1.      Несуча здатність підсиленої грунтової основи – нетривіальна задача

Грунт є сильно нелінійним, неоднородним, анізотропним середовищем, яке важко вивчити та точно математично описати – словом, це складне для аналізу середовище. Якщо ми додатково врахуємо введені в нього вертикальні елементи (наприклад, палі/колони CMC або колони DSM) з набагато більшою жорсткістю, які призначені для зміцнення ґрунту, справа ускладнюється. Крім того, слід пам’ятати про стандартні положення, які в даний час вимагають імовірнісного підходу та використання часткових факторів безпеки, вже можна загубитися.

Для підсиленого елементами ґрунту необхідно перевірити граничні стани несучої здатності та експлуатації. На практиці, коли йдеться про зміцнення ґрунту, проектування та планування, велика увага приділяється оцінці осідань, оскільки загальною метою зміцнення ґрунту є зменшення осідань та деформацій конструкції. Важливим для забезпечення несучої здатності є відповідна міцність армуючих елементів (несуча здатність конструкції), а також запобігання пошкодженню, надмірній деформації або неконтрольованому зміщенню армованої основи ( несуча здатність) . У статті представлені можливі методи перевірки геотехнічної несучої здатності підсиленої елементами основи.

2.      Розрахунок несучої здатності грунту, підсиленого жорсткими елементами – проста, але складна формула

Загальну проектну несучу здатність для підсиленого жорсткими елементами ґрунту можна описати  формулою, прийнятою зараз для проектування новим Єврокодом 7, частина 3 (prEN1997-3):

Формула лише на перший погляд здається простою, насправді її застосування вимагає ретельного аналізу всієї моделі з урахуванням взаємних впливів окремих елементів зміцненої основи та врахування всіх потенційних механізмів руйнування із сумісними переміщеннями. При зміні розташування елементів і навколишнього грунту, при наявності розподільчого шару, при зміні навантажень або зменшенні параметрів міцності розподіл навантаження на елементи і грунт між ними змінюється. Більше того, втрата несучої здатності елементів відбуватиметься в шарі, в якому знаходяться стопи елементів, тоді як грунт досягне граничного стану на більш високому рівні (Рис. 1).

Спрощені методи перевірки несучої здатності, які описані нижче, практикуються і дозволяють швидко перевірити граничний стан, але використання більш досконалих методів дозволяє оптимізувати проектне рішення.

3.      Крайні випадки

Проектувальник має право спростити формулу, коли аналізована ситуація це дозволяє. Якщо ми нехтуємо несучою здатністю елементів і несуча здатність грунту виявляється достатньою для проектних навантажень, питання щодо фундаментів спрощується наступним чином:

;              

У цій ситуації ми опинимось у т. зв. “Домен 2” (ASIRI; 2012), де колони призначені лише для зменшення осідання, у цій ситуації, беручи до уваги лише несучу здатність / стійкість спорудженої конструкції, колони не потрібні.

Другий крайній випадок може бути використаний в випадках без розподільчого шару, де оголовок елементу безпосередньо підтримує жорсткий фундамент. Тоді в розрахунках може не враховуватися несуча здатність грунту між колонами, але потрібно зауважити, що елементи здатні нести повне навантаження. Потім перевірка несучої здатності основи буде проводитися за формулою, аналогічною формулі для фундаментів на палях:

Крайні випадки відносно прості, але часто потрібно враховувати як несучу здатність грунту, так і несучу здатність елементу.

4.      Спрощений метод

Для перевірки несучої здатності ґрунту часто застосовується спрощений метод, метою якого є демонстрація того, що виконуються рівняння рівноваги сил і що проектна потужність не перевищується як в елементах, так і в грунті між ними. Тому необхідно продемонструвати, що:

– одиничне навантаження, що передається на грунт між елементами, не перевищує проектної несучої здатності грунту,

– навантаження на колону не перевищує несучої здатності елементу по матеріалу чи грунту,

– зосереджене навантаження, що передається на оголовок елементу, не перевищує допустиме напруження через граничні напруження над оголовком елементу – в системі з розподільчим шаром, визначеним на основі механізму Прандля або арочного механізму,

– підтримується баланс сил.

Цей метод можна застосовувати за допомогою аналітичних, емпіричних та чисельних методів, на практиці їх часто комбінують.

Більш досконалі методи вимагають більш глибокого аналізу, але детальна оцінка несучої здатності основи дозволяє отримати більш оптимальне рішення. Цього напрямку дотримуються переважно інженери з досвідом, що дозволяє їм, перш за все, правильно підібрати програму випробувань ґрунту, а також оцінити надійність методу та моделі, що використовуються в даних гідро-геологічних умовах.

5.      Особливий випадок насипу – втрата несучої здатності та стійкості

Насип є особливим випадком, коли необхідний аналіз глобальної стабільності системи. При проектуванні насипу стійкість слід перевіряти, використовуючи підхід розрахунку “3”, наприклад, використовуючи стрічкові методи, враховуючи відповідні коефіцієнти навантаження та відповідні коефіцієнти зниження міцності. Умовою використання елементів при розрахунках стійкості є забезпечення їх внутрішньої несучої здатності шляхом перевірки необхідності та, можливо, проектування відповідного армування з використанням проектного підходу “2*”, оскільки зламаний або розірваний елемент не перешкоджає насипу втратити стабільність.

У випадку, коли стабільність конструкції не задовольняється для ґрунту без елементів, може бути проведений аналіз, при якому елементи в ідеалі замінюються силою, яка приходить на їх оголовки (рис. 2). На практиці використовуються також інші методи аналізу стійкості, за допомогою яких глобальна стійкість у випадку насипів, підсилених бетонними/ ґрунтоцементними елементами (таких як, наприклад, елементи DSM  або елементи СМС), буде безпосередньо пов’язана з вигином та міцністю на зріз цих елементів.

6.      Вдосконалена перевірка несучої здатності

Програми з використанням методу скінченних елементів ще не є досконалими, але ця галузь розрахунків швидко розвивається і стає найпотужнішим інструментом проектування не тільки в геотехніці.

Вони дають широкий спектр детального аналізу, і, отже, стають інструментами для оптимізації геотехнічних рішень. Важко судити, коли їх використання буде настільки надійним, як добре перевірені аналітичні чи емпіричні методи. Однак, розглядаючи можливості, які пропонує МСЕ, важко заперечити, що за допомогою відповідних числових моделей можна було б визначити точну геотехнічну несучу здатність всієї системи елементів та навколишнього ґрунту. Такий аналіз може відображати механізм руйнування, включаючи літологічну мінливість, мінливість навантаження, крайніх ділянок, нелінійні явища, перерозподіл навантаження та інші. Таким чином, можна визначити запас міцності конструкції, використовуючи рекомендований обчислювальний підхід (наприклад, додаткові навантаження або поступове зменшення параметрів міцності).

7.      Підсумки

Стаття заснована на ASIRI – Рекомендації щодо проектування, будівництва та контролю підсилення грунту за допомогою жорстких включень 2012 та проект переглянутої версії Єврокоду 7 prEN1997-3, однак,  включає одну вибрану частину верифікації проекту та лише вибрані методи. Слід підкреслити, що для зміцнення основи жорсткими елементами також дуже важливо перевірити структурну несучу здатність. Крім того, проект підсилення ґрунту також має включати перевірку граничного стану використання та впливу осідання / деформації підсиленої основи на конструкцію, що проектується.