Конструкции подпорных стенок в странах Европы и США

В транспортном строительстве конструкции подпорных стенок занимают сравнительно большой объем, особенно в холмистой, пересеченной и горной местности с большими уклонами. Сооружение подпорных стенок требует значительных трудозатрат и материалов. Проблема снижения стоимости и трудоемкости подпорных стенок весьма актуальна.


Рис. 1. Массивная гравитационная подпорная стенка из крупных валунов укрепляет крутой откос (Куба).


Рис. 2. Гравитационная подпорная стенка из железобетонных блоков укрепляет откос на автомобильной дороге (Италия).


Рис. 3. Высокая гравитационная подпорная стенка укрепляет откос на косогоре на развязке автомобильных дорог (Италия).


Рис. 4. Схема укрепления откоса георешетками марки НаТе: 1-известковый щебень; 2-уплотненный грунт; 3-черенки ивы; 4-георешетка НаТе; 5-плотная глина.

В транспортном строительстве часто используются сборные и монолитные железобетонные подпорные стенки, в основном уголковые и массивные гравитационные - из бутобетона, бетона, камня (см. рис. 1 и 2).

Подпорные стенки таких конструкций работают на изгиб под действием давления грунта, поэтому необходима сравнительно большая рабочая высота сечения, что приводит к повышенному расходу материалов, из которых возводятся стенки, - бетона и стали. Этот недостаток проявляется в значительной степени при высоких подпорных стенках (см. рис. З).

Подпорные стенки из армированного грунта

В местах со сложным рельефом местности определенные преимущества дают удерживающие конструкции из армированного грунта, то есть послойно уплотненного грунта, армированного металлическими, железобетонными или геотекстильными материалами. Армированный грунт применяется в основном в конструкциях подпорных стенок для укрепления откосов железных и автомобильных дорог, в устоях мостов, фундаментах различных сооружений.

На одном из участков автомобильной дороги вблизи г. Sadona (штат Аризона, США) верховой скальный откос выемки, состоящий из прочных песчаников с прослойками сланцев и алевролитов, разрушался вследствие выветривания последних. При этом разрушение откоса и падение глыб песчаника на проезжую часть дороги в значительной мере снижали безопасность движения.

Уположение откоса, по мнению специалистов дорожного Управления г. Coconino, вряд ли дало бы положительный результат, кроме того, в этом случае пришлось бы переносить жилые строения, расположенные в верхней части склона. В связи с этим принятый вариант укрепления откоса предусматривал устройство верховой подпорной стенки из армированного грунта как наиболее экономичный. Высота подпорной стенки составляла 18-21 фут (5,4-6,3 м), а ее ширина в поперечном сечении - 10 футов (З м). Лицевое ограждение устраивали из сборных элементов Cascade Wall, запатентованных корпорацией "Meheen Ingineering Corporation (Denver, Colorado, USA) и изготовленных компанией "St. Vrain Block Company/Takona, USA).

Общая площадь лицевого ограждения подпорной стенки составляла 3800 кв. футов (350 м2). При этом оно было составлено из 1289 стеновых элементов "Cascade" и 1272 замковых лицевых элементов. Сборные элементы изготавливали высотой 9 дюймов (22 см), длиной 3 фута (0,9 м).Стеновые элементы имели форму арки с радиусом 35 дюймов (0,9 м). Замковые лицевые элементы длиной 3 фута (0,9 м) представляли собой узкие балки с полуцилиндрическими элементами уширения на концах, снабженными центральными отверстиями для установки соединительных штырей, с помощью которых элементы попарно объединялись по высоте.

Крутизна лицевого ограждения подпорной стенки составляла 1:0,5, что обусловливалось прочностью и устойчивостью армирующих элементов из геотекстиля Тензар, укладываемых с интервалом 18 дюймов (45 см) по высоте стенки.

Технология устройства включала установку стеновых и замковых элементов горизонтальными рядами, отсыпку слоя грунта и укладку геосетки, поверх которой снова отсыпался грунт до уровня верха блоков.

Указанный технологический цикл повторялся до выведения верха на проектную отметку.

Подпорная стенка была возведена за 32 рабочих дня, при этом 10 дней затрачено на подготовку ее основания. Общая стоимость работ, включая проектирование и авторский надзор, составила 200 тыс. долл.

При строительстве участка автомобильной дороги Борислав-Сходница (Львовская область, Украина) трестом Западдорстрой возведена подпорная стенка из армированного грунта. Конструкция состоит из ограждающей оболочки, армирующих элементов и грунта, который выполняет активную роль. Напряжение от веса грунта и временной вертикальной нагрузки передается на арматуру, создавая в ней растягивающие напряжения. Внешняя ограждающая оболочка из отдельных жестких элементов, объединенных с арматурой, сдерживает грунтовую засыпку. В качестве жестких элементов - лицевых блоков - применены решетчатые железобетонные элементы размером 100х100 см толщиной 15 см с четырьмя отверстиями 35х35 см. В качестве армирующих элементов использованы стальные канаты (тросы) диаметром 32 мм. Подпорная стенка из армированного грунта сооружена на подготовленном уступе с устройством фундамента под элементы оболочки (щебеночной подушки). Объединение оболочек с арматурой произведено обводкой стальных тросов вокруг двух смежных элементов оболочки. Раскладка арматуры по слою уплотненного грунта выполнена под углом к элементам оболочки внахлестку, что увеличило ее сцепление с грунтом и позволило надежно объединить арматуру с оболочкой. В местах пересечения тросы связывали вязальной проволокой, чтобы не допустить смещения при завозке, разравнивании и уплотнении последующего слоя грунта. Послойную засыпку производили грунтом. Средняя толщина слоя засыпки составила 33 см. По мере отсыпки грунта по разложенному ряду арматуры производили раскладку следующего ряда с его засыпкой и уплотнением. Элементы оболочки установлены с перевязкой швов по вертикали. Для предохранения арматуры от коррозии применили смазку битумной мастикой.

Расчеты подпорной стенки выполнены по методике, предложенной зарубежными авторами. Длина армирующих грунт тросов ориентировочно равна высоте стенки. Приведены расчеты осадки грунта основания, на сдвиг по основанию, определено усилие, возникающее в арматуре с учетом временной нагрузки, соответственно которому назначено армирование элементов внешней ограждающей оболочки.

Применение подпорной стенки из армированного грунта вместо монолитной бетонной высотой 4 м позволило более чем в пять раз снизить стоимость строительства, в три раза - сроки и трудоемкость работ.

В США разработали способ армирования грунта полимерными решетками. Наличие решетчатых конструкций повышает сопротивляемость материала на выдергивание из грунта. В США полимерная решетка применена при армировании подходных к мостам участков насыпей на слабых илистых грунтах.

В последнее время намечается тенденция к использованию в качестве армирующего материала стекловолокна и стеклосеток, при покрытии которых лаками и смолами, повышающими сопротивляемость внешним воздействиям, получаются стеклопластики. В частности, в Великобритании стеклосетки используются для создания армогрунтовых стенок без облицовочных блоков. Армирование сетчатым стекловолокном улучшает сопротивляемость выдергиванию, поскольку частицы грунта, попадая в ячейки сетки, создают прочную структуру, что позволяет использовать не только песчаные, но и глинистые грунты. Кроме этого, геотекстиль из стекловолокна (стеклопластиков) имеет очень малое относительное удлинение и высокую прочность на разрыв, в некоторых случаях превосходящую прочность лучших сортов стали.

Подпорные сооружения из грунта, армированного полимерными нитями

Возле г. Валанс на юге Франции для расширения полотна автомагистрали А7 увеличена крутизна откосов с помощью насыпи из армированного грунта типа тексоль (Texsol). Высота насыпи составляет 7 м, толщина - около 2 м, уклон - 60°.

Армированный грунт тексоль, разработанный и запатентованный в Центральной лаборатории мостов и дорог (Париж), представляет собой смесь песчаного грунта с непрерывной произвольно расположенной полиэфирной нитью и практически является изотропным материалом. Процент армирования нитью составляет от 0,1 до 0,2% от массы сухого грунта. Это соотношение требует расхода примерно 8000 м нитей на каждые 500 т тексоля.

Тексоль обладает рядом достоинств, основными из которых являются следующие: сочетание высокого сцепления частиц грунта с армирующими нитями и большого угла внутреннего трения (для сравнения можно отметить, что песчаный грунт имеет высокий угол внутреннего трения и низкое сцепление частиц, глина имеет высокое сцепление частиц и низкий угол внутреннего трения), способность к значительным деформациям без разрушения, благодаря чему сооружения из тексоля могут возводиться на просадочных грунтах, высокая дренирующая способность. Эти достоинства тексоля позволяют считать, что из этого материала можно возводить подпорные сооружения с вертикальными стенами высотой до 9 м.

Ведутся эксперименты по устройству армогрунтовых подушек из тексоля под автострадами и набережными, сооружаемыми на просадочных грунтах.

Тексоль приготовляют непосредственно на строительной площадке с помощью специальных смесительных машин. Подача нитей производится через трубки со скоростью 18 м/с вместе со струей воды под давлением. Песок подается с воздушной струей под давлением. При смешивании материал вибрируется. Производительность машин по укладке тексоля составляет 122 м3 в день. Всего разработано три типа машин для подачи, смешивания и укладки тексоля в сооружение.

Укрепление откосов автострады вблизи г. Валанс является ярким примером использования тексоля в крупном сооружении. В небольших конструкциях этот материал применяется с 1982 г. Работы по возведению сооружений из тексоля ведет фирма "Societe d`Application du Texsol".

Стоимость 1 м3 тексоля во Франции составляет от 78 до 150 $ без учета стоимости песчаного грунта и в зависимости от объема сооружения. Специалисты считают, что с разработкой более совершенного оборудования стоимость этого перспективного материала будет снижена.

Крутые откосы, укрепленные георешетками марки НаТе

Для надежного и долгосрочного укрепления крутых откосов при малой стоимости и с минимальным нанесением ущерба окружающей среде фирма "Huesker Synthetic" предложила георешетки марки НаТе, которые укладывают по всей высоте откоса, оборачивая слои грунта толщиной по 0,4 м (см. рис. 4).

Откос устраивают с уклоном около 10% и покрывают слоем естественного грунта толщиной примерно 10 см, в который кустообразно сажают черенки ив. Как показывает опыт, это растение хорошо развивается, несмотря на естественное оползание грунта, и через короткое время густо разрастается.

Георешетки НаТе позволяют сеять траву, поскольку размеры отверстий решеток варьируются от 1,2 до 5 мм. Густой травяной покров и разросшиеся деревья через короткое время надежно укрепят откос.

Подпорные стенки облегченного типа - мембраны и оболочки

Эффективны строительные конструкции, которые имеют наименьшую материалоемкость и работают в основном на сжатие и растяжение, - так называемые пространственные конструкции в виде оболочек и мембран. Такие конструкции хорошо работают на распределенные нагрузки - давление грунта. Более того, находящийся в контакте с оболочкой грунт предохраняет ее от потери устойчивости.

В последние годы в СНГ (Уральский ПромстройНИИпроект и Симферопольский филиал Днепропетровского инженерно-строительного института) и странах Европы проводили исследования и разработки по применению мембран и оболочек в облегченных конструкциях подпорных стенок. Оболочки применяли в виде уголковых подпорных стенок вместо плоской лицевой плиты, а мембраны использовали в виде элементов контрфорсных и уголковых подпорных стенок, работающих на растяжение.

Цилиндрические оболочки использовали вместо плит контрфорсных подпорных стенок, учитывая надежную работу оболочек такой формы на сжатие при малой толщине.

Мембраны из гибких материалов (тонкой стали, пластмасс) - воз водили не столько для подпора активного давления грунта, сколько для заанкеривания гибких элементов в грунт.

Подпорные стенки такой конструкции получили название "стенки из армированного грунта", поскольку гибкие элементы мембран - анкеры "армировали " грунт засыпки.

Такие мембранные подпорные стенки имеют очень малую материалоемкость, эффективность мембранных стенок особенно проявляется при большой высоте подпорных стенок.

В проектировании, исследованиях и строительстве самое широкое применение нашли оболочки в форме складок, гиперболических параболоидов (характерно, что оба типа оболочек армируются прямыми стержнями арматуры) и цилиндрических оболочек.

Применение оболочек и мембран в подпорных стенках требует соблюдения технологии при изготовлении элементов подпорных стенок, их монтаже и работе по обратной засыпке конструкций стенок. Снижение материалоемкости в два и более раз, сокращение трудоемкости работ на стройплощадке дают возможность снизить затраты на подпорные стенки на 50%. Кроме того, повышается архитектурная выразительность криволинейных элементов подпорных стенок.

Переход от плоских конструкций к пространственным охватил все отрасли техники и получил название "принцип сфероидальности". Применение этого принципа является одним из путей снижения материалоемкости и повышения эффективности подпорных стенок.

В связи с ростом экологических требований к конструкциям значительное внимание будет уделено озеленяемым подпорным стенкам и дальнейшему совершенствованию конструкций, чтобы снизить их материалоемкость и стоимость.

Основные направления снижения материалоемкости подпорных стенок, возводимых при строительстве автомобильных или железных дорог таковы: использование принципа сфероидальности, то есть замена плоскостных конструкций на пространственные типа мембран и оболочек; включение в работу грунта засыпки для удержания в проектном положении лицевых конструкций и значительного снижения активного давления грунта; повышение технологичности работ на строительной площадке путем исключения трудоемких стыков, сокращения числа разнотипных сборных элементов и их укрупнения; максимальное использование конструктивных мероприятий для улучшения работы подпорных стенок на сдвиг и опрокидывание; усиление архитектурной выразительности стенок при помощи использования более эффективных конструкций; озеленение поверхности подпорных стенок.

В последние годы в странах СНГ и Европы наблюдается сокращение объема строительства гравитационных стенок, для возведения которых необходим значительный объем материала и которые удерживают грунт только за счет массы стенок (см. рис. 1 и 2).

В странах Европы и США широкое применение получили железобетонные конструкции уголковых и контрфорсных стенок и стенок с анкерами, выполненные из плоских железобетонных плит. В таких конструкциях грунт в пределах призмы обрушения включается в работу, удерживает подпорную стенку, но работа фундаментных и лицевых плит, контрфорсов (на изгиб) требует увеличенной толщины этих элементов для создания необходимого плеча внутренней пары сил и повышенного расхода арматуры в железобетонных элементах.

В странах СНГ, Европы и США начинают применяться новые конструкции подпорных стенок в форме оболочек или мембран или в виде сочетания оболочек и мембран с плоскими плитами.

Преимуществами пространственных конструкций в подпорных стенках являются следующие факторы: оболочки и мембраны очень надежно работают на действие распределенной нагрузки, как активное давление грунта; грунт, входящий в контакт с тонкостенными оболочками или мембранами, сообщает им дополнительную жесткость, поэтому отпадает необходимость обеспечения устойчивости конструкций; пространственные конструкции (мембраны или оболочки) хорошо воспринимают поперечные силы, не требуется увеличения толщины таких конструкций у опор; поскольку такие пространственные конструкции работают в основном на сжатие или растяжение, в них возможно применение высокопрочных материалов при небольшой толщине; изменяя подъемность оболочек, можно влиять на форму и активное давление грунта, выполнять оболочку равнопрочной во всех сечениях; благодаря пространственным конструкциям возможны наиболее выразительные архитектурные решения фасадов подпорных стенок, это особенно важно на автомобильных дорогах и автомагистралях.

Евгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед ВОИР