Стабилизация грунтового массива

Относится к активным методам инженерной защиты. Для стабилизации грунтовой массив осушают, уполаживают и/или рассекают на блоки, изменяют свойства грунта.

Осушение

Для осушения применяют системы поверхностного стока и глубокого дренирования. 

Организация поверхностного стока: дренажи и отводные канавы

Основным фактором провоцирования оползня является его переувлажнение. Для предотвращения этого наиболее эффективными являются дренажные сооружения, перекрывающие путь поверхностным и подземным водам к оползневому массиву.

Для осушения применяют системы поверхностного стока и глубокого дренирования. Поверхностные воды отводятся канавами, подземные — штольнями или горизонтальными скважинами. Несмотря на дороговизну этих мероприятий, затраты на строительство дренажных систем значительно ниже, чем стоимость ликвидации последствий возможной катастрофы.

Системы дренажа проектируются таким образом, чтобы собрать максимально возможный сток поверхностных вод с площади и отвести его в места возможного сброса или на очистные сооружения.

При небольших объемах сбора дренажных вод используется однотрубный закрытый дренаж. Для прочистки при заиливании устанавливаются смотровые колодцы на расстоянии не более 40 метров друг от друга. Для дренажа используется перфорированная гофротруба типа Корсис. Перфорация и диаметр труб выбирается в зависимости от условий сбора воды и расчетных объемов принимаемой воды. Канавы заполняются щебнем и бутом.

Однотрубный закрытый дренаж

При значительных объемах дренажных вод и больших длинах водосбора используется двухтрубных дренаж. При этом вторая труба используется в качестве транзитной трубы с верхнего участка дренажа и применяется без перфорации.

Двухтрубный закрытый дренаж

При применении комбинированного дренажа аналогом транзитных труб являются открытые канавы. При этом исключается необходимость устройства смотровых колодцев и одновременно канавы осуществляют сбор поверхностных вод. Однако этот метод применим в основном для склонов с достаточной крутизной.

Комбинированный дренаж

При устройстве дренажей и водоотводных канав рекомендуется применять конструктивные решения, сохраняющие все свойства при совместной деформации дренажа и грунта: использовать геосинтетику и геосетки, тексбент (композитная гибкая гидроизоляция) в качестве донной гидроизоляции лотков и канав, каменное мощение для снижения скорости потока воды и защиты тексбента, гофрированные трубы.

Одним из наиболее дорогостоящих и сложных методов стабилизации массива является глубокое дренирование. Однако в некоторых случаях этот метод является единственно возможным. Глубокое дренирование разделяется на два типа: горизонтальная дренажная галерея и лучевой дренаж. Оба метода хороши тем, что позволяют охватить большую зону и точно определить водоносные горизонты.

Суть дренажной галереи состоит в устройстве горной выработки в виде штрека, который огибает оползневой массив в потенциальной плоскости скольжения оползня. Целью является перехват и отвод грунтовых вод через галерею и осушение основного массива оползня.

Этот метод требует максимально точного определения зоны скольжения при инженерно-геологических исследованиях.

Дренажная галерея - вид сверху

Дренажная галерея - разрез

Метод глубокого лучевого дренажа состоит в устройстве на поверхности склона вертикальной шахты с последовательным закреплением ее стенок по мере заглубления. В местах максимального водопроявления, с учетом наклона водоносных слоев  выбуриваются восходящие фильтрующие скважины. Вода по ним попадает на дно шахты, откуда отводится на поверхность склона самотеком через сквозную разгрузочную скважину. Данное сооружение является эффективным, недорогим и простым в содержании. Преимуществом является возможность контролировать процесс дренирования, а при необходимости – добуривать или цементировать скважины.

Лучевой дренаж - вид сверху

Лучевой дренаж - разрез

Можно с уверенностью сказать, что грамотно и профессионально выполненный дренаж тела оползня, как минимум до линии скольжения, является одним из самых эффективных противооползневых мероприятий.

Уположение и/или рассечение оползневого массива на блоки

Перераспределение грунтовых масс на оползневом массиве с целью уположения и повышения устойчивости является весьма действенным методом, но требует значительных затрат, и не всегда возможно из-за наличия построек и других наземных объектов. Кроме того, эти действия могут привести к развитию оползня, так как в процессе выполнения работ резко повышается водопоглощающая способность перемещенного грунта, снижается его плотность, связность и угол внутреннего трения. Это состояние может длиться несколько лет, до консолидации массива.

Оптимальным средством стабилизации оползневого массива в таких случаях является устройство восходящих дренажных прорезей или дренирующих контрфорсов в подошве массива, рассекающих оползневое тело. Эффективность рассечения тем выше, чем выше связность грунта.

Схема рассекающих прорезей - вид сверху

Схема рассекающих прорезей - разрез

Искусственное изменение (модификация) свойств грунта

В некоторых случаях приходится идти на радикальное изменение свойств опасного грунта, вплоть до его полной замены на привозной грунт с заданными характеристиками. Это дорогой метод, требующий дополнительных затрат на защиту от эрозии, нарезку на склоне террас для техники и последующего их укрепления.

Для стабилизации массива нередко используются пропитки грунта полимерными (акрил и т.п.), силикатными (жидкое стекло), битумными и другими составами. Метод проблематичен в экологическом плане, требует большого количества скважин малого диаметра, детальной лабораторной подборки пропитывающего состава для конкретных грунтов. Иногда возможен отрицательный эффект за счет перекрытия естественных путей дренирования подземных вод, в результате чего либо вымывается применяемый полимерный состав, либо увеличивается и перераспределяется обводненность массива.

Грунтовые откосы могут закрепляться геосинетиками. Эти современные материалы изменяют сдвиговые характеристики грунта, формирующего откос, за счет внедрения в грунт специальных тканей, грешеток и сеток). Стабилизирующий эффект дает послойное армирование грунта в откосе. При применении нетканых геотканей типа Дорнит происходит также эффективный вывод влаги из массива на поверхность за счет капиллярного эффекта (фитиль).

Схема укрепления/стабилизации откоса геоситетиками

УДЕРЖАНИЕ ОПОЛЗНЕВОГО МАССИВА

Подпорные стены и габионы

Еще одном активным методом геозащиты являются подпорные стены — разнообразные инженерные сооружения, выполняющие задачу удержания оползневого массива.

Габионные конструкции используются при незначительных объемах оползневого тела. Они экономически выгодны при возможности доставки камня с ближайших карьеров. Сооружения сохраняют свои свойства при больших деформациях до разрыва сетки.

 

Габионное сооружение

Железобетонные стенки требуют достаточно точной оценки нагрузки, к их основанию предъявляются высокие требования. Для реализации требуется большое количество бетона, что отражается на стоимости конструкции.

Железобетонная стенка

Уголковые стенки с дополнительным креплением анкерами позволяют обойтись меньшими объемами бетона. Устойчивость стен значительно увеличивается за счет их крепления грунтовыми анкерами.

Уголковые стенки с дополнительным креплением анкерами

Железобетонные стенки на свайном основании позволяют закрепиться в прочных грунтах на большой глубине. Основной недостаток — высокая стоимость.

Железобетонная подпорная стенка на свайном основании

Подпорные стенки на буронабивных сваях имеют преимущество за счет использования второго ряда свай, что резко увеличивает их несущую способность. Отличаются высокой стоимостью и длительным сроком возведения.

Подпорная стенка на буронабивных сваях

Практика строительства и эксплуатации подпорных стен позволяет сделать вывод, что железобетонные стенки хорошо работают на свайном основании или в случае опоры на прочное (скальное) основание. На слабых грунтах, подверженных размыву, риски перенапряжения под подошвой довольно велики за счет вымывания опорного грунта и локального возрастания удельного давления на грунт, превышающего его допустимое значение. Жестким конструкциям свойственна пониженная сейсмостойкость по причине распространения сейсмического воздействия в них без поглощения и потерь до наиболее слабого места, которое разрушается в первую очередь.

Кроме того, слепая вера в прочность железобетона без правильной оценки величины и распределения нагрузок от грунта приводит к серьезным деформациям и разрушениям конструкций, восстановление которых, как правило, дороже строительства новых.

На слабых основаниях предпочтительнее применять гибкие системы типа габионов или армогрунтовых и комбинированных конструкций.

Пример армогрунтовой стенки

В последние 10-15 лет появилась масса новых решений, конструкций и материалов для укрепления откосов при минимальной подрезке склона. Особую роль играют высокопрочные полимерные и металлические сетки и геоткани, обладающие повышенной коррозионной и атмосферной стойкостью. Сама технология их возведения требует значительно меньших подрезок склона, позволяет эффективно пропускать воду, использовать местный грунт.

Система «Террамеш»

Габионы с анкерным полотном (зеленый «Террамеш»)

Технология Терре Арме. Это комплекс технических и технологических средств и материалов, позволяющих решать широкий круг задач по устройству прислоненных и отдельно стоящих насыпей, террас, дамб, мостовых устоев с использованием армированных грунтовых массивов с легкой внешней облицовочной стенкой из ж/б или металлической решетчатой панели. Важным преимуществом является отсутствие консольных нагрузок, высокая дренирующая способность лицевой стенки, распределение и снижение напряжений по всей высоте грунтового массива.

Схема устройства подпорной стенки Терре Арме

Области применения Терре Арме:

• строительство мостов;

• строительство автомагистралей  и дорог;

• строительство железных дорог;

• устройство территории промышленных объектов;

• возведение водных заграждений и дамб;

• строительство защитных ограждений;

• строительство общественных зданий и сооружений;

• сборные конструкции и сходы;

• планировочные решения в условиях пересеченной местности и городской застройки.

Еще одна интересная технология укрепления склона — система Крайнерванд (Krainerwand, словенская стенка). Это система армирования и стабилизации откосов путем устройства каркаса, внедренного в откосную часть массива. Исторически система впервые была применена в Словении в местечке Крань, отсюда и название. Исходным материалом каркаса были бревна, современные материалы – железобетон и металл.

Схема устройства стенки Крайнерванд

Прислоненные террасы для прокладки сетей в низовом откосе (решетчатая металлическая панель, анкерное крепление к склону) позволяют с минимальными затратами закрепить склон, имеют привлекательный внешний вид и имеют минимальные сроки устройства.

Решетчатая металлическая панель

Анкеры

Анкерная технология является одной из самых эффективных для закрепления оползневых склонов. Применяется как средство армирования грунтового массива с одновременным притягиванием армируемой структуры к склону, повышая устойчивость грунтового массива.

На практике в основном применяются буроинъекционные анкеры (производители — ARCO, IRCHEBECK, DIVIDAG), а также забивные анкеры MANTA RAY.

Механическая стабилизация грунтового массива достигается за счет создания локального сопротивления сдвигу железобетонными стержнями. В результате в грунте образуются участки и повышенными механическими характеристиками, т.е., происходит армирование в объеме.

Расчет нагельного поля осуществляется за счет подбора диаметра и прочности стержней анкеров, плотности их распределения по склону, глубины заделки, диаметра ствола скважины, а также наклона анкера и усилия преднапряжения.

Схема устройства анкеров

Так как анкеры имеют точечное распределение по участку, для обеспечения необходимого среднего давления на грунт и передачи на него усилия анкера, применяются высокопрочные металлические сетки, бетонные и металлические балки, линейные тросы или их комбинации.

Для повышения эффективности  анкеров можно комбинировать диагональные связи из высокопрочных тросов с покровной полимерной или металлической сеткой для механического объединения всех анкеров в единую систему. Можно одновременно применять покровную сетку с минимальной деформационной способностью в направлении основных нагрузок, а для передачи усилий анкера на максимальную площадь грунта использовать железобетонные, металлические или деревянные балки. «Вжимание» покровной сетки и тросов в грунт по оси анкера позволит распределить напряжение в системе «грунт-поверхность-анкер».

Буроинъекционные анкеры имеют недостаточную эффективность во влажных, песчаных, дресвяных слабосвязанных грунта, когда цементация в теле скважины не дает достаточного сцепления со стенками. Приходится либо забуриваться на большие глубины, либо делать пучок анкеров с малой несущей способностью, объединяя на восприятие точечной нагрузки. Это удорожает работы и не всегда приводит к цели.

В этих случаях хорошей альтернативой являются самораскрывающиеся анкеры американской фирмы FORESIGHT. Грунтовые анкеры Duckbill, Manta Ray и Stingray – это своеобразные самораскрывающиеся грунтовые «якоря».

Схема установки анкеров Manta Ray (Sting Ray)

Они состоят из погружаемых в землю пластин особой формы, способных оказывать сопротивление растягивающим нагрузкам, анкерных тяг и соединительных элементов. После погружения анкеров на заданную глубину забивающий инструмент, именуемый «стальным стержнем», вынимается. Затем анкер раскрывается в грунте (опрокидывается, взводится) из сложенного положения таким образом, что его пластина становится несущей поверхностью (якорем), которая работает как «плита в грунте». При этом он тестируется с помощью анкерного нагрузочного механизма. Этот процесс называется «фиксацией под нагрузкой» и является немедленным испытанием для каждого анкера.

Анкеры сконструированы для погружения в грунт под любым углом от вертикального до горизонтального. Заостренные направляющие кромки и звездочка в вершине помогают фронтальным частям анкера с малым поперечным сечением пробиться через плотные слои грунта.

Анкеры Manta Ray (Sting Ray) прекрасно зарекомендовали себя в иловых и песчаных (в том числе, сильнообводненных) грунтах, в перемолотых аргиллитах в районе Красной Поляны.

Прочность заделки анкера в грунте создается не за счет сил трения цементного стержня и стенок скважины, а за счет сопротивления грунта смятию на значительной глубине. Это позволяет работать в условиях малых глубин установки анкера, располагать их в любом положении для обеспечения осевой нагрузки. Важной особенностью является то, что процесс «взведения» анкера в рабочее положение осуществляется гидравлическим инструментом (домкратом), который измеряет реальное сопротивление на вырывание. То есть, уже в процессе установки известна несущая способность анкера.

Другие способы укрепления оползневых откосов

Торкретирование представляет собой струйное нанесение бетонной смеси на поверхность откоса. Как правило, до торкретирования на поверхность склона монтируется арматурная сетка с анкерным креплением к склону. Затем происходит набрызг бетона, в результате чего возникает прочная система «грунт-арматура-бетон», которая противостоит механическим нагрузкам и эрозии.

Нанесение бетонной смеси при торкетировании

Ячеистое бетонирование откосов склонов и канав, где в качестве армирующих ячеек  используется полимерная георешетка ПРУДОН, которая закрепляется на откосе забивными анкерами. Ячейки георешетки заполняются плотным бетоном, создавая гибкую защитную структуру на поверхности.

Георешетка ПРУДОН

Зонтичные системы INCOFIL, состоящие из фронтального сетчатого экрана с системой стальных траверс, образующих косой «андреевский» крест и центральной тяги, допускающей ограниченные повороты элементов, соединяющей собственно барьер с анкерной системой. Последняя может быть различных типов, в зависимости от требований проекта. Барьерная система дополнена канатными растяжками, соединяющими ее элементы с анкеровкой.

Зонтик INCOFIL

Изначально INCOFIL были разработаны как системы для задержки снега. Однако их можно применять также и для укрепления оползневых откосов.