Влияние конфигурации нагелей в группе на устойчивость закрепляемого грунтового массива

Введение

Наиболее распространенным способом защиты территории от развития склоновых процессов является улучшение строительных свойств грунтового массива. В этом ряду особое место занимает армирование грунтов с помощью нагелей.

Грунтовый нагель – это горизонтальный или наклонный армирующий элемент или буроинъекционная микросвая, устраиваемые без предварительного натяжения в грунтовом откосе или в вертикальной стене выемки по мере ее разработки, а также в естественном склоне для повышения его устойчивости и уменьшения активного давления. Обычно нагели устанавливаются группами, образуя нагельное поле, которое взаимодействует с грунтом, формируя армированный массив.

Эффективное применение данного метода ограничено отсутствием достаточно разработанной методики расчета устойчивости армогрунтовых массивов. Трудности связаны с описанием напряженно-деформированного состояния таких массивов и малым числом исследований взаимодействия групп армирующих конструкций с грунтом.

Важным вопросом является отсутствие обоснованных схем оптимального размещения нагелей в группе, а также параметров их заложения в различных грунтовых условиях. Сохраняется проблема отсутствия единого подхода в расчетах укрепления откосов нагелями.

Состояние вопроса

Укрепление склонов при помощи нагельных полей, в отличие от многих других методов, которые требуют дорогостоящих работ по подрезке склонов или строительству массивных подпорных стен, является экономически выгодным и эффективным решением. Применение нагелей практически не оказывает воздействия на окружающую среду и природные ландшафты, что позволяет сохранить их в естественном состоянии.

Существуют два основных способа устройства нагельных конструкций в грунтовом массиве. Первый предполагает забивку, вдавливание или завинчивание готовых армирующих элементов. Второй предусматривает проходку горизонтальных или наклонных скважин для последующего формования в них нагелей с использованием инъекционных технологий.

Нагельное крепление, осуществляемое с использованием второго метода, включает следующие этапы: бурение скважины, установка стального или стеклопластикового стержня, инъектирование скважины.

На склонах, где границы потенциального тела оползня могут образовывать большие по площади участки, требующие надежного закрепления, используются нагели, объединенные в группы. Нагельное поле состоит из нескольких ярусов нагельных рядов, количество которых зависит от высоты закрепляемого откоса. При проектировании нагельных полей важными являются следующие параметры: конструкция и длина нагелей, расстояние между ярусами, шаг нагелей в ярусе, расположение нагелей в группе, угол наклона нагелей к горизонту, диаметр скважин, толщина защитного покрытия, угол откоса.

В работе [1] и СТО НОСТРОЙ 2.5.126-2013 [2] изложен практический опыт по применению нагельных креплений откоса.

При расчете и выборе параметров нагельного крепления откоса согласно СТО НОСТРОЙ 2.5.126-2013 [2] следует учесть несколько ограничений. Во-первых, длина нагелей должна зависеть от высоты откоса или глубины котлована и составлять от 40 до 80 % от высоты. Расстояние между ярусами, шаг нагелей и параметры сетки их размещения должны быть от 0,5 м для погружных нагелей и до 1,5 м для буроинъекционных нагелей. Угол наклона нагелей к горизонту должен быть в пределах от 0° до 30°, а диаметр скважин для буроинъекционных нагелей – от 60 до 170 мм. Угол откоса от вертикали должен находиться в интервале от 0° до 30°, а толщина защитного покрытия должна быть от 50 до 150 мм. Важно отметить, что все эти ограничения введены исходя из практического опыта, но не имеют теоретического обоснования.

В исследовании [3] приводятся результаты эксперимента в лотке по измерению степени осадки грунтового массива на неармированном и армированном грунтовыми нагелями откосе. Для этого был изготовлен прямоугольный лоток размером 0,60 × 0,40 × 0,30 м из фанеры. В качестве модели грунтовых нагелей для укрепления откоса были использованы полые алюминиевые трубки диаметром 10 мм и длиной 16 см. Деформации, возникающие в грунте и армирующих элементах, оценивались с помощью тензометрических датчиков струнного типа. Для создания нагрузки на верхнюю часть откоса использовалась опорная стальная плита размером 0,16 × 0,08 × 0,035 м. Регистрация осадки грунтового массива откоса выполнялась с помощью индикатора часового типа. Грунт в эксперименте представлен неоднородным песком с φ = 31°.

Сначала был испытан грунтовый откос без армирования и определена его осадка от приложенной нагрузки. Затем был испытан грунтовый откос с установленными под разными углами (0°, 15° и 30°) нагелями. Без армирования конечная осадка откоса составила 6,75 мм при максимальной нагрузке в 1020 Н. После того как было выполнено армирование, конечная осадка грунтового откоса уменьшилась, приняв большую нагрузку по сравнению с неармированным грунтовым откосом. Как показано на графике (рис. 1), по мере увеличения наклона нагелей оседание также увеличивается, а несущая способность склона снижается. При наклоне нагелей 0°, 15° и 30° конечная осадка грунтового склона составила 5,19; 5,75 и 6,08 мм при нагрузке разрушения 1560, 1500 и 1460 Н соответственно.

В испытаниях было изучено влияние на осадку грунтового массива откоса различных по форме групп нагелей. Сравнивались следующие формы: квадратная, ступенчатая и ромбовидная, – как показано на рис. 2.

В случае ступенчатого расположения нагелей осадка была меньше, чем в случае квадратной и ромбовидной конфигурации. На рис. 3 показано, что максимальная осадка составила 5,19; 6,05 и 4,75 мм при нагрузке 1560, 1420 и 1600 Н для квадратной, ромбовидной и ступенчатой формы соответственно.

В результатах исследований отсутствует схема деформации откоса с нагелями и без нагелей, что не позволяет оценить влияние конфигурации на устойчивость массива.

Большинство научных исследований в области изучения воздействия конфигураций армирующих элементов рассматривают данный вопрос, используя винтовые анкеры. Полученный опыт и результаты таких исследований могут быть применены для решения проблемы с закреплением откоса при помощи нагелей.

Одной из таких работ, которую хотелось бы осветить, является статья [4]. В ней приводятся результаты испытания масштабной модели крепления выемки стеной с различными типами винтовых анкеров. Масштаб модели был принят 1:10. Эксперимент проводился в лотке с размерами 100 × 30 × 60 см, передняя и задняя стенки которого были изготовлены из прозрачного оргстекла. Схема лотка и его фото перед началом испытаний показаны на рис. 4.

Для испытания использовался сухой неоднородный песок.

В эксперименте использованы следующие типы анкеров:

• однолопастные винтовые анкеры (маленькие квадратные и круглые плитные анкеры);
• двухлопастные винтовые анкеры (средние квадратные и круглые плитные анкеры);
• трехконтурные винтовые анкеры (большие квадратные и круглые плитные анкеры).

В табл. 1 и на рис. 5 представлены основные параметры сравниваемых анкеров. Длина стержня анкера составляет 300 мм для плитных и 375 мм для винтовых анкеров.

Расстояние по горизонтали принято между анкерами 150 мм. На подпорной стенке анкеры располагались в различных конфигурациях: квадратная, ромбовидная и конвертная (рис. 4).

В 10 см от стены был установлен ленточный фундамент, и через домкрат на него подавалась вертикальная нагрузка. С помощью индикаторов часового типа следили за перемещениями и осадками. Во всех испытаниях использовался метод постоянной деформации для достижения максимальной точности при постоянной скорости нагружения. Регистрация данных производилась после каждого смещения по вертикали фундамента на 3 мм до того момента, пока общая величина осадки не достигла 18 мм.

В испытаниях измерялись значения нагрузки на ленточный фундамент, горизонтальное смещение стены и формы клина разрушения. Результаты сравнивались и оценивались в зависимости от типа анкера (винтовой или плитный), количества лопастей в спиральных анкерах, формы и размеров пластин в плитных анкерах, а также изменения расположения анкеров в грунтах.

Особое внимание обратим на оценку влияния расположения анкеров в грунтах на полученные результаты. На рис. 6 представлены гистограммы, отражающие зависимость максимальной воспринятой нагрузки и максимальных деформаций подпорной стены от конфигурации анкеров в грунтах.

Значения максимальной воспринимаемой нагрузки фундамента изменяются в зависимости от расположения анкеров в грунтах. Конвертная группа расположения имеет большую несущую способность для всех типов анкеров в связи с добавлением пятого анкера. Несущая способность квадратной конфигурации оказалась более эффективной, чем ромбовидной конфигурации.

Изменение расположения анкеров в грунтах оказало значительное влияние на смещение стены, даже большее, чем увеличение количества анкеров. Ромбовидное расположение всех типов анкеров в грунтах показало лучшую эффективность в предотвращении смещения стены по сравнению с расположением по квадрату.

В работе [5] представлены результаты испытания на выдергивание групп винтовых анкеров в разной конфигурации (рис. 7) в песках разной плотности.

Результатами исследований установлено, что при заданном смещении вверх группа с малым количеством анкеров имеет более высокую устойчивость к подъему, чем группа с большим количеством анкеров. Описанное выше поведение было типичным для всех испытанных расстояний между анкерами и их диаметров (S/B = 3, 4 и 5) и для всех испытанных состояний плотности песка (плотного, средней плотности и рыхлого).

Поведение группы винтовых анкеров при подъеме зависит от следующих факторов: диаметр анкеров, глубина установки, расстояние между анкерами, свойства песка, методы их установки и конфигурация группы. Порядок установки анкеров оказывает незначительное влияние на общую выдергивающую нагрузку группы при разрушении, однако влияет на смещение отдельных анкеров при малых величинах нагрузки.

Распределение нагрузки между отдельными анкерами в группе зависит от их расположения и приложенной нагрузки.

Сопротивление группы винтовых анкеров в песчаных массивах изменяется в зависимости от характеристик плотности песка. Например, для средних и рыхлых песков сопротивление группы возрастает при увеличении расстояния между анкерами, но уменьшается при увеличении размера группы. Влияние расстояния между анкерами в плотных песках на небольшой глубине оказывается минимальным. Однако при глубоком их расположении сопротивление возрастает, но затем уменьшается с ростом расстояния между анкерами.

Существующие исследования по теме влияния конфигурации групп анкеров в основном основаны на изучении поведения винтовых анкеров. Эти исследования, несомненно, имеют большое значение, однако они не затрагивают вопрос использования нагелей. А имеющиеся исследования с использованием нагелей ограничиваются лишь модельными испытаниями и не рассматривают вопрос влияния расположения нагелей в группе на устойчивость откосов.

Необходимость более глубокого исследования влияния расположения нагелей в группе на устойчивость откоса остается актуальной. Это обстоятельство подчеркивает важность проведения в дальнейшем комплексных исследований по этой теме.

Установочный расчет в PLAXIS 3D

Расчетная оценка влияния конфигурации нагелей на устойчивость откосов выполнена в программном комплексе PLAXIS 3D.

Для расчета была построена 3D-модель откоса. Параметры модели представлены на рис. 8.

При расчете сравнивались следующие типы конфигураций нагелей в группе:

• треугольная с 2 и 3 рядами нагелей, расстояние между нагелями 1,5 м;
• квадратная с 2 и 3 рядами нагелей, расстояние между нагелями 1,5 м;
• многоугольная.

В качестве материала грунта был выбран песок со следующими характеристиками γ = 1,7 г/см³; С = 0,001 МПа; φ = 29°.

Расчет включал в себя три этапа:

• расчет устойчивости откоса в природном состоянии;
• расчет устойчивости откоса с нагрузкой на верхней бровке 20 кН/м²;
• расчет устойчивости откоса с нагрузкой на верхней бровке 20 кН/м²с армированием нагелями.

На рис. 9 представлены результаты расчетов в виде моделей с изолиниями. Полученные в результате расчета коэффициенты устойчивости отражены в табл. 2.

Результаты расчета свидетельствуют, что устойчивость откоса зависит от конфигурации и количества нагелей в группе. Увеличение количества нагелей сопровождается повышением коэффициента устойчивости. Разница между коэффициентами устойчивости для многоугольной и треугольной трехрядной конфигурацией составила всего 0,072 %. Много­угольная конфигурация при этом требует на три единицы нагелей меньше. Это позволяет предположить, что выбор многоугольной конфигурации будет экономичнее.

Заключение

В данной статье подтверждается актуальность и важность изучения влияния конфигурации групп нагелей на устойчивость откосов, подчеркивается необходимость проведения более глубоких и комплексных исследований в этой области.