ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ГАБИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТРАНСПОРТНОЙ НАГРУЗКИ

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ГАБИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТРАНСПОРТНОЙ НАГРУЗКИ

Научная статья

Каменчуков А.В.¹, ^*, Алексеева И.Д.² , Павликов А.Б.³

¹ ORCID: 0000-0001-7997-3195;

^1–3 Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск, Россия

^* Корреспондирующий автор (006641[at]pnu.edu.ru)

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы повышения устойчивости крутых откосов дорожных насыпей. Выделены основные причины обрушения откосов насыпей и даны характеристики основных методов повышения устойчивости откосов. В практике дорожного строительства часто возникает необходимость проектирования земляного полотна в стесненных условиях, при этом не всегда возможно уменьшить высоту откоса. Поэтому авторами решена задача повышения устойчивости крутых откосов насыпей, расположенных на слабых грунтах основания. Разработан и проверен с помощью математической модели способ повышения устойчивости крутых откосов габионами с применением геосинтетических материалов. Даны рекомендации по повышению устойчивости насыпей земляного полотна, расположенных в стесненных условиях, при крутизне откоса 1:1 и 1:0,5.

Ключевые слова: автомобильная дорога, устойчивость откоса, математическое моделирование, габионы.

ASSESSMENT OF STABILITY OF MESH STRUCTURE UNDER THE INFLUENCE OF TRANSPORT LOAD

Research article

Kamenchukov A.V.¹, ^*, Alekseeva I.D.² , Pavlikov A.B.³

¹ ORCID: 0000-0001-7997-3195;

^1–3 Pacific National University, Khabarovsk, Russia

^* Corresponding author (006641[at]pnu.edu.ru)

Abstract

The article discusses the issues of increasing the stability of steep slopes of road embankments. The main causes of the collapse of embankment slopes are highlighted, and the characteristics of the main methods for increasing the stability of the slopes are presented. In road construction, it is often necessary to design the groundwork in constraints, while it is not always possible to reduce the height of the slope. The authors solved the task of increasing the stability of steep slopes of embankments based on weak foundation soils. A method of increasing the stability of steep slopes with hydraulic works basket using geosynthetics has been developed and tested with a mathematical model. Recommendations are given to improve the stability of embankments of soils constructed in constraints, with a slope steepness of 1:1 and 1:0.5.

Keywords: motorroad, slope stability, mathematical modeling, hydraulic works basis.

Введение

Укрепление откосов является одним и факторов в обеспечении устойчивости откосов земляного полотна и повышению сопротивляемости грунтов внешним природно-климатическим воздействиям [1], [2].

Основными причинами потери устойчивости откосов и склонов являются:

• подрезка склона крутым откосом и нарушение предельного равновесия грунтов, слагающих откос;
• увеличение внешних статических и динамических нагрузок;
• изменение водно-теплового режима грунтово-геологического массива;
• ошибки проектирования.

Кроме этого, при устройстве насыпей на подтопляемых участках, расположенных в заболоченной местности или в поймах рек, также существует большая вероятность оползания и размыва откоса вследствие его подмыва и переувлажнения [3].

Методы и средства, применяемые для укрепления откосов

Основным назначением работ по укреплению откосов насыпей земляного полотна является защита грунтового откоса от различных природно-климатических воздействия (поверхностные осадки в виде дождя и снега, замерзания и оттаивания грунта откоса, ветровое воздействие и др.) и увеличения сопротивления вызванных водной и ветровой эрозией. Так-как в результате развития эрозионных процессов происходят изменения проектной геометрии поперечного профиля земляного полотна, что вызывает деформации и перемещения массивов грунта, приводящие к потере устойчивости и обрушению откоса.

Для укрепления откосов грунтовых насыпей и выемок применяют следующие средства [4], [5], [6]:

1. Засев откосов многолетними травами.
2. Мощение откосов бутовым камнем или устройство наброски из фракционированного каменного материала (щебень).
3. Устройство покрытий из монолитного железобетона или железобетонных плит.
4. Устройство конструкций из габионов.

Конструкции из габионов работают как удерживающие подпорные стенки. Габионы представляют собой ящики из оцинкованной проволочной сетки, заполненные камнем, при этом длина одной секции габиона, как правило не превышает 3-4 м, а ширина и высота габиона изменяется в пределах от 0,5 до 2,0 м. Для уменьшения степени размыва откоса за габионами, по контуру, укладывают прослойку из геосинтетического материала.

Для повышения устойчивости крутых откосов в конструкцию из габионов добавляют выпуски из георешотки обеспечивающей дополнительное армирование насыпи. Длина выпуска из георешотки составляет от 2 до 4 м, так как это является более перспективным и экономичным способом армирования насыпи, в процессе ее устройства (рис. 1).

Рис. 1 – Схема подпорно-удерживающего сооружения из коробчатых габионных конструкций с объемной георешеткой в теле насыпи

При использовании объемной георешотки ее ячейки заполняют дисперсным материалом, как правило соответствующим материалу тела насыпи. В отдельных случаях георешетки заполнят только песчаными или песчано-гравийными смесями, для повышения сдвигоустойчивости.

Для придания откосам прочности и устойчивости габионы заполняют щебеночными и песчано-гравийными смесями, щебнем или песком. Иногда используют заполнители из искусственного каменного материала, полученного в процессе переработки и дробления бетонных и железобетонных изделий, а также отходы тяжелой промышленности (щлакокаменные материалы).

Моделирование работы сложных габионных конструкций

Оценка устойчивости откосов и поверхностей выполняется методом расчета кругло-цилиндрических поверхностей скольжения. Все методы предельного равновесия допускают, что массив грунта над поверхностью скольжения делится на блоки (разделяющие плоскости между блоками всегда вертикальны). На блоки действуют сжимающие E и нормальные X силы, возникающие между блоками, сдвигающие N и нормальные T силы, возникающие внутри блока, а также вес грунта W внутри блока [7], [8]. Принципиальная схема оценки устойчивости откоса насыпи представлена на рис. 2.

Рис. 2 – Статическая схема участка поверхности скольжения

Как правильно расчетная схема (рис. 2) дополнительно нагружается равномерно-распределенной нагрузкой F, имитирующей воздействие от движущегося транспорта.

В учебно-методическом пособие Р.Р. Хасанова, Казанского государственного архитектурно-строительного университета, можно рассчитать коэффициент устойчивости по отношению моментов удерживающих и сдвигающих сил, относительно оси поверхности скольжения:

где  – вес тех блоков,которые создают удерживающие моменты сил;

 – вес расчетного блока; – ширина блока; – нагрузка на поверхности;

– наклон поверхности скольжения к горизонту;

– угол внутреннего трения на поверхности скольжения;

– длина поверхности скольжения;  – удельное сцепление грунта.

Откос считается устойчивым, если соотношение между удерживающими и сдвигающими силами соответствует условию равновесия 

Из практики дорожного строительства известно, что применение методики В. Феллениуса приводит расчету прочности с небольшим (до 10-15%) запасом устойчивости. Применение методики расчета кругло-цилиндрических поверхностей скольжения не позволяет запроектировать откос с заранее заданным коэффициентом устойчивости. Лишь постепенно изменяя поперечный профиль откоса, путем последовательных попыток можно приблизиться к желаемому коэффициенту устойчивости.

Расчет устойчивости откоса насыпи без подпорных сооружений выполнен в учебной лицензированной версии программы GEO5. На рис. 3–5 представлен расчет устойчивости откоса насыпи без применения удерживающих сооружений для внешней нагрузки распределенной по поверхности насыпи равной F = 10 кН/м².

Рис. 3 – Привязка поверхностей

Рис. 4 – Параметры поверхности скольжения

Рис. 5 – Все возможные варианты оползания откоса

Результаты проверки устойчивости крутого откоса насыпи представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Проверка устойчивости откоса (Bishop)

Параметры
Суммирование активных сил	Fa	12,16	кН/м
Суммирование пассивных сил	Fр	9,33	кН/м
Оползневый момент	Ма	140,83	кНм/м
Удерживающий момент	Мр	108,10	кНм/м

Примечание: коэффициент запаса = 0,77 < 1,16, т.е. устойчивость не обеспечена

Оценка удерживающей способности (сдвигоустойчивости) подпорах стенок из габионных конструкций выполнен при следующих условий значениях элементов насыпи [9], [10]:

1. Характеристики грунта основания земляного полотна – песок хорошего зернового состава средней крупности

• удельный вес – = 20 кН/м³;
• угол внутреннего трения – = 36,50°;
• удельное сцепление – c_osn = 0 кПа;

2. Характеристики грунта насыпи (обратная засыпка) – суглинок легкий с гравием:

• удельный вес – = 19 кН/м³;
• угол внутреннего трения – = 29°;
• удельное сцепление – c_zas = 8 кПа;

3. Угол наклона поверхности грунта к горизонту по задней грани подпорной стены – ε_а = 45°;

4. Характеристики подпорной стенки из коробчатых габионов:

• высота подпорной стенки – H=5 м;
• высота секции габиона № 1, №3, №5, №7, №9 – a = 0,5 м; ширина секции габиона № 1, №3, №5, №7, №9 – b = 1,5 м; ширина подошвы оперения габиона – B = 1,5 м;
• высота секции габиона №2, №4, №6, №8, №10 – a = 0,5 м; ширина секции габиона №2, №4, №6, №8, №10 – b = 0,5 м; ширина подошвы оперения габиона – B = 1 м;
• высота заглубления подошвы стены – h_p=0 м;
• пористость материала заполнения коробки габиона – n = 0,3;
• удельный вес грунта заполнения габиона – = 26 кН/м³;
• угол наклона задней стенки габиона – α = 0°;
• угол трения по задней стенки габиона – = = 29°.

Допускаемый коэффициент устойчивости k_dop принимается в зависимости уровня надежности конструкции коэффициента сочетания нагрузок и коэффициента условий работы представлен [8].

Алгоритм проверки устойчивости конструкций из габионов представлен ниже [9], [10].

1. Допускаемый коэффициент устойчивости k_dop определяется следующим образом:

2. Расчет удельного веса грунта заполнения короба габиона 

3. Расчет коэффициента трения грунта по основанию габиона f.

4. Расчет коэффициента активного давления грунта k_a.

5. Расчет активного давления грунта E_a.

Горизонтальная составляющая активного давления грунта E_ah:

Вертикальная составляющая активного давления грунта E_av:

6. Определение веса одной секции габиона Gi и веса всей стены G0.

7. Расчёт реакции грунта основания N.

8. Расчет удерживающей силы подпорной стенки из габионов R.

9. Расчет величины сдвигающей силы грунта T.

10. Проверка сдвигоустойчивости подпорной стены на сдвиг.

Устойчивость подбородной стенки из коробчатых габионов обеспечивается.

Дополнительно выполнен программный расчет устойчивости откоса насыпи с подпорной стенкой из габионов и георешетки в программном комплексе GEO5. Расчетная схема представлена на рис. 6 и рис.7.

Рис. 6 – Параметры габионов

Рис. 7 – Армирующие элементы

Результаты расчета оценки устойчивости откоса насыпи укрепленного подпорной стенкой из габионных конструкций с геосеткой, при внешней нагрузки распределенной равномерно по поверхности насыпи, равной F = 10 кН/м², представлена в таблице 2 и на рис. 8.

Таблица 2 – Проверка устойчивости откоса (Bishop)

Параметры
Суммирование активных сил	Fa	324.81	кН/м
Суммирование пассивных сил	Fр	550.58	кН/м
Оползневый момент	Ма	3118.19	кНм/м
Удерживающий момент	Мр	5285.53	кНм/м

Примечание: коэффициент запаса =1,70 > 1,16, т.е. устойчивость обеспечена

Рис. 8 – Всевозможные варианты сползания откоса

Заключение

Потеря устойчивости крутых откосов насыпей земляного полотна и грунтовых выемок является наиболее опасным и распространенных дефектом автомобильных дорог.

Предложенное инженерно-техническое решение позволяет предотвратить проникновение поверхностных вод в тело земляного полотна и предотвратить развитие деформаций, вызывающих потерю устойчивости. Кроме этого, гобионных конструкции усиленные георешетками позволяют стабилизировать грунты расположенные в зоне образования критических поверхностей скольжения.

Как показали расчеты применение габионных конструкций усиленных геосинтетическим материалом позволяет повысить устойчивость крутых откосов, даже в условиях периодического и постоянного переувлажнения.

Конфликт интересов  Не указан.

Conflict of Interest  None declared.