Система укрепления склонов TECCО^®: выгодная альтернатива бетонным конструкциям и слабым сеткам

Геобругг АГ // Дорожная держава, 35/2011

Обеспечение стабильности склонов (откосов) – задача, которую приходится решать проектировщикам в любых отраслях строительства. Железные и атомобильные дороги, трубопроводы, объекты гражданского строительства, горные выработки и т.п. – многие проекты предусматривают подрезку естественных склонов и их дальнейшее укрепление.

Пренебрежение данным вопросом часто приводит к неблагоприятным последствиям, а иногда и к гибели людей. Наиболее «громкие» случаи широко обсуждаются в прессе: например, оползень на автодороге в районе Туапсе, перекрывший доступ автомобильному транспорту к олимпийской стройке, или размыв железнодорожного полотна в том же регионе. Количество же слабо известных случаев на порядки больше, а проблема существует в любом месте, где нарушается геометрия естественного склона.

Наиболее распространенным и известным проектировщикам способом борьбы с оползнями, несомненно, является обустройство различных видов бетонных стенок. Надежный, проверенный годами способ все же не лишен недостатков: конструкция требует проведения объемных земляных работ, вовлечения большого количества тяжелой техники, а также неблагоприятно воздействует на ландшафт, в том числе его визуальную привлекательность. В связи с этим и благодаря развитию строительных технологий появляются все новые способы укрепления склонов. Остановимся более подробно на некоторых из них.

Жесткие конструкции: набрызг-бетон, анкерные пояса и т.п.

Набрызг-бетон (он же торкрет-бетон) является, как и бетонная стенка, жесткой конструкцией. Пожалуй, наибольшее применение данная технология нашла в горном деле для укрепления сводов подземных выработок и областей над порталами тоннелей. К достоинствам способа можно отнести возможность укрепления склонов любой крутизны без необходимости дополнительной подрезки под конструкцию (как, например, в случае бетонной стенки). Основными недостатками являются препятствие естественному дренажу на склоне и быстрое разрушение после появления первых трещин. Визуальная привлекательность также не является «козырем» торкрет-бетона.

Анкерные пояса – технология, постепенно отживающая свой век. Весьма трудозатратный способ, обеспечивающий стабильность лишь на локальных участках, используется все реже из-за не самого привлекательного соотношения цены и качества.

Мягкие конструкции: геосетки, георешетки

Технология, переживающая своего рода «бум» на рынке строительных материалов. Разнообразие предложений сбивает с толку даже опытных проектировщиков и строителей, хотя производителей действительно качественной продукции можно пересчитать по пальцам. Качественные геосинтетические материалы способны выдерживать нагрузки до 50 кН/м², что, несомненно, позволяет успешно использовать их на достаточно крутых склонах. К тому же, как правило, геосинтетические материалы создаются с учетом возможности их последующего озеленения.

И все же технология производства геосеток и георешеток определяет верхний предел их прочности, и применение их на откосах крутизной более 30^° требует очень серьезной проработки. Конечно, обилие некачественных материалов на рынке и непродуманные проектные решения подрывают доверие к технологии. Результаты могут выглядеть плачевно даже на небольших склонах (рис. 1).

Рис. 1. Поврежденная георешетка на склоне

Гибкие конструкции: стальные сетки и сетки из стальных канатов

Применение различных видов стальных сеток (в т.ч. с включением стальных канатов) постепенно «набирает обороты», в основном благодаря сравнительной дешевизне подобного способа. Как правило, используется сеть двойного кручения (габионная сеть), иногда в комбинации со стальными канатами. Для плетения сети используется 3 мм проволока со временным сопротивлением на разрыв 450–500 Н/мм², которая обеспечивает сетке прочность 45–55 кН/м² (что сравнимо с качественными геосетками). В попытках увеличить прочность сетки в нее иногда вплетают стальной канат. Проведенные испытания и практика показывают, что, к сожалению, комбинация сетки с канатом не придает данной конструкции дополнительных прочностных свойств. Сеть и канат работают отдельно друг от друга, не образуя системы.

Более прочным вариантом является так называемая «кольчужная сеть», или просто «кольчуга». Сеть плетется из колец различного диаметра. Каждое кольцо включает несколько витков 3 мм проволоки и переплетено с 4–6 соседними.

Исторически сеть из колец создавалась для защиты акваторий от проникновения, например, подводных лодок. Идея проста – за счет своих эластично-пластичных свойств сеть из колец, путем деформации, способна поглощать и рассеивать существенные динамические нагрузки.

В области инженерной защиты сеть из колец хорошо зарекомендовала себя в противокамнепадных барьерах. В свое время были предприняты попытки укладывать кольчужную сеть на склоны для защиты от небольших камнепадов. Наиболее известный из таких проектов – участок склона на въезде в поселок Красная Поляна. Установленная здесь кольчужная сеть выполняет, по сути, роль противокамнепадной завесы на склоне, сложенном скальными грунтами. Закрепленная на анкерах в верхней части сеть не препятствует формированию вывалов и обрушений, но способствует безопасному перемещению обвальных масс к подножию в контролируемом пространстве между сеткой и поверхностью склона. Вероятно, из-за отсутствия на тот момент соответствующего опыта применения противокамнепадных завес из кольчужной сети проектировщики решили также «притянуть» сеть к склону, установив анкера по всей его поверхности. Данная мера не только удорожила проект, но и препятствует нормальной работе завесы, не давая обвальным массам смещаться к подножию склона для расчистки (рис. 2).

Рис. 2. Кольчужная сеть в качестве завесы от камнепадов. Обломок на склоне упирается в нагель

Система укрепления склонов ТЕССО^®

Система укрепления склонов ТЕССО^®, в основе которой лежит одноименная сеть из высокопрочной (1770 Н/мм²) стальной 3 мм проволоки была разработана специально для укрепления склонов.
«Системой» конструкция называется в силу того, что все ее компоненты были не только разработаны совместно и для конкретного применения, но и испытаны в лабораторных тестах и в натурных наблюдениях.

Система ТЕССО^® состоит из четырех основных компонентов (рис. 3):

• высокопрочная стальная сеть из проволоки D = 3 мм, временное сопротивление разрыву – 1770 Н/мм²;
• анкера (нагели) – типа GEWI, TITAN или аналоги, доступные на рынке;
• специальные усиленные зубчатые пластины для прижимания сетки к поверхности склона в точках анкеровки с усилием 30–50 кН и оптимальной передачи нагрузки с сети на анкера и далее в коренные породы;
• соединительные скрепки из высокопрочной проволоки, позволяющие монтировать соседние рулоны сетки без перекрытия и, главное, потери несущей способности в местах соединений по вертикали и по горизонтали.

Рис. 3. Основные элементы системы ТЕССО^®

 Независимые испытания

LGA (Региональный промышленно-испытательный центр) в Нюрнберге и другие независимые испытательные институты подтвердили несущую способность системы TECCО^® в ходе многочисленных лабораторных испытаний (растяжение по двум осям, тесты на прочность креплений, поперечная нагрузка с грунтом/без грунта, прочность на срез на краю зубчатой пластины и др.). При этом, в частности, испытывались узлы взаимодействия компонентов системы (сетка – анкерная пластина – анкер) и определялись прочность при растяжении и несущая способность. Испытания соединительных элементов сетки также подтвердили, что несущая способность системы – благодаря специальным соединительным скрепкам TECCО^® – обеспечивается на 100% даже в местах стыка рулонов (рис. 4).

Рис. 4. Испытания различных элементов системы ТЕССО^®

Концепция расчета параметров RUVОLUМ^®: для склонов, сложенных рыхлыми и выветрелыми скальными грунтами

В качестве параметров для расчета прочности систем укрепления склонов TECCО^® используются результаты, полученные нами в ходе многочисленных испытаний и тестов. Модель RUVОLUМ^®, заложенная в одноименную программу для проектировщиков, позволяет определять максимальную нагрузку на анкера в зависимости от уклона, свойств грунта или породы, критической толщины слоя и заданных интервалов между точками крепления. Одновременно в модели учитываются нагрузки, вызываемые гидродинамическим давлением и сейсмическим воздействием. Основанная на точных расчетах система TECCО^® оптимально адаптируется к нагрузкам на грунтовых и скальных склонах, а расположение анкеров выбирается в соответствии с особенностями рельефа поверхности склона. Это повышает надежность крепления системы на склоне и обеспечивает экономичную и эффективную установку.

Программа RUVОLUМ^® 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 RUVОLUМ^® включает рассмотрение поверхностной нестабильности всего откоса, вызывающей смещения направленные параллельно склону, а также рассмотрение локальной неустойчивости между отдельными нагелями (рис. 5). В модели учтены случаи влияния гидростатического давления, давления грунтовых вод и сейсмики.

Рис. 5. Концепция RUVОLUМ^® основана на рассмотрении поверхностной неустойчивости, вызывающей смещения направленные параллельно склону (слева), а также на рассмотрении локальной неустойчивости между отдельными нагелями (справа)

Пример реализации проекта с системой ТЕССО^®: Одернхайм, Германия

В январе 2001 г. на федеральной трассе L235 на участке между городами Одернхайм и Дучрот (Duchroth) (Германия) произошел обвал (рис. 6). В марте того же года ситуация повторилась, после чего дорогу пришлось закрыть. Срочно требовались специальные меры по постоянной инженерной защите.

Рис. 6. Обвал склона на федеральной трассе L235 (Германия)

Мероприятия по инженерной защите, предпринятые ранее, оказались неэффективными 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 D≤0,3 м, чего не было достаточно для удержания произошедших обвалов.

Скальный склон сложен трещиноватыми породами, представленными слоями песчаника, алевролита и аргиллита разной толщины. Склон высотой до 45 м и протяженностью около 100 м частично перекрыт коллювием (рис. 7). Физико-механические характеристики грунта представлены в табл. 1.

Рис. 7. Поперечный разрез

Табл. 1. Исходная информация для проектирования

Высокопрочная система ТЕССО^® 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.

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 ТЕССО^® использовалась модель RUVОLUМ^®, 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 табл. 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.

Рис. 8. Общий вид склона после укрепления

Рис. 9. Средняя часть склона с прорастающей естественной растительностью

Выводы

Новейшая разработка в области укрепления склонов – система ТЕССО^® – 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.

Прочность системы активного укрепления склонов ТЕССО^® позволяет рассматривать ее в качестве альтернативы бетонным стенкам и, где требуется, более слабым сеткам.

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