Устян Нагапет Амирханович
Заместитель главного инженера по особым проектам ООО «ГЕО-ПРОЕКТ» кандидат технических наук, доцент
Мариненко Дмитрий Викторович
Начальник научно-технического отдела ООО «ГЕО-ПРОЕКТ», кандидат технических наук
г. Санкт- Петербург
ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
осадок оснований насыпей
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ОБЩЕГО ПОЛЬЗОВАНИЯ
Строительство автомобильных дорог и искусственных дорожных сооружений всегда связано с преодолением участков, имеющих сложные и слабые грунтовые основания. Возведение земляного полотна на них и обеспечение тех же эксплуатационных и прочностных характеристик наравне с другими участками, имеющими лучшие грунтовые основания, является одной из сложных задач.
Она требует применения более сложных инженерных решений и методов возведения земляного полотна, различных материалов, чтобы сохранить проектные, геометрические и прочностные параметры земляного полотна на весь срок его эксплуатации. При строительстве дорог на участках в сложных условиях со слабыми грунтовыми основаниями очень важно контролировать такие показатели, как соответствие режима отсыпки насыпи расчетным срокам, динамику консолидации грунтов слабого основания, величину осадки насыпи после отсыпки очередного слоя грунта. Это очень важные показатели, пренебрежение которыми может привести к непоправимым последствиям - выпору основания насыпи при строительстве или даже при эксплуатации автомобильной дороги, обрушению откосов или участка насыпи в целом.
Поэтому для исключения подобных случаев предусматривается геотехнический мониторинг (наблюдение) участков дорог на слабых грунтовых основаниях в период их строительства, а в ряде случаев и при эксплуатации [1, 2]. При этом необходимо наблюдать не только за осадками насыпи, но и за горизонтальными смещениями откосов. От своевременной и полной информация о состоянии слабого основания зависит ход строительства и риски возникновения нештатных ситуаций, связанные с потерей прочности основания и устойчивости откосов насыпей.
В настоящее время для измерений деформаций земляного полотна насыпей наиболее часто используются визуально-инструментальные и геодезические методы. Измерения могут производиться с применением нивелиров, теодолитов, тахеометров, сканеров (в том числе оптических, электронных, лазерных) и навигационных спутниковых систем. Для проведения данных измерений требуется установка осадочных марок [3] на основание насыпи в начальный период ее отсыпки. Это позволяет контролировать осадки земляного полотна на всем протяжении периода его возведения.
Как правило, марки устанавливаются в трех точках насыпи земляного полотна через каждые 50 м (рисунок 1).
Рисунок 1 - Схема установки осадочных марок
Существенными недостатками геотехнического мониторинга с использованием осадочных марок являются:
- снижение темпов возведения земляного полотна ввиду наличия стесненных условий использования тяжелой техники на участках с марками;
- большая вероятность повреждения или уничтожения части установленных марок строительной техникой, необходимость их восстановления;
- ухудшение достоверности данных, полученных с использованием восстановленных марок (т.к. при восстановлении марок используется метод бурения, нарушающий целостность уплотненного грунта насыпи, что ухудшает точность их применения);
- получение данных только по трем контрольным точкам поперечного профиля земляного полотна (при обычной ширине основания насыпи от 20 до 40 м, это дает очень приближенную оценку ее состояния);
- невозможность проведения мониторинга насыпи после устройства дорожной одежды автомобильной дороги, в том числе при ее последующей эксплуатации.
Учитывая указанные выше недостатки, данные, полученные с использованием осадочных марок, могут быть неполными и приблизительными. Вследствие этого оценка состояния земляного полотна и слабого основания насыпи может привести к неверным выводам, напрямую влияющим на безопасность строительства и эксплуатации автомобильной дороги.
Поэтому совершенствование методов измерений осадок земляного полотна, дающих более полную и достоверную информацию о состоянии слабых грунтов оснований, является актуальной проблемой.
Занимаясь проведением геотехнического мониторинга земляного полотна долгое время, автором статьи изобретен и предлагается к внедрению новый геофизический метод измерения осадок слабых грунтовых оснований насыпей с применением принципов инклинометрии.
Инклинометрия – определение пространственного положения ствола скважины в грунтовом массиве с помощью инклинометров - приборов, выполняющих измерения искривлений и последующим построением плана (инклинограммы) проекции оси скважины на горизонтальную плоскость. Инклинометрические измеренияя широко применяется в нефтегазовой отрасли для определения фактических координат и качества проводки буровых скважин.
Данный метод при строительстве автомобильных дорог впервые был опробован в 2008 г. при строительстве кольцевой автодороги вокруг г. Санкт-Петербурга [4]. В то время уже был известен метод инклинометрических измерений горизонтальных деформаций (смещений) откосов, однако измерение вертикальных деформаций (осадок) не производились из-за отсутствия инклинометра, способного их измерить и соответствующей методики измерений.
На сегодняшний день отечественной промышленностью производятся горизонтальные инклинометры, которые можно применить для измерения осадок насыпей автомобильных дорог общего пользования. Они входят в состав портативных инклинометрических измерительных комплектов с соответствующим программным обеспечением (рисунок 2) .
Рисунок 2 - Портативный инклинометрический комплект УСМ-ИСП
В настоящее время в действующей нормативной документации порядок проведение таких измерений и методика оценки их результатов для автомобильных дорог пока отсутствуют.
Так, действующие стандарты и своды правил [5, 6] предусматривают инклинометрические измерения только горизонтальных смещений грунтового массива (вертикальные измерения не рассматриваются).
Учитывая важность рассматриваемой проблемы, в Росавтодоре в настоящее время ведется научно-исследовательская работа, направленная на совершенствование нормативной базы по организации и проведению геотехнического мониторинга земляного полотна автомобильных дорог. Так, специалистами ООО «ГЕО-ПРОЕКТ» в настоящее время разрабатывается проект ОДМ «Организация и проведение геотехнического мониторинга при строительстве земляного полотна на слабых грунтах». Автор статьи является разработчиком проекта ОДМ «Методические рекомендации по измерению осадок оснований насыпей с применением принципов инклинометрии». Первая редакция проекта ОДМ направлена на рецензирование.
Предлагаемая автором методика позволяет производить измерения осадок насыпей по всей ширине основания земляного полотна, в любой его точке, с помощью инклинометра и специально устраиваемого горизонтального инклинометрического измерительного канала (ИИК).
Инклинометр входит в портативный инклинометрический измерительный комплект и выполнен в виде зонда с направляющими колесиками.
ИИК монтируется из специальных инклинометрических труб (либо обычных канализационных труб из полиэтилена низкого давления), которые укладываются поперек оси дороги на ее основание до начала отсыпки насыпи (рисунок 3) через каждые 20 м. Количество необходимых для измерений ИИК определяется при составлении программы мониторинга в зависимости от характеристик грунтов и длины наблюдаемого участка.
При монтаже ИИК в него вставляется протяжный шнур-кондуктор, предназначенный для протаскивания инклинометра внутри канала при измерениях. Концы труб закрываются заглушками.
Рисунок 3 - Устройство ИИК на КАД Санкт-Петербурга в 2008г.
После укладки ИИК засыпается слоем грунта для его фиксации и производится первичное измерение, которые является эталонным. С ним сравниваются все последующие измерения и определяются величины осадок в каждой точке канала.
Суть измерения осадок методом инклинометрии состоит в том, что за счет эластичности, ИИК из пластиковых труб, уложенный поперек оси дороги при осадке насыпи изгибается одновременно с массивом грунта. Каждая точка его оси приобретает новое значение угла наклона относительно вектора силы тяжести G (рисунок 4).
Рисунок 4 - Принципиальная схема измерения осадок портативным инклинометрическим измерительным комплектом
1- портативный инклинометрический измерительный комплект, 2-кабель инклинометра, 3-инклинометрический измерительный канал до осадки насыпи; 4- инклинометрический измерительный канал после осадки насыпи, 5- величина осадки насыпи, 6-инклинометрический зонд; 7- протяжной шнур
При перемещении инклинометрического зонда внутри трубы с установленным шагом измеряется угол между вектором силы тяжести G и осью зонда в каждой точке измерения. Значения углов регистрируются считывающим устройством, обрабатываются программным комплексом портативного инклинометрического измерительного комплекта и выдаются в виде столбцов или готовых графиков на монитор ноутбука.
Величина осадки определяется путем сравнения полученных данных с эталонными, которые были получены после укладки ИИК. Точность измерений составляет ± 0,05 % измерительного диапазона (± 0,26 мм/м для диапазона ± 30°), что соответствует требованиям ГОСТ 24846. При практических измерениях осадок насыпи при ИИК длиной 30 метров ошибка составляет не более 3,5-4 мм.
Измерения рекомендуется производить силами двух специалистов: инженером-геофизиком и техником. Для удобства передачи команд и указаний при производстве работ они обеспечиваются портативными рациями.
Последовательность выполнения измерений следующая:
- по прибытии на место измерений снимаются заглушки с ИИК, проверяется его состояние и сохранность протяжного шнура;
- оборудование комплекта собирается в цепь, проверяется целостность соединений, производится тестирование инклинометра, после чего начинаются контрольные измерения.
Расстояние между точками контрольных измерений примерно равны базовой длине инклинометрического зонда (50-70см). В ходе измерений на каждой точке зонд выдерживается для фиксирования своего положения (3-10 секунд), после чего с него снимаются показания. Инженер наблюдает на экране ноутбука за работой инклинометра и после фиксации данных измерений на очередной контрольной точке дает команду технику перетянуть зонд на следующую точку. Таким образом, измеряются углы наклона по всей длине ИИК. По достижении последней точки, инженер перетаскивает зонд к себе, отсоединяет его от кабеля, переворачивает и присоединяет к разъему с другой стороны насыпи. После этого все измерения выполняются в обратную сторону для определения среднеквадратической ошибки. Данные измерений сохраняются в специальных электронных журналах наблюдений портативного комплекта, обрабатываются прикладной компьютерной программой считывающего устройства и выдаются в виде инклинограммы (рисунок 5).
По окончанию измерений оборудование убирается, протяжной шнур оставляется внутри трубы ИИК. Входное и выходное отверстия трубы ИИК закрываются заглушками, специалисты переходят на следующий ИИК. Измерения одного канала (туда-обратно) в среднем занимают около 20-30 мин.
Рисунок 5 - Инклинограмма измерений на экране считывающего устройства
После обработки полученных данных они сравниваются с эталонными. При этом определяются: величина осадки насыпи (достигнута или нет расчетная осадка), скорость прироста осадок за истекший срок и динамика консолидации грунтов в целом. На основании полученных данных могут быть выданы рекомендации о возможности отсыпки последующих слоев, либо устройства дорожной одежды на наблюдаемом участке насыпи.
Предлагаемый автором метод позволяет измерять вертикальные деформации насыпи за короткий срок с большой точностью, что существенно сокращает затраты на проведение геотехнического мониторинга. К тому же этот метод гораздо проще существующих как при устройстве измерительной системы, так и при проведении самого мониторинга.
Это существенно облегчает прогнозирование состояния земляного полотна «проблемных» участков, т.к. позволяет получить подробные и наглядные графики в электронном виде по каждому участку за весь период наблюдений.
Устройство контрольной измерительной базы на участках проведения геотехнического мониторинга по предлагаемому методу значительно проще и дешевле, чем создание сети контрольных точек с применением осадочных марок. Кроме этого, проведение измерений методом инклинометрии не снижает темпы производства работ по возведению насыпи, значительно повышается точность измерений из-за того, что ИИК находится в теле насыпи и практически не может быть поврежден строительной техникой. Измерения могут быть проведены при необходимости в любое время – как при строительстве земляного полотна автомобильной дороги, так и после устройства дорожной одежды и даже при последующей эксплуатации участка.
В заключении следует отметить, что применение принципов инклинометрии существенно расширяют возможности получения информации о действительном состоянии развития осадок основания насыпей на любом этапе их жизненного цикла и по всей ширине оснований насыпи, что ведет к повышению уровня безопасности и качества автомобильных дорог.
Использованная литература:
1. ГОСТ 33179-2014 Дороги автомобильные общего пользования. Изыскания мостов и путепроводов. Общие требования
2. ГОСТ 32868-2014 Дороги автомобильные общего пользования. Требования к проведению инженерно-геологических изысканий
3. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах.-М.: Минтранс РФ, 2003.-218с.
4. Отчет о проведении геотехнического мониторинга съезда №2 на объекте: «Автомобильная дорога Пискаревский проспект от ул. Руставели до КАД» по титулу «Строительство продолжения Пискаревского проспекта от ул. Руставели до КАД с устройством путепровода через ж.д. пути ст. Ручьи транспортной развязки на КАД».-СПБ.: ООО НТЦ «Геотехнологии СПБ», 2008.-38с.
5. ГОСТ 24846-2012 Методы измерений деформаций оснований зданий и сооружений;
6. СП 305.1325800.2017 Здания и сооружения. Правила проведения геотехнического мониторинга при строительстве.-М: Минстрой России, 2017.-58с.