Назад

Применение верификационных тестов при расчетах устойчивости земляного полотна железнодорожного пути

Анализ современного состояния проектирования, строительства и эксплуатации инфраструктурных объектов свидетельствует о необходимости реализации комплекса мер по повышению качества расчетных обоснований проектных решений. В настоящее время производить расчеты инфраструктурных объектов невозможны без применения современного программного обеспечения.

Для приведения уровня качества расчетных обоснований проектных решений современных инфраструктурных объектов строительства проектным организациям рекомендуется осуществлять расчеты не менее, чем по двум сертифицированным программных комплексов, проводить сопоставительный анализ полученных результатов, так называемая верификация. Такая практика широко применяется в развитых странах. Эти верификационные тесты предназначены для проверки инженером правильности расчета устойчивости земляного полотна железнодорожного пути в расчетной программе.

Органами государственной экспертизы рекомендуется запрашивать в необходимых случаях расчетные обоснования конструктивных решений с использованием двух независимо разработанных программ.

Как известно, земляное полотно железных дорог представляет собой сложный комплекс грунтовых объектов, работающих в сложных условиях природно-климатической среды и динамических нагрузок. Все элементы железнодорожного пути по прочности, устойчивости и состоянию должны обеспечивать безопасное движение поездов. Для проверки обеспечения безопасности состояния земляного полотна применяют различные расчеты.

Несмотря на большое многообразие методик и возможностей решения расчетов устойчивости земляного полотна, необходимо проводить оценку достоверности выполненных расчетов в различных геотехнических программах.

Положительным результатом верификации является соответствие результатов расчетов значениям "эталонного решения" с допустимой погрешностью. Погрешность определяется путем сравнения результатов расчета с "эталонными" решениями.

На основании общедоступных методик и примеров, приведенных в открытых литературных источниках, сотрудники института провели верификационный анализ в геотехнической программе GEO5 - Устойчивость откосов (Версия программы: 2016.49).

Верификационный тест № 1
Модель, описанная в [1-2], представляет собой простой анализ однородного склона с одинаковыми свойствами грунта. Эта модель впервые опубликована в исследовании [3]. Физико-механические свойства грунта склона: с = 3,0 kN/m2; φ = 19,6°; γ = 20,0 kN/m3.

Результаты расчета полученными различными методами приведены в таблице 1. Как видно из таблицы 1, результаты, полученные программами Slide, SVSLOPE и GEO5-Устойчивость откосов, достаточно хорошо согласуется. Отличия по полученным коэффициентам устойчивости составляет по методу Bishop и Spenser 0,2%.

Таблица 1 – Результаты верификационного анализа

Источник

Метод расчета

Результат расчета

R, м

Центр

Левая точка поверхности скольжения

Правая точка поверхности скольжения

1

2

3

4

5

6

7

[1]

Bishop

0,987

30,528

29,104/55,527

30,027/25,014

51,700/35,0

Spencer

0,986

30,527

29,104/55,527

30,027/25,014

51,700/35,0

Janbu

0,99

26,407

30,149/51,471

30,129/25,065

50,789/35,0

[2]

Bishop

0,989

 

 

 

 

Spencer

0,988

 

 

 

 

Janbu

0,94

 

 

 

 

«GEO5 - Устойчивость откосов»

Bishop

0,986

28,65

29,59/53,65

30,01/25,00

51,34/35,00

Spencer

0,98

28,65

29,59/53,65

30,01/25,00

51,34/35,00

Janbu

0,98

28,65

29,59/53,65

30,01/25,00

51,34/35,00

Шахунянц

0,93

22,01

32,39/46,88

30,00/25,00

50,92/35,00

Верификационный тест № 2
Модель, описанная в [4], представляет собой простой анализ однородного склона сложенного из супеси, с одинаковыми свойствами грунта, с учетом уровня грунтовых вод. Дополнительно были проведены расчеты с укреплением анкерами. Физико-механические свойства грунта склона и характеристики анкера: с = 21,0 kN/m2; φ = 27,0°; γ = 18,5 kN/m3, γsat = 19,50 kN/m3, F = 20 kN/m2, FА = 200 kN, bA=2.00 м, Hзакрепления анкера  = [x,z] = [16.00;9.00].
Результаты расчета, полученные различными методами, приведены в таблице 2. Как видно из таблицы 2, результаты расчета без оптимизации линии поверхности скольжения, полученные авторами и выполненные нами, совпадают. Нами также были дополнительно проведены расчеты с учетом оптимизации поверхности скольжения. Результат расчета с учетом оптимизацией на 1-4% меньше, чем без оптимизации. Что также необходимо учитывать при проектировании.

Таблица 2 – Результаты верификационного анализа

Источник

Метод расчета

Результат расчета

R, м

Центр

Ма

Мр

1

2

3

4

5

6

7

[4] и «GEO5 - Устойчивость откосов» (ООО «ИПИТ»)

Bishop

1,55

15,0

13,527/18,944

10464,338

16264,697

Bishop (Anchored slope)

1.67

15,0

13,527/18,944

10464,338

17428.205

Spencer

1,43

15,0

13,527/18,944

10464,338

14904,940

Spencer (Anchored slope)

1,54

15,0

13,527/18,944

10464,338

16050.867

Шахунянц

1,39

15,0

13,53/18,94

 

 

«GEO5 - Устойчивость откосов» с учетом оптимизации

Bishop

1,51

16,95

13,57/21,57

11624,96

17571,70

Bishop(Anchored slope) (рис. 1)

1,63

16,78

14,46/21,17

12732,65

20709,14

Spencer

1,41

15,09

14,60/19,37

10883,73

15328,30

Spencer (Anchored slope) (рис. 2)

1,49

15,57

14,70/18,41

14184,11

21089,43

Шахунянц

1,36

14,23

15,24/18,08

 

 

Шахунянц (Anchored slope) (рис. 3)

1,45

15,15

15,87/17,95

 

 

«GEO5 - МКЭ»

МКЭ (рис. 4 – 6)

1,44

 

 

 

 

В строительной практике для определения устойчивости грунтового сооружения, как правило, используются методы предельного равновесия, регламентированные нормативными источниками и разработанные такими авторами как Шахунянц, Маслов, Терцаги, Бишоп, Моргенштерн, Спенсер и многими другими, однако ни один из авторов расчета устойчивости не предполагал в своем методе наличие геосинтетических прослоек. Отечественной нормативной документацией предлагаются методы учета геосинтетических материалов в расчетах, в то же время методы разнятся в зависимости от отрасли (а.д. или ж.д.), года выпуска и взглядов авторов документа. Единый подход для учета геосинтетических материалов в расчетах, регламентированный нормативной документацией, на данный момент отсутствует, в связи с чем, все чаще прибегают к расчетам методом численного моделирования.

Метод численного моделирования (программный комплекс Plaxis) позволяет решать сложные геотехнические задачи, связанные с индивидуальным проектированием и более корректно выполнять расчеты сооружений с геосинтетическими материалами, учитывая как прочностные характеристики материала, так и его деформацию в процессе эксплуатации (перемещение, растяжение, разрыв). В мировой практике применение подобных комплексов считается современным и актуальным подходом. Применение численных методов расчета с 2010 года начинает регламентироваться некоторыми отечественными нормативными источниками.

Вывод. Следует иметь в виду, что опыт накопленный в геотехническом проектировании свидетельствует о необходимости тщательного анализа и проверки полученных результатов. Также необходимо учитывать, что на рабочих компьютерах инженеров должны быть не один, а как минимум два программных расчетных комплексов.

Список использованных источников
[1] Rocscience Inc. (2015). Slope Stability. Verification Manual Part I. Slide. 2D limit equilibrium slope stability for soil and rock slopes Точка доступа: https://www.rocscience.com/help/slide/webhelp/pdf_files/verification/Slide_SlopeStabilityVerification_Part1.pdf (Дата обращения: 22.09.2016).
[2] SVSLOPE Slope Stability Modeling Software. Verification Manual  SoilVision Systems Ltd. Saskatoon, Saskatchewan, Canada. Точка доступа: https://www.soilvision.com/downloads/software/svoffice2009/SVSlope_Verification_Manual.pdf (Дата обращения: 22.09.2016).
[3] Giam, P.S.K. and I.B. Donald (1989), "Example problems for testing soil slope stability programs", Civil Engineering Research Report No. 8/1989, Monash University, ISBN 0867469218, ISSN 01556282. 
[4] GEO5 Slope Stability - Verfication manual. Точка доступа: http://www.finesoftware.ru/rukovodstvo-po-proverke/ (Дата обращения: 22.09.2016).

Рисунок 1 – Результаты расчета устойчивости откосов земляного полотна методом Bishop (Anchored slope) с оптимизированной поверхностью скольжения

Рисунок 2 – Результаты расчета устойчивости откосов земляного полотна методом Fellenius/Petterson (Anchored slope) с оптимизированной поверхностью скольжения

Рисунок 3 – Результаты расчета устойчивости откосов земляного полотна методом Шахунянц (Anchored slope) с оптимизированной поверхностью скольжения

Рисунок 4 – Результаты расчета устойчивости откосов земляного полотна методом конечных элементов с выводом величины Epsilon

Рисунок 5 – Результаты расчета устойчивости откосов земляного полотна методом конечных элементов с выводом величины осадки dx

Рисунок 6 – Результаты расчета устойчивости откосов земляного полотна методом конечных элементов с выводом величины осадки dz

Ipit