Способы укрепления структурно-слабых грунтов откосов и склонов от сползания

Каждый тип подвижки в определенных инженерно-геологических условиях вызывает необходимость проведения мероприятий, строго соответствующих условиям оползания. Как правило, все мероприятия по борьбе с подвижками горных масс на склонах должны быть направлены к тому, чтобы исключить действие условий, вызывающих сползания грунта. В основном все оползневые склоны могут быть разделены на две группы: искусственные откосы насыпей, карьеров, выемок и котлованов; природные склоны с образованием детрузивных оползней [1].

У детрузивных оползней поверхность скольжения проходит ниже подошвы склона и при движении оползания образуется характерный бугор выпирания. Бугор выпирания уже сам по себе создает удерживающее противооползневое давление. Следовательно, мероприятия по борьбе с детрузивными оползнями должны усиливать действие бугра выпирания. Это достигается отсыпкой контрбанкетов или прошивкой железобетонными шпильками оползневого тела перед склоном (рис. 1).

а) железобетонные шпильки б) отсыпка контрбанкетов

Рис. 1. Укрепление детрузивных оползней железобетонными шпильками (а) и отсыпкой контрбанкетов (б)

В последнее время изучается вопрос о комбинированном закреплении склона шпильками с применением электроосмоса. В этом случае шпильки перед забивкой обшивают металлическими листами, медными или железными для катода и алюминиевыми для анода. При таком способе, кроме механического действия шпилек, происходит электроосмотическое закрепление массы оползневого тела. Если катодные шпильки делают полыми с перфорированной частью, то через них можно откачивать скапливающуюся воду и тем самым усиливать действие электроосмоса.

Деляпсивные оползни не имеют бугра выпирания перед склоном, поэтому противооползневые мероприятия должны быть иными. Одним из наиболее распространенных приемов является устройство подпорных стенок и контрбанкетов.

Выращивание деревьев и кустарников для повышения устойчивости склонов служит хорошим средством борьбы с оползнями при неглубоком расположении поверхности скольжения, когда оползни возникают вследствие инфильтрации и обводнения грунтов атмосферными осадками. На склонах с оползнями большой мощности древесная растительность дополняет другие инженерные противооползневые мероприятия. Корни некоторых деревьев проникают на большую глубину и механически укрепляют оползневые накопления. Древесная растительность на склоне равномерно распределяет снежный покров и регулирует его таяние, предохраняет оползневые склоны от размыва дождевыми и талыми водами. Необходим правильный подбор пород деревьев и соблюдение агротехнических мероприятий, отвечающих требованиям микроклимата и рельефа района укрепления. В посадках должны сочетаться деревья со стержневой корневой системой, проникающей на большую глубину, и со стелющимися корнями, с возможно большими разветвлениями. Кроме деревьев и кустарников, для укрепления поверхности склонов и откосов существуют ряд конструкций, применение которых обеспечивает устойчивость склонов, и они эффективно используются сразу после завершения строительных работ.

Контрфорсы представляют собой вертикальный выступ, ребро или стенку, усиливающие основной объект, в нашем случае склон, увеличивающие силу сопротивления смещению грунта. Контрфорсы, как и контрбанкеты, являются поддерживающими противооползневыми сооружениями (рис. 2).

Для усиления склона применяются, как правило, укрепленные камнем грунтовые или полностью каменные контрфорсы. При невысоком склоне и расположении на нем здания, которое требует усиления, могут применяться бетонные контрфорсы, укрепляющие одновременно склон и стену здания.

а) разрез б) план

1 – поверхность склона; 2– существующее на склоне здание;

3 – поверхность скольжения; 4 – бетонные контрфорсы

Рис. 2. Укрепление склона контрфорсами

К удерживающим противооползневым сооружениям относятся такие, которые включают опоры глубокого заложения, заглубленные в устойчивый грунт и объединенные, как правило, ростверком.

Удерживающие противооползневые сооружения должны обеспечивать возможность восприятия оползневого давления смещающихся или стремящихся сместиться грунтовых масс за счет реактивного сопротивления устойчивого грунта по наружной поверхности опор глубокого заложения, а также не допускать продавливания и сползания грунта оползневого массива через них.

Свайные конструкции в некоторых инженерно-геологических условиях являются надежными и экономичными и позволяют решить задачу удержания смещающихся оползневых масс. Сооружения из длинных свай (железобетонные столбы глубокого заложения, буронабивные) применяются в случаях значительной мощности оползневых грунтов. При незначительной их толщине устраиваются забивные железобетонные сваи. Наиболее эффективным является применение свайных рядов для создания механического сопротивления движению оползневой массы.

Буронабивные сваи сооружают предварительным бурением скважин с последующей установкой металлического каркаса армирования и заполнением скважин бетонной смесью.

Забивные сваи изготавливают в заводских условиях и на полигонах. Готовые изделия доставляют на оползневые склоны и погружают на месте установки с помощью молотов и вибровдавливающих агрегатов. По форме поперечного сечения сваи бывают: квадратные, круглые, прямоугольные, треугольные, трапецеидальные, трубчатые, переменного сечения. Размеры железобетонных плит ростверков принимаются по расчету.

Различные виды удерживающих противооползневых сооружений, включающие основные и промежуточные опоры глубокого заложения, приведены на рис. 3-5.

Рис. 3. Двухрядное удерживающее противооползневое сооружение с монолитными забирками

1– основная опора глубокого заложения; 2 – сплошной плитный ростверк;

3 – монолитная железобетонная забирка; 4 – анкер;

5 – анкерная свая; 6 – оползневой массив; 7– линия скольжения; 8 – устойчивый грунт

Рис. 4. Двухрядное удерживающее противооползневое сооружение с монолитными забирками

1– основная опора глубокого заложения;

2 – сплошной плитный ростверк;

3 – монолитная железобетонная забирка;

4 – анкер; 5 – анкерная свая;

6 – оползневой массив; 7 – линия скольжения;

8 – устойчивый грунт

Рис. 5. Двухрядное удерживающее противооползневое сооружение с промежуточными опорами 1 – основная опора

глубокого заложения; 2 – промежуточная опора глубокого заложения; 3 – железобетонный ростверк; 4 – оползневой массив; 5 – линия скольжения; 6 – устойчивый грунт

Подпорные стены выполняются из монолитного и сборного железобетона или бетонных блоков. Массивные подпорные стены (рис. 6, аб) строят из монолитного, сборно-монолитного бетона и бутобетона [2].

а) б) в) г) д) е)

Рис. 6. Виды подпорных стен

а) массивная подпорная стена с наклоном внешней грани; б) массивная подпорная стена с наклоном внутренней грани;

в) консольная подпорная стена с вертикальной железобетонной плитой;

г) консольная подпорная стена с наклонной стеной в сторону поддерживаемого грунта; д) тонкая подпорная стена с наклонной фундаментной плитой;

е) железобетонная ряжевая подпорная стена

Удерживающие противооползневые сооружения в зависимости от количества рядов основных опор глубокого заложения в направлении действия оползневого давления могут быть:

  • однорядными – при относительно небольших величинах оползневого давления;
  • двухрядными – при больших величинах оползневого давления;
  • трехрядными – если доказана расчетом их целесообразность.

Для борьбы с оплывинами преимущественно несвязных масс грунта в естественных склонах, наиболее продуктивно дренировать толщи с целью перехвата выклинивающегося на откосе подземного потока грунтовых вод. Часто в этих же условиях исключительно полезно устраивать фильтрующие пригружающие покрытия из более грубозернистых материалов (по принципу обратного фильтра).

Тонкоэлементные (консольные) подпорные стены (рис. 6, вгд) состоят из подпорной и фундаментной железобетонных плит, жестко соединенных одна с другой. Сборные железобетонные ряжевые подпорные стены (рис. 6, е) собираются из поперечных и продольных элементов [3]. Пространство между элементами заполняют грунтом и камнями.

Анкерные конструкции (крепления) натягиваются под действием оползневого давления, передаваемого через поддерживающие сооружения (подпорные стены, сваи, стену в грунте, столбы) (рис. 7). Анкеры выполняют в виде одного или нескольких рядов анкерных тяжей из высокопрочной стали или затяжек из высокопрочных пучков прядевой арматуры.

а) подпорные стены с анкеровкой в верхней части

б) конструкция буронабивных свай с анкерами

в) анкерная конструкция для закрепления оползневого склона

Рис. 7. Удерживающие анкерные конструкции

1– подпорная стена; 2 – анкер; 3 – буронабивная свая; 4 – оползневые грунты;

5 – земляное полотно; 6 – верхний анкер; 7 – анкерная плита; 8 – заделка нижнего анкера

В настоящее время разработано и внедрено в производство более двух десятков химических способов закрепления песчаных и глинистых грунтов, что позволило создать новую перспективную отрасль – преобразование строительных свойств грунтов в условиях их естественного залегания.

По технологии производства работ при закреплении грунтов следует выделить три основных способа:

а) инъекционный, осуществляемый путем нагнетания в грунт химических или цементных растворов через инъекторы или специально пробуренные и оборудованные скважины;

б) буросмесительный, осуществляемый путем разработки и перемешивания грунта с закрепляющими реагентами;

в) термический, выполняемый путем обжига грунта нагнетанием в скважины высокотемпературных газов или электронагревом.

Инъекционный способ получил наибольшее распространение в строительной практике и применяется для закрепления трещиноватых скальных грунтов с удельным водопоглощением не менее 0,01 л/мин∙м2 (цементации), песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80 м/сут. (силикатизация и смолизация) и лёссовых просадочных грунтов.

Цементация грунтов является одним из наиболее распространенных и перспективных инъекционных способов закрепления грунтов. Она состоит из заполняющим пустоты, трещины и крупные поры в грунтах цементным, цементно-песчаным, цементно-глинистым и другими растворами. В результате твердения этих растворов грунты приобретают водонепроницаемость и повышенную несущую способность.

Для хорошо проницаемых грунтов разработана рецептура цементно-глинистых растворов, которые по сравнению с цементно-песчаными имеют ряд преимуществ. Их целесообразно применять в песчано-гравелистых грунтах с коэффициентом фильтрации от 80 до 500м/сут.

В последние годы разработаны новые эффективные высокоэкономичные составы поризованных тампонажных растворов, которые являются весьма перспективными. Они подразделяются на:

  • вспененные, поризация (вспенивание) которых осуществляется перед их инъектированием путем интенсивного диспергирования исходной суспензии с воздухововлекающей добавкой поверхностно-активного вещества (ПАВ) в виде воздушно-механической пены;
  • вспучивающиеся – поризация (вспучивание) которых происходит после нагнетания их в грунт вследствие газовыделяющих реакций, происходящих между компонентами добавок, введенных в состав раствора;
  • вспененно-вспучивающиеся, способные вспучиваться через заданное время после их инъекции в грунт.

Применение поризованных растворов на практике показало их высокую эффективность, благодаря экономии цемента и ограничения радиуса распространения раствора за пределы закрепляемого участка.

Способ силикатизации основан на цементирующей способности геля кремневой кислоты, который, скрепляя частицы песка или лёсса, превращает грунт в прочный водонепроницаемый массив. При силикатизации лёсса роль коагулянта выполняет сам грунт.

Смолизация основана на введении в грунт высокомолекулярных органических соединений (синтетических смол) в смеси с отвердителями (кислотами, кислыми солями), способных к полимеризации в порах грунта через определенное время после их инъекции в результате взаимодействия смолы с отвердителем, что превращает грунт в прочный камнеподобный материал.

Буросмесительный способ закрепления грунтов основан на их размельчении и смешивании без выемки с цементом или химическими реагентами с помощью буросмесительных установок. Способ в отличие от инъекционного может быть использован для закрепления практически всех видов структурно-неустойчивых и слабых грунтов независимо от их коэффициента фильтрации. В качестве закрепителей можно применять цемент, известь, силикат натрия, полимеры и др. Эти преимущества позволяют считать буросмесительный перспективным способом закрепления грунтов, особенно при новом строительстве.

В результате смешивания цемента с грунтом оптимальной влажности и состава, и последующего уплотнения, и твердения смеси получают прочный, долговечный и морозоустойчивый камнеподобный материал – цементогрунт. Прочностные и физико- механические свойства цементогрунта зависят в основном от количества вводимого в состав смеси цемента, а также от физико-химических свойств грунта.

Способ электротермического закрепления заключается в целенаправленном воздействии на грунтовый массив теплового потока через герметизированные нагревательные скважины заходками в направлении снизу вверх в условиях вынужденной конвекции воздушной рабочей среды. Предварительно пробуренные нагревательные скважины оборудуются электротермическими устройствами для закрепления грунта (ЭТУЗГ). В качестве теплоносителя используется сжатый воздух, нагнетаемый в скважины под избыточным давлением и нагретый непосредственно в них с помощью ЭТУЗГ. Раскаленный теплоноситель фильтруется под избыточным давлением по порам грунта и обжигает последний, ликвидируя просадочные свойства и повышая прочность.

Идея улучшения прочностных и деформативных характеристик слабых грунтов, слагающих основания инженерных сооружений, сбрасыванием тяжелых грузов на их поверхность впервые была реализована в практике строительства в конце 50-х годов.

В соответствии с разработанными рекомендациями регламентировалось уплотнение грунтов, в основном несвязных, ударами трамбовок массой 3,5-5 т и площадью основания 4-5 м2, падающих с высоты 3-5 м. При этом глубина уплотняемого слоя составляла 2,5-3 м.

В Киеве освоен метод газовой силикатизации грунтов. Грунты под воздействием нагнетаемых в них силикатных растворов приобретают повышенную механическую прочность, водонепроницаемость и водоустойчивость. Силикатизация применяется для увеличения несущей способности грунтов, придания водонепроницаемости пескам и лессовым грунтам.

Следует обратить особое внимание на вредный для окружающей среды способ химического закрепления глинистых грунтов защелачиванием, предложенные НИИпромстроя (Уфа), основанный на нагнетании под давлением 40%-го раствора каустика. Высокие концентрации щелочей вызывают коррозию бетона, которая сильно прогрессирует в гипсосодержащих грунтах,поскольку при обменной реакции каустика с гипсом образуется чрезвычайно агрессивный к бетону сульфат натрия. Кроме того, щелочь разрушает теплоизоляционные материалы в теплотрассах и может полностью вывести из строя электрокабели, имеющие свинцовые и алюминиевые оболочки, легко растворимые в щелочи. Предложенный НИИпромстроя способ неприемлем с точки зрения техники безопасности, так как может вызывать ожоги кожи у персонала концентрированным каустиком.

Наиболее благоприятным, с точки зрения охраны окружающей среды, является способ цементации, так как основной компонент цементного камня – гидросиликат кальция характеризуется весьма малой растворимостью в воде. Незначительное же количество гидрооксида кальция, поступающее в грунт, активно им поглощается и быстро карбонизируется.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Цытович Н.А. Механика грунтов. – М.: Изд. Архитектура и строительство, 1963. – 635 с.
  2. Метелюк Н.Х. Методические рекомендации по расчету устойчивости земляных сооружений и оползневых склонов при статических нагрузках. – Киев, 1982. – 175 с.
  3. Дюсембин Е.А. Конструктивные особенности обеспечения устойчивости горных склонов //«Транспорт Евразии XXI века». Материалы IV междунар. науч.-практ. конф. / КазАТК. – Алматы, 2006. – С.156-159.

 

Год: 2011
Город: Алматы
loading...