Full Text

Введение Аварии геотехнического характера являются наиболее частыми повреждениями транспортных сооружений [1-15]. Анализ и опыт их ликвидации являются важной составляющей знаний исследователей и практических специалистов. В настоящей статье рассматриваются три случая повреждений дорожных объектов, характеризующие разнообразие причин и условий возникновения аварийных ситуаций геологического происхождения. 1. Локальные повреждения оползнем конуса моста и откоса дорожной насыпи Автомобильная дорога с двумя параллельными мостами длиной 163 м, состоящими из четырех пролетов по 33 м и крайнего (со стороны произошедшей аварии) длиной 24 м, пересекает широкую долину с водотоком шириной 0,5-1,5 м глубиной до 0,3 м. Высота подходной насыпи у конца моста 7,5 м. Описание геологического строения берегового склона, основания подходной насыпи, конуса и устоя моста представлено на рис. 1. После пяти лет эксплуатации дороги на прилегающей территории образовался оползень, который захватил боковую часть конуса моста и откосную часть контактирующего с мостом земляного полотна дороги на участке длиной 5-10 м. На поверхности склона возникли многочисленные трещины шириной 10-20 см со смещениями кромок по вертикали от 10 до 40 см. Зона наблюдаемых локальных повреждений захватила конус моста, откос насыпи, распространилась в сторону от дороги на ширину порядка 70 м и на 70-80 м вдоль склона в направлении тальвега. Зафиксирована стенка отрыва оползня в виде трещины растяжения длиной более 10 м, шириной 20-50 см с превышением верхнего плеча трещины над нижним около 70-80 см. В зоне оползневых явлений отмечены кусты растений, характерные для местности с высоким уровнем грунтовых вод. Рис. 1. Фрагмент инженерно-геологического разреза берегового склона: 1 - насыпной грунт, смесь мягкопластичного суглинка, рыхлого песка средней крупности; 2 (3) - суглинки тугопластичные с показателем текучести IL = 0,26 (0,31), плотностью ρ = 1,95 г/см3, углом внутреннего трения φ = 17° (14°), удельным сцеплением с = 16 (15) кПа, модулем деформации Е = 8,5 (13) МПа; 4 - кора выветривания - суглинок IL = 0,28, ρ = 1,81 г/см3, φ = 16°, с = 11 кПа с включением дресвы и щебня известняка; 5 - кора выветривания - глина полутвердая IL = 0,12; 6 - известняк средней прочности, в кровле слабовыветрелый; 7 - след предполагаемой поверхности скольжения; 8 - буровые скважины Fig. 1. Fragment of engineering geological cross-section; 1 - landfill, mixt of soft-plastic loose medium grained sand; 2 (3) - tight-plastic loams with liquidity index IL = 0,26 (0,31), density ρ = 1,95 g/cm3, angle of internal friction φ = 17° (14°), specific cohesion с = 16 (15) kPа, deformation modulus Е = 8,5 (13) MPа; 4 - weathering crust - loam IL = 0,28, ρ = 1,81 g/cm3, φ = 16°, с = 11 kPа with inclusion rock clack and limestone road metal; 5 - weathering crust - semi-hard klay IL = 0,12; 6 - middle strength limestone, feebly weathering in the roof; 7 - sigh of assume slide surface; 8 - bore hole На устое, конусе и земляном полотне у конца моста со стороны оползневой части склона произошли следующие повреждения: - трещины со смещением кромок до 20-30 см на откосе земляного полотна; - смещение вдоль откоса обочины дороги и лестничного схода; с целью сохранения проезда по дороге на обочине у бровки земляного полотна эксплуатирующей организацией были уложены бетонные блоки общей высотой 1 м; - оседание конуса под мостом с обнажением конструкций устоя; - разрушения укрепления конуса в пределах его закруглений и уходящие под мост на ширину до 5 м; - излом дренажной трубы под переходной плитой за устоем моста; - небольшие горизонтальные деформации (2-4 мм) резинометаллических опорных частей трех крайних балок с уменьшением зазора между торцами балок и шкафной стенкой устоя. Форма нарушения устойчивости берегового склона - «оползневой сдвиг покровных грунтов по одной или нескольким криволинейным поверхностям скольжения» [16] вследствие подъема уровня грунтовых вод и избыточного увлажнения слабых глинистых слоев. Предполагаемая нижняя граница поверхностей скольжения пролегает в толще обводненных тугопластичных суглинков (см. рис. 1). Причинами активизации оползня предполагаются: - периодические подъемы уровней грунтовых вод в связи обильными летними осадками предыдущего года, которые продолжились осенью в период формирования оползня, и затем таянием снега в весенний период при появлении визуальных признаков оползня; - наличие на поверхности склона площадок, не защищенных растительностью, в том числе участка, покрытого рыхлым насыпным грунтом, который не был убран после окончания строительства; - возможное ослабление защитных свойств растительного покрова в связи с использованием склона для выпаса скота. Характерно, что расширение оползня, зародившегося в стороне от дороги, было односторонним, происходило не под мост, а в противоположную сторону. Это объясняется тем, что фундаменты устоя и двух промежуточных опор моста на нисходящей части склона были построены в виде достаточно мощных, заделанных в основание свайных конструкций, способных воспринять значительные горизонтальные нагрузки. Фундаментные конструкции опор моста сыграли роль противооползневой системы, удержавшей перемещение грунтовых масс в основании под мостом. Противооползневая защита в пределах полосы отвода дороги и ремонт поврежденных конструкций состояли из следующих действий: 1. Частичная разборка (на период ремонтных работ) конструкций конуса, засыпки за устоем, сопряжения моста с насыпью, земляного полотна, дорожной одежды и барьерных ограждений, лестничных сходов на подходе у конца правого моста. Размеры разбираемого участка подхода: в продольном направлении 11 м, в поперечном направлении 5,25 м. Заложение откосов разобранных частей конуса и земляного полотна 1,5. Сохранение проезда на подходе у поврежденного конца моста по одной полосе общей шириной 5,75 м с организацией движения по временной схеме. 2. Устройство на площадке, образованной после временной разборки части конуса и засыпки за устоем, противоползневой конструкции по схеме на рис. 2, состоящей из 16 буронабивных свай диаметром 1,2 м с армированием 21Ø28А400, попарно объединенных железобетонными ригелями. Ригели, соединяющие по две сваи, попарно объединялись между собой в поперечном направлении короткими железобетонными диафрагмами (рис. 3). Принятый способ объединения в свайные кусты направлен на придание сваям формы изгиба, обеспечивающей наибольшую несущую способность по горизонтальной нагрузке. По расчетам [12, 13, 17, 18] при принятых схемах свайных ростверков, условиях их пересечения расчетной линии скольжения и заделки в основание одна буронабивная свая способна принять на себя часть оползневого давления в размере 500 кН. Противооползневая удерживающая конструкция защитила от оползня береговое сооружение моста и подходную насыпь. Ее расчет основан на предположении о том, что до инженерного вмешательства оползневое тело склона находилось в предельном равновесии, т.е. равенстве сдвигающих и удерживающих горизонтальных сил. Величины этих сил в пределах прилегающей к мосту и подходу части оползня определены по расчету в размере 23,9 МН (2390 т). Расчетная несущая способность противооползневой конструкции, состоящей 16 буронабивных свай с несущей способностью одной сваи по горизонтальной силе 500 кН (0,5 МН), составляет 8,0 МН. Сумма удерживающих сил составляет 23,9 + 8,0 = 31,9 МН. Коэффициент запаса несущей способности, определяемый как отношение удерживающих и сдвигающих сил (31,9/23,9), составил 1,34, что обеспечило ликвидацию произошедшей аварии. 3. Восстановление и приведение в соответствие с первоначальным проектом всех временно разобранных и поврежденных конструкций конуса, дренирующей засыпки, подхода к мосту, лестничного схода. Усиление откосного укрепления восстанавливаемой части конуса путем замены железобетонных плит на габионы и удерживающие георешетки. Рис. 2. Схема противооползневой конструкции (размеры в см); а - расположение буронабивных свай в плане, план строительной площадки; б - поперечный разрез; 1 - буронабивные сваи диаметром 1,2 м с армированием 21Ø28А400; 2 - железобетонные ригели; 3 - оголовок устоя моста; 4 - габионы; 5 - направление автомобильной дороги; 6 - контур конуса и насыпи до ремонта; 7 - быстроток; 8 - контур насыпи после ремонта; 9 - зона проезда во время ремонтных работ; 10 - временно разбираемая часть земляного полотна; 11 - суглинки тугопластичные; 12 - кора выветривания - суглинок с включением дресвы и щебня известняка; 13 - известняк средней прочности, в кровле слабовыветрелый; 14 - шпунтовый ряд Fig. 2. Landslide preventing construction scheme; а - boring piles plan disposition, building platform plan; b - cross-section; 1 - boring piles 1,2 m diameter with 21Ø28А400 reinforcing; 2 - reinforced concrete beams; 3 - upper part of bridge abutment; 4 - gabions; 5 - road direction; 6 - bridge cone and embankment contour before the repair; 7 - water passing pipe; 8 - embankment contour after repair; 9 - passage sone on repair works time; 10 - temporary disjoined part of embankment; 11 - tight-plastic loams; 12 - weathering crust - loam with inclusion rock clack and limestone road metal; 13 - middle strength limestone, feebly weathering in the roof; 14 - sheet pile wall Рис. 3. Береговое сооружение моста на стадии завершения ремонтных работ Fig. 3. Bridge shore structure on the repair store works completion stage 4. Устройство надежно организованного водоотвода с проезжей части моста, обеспечивающего защиту от замачивания конуса и сопряжения моста с подходом. 5. Ликвидация в подмостовой зоне повреждений, связанных со склоновым процессом и образованием поверхностных трещин, возникших вследствие проникновения сточной воды. 2. Авария и восстановление участка автомобильной дороги на пересечении склона долины Автомобильная дорога второй технической категории (ширина земляного полотна 15 м, проезжей части 7,5 м, расчетная скорость 120 км/ч), существующая около 40 лет, пересекает широкую долину. Водоток на пересечении склонов долины пропускает водопропускная труба из двух прямоугольных отверстий с размерами 4,0×2,5 м длиной 67,4 м, состоящая из звеньев длиной 0,75 и 1 м. Наблюдаемые аварийные явления зафиксированы впервые. На аварийном участке протяженностью 200 м автомобильная дорога проходит в насыпи высотой от 6 до 16,30 м. Земляное полотно состояло из насыпных тугопластичных и мягкопластичных суглинков. Переувлажнение грунтов насыпи произошло под воздействием большого количества атмосферных осадков (обильного снеготаяния и дождей), с которым не справилась система водоотвода. Местное понижение уровня проезда образовалось в связи с раcползанием в стороны откосов грунта земляного полотна вследствие потери прочности и пластических деформаций, динамического воздействия автотранспорта, увеличения нагрузки от веса дополнительных слоев асфальтобетона, укладываемых с целью поддержания уровня проезда на аварийном участке. Геолого-литологические колонки, пробуренные через тело насыпи и верхние слои основания, показали, что осадки основания были обычными (в пределах 0,5 м), произошли давно и не повлияли на понижение уровня проезда. Основание земляного полотна и примыкающей оползневой части склона долины на глубину от 3 до 11 м сложено мягко- и тугопластичными суглинками с прослоями дресвы карбонатов и водонасыщенного песка. Подстилающие грунты - полутвердые суглинки и глины. Аварийные явления включали следующие деформации: - локальный оползень (или оживление древнего оползня) с перемещениями покровных слоев на прилегающей к дороге части склона пересекаемой долины; - пластические деформации земляного полотна на участке протяженностью 200 м, на части которого (длиной 100 м) произошла потеря устойчивости по криволинейной поверхности скольжения, захватывающей проезжую часть и насыпь на полную высоту; - осадку звеньев трубы с образованием застоя воды на участке 20 м вследствие переувлажнения и деформаций грунтов основания. Указанные явления связаны с разными проявлениями переувлажнения грунтов вследствие обильных летних дождей и таяния снега следующей весной. Уровень подземных вод практически достиг поверхности склона. На увлажнение покровных грунтов территории, прилегающей к дороге, могло повлиять создание водоема с плотиной в 1 км ниже по течению водотока. Направления движения грунтовых масс на склоне (покровный оползень) параллельны оси дороги, пластические деформации земляного направлены под углом, близким к нормали по отношению к оси дороги. Покровный оползень и пластические деформации земляного полотна первоначально протекали раздельно и независимо. Со временем территории этих явлений соединились, что способствовало их прогрессированию. В начале ремонтных работ (до выхода из строя аварийного участка вследствие потери устойчивости насыпи) был построен временный объезд, на который перенесено движение по дороге, и ликвидирован водоем ниже по течению. Ремонт земляного полотна. Границы ремонтных работ расширены (по отношению к двухсотметровому участку повреждений) до 300 м, где были реализованы следующие проектные решения (рис. 4): 1. Замена грунта верхней части существующей насыпи привозным мелким песком с армированием слоями из полиэфирного двухосного геополотна с разрывной нагрузкой 400/400 кН/м с шагом по высоте 0,5 м. Внутренняя часть земляного полотна высотой 5-10 м, сохраняющая структурную прочность, оставлена без инженерного вмешательства. 2. Придание внешнему контуру земляного полотна формы в соответствии с рис. 4: - заложение откосов новой верхней части земляного полотна 1:1,75; - устройство с внешних сторон сохраняемой части насыпи присыпных берм из привозного грунта шириной 5 м с заложением откосов 1:2 и армированием обоймами из геополотна с разрывной нагрузкой 100/100 [19]; - укрепление откосов засевом трав по слою растительного грунта. 3. Устройство организованного водоотвода с поверхности дорожной одежды и земляного полотна. Слабый грунт верхнего слоя основания насыпи (мягкопластичный суглинок) частично заменен привозным грунтом и призмой из щебеночно-песчаной смеси. На участке протяженностью 100 м, где произошла потеря устойчивости земляного полотна, основание под откосной частью бермы усилено дискретными грунтоцементными армирующими элементами толщиной 150 см с шагом 4,5 м путем нагнетания цементного раствора струйным способом [3, 20]. Армирующие элементы расположены перпендикулярно к оси насыпи и защищают от сдвига земляное полотно совместно с основанием в поперечном направлении к оси дороги. Расчеты устойчивости земляного полотна выполнены для нескольких сечений, нормальных к оси дороги, и одного косого сечения под углами 36-60° к оси дороги, на котором до ремонта произошла потеря устойчивости. Расчеты выполнены в программном комплексе PLAXIS 2D [21] методом «понижения tg φ и с» с использованием положений справочного пособия [19]. Устойчивость земляного полотна исследовалась в условиях до ремонта и с реализацией мероприятий по проекту. В расчетах принималась длительная прочность геополотна путем снижения разрывной нагрузки с 400/400 до 185/185 кН/м. Результаты расчетов удовлетворительно совпали с фактами и подтвердили надежность проектных решений. Устойчивость земляного полотна совместно с основанием по сечениям, нормальным к оси дороги, получена обеспеченной с коэффициентами запаса 1,32-1,55 до ремонта и 1,58-1,70 после ремонта по проекту. Расчет сечения, проведенного под углами 36-60° к оси дороги, показал недостаточную устойчивость (коэффициент запаса 1,01-1,14) до ремонта, что соответствует факту обрушения земляного полотна, и обеспеченность стабильного состояния (коэффициент запаса 1,43-1,54) после ремонта в соответствии с проектом. Рис. 4. Расчетное сечение земляного полотна (размеры в см); 1 - контур насыпи до ремонта; 2 - контур насыпи после ремонта; 3 - обоймы из геополотна с разрывной нагрузкой 400 кН/м; 4 - обоймы из геополотна с разрывной нагрузкой 100 кН/м; 5 - уровень грунтовых вод; 6 - граница замены грунта; 7 - грунтоцементный элемент; 8 - замена грунта; 9 - насыпь φ = 32°, Е = 15 МПа; 10 - насыпь глина тугопластичная φ = 14°, с = 29 кПа, Е = 3 МПа; 11 - глина тугопластичная φ = 13°, с = 25 кПа, Е = 11 МПа; 12 - суглинок тугопластичный φ = 19°, с = 19 кПа, Е = 12 МПа; 13 - суглинок полутвердый φ = 20°, с = 25 кПа, Е = 20 МПа; 14 - глина полутвердая φ = 18°, с = 35 кПа, Е = 22 МПа; 15 - временная вертикальная нагрузка 83,2 кПа Fig. 4. Embankment calculation cross-section; 1 - embankment contour before the repair; 2 - embankment contour after repair; 3 - geo-linen band with gaping force 400 kN/m; 4 - geo-linen band with gaping force 100 kN/m; 5 - ground water level; 6 - substitute soil frontier; 7 - soil-cement element; 8 - soil substitute; 9 - embankment φ = 32°, Е = 15 MPа; 10 - embankment tight-plastic clay φ = 14°, с = 29 kPа, Е = 3 MPа; 11 - tight-plastic clay φ = 13°, с = 25 kPa, Е = 11 MPa; 12 - tight-plastic loam φ = 19°, с = 19 kPa, Е = 12 MPa; 13 - semi-hard loam φ = 20°, с = 25 kPa, Е = 20 MPa; 14 - semi-hard clay φ = 18°, с = 35 kPa, Е = 22 MPa; 15 - temporary vertical load 83,2 kPа Стабилизация покровного оползня осуществлена следующими способами: - устройство поперечного перехватывающего (на верхней части склона) и трех продольных водопонижающих дренажей глубиной до 4,5 м; - восстановление уничтоженного растительного покрова на верхней части склона путем укладки дерновой ленты. Кроме того, удержанию оползня способствуют грунтоцементные армирующие элементы в основании, которые пересекают расчетную (предупреждаемую расчетом) поверхность скольжения под откосной частью земляного полотна. Усиление основания водопропускной трубы. Земляное полотно над трубой было временно разобрано (для возможности выполнения ремонта тела трубы без демонтажа блоков) и восстановлено после выполнения ремонтных работ. Восстановление несущей способности основания трубы осуществлено путем закрепления грунтов нагнетанием цементного раствора по струйной технологии [20]. Мощность слоя, закрепленного цементацией текучепластичного суглинка в основании трубы, 5 м. Ниже залегает мелкий водонасыщенный песок с достаточной несущей способностью. После усиления основания был выполнен ремонт конструкций с сохранением звеньев и восстановлено эксплуатационное состояние трубы. 3. Вынос частиц грунта (суффозия) из борта выемки Автодорожный путепровод по схеме на рис. 5 построен на пересечении с длительно существующей однопутной железной дорогой, проходящей в выемке. При приемке мостового сооружения в эксплуатацию в конусе под первым пролетом (слева на рис. 5) была замечена просадка железобетонных плит откосного укрепления. Приемка объекта в эксплуатацию была отложена до выяснения причин и устранения неисправности. Рис. 5. Продольный разрез мостового сооружения и поперечное сечение железной дороги, проложенной в выемке; 1 - природный уровень и направление грунтовых вод; 2 - противофильтрационные экраны; 3 - песок мелкий водонасыщенный; 4 - глина полутвердая и твердая; 5 - дренирующие засыпки за устоями Fig. 5. Longitudinal section of the bridge and cross-section of railway, constructed in hollow; 1 - natural level and ground water direction; 2 - watertight diaphragm; 3 - fine water-saturated sand; 4 - semi-hard and hard clay; 5 - behind abutments draining prisms Причина повреждения заключалась в следующем. Строители железной дороги, построенной задолго до строительства путепровода, учли природное течение грунтовых вод, пересекавшее область выемки (до ее раскрытия) слева направо согласно схеме 1 на рис. 5. На бортах выемки были устроены противофильтрационные экраны из глины, предназначенные для отвода воды в сторону, параллельно железной дороге, которая до строительства путепровода находилась в нормальной эксплуатации. Возможно, под противофильтрационными экранами существовал дренаж, но это не было установлено, так как при устройстве площадки для строительства путепровода выемка была расширена (рис. 6). Противофильтрационные конструкции были разобраны. При восстановлении откосов и размеров выемки на место глиняных экранов были уложены обычные водопроницаемые грунты. Следствием этого стал вынос частиц (суффозия) природного песчаного грунта под конусом, что стало причиной просадок железобетонных плит. Рис. 6. План и разрез строительной площадки: 1 - строительная площадка; 2 - железнодорожные пути; 3 - срезка; 4 - подсыпка; 5 - оси опор путепровода Fig. 6. Plan and section of building platform: 1 - building platform; 2 - railways; 3, 4 - building platform leveling; 5 - bridge abutments axises Рис. 7. Схема восстановления противофильтрационного экрана и отвода грунтовых вод: 1 - песок мелкий водонасыщенный; 2 - глина полутвердая и твердая; 3 - уровень грунтовых вод; 4, 5 - противофильтрационный экран из глины и граница его восстановления; 6 - асбоцементные трубы диаметром 150 мм длиной 20 м; 7 - укрепление конуса бетонными плитами Fig. 7. Scheme of watertight diaphragm restoring and ground water drawing aside: 1 - fine water-saturated sand; 2 - semi-hard and hard clay; 3 - ground water level; 4, 5 - clay watertight diaphragm and the frontier of its restoring; 6 - asbestos-cement pipes with diameter 150 mm, length 20 m; 7 - concrete slabs protection of cone surface Эксплуатационное состояние путепровода было восстановлено после разборки конуса, части подходной насыпи, устройства нового противофильтрационного экрана с трубчатым дренажом и последующего восстановления всех конструкций по проекту (рис. 7). Заключение Отличием первых двух аварий является их возникновение после продолжительного срока эксплуатации объектов. Большинство подобных аварий в сложных инженерно-геологических условиях происходит в процессе строительства по причинам, связанным с изменением свойств грунтов в результате инженерного вмешательства в природную обстановку. Третий случай из инженерной практики является примером невнимания проектировщиков и строителей к гидрогеологическим условиям пересекаемого объекта. Вместе с тем заслуживает быть отмеченным технически корректное строительное решение обводненной железнодорожной выемки. Содержание статьи показывает значимость инженерно-геологического обоснования при проектировании объектов транспортного строительства. Из этого следует необходимость внимания и совершенствования подготовки инженеров-строителей по дисциплинам, связанным с геотехникой и инженерной геологией.

About the authors

D. M Shapiro

Voronezh State Technical University; “Centre-Dorservis” Ltd

A. P Tyutin

“Centre-Dorservis” Ltd

References

Statistics

Views

Abstract - 761

PDF (Russian) - 351

Refbacks

• There are currently no refbacks.