Расчет параметров гибкой системы укрепления склонов из высокопрочной стальной проволоки в комбинации с нагелями

Перевод: Dimensioning of flexible surface stabilization systems made from high-tensile steel wire meshes in combination with nailing and anchoring in soil and rock. // Danube, 2006

D. Flum (Fаtzer AG, Gеоbrugg Protection Systems, Romanshorn, Switzerland)
R. Rüegger (Rüegger Systems Ltd, Solutions in Geotechnical Engineering, St. Gallen, Switzerland)

Тезисы

После обвала объемом около 500 м³ в 2001 г. на федеральной трассе в Одернхайме (Odernheim, Германия), а также обвала-оползня объемом около 2’000 м³, разрушившего в 2002 г. частные постройки на острове Хельголанд (Helgoland, Германия) оба склона были успешно укреплены гибкой системой на основе высокопрочной стальной проволоки в комбинации с нагелями. Этот широко используемый способ укрепления грунтовых и скальных склонов является экономически эффективной альтернативой жестким бетонным заграждениям и поддерживающим конструкциям. Для проектирования гибкой системы укрепления  крутых грунтовых или выветрелых скальных откосов была разработана специальная концепция RUVОLUM^®. Выполненные проекты по укреплению грунтовых и скальных откосов доказали, что данный способ инженерной защиты хорошо подходит для практического применения, а разработанная концепция расчета параметров системы дает хорошие результаты.

Ключевые слова: RUVОLUM^®, TECCО^®, проектирование, гибкий, склон, укрепление, система

1. ВВЕДЕНИЕ

В мировой практике использование сеток из проволоки или из стальных канатов в качестве меры по укреплению поверхностей склонов  давно доказало свою эффективность при стабилизации оползневых участков и часто становилось выгодной альтернативой бетонным конструкциям. В контексте тенденции к применению «зеленых» технологий немаловажно отметить, что открытая структура ячеек сеток позволяет проводить озеленение всей защищаемой поверхности. В большинстве случаев, для укрепления откосов используются обычные сетки (двойного кручения, рабица) с прочностью проволоки 500 Н/мм². Этого зачастую недостаточно для того, чтобы поглотить возникающие нагрузки и передать их на нагели, при экономически целесообразных расстояниях между последними. Сетки из стальных канатов позволяют увеличить расстояния между нагелями, но, в то же время, они достаточно дороги и неудобны в установке, что делает их использование целесообразным только в отдельных случаях для экстремально высоких нагрузок.

Последняя разработка в области стальных сеток для укрепления откосов, сеть из высокопрочной стальной проволоки с прочностью нити не менее 1770 Н/мм², открывает новые возможности для эффективного и экономичного укрепления откосов. Продуманные модели расчетов позволяют проектировать такие системы укрепления склонов с неглубокими зонами нестабильности принимая во внимание статику рыхлых и скальных грунтов. Базовым элементом рассматриваемой системы укрепления склона является гибкое покрытие из сетки с возможностью вариаций в размещении нагелей. Благодаря своей выдающейся прочности, эта сетка может, в большинстве случаев, заменить панели из стальных канатов и другие способы укрепления склонов.

Рисунок 1. Высокопрочная стальная сеть для укрепления склонов

2. СЕТЬ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ СКЛОНОВ, СЛОЖЕННЫХ  РЫХЛЫМИ И СКАЛЬНЫМИ ГРУНТАМИ

Единственная доступная на рынке сеть из высокопрочной стальной проволоки с временным сопротивлением разрыву не менее 1770 Н/мм² выпускается под маркой TECCО^®. В стандартном исполнении она производится из 3 мм проволоки со специальным алюмо-цинковым антикоррозийным покрытием. Ячейки ромбовидной формы размером 83 х 143 мм образованы простым скручиванием.

Прочность сети TECCО^® на растяжение составляет 150 кН/м. Это значение определяет минимальную гарантированную несущую способность. Ее трехмерная структура, с одной стороны, позволяет достичь оптимальной передачи нагрузок от грунта на сеть, с другой – обеспечивает идеальные условия для посадки семян и озеленения. В сравнении с традиционно доступными на рынке сетками с близким  размером ячейки и диаметром проволоки, высокопрочная стальная сеть, благодаря своим характеристикам, способна поглощать и передавать примерно в три раза большие нагрузки.

Ромбовидные зубчатые пластины, разработанные специально для сетки TECCО^®, служат для ее закрепления на грунтовых или скальных нагелях (рис. 2)   Это позволяет прижать сетку к поверхности грунта с заранее заданным усилием.

Рисунок 2. Специальная пластина для активного преднатяжения сетки из высокопрочной стальной проволоки относительно поверхности склона

3. RUVОLUМ^® – КОНЦЕПЦИЯ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ СКЛОНОВ,  СЛОЖЕННЫХ РЫХЛЫМИ И ВЫВЕТРЕЛЫМИ СКАЛЬНЫМИ ПОРОДАМИ

Концепция RUVОLUM^®  служит для проектирования систем укрепления склонов, состоящих из покрывающей сетки в комбинации с нагелями, и применяемых для стабилизации локальных нестабильностей до глубины до 1,5-3 м на грунтовых и выветрелых скальных склонах. В общем случае, она верна и также применима для других систем укрепления склонов, сравнимых по техническим параметрам. Для этого требуется знать или определить в специальных тестах несущую способность системы в целом и ее элементов в частности.

Концепция RUVОLUM^® включает рассмотрение поверхностной нестабильности всего откоса, вызывающей смещения направленные параллельно склону, а также рассмотрение локальной неустойчивости между отдельными нагелями. В модели учтены случаи влияния гидростатического давления, давления грунтовых вод и сейсмики, которые, в целях упрощения повествования, в настоящей статье не рассматриваются

Рисунок 3. Концепция RUVОLUM^® основана на рассмотрении поверхностной неустойчивости, вызывающей смещения направленные параллельно склону (слева), а также рассмотрение локальной неустойчивости между отдельными нагелями (справа)

3.1 Рассмотрение поверхностной неустойчивости, вызывающей смещения по всему  склону

Нагельное крепление призвано закрепить нестабильный склоновый чехол в целом. Для этого кубическое тело шириной а, длиной b и толщиной t фиксируется нагелем с определенным запасом прочности. Анализируя баланс сил, действующих на кубическое тело на рисунке 4 и принимая во внимание условие прочности Мора-Кулона, можно сформулировать общее уравнение (1) для стабилизации сдвигающей силы S в зависимости от геометрических и геотехнических параметров, а также от фактора коррекции неопределенности модели.

Сила S должна быть поглощена нагелем и передана в коренные породы. V представляет силу преднатяжения системы, G – собственный вес кубического тела, а N и Т – силы реакции, возникающие в коренных породах. Обозначение c·A описывает удерживающее влияние сцепления вдоль изучаемой поверхности скольжения, наклоненной под углом a к горизонтали.

Рисунок 4. Смещения чехла отложений параллельно склону: анализируемое кубическое смещающееся тело

В контексте изучения неустойчивых зон чехла склоновых отложений проверяется надежность по несущей способности трех компонентов:

1. Устойчивость нагеля к смещению чехла отложений вниз по склону
2. Устойчивость сетки к продавливанию
3. Устойчивость нагеля к комбинированной нагрузке

3.2 Рассмотрение локальной неустойчивости между отдельными нагелями

Во втором случае рассматриваются тела, способные образовать вывалы между отдельными нагелями. Система укрепления склона проектируется таким образом, чтобы были удержаны все локальные участки, стремящиеся к образованию вывалов, а максимальные возникающие нагрузки поглощены и переданы через зубчатые пластины на нагели и далее в коренные породы.

Над каждым нагелем  существует нестабильное поле шириной а и длиной 2·b, которое необходимо закрепить. В этом поле могут формироваться вывалы максимальной длинной 2·b.

Концепция укрепления рассматривает способы удержания в стабильном состоянии  образованного клиновидного (в разрезе) тела. Сеть прижимается к поверхности силой V образованной  в области головки нагеля путем затягивания гайки и прилегания  зубчатой пластины вплотную к поверхности или даже немного внутрь грунта. Таким образом, осуществляется стабилизация чехла отложений вокруг нагеля, что принимается в расчет моделью. Предполагается, что закрепленные усеченными конусами давления участки чехла отложений и соответствующие ячейки сетки не входят в рассмотрение вопроса по стабилизации смещающегося клиновидного тела.  Полученное в результате таких допущений трапециевидное в разрезе тело для упрощения может быть трансформировано в прямоугольник эквивалентной площади, ширины a_red и толщины t.

Рисунок 5. Локальная неустойчивость между отдельными нагелями

Рисунок 6. Разрез максимально возможного клиновидного вывала толщиной t

Соотношения, представленные в уравнениях (2) и (3), вытекают из факторов равновесия механизма скольжения двух тел (рис. 5), условия прочности Мора-Кулона, а также фактора коррекции неопределенности модели g_mod. Максимальная сила Р, действующая в направлении нагеля, определяется вариациями уклона поверхности скольжения  b и толщиной блока t.

При рассмотрении неустойчивых зон между отдельными нагелями проверяется надежность по несущей способности двух компонентов:

1. Устойчивость сетки к срезу на верхней части зубчатой пластины силой Р
2. Устойчивость сетки к избирательной передаче параллельной склону силы Z на верхний нагель

4. ОДЕРНХАЙМ, ГЕРМАНИЯ

В январе 2001 г. на федеральной трассе L 235 на участке между городами Одернхайм и Дучрот (Duchroth) (Германия) произошел обвал. В марте того же года здесь также произошел крупный камнепад, после чего дорогу пришлось закрыть. Срочно требовались специальные меры по постоянной инженерной защите.

Мероприятия по инженерной защите, предпринятые ранее, оказались не эффективными главным образом потому, что установленные нагели имели недостаточную длину и в результате выпадали вместе с блоками. Двухметровое ограждение у подножия склона было установлено для защиты от камнепадов и рассчитано на максимальный размер обломков величиной с кокос, чего не было достаточно для удержания произошедших обвалов.

Скальный склон сложен трещиноватыми породами нижнего красного лежня, представленного слоями песчаника, алевролита и аргиллита разной толщины. Склон высотой до 45 м и протяженностью около 100 м частично перекрыт коллювием. Физико-механические характеристики грунта представлены в таблице 1.

Высокопрочная система TECCО^® была выбрана для укрепления склона и защиты от вывалов на крутых участках и обвалов, формирующихся в местах скопления коллювия.

Выбранный способ защиты оптимально подходит для подобных склонов. Благодаря своей гибкости, система может быть оптимально адаптирована к неровной поверхности склона. Помимо общего соответствия требованиям по  статическим нагрузкам, с помощью отдельных нагелей можно прижать сеть к поверхности склона в понижениях и выемках.

Рисунок 7. Обвал в январе 2001

 

Рисунок 8. Обвал в январе 2001 повлекший закрытие федеральной трассы

Рисунок 9. Поперечный разрез

 

Рисунок 10. Общий вид склона после укрепления

Ограждение у подножия склона было восстановлено в изначальном виде для защиты от камнепадов с залесенной части склона над участком закрепленным сеткой.

Оползни с глубокой поверхностью скольжения на данном участке не обнаружены. Поэтому для проектирования системы TECCО^® использовалась модель RUVОLUM^®, рассматривающая, с одной стороны, локальные неустойчивые участки чехла отложений, с другой – небольшие оползни-оплывины глубиной около 1 м между нагелями. Расчеты показали, что при использовании нагелей GEWI D = 28 мм с поправкой к диаметру на ржавление 4 мм, можно устанавливать их на расстояниях, приведенных в таблице 1.

Нагели следует углубить в коренные породы как минимум на 3 м. Средняя длина нагелей – 4 м, что в два раза больше установленных ранее, которые оказались слишком короткими.

Рисунок 11. Средняя часть склона с прорастающей естественной растительностью

5. ХЕЛЬГОЛАНД, ГЕРМАНИЯ

Крутой склон восточной-юго-восточной экспозиции, расположенный на острове Хельголанд в Северном море сложен сильнотрещиноватыми песчаниками и алевролитами. Наличие на поверхности склона рыхлого материала представляет опасность для построек, расположенных в его нижней части. На некоторых участках уже произошло оползание рыхлых грунтов, приведшее к заполнению и разрушению нижележащих зданий. Весьма неустойчивая поверхность склона была закреплена с помощью системы TECCО^®.

Расчет параметров выполнялся для приповерхностного чехла рыхлых отложений с помощью концепции RUVОLUM^® . Общая стабильность склона и глубокие поверхности скольжения не рассматривались. Расстояния между нагелями рассчитаны с учетом использования GEWI 32 мм с поправкой к диаметру на ржавление 4 мм, крутизны склона и предполагаемой мощности нестабильного склона 1 м и приведены в таблице 2. В верхней части склона использованы нагели длиной 6 м, а на основной поверхности –  4 м.

С учетом максимальной крутизны склона в 60-65° и сильной подверженности рыхлого материала эрозии, было решено провести озеленение.

Близость к морю, насыщающему воздух агрессивными солями, предъявляет высокие требования к антикоррозийной защите, должный уровень которой в системе TECCО^® обеспечивает специальное алюмо-цинковое покрытие. При аналогичной толщине покрытия, данная технология антикоррозийной защиты обеспечит увеличение срока службы в 3-5 раз, по сравнению с обычным горячим цинкованием.

Рисунок 12. Поперечный разрез

6. ВЫВОДЫ

Система TECCО^® оптимальным образом адаптируется к топографии склона и условиям статики грунтов. Благодаря своей способности поглощать и передавать высокие нагрузки, она позволяет оптимизировать расстояния между нагелями и, тем самым, добиться максимального экономического эффекта.

В отличие от решений с бетонными конструкциями, склоны, укрепленные TECCО^®, сохраняют растительность и выглядят более привлекательно для глаза.

Проектируемая с помощью специально разработанной концепции  RUVОLUM^® гибкая система TECCО^® является первой в своем роде конструкцией, все параметры которой можно точно рассчитать, не оставляя ничего на волю случая!

Рисунок 13. Оползшая масса у подножия склона

Рисунок 14. Работы по расчистке склона

Рисунок 15. Укрепленный склон через год после установки системы и озеленения. В отличие от закрепленных торкрет-бетоном, склон выглядит естественно

7. ЛИТЕРАТУРА

Flum, D.; Rüegger, R.: Dimensioning of flexible surface stabilization systems made from high-tensile steel wire meshes in combination with nailing and anchoring in soil and rock. XIII. Danube-European Conference on Geotechnical Engineering, Ljubljana, Slovenia, May 2006

Flum D. , Rüegger R., Die Bemessung flexibler Oberflächenstabilisierungssysteme aus hochfesten Drahtgeflechten in Kombination mit Vernagelungen und Verankerungen in Boden und Fels, Technical Academy Esslingen, Bauen in Boden und Fels, Germany, 2002.

Dr. P. Brändlein, LGA Nuremberg, Germany, Monitoring and supervision of laboratory testing of the TECCО^® slope stabilization system, Test report BPI 0400046/1, 2004.