CC BY
42Особенности проектирования и строительства армогрунтовых сооружений при инженерной подготовке территорий
УДК 624.137.5
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА АРМОГРУНТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРИ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКЕ ТЕРРИТОРИЙ
Слепнев П. А.
Национальный строительный исследовательский университет Московский государственный университет,
129337, г. Москва ^Ярославское шоссе ,д. 26,
Аннотация. Показана актуальность проведенного исследования в области проектирования и строительства подпорных стен и насыпей повышенной крутизны, в том числе армогрунтовых конструкций, как альтарнативного решения монолитным и сборных железобетонным конструкциям. Рассмотрена необходимость использования армогрунтовых конструкций при строительстве в стесненных условиях сложившейся городской застройки, а также на вновь осваиваемых территориях при их инженерной подготовке. Обосновано использование армогрунтовых конструкций при освоении ранее не используемых территорий с точки зрения экономической составляющей проекта благоустройства территорий.
Ключевые слова: Стесненные условия строительства, инженерная подготовка, армированный грунт, укрепление откосов, расчетные схемы.
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное освоение городских территорий, точечная застройка,а также застройка ранее «неудобных» территорий приводят к тому, что при инженерной подготовке территорий все чаще возникает необходимость использовать инженерные приемы при организации рельефа. В целях уменьшения полосы отвода для сооружения в стесненных условиях (наличие зданий, коммуникаций, автомобильных дорог) возникает необходимость возведения подпорных сооружений или откосов имеющих не нормативный угол заложения. Намаловажным фактором при реализации проектных решений на вышеуказанных территориях является наличие опасных экзогенных геологических процессов (оползневых, эрозионных, карстовых и др.). В последнее время, наряду с традиционными конструкциями подпорных стен из
монолитного железобетона, всё более широкое распространение получают сооружения из армированного грунта, которые представляют собой искусственное сооружение, выполненное посредством послойного армирования грунта насыпи геосинтетическими материалами[1]. При этом, в зависимости от принятого проектного решения, армогрунтовые конструкции могут быть реализованы в различных видах. Они могут быть устроены с различным углом заложения, различной облицовкой, и различным положением в плане. Облицовка армогрунтовых конструкций может быть выполнена из монолитного железобетона, сборных бетонных блоков и даже с использованием газонных трав (рисунок 1). Угол заложения таких конструкций как правило может находиться в диапазоне от 30 до 90 градусов, в зависимости от задачи, решаемой с использованием данных конструкций.
Рис. 1 Примеры выполнения армогрунтовых конструкций: а) с облицовкой сборными блоками; б) с облицовкой газонными травами.
Fig. 1 Examples of the implementation of armorgrunt structures: a) with the lining of prefabricated blocks; b) with the lining of lawn grass.
Одним из показательных примеров строителстава различных типов армогрунтовых систем является объект: «Реконструкция транспортной развязки на 21 км автомобильной дороги М-5 "Урал", Московская область».
При строительстве съездов на данной развязке реализованы армогрунтовые системы с облицовкой габионами (рисунок 2).
Рисунок 2 Устройство облицовки из коробов габиона.
Fig. 2 Arrangement of the cladding from the boxes of the gabion
Целью данного исследования является реализация научно-методологического подхода обеспечения экологической безопасности при проектировании и строительстве сооружений с использованием армогрунтовых конструкций.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Согласно исследованиям Тимофеевой Л.Н., Щербины Е.В., В.П Подольского, А.В.Глагольева, П.И. Поспелова, А. Видаля, К. Джоунса и др. -армированный грунт, представляет собой композитный строительный материал, состоящий из слоев уплотненного грунта, между которыми заложены армирующие элементы, воспринимающие значительные растягивающие усилия при небольших и допустимых для эксплуатационной надежности сооружения деформациях в течение расчетного срока эксплуатации[2]. Армированный грунт, в некоторой степени, аналогичен железобетону, при этом в одном случае арматура связана с грунтом, в другом - с бетоном.
В то же время, на ряду с традиционными, армогрунтовые конструкции лишены многих недостатков, свойственных конструкциям из железобетона[3]:
- трудоемкость монтажа арматурных каркасов и опалубки;
- большой объем высокопрочного бетона и арматуры, требуемый для их сооружения;
- длительное время выдержки бетона для набора прочности;
- дополнительные затраты на производство работ в холодное время года.
Особенностью и преимуществом данных систем является:
- высокая эффективность сооружения;
- уменьшение площади отвода земли;
- сокращение объема привозного заполнителя и возможность его замены на мест-ный грунт;
- возможность создания откосов с углом заложения до 90° включительно;
- минимальные затраты при строительстве и простота проведения работ;
- значительное снижение стоимости строительства по сравнению с традиционны решениями.
В России первые армогрунтовые системы были построены с использованием анкерных элементов в виде арматурных каркасов. В стенках Видаля использовались ленты из нержавеющей стали. С появлением синтетических рулонных материалов практика строительства армогрунтовых систем практически полностью перешла на геосинтетические материалы из полиэстера (PES), полиэтилена (PE), полипропилена (PP), поливинилалкоголя (PVA) и других полимеров и композитных материалов [4].
Учитывая надежность армогрунтовых сооружений, необходимо отметить что использование геосинтетических материалов требует высокой культуры производства, дорогостоящего оборудования и лабораторной базы с квалифицированным персоналом для исследования геосинтетиков и геопластиков с целью определения их физико-механических характеристик.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
При расположении в грунте в пределах сектора растягивающих деформаций армирование нарушает однородный характер деформаций, который существовал бы при отсутствии арматуры, и препятствует образованию в грунте непрерывных поверхностей обрушения, в результате чего грунт приобретает повышенную жесткость и прочность на сдвиг. По мере того, как грунт деформируется, в нем мобилизуется сопротивление сдвигающим нагрузкам, а деформации грунта вызывают деформацию арматуры, что приводит к дальнейшему возрастанию прочности армированного грунта.
Вследствие сил трения, развивающихся на контакте грунта с армирующими элементами, в грунте появляются сжимающие напряжения, а в армирующих элементах - растягивающие. Армированный грунт благодаря этому приобретает свойство воспринимать не только сжимающие усилия, но и растягивающие, что создает возможность придавать грунтовым сооружениям совершенно новые конструктивные формы.
В зависимости от назначения и эксплуатационного срока службы конструкции возможно использовать различную проектную прочность арматуры:
1) Временные армогрунтовые подпорные структуры с гибкими облицовками, структуры низкой значимости могут иметь деформацию от 2 до 5%;
2) Армогрунтовые подпорные стены с жестким облицовками и важные объекты - 1% на весь расчетный срок службы;
3) Армогрунтовые устои мостов и путепроводов - 0,5% на весь расчетный срок службы (120 лет)[5].
Для подбора армирующего материала, используемого в армогрунтовой системе, и определения глубины и шага армирования необходимо произвести комплекс расчетов по определению внутренней и внешний устойчивости конструкции.
Армогрунтовые системы любого назначения рассчитываются по двум группам предельных состояний:
- к первой группе предельных состояний относятся такие формы разрушения или повреждения конструкции, которые полностью исключают возможность ее эксплуатации;
- ко второй группе предельных состояний относятся повреждения и деформации конструкции, которые исключают возможность нормальной эксплуатации сооружения [6,7]. На рисунке 3 показаны схемы возможных разрушений армогрунтовых систем/
Рис3. Схемы возможных разрушений армогрунтовых систем:
а) - адгезионное разрушение - выдергивание армирующих прослоек из грунта; б) - разрушение от разрыва армирующих прослоек; в) - сдвиг конструкции по плоскости основания; г) - опрокидывание конструкции вокруг переднего ребра; д) - сдвиг по круглоцилиндрической или иной поверхности скольжения; е) -разрушение от разрыва вследствие осадок основания[8,9,10].
Fig. 3. Schemes of possible destruction of armogrunt systems:
- adhesion failure - pulling reinforcing interlayers from the ground; b) destruction from breaking of reinforcing layers; c) - displacement of the structure along the base plane; d) - overturning the structure around the front edge; e) - a shift along a circular cylindrical or other sliding surface; e) - destruction from rupture due to base sediment [8,9,10].
Для обеспечения полноценной эксплуатации проектируемых армогрунтовых сооружений необходима проверка следующих условий:
- подбор марки армирующего материала, которая определяется исходя из следующих условий:
N =Р ■АН
макс макс
где АН - шаг армирования, м;
Р max - наибольшая ордината в суммарной эпюре интенсивности активного давления, кН/м2.
- определение длины защемления армирующего материала в неподвижной части грунта определяется следующим образом:
i=_F_
2■ 0,8■ tgç■ (АН ■/ + q)
где Fd - прочность на разрыв нижнего слоя арматуры;
0,8 - снижающий коэффициент трения между грунтом и арматурой;
АН - слой грунта над армирующей прослойкой в верхней части армогрунтовой системы; у - удельный вес грунта, кН/м3; q - вес дорожного покрытия, кН/м2. - проверка устойчивости положения на плоский сдвиг по подошве фундамента производится исходя из следующего:
Условие устойчивости:
^ т „
в* е
Yn
уд
где Qсд, - сдвигающие силы, кН/м; Qуд - удерживающие силы, кН/м - проверка устойчивости положения конструкции на опрокидывание вокруг переднего ребра, определяется как:
т
M <
опр
-■ М
Yn
уд
где Мопр - опрокидывающий момент,кНм
Муд - удерживающий момент, кНм
- проверка несущей способности основания конструкции производится по следующему условию:
н ^н
где - максимальное вертикальное напряжение, действующее в основании армогрунтовой системы, кПа;
|о| - допускаемое давление под подошвой армогрунтовой системы, кПа.
- определение устойчивости насыпи рассчитывается как:
£ ЦN + е111 + Тг_уд) к = -> \к\
£ Т -
1=1
где |к| - допустимая величина коэффициента устойчивости;
п - количество отсеков, на который разбивается блок;
I - коэффициент внутреннего трения грунта, проявляющийся по поверхности возможного смещения 1-го отсека, f ¡= 1§фь
ф1 - угол внутреннего трения грунта по основанию 1-го отсека, град;
с111 - реактивная сила сцепления по поверхности смещения в 1 - м отсеке, кН/м;
с1 - удельное сцепление грунта по основанию 1-го отсека, кПа;
II - длина поверхности смещения в пределах отсека, м
- сила трения, действующая по поверхности возможного смещения в 1 - м отсеке, кН/м;
N и Т1 - нормальная и тангенциальная составляющие силы веса 01 для 1-го отсека, кН/м.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
Таким образом, только при соблюдении всех вышеуказанных требований можно говорить о безопасной эксплуатации армогрунтовых сооружений. Особенно важно соблюдение этих условий в свете большого количества аварийных ситуаций, возникающих при строительстве и эксплуатации армогрунтовых сооружений, и отсутствия нормативной базы, регламентирующей проектирование и строительство армогрунтовых сооружений.
ВЫВОДЫ
В современных условиях строительства все чаще стали использоваться инженерные методы решения задач инженерной подготовки территорий. Это связано с тем, что практически все территории, подходящие для строительства уже используются, а оставшиеся, незастроенные территории чаще всего нарушены различными экзогенными
геологическими процессами. В связи с развитием науки и техники появляются новые материалы ,призванные прийти на замену традиционным. Так,
например, происходит в области строительства подпорных сооружений: на смену массивным дорогостоящим железобетонным конструкциям приходят более дешевые, простые в возведении армогрунтовые конструкции позволяющие сократить экономические и трудозатраты на их возведение. Причем данные сооружения можно реализовывать не только в области транспортного строительства, где они зародились, но и в областях гражданского, гидротехнического и специального строительства. Армогрунт в некоторой степени аналогичен железобетону, но превосходит его по экономике и технологичности. Отсутствие принятых норм на проектирование и возведение армогрунтовых конструкций требует особого контроля за разработкой решений на стадии проектирования. Для обеспечения безопасной эксплуатации армогрунтовых конструкций
необходимо соблюдение ряда условий при которых будет обеспечена устойчивость данного сооружения как в период строительства, так и в период эксплуатации на весь расчетный период (жизненный цикл объекта).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Джоунс К. Д. Сооружения из армированного грунта . Монография / К. Д. Джоунс; Пер. с англ. В. С. Забавина, под ред. В.Г. Мельника. М.: Стройиздат, 1989. — 281 стр.
2. ББОБО/Рекомендации по проектированию и анализу грунтовых сооружений с применением геосинтетических материалов. Немецкое геотехническое общество. В переводе Алана Джонсона, 2009
3. Чижиков И. А. Применение геосинтетических материалов (геотканей) для обеспечения экологической безопасности строительства нефтегазопромысловых дорог. Современные проблемы науки и образования. Электронный научный журнал №1, 2012. [Электронный ресурс]. Доступно по ссылке Шр8://8с1епсе-е^сайоп. ru/ru/artic1e/view?id=5346
4. Тяпочкин, А.В. Совершенствование конструктивно-технологических решений армогрунтовых насыпей с подпорными стенами: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.23.11 / Тяпочкин Алексей Владимирович. - М., 2011. - 23 с.
5. Костоусов А.Н. Совершенствование методики расчета армогрунтовых стен для усиления земляного полотна: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.22.06 / Костоусов Андрей Николаевич. - М., 2015. -23 с.
6. ОДМ 218.2.027-2012 Методические рекомендации по расчету и проектированию армогрунтовых подпорных стен на автомобильных дорогах. - М., 2012. - 48 с.
7. Инструкция по применению армогрунтовых конструкций для стабилизации и усиления земляного полотна ж/д пути. №1975Р от 04 октября 2012 г.
8. СП 116.13330.2012 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных
геологических процессов. Основные положения. Издание официальное. М., 2012.- 60 с.
9. ОДМ 218.3.008-2011 Рекомендации по мониторингу и обследованию подпорных стен и удерживающих сооружений на оползневых участках автомобильных дорог. М., 2011. - 28с.
REFERENCES
1. Jones K.D. Buildings from reinforced soil. Monograph / K.D. Jones; Trans. with English. V.S. Zabavin, ed. V.G. The miller. Moscow: Stroiizdat, 1989. - 281 p.
2. EBGEO / Recommendations for the design and analysis of soil structures using geosynthetics. German Geotechnical Society. In the translation of Alan Johnson, 2009
3. Chizhikov IA The use of geosynthetic materials (geotextiles) to ensure the ecological safety of the construction of oil and gas fields. Modern problems of science and education. Electronic scientific journal №1, 2012. [Electronic resource]. Available at https://science-education.ru/en/article/view?id=5346
4. Tyapochkin, A.V. Perfection of constructive-technological solutions of armogrunt embankments with retaining walls: the author's abstract. dis. Cand. tech. Sciences: 05.23.11 / Tyapochkin Alexey Vladimirovich. - M., 2011. - 23 p.
5. Kostousov A.N. Perfection of the technique of calculating armogruntovyh walls to reinforce the roadbed: avtoref. dis. Cand. tech. Sciences: 05.22.06 / Kostousov Andrey Nikolaevich. - M., 2015. - 23 p.
6. ODM 218.2.027-2012 Methodical recommendations on the calculation and design of reinforcing retaining walls on highways. - M., 2012. - 48 p.
7. Instructions for the use of reinforcing structures for the stabilization and reinforcement of the rail track. №1975R of October 4, 2012
8. SP 116.13330.2012 Engineering protection of territories, buildings and structures against dangerous geological processes. Basic provisions. The edition is official. M., 2012.- 60 pp.
9. ODM 218.3.008-2011 Recommendations on monitoring and inspection of retaining walls and retaining structures on landslide sections of motor roads. M., 2011. - 28s.
FEATURES OF DESIGN AND CONSTRUCTION OF REINFORCED SOIL IN CIVIL
ENGINEERING
Slepnev PA.
Summary. The relevance of the research carried out in the field of design and construction of retaining walls and embankments of increased steepness, including reinforced structures, as an altarnative solution for monolithic and precast reinforced concrete structures is shown. The necessity of using reinforced structures in the construction of cramped urban development in cramped conditions, as well as in the newly developed territories with their engineering preparation, is considered. The use of reinforced structures for the development of previously unused territories is substantiated from the point of view of the economic component of the project of landscaping.
Key words: Constrained conditions of construction, engineering preparation, reinforced soil, strengthening of slopes, design schemes.
