Инженерные мероприятия по борьбе с оползневыми явлениями

Основное требование при разработке мер защиты заключается в необходимости повысить коэффициент запаса устойчивости (Лг_уСт) склона не ниже требуемого значения при всех возможных вариантах его параметров, от которых зависит стабильность. Проектировать начинают с анализа устойчивости склона, рассматривая состояние откоса в течение продолжительного периода, так как свойства грунтов и гидрогеологические условия могут меняться во времени. Такой анализ при освоении территории необходим не только на период строительства, но и эксплуатации. Устойчивость склонов оценивают, изучая как естественные откосы, так и искусственно созданные.

Особого внимания заслуживает оценка устойчивости склонов с осовами, потому что даже смещенные к подножью обломочные породы могут вызвать начальные подвижки в откосах. Последние могут быть следствием возникновения фильтрационного давления при увлажнении осыпи атмосферными осадками, поэтому при отсутствии альтернативных решений лучше всего убрать осыпь до начала строительства.

Противооползневые мероприятия устанавливают на основе анализа причин, вызывающих развитие процесса сдвига, принимая во внимание градостроительную ценность участка и технико-экономическую целесообразность его освоения (табл. 9.1), а выбор и рациональное их сочетание определяют на основе технико-экономического сравнения вариантов.

Таблица 9.1

В практике проектирования с оползневыми процессами борятся комплексно, предусматривая меры профилактики на потенциально опасных склонах и радикальные—на участках смещения горных пород. Одновременно устанавливают режим строительства и эксплуатации в зонах оползневых участков. Это запрещение подрезок в нижней части склона и подсыпок — в верхней, уничтожения растительности и распашки склонов, проведения нерегулируемого полива и сброса поверхностных вод. Накладывают ограничение на скорость движения транспорта по улицам прилегающей территории, разрабатывают специальные способы выполнения строительных работ.

Вертикальную планировку потенциально опасного оползневого склона производят уполаживанием его до устойчивого состояния, а при большой высоте еще и террасированием, устраивая, так же как на овражных склонах, бермы с водоотводящими лотками (см. рис. 8.2, б, в). Одновременно склоны защищают от выветривания и размыва поверхностными водами, укрепляя их дерном или посевом многолетних трав.

Угол уположенного откоса а определяют с учетом наиболее опасного положения поверхности скольжения, а ориентировочное его значение.

где ш — коэффициент запаса, принимаемый т=1,5-т-2; <�р — угол внутреннего трения для смоченных грунтов склона; 6 — допускаемое давление на грунт, величина которого не вызывает смещение оползневых масс, Па.

Перераспределение земляных масс на склоне целесообразно производить за счет срезки верхней части и перемещения ее в нижнюю. Вместе с тем не производят частичную разгрузку тела глубинных оползней и оползней-потоков путем перемещения грунта к подошве склона, поскольку она не дает требуемого эффекта. На мелких оползнях уполаживание откоса или придание ему ломаного профиля могут быть эффективными стабилизирующими средствами на потенциально неустойчивых участках.

Ранее в градостроительной практике на потенциально опасных или существующих оползневых массивах выполняли ступенчатый профиль откосов, уменьшая сдвигающие силы. Однако, как показывают натурные обследования и расчеты, эта мера не всегда обеспечивает необходимый эффект, поэтому решению о применении ступенчатой разработки должны предшествовать тщательные исследования и рассмотрение других вариантов укрепления оползневого склона. Создание берм хотя не обеспечивает снижения сдвигающих сил, но позволяет эффективно бороться с поверхностным и подземным стоками, если на них размещены водоотводящие лотки и дренажные системы.

На мелких оползнях с выявленной поверхностью скольжения целесообразно устраивать упорные призмы (контрфорсы) из земляных масс, отсыпаемых в языковой части естественного склона (рис. 9.3, а), у подножья искусственной насыпи (рис. 9.3,6) или откоса выемки (рис. 9.3, в).

Контрфорсы проектируют так, чтобы увеличить удерживающие силы вблизи подошвы откоса до величин, обеспечивающих соответствующий коэффициент устойчивости. Параметры этих сооружений определяют расчетом, принимая во внимание профиль откоса и необходимую величину сопротивления сдвигу.

Рис. 9.3. Устройство грунтовых упорных призм:

/ __ упорная призма; 2 — коренные породы; 3 — поверхность скольжения; 4 — первоначальная поверхность склона: 5 — насыпь из зернистого грунта; 6 — то же. из легкого материала; 7 — отметка до реконструкции насыпи; 8 — проектная отметка поверхности; 9 — ил. глина с органическими остатками; 10 — лоток водоотвода; 11 — дренаж Нормальная работа любого подпорного сооружения зависит от его способности сопротивляться опрокидыванию и скольжению, сдвигу по контакту или ниже его с вовлечением основания. На опрокидывание рассчитывают, рассматривая упорную призму (контрфорс) как гравитационное сооружение с распределением сил, обеспечивающим соответствующее направление равнодействующей. Аналогичным образом контрфорс рассчитывают на сдвиг по контакту или ниже его с определением необходимой глубины заложения основания. Проверочные расчеты проводят в нескольких поперечных сечениях на разный отметках глубины, чтобы определить прочность упорной призмы на сдвиг.

Для снижения сдвигающих сил в искусственно созданной насыпи автомобильных дорог производят ее реконструкцию, частично заменяя грунт насыпи более легким (рис. 9.3, б), например котельным шлаком или ракушечником. В последнее время для уменьшения массы насыпи применяют полистирольные блоки и плиты. Во всех случаях сооружение пригрузочных насыпей сопровождают защитой от поверхностных, а при необходимости и подземных вод.

Для мелкого, относительно небольшого по площади оползня консеквентного скольжения при соответствующем обосновании применяют замену грунтов в плоскости скольжения песком. Песчаные тормоза устраивают, врезая первую штольню в нижнюю часть плоскости скольжения, от которой уступами делают несколько вертикальных, параллельных первой. Штольни заполняют песком, что создает условия, тормозящие движение земляных масс. Когда рассмотренные методы не позволяют стабилизировать оползневой склон, их сочетают с другими.

Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций: ими могут быть подпорные стенки, свайные ряды, инъекционные преграды и простейший тип удерживающих сооружений — упорные призмы из грунта.

Подпорные стенки проектируют чаще всего для удержания неглубоких слоев, смещающихся по четко определенной поверхности скольжения (рис. 9.4). В зонах с ответственными зданиями и сооружениями подпорными стенками удерживают и более мощные слои, потенциальные поверхности скольжения которых известны. Как правило, подпорные.

Рис. 9.4. Удерживающие подпорные стены и свайные сооружения: а — массивная подпорная стена; б — то же. ниже подошвы склона; в — то же, в сочетании со шпунтовым рядом; г — консольная подпорная стена; д — то же. на контрфорсах; е — то же. в сочетании со сваями; ж — стена из армированного грунта; з — то же, монолитная заанксреннаи; и — то же. из сборных панелей, заанкеречных в грунте; к — свайное поле из забивных свай; л — то же. из набивных; 1 — коренные породы; 2 — водовыпуск; 3 — плоскость скольжения; 4 — лоток; 5 — шпунтовый ряд; 6 — фильтрующая засыпка; 7 — поверхность естественного рельефа; 8 — контрфорс; 9 — сваи: 10 — арматура, заанкеренная в грунте; Ч — облицовка; 12 — железобетонная плита; 13 — анкер-свая с камуфлетной головкой; 14 — сваи-шпонки, в верхней части заполненные глиной стенки значительной высоты проектируют на участках автомобильных дорог, где с их помощью стабилизируют естественные и искусственные склоны.

Подпорные стенки делают из каменной кладки, бетона и бутобетона, железобетона, массивными или облегченными на свайном основании. В некоторых случаях при проектировании автомобильных дорог на склонах прибегают к устройству массивных стенок из армированного грунта или анкерных креплений. Сооружения врезают основанием в несмещающийся слой грунта и защищают от подземных и поверхностных вод.

Параметры удерживающих сооружений определяют расчетом на опрокидывание и сдвиг. При этом принимают коэффициент устойчивости склонов с небольшой глубиной смещения ?_уСт=1,3; при значительной &_уст = 1,5, в грунтах с подземными водами? у_СТ = 1,5 для любой глубины смещения.

Выбор ответственных удерживающих сооружений и их конструктивное решение обосновывают технико-экономическими расчетами.

Подпорные стенки из армированного грунта представляют собой крупные массивы из слоев грунта, проложенных тонкими металлическими полосами, способными выдержать большие внешние нагрузки. Вертикальную боковую поверхность стенки укрепляют бетонными неармированными плитами, а в некоторых случаях — металлом. Это удерживающее гравитационное сооружение, которое поставлено на устойчивое основание. Такой контрфорс оказывает сопротивление возникающим в склоне сдвигающим силам и обладает достаточной прочностью на опрокидывание и скольжение по контакту (или с захватом основания) и на скол внутри удерживающего сооружения.

Подпорные стенки с анкерами позволяют передавать усилия, испытываемые стенкой со стороны обратной засыпки, на достаточно прочную породу, залегающую вне оползня, с помощью анкерных оттяжек. Эти оттяжки могут быть предварительно напряженными или постепенно напрягающимися в процессе эксплуатации сооружения. Их устраивают из тросов, штанг или проволоки, заделывая с помощью специальных устройств в коренной грунт.

Решение о применении анкеров должно быть подкреплено статическим расчетом, экономическим обоснованием и техническими возможностями производства работ. Анкерному креплению нередко отдают предпочтение в тех случаях, когда хотят избежать устройства защитной стенки в выемках скальных пород, где ее возведение связано с применением ручного труда. На рис. 9.4, и показано анкерное укрепление склона над автомагистралью, проложенной в выемке скальных пород с крутизной падения склона 45° и контактным поведением массива. Металлические анкеры располагают не строго перпендикулярно к предполагаемому направлению скольжения, а под некоторым углом, чтобы при движении анкеры натягивались. В некоторых случаях предварительное натяжение анкеров совмещают с цементацией грунта (см. ниже).

При дилантантном поведении скального массива (увеличении объема пород в процессе деформации) необходимость в предварительном напряжении анкеров отпадает: из-за плотного сопряжения анкеров с породой в них возникают небольшие растягивающие напряжения.

Анкирование как способ укрепления склонов связано с большими затратами, значительная доля которых приходится на предохранение анкеров от коррозии, поэтому использование этого крепления ограничивают такими случаями, когда другие средства крепления неосуществимы.

Конструкции типа свай или шпонок применяют, когда устройство упорных сооружений нецелесообразно по планировочным или другим соображениям. Обычно сваи и шпонки ставят при глубине ожидаемой поверхности смещения в пределах 1,5…2,0 м, если консистенция и структура грунта исключает его движение между сваями или шпонками. В этом случае их установка в сочетании с организацией поверхностного стока и дренажа экономически целесообразней, чем контрфорсы.

Сваи или шпонки располагают в плане в шахматном порядке и заглубляют в несмещающийся грунт на глубину не менее 2 м. Их погружают в предварительно прорезанные на склоне или у его подножья скважины. Сваи делают чаще всего из бетона или железобетона, а шпонки из гидравлической извести, иногда используют металлические сваи.

В некоторых случаях стабилизации склонов достигают за счет свайных опор мостов или других сооружений, на трассе автомобильных дорог, в сочетании с защитой от подземных и поверхностных вод. Сваи, на которые опирают сооружение, закладывают ниже подошвы неустойчивых пород, заглубляя в коренной грунт, и рассчитывают на боковое давление этих грунтов.

Любые свайные устройства требуют тщательных расчетов на опрокидывание и срез, с учетом реальных параметров сопротивления грунта сдвигу. Шпонки рассчитывают только на срез.

Искусственные методы закрепления грунтов заключаются в изменении их свойств с целью увеличения прочности грунта.

Постоянное изменение свойств глинистых грунтов оползневого склона можно обеспечить обжигом при определенном термическом режиме или электрохимическим закреплением. В крупнопористых и трещиноватых породах с этой целью используют цементацию или битумизацию, а в водопроницаемых песках — силикатизацию, путем нагнетания раство-* ров в трещины или специально созданные скважины.

Временного или обратимого изменения свойств грунтов достигают, используя замораживание, просушивание или электродренаж. Эти методы применяют для снижения чувствительности глинистых грунтов к действию воды или избыточному поровому давлению. Это делают на период строительства, с тем чтобы увеличить прочность грунтов при возведении противооползневых сооружений.

Методы используют, как правило, на ограниченных участках потенциально опасных и действующих оползневых склонов для создания подземных контрфорсов и инъекционных преград в виде водонепроницаемой завесы. В каждом конкретном случае стабилизация грунтов за счет изменения их свойств требует специального обоснования. При этом учитывают эффективность и экономическую целесообразность методов.

Важнейшим мероприятием по укреплению склонов с действующими и возможными оползнями любого типа является организация поверхностного стока. Она способствует уменьшению веса неустойчивых масс и увеличению прочности грунтов, слагающих откосы. На склонах, где начались подвижки, особенно важно полностью отвести поверхностные воды с территории, прилегающей к склону, чтобы исключить возможность их инфильтрации в образовавшиеся трещины.

Отвод поверхностных вод предусматривают на прилегающей территории и непосредственно на оползневом склоне.

На прилегающей к склону территории дождевые и талые воды с площади водосбора перехватывают открытой или закрытой системой водоотвода в зависимости от назначения территории и характера рельефа. Специфическими требованиями к организации водоотвода в этих условиях будут следующие. Во-первых, закрытые коллекторы и открытые лотки располагают на таком расстоянии от оползневого откоса, которое исключает возможность насыщения водой грунтов склона в случае нарушения систем в процессе эксплуатации. Во-вторых, при использовании открытой системы водоотвода принимают меры против инфильтрации в грунт вод из лотков и канав. С этой целью проектируют такие одежды, которые полностью защищают стенки и дно от инфильтрации. В-третьих, сброс ливневых вод осуществляют, как правило, вне защищаемой территории.

На оползневом склоне отвод поверхностных вод обеспечивают планировкой откоса, устройством лотков и канав, которые прокладывают на склоне с таким расчетом, чтобы его поверхность расчленялась на небольшие площадки. Это дает возможность сократить путь стекания воды по склону и обеспечить минимальную инфильтрацию поверхностных вод в грунт.

Предварительно производят планировку склона, придавая ему устойчивое очертание и обеспечивая отвод поверхностных вод равномерным потоком без размыва откоса и застоя воды. Для уменьшения инфильтрации при стекании воды по откосу нередко его засевают травами, покрывают дерном или асфальтом. Применяют также торкретбетон, бетонную облицовку и другие одежды, которые одновременно защищают откос от ветровой эрозии.

На склоне проектируют сеть магистральных (водоотводящих) и водосборных лотков. Первые трассируют поперек склона, вторые — вдоль, с учетом рельефа, обычно у подошвы спланированного откоса или на бермах склона. Параметры лотков и канав, их конструкцию выбирают с учетом требований, изложенных в гл. 4.

Наиболее целесообразной конструкцией магистральных лотков на оползневых склонах является телескопический лоток (см. рис. 4.11), а водосборных — монолитные бетонные, которые устраивают с применением передвижной опалубки. Сброс воды из магистральных и водосборных лотков предусматривают в ливневую канализацию или специально отведенные места.

Рассмотренные методы организации поверхностного стока особенно эффективны в стабилизации оползневого склона, если их сочетают с подземными дренажными устройствами, перехватывающими грунтовые воды.

Дренирование подземных вод предусматривают для предохранения грунтов откоса от насыщения водой. Это мероприятие проводят как для действующих, так и недействующих оползней. Подземные воды перехватывают, ограждая зону оползня от их поступления или непосредственно осушая оползневой склон.

Обычно подземные воды дренируют одновременно на прилегающей территории и оползневом склоне, так как только полное исключение влияния подземных вод дает необходимый эффект. Это объясняется тем, что подземные воды, поступившие на склон, успевают негативно воздействовать на коренные отложения, поэтому осушение только тела оползня практически приводит лишь к уменьшению скорости подвижек.

Для перехвата подземных вод на прилегающей к склону территории устраивают дренажные сооружения, расположенные на безопасном расстоянии от зоны оползания. Тип и систему дренажных устройств проектируют в соответствии с гидрогеологическими условиями территории на основе требований, изложенных в гл. 5.

На оНолзневом склоне проектируют специфические дренажные сооружения, откосные прорези, наслонный дренаж, каптажные колодцы и наклонные скважины. В качестве простейших систем могут служить лотки и канавы глубиной до 3 м. Область их применения — это защита неглубоких оползней типа сплывин. Лотки используют также в качестве элементов выпуска подземных вод из слоев грунта, близких к поверхности склона.

Рис. 9.5. Схемы дренажных устройств на оползневых склонах:

/ — коренные породы; 2 — поверхность скольжения; 3 — бровка откоса: 4 — дренажное устройство; 5 — лоток; 6 — колодцы. 7 — водоотводящие трубопроводы; 8 — грунт обратной засыпки; 9 — песок; /0 — гравий или щебень; II — бетонный лоток; 12 — дренажные скважины; 13 — лепрессионная кривая; 14 — одерновка; 15 — утепляющий слой; 16 — контрфорс; 17 — дренажная труба; 18 — водонасыщенный грунт; 19 — каптажный колодец.

Откосные дренажи применяют обычно для осушения откосов, потенциально подверженных поверхностным оползневым смещениям при неясно выраженных водоносных слоях или при многочисленных выходах подземных вод наружу в виде ключей. В конструктивном отношении они представляют собой сравнительно неглубокие траншеи, закладываемые ниже поверхности возможного оползания и заполненные дренирующим материалом (рис. 9.5,а). Их располагают поперек склона, а для наиболее полного перехвата грунтовых вод устраивают в виде призм разветвлениями различной формы на расстоянии друг от друга от 3 до 15 м в зависимости от характера и состояния осушаемых грунтов.

Дренажные прорези устраивают при осушении толщи наносов на оползневых склонах, где другие типы дренажей, даже при незначительных подвижках, быстро выходят из строя. Их закладывают на бровке, отводя воду из насыщенного слоя (рис. 9.5, б). Для ее сброса дренажные прорези, соединяют трубопроводами с нижним лотком или другими водоотводящими сооружениями.

Прорези представляют собой траншею глубиной 6… 12 м, заполненную дренирующим материалом и врезанную основанием в коренной грунт. Дренирующий материал подбирают по соотношению.

где Д>бс — крупность частиц, масса которых в обсыпке составляет 50%; ?пор — то же, в осушаемом грунте.

Прорези защищают от засорения, укладывая поверх дренирующего материала дерн корнями кверху или соломенные маты и другие материалы. и забивают траншею глиной и грунтом.

Если водоносные горизонты имеют выход на склон, то их осушают горизонтальными или наклонными скважинами, заложенными со стороны склона (рис. 9.5, в) на отметках, близких к водоупору. Часть трубы перфорируют, превращая в фильтр. Механизм действия таких дрен заключается в следующем. При-поступлении воды к откосу на участках, где заложены дрены, она постепенно поглощается перфорированной частью труб. В результате по мере приближения к откосу УГВ понижается, образуя сводчатую депрсссионную кривую, имеющую общее падение вдоль дрен.

Расстояние между дренами, расположение их на склоне, длину и уклон труб, а также приток к скважинам определяют расчетом по методике, изложенной в литературе.

При фронтальном выклинивании водоносного горизонта на оползневом склоне применяют наслонный дренаж, который укладывают на устойчивый откос на всю мощность водоносного горизонта. В конструктивном отношении он аналогичен пластовому и состоит из фильтра, дренажной трубы и утепляющего слоя, толщину которого назначают с учетом глубины промерзания грунтов (рис. 9.5, г).

Когда грунтовые воды выклиниваются на склоне в виде родников, проектируют бетонные или железобетонные каптажные колодцы, снабженные обратными фильтрами в местах выхода одиночных родников (рис. 9.5, д). Дренажные воды, как правило, отводят из колодца через трубчатый водосброс в ливневую канализацию.

Дренажные сооружения для стабилизации откосов в равной мере необходимы как на естественных склонах, так и при возведении искусственной насыпи, где оползневые смещения могут появиться в грунтах основания из-за чрезмерного напряжения от массы насыпи и гидростатического давления подземных вод, режим которых нарушен. На рис. 9.3, в приведен пример предотвращения оползня на склонах искусственной насыпи автомобильной дороги, путем устройства дренажей и замены грунтов.

Устройства для перехвата и понижения подземных вод и предотвращения оползневых процессов выбирают на основе технико-экономического сопоставления. При этом рассматривают несколько вариантов различных дренажных сооружений, но сравнивают их и с другими методами защиты.

На прибрежных склонах основной причиной развития оползневых процессов является подмыв водами рек естественных склонов или искусственных откосов и морская абразия береговых уступов. Поскольку активизация оползневых процессов и переработка берегов тесно связаны, то большая роль в комплексе противооползневых мероприятий принадлежит бсрегоукреплениям.

Берегоукрепление может быть выполнено в виде откосов, когда соответствующие одежды укладывают на предварительно спланированную поверхность, и набережных стенок (контрфорсов). Последние применяют, когда из-за нехватки свободного пространства на прибрежной территории осуществление других мероприятий осложняется или становится невозможным.

Удерживающие сооружения свайного типа в отличие от аналогичных на естественном основании мало пригодны для защиты морских обрывистых склонов, поскольку здесь чаще всего смещение массивов сопровождается течением грунта у подножья склона, характерным для оползней выдавливания.

Берегоукрепления с точки зрения их влияния на режим водоемов относят к пассивным и проектируют в сочетании с активными наносоудерживающими сооружениями: бунами и волнорезами. Буны являются одной из самых распространенных конструкций, стабилизирующих морской берег. Они представляют собой массивные сооружения, которые размещают перпендикулярно или под углом к береговой линии, заглубляя их основание в коренную породу (рис. 9.6). Буны пересекают подвижную часть наносов и препятствуют их продольному транзиту. В результате наносы аккумулируются между бунами в приурезной части акватории и частично гасят энергию волны. Степень воздействия бун на водный поток и стабилизацию берегового склона существенно зависит от их взаимного размещения и длины. Параметры бун, как и других малых гидротехнических сооружений, активно влияющих на водный поток, рассчитывают по методике, описанной в литературе.

Рис. 9.6. Прибрежные противооползневые сооружения: а — расположение бун в плане; б — поперечное сечение по бунаы; в, г — незатопленный и затопленный волноломы (г — затопленный в сочетании с другими защитными мероприятиями); / — вертикальный фильтр; 2 — дренажная галерея; 3 — водоотводящая штольня; 4 — лоток; 5 — коренные породы; 6 — плоскость скольжения; 7 — подпорная сгенка; 8 — искусственный пляж; 9 — затопленный волнолом Область эффективного использования бун для борьбы с противооползневыми явлениями — это стабилизация надводных склонов и пляжей. Подводные склоны, особенно на большом протяжении, стабилизировать с их помощью не удается, так как склоны могут обрушиться в результате подвижки земляных масс.

Для стабилизации склонов поэтому нередко проектируют не только буны, но и волнорезы (волноломы). Их используют для защиты подводной части склона.

Волноломы делают как затопленного, так и незатопленного типа (рис. 9.6) из железобетонных массивов или оболочек, заполненных бетоном. Волноломы защищают от абразии берега путем частичного гашения волны и накопления наносов на тех участках акватории, где в подводной части склона имеют место оползни выдавливания.

Проблема борьбы с эрозией у подножья склона сводится к сохранению различными способами надежного упора в их нижней части и увеличению других удерживающих сил. В практике проектирования с этой целью используют, как правило, комплекс активных и пассивных защитных сооружений в сочетании с общими и специальными мероприятиями инженерной подготовки. Так, например, на побережье около Одессы создана из привозного материала полоса искусственных пляжей от Ланжерона до Аркадии протяженностью 5 км и шириной 40…50 м. Сохранение пляжей обеспечено комплексом гидротехнических сооружений: бун и волноломов. Для перехвата подземных вод запроектирована дренажная галерея на расстоянии 200 м от бровки обрыва с удалением грунтовых вод с помощью водоотводящей штольни.

Комплексное решение противооползневых мероприятий в Крыму предусматривает сочетание контрфорсных и берегоукрепительных сооружений, дренирование оползневых масс, разгрузку верхней части склона и уполаживание откосов с регулированием поверхностного стока.