Budowa nasypu na gruncie drobnoziarnistym (spoistym), takim jak glina, wiąże się z ryzykiem generowania nadmiernego ciśnienia porowego. Może to powodować krótkoterminowe problemy ze statecznością zbocza. Dlatego tak istotne jest uwzględnienie w analizie współczynnika bezpieczeństwa zarówno dla warunków długoterminowych (przy suchym podłożu), jak i krótkoterminowych (przy nawodnionym podłożu). Oba te scenariusze można efektywnie zbadać przy użyciu oprogramowania do analizy metodą elementów skończonych (MES) oraz metody redukcji wytrzymałości c – φ.
Prosta analiza stateczności skarpy
Dane wejściowe do analizy MES
Aby przeprowadzić analizę nasypu posadowionego na glinie za pomocą MES, niezbędne są następujące dane:
- Stratygrafia gruntu,
- Geometria nasypu,
- Parametry geotechniczne użytych materiałów.
Parametry te zależą od przyjętego modelu konstytutywnego i mogą obejmować:
- moduł Younga i współczynnik Poissona (sztywność),
- kąt tarcia wewnętrznego i spójność (wytrzymałość),
- masę jednostkową gruntu i inne.
Etapy analizy metodą elementów skończonych
Typowy przepływ pracy przy analizie MES obejmuje:
- Zdefiniowanie stratygrafii gruntu,
- Narysowanie konstrukcji geotechnicznych,
- Utworzenie siatki elementów skończonych,
- Określenie warunków filtracyjnych,
- Zdefiniowanie etapów budowy nasypu.
Po zakończeniu powyższych kroków możliwe jest wykonanie analizy geotechnicznej, w której każda faza budowy analizowana jest osobno.
Skorzystaj z pomocy we wdrożeniu oprogramowania Bentley Systems
Przykładowa analiza – nasyp na glinianym podłożu
Parametry modelu
Przykładowy model zakłada nasyp o wysokości 4 m:
- Skarpy o nachyleniu 1V:2H oraz 1V:3H,
- Szerokość korony nasypu – 2 m,
- Poziom wód gruntowych na powierzchni terenu,
- Dwa zestawy parametrów dla podłoża z gliny: dla stanu odwodnionego i nieodwodnionego.
Fazy analizy MES
Analiza obejmuje następujące fazy:
- Faza początkowa: Ustalenie stanu naprężeń początkowych przed budową nasypu (procedura K0).
- Faza pierwsza: Obliczenia plastyczne dla nasypu na glinie odwodnionej.
- Faza druga: Obliczenia plastyczne dla nasypu na glinie nieodwodnionej.
- Faza trzecia: Redukcja wytrzymałości c – φ dla fundamentu odwodnionego.
- Faza czwarta: Redukcja wytrzymałości c – φ dla fundamentu nieodwodnionego.
Wyniki analizy
Z analizy MES uzyskano dane takie jak:
- odkształcenia,
- przemieszczenia,
- naprężenia,
- ciśnienia porowe,
- współczynniki bezpieczeństwa dla obu przypadków fundamentu (odwodnionego i nieodwodnionego).
Mechanizmy uszkodzeń i wnioski
Dla fundamentu odwodnionego nasyp osiada równomiernie, podczas gdy w przypadku fundamentu nieodwodnionego pojawiają się wypiętrzenia gruntu obok nasypu. Wynika to z faktu, że brak możliwości zmiany objętości w glinie nieodwodnionej powoduje przemieszczanie się gruntu ku górze w innych miejscach.
Dodatkowo, w stanie odwodnionym nie dochodzi do generowania nadmiernego ciśnienia porowego. W stanie nieodwodnionym analiza pozwala na określenie lokalizacji i intensywności tego zjawiska – najwyższe wartości ciśnienia porowego występują bezpośrednio pod nasypem.
Współczynnik bezpieczeństwa i mechanizm zniszczenia
Różnice w uzyskanych współczynnikach bezpieczeństwa między analizą odwodnioną i nieodwodnioną pokazują wpływ nadmiernego ciśnienia porowego na stabilność konstrukcji.
Mechanizm zniszczenia w przypadku fundamentu odwodnionego wskazuje, że krytyczna powierzchnia poślizgu przebiega w obrębie nasypu. Natomiast dla fundamentu nieodwodnionego powierzchnia ta przechodzi również przez podłoże (rysunek w prawym górnym rogu artykułu).
Analiza MES z wykorzystaniem metody redukcji c – φ jest skutecznym narzędziem w ocenie wpływu nadmiernego ciśnienia porowego na fundament oraz w określeniu współczynnika bezpieczeństwa. Umożliwia to optymalną ocenę zgodności projektów geotechnicznych z obowiązującymi normami bezpieczeństwa.
