Содержание к диссертации
Введение
1 .Состояние вопроса 7
1.1 .Опыт применения свайных противооползневых конструкций 7
1.2.Основы расчета и проектирования свайных конструкций 16
1.3. Технология строительства свайных противооползневых конструкций 35
1.4. Опыт применения свайных конструкций их экономическая эффективность, существующие недостатки, постановка задач исследований 41
2. Теоретический анализ условий и особенностей взаимодействия свайной удерживающей конструкции и оползневого массива 57
2.1. Прочностные и геологические свойства глинистых грунтов 57
2.1.1. Сопротивляемость грунта сдвигу 57
2.1.2. Реологические свойства глинистых грунтов 70
2.2. Методы оценки устойчивости оползневых склонов и прогноза их ползучести 74
2.3. Теоретический анализ условий работы иэффективности свайной конструкции 80
2.3.1. При расчете устойчивости оползневого склона по первому предельному состоянию 80
2.3.1.1. Принцип назначения места расположения свайной конструкции 83
2.3.1.2. Критерии оценки величины оползневого давления на свайную конструкцию 86
2.3.2. При прогнозе устойчивости оползневого склона по второму предельному состоянию (по дефомируемости) 95
2.3.2.1. Оползневое давление на одиночную сваю грунтов пластичной разновидности 95
2.3.2.2. Оползневое давление на одиночную сваю грунтов скрыто-пластичной разновидности 101
2.4. Прогноз влияния свайной конструкции на процесс ползучести оползневого массива 103
2.5. Изучение особенностей процесса вязкого обтекания свайной конструкции глинистым грунтом 108
2.5.1. Исходные предпосылки 108
2.5.2. Обоснование параметров численного моделирования- 110
2.5.3. Результаты численного моделирования процессов вязкого обтекания грунтом свайной конструкции 112
3. Анализ прогноза стабилизации реальных объектов автомобильных дорог с помощью свайной конструкции 130
3.1. Инженерно-геологическая характеристика первого оползневого участка 130
3.2. Оценка особенностей и величины оползневого давления на первом участке 132
3.3. Инженерно-геологические характеристики второго оползневого участка 146
3.4.Расчетная схема и результаты расчетов 147
3.5.Методические рекомендации по рациональному размещению свайной удерлшвающеи конструкции на оползневом массиве и оценке величины оползневого давления 157
4.Общие выводы- 160
Список литературы 165
- Технология строительства свайных противооползневых конструкций
- Методы оценки устойчивости оползневых склонов и прогноза их ползучести
- Прогноз влияния свайной конструкции на процесс ползучести оползневого массива
- Оценка особенностей и величины оползневого давления на первом участке
Технология строительства свайных противооползневых конструкций
Проектирование свайных противооползневых конструкций представляет весьма сложный инженерный комплекс проектных и конструкторских работ. Он включает: - оценку целесообразности и эффективности применения свайной конструкции на конкретном участке строящейся или эксплуатируемой дороги на основе расчетов устойчивости, анализа эпюры оползневого давления, проработки возможных вариантов обеспечения устойчивости и их технико-экономического сравнения, принципа обеспечения устойчивости системы земляное полотно - элемент рельефа; - выбор места расположения будущей свайной конструкции, расчет свайной конструкции в целом и отдельных ее элементов на основе разработки конкретных расчетных схем, анализа исходных проектных данных и показателей физико-механических свойств оползневых грунтов, грунтов зоны смещения, коренных пород, рекомендуемых методов расчета; - конструирование, которое является наиболее сложной и объемной частью рабочей документации, и в которой должны быть рассмотрены рациональные свайные и другие элементы конструкции, требования к материалам и т. п.; - рекомендации и требования к технологии производства работ по устройству свайной конструкции, где отражаются основные положения по организации работ, определяются рациональные сроки их проведения, темпы, стадийность; рациональный набор основных машин и механизмов, а также другие вопросы, связанные с конкретной обстановкой. При расчете противооползневых свайных конструкций перед инженером возникают следующие задачи: установление оптимальной области использования свай на конкретном оползневом склоне или откосе и выбор конкретной расчетной схемы, которая должна учитывать все особенности совместной работы свайных элементов и прилегающего к ним оползневого грунта склона или откоса; определение требуемого значения заглубления свай в коренные или устойчивые породы оползневого склона; назначение целесообразной схемы распределения свай как по фронту оползня, так и по его глубине (геометрическая схема); определение предельно свободной длины свай (от подошвы ростверка до ее заделки в коренные породы); разработка конструкции ствола свай; рациональное и безопасное размещение строительных машин и материалов на оползневом склоне.
Все эти задачи могут быть решены на основе анализа геологического строения оползня и соответствующих инженерных расчетов.
Независимо от выбранной расчетной схемы, расчет свайной конструкции должен обеспечить надежную несущую способность самих свайных элементов и устойчивость всей противооползневой конструкции на восприятие расчетного оползневого давления. H.H. Маслов (30) считает, что наиболее эффективны буронабивные сваи для стабилизации оползней скольжения, когда имеется четкая поверхность смещения или возможен и вероятен ее прогноз. При этом свайный элемент в общей конструкции может работать на срез, вырыв, вращение, а окружающий его грунт на прорезание или переползание.
Менее эффективным оказывается использование свайных противооползневых конструкций для обеспечения устойчивости склонов и откосов, когда оползневые массы грунта переувлажнены, и возможно их движение сквозь свайную конструкцию. В этом случае первостепенное значение приобретает вопрос о прочности не столько свайного элемента, сколько самого грунта склона или откоса, примыкающего к удерживающей конструкции. Анализируя работу свайного элемента в массиве грунта склона или откоса, Н.Н.Маслов (30) предложил принципиальную расчетную схему для оценки устойчивости противооползневой конструкции в виде отдельной сваи, которая рассматривается как жесткий элемент, воспринимающий в предельном (для склона или откоса) состоянии оползневое давление.
В этом случае, который в основном и используется для проектирования свайных противооползневых конструкций, оценка устойчивости и эффективности ее работы осуществляется исходя из условий прочности (или несущей способности) свайного элемента при действии горизонтальной нагрузки, а также совместного действия горизонтальной и вертикальной нагрузок (к числу последних относится собственный вес элемента, вес ростверка, подпорной стенки и т.п.); возможности переползания переувлажненных масс оползневых грунтов через верх конструкции; возможности прорезания грунта свайным элементом.
Эффективность свайной конструкции в целом обеспечивается: применением многорядных свайных конструкций с определенным шагом между рядами; выдерживанием рационального шага между свайными элементами в каждом ряду; оптимальным диаметром свай, исходя из условия прочности грунта межсвайного пространства. Предполагая, что отдельный свайный элемент диаметром D может воспринять давление не более того, которое ему может передать грунт, обладающий той или иной прочностью, Н. Н. Маслов [30,31] рекомендует определять расстояние между рядами в свайной конструкции по формуле: число свай в одном ряду; D - диаметр сваи; L -длина ряда; у -удельный вес грунта; Н - мощность оползневого слоя в склоне или откосе, т; а-угол наклона поверхности смещения к горизонту(на расчетном участке); к -требуемый коэффициент устойчивости; цг р - угол сопротивления сдвигу при данной природной нагрузке (нормальном напряжении на поверхности смещения) и влажности. Как видно из представленного выражения, нарушение прочности грунта оползневого тела свайной конструкцией наиболее вероятно при ограниченном числе свай, значительном угле наклона расчетного участка поверхности смещения, а главное при малой прочности грунта. Интересно отметить, что поскольку характеристики прочности грунта р w и Cw зависят от влажности, то при заданных значениях m, D и к расстояние, а между рядами свайных конструкций будет также функцией влажности или консистенции.
Для определения общего количества свайных элементов в рассматриваемой противооползневой конструкции необходимо знать величину суммарной оползневой нагрузки, которую можно допустить на одиночную сваю исходя из ее геометрических размеров и прочностных свойств грунта.
Такая нагрузка может быть найдена на основе недопущения прорезания грунта свайным элементом. Суммарная критическая нагрузка может быть определена по формуле Белзецкого [30,31]
Поскольку в данном случае задача решается в горизонтальной плоскости, допускаемая нагрузка представляет собой боковое давление на перемещающийся грунт со стороны свайного элемента. При размещении свайных элементов в противооползневой конструкции особое значение имеет их равномерная нагрузка оползневым давлением на все элементы свайной конструкции, что также зависит от их взаимного расположения и прочности оползневого грунта. При этом необходимо знать критические расстояния между рядами свайных элементов, так и между осями одиночных свай. Минимальное расстояние между рядами свай в этом случае(39)
Методы оценки устойчивости оползневых склонов и прогноза их ползучести
Для восстановления земляного полотна и устройства противооползневых мероприятий были разработаны два варианта: устройство низовой ряжевой подпорной стены с каменным заполнением, заглубленной в коренные породы, и устройство низовой подпорной стены с основанием на буронабивных сваях. В каждом из вариантов предусматривался глубокий совершенный дренаж. Вариант перетрассировки всего участка дороги не рассматривался как явно неприемлемый в данных весьма стесненных условиях.
По варианту № 1 низовую ряжевую подпорную стену проектировали в виде прямоугольных ячеек, располагаемых в плане в три ряда и заполняемых камнем. Подошва ряжа заглублялась в аргиллиты. Высота лицевого ряда ряжевых ячеек достигала 10—11 м, ячейки второго и третьего рядов располагались уступами. Засыпка пазухи до верха ряжевой стены предусматривалась из камня. Устройство ряжевой стены требовало выполнения большого объема земляных работ, подбора и подготовки мест для размещения вывозимого грунта, изготовления и монтажа значительного числа железобетонных элементов для устройства ряжей.
Вариантом №2 предусматривалось устройство низовой каменной подпорной стены высотой 4 м с основанием на буронабивных сваях. В отличие от варианта № 1 глубокий дренаж смещался вверх, благодаря чему уменьшалась его глубина. Траншея глубокого дренажа разрабатывалась под защитой верховой подпорной стены, опирающейся на буронабивные сваи, которые служили анкерами для низовой стены. Объемы работ по предлагаемым вариантам приведены в табл. 1.3 Сопоставление данных, приведенных в табл. 1.4, а также ряд организационно-производственных преимуществ (обеспечение проезда во время работ, устранение возможности подсечки склона благодаря сваям верховой стены, значительное уменьшение объемов трудоемких ручных работ) послужили обоснованием для выбора варианта 2. Конструкция с буронабивными сваями по варианту № 2 (ее характерный поперечный разрез) приведена на. Следует отметить также, что применение буронабивных свай снизило строительные затраты на 23% и повысило надежность принятых решений. Представляет интерес еще один случай эффективного использования противооползневых конструкциях из буронабивных свай.
Земляное полотно автомобильной дороги располагалось на крутом склоне. Одной из причин оползня послужило то, что при строительстве заданные проектом размеры земляного полотна были увеличены за счет отсыпки излишних объемов грунта с доведением ширины обочины до 6—8 м вместо предусмотренных проектом 3 м. При этом, ввиду крутизны склона, достигавшей 25—30 (местами до 50), разность отметок» бровки земляного полотна и подошвы откоса составляла 6—12м. Нарушение проектных размеров земляного полотна выражалось также устройством более крутых откосов насыпи, чем это предусматривалось проектом. Крутизна откосов насыпи после завершения строительства была от 1:1,25 до 1:1,35, тогда как в проекте было принято 1:1,5. Нарушению устойчивости земляного полотна способствовала отсыпка излишнего грунта, производившаяся «с головы», т.е. непосредственно под откос без необходимого уплотнения и подготовки склона путем устройства полок.
В предшествовавшие годы до сдачи этого участка в эксплуатацию и в первый год после сдачи в двух местах возникли срывы земляного полотна дороги. В одном из упомянутых случаев вследствие очень крутого падения кровли коренных пород был построен балкон на буронабивных сваях. В другом — на участке, расположенном на повороте дороги, сдвинута трасса в нагорную сторону с врезкой земляного полотна в полку на уровень коренных пород. Крайне неблагоприятные погодные условия зимы и весны 1973 г., выразившиеся в выпадении большого количества атмосферных осадков в виде длительных моросящих дождей и мокрого снега, вызвали большое накопление влаги в грунтах и активизацию ряда оползней в Крыму.
Активизация рассматриваемого оползня проявилась вначале в виде заколов на обочине, по плоскостям которых затем произошел срыв насыпной части земляного полотна совместно с подстилающим грунтом склона.
Делювиальные отложения, представленные тяжелыми суглинками с включениями щебня и обломков известняка до 40—50%, подстилаются коренными песчаниками. Мощность покровных грунтов — 5— 14 м. Отмечены также грунтовые воды.
Проектом было предусмотрено на разрушенном участке дороги устройство стены в грунте из буронабивных свай со сборно-монолитным балконом общей длиной 32 м и свайно-грунтовой стены с железобетонным ростверком в уровне проезжей части дороги протяженностью 60 м на участке профилактического закрепления склона.
На участке восстановления разрушенной дороги удерживающая конструкция представляла собой стену в грунте из буронабивных свай. Она была заанкерована в несмещаемый массив посредством жестких железобетонных анкерных тяг, соединяемых с оголовками анкерных свай, которые заглублены в коренные породы. Сваи диаметром 1080 мм являлись несущими сваями стены в грунте и бетонировались в обсадных трубах без извлечения последних. Буронабивные сваи заполнения стены в грунте и анкерные сваи изготовлялись станком, оборудованным для свай диаметром 860 мм, стоящим на проезжей части с размещением сваи симметрично относительно оси дороги по 2,5 мв обе стороны.
Стена в грунте была рассчитана на активное давление грунта с учетом размещения на призме обрушения временной нагрузки, т. е. устройство низовой подпорной стены. Кроме того, в расчете учитывали постоянные и временные нагрузки, расположенные на балконе. Дня устройства свайно-грунтовой стены на участке профилактического закрепления склона применяли буронабивные сваи диаметром 860 мм, располагаемые в четыре ряда в шахматном порядке. В этом случае рассматривали пространственную систему из буронабивных свай диаметром 860 мм, упруго защемленных в коренных породах и объединениях поверху железобетонным ростверком, который обеспечивал упругоподатливое опирание голов свай. В результате расчетов были установлена целесообразность и надежность принятой конструкции. Монолитный железобетонный ростверк, на котором размещается вся проезжая часть, даже в случае просадки фунта под его подошвой обеспечивает беспрепятственный проезд по дороге. Строительство описанных выше противооползневых конструкций, включая отделочные работы, в общей сложности продолжалось 6 мес.
Прогноз влияния свайной конструкции на процесс ползучести оползневого массива
Для вьшолнения численного моделирования нами рассматривается некоторый произвольный массив, схема которого приведена на рис. 2.18. Его начальная скорость V0 принималась во всех случаях постоянной и была равна 5,0 см /год.
Данная скорость, согласно опубликованным данным [20] соответствует средней скорости ползучести оползневых массивов и, применительно к конструкциям земляного полотна автомобильных дорог, соответствует, так называемым, неблагоприятным - с позиций длительной устойчивости участкам, требующим вьшолнения ежегодных ремонтов земляного полотна и дорожных одежд. Кроме того, отметим, что назначение той или иной скорости начального смещения V0 оползневого участка не является принпипиальньгм, т.к. согласно формуле (2.76) это не влияет на сам характер ее изменения во времени. Именно по этой причине эта характеристика может быть принята во всех случаях постоянной, что, собственно, было и сделано.
Применительно к величине коэффициента динамической вязкости грунта оползневого массива г,то эта характеристика принимала в численном моделировании значение гц = 10-Ю10 Па с ; г\2 = Ю-1012 Па с и г)3 = 10 1014 Па с, что соответствует консистенции грунта оползневого массива от мягко -пластичной до полутвердой, т.е. достаточно полно охватывает реальный диапазон его состояний по плотности - влажности и консистенции.
Мощность оползневого массива в зоне расположения свайной конструкции изменялась (рис. 2.18).от 10,0 м до 16,0 м, что при принятой массе оползневого тела на 1 пог. м от 3 тыс. т до 8 тыс. т дает от 100 до 400 м длины развития оползневого массива по склону. Исходя далее из реально применяемых свайных конструкций, диаметр свай в численном моделировании изменился от 50 см до 1,2 м Таким образом, принятые при численном моделировании значения входящих в формулу (2.76) параметров находились в достаточно реальных пределах своих значений, обычно применяемых при практической реализации данного вида противооползневого сооружения. 2.5.3Результаты численного моделирования процессов вязкого обтекания грунтом свайной конструкции. На рис. 2.19. - 2.29. представлены зависимости скорости изменения во времени скорости вязкого обтекания свайной конструкции в зависимости от числа свай при тех или иных значениях массы оползневого тела, его мощности, вязкости грунта и радиуса свай. Для всех полученных функций V = f(t) характерным является затухание во времени деформаций ползучести, причем на характер этого затухания число свай, которые препятствуют процессу обтекания, играет весьма существенную роль. Так, например, увеличение в конструкции числа свай от 1 шт. до 2 шт. (см. 2.19 - 3.29) приводит к сокращению сроков достижения одной и той же скорости ползучести в два раза, а при увеличении до 5 шт. - примерно в 5 раз, по сравнению с одним рядом свай, сокращает эти сроки. На графиках функций V = f t,n) рис.2.19 - 2.29 можно проследить также влияние и других параметров конструкции и оползневого массива, однако это удобнее сделать путем их перестроения, полагая, что число свай n = const. Так, на рис. 2.30 представлена зависимость вида V = f(t,h), описывающая характер изменения скорости ползучести оползневого массива во времени при различной его мощности или, что - то же самое, рабочей длины свай. Из ее анализа следует, что чем больше рабочая длина сваи, тем интенсивнее идет процесс загасання скорости ползучести во времени при всех прочих равных условиях. Аналогичным образом, но более эффективно, сказывается на интенсивность изменения скорости ползучести во времени увеличение диаметра свай, что видно из анализа кривых функции V = f (t,r) - рис. 2.31. Увеличение веса вовлеченных в оползневой процесс оползневых масс, рост масштабов оползневого массива, т.е. его длины, мощность активной зоны, приводящих к росту инерционных сил существенным образом, при постоянных значениях других параметров, приводит к более медленному затуханию скорости обтекания и снижению эффективности свайной конструкции, что следует при рассмотрении графика функции V = f(t,m) -рис. 2.32. Весьма любопытными оказываются результаты расчетов, полученные применительно к характеру изменения скорости ползучести оползневого массива в зависимости от вязкости глинистого грунта оползневого массива — рис.2.33. Так, при вязкости п = 10-1010 Па с и при п = 3 шт. свай, эффективность свайной конструкции оказывается слабой, еще раз подтверждая нецелесообразность использования данного мероприятия для стабилизации оползневых масс, находящихся в пластичной и мягкопластичной консистенции. Увеличение вязкости грунтов до г) = 10 10 Пас приводит (см. рис. 2.33) к тому, что уже через 3 года скорость ползучести оползневого массива снижается на 85%! Дальнейший рост вязкости грунта до величин г) = 1010 Па с дает практически полное затухание ползучести и стабилизацию оползневого массива уже через 2 месяца после устройства свайной конструкции - рис. 2.33.
Оценка особенностей и величины оползневого давления на первом участке
Проведенный выше теоретический анализ выявил весьма важные особенности формирования оползневого давления на свайную удерживающую конструкцию, величина которого определяется разновидностью грунта, его прочностными и реологическими свойствами, стабильностью оползневого массива, расположенного ниже свайной конструкции, а также условиями взаимодействия ее с наползающим фунтом.
В данном разделе диссертационной работы представлялось целесообразным рассмотреть и проанализировать условия и особенности стабилизации свайной конструкцией реальные оползневые участки автомобильных дорог с учетом выявленных выше особенностей. При этом нами анализу подвергались такие участки, по которым на кафедре имелись достаточно полные данные по инженерно-геологическим исследованиям. Особую ценность представляли имеющиеся сведения по физико-механическим и реологическим свойствам оползневых грунтов, а также данные по результатам наблюдений за смещением оползневого массива во времени и другим столь же необходимым в данном случае вопросам
Анализируемый оползневый участок расположен на 20 километре автомобильной дороги Ялта - Севастополь. Дорога проходит по горному склону на отметках 195 — 205 метров над уровнем моря и пересекает широкий лог со сравнительно спокойным и плавным рельефом (крутизна около 12) насыпью высотой 6-9 метров. Основание насыпи сложено делювиальными накоплениями, мощность которых не превышает 5-7 метров. Они представлены тяжелым пылеватым суглинком с содержанием до 30% щебня, известняка и песчаника. Делювиальный чехол подстилается коренными породами Таврической свиты (Т3 + Ji), представленными сложно дислоцированными отложениями глинистых сланцев с прослоями песчаника.
После строительства автомобильной дороги (1965 г) в результате пригрузки склона насыпью, вес которой составляет около 30 тыс. тонн, в январе 1966 года на данном участке начались оползневые деформации, в результате которых на дорожном покрытии из асфальта-бетона появилась серповидная трещина, которая определила контуры головной зоны сформировавшегося оползня.
В конце 1966 года в целях стабилизации участка были проведены противооползневые мероприятия: построена низовая подпорная стенка с дренажем и выполнена частичная пригрузка склона выше подпорной стенки.
Однако проведенные мероприятия оказались не эффективными вследствие недостаточной прочности как самой подпорной стенки, сложенной из каменных блоков на цементном растворе, так и ее фундамента, заложенного в недостаточно прочную элювиальную зону коренных отложений, представленных глинистыми сланцами Таврической свиты. В результате неблагоприятных погодных условий и большого увлажнения тела оползня в 1967 году, вскоре после окончания строительства противооползневых сооружений, вновь стали проявляться деформации земляного полотна и прилегающих склонов. Деформация земляного полотна в конечном итоге в форме локальной зоны опускания стала хроническим явлением. Ремонт осуществляется путем засыпки через 2-3 года этой зоны щебнем с последующим асфальтированием. При этом грунтом подсьшалась обочина, и восстанавливались ограждающие столбики.
В 1968 году лабораторией земляного полотна Союздорнии были организованы систематические инструментальные наблюдения за характером смещения оползневого участка. План оползневого участка и инженерно-геологические разрезы приведены на рис. 3.1 и 3.2. В конце 1970 года по заданию Союздорнии, Киевским филиалом Союздорпроекта бьшо проведено повторное обследование оползневого участка с целью уточнения его инженерно-геологического строения и физико-механических свойств грунтов. На основе этих данных бьшо проведено проектирование свайной противооползневой конструкции и конструкции анкерной. Однако реализованы они не были. Принципиальным для нас в настоящее время является возможность провести сравнение результатов расчетов, выполненных Союздорпроектом, в частности, по величине оползневого давления на свайную конструкцию, с результатами, полученных нами на основе принципов учета сил сопротивления той части оползневого массива, который расположен ниже свайной конструкции, т.е. на основе выводов, сделанных при рассмотрении в главе 2, теоретической схемы работы свайной конструкции. Применительно к представленному на рис. 3.2 инженерно-геологическому разрезу оползневого участка расчетная схема для определения степени его устойчивости и всех последующих операций была принята в виде, отраженном на рис. 3.3. Плотность грунта в пределах оползневого массива р = 2,0 т/м , угол внутреннего трения грунта во влажном состоянии по плоскости скольжения фуу = 13, сцепление связности Sw = 1,0 т/м2 (или 1,0 МПа). Результаты расчета степени устойчивости на ЭВМ по методу горизонтальных сил представлены в таблице 3.1. Здесь принято, что: И; - оползневое давление в единичном блоке (т/м1); Т, - силы трения и сцепления в основании единичного блока (т/м ); Ei - оползневое давление единичного блока с учетом действующих сил трения и сцепления (т/м1); Oj - угол наклона к горизонту плоскости скольжения в единичном блоке.
