Аннотация: Цель: анализ работы существующих берегозащитных сооружений, а также обоснование применения грунтоармированных и грунтонаполняемых конструкций для условий малых рек и водотоков гидрографической сети. Материалы и методы: Предложены новые технические решения и технологии возведения оболочечных грунтонаполняемых и грунтоармированных конструкций, обеспечивающих минимальное воздействие на территорию водосбора малых рек. Предлагается использование в качестве основания берегозащитных сооружений грунтонаполняемые оболочки, заполняемые донными отложениями. Результаты: Приводятся аналитические и численные методы для определения напряженно-деформированного состояния с учетом свойств материала геосинтетической оболочки грунтонаполняемой конструкции в программном модуле «Ansys Mechanical APDL», на основании которых разрабатывается имитационная модель нового технического и технологического решения берегозащитного сооружения, позволяющего обеспечить снижение объемов работ при подготовке и разработке их основания. Рассматривается применение лабораторного оборудования для проведения физического моделирования грунтоармироваванных конструкций берегозащитных сооружений на грунтонаполняемом основании, включающее установку для испытания композитных материалов грунтонаполняемой оболочки и напряженно-деформированного состояния грунтоармированного массива. Выводы: планируемые исследования позволят разработать технологию возведения берегозащитных сооружений, в том числе, в стесненных городских условиях и на территории природоохранных объектов. По результатам численного моделирования грунтонаполняемых оболочек с применением геотуб предварительно определены условия их устойчивости в качестве основания берегозащитного грунтоармированного сооружения. Предложено при уклонах коренного грунта более 10° использовать шпунтовую стенку для обеспечения устойчивости оболочки основания. Разработаны лабораторные стенды, обеспечивающие испытание грунтонаполняемой оболочки-основания и лицевой стенки берегозащитного сооружения.
Ключевые слова: грунтонаполняемая конструкция, берегозащитное сооружение, имитационная модель, грунтонаполняемая оболочка, малый водоток
Ключевые слова: грунтонаполняемая конструкция, берегозащитное сооружение, имитационная модель, грунтонаполняемая оболочка, малый водоток
При строительстве берегозащитных сооружений, обладающих значительной протяженностью, основными проблемами являются значительная неоднородность основания аллювиального происхождения, существенные воздействия руслоформирующих процессов и необходимость соблюдения экологических требований при проведении строительных работ, ремонте и реконструкции.
В случае существующих жестких конструкций берегозащитных сооружений даже незначительная деформация основания может привести к разрушению конструкции в целом (рисунок 1, a). В связи с этим одной из наиболее сложных задач является подготовка и стабилизация оснований, также. необходимы значительные капиталозатраты при их строительстве и реконструкции. Преимуществом гибких габионных конструкций является способность воспринимать без разрушения значительные просадки основания, но доступный для их заполнения материал не всегда соответствует природно-климатическим условиям и разрушается при циклах замораживания и оттаивания, что приводит к его высыпанию через ячейки сетки габионов и как следствие к нарушению устойчивости берегозащитного сооружения в целом (рисунок 1, б). Биопозитивные фашинные конструкции не обеспечивают достаточную надежность крепления и имеют малый срок службы в условиях переменного уровня воды и колебаний температур [1-7].
Целью исследования являлся анализ существующих берегозащитных сооружений и обоснования применения берегозащитных сооружений с применением грунтоармированных и грунтонаполняемых конструкций, а также технологии их возведения.
При отсутствии качественного местного строительного материала наиболее эффективным является использование грунтоармированных и грунтонаполняемых конструкций Longard, TenCate, Soiltrain, ООО «Русгеосинт» и др., применение которых известно с середины прошлого века и позволяет обеспечить устойчивость грунтовых массивов в условиях просадочных грунтов и опасных геологических процессах [7–10].
Материалы и методы. Основным недостатком существующих защитных сооружений является значительный вес лицевой стенки, что увеличивает неравномерность нагрузки на армированный массив и его основание.
Вторым аспектом является значительное воздействие на водный объект и территорию его водосбора при проведении подготовительных работ: расчистка донных отложений и подготовка основания сооружений; складирование отложений, с необходимостью осветления, а при необходимости вывоза на специализированные площадки хранения [11, 12].
При этом глубину заложения основания берегозащитного сооружения следует назначать ниже возможного размыва грунта с учетом воздействия проектируемой конструкции и толщины активного слоя наносов. Прочностные, деформационные и фильтрационные характеристики биогенных грунтов и илов определяются в диапазоне давлений, соответствующих напряженному состоянию после возведения сооружения. Если под его основанием залегает слой грунта с модулем упругости Е < 5 МПа и толщиной более его ширины, тогда осадка должна определяться с учетом полного давления p (кПа) под ним, не превышающего расчетного сопротивления грунта основания R (кПа), определяемого по известным нормативным формулам [13].
В случае медленно уплотняющихся водонасыщенных связных и биогенных грунтов основания, имеющих степень влажности
и коэффициенте консолидации сn£ 107 см2/год, сила предельного сопротивления рассчитываются с учетом избыточного давления воды в порах
(кПа), вызывающего нестабилизированное состояние.
Наличие нестабилизированного состояния основания с изменяющимся по времени при консолидации анизотропии прочностных, деформационных и фильтрационных характеристик, а также значительной тиксотропии илов приводит к увеличению сроков строительства, которое должно производиться с учетом времени, необходимого для достижения заданной степени консолидации основания, а также конечной осадки основания под пригрузкой [7,8].
При расчетных деформациях грунта основания, сложенного биогенными грунтами и илами, больше предельных, предусматриваются следующие мероприятия [7, 11, 12]: вытеснение грунта основанием при толщине биогенных грунтов и илов не более 0,2 м; полная или частичная прорезка слоев биогенных грунтов и илов при устройстве основания; полная или частичная замена биогенного грунта или ила песком, гравием, щебнем и т.д.; уплотнение грунтов временной или постоянной пригрузкой основания сооружения или всей площадки строительства насыпным (намывным) грунтом; применение грунтоармированых или грунтонаполняемых конструкций с горизонтальной схемой армирования при толщине биогенных грунтов и илов более 1,5 м [8].
Для условий возведения на слабых биогенных грунтах С. И. Сахаровой предусматривалось возведение армированных грунтовых подушек, которые существенно повышают устойчивость [12].
Недостатком является то, что при устройстве основания предполагает использование технологии, при котором необходимо осуществить установку грунтоармированных элементов в специально подготовленную траншею и предварительное уплотнение грунта, что значительно усложняет производство работ в условиях береговой зоны.
В настоящее время складирование донных отложений после проведения подготовительных работ возможно с применением геотуб из фильтрующего геотекстиля, которые в настоящее время широко используются как зарубежными, так и отечественными производителями. Применение таких конструкций обеспечивает уменьшение объема за счет обезвоживания донных отложений. Однако, несмотря на уменьшение площади складирования донных отложений необходимы дополнительные мероприятия по отводу осветленного стока и замещении изъятого материала в основании берегозащитного сооружения.
В связи с этим наиболее перспективным является использование комбинирования технологии создания грунтонаполняемых конструкций основания берегозащитных сооружений за счет применения геотуб без изъятия материала из прибрежной зоны водного объекта.
При расчетном обосновании берегозащитного сооружения необходимо учитывать дополнительное воздействие водного потока, так как он оказывает взвешивающее фильтрационное, волновое, абразивное и иные виды воздействий, в том числе ледовые. Расчетные положения для определения устойчивости берегозащитных сооружений к воздействию данных явлений хорошо изучены. При строительстве берегозащитных сооружений с применением армированного грунта является снижение веса лицевой стенки при обеспечении надежной защиты от приведенных выше видов воздействий. Это обеспечивает снижение нагрузки на основание берегозащитного сооружения и армированный массив, упрощает технологический процесс возведения данных сооружений. Предлагается использование гибких лицевых стенок из геотекстиля и сборных лицевых стенок из композитных материалов.
Результаты и обсуждение. Предлагаемые технические и технологические решения по возведению берегозащитных сооружений. Нами разработаны новые технические решения грунтоармированных сооружений, позволяющих обеспечить наименьший вес конструкции за счет применения гибкой лицевой стенки из геосинтетического материала и грунтонаполняемым основанием (рисунок 2).
(пат. РФ 2714732)
Преимуществом конструкций на рисунке 2 является возможность их возведения без применения тяжелой строительной техники в условиях отсутствия развитой транспортной инфраструктуры или в стесненных условиях городской среды. Рассматривается возможность применения в качестве основания грунтонаполняемой оболочки, выполненной из водопроницаемого геотекстиля (геотубы) в которую под давлением осуществляется закачивание пульпы под давлением превосходящем в несколько раз давление окружающего грунта, обеспечивающего снижение его влажности с более чем с 80 до 40 %. Грунтонаполняемая оболочка укладывается на освобожденное под действием гидромонитора коренной устойчивый грунт. Плотность грунта внутри оболочки может быть увеличена до 1,8 т/м3. При необходимости для стабилизации грунта в геотубе добавляется отвердитель.
Грунтонаполняемая оболочка обеспечивает надежное основание берегозащитному сооружению, однако при уклоне границы коренного грунта более 10° не обеспечивается ее устойчивость. Предлагается обеспечить ее устойчивое положение за счет шпунтовой стенки, ограничивающей ее перемещение вниз по склону.