Содержание к диссертации
Введение
I. Анализ методов борьбы с оползневыми явлениями и постановка задач исследования 9
1.1. Роль оползневых процессов в дорожном строительстве 9
1.2. Анализ условий работы и опыта применения про-тивооползневыхк конструкций 17
1.3. Опыт применения конструкций с анкерной связью 34
1.4. Выводы, Цель и задачи исследования 50
II. Совершенствование методики расчета анкерной конструкции 53
2.1. Условие статического равновесия заанкеренного блока грунта 53
2.2. Учет осадки анкерной плиты 57
2.3. Учет эффекта самоанкеровки 68
2.4. Определение величины возможного перемещения анкерной плиты в процессе самоанкеровки 75
2.5. Расчет скорости смещения оползневого массива 80
2.6. Анализ особенностей работы анкерной заделки 85
2.7. Расчет анкерной заделки 98
2.8. Основные положения и методика расчета анкерных конструкций 108
III. Экспериментальные исследования 115
3.1. Аппаратура и методика экспериментальных исследований на стенде 115
3.2. Результаты стендовых исследований 124
3.3. Аппаратура и методика экспериментальных исследований на моделях из оптически-активных материалов 132
3.4. Результаты экспериментальных исследований на поляризационно-оптической установке 135
IV. Полевые исследования в условиях опытного строительства 147
4.1. Инженерно-геологические характеристики опытных участков 147
4.2. Проектные решения и технология изготовления анкерной конструкции 152
4.3. Наблюдения на опытных участках и их результаты 169
4.4. Технология устройства анкерных конструкций 182
4.5. Экономическая эффективность применения анкерной конструкции при строительстве автомобильных дорог 196
Общие выводы 207
Приложение 1. 209
- Анализ условий работы и опыта применения про-тивооползневыхк конструкций
- Определение величины возможного перемещения анкерной плиты в процессе самоанкеровки
- Аппаратура и методика экспериментальных исследований на моделях из оптически-активных материалов
- Экономическая эффективность применения анкерной конструкции при строительстве автомобильных дорог
Анализ условий работы и опыта применения про-тивооползневыхк конструкций
Все природные склоны, а также откосы земляных сооружений находятся под непрерывным воздействием собственного веса и природных процессов (увлажнения, выветривания и т.п.), в результате которых крутизна и высота склонов во времени уменьшается. Связанные с этими явлениями изменения формы склонов или откосов могут протекать незаметно или заканчиваться возникновением оползней [НО] . Как правило, после катастрофических оползневых подвижек наступает новое состояние равновесия склона, однако это в большинстве случаев означает лишь то, что по ределенного периода времени оползневые подвижки могут возникнуть вновь. Очень часто назревание кризиса происходит настолько медленно, что время между подвижками выходит за пределы памяти одного поколения и обманчивую временную устойчивость межоползневого периода принимают за состояние вполне устойчивого равновесия [48, 25, 133] Большую опасность представляют даже незначительные подвижки природных склонов, поскольку из-за возможности потери длительной прочности эти подвижки могут привести к катастрофическим срывам [Ї5, 16, 17] .
Оползневым явлениям подвержена значительная часть территории земного шара. Многочисленные и разрушительные оползни периодически происходят в молодых осадочных отложениях Восточной Канады [ 139] , Бразилии [181] , Норвегии [ 108, 168 ] , Греции [171] . США [64, 92, 93, ПО, 146, 154] , Франции [147, 155, 167, 169 J и других странах мира. В ряде стран [145 оползнеопасные районы занимают обширные территории. В Чехословакии, например, [185] на 1969 год было зарегистрировано свыше 9160 оползней, занимавших площадь более 60000 га. Оползающие массы грунта при своем движении, как правило, причиняют значительные убытки, часто связанные с человеческими жертвами [58, 60, 64, 145, 185 и др.1 По данным Moore Zj/ПСІОП [154] ежегодные расходы на борьбу с оползнями на дорогах США составляют более 100 млн.долларов. Эти суммы, затрачиваемые ежегодно различными компаниями, включают не только стоимость ущерба, но также стоимость восстановлен разрушенных участков и стоимость убытков, вызванных перерывом в движении и обслуживании.
Широко распространены оползневые явления и в Советском Союзе. Известно [41] , что после безуспешной борьбы с оползнями были заброшены железнодорожные линии Армавир-Ставрополь и Ставрополь-Старо-Марьевская со всеми путевыми и станционными сооружениями. Огромный вред причиняют оползни железной дороге почти на всем протяжении Черноморского побережья Кавказа. Подсчитано [41,52 ] , что только на железных дорогах Кавказа на борьбу с оползнями ежегодно (в течение последних 30-35 лет) расходуется свыше 5 млн.рублей. Вследствие активного развития оползней было прекращено строительство Агалукской ГЭС, только за 3 месяца I960 г. оползни нанесли ущерб предприятиям "Гроз-нефти" на сумму свыше 8 млн.рублей (выведение из строя нефтяных вышек и разрушение подъездных путей). Свыше 6 млн.рублей [43] израсходовано на укрепление Цвекского и Князевского оползневых косогоров на Приволжской железной дороге. Перечень таких примеров может быть продолжен [см. 22, 27, 34, 42, 45, 46, 60, 72, 116 и др. ] , но даже в приведенном виде он позволяет оценить масштабность оползневых явлений и размер убытков, причиняемых оползнями.
В последние годы, в связи с интенсивным развитием дорожного строительства в горных районах, проблема борьбы с оползнями привлекает все большее внимание специалистов, работающих в области транспортного строительства. Наиболее остро эта проблема проявилась при строительстве дорог в южной части Украины, в Крыму (Симферополь-Ялта-Севастополь), на Черноморском побережье Кавказа (Сочи-Сухуми), а также в Закарпатье. Кроме вышеуказанных автомобильных дорог большой известностью в смысле проявления оползневых процессов пользуются автомобильные дороги Теберда-Пятигорск, Львов-Ужгород, Кишинев-Котовск, Полтава-Кишинев, Одесса-Кишинев-Черновцы, Кишинев-Леушены и целый ряд других. Собственно, территория Молдавии, несмотря на ее сравнительно равнинный характер, является в настоящее время регионом, наиболее подверженным оползневым процессам. Здесь оползневые явления приносят большой вред не только повреждением шоссейных и железных дорог, сельских и городских построек (рис. I.I), но и повсеместным разрушением земельных угодий [65] Освоение новых, ранее не используемых в сельском хозяйстве, земель без достаточного изучения степени устойчивости склонов, во многих случаях оканчивается разрушением склона Срис.1.2), уничтожением садов и виноградников [34] . К тем же результатам приводит неоправданная вырубка деревьев и кустарников, увеличивающая эрозионные процессы поверхности склона и приводящая в подавляющем большинстве случаев к возникновению неглубоких оползней-потоков или ошшвин, которые ранее были закреплены корневой системой деревьев.
Убытки, причиняемые оползневыми явлениями автомобильным дорогам страны, в общем случае состоят [27, 64] из нескольких статей расходов, включающих стоимость ущерба, равного первоначальной стоимости разрушенного участка автомобильной дороги, ликвидацию последствий оползневых явлений (разборка завалов, обеспечение временного проезда и т.п.); проведение дополнительных проектно-изыскательских работ и разработка проекта комплекса противооползневых мероприятий; осуществление строительства комплекса противооползневых мероприятий с полным восстановлением разрушенного участка автомобильной дороги; экономические потери, связанные с удлинением срока ввода дороги в эксплуатацию "уменьшением скорости движения и следовательно снижением проЕУОКНОЙ способности автомобильной дороги.
Проведенный нами в 1969 г. анализ стоимости по капитальному ремонту дорог и сооружений по ДЭУ-595, эксплуатирующему участок дороги Симферополь-Яята и по ДЭУ-592, эксплуатирующему участок Яята-Понизовка позволил получить следующие данные.
Только на уборку оползневых масс и ликвидацию просадок проезжей части на участке Алушта-Ялта ежегодно расходуется 50-60 тыс.рублей. Вместе с тем разрушительные действия оползней на этом участке оказываются столь значительными, что вызывают необходимость смещения трассы, как это имело место на 105 км в районе Г урзуфа, причем, если первоначальная стоимость строительства 9Жого участка составляла 65 тыс.рублей, то стоимость смещения трассы оказалась равной 250 тыс.рублей. Эти затраты, во много раз превышающие первоначальную стоимость строительства, весьма характерное явление на дорогах Крыма (рис. 1.3).
Определение величины возможного перемещения анкерной плиты в процессе самоанкеровки
В целом ряде случаев причины, вызывающие оползание грунтов, не могут быть устранены ни одним из вышеперечисленных способов или влекут за собой большие экономические затраты.
В этих случаях наиболее рациональным может оказаться устройство различного вида удерживающих сооружений, К типам таких сооружений можно отнести подпорные стенки различных конструкций,контрбанкеты, контрфорсы, свайные и анкерные конструкции.
Подпорные стены, благодаря простоте устройства получили наибольшее распространение при стабилизации оползневых массивов малой (до 6-8 м) мощности. Конструкции подпорных стен могут быть различными - кирпичные, каменные, бетонные, железобетонные решетчатые и стены из армированного грунта. Применение стен из бетонных и железобетонных блоков позволяет существенно сократить время строительства, что особенно важно при необходимости срочной стабилизации оползневого массива или при ограниченных сроках стро-сезона, однако конструкции таких стен требуют гораздо большего (по сравнению с монолитными) количества дорогостоящей арматуры. Иногда, с целью уменьшения объема бетона, монолитные подпорные стены делают со специальными нишами [45,142, 145 ] или заанкеривают верхнюю часть стены в прочные коренные породы посредством стальных тяжей [133, 146] . При строительстве подпорных стен необходимо считаться с тем, что стена, прего-раживая оползневой массив, неизбежно вызовет повышение уровня грунтовых вод и, соответственно, увеличение оползневого давления. Кроме того, увеличение влажности грунтов оползневого массива может привести к превращению его в текучее состояние, что обычно заканчивается переползанием грунта через верх подпорной стены (рис. 1.7). В связи с этим при проектировании и строительстве подпорных стен обязательне должен быть предусмотрен дренаж, включающий водопроницаемую засыпку, дренажные трубы и фильтрационные дренажные отверстия [34] . Исключением в этих случаях являются ряжевые подпорные стены (рис. 1.8) и подпорные стены в конструкции которых предусмотрены особые дренажные элементы, Хотя в СИЛУ своей малой жесткости ряжевые стены имеют несколько меньшую по сравнению с обычными КОНСТРУКЦИЯМИ ПОДПОРНЫХ стен удерживающую способность они МОГУт и успешно применяются ПРИ [132, 140, 178] строительстве автомобильных ЛОРОГ на оползневых склонах Преимуществом таких стен перед обычными является быстрота сборки отсутствие необходимости в мощном грузоподъемном оботпгловании и что весьмэ. существенно - возможность уСТ— тюйствэ. их без зэ.стенного лтэенажа
По своему существу подпорные стены, как впрочем и другие удерживающие сооружения, могут удержать лишь определенный объем земляных масс, размер которого зависит в основном от крутизны склона, мощности оползневой толщи, сопротивления грунта сдвигу, влажности и некоторых других свойств грунтов оползневого массива. Поскольку заглубить фундамент подпорных стен в коренные,устойчивые породы при большой мощности оползневых накоплений в целом ряде случаев практически невозможно, иногда ограничиваются заложением подошвы стены в оползневых накоплениях. В этих случаях подпорная стена является довольно относительным препятствием движению земляных масс и, за очень редким исключением, смещается [45, 10] совместно с оползневыми грунтами и деформируется [146] . Примером этому могут служить оползни на участке автомобильной дороги Ялта-Понизовка и оползни на автомобильных дорогах Сочи-Сухуми и Новороссийск-Туапсе [115] .
В настоящее время все большее распространение за рубежом получают конструкции из армированного грунта, разработанные в 1966 г. Анри Видалем ШШа ) [184] . Подпорная стена из "армогрунта" представляет собой грунтовый массив, внутри которого расположены полосы из оцинкованной стали. Внешняя грань стен облицовывается или цилиндрическими элементами из стали, или бетонными блоками. Поскольку элементы облицовки испытывают малые нагрузки, толщина их может быть весьма незначитнльна [l4]
Сооружение конструкций из "армогрунта" мало чем отличается от обычного возведения насыпи, не требует применения дополнительного сложного оборудования и может быть осуществлено любым строительным подразделением. В течение нескольких лет конструкции из "армогрунта" испытывались во Франции, США, Канаде [151 1 и других странах [182, 126] .
Аппаратура и методика экспериментальных исследований на моделях из оптически-активных материалов
Из приведенного рисунка можно сделать вывод о том, что с увеличением первоначального угла наклона /в0 анкерной тяги величина возможного смещения анкерной плиты существенно сокращается. Кроме того, хотя время полной осадки анкерной плиты при высокой ( Vo = 45 см/ммс) начальной скорости смещения остается для всех случаев постоянным, практически время достижения полной стабилизации оползневого массива о увеличением первоначального угла наклона А0 анкерной тяги существенно сокращается. Так, если при - 0 по истечении 20 месяцев средняя интенсивность смещения массива составляет 1,2 см/мес, то при у$о = 20 интенсивность оказывается менее 0,2 сц/мес.
Из того же рисунка следует, что при малой (Vo =15 см/мес) начальной скорости смещения время, необходимое для полной стабилизации массива существенно возрастает, что обусловлено медленным нарастанием усилил натяжения О анкерной тяги. При расчете анкерной конструкции следует учитывать то, что при передаче усилия предварительного натяжения Q на анкерную тягу это усилие будет передано полностью и на анкерную задвлку. Поэтому решение вопросов расчета и конструирования анкерной заделки имеет существенное значение для всей конструкции в целом.
В настоящее время многце задачи, связанные с устройством подпорных стен, котлованов, набережных и фундаментов решаются, в связи с экономичностью анкерных креплений, с использованием анкеров [2, 12, 21, 52, 55, 64, 88, 98, 102, 104, 117. 121, 123, 128, 133, 135, 137, 138, 144 и т.д.] , однако поведение грунта вблизи анкерной заделки изучено недостаточно. При применении анкеров важно установить соотношение, взаимосвязь между конструкцией нижнего анкера, глубиной его заложения, видом грунта и его прочностных характеристик - сцепления "С" и угла внутреннего трения и с допустимой величиной смещения анкера в процессе эксплуатации сооружения. Известен (Кананян А.С, 1966 г., Meyer-Ж/6. 1968, 1975 Г.Г., НаппаТЛ и Spark I , 1972, VesLcAS. , 1971 г., HoOSt L, f 1975 г., Starke Р. I979r., Мишаков В.А., I98I г. и др.) целый рад формул по расчету усилия вырыва анкеров, заложенных ниже уровня земли. Однако, как показывает анализ, все они предназначены для оцределения максимальной удерживающей способности анкера и, в соответствии с этим, допускают значительное смещение анкера от первоначального положения, обусловленное развитием областей предельного состояния в грунте ( Н.Н. Маслов, 1968 г., Н.А. Щтович, 1963 г.). В то же время следует учитывать, что для случая анкерной конструкции любое смещение грунта, расположенного меаду несущим покрытием, например, - анкерными плитами, и анкерной заделкой снижает величину усилия натяжения анкерной тяги, поскольку тяга, после передачи на нее усилия предварительного натяжения, неподвижно прикрепляется к аякерным плитам или несущему покрытию и, таким образом, длина тяги на весь период эксплуатации остается постоянной (см. стр. 59 ), Это перемещение анкера не играет значительной роли, если оно происходит лишь в момент натяжения анкерной тяги .
Однако, учитывая характер сжимаемости грунтов под нагрузкой (В.А. Флорин, 1959 г.; Н.А.Цытович, 1963, 1968 г.г., Н.Н. Мас-лов, 1968 г.; К.Е. Егоров, I96I г. и др.) следует ожидать, что при превышении определенного предела удельной нагрузки Р на анкер перемещение анкера будет происходить достаточно долго во времени и может вызвать значительное снижение усилия предварительного натяжения анкерной тяги.
Во всех случаях, как и для случая нахождения допустимой нагрузки на анкер, полезно установить форму разрушения грунта, расположенного над анкером, при нагрузках, близких к критическим или превышающих их. Ниже кратко изложены результаты работ, выполненных рядом исследователей, а также некоторые результаты экспериментальных исследований, проведенных нами. На основании экспериментов на моделях плит, заложенных в плотном пвске,1Ш [ предположил, что поверхность разрушения для круглых анкерных плит должна быть частью тора с образующей, состоящей из окружности (рис. 2.9, а).
Однако исследованиями, проведенными в bilk VflLVemty [l83] , установлено, что форма поверхности разрушения, представленная на рис. 2.9 а, соответствует случаям заложения анкеров в плотных песках или глинах на относительно небольшую глубину. При заложении анкеров на ту же глубину в рыхлые пески иди легкую глину форма поверхности разрушения приближается к вертикальному цилиндру.
Экономическая эффективность применения анкерной конструкции при строительстве автомобильных дорог
Из рисунка 3.19,а видно, что при передаче на анкер усилия предварительного натяжения анкерной тяги jQ картина напряженного состояния представляет собой симметричное распределение в игдантине, что соответствует обычному распределению максимальных касательных напряжений в толще грунта под жестким штампом (Н.А. Щтович, 1957 г., Е.Н. Маслов, 1965 г. и др.). Однако, в дальнейших стадиях работы анкерной конструкции, т.е. при увеличении сдвиговой нагрузки (рис. 3.19,6) происходит смещение поля изохром в сторону активной сдвиговой нагрузки. При этом в толще верхнего слоя, моделирующего оползневые грунты, возникает зона (точка 0), в которой максимальные касательные напряжения ( равны нулю. Это означает, что в этой зоне 0 =0у и (J = (Т» т.е. в данной области происходит равномерное обжатие слоя игдан-тина (теория "черных точек", [107]), что служит доказательством передачи части усилия натяжения анкерной тяги на нижележащий слой - слой игдантина, моделирующий коренные породы. Здесь уместно отметить, что в данном случае отношение высоты л слоя игдантина, моделирующего оползневые грунты, к ширине штампа /состав.
Область, в которой Тт = О практически не изменила своего положения при увеличении сдвигающей нагрузки (рис. 3.19,в) по данным 19 опытов с различным соотношением ч /с 2 , где , -модуль деформации игдантина верхнего слоя, а Е - модуль деформации игдантина нижнего слоя, всегда находилась несколько выше плоскости скольжения, т.е. границы, разделяющей верхний и нижний слои игдантина. При этом, как видно из приведенного рисунка, несколько изохром, выходящих из-под штампа, плавно, со стороны активной нагрузки, огибают вышеуказаннув зону и, опустившись до линии скольжения, практически по ней следуют, что показывает на увеличение максимальных касательных напряжений в зоне плоскости скольжения. В то же время, при нагрузках на анкерный штамп, близких к критическим (рис. 3.19) под штампом возникает перераспределение максимальных касательных напряжений с увеличением зоны действия % , со стороны активной сдвигающей нагрузки. Это показывает на стремление штампа анкерной тяги развернуться под действием активной сдвиговой нагрузки У или, что то же самое, на возникновение момента вращения штампа вокруг поперечной оси. Следовательно, с целью исключения этого эффекта и обеспечения более равномерного распределения максимальных касательных напряжений под штампом желательно заранее устанавливать анкерную плиту под прямым углом к продольной оси анкерной тяги.
Из характера напряженного состояния модели выявлено наличие большой величины растягивающих касательных напряжений в откосной части модели (рис. 3.19, в), что вполне согласуется с характером распределения касательных напряжений в откосах, сложенных из связных грунтов и загруженных вертикальной нагрузкой (Э.М.Доб -ров, 1975 г., К. Терцаги, I94I г., Н.Н. Маслов, 1977 г.). Как видно из рис. 3.19, в,наиболее опасной частью в модели являетая точка "А", в которой произошел разрыв игдантина, обусловленный изменением знака касательных напряжений. В связи с вышеизложенным при конструировании анкерных конструкций такого типа в ряде случаев необходимо предусматривать или уположение откоса или укрепление откосной части выемки дополнительными защитными мероприятиями (решетчатые конструкции, пневмонабрызг, одевающие стены, или установку анкерных плит непосредственно на откос или применять гибкие покрытия, заанкеренные при помощи небольших тяжей в устойчивую часть откоса земляного полотна [33, 50] или склона.
В модели, изображенной на рис. 3.19 модуль деформации верхнего слоя практически был соразмерен с модулем деформации нижнего слоя, моделирующего коренные породы. В связи с этим анкерная тяга при увеличении оползневого давления и смещении верхнего слоя прорезала нижний слой игдантина. При этом центром вращения анкерной тяги явилась ее заделка, выполненная в виде кольца диаметром 20 мм. На рис. 3.20 показано распределение изохром в модели, в которой модуль деформации нижнего слоя ( г =1,60 кгс/см2) был в 2 раза выше модуля деформации верхнего слоя ( = = 0,80 кгс/см ). Из этого рисунка видно, что общая картина распределения максимальных касательных напряжений (изохром) практически не отличается от картины распределения изохром, показанной на рис. 3.19, но в то же время перемещение верхнего слоя, в связи с тем, что центр вращения анкерной тяги сместился ближе к поверхности скольжения (точка 0), значительно уменьшилось. Это показывает, что в слабых грунтах для увеличения несущей способности анкерной конструкции и уменьшения величины боковой нагрузки на нижнюю анкерную заделку необходимо заранее назначать угол наклона анкерной тяги А не менее 13 15 и производить проверку устойчивости нижней анкерной заделки.
Ранее было указано, что штамп модели анкера представлял собой коробчатую конструкцию и имел в верхней части гибкую стальную пластину (см. рис. 3.16) с наклеенным на ее нижней поверхности тензоэлементом, позволяющим при помощи электронной измерительной аппаратуры типа УТ-4 и ИСД-3 следить за изменением усилия Q В анкерной тяге в процессе опыта. Фиксация усилия в анкерной тяге, изменяющегося в процессе сдвига верхнего слоя иг-дантина, а также изменения угла отклонения анкерной тяги от первоначального угла позволили установить характер изменения усилия Q от сдвигающей нагрузки V (рис. 3.21), а также характер изменения усилия Q от угла наклона анкерной тяги в зависимости от соотношения модулей деформации верхнего и нижнего слоев игдантина (рис. 3.22).
Сравнив полученные результаты с аналогичными результатами экспериментальных исследований на стенде (см. рис. 3,8 и рис. 3.9) можно сделать вывод, что эти зависимости по своему характеру аналогичны ранее полученным при стендовых исследованиях. Это может служить дополнительным подтверждением правильности выбора расчетной схемы и вывода основных теоретических положений.
