Повышение устойчивости откосов водопропускных труб на косогорах
Повышение устойчивости откосов водопропускных труб на косогорах
Аннотация
Статья посвящена оценке устойчивости водопропускных труб, расположенных на крутых косогорных участках автомобильных дорог, и разработке мероприятий по повышению их надёжности. Актуальность исследования обусловлена высокой вероятностью сползания насыпи и размыва откосов на таких участках, что приводит к потере устойчивости сооружения. Рассмотрены причины оползнеобразования и основные методы оценки устойчивости склонов на основе метода конечных элементов. Для решения задач по оценке устойчивости сооружения использовались методы предельного равновесия (в том числе метод Шахунянца). Выполнена оценка склона в естественном состоянии и после применения проектных решений. Предложен вариант повышений устойчивости склона комбинированным методом: габионные конструкции в сочетании с иньекционными грунтовыми анкерами.
1. Введение
Автомобильные дороги являются сложными линейными инженерно-техническими сооружениями предназначенным для обеспечения качественного и безопасного движения транспортных средств, перевозке грузов и пассажиров. Основными показателями, отвечающими за обеспечение потребительских эксплуатационных свойств дороги, являются прочность и ровность дорожного покрытия
, . На протяжении всего межремонтного срока службы данные показатели должны находиться на удовлетворительном уровне или выше, при этом не более 5% от площади или протяженности рассматриваемого участка дороги могут иметь значения прочности и (или) ровности ниже требуемых. Кроме этого, сложность проектирования и прогнозирования эксплуатационного состояния элементов автомобильных дорог обуславливается высокой степенью неоднородности прочностных характеристик материалов и грунтов, из которых состоит дорожная конструкция .Наиболее сложными и ответственными элементами c точки зрения строительства и эксплуатации являются искусственные водопропускные сооружения
, . Мостовые сооружения в данной работе не рассматриваются, исследование направлено на оценку устойчивости водопропускных труб. Именно устойчивость водопропускных труб очень сильно зависит от качества проработки проектного решения, технологичности и профессионализма строительных работ. Особенно сложными участками являются трубы, расположенные на крутых косогорных участках дороги, так как именно на этих участках может произойти сползание насыпи вниз по склону вследствие размыва откоса , .Научная новизна исследования заключается в применении комплексного подхода для оценки эффективности решений по повышению устойчивости склона, с учетом стадийностей инженерного вмешательства (имитация этапности строительства), особенностей геологического строения склона и возможности его подтопления. Существующие методы оценки эффективно проектных решений, в большинстве своем, направлены на оценку экономической составляющей.
Таким образом целью работы является разработка и оценка эффективности мероприятий по повышению устойчивости низового руслового склона водопропускных труб расположенных на косогорах участках местности. Исследование устойчивости сооружения выполнялось аналитическим методом, до ввода объекта в эксплуатацию.
2. Общие положения
В самом общем случае дорожная конструкция включает в себя три основных элемента:
1. Дорожная одежда состоящая, как правило, из одного или нескольких слоев покрытия, укреплённого, дренирующего или специального основания. Покрытие устраивают из наиболее прочно недринирующего материала, который способен выдерживать многократное приложение динамической нагрузки от транспортного средства. Основания устраивают из менее прочных дренирующих материалов, предназначенных для обеспечения несущей способности конструкции и нормального водно-теплового режима.
2. Земляное полотно устраивают из дисперсных каменных материалов и грунтов. Данные элемент конструкции предназначен для обеспечения требуемых планово-высотных характеристик дороги, а также стабильной работы дорожной одежды, т.е. без допущения ее переувлажнения.
3. Основанием дороги является естественный грунт, на который опирается земляное полотно или дорожная одежда (при отсутствии земляного полотна).
Земляное полотно и основание дороги отвечают за обеспечение устойчивости и несущей способности дороги. Грунты земляного полотна и основания дороги работают ка одно целое и чем более однородными и равномерно уплотненными они являются, тем меньше будет вероятность потери устойчивости и расползания сооружения под действием транспортной нагрузки.
Водопропускную трубу устраивают в теле земляного полотна, как правило, перпендикулярно оси автомобильной дороги. Для лучшего пропуска водотока ось трубы должна совпадать с направлением водотока. Однако большой угол атаки (угол между осью трубы и осью стока) тем выше будет вероятность размыва верхнего откоса насыпи. Кроме этого, увеличение угла трубы приводит к ее удлинению и, следовательно, к удорожанию строительных работ. Критическими являются углы более 25–30°. При этом в продольном направлении уклон тела тубы должен быть в пределах от 3 до 30 ‰ для недопущения критических уклонов, которые могут привести либо к заиливанию трубы (малые уклоны) либо к размыву (большие уклоны)
, .Объектом исследования стала водопропускная труба расположенная на км 323+635 автомобильной дороги А-376 Хабаровск — Лидога — Ванино — Комсомольск-на-Амуре. Труба расположена на косогоре и в близи зоны подтопления р. Гобилли. Осредненный уклон склона на рассматриваемом участке составляет 1:3 (примерно 20°), что говорит о том, что склон является крутым. Максимальная высота насыпи над трубой составляет 4,50 м. Из-за сложности склона как в геометрическом плане, так и по инженерно-геологическому строению возникает необходимость оценить устойчивость склона в естественном состоянии и после инженерного вмешательства, т.е. в процессе строительства и после устройства водопропускной трубы.
3. Методы исследования
Устойчивость откосов насыпей земляного полотна и других сооружений оценивается локально либо методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения (метод предельного равновесия) либо методом конечных элементов (по предельным перемещениям)
. При этом оценка выполняется по двум критериям:1. Определяется несущая способность конструкции исходя из условия:
где F — расчетная нагрузка на основание, кН; Fu — сила предельного сопротивления основания, кН; γс — коэффициент условий работы, принимаемый в зависимости от типа грунта (таблица 1); γn — коэффициент надежности по ответственности, принимаемый равным 1,2; 1,15 и 1,10 соответственно для сооружений геотехнических категорий 3, 2 и 1.
2. Определяется коэффициент устойчивости сооружения:
где Муд — момент предельных удерживающих сил относительно центра вращения (центра поверхности скольжения); Мсд — момент всех сдвигающих активных сил относительно того же центра; R — обобщенное реактивное предельное сопротивление грунта действию разрушающей нагрузки; Rд — реакция массива грунта на действующую нагрузку.
Таблица 1 - Коэффициент условий работы
Коэффициент | Дисперсные грунты | Скальные грунты | ||||
Пески, кроме пылеватых | Пески пылеватые, стабилизированные глинистые грунты | Глинистые грунты нестабилизированные | Невыветрелые и слабовыветрелые | Выветрелые | Сильновыветрелые | |
γс | 1,0 | 0,9 | 0,85 | 1,0 | 0,9 | 0,8 |
Допускаемые значения коэффициента запаса устойчивости в зависимости от вида грунтов:
- песчаные грунты с постоянной влажностью — 1,2;
- глинистые грунты с постоянной и песчаные с переменной влажностью — 1,4;
- глинистые грунты с переменной влажностью — 1,5.
В соответствии с теорией Кулона — Мора предельная величина силы сопротивления грунта на поверхности скольжения зависит от удельного сцепления и угла внутреннего трения грунта, а также от формы поверхности скольжения. При применении метода конечных элементов для оценки устойчивости сооружению вычисляются предельные перемещения (деформации) конструкции под воздействием внешних сил и рассчитывается запас устойчивости конструкции.
Для сложных инженерных сооружений, наиболее точный расчет устойчивости сооружения можно выполнить методом Шахунянца, который заложен как один из вычислительных методов используемого далее программного комплекса Geo5. Метод достаточно сложен в расчетах, но при современном уровне автоматизации наибольшей сложностью является корректная задача геометрических форм и сложения склона. Формула для определения устойчивости сооружения методом Шахунянца записывается следующим образом
:где PQj,sd и PQj,ud — это активные силы, способствующие сползанию и удержанию склона соответственно; uj — поровое давление в блоке; сj — сцепление грунта в блоке; φj — угол внутреннего трения грунта в блоке; αj — наклон поверхности скольжения в блоке; lj — ширина блока.
Рассматриваемое сооружение относится к 1 категории сложности и к условиям с переменным увлажнение грунтов. Общая схема склона и искусственного сооружения представлена на рисунке 1 (размеры в метрах). Красным цветом на схеме изображены границы проектного решения по устройству водопропускной трубы.
Рисунок 1 - Схема склона и искусственного сооружения
- размер области построения: ширина 120 м, высота (перепад) склона 35 м, глубина геологического массива от 15 м (слева) до 50 м (справа);
- длина ребра элемента 1,5 м, число элементов 3182.
4. Результаты и обсуждения
Оценка устойчивости склона до и после мероприятий по устройству водопропускной трубы выполнена методом конечных элементов в программном комплексе Geo5. Прочностные характеристики материалов и грунтов представлены в таблице 2. Схема инженерно-геологического строения склона представлена на рисунке 2.
Таблица 2 - Характеристики материалов и грунтов
Наименование | Удельный вес, кН/м3 | Модуль упругости, МПа | Угол внутреннего трения, град | Сцепление, кПа | Коэф. Пуассона |
1. Насыпь (супесь легкая) | 18,5 | 26,3 | 27,4 | 22,3 | 0,35 |
2. Песок | 20,8 | 87 | 30,5 | 4,2 | 0,30 |
3. Суглинок легкий | 19,4 | 13,5 | 14,3 | 15,9 | 0,35 |
Рисунок 2 - Инженерно-геологическое строение склона
Проверка склона на начальную устойчивость показала, что склон можно считать относительно устойчивым с коэффициентом устойчивости 1,15. На рисунке 3 представлены зоны образования пластических деформаций скольжения.Рисунок 3 – Пластические деформации скольжения в естественном склоне
Рисунок 3 - Пластические деформации скольжения в естественном склоне
После устройства водопропускной трубы со стандартным укреплением русла и склона каменной наброской и профилировкой откосов до требуемых уклонов общая устойчивость склона приблизилась к критическому значению Ку = 1,01, при требуемом не менее 1,50. На рисунке 4 представлены зоны образования пластических деформаций скольжения в склоне после нанесения проектных решений.
Рисунок 4 - Пластические деформации скольжения в склоне после проектных решений по устройству водопропускной трубы
Для повышения устойчивости верхового и низового склона предложена комплексная система укрепления склона, которая включает в себя следующее (рисунок 5)
, :1. Укрепление откосов габионными конструкциями на глубину 1,0 м;
2. Устройство грунтовых анкеров инъекционного типа на глубину до 5,0 м, с длиной корня 2,0.
Грунтовые анкеры приняты в соответствии с требованиями ГОСТ Р 57355-2016 Анкеры грунтовые и ВСН 506-88 Проектирование и устройство грунтовых анкеров. Проектирование и устройство грунтовых анкеров. Показатель несущей (удерживающей) способности анкера не менее 300 кН.
Инъекционные анкеры устанавливают методом бурения с подачей полимерно-цементныого состава под давлением. Эффективность состава подтверждена ранее выполненными исследованиями
. Результаты по оценке устойчивости откосов после применения комплексного метода укрепления представлены на рисунке 6. Коэффициент запаса устойчивости укрепленного склона составляет 1,6, что больше требуемого 1,5, следовательно, требования по надежности сооружения обеспечиваются.
Рисунок 5 - Схема укрепления склона
Рисунок 6 - Пластические деформации скольжения в склоне после проектных решений по устройству водопропускной трубы и укреплению склона
Таблица 3 - Оценка устойчивости укрепленного склона
Примечание: в скобках указаны значения для обводненного склона
Наименование | Методы поверхностей скольжения | Метод конечных элементов | ||
Бишопа | Феллениус– Петерсона | Шахунянца | ||
Укрепление габионами по типу матрацы Рено | ||||
Верховой склон | 1,40 | 1,38 | 1,38 | 1,10 |
Низовой склон | 1,86 (1,52) | 1,71 (1,50) | 1,71 (1,50) | 1,25 |
Укрепление грунтовыми анкерами инъекционного типа | ||||
Верховой склон | 1,38 | 1,40 | 1,32 | 0,90 |
Низовой склон | 1,89 (1,55) | 1,76 (1,50) | 2,20 (1,62) | 1,05 |
Комплексное укрепление | ||||
Верховой склон | 1,64 | 1,56 | 1,51 | 1,50 |
Низовой склон | 1,76 (1,62) | 1,73 (1,54) | 1,89 (1,66) | 1,57 |
Полученные результаты показывают, что для песчаных грунтов низового склона подходит как комбинированный, так и раздельные способы укрепления, но для обводненного склона лучшие значения показывает комбинированный способ укрепления. После нарушения естественной структуры верного склона, без мероприятий по укреплению, его устойчивость не обеспечивается и только комплексный способ позволяет добиться коэффициента устойчивости более 1,5.
Эффективность предлагаемых мероприятий основана не только на собственных исследованиях автора
, но результатах других исследователей , , , которые применяли стандартизированных методах расчета и нормах проектирования инженерных сооружений для моделирования и оценки работоспособности конструкций с применением численных методов. Результаты расчетов подтверждают мнение о том, что для решения инженерных задач методами численного моделирования необходимо проводить верификацию результатов с натурными испытаниями или, если это невозможно, несколькими методами в одном или нескольких программах комплексах.5. Заключение
В склоне, при изменении его первоначальной геометрии для устройства водопропускной трубы, развиваются пластические деформации скольжения приводящие к местной потере устойчивости (Ку = 1,01 свидетельствует о том, что при малейшем дальнейшем вмешательстве или приложении нагрузки устойчивость склона может быть нарушена). Для сложных геологических условий (для оползнеопасных склонов с неоднородным строением), метод Шахунянца является более надежным и информативным, чем упрощенные методы круглоцилиндрических поверхностей скольжения, так как учитывает сложную структуру склона (геометрическую и геологическую).
В работе рассмотрено 3 схемы укрепления склона: 1. укрепление габионами по типу матрацы Рено; 2. укрепление грунтовыми анкерами инъекционного типа; 3. комбинированный способ, сочетающий в себе оба метода.
Расчеты устойчивости склона показали, что только комбинированный способ укрепления, при равнозначных объемах укрепительных работ, позволяет добиться требуемого коэффициента устойчивости для верхового и низового склонов, при этом большую опасность вызывает именно верховой склон.
В целом исследование показывает, что в каждом конкретном случае, для выбора схем укрепления при инженерном вмешательстве в склон, особенно если условия эксплуатации являются сложными, необходимо разрабатывать индивидуальную схему укрепления. Для минимизации последствий и предотвращения образования и развития опасных ситуаций на строительной площадке эффективность таких решений должна быть подтверждена численными методами исследования. Кроме этого, в дальнейшем необходимо выполнять верификацию полученных моделей на основе результатов натурного обследования и мониторинга, для накопления необходимой статистической информации. Только в этом случае можно говорить о высоком уровне надёжности проектных решений, но данная задача должна решаться уже по инициативе федеральных служб отвечающих за эксплуатацию дорог и искусственных сооружений на них.