Новые конструкции противооползневых сооружений и методы их расчета
В горных районах на спусках транспортные дороги проходят по местности, где могут быть распространены склоновые процессы. К ним относятся такие явления, как курумы (скопление обломков горных пород), осыпи, обвалы, оползни, сплавы, сели, снежные лавины.
Оползни возникают вследствие нарушения равновесия пород и формируются, как правило, на участках: сложенных чередующимися водоупорными и водоносными породами грунта. Сами по себе опозни и обвалы представвляют угрозу лишь на ограниченном пространстве, непосредственно примыкающем к неустойчивому склону. Однако этот тип смещений горных пород опасен тем, что их возникновение нередко порождает катастрофические вторичные явления - селевые потоки и паводки, связанные с прорывами временных запруд. Так, прорвалось оз. Иссык в 1963 г., в кунгеу Алатау в 1983 г., прорвалось оз. Каинды; в 1984 г. частично опорожнилось оз. Колсай (нижнее), 1989г. - прорвалось завальное оз. Урюкты.
В последние годы значительно обострилась проблема оползней в низкогорной зоне Заилийского Алатау (зона "прилавков") в связи с интенсивным использованием горных склонов под дачное приусадебное хозяйство. Это обусловлено нарушением норм, бесконтрольностью водопользования на лессовых породах, что привело к нарушению устойчивости склонов, возникновению оползней и оплывин. В такой ситуации сильное землетрясение (по аналогии с известным Гиссаровским землетрясением 1989 г. в Таджикистане) может спровоцировать массовый сход оползней в указанной зоне, вызвать значительный ущерб и повлечь многочисленные людские потери.
В 2004 г. в Алматинской области в (г.Талгар) произошел мощный оползень, где погибло 28 человек. Всего таких оползней в этом регионе сошло только за 2004г. около ста.
Особенное беспокойство вызывает гора Кок-Тобе в Алматы. Прогнозировалось, что в случае схода грунта его объем может составить 150 тысяч кубометров грязекаменной массы. Некоторые специалисты оценивали эти массштабы в полтора миллионов кубических метров. Ученые и специалисты КазГИИЗ, КазНИИССА и "Гдроспецстроя" разработали проект закрепления и стабилизации склона горы Кок-Тобе. Гидроспецстроевцы провели тампонаж трещин сложными инъекционными растворами, выполнили мощную подпорную стенку из 2-х рядов буронабивных свай на глубину 27 м. Была проведена так называемая консолидация грунтов массива методом химического закрепления, особенно неустойчивые массивы склона были закреплены буроинъекционными анкерами. Казахстанский метод - закачивания скважины бетоном российские специалисты не одобрили и высказали мнение, что это равносильно прикалыванию "булавками" оползня к грунтам.
В опасной зоне у подножия Кок-Тобе расположено около восьмидесяти домов. Кок-Тобе имеет крутой склон и при случае схода он может сопровождаться выделением большой энергии схода, оползень может преобразиться в поток, если это будет сопровождаться осадками, превращаясь в грязеселевую массу. По прогнозам его объем может достичь одного - двух миллионов кубометров.
По прогнозам россиян, если сойдет западный склон горы, то оползень может дойти до Дворца Республики.
Материал, который предлагают россияне, называется "Статус-3". Это жидкость, состоящая из нескольких компонентов, обезвоживающих грунт.
Экспериментально апробируется "Статус-3" сейчас на Кок-Тобе. Для этого бурят скважины глубиной 94 м, заливают их материалом, который в диаметре 2-х м должен обезводить грунт.
Сейчас для повышения устойчивости откосов и горных склонов широко используется цементация, силикатизация, закрепление органическими полимерами (например, битуимами) и другие способы.
Разработан также целый комплекс физических методов: уплотнение вибрацией, электроосмотическое осушение, электросиликатизация, термический, замораживание и целый ряд других.
Глубинная защитная конструкция крутых уклонов (откосов).
Новизна предлагаемого решения состоит в том, что вместо сплошных удерживающих свай устанавливаются железобетонные монолитные кольца с отверстиями для дренирования воды, т.е. ставится цель понизить уровень грунтовых вод и одновременно высушить грунт. В результате вокруг колодца образуется воронка, радиус которой с течением времени увеличивается. Расчет радиуса как функции времени в научных материалах разработан на высоком уровне.
За счет формы "воронки" между колодцами образуется свод (арочный эффект), который повышает несущую способность грунта. Кроме того, открытый колодец способствует высушиванию грунта вокруг него: за счет этих мероприятий уплотняется грунт и соответственно повышается устойчивость склона на сдвиг.
Нами разработаны два варианта противооползневого сооружения с применением свайной конструкции.
Свайно-анкерное сооружение. Сооружение образуется из вертикальных железобетонных буронабивных свай состоящих как минимум из двух параллельных рядов свай на склоне гор и расположенных в шахматном порядке в плане.
Рис. 1
а - трехрядовые расположения свайных рядов; б-разрезы по А-А;Б-Б;В-В; в-эксперементальная модель;
1-ростверк - пояс; 2-накпонный железобетонньй анкер; 3-буронабивные сваи; 4-анкерная плита,
5-поверхность склона
Ростверки нижнего ряда свай наклонно соединяются при помощи анкерных тяг сваями верхнего ряда в результате образуется комплексное сооружение из жестких свай и гибких железобетонных анкерных тяг (рис. 1).
Нами усовершенствована конструкция сборной подпорной стенки.
Мобильная подпорная стенка. Подпорная стенка состоит из фигурных бетонных блоков в форме "ежа", криволинейные верхние и нижние поверхности которых снабжены соответственно 4 и 2 продольными ребрами, а торцевые стороны снабжены треугольной вертикальной выемки, являющимися при монтаже соединительной шпонкой. Кроме того в середине блока предусмотрено вертикальное отверстие для размещения арматурных штырей (рис. 2).
Рис. 2. Мобильная подпорная стенка
а- общий вид стенки; б - фигурный блок в,г - фрагменты соединения блоков
д - арочная форма
Вместо продольных ребер могут быть шахматно-расположенные зубья (клинообразные небольшие выступы).
По высоте вертикальные, а в плане криволинейные расположения блоков создает защитную дугообразную подпорную стенку.
Свободное смещение верхних и нижних блоков относительно друг друга создает мобильную конструкцию стенки, которая может принимать любую форму поверхности склона или откоса. Блоки монтируются по схеме кирпичной кладки.
Блоки монтируются по схеме кирпичной кладки. Вдоль стенки шва кладки перевязываются в каждом ряду. Таким образом, в образованное сквозное вертикальное отверстие ставятся арматура и концы в зоне треугольных выемок блоков замоноличиваются бетоном (рис. 2).
Решетчатое защитное покрытие откосов. Основным действенным мероприятием, направленным на обеспечение местной устойчивости склонов и откосов, является весьма действенным типом укрепление их поверхности. Решетчатые конструкции являются весьма действенным типом укрепления обеспечивающим немедленный эффект защиты. Прежде чем приступить к поверхностному укреплению и благоустройству склонов, устанавливают степень их подверженности оползневым процессам: динамику оползней, сферу взаимодействия с земляным полотном дороги.
Для укрепления от размыва и сползания поверхностного слоя сползания поверхностного слоя откоса разработан четырехугольный железобетонный элемент со скошенными углами. При монтаже они располагаются в шахматном порядке и соединяются в углах болтами или шпильками (рис. 3).
Рис. 3. Поверхностное укрепление откоса дороги
а - фрагмент откоса с решетчатыми элемнтами б-сборный элемент в – двухъярусные расположения г - схема соединения элементов между собой
Большое практическое значение имеет решение задачи о расчете стоек обсыпных или ограждающих сооружений на действие динамической нагрузки на поверхности грунта [2,3]. При решении этой задачи необходимо найти динамическое активное боковое давление грунта от односторонней засыпки, на поверхности которой действует как распределенная вертикальная нагрузка р(t), так и мгновенный распределенный импульс S0 (рис. 4). Кроме реактивного давления грунта по передней грани стенки En, которое будем определять, пользуясь винклеровой моделью, вводим силу сопротивления Dε , зависящую от трения и скорости поворота стенки. Для упрощения в кинематике явления полагаем стойку высотой H шарнирно опертой нижним концом в точке О. Перемещение жесткой стенки определяем углом порота φ ее оси. Глубина заложения стойки в грунт h, а коэффициент постели грунта у низа стенки k=Chb, где b - перпендикулярный размер ограждения, Ch - коэффициент бокового упругого сжатиягрунта на глубине h.
Рис. 4
Рассмотрим силы, действующие на стенку ОА и на клин сползания ОАВ при динамическом действии нагрузки р(t) на поверхность АВ грунта (рис.4). Интенсивность отпора принимается прямо пропорциональной смещению y=φ(h-x), а коэффициент постели для произвольной точки стенки с абсциссой x
Тогда 
(1)
Сила отпора
Силу вязкого сопротивления 
принимаем по Фойгту:
где t - коэффициент сопротивления. Сила вязкого сопротивления определяет процесс неконсервативных колебаний, подтверждаемых экспериментом. Кроме указанных сил 
на стенку действует динамическое давление грунта слева Еп а также реакция отпора T.
(2)
(3)
Рассматривая условие динамического равновесия стойки (рис. 5 а) которая находится под 
действием силы активного давления грунта от призмы сползания Еа силы инерции Iсt , силы
Рис. 5.
отпора грунта демпфирующего сопротивления а также силы реакции Т от шарнирной опоры в форме суммы моментов относительно центра опоры ΣM0 =0, получаем уравнение:
откуда
(4)
где hE - плечо действия силы Еа которое устанавливается по положению центра тяжести эпюры интенсивности. Коэффициенты а1 и а2 :
Силы 
определяются по формулам (2) и (3) соответственно. Сила инерции
где m – погонная масса опоры стенки:
σ – толщина стенки (рис.4)
g –ускорение силы тяжести Внося (5), (3) и (2) в (4), получаем
Полученное уравнение позволяет обеспечить равновесное состояние грунта от сползания.
ЛИТЕРАТУРА
- Байнатов Ж.Б., Базанова И.А. Новые конструкции и методы расчета противооползневых сооружений. Г.У. Казселезащита, Алматы 2010 - 73с.
- Снитко Н.К. Точное решение задача о динамическом давлении грунтов на подпорную стенку "Известия вузов" (Строительство), 1960, №2
- Снитко Н.К. Статическое и динамическое давление грунтов и расчет подпорных стенок изд.- Строительство, Ленинград 1970г.-206с.
- Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел. Госстройиздат, М. 1956-251с.
- Байнатов Ж.Б. Тулебаев К.Р. Защита автомобильных дорог от оползней, обвалов и осыпей. Изд. "Автомобильные дороги" №2. Москва 1996-77 с.