочности и (n – фактическое нормальное напряжение. Параметры сr и (r – параметры приведенной прочности, достаточные для поддержания равновесия. Вышеописанный принцип является основой метода Phi-c-reduction (снижение (, c), который использован в программе PLAXIS для расчетов коэффициента общей безопасности. В таком подходе сцепление и тангенс угла трения снижаются в такой же пропорции:

13 EMBED Equation.3 1415

Снижение параметров прочности контролируется общим множителем (Msf. Этот параметр увеличивается при пошаговой процедуре до тех пор, пока не произойдет разрушение. Коэффициент безопасности определяется как (Msf, когда обеспечивается более или менее его постоянное значение для ряда последовательных шагов нагружения.

Расчет по методу снижения (, c находится в программе PLAXIS в списке Calculation type на вкладке General. Если выбрана опция Phi-c-reduction, то во вкладке Parameters автоматически устанавливается Incremental multipliers в группе Loading input.

Для расчета коэффициента общей безопасности дорожной насыпи на различных этапах строительства выполните следующие шаги:

Щелкните кнопкой Go to calculations program (Перейдите в программу расчетов) чтобы сфокусировать окно Расчетов.

Сначала мы хотим вычислить коэффициент безопасности после первого этапа строительства. Следовательно, создайте новый этап расчетов и выберите Phase1 в поле Start from phase.

Во вкладке General выберите расчет Phi-c-reduction.

Во вкладке Parameters число Additional steps (Дополнительные шаги) устанавливается на 100 (вместо значения по умолчанию 250). Для исключения существующих деформаций из механизма разрушения, выберите опцию Reset displacements to zero (Установите значение перемещений на ноль). Опция Incremental Multipliers уже выбрана в поле Loading input. Щелкните по кнопке «Define» для ввода вкладкеи Multipliers.

В окне Multipliers (Коэффициенты) проверьте, чтобы первое приращение множителя, контролирующего процесс снижения прочности, Msf, было выставлено на 0.1. Теперь определен первый расчет безопасности.

Совет:
Значение по умолчанию Additional steps в расчете Load advancement number of steps составляет 100. В отличие от расчета Ultimate level (Предельный уровень), число дополнительных шагов всегда полностью выполняется. В большинстве расчетов по методу снижения (, c 100 шагов достаточно для доведения до состояния разрушения. Если нет, то число дополнительных нагружений может быть увеличено максимум до 1000.
Для большинства расчетов по методу снижения (, c значение Msf = 0.1 является соответствующим первым шагом, чтобы начать процесс. В процессе расчетов рост общего множителя для снижения прочности, (Msf, автоматически контролируется процедурой развития нагрузки.


Теперь мы хотим провести расчет коэффициента безопасности после второго этапа строительства. Создайте новый этап расчетов и выберите Phase 3 в поле Start from phase.

Во вкладке General выберите Phi-c-reduction из окна Loading type.

Во вкладке Parameters выберите опцию Reset displacement to zero, выберите Incremental multipliers и щелкните кнопкой (Define(.

В окне Multipliers (Множители) проверьте, чтобы Msf было выставлено на 0.1.

Для определения окончательного коэффициента безопасности насыпи создайте новый этап расчета и выберете Phase 4 в поле Start from phase.

Во вкладке General выберите Phi-c-reduction как тип нагружения.

Во вкладке Parameters выберите опцию Reset displacement to zero. Кроме того, выберите опцию Ignore undrained behaviour (Пропустить недренированное поведение), поскольку в этом случае учитывается долительное поведение. Выберите Incremental multipliers и щелкните кнопкой (Define(.

В окне Multipliers проверьте, чтобы Msf было выставлено на 0.1.

Перед тем, как начать расчеты, убедитесь, что только новые этапы расчетов выбраны для выполнения ((); другие этапы должны быть обозначены знаком (.

Оценка результатов

При расчетах методом снижения (, c образуются дополнительные смещения. Полные смещения не имеют физического смысла, но их рост на конечном шаге (при разрушении) указывает на вероятный механизм разрушения. Для наблюдения за механизмом разрушения на трех разных этапах возведения насыпи выберите одновременно стадии 5, 6 и 7 (используйте клавишу (Ctrl() и щелкните кнопкой (Output(. Выберите для всех окон Total increments (Полные приращения) из меню Deformations (Деформации) и замените представление с Arrows (Стрелки) на Shadings (Затенение). Полученная картинка дает хорошее представление механизма разрушения (см. Рис. 7.7). Величина приращения смещений не важна.




Рис.7.7 Приращения полных смещений, иллюстрирующие примененный механизм разрушения насыпи на окончательном этапе.

Коэффициент безопасности может быть получен из опции Calculation info в меню View. Вкладка Multipliers в окне Calculation information представляет действительные значения коэффициентов нагрузки. Значение ( Msf представляет коэффициент безопасности при условии, что это значение действительно более или менее постоянно в течение нескольких шагов.


Рис.7.8 Определение коэффициента безопасности для трех этапов процесса строительства

наилучшим путем определения коэффициента безопасности является вычерчивание кривой, в которой параметр ( Msf определяется в зависимости от смещений определенного узла. Хотя эти смещения неправдоподобны, они указывают на то, развивается или нет механизм разрушения. Для определения таким путем коэффициентов безопасности для трех рассматриваемых ситуаций, выполните следующие шаги:

Щелкните кнопкой Go to curves program для запуска программы Curves.

Выберите New сhart (Новая диаграмма) и выберите файл дорожной насыпи из запросчика файлов.

В окне Curve generation выберите полное смещение подошвы насыпи (Точка А) для оси х. Для оси y выберите Multipliers и выберите ( Msf из комбинированного окна Type. В результате появится кривая, показанная на рис. 7.8.

Можно видеть, что для всех кривых получается более или менее постоянное значение ( Msf.


7.5 Расчет по изменяемой сетке

Как видно из представления Deformed mesh (Деформированная сетка) в конце консолидации (этап 4) перемещения насыпи составляют более 0.5 м с начала строительства. Часть песчаной насыпи, которая была первоначально над уровнем грунтовых вод, переместится ниже этого уровня. Как результат действия выталкивающих сил эффективный вес грунта, который перемещаемого ниже уровня грунтовых вод, будет изменяться, что приведет к понижению эффективной пригрузки во времени. Этот эффект может быть смоделирован в PLAXIS используя Updated mesh (Изменяемая сетка) и опции Updated water pressures(изменяемые давления воды). Для дорожной насыпи будет исследован эффект использования этих опций.

Откройте текущий проект в программе Input и выберите Save as из меню File. Сохраните проект под другим именем. Теперь щелкните на кнопку Go to Calculation program и откройте новый проект. Чтобы поменять тип расчета на Updated mesh, сделайте следующее:

Выберите Этап 1 и щелкните на кнопке Advanced ниже списка Calculation type. Выберите опции Updated mesh и Updated water pressures в окне Advanced general settings. Щелкните , чтобы вернуться в окно расчетов.
Повторите этот шаг для всех расчетных этапов 2, 3 и 4.
Удалите этапы 5, 6, и 7.
Начните расчеты.

Как только расчет закончится, откройте программу Curves, чтобы сравнить перемещения для двух различных расчетных методов.

Выберите New chart и выберите расчет дорожной насыпи с использованием изменяемой сетки из запросчика файлов.
В окне Curve Generation выберите время для оси X и полные перемещения подошвы насыпи (Точка А) для оси Y.

Для сопоставления этих результатов с результатами расчетов без изменения сетки, добавьте кривую из предыдущего расчета.

Из меню File выберите Add curve from another project.
Из запросчика файлов выберите расчет дорожной насыпи без изменения сетки.
В окне Curve generation выберите ту же точку (Точка А). Щелкните для добавления кривой.

По умолчанию графический генератор также включает перемещения, рассчитанные во время этапа Phi-c-reduction. Эти перемещения неинтересны в данный момент и могут быть удалены из кривой.

Выберите Curve из меню Format и нажмите на кнопку Phases.
В окне Select phases снимите отметку с Phi-c-reduction phases., то есть 5, 6 и 7 этапы. Нажмите , чтобы вернуться в окно Curve settings и нажмите для обновления графика.

Теперь нанесены только перемещения поэтапного строительства и консолидации. Чтобы поменять вертикальный масштаб графика:

Выберите Chart из меню Format и поменяйте масштаб оси Y на Manual (ручной). Введите максимальное значение 0.5. Нажмите для обновления графика.

На рис. 7.9 можно заметить, что перемещения меньше там, где использовались опции Updated mesh и Updated water pressures. Это связано с тем, что процедура Updated mesh включает влияние деформаций второго порядка, а процедура Updated water pressures приводит к меньшим эффективным весовым коэффициентам. Это последнее воздействие связано с взвешиванием грунта, расположенного ниже постоянного уровня грунтовых вод.



Рис. 7.9 Перемещения подошвы насыпи с использованием расчета по изменяемой сетке
13PAGE 15


УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО PLAXIS

13PAGE 141015



7-13 PAGE 141115

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО PLAXIS


7-13 PAGE 14115


13 EMBED
·
·
·
·
·
·
·
·
·
Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 6077238
    Размер файла: 744 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий