Способ предотвращения деформаций линейных сооружений, возводимых на оползневых склонах или искусственных откосах на оттаивающих многолетнемерзлых грунтах

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации линейных сооружений, например автомобильных и железных дорог, на склонах или искусственных откосах в условиях распространения оттаивающих многолетнемерзлых грунтов вследствие изменения их температурно-влажностного режима. Способ предотвращения деформаций линейных сооружений, возводимых на оползневых склонах или искусственных откосах на оттаивающих многолетнемерзлых грунтах, включает сооружение рабочей площадки, установку свай в грунт склона, объединение свай в единый ростверк. После погружения свай в грунт на свободном конце каждой сваи устанавливают железобетонный оголовок, а объединение свай в единый ростверк осуществляют путем установки вертикальной георешетки, жестко соединенной с оголовками свай и слоями горизонтальных георешеток, расположенных выше оголовков свай. Рабочую площадку от низа оголовков свай до первого слоя горизонтальной георешетки, а также промежутки между слоями георешеток заполняют щебнем с уплотнением. Установку горизонтальных георешеток производят с условием частичного их расположения в несмещающемся массиве грунта откоса или природного склона. Технический результат состоит в обеспечении предотвращения деформаций автомобильных и железных дорог на склонах и откосах в условиях оттайки многолетнемерзлых грунтов в процессе эксплуатации сооружений, снижении материалоемкости, реализации противооползневых мероприятий. 2 ил.

 

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации линейных сооружений на склонах или искусственных откосах, например, автомобильных и железных дорог и может быть использовано для предотвращения их деформаций, возникающих вследствие проявления оползневых процессов в сложных инженерно-геологических условиях, например при наличии оттаивающих многолетнемерзлых грунтов.

Известен способ возведения на склонах или искусственных откосах однорядного свайного заграждения из буронабивных свай, объединенных ростверком (Руководство по проектированию и устройству заглубленных инженерных сооружений / НИИСК ГОССТРОЯ СССР. - М.: Стройиздат, 1986. - с. 8, рис. 4).

Недостатки известного способа заключаются в следующем:

- необходимость в частой расстановке свай в плане с целью предотвращения возможного обтекания грунтовыми массами отдельных свай;

- восприятие небольших величин оползневого давления на заграждение;

- низкая прочность заграждения ввиду отсутствия анкерной системы;

- высокая стоимость реализации способа.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ возведения на склонах или искусственных откосах однорядных стенок с буронабивными сваями с ростверком и анкерами. Роль подпорной стенки выполняет железобетонная забирка, устанавливаемая вертикально и перекрывающая промежутки между сваями (Руководство по проектированию и устройству заглубленных инженерных сооружений / НИИСК ГОССТРОЯ СССР. - М.: Стройиздат, 1986. - с. 8, рис. 5).

Недостатками известного способа являются:

- забирка создает фильтрационную завесу, преграждающую путь фильтрационному потоку со всеми вытекающими последствиями, особенно в условиях многолетнемерзлых грунтов;

- сложность обеспечения необходимой несущей способности анкеров по грунту;

- высокая стоимость и низкая технологичность реализации способа.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности предотвращения деформаций линейных сооружений, возводимых на оползневых склонах или искусственных откосах при наличии оттаивающих многолетнемерзлых грунтов.

Результат достигается тем, что способ предотвращения деформаций линейных сооружений, возводимых на оползневых склонах или искусственных откосах на оттаивающих многолетнемерзлых грунтах, включающий сооружение рабочей площадки, установку свай в грунт склона, объединение свай в единый ростверк, отличается тем, что после погружения свай в грунт на свободном конце каждой сваи устанавливают железобетонный оголовок, а объединение свай в единый ростверк осуществляют путем установки вертикальной георешетки, жестко соединенной с оголовками свай и слоями горизонтальных георешеток, расположенных выше оголовков свай, при этом рабочую площадку от низа оголовков свай до первого слоя горизонтальной георешетки, а также промежутки между слоями георешеток заполняют щебнем с уплотнением, а установку горизонтальных георешеток производят с условием частичного их расположения в несмещающемся массиве грунта откоса или природного склона.

Заявленный способ отличается от прототипа тем, что позволяет:

- исключить деформации линейных сооружений, возводимых на оползневых склонах или искусственных откосах в условиях изменяющегося температурно-влажностного режима грунтов;

- избежать гидродинамического давления, создаваемого фильтрационным потоком на свайное заграждение и тем самым исключить его тепловое влияние на многолетнемерзлые грунты, находящиеся в основании склона;

- повысить эффективность работы свайного заграждения в условиях локальной деградации мерзлоты за счет возможности изменения соотношения геометрических размеров вертикальной и горизонтальных георешеток и их расположения;

- принципиально изменить напряженно-деформированное состояние склона с целью повышения его устойчивости.

Для реализации способа используют:

- выемку грунта склона или откоса, с целью устройства рабочей площадки, на глубину, достаточную для расположения вертикальной георешетки и слоев горизонтальных георешеток, количество и размеры которых определяются расчетом;

- погружение в предварительно пробуренные скважины или забивка с поверхности рабочей площадки свай с заделкой их концов в многолетне-мерзлые грунты;

- устройство на верхних концах свай отдельных опалубок с целью бетонирования оголовков свай с одновременной заделкой в них нижнего конца вертикальной георешетки;

- заполнение рабочей площадки, начиная с низа оголовков свай и до отметки первого (нижнего) слоя горизонтальной георешетки щебнем требуемой фракции с последующим уплотнением;

- укладку на уплотненный щебень полотен первого (нижнего) слоя горизонтальной георешетки встык с вертикальной георешеткой. При этом концевые части горизонтальной георешетки, обращенные к верховой части природного склона, должны быть уложены на нижнюю ступень несмещающегося массива грунта,

- соединение вертикальной георешетки с горизонтальной с помощью накладок и хомутов;

- заполнение пространства между горизонтальной георешеткой нижнего слоя и до отметки второго слоя горизонтальной георешетки щебнем требуемой фракции с уплотнением;

- укладку на уплотненный щебень второго слоя горизонтальной георешетки с повторением последующих действий, аналогичных укладке первого (нижнего) слоя горизонтельной георешетки.

В случае близкого расположения кровли многолетнемерзлых грунтов к дневной поверхности и, соответственно, реальной возможности их деградации, в результате воздействия солнечной радиации (склон южной экспозиции) и положительной температуры воздуха, а также фильтрации поверхностных вод к многолетнемерзлым грунтам, над слоями горизонтальных георешеток укладывают слои тепло- и гидроизоляционных материалов.

Предотвращение деформаций линейных сооружений на оползневых склонах или искусственных откосах в условиях изменения температурно-влажностного режима многолетнемерзлых грунтов можно объяснить следующим образом. Известно, что деформации линейных сооружений обусловлены комплексом факторов, связанных с проявлением различных физико-геологических процессов, в т.ч. и оттаиванием многолетнемерзлых грунтов. Подавляющее большинство традиционных проектных решений противооползневых сооружений базируется на предположении о постоянстве размеров и формы оползневого тела, нижняя поверхность которого совпадает с кровлей многолетнемерзлых грунтов, положение которой считается неизменным. Этот фактор как параметр вводится в расчетную схему.

В случае когда имеется повсеместное распространение многолетнемерзлых грунтов, предполагаемая поверхность скольжения, совпадающая с кровлей многолетнемерзлых грунтов, захватывает и верховую и низовую части склона, в середине которого находится линейное сооружение, например автодорога. Именно с этих позиций традиционно производится расчет свайного заграждения, местоположение которого на склоне определяется расчетной эпюрой оползневого давления. Но, учитывая тот факт, что многолетнемерзлые грунты являются водоупором, инфильтрующиеся талые и дождевые воды склона аккумулируются в талом и сезонно-мерзлом слоях, переувлажняя их. В результате происходит изменение консистенции (состояния) грунтов с развитием на склоне локальных вязко-пластичных и текуче-пластичных деформаций. Развитию подобных деформаций особенно способствует неоднородное строение склона с прослоями слабых грунтов, которые могут служить потенциальными локальными поверхностями скольжения, затрагивающими отдельные участки как верховой части склона, так и низовой. Таким образом, возможно развитие локальных оползневых процессов на отдельных участках склона, угрожающих безопасной эксплуатации линейных сооружений. В этой связи проектные решения, базирующиеся на предположении о постоянстве кровли многолетнемерзлых грунтов во времени и пространстве, могут оказаться неэффективными.

В связи с вышесказанным имеется необходимость реализации таких способов возведения линейных сооружений на оползневых склонах или искусственных откосах в условиях изменения температурно-влажностного режима многолетнемерзлых грунтов, когда обеспечивается устойчивость всего склона в целом, так и отдельных его частей от локальных оползнепроявлений.

Физически процесс предотвращения деформаций линейных сооружений, возводимых на оползневых откосах в условиях изменения температурно-влажностного режима многолетнемерзлых грунтов, можно объяснить следующим образом. В начальный период эксплуатации линейных сооружений на оползневых склонах или искусственных откосах положение кровли многолетнемерзлых грунтов соответствует той поверхности, которая в проекте принимается за положение потенциальной поверхности скольжения оползневого тела, захватывающей верховую и низовую часть склона. Исходя из этой позиции, с учетом величины оползневого давления принимаются местоположение и конструкция свайного заграждения из свай с ростверком, анкеров и железобетонных забирок (прототип).

При дальнейшей эксплуатации линейного сооружения вследствие воздействия комплекса природно-техногенных факторов, например изменения температурно-влажностного режима многолетнемерзлых грунтов (ММГ), возможны оползнепроявления на отдельных участках склона или откоса, с переползанием грунтовых масс через заграждение вследствие локальной неравномерной деградации ММГ и образованием новых локальных поверхностей скольжения в оттаявших водонасыщенных грунтах. Усугубляет ситуацию и устройство сплошных железобетонных забирок, препятствующих свободной фильтрации грунтовых вод вниз по склону и способствующих их аккумуляции перед свайным заграждением со всеми вытекающими последствиями.

В заявляемом способе объединение оголовков свай в единый ростверк путем их соединения с вертикальной георешеткой и последующим ее соединением со слоями горизонтальных георешеток, с заполнением промежутков между ними щебнем с уплотнением, позволяет предотвратить локальные оползнепроявления на склонах и искусственных откосах. При этом высота вертикальной георешетки и количество слоев горизонтальных георешеток с прослоями из уплотненного щебня принимаются в каждом конкретном случае в зависимости от положения кровли ММГ, прогнозных оценок возможности образования локальных поверхностей скольжения в отдельных участках склона или искусственного откоса с соответствующими значениями оползневого давления, а также возможности переползания грунтовой массы через заграждение.

Основой предлагаемого способа являются свайные ряды, которые пронизывают все оползневое тело, захватывающее верховую и низовую часть склона или откоса, и погружены в ММГ на расчетную глубину. Такое решение позволяет предотвратить оползневой процесс, захватывающий обе части склона. Объединение отдельных свай с оголовками осуществляется с помощью соединенной с оголовками вертикальной георешетки и связанных с ней нескольких слоев горизонтальных георешеток с прослоями уплотненного щебня. В этом случае решаются три задачи: восприятие комбинированной конструкцией из вертикальной и горизонтальной георешеток со слоями уплотненного щебня оползневого давления с частичной передачей его на сваи; предотвращение переползания грунта через заграждение в случае локальных оползнепроявлений; сохранение естественного режима фильтрации подземных вод вниз по склону, что, в свою очередь, является возможностью предохранить грунты склона или откоса от дополнительного переувлажнения. Если оползневая масса представлена рыхлыми отложениями текучей консистенции, удержать такую массу при традиционном подходе, используемом в прототипе, чрезвычайно сложно или просто невозможно ввиду, например, создания гидродинамического давления на заграждение из свай, ростверка и забирок. Возведение же комбинированной конструкции из вертикальной и горизонтальных георешеток со слоями уплотненного щебня позволяет создать со стороны оползня уплотненную зону из наползающего грунта с возможностью свободного оттока из нее воды, т.е. реализацию так называемого арочного эффекта.

Работу вертикальной георешетки, соединенной с оголовками свай и со слоями горизонтальных георешеток с прослоями уплотненного щебня, можно объяснить следующим образом.

1. Работая совместно с уплотненным щебнем, заполняющим ячейки георешеток и разделяющим их на слои, конструкция из вертикальной георешетки, соединенной со слоями горизонтальных георешеток и оголовками свай, кардинально изменяет напряженно-деформированное состояние грунтового массива в околосвайном пространстве. Это происходит по следующим причинам:

- частичное расположение горизонтальных георешеток в несмещающемся массиве грунта с заполнением их ячеек и слоев между ними уплотненным щебнем, увеличивающим там силы трения, препятствует горизонтальному смещению грунтовых масс при локальных оползнепроявлениях. С этой позиции горизонтальные георешетки, с частичным их расположением в несмещающемся массиве грунта и заполнением их ячеек и слоев уплотненным щебнем, можно рассматривать как анкерную систему, увеличивающую в целом устойчивость свайного заграждения;

- расчетное расположение слоев горизонтальных георешеток таково, что потенциальные поверхности скольжения, в случае локальных оползнепроявлений, будут их пересекать. В этом случае изменится не только направление поверхностей скольжения, но и расчетная схема силового воздействия локального оползневого тела на заграждение;

- соединение вертикальной георешетки с оголовками свай и слоями горизонтальных георешеток, с заполнением промежутков между ними уплотненным щебнем, позволяет существенно снизить величину оползневого давления на свайное ограждение.

На фиг. 1 показан общий вид свайного заграждения с конструкцией из вертикальной и нижнего слоя горизонтальной георешеток, расположенного на искусственном откосе; на фиг. 2 - поперечный разрез свайного заграждения и узел соединения вертикальной и горизонтальных георешеток.

На фиг.1 и 2 изображены: вертикальная георешетка 1, оголовок сваи 2, свая 3, нижний слой горизонтальной георешетки 4, щебень 5, накладки для соединения вертикальной и горизонтальных георешеток между собой 6, хомуты или вязальная проволока 7, средний слой георешетки 8, верхний слой горизонтальной георешетки 9, рабочая площадка 10, поверхность склона или откоса 11, предполагаемые локальные поверхности скольжения 12.

Реализация способа осуществляется следующим образом.

На предварительно спланированной рабочей площадке 10 производят забивку или погружение в предварительно пробуренные скважины свай 3 с последующим устройством в верхней части свай железобетонных оголовков 2, причем, в процессе бетонирования оголовков в опалубке, в них вводят нижний конец вертикальной георешетки 1. После выдержки бетона оголовков и снятия опалубки, рабочую площадку 10 заполняют щебнем требуемой фракции с уплотнением до отметки нижнего слоя горизонтальной георешетки 4. Производят укладку на уплотненный щебень 2 частей нижнего слоя горизонтальной георешетки 4 встык с вертикальной георешеткой 1 с последующим их соединением между собой с помощью накладок 6 и хомутов или вязальной проволоки 7. Далее производят укладку, с последующим уплотнением, на горизонтальную георешетку 4 слоя щебня с одновременным изгибом ее концевой части с плавным переходом в горизонтальную плоскость. Толщина слоя щебня должна соответствовать отметке второго (среднего) слоя горизонтальной георешетки 8. Последующие действия по установке горизонтальных георешеток 8 и 9 полностью аналогичны рассмотренным выше для нижней горизонтальной георешетки 4. Применение изгиба концевых частей вертикальных георешеток и плавным их переходом в горизонтальную плоскость обусловлено необходимостью повышения эффективности работы анкерной системы из слоев горизонтальных георешеток со щебнем, расположенных в несмещающемся массиве грунта склона или откоса. Изгиб горизонтальной георешетки создает дополнительное сопротивление растягивающим усилиям, возникающим в ней при локальных оползнепроявлениях.

В предлагаемом изобретении положительный эффект заключается в следующем:

- снижение до минимума риска возникновения деформации линейных сооружений, возводимых на оползневых склонах или искусственных откосах в условиях изменения температурно-влажного режима многолетнемерзлых грунтов;

- снижение стоимости реализации противооползневых мероприятий;

- повышение эффективности защиты линейных сооружений от локальных оползнепроявлений.

Способ предотвращения деформаций линейных сооружений, возводимых на оползневых склонах или искусственных откосах на оттаивающих многолетнемерзлых грунтах, включающий сооружение рабочей площадки, установку свай в грунт склона, объединение свай в единый ростверк, отличающийся тем, что после погружения свай в грунт на свободном конце каждой сваи устанавливают железобетонный оголовок, а объединение свай в единый ростверк осуществляют путем установки вертикальной георешетки, жестко соединенной с оголовками свай и слоями горизонтальных георешеток, расположенных выше оголовков свай, при этом рабочую площадку от низа оголовков свай до первого слоя горизонтальной георешетки, а также промежутки между слоями георешеток заполняют щебнем с уплотнением, а установку горизонтальных георешеток производят с условием частичного их расположения в несмещающемся массиве грунта откоса или природного склона.