УДК 624.151.2
Устян Нагапет Амирханович, старший научный сотрудник ООО «ГЕО-ПРОЕКТ» кандидат технических наук, доцент, г. Санкт- Петербург, Россия
Некоторые причины сползания откосов земляного полотна и опыт их восстановления
Nahapet Amirkhanovich Ustian, senior researcher LdT "GEO-PROJECT", candidate of technical Sciences, associate Professor, Saint – Petersburg, Russia
Some reasons for the sliding of the slopes of the roadbed and the experience of their restoration
________________________________________________________________________________
Автором в статье рассмотрены некоторые вопросы сползания откосов насыпей эксплуатируемых автомобильных и железных дорог в разных регионах нашей страны, первичные признаки, некоторые методы прогнозирования, характер и виды сползания. Указаны краткие характеристики сложных оползнеопасных участков на переходах выемки в насыпь и даны пояснения механизма попадания воды в насыпь из глинистых грунтов с последующими последствиями. Показаны и описаны примеры разрушения откосов дорог с пояснением причин из личного опыта автора. Описаны методы восстановления на конкретных объектах с иллюстрациями проектных решений для отдельно взятого участка с устройством дренажа для вывода воды из насыпи. Приведены примеры из практического опыта проектирования с применением современных геосинтетических материалов. Даны некоторые рекомендации по технологическим особенностям восстановления откосов с применением геообойм.
Ключевые слова: насыпи автомобильных дорог, сползание откосов насыпи, восстановление откосов, геообоймы, дренаж
Annotation
The author of the article considers some issues of sliding of embankment slopes of operated highways and railways in different regions of our country, primary signs, some forecasting methods, the nature and types of sliding. Brief characteristics of complex landslide-prone areas at the crossings of the excavation into the embankment are indicated and explanations of the mechanism of water entering the embankment from clay soils with subsequent consequences are given. Examples of the destruction of road slopes are shown and described, with an explanation of the reasons from the author's personal experience. Restoration methods at specific sites are described with illustrations of design solutions for a single site with a drainage device for removing water from the embankment. Examples from the practical experience of designing using modern geosynthetic materials are given. Some recommendations are given on the technological features of slope restoration using geooboints.
Keywords: embankments of highways, sliding of embankment slopes, restoration of embankment slopes, geofences, drainage.
Keywords: embankments of highways, sliding of embankment slopes, restoration of slopes, geofences, drainage.
В своей производственной деятельности, наверное, каждый проектировщик или специалист по земляному полотну сталкивался с разрушением (сползанием) откосов строящейся и эксплуатируемой автомобильной дороги. Зачастую этот вопрос особых удивлений в дорожной среде не вызывает, т.к. многие сталкивались с подобными явлениями и знают примерно почему так происходит и как устранить случившейся сползание. Однако, данное явление не столь безобидное и имеет вполне ощутимые материальные, организационные и кадровые последствия. Восстановление порой требует больших затрат, продолжительное ограничение или закрытие движения на аварийном участке дороги. Принимая случившиеся как факт, встает вопрос: «что теперь делать?». Разумеется, специалистам по проектированию и эксплуатации дорог, гораздо важнее понимание не только причины случившегося, а ещё и как восстановить быстро, качественно, с минимальными затратами…
Сразу отметим, что данная проблема имеет вековую историю, сползание откосов насыпи происходили и происходит как при строительстве, так и при эксплуатации. Этой проблеме посвящены многочисленные работы Э.М. Доброва, М.Н. Гольдштейна, А.А. Бартоломея, А.Н. Богомолова, И.В. Федорова, Г.М. Шахунянца, А.М. Кулижникова и др., но вопрос прогнозирования и ликвидации оползания откосов насыпей актуален и сегодня [1, 2]. Причины, которые вызывают это негативное явление могут быть самые разные, но основным фактором является избыточное наличие (или поступление) воды в теле насыпи. Но надо иметь в виду, что каждый случай имеет свои причины, требует свои конкретные решения, исходя из различных факторов геологического, технического, организационного, экономического и т.д. характера. В данной статье остановимся на некоторых из них, с которыми столкнулся автор в своей многолетней производственной и проектной практике.
При отсыпке насыпи сползание откосов может вызвать неправильное выполнение земляных работ (односторонняя планировка основной площадки, при которой дождевая вода стекает на откос и смывает или разжижает глинистый грунт откоса), применение глинистых грунтов с большой влажностью или мерзлого грунта (рисунок 1), плохая подготовка основания, когда не нарезали уступы или плохо уплотнили откосную часть, а в некоторых случаях встречались сползания по причине организации движения по краю насыпи землевозной техники.
Рисунок 1 – Сползание откоса после оттаивания мерзлого грунта, отсыпанного зимой
Причем, когда сползание происходит при отсыпке насыпи, последствия строители быстро устраняют, до выяснения и анализа причин обычно не доходит. Особняком в этом вопросе следует выделить сооружение насыпи на слабых грунтах и на болотах, где даже незначительное отступление от технологии производства работ может спровоцировать сползание откосов.
На эксплуатируемых дорогах откосы чаще всего сползают по причине плохой организации поверхностного стока воды с дороги, отсутствия водоотводных канав, слабого укрепления или устройства более крутых откосов, которые применяемый грунт не может обеспечить. Но тут следует отметить, что сползание обычно происходит при стечении нескольких факторов, а наиболее весомый на данный момент, служит пусковым крючком процесса. Однако следует отметить, что с применением современных методов исследования с применением георадаров [2] , инклинометрии, лазерного сканирования дорог, а в некоторых случаях и при внимательном изучении первичных признаков, можно с большой долей вероятности определить места возможных сползаний, изучая возможные источники их возникновения на данном участке. Одним из них - отсутствие прикрмочного водоотвода и телескопических лотков. В этом случае вода стекает прямо на откос, частично впитывается в насыпь через разуплотненные участки у стоек ограждения и переувлажняет грунт откоса (особенно в конце спуска, где воды набирается достаточно много), в результате чего откос сползает. Но в любом случае, кроме техногенных случаев (землетрясение, сели, наводнении и т.д.) сползание откосов имеет первичные признаки – трещины на откосах, проседание дороги на этом участке а), трещина между бордюрным камнем и асфальтом (б) (рисунок 2), зажатие или искривление водоотводных канав и т.д.
|
а) - трещины на откосах |
б) - трещина между бордюрным камнем и асфальтом |
Рисунок 2 – Признаки сползания откоса насыпи
Немалую роль здесь играет и отсутствие водоотводных канав вдоль дорог. Например, такое разрушение произошло на дороге Р-240 Уфа-Оренбург в 2019 году с довольно серьезными последствиями (рисунок 3). Основными факторами, увеличивающие сдвиговые напряжения, явились переувлажнение грунтов и излишнее нагружение откосов насыпи матрацами «Рено» при их укреплении. Из-за отсутствия водоотвода от дороги, переувлажнения нижней части откоса и капиллярного поднятия вод, на границе контакта переувлажненных глинистых и песчаных грунтов образовались локальные поверхности скольжения, что привело к сдвигу по этой поверхности верхней толщи грунтов.
Рисунок 2 - Разрушение откоса на дороге Р-240 «Уфа-Оренбург»
Следует отметить, что сползание откоса на этом месте до этого уже было, откос восстановили и укрепили матрацами «Рено», но основную причину не устранили. Из-за отсутствия прикромочного водоотвода вода продолжала попадать в откос, а он, уже существенно утяжеливший, опять сполз с ещё большей силой вместе с недавным укреплением…
Несколько в иных обстоятельствах сполз откос на дороге Р-228 Сызрань – Саратов весной 2023 года. Отличие от предыдущего случая заключалась в том, что сползание вызвала вода, попавшая под дорожную одежду из выемки, после которой идет спуск к трубе. Сползание откоса длиной 60 метров произошло с правой стороны трубы, от места перехода выемки в насыпь (рисунок 4). При осмотре сразу стало понятно, что без притока воды в откос насыпи этого бы не произошло. Однако не было понятно, откуда она попадает туда, т.к. был устроен поверхностный водоотвод. Были предположения, что протекает водоприемный колодец, который расположен на обочине дороги и из него вытекает вода. Но при осмотре это не подтвердилось. Осталась одна версия, вода попадает в насыпь из выемки, как это уже встречалось на практике много раз. Дальнейшее вскрытие откоса при восстановлении это предположение подтвердилось. Частично вода из верхнего горизонта уходит по кювету, а часть попадает под дорожную одежду. При том, что насыпь отсыпана из глинистых грунтов и уплотнена, воде трудно впитываться, поэтому в большей своей частью она стекает до нижней точки (обычно до трубы или моста), выходит на откос и сильно его обводняет.
Рисунок 4 - Сползание откоса на дороге Р-228 Сызрань-Саратов
В результате происходит переувлажнение всей насыпи, начинаются деформации дорог, а откос сползает вниз под воздействием сил гравитации и собственного веса. Подобные явления чаще встречаются весной, когда приток воды особенно интенсивен, а оттаявший откос после зимы размягчается и интенсивно впитывает влагу.
Причиной другого обрушения откоса явилась перекрытие существующих водоотводов при уширении дороги из 2-х полос до 4-х. Строители по проекту отсыпали насыпь всплошную с существующей, захоронив водоотвод старой дороги и не выводя воду из-под насыпи. Устроили новый водоотвод, который был запроектирован по краю новой полосы. Но вода там не появилась, а из старого водоотвода прямиком пошла в насыпь, что и привело к ожидаемым последствиям - откос разрушился спустя год (рисунок 5). Наличие воды в насыпи полностью подтвердилось после вскрытия откоса. А получилось так, потому что проектировщики не знали о существовании водоотвода, при изысканиях их не нанесли на план и не описали их, т.к. не было видно, а эксплуатационников никто не спросил, как отводится вода.
Рисунок 5 –Место выхода воды после срезки откоса при восстановлении
Обычно в подобных случаях изначально, до строительства (или расширения) дороги на этом месте пролегают водоносные горизонты с грунтовыми водами, которые разгружались в ручей, находящиеся ниже (может быть 2-3 горизонта на разных уровнях). После разработки выемки, верхний водоносный горизонт оказывается перерезанным, и вода выходит наружу уже на стыке выемки с насыпью, но чуть ниже, чем дно кюветов. Нижележащие горизонты после отсыпки земляного полотна сильно пережимаются, и вода начинает подниматься выше, вместе с первым горизонтом и затапливает насыпь.
К такому выводу пришли и по другому объекту – по дороге М-5 «Урал» на участке км-1480-1494, где построен мост через р. Юрмаш. Там подход к мосту обрушился уже 4 раза, причем с выдавливанием грунтового основания из-за чрезмерного насыщения водой снизу (рисунок 6). Проводились несколько обследований, которые доказали, что из выемки под насыпь течет вода. По результатам обследований устроили перехватывающий дренаж на месте перехода из выемки в насыпь. Воду вывели в дренаж вдоль откоса, но весной откос опять сполз вместе с основанием. Из - под опоры моста вышла вода, показывая, что не всю воду перехватили сверху.
Рисунок 6 – Разрушение откоса насыпи на подходе к мосту через р. Юрмаш (верхний слой насыпи срезан)
Стало понятно, что вода течет вниз по нескольким горизонтам, которые весной имеют особенно большой дебит и практически напорные, т.к. спуск имеет длину более 1200 м. Дренажем перехватили только верхний горизонт подземных вод, а нижние так и остались не замеченными (рисунок 7).
Этот случай наглядно показывает, что инженерно-геологические изыскания для таких мест должны быть более обширными. Они должны выполняться по другой программе, позволяющий раскрыть весь инженерно-геологический разрез хотя бы на подходах к мостам, на косагорных участках, под высокими насыпями и других местах, где возможно выход подземных вод. Запоздалые исследования и обследования с привлечением различных специалистов и организаций в большинстве случаев раскрывают практически всю картину ситуации, которая уже сложилась. Но уже поздно, всё уже случилось, потрачены не сопоставимые суммы денег, сорваны сроки ввода объекта в эксплуатацию, сильно ограничено (а иногда остановлено полностью) движение транспорта по участку… И тут причастные задаются риторическим вопросом: «а что теперь делать?».
Рисунок 7 – Продольный профиль участка с верхним водоносным горизонтом по итогам обследования
Что делать и с чего начинать
Сразу следует отметить, что кроме крайней озабоченности руководства и срочности, при восстановлении откосов насыпи как правило, имеется очень ограниченный перечень исходных данных. Обычно известно только место и длина участка сползания, частично геология (вид грунта насыпи, иногда грунты в основании насыпи с уровнем грунтовых вод). Других важных исходных данных для полноценного проектирования (источник воды и её расход, поступающий в насыпь; места проникания воды в насыпь; перепад уровня воды в зависимости от сезона (верхний и нижний), степень влажности глинистых грунтов насыпи, состояние придорожной полосы (заболочена или нет), состояние канав, кюветов, степень их обводненности, данные о наблюдении за этим участком, наличие пригодного для отсыпки грунта и щебня, техники и т.д.) обычно нет. Для того, чтобы приступить к разработке проекта (а иногда и сразу к восстановлению), приходится задействовать весь свой опыт и понимание возникновения и развития данного явления именно на этом конкретном месте, учитывая все известные факторы, чтобы определить истинную причину самого оползня. Как и в медицине, правильный диагноз-половина лечения. Поэтому только правильно определив причину сползания откоса, можно разработать эффективные мероприятия для её устранения с имеющимися на месте силами и средствами. Без выявления истинных причин, восстановление не приведет к нормальной работе дороги, а процесс с оползанием откоса будет повторяться ещё не раз. Поэтому в таких случаях лучше не спешить с восстановлением сразу на следующий день, (если есть возможность как-то организовать движение), а пригласить специалистов на место происшествия, произвести геологические обследования (опросить эксплуатирующую организацию, копать шурфы или траншеи для выявления водоносной жилы или горизонта), найти причину и принимать верные проектные решения, позволяющие исправить сложившуюся ситуацию навсегда. К подобным работам нельзя допускать лиц, не имеющих соответствующего опыта и познаний в области механики грунтов, геотехники, геосинтетики, гидрологии, технологии производства земляных работ и т.д. В противном случае, надо быть готовым в следующем году на том же месте восстанавливать тот же откос… К тому же следует добавить, что в некоторых случаях сползший откос полностью или частично может перекрывать водопропускную трубу, что чревато не только затоплением дороги, но и её полным разрушением, вместе с трубой (рисунок 8).
Рисунок 8 – Забитая грунтом насыпи труба после сползания откоса (ЯНАО, 2013 год)
Поэтому способность оперативно принимать нужные решения (как проектные, так и технологические) очень многое значит в таких случаях.
Но есть некоторые незыблемые правила, которых проектировщики должны придерживаться, когда сталкиваются с разработкой проектных решений по восстановлению сползших участков дороги. Они на первый взгляд банальные, но их нужно обозначать:
1- необходимо иметь достаточные сведения для проектирования, прежде всего по инженерно-геологическим и инженерно-гидрологическим изысканиям, об особенностях грунтового основания насыпи, о горизонтах и характере протекания подземных вод [3]. При отсутствии этих данных исходить из худшего варианта и применять решения по максимальному обеспечению надежности конструкции;
2- присутствие своего специалиста при обследовании аварийного участка, фото и видео фиксация с подробными комментариями увиденного на месте, опрос специалистов эксплуатирующей организации, местных жителей и т.д.;
3- в зависимости от применяемого грунта и высоты насыпи правильно выбрать крутизну откоса, проверить его устойчивость и осадки по расчету (смоделировать с применением геотехнических расчетных программ), при необходимости укрепить геоматериалами или другими способами;
4- приток воды в откосную части насыпи необходимо убрать как снизу, так и сверху, устраивать прикромочные дренажи, лотки или канавы, чтобы вода не попадала в откос сверху и не было подсоса с нижней части насыпи;
5- на протяженных спусках предусматривать перехватывающий дренаж в местах перехода из выемки в насыпь с выводом воды в телескопические лотки или в канаву, не давать воде стекать вниз по насыпи (рисунок 9);
6- на спусках, особенно на участках, где выемка переходит в насыпь, или на подходах к мостам, предусматривать перехватывающий или плоскостной дренаж из щебня в основании насыпи в 30-50 м до устоя моста если выявлена вода в этой зоне;
7- после восстановления организовать геомониторинг данного участка, следить за его состоянием, при необходимости принимать превентивные меры по сохранению откоса.
Рисунок 9 - Перехватывающий дренаж
Однако, на практике чаще возникает вопрос восстановления уже разрушенного откоса, поэтому хотелось показать некоторые варианты с применением только геообойм, как наиболее бюджетный и приемлемый для большинства случаев. Например, на рисунке 10 показана конструктивная схема восстановления откоса насыпи после его сползания. Причиной тому была вода, которая попала в тело насыпи с поверхности дороги, которая не имела прикромочных лотков.
Рисунок 10 – Восстановление откоса с применением геообойм с выводом воды в телескопический лоток
Здесь основными удерживающими элементами являются геобоймы из геополотна с разрывной нагрузкой 100 кН/м заполненные ранее срезанным грунтом откоса. Чтобы втекающая вода не впитывалась далее в насыпь, внизу уложена геомембрана и слой щебеня для сбора воды, который защищен от кальматации геотекстилем. С помощью продольных и поперечных дренажных труб накопленная вода выводится из насыпи в телескопический лоток. При применении данной конструкции целесообразно использовать щебень фр. 20-40 и дренажные трубы с перфорацией на 1/3 диаметра для более полного выпуска воды [4]. Приведенный пример применяется при восстановлении откоса, когда дорога эксплуатируется и нет возможности устраивать перехватывающий дренаж на всю её ширину.
Примерно для такой же ситуации без закрытия движения было принято решение по восстановлению разрушенного участка с применением внутреннего дренажа из щебня с перфорированными трубами, чтобы вывести воду из насыпи. Такое решение было обусловлено ещё и тем, что вода протекала глубоко внутри насыпи, а щебеночный дренаж позволяет сохранить насыпь и эксплуатировать дорогу практически с частичной разборкой насыпи. Для восстановления участка были применены геообоймы, а для производства работ временно была закрыта только одна полоса дороги (рисунок 11).
Рисунок 11 – Схема восстановления откоса на дороге Р-228 Сызрань-Саратов с применением геообойм и устройством внутреннего ступенчатого дренажа из щебня
Для улучшения выхода воды из тела насыпи были применены пластиковые трубы диаметром 300 мм. Надо отметить, что дренаж сразу после устройства стал работать, выпуская воду из еще не досыпанного откоса насыпи (рисунок 12).
Рисунок 12 – Заключительный этап восстановления откоса с устройством дренажа
Зачастую причиной сползания откоса является вода, которая поступает с другой, более высокой стороны насыпи и впадает в канаву, устроенную с нижней стороны насыпи. Чаще такие откосы встречаются на косогорных участках дорог, полях с дренажной системой или при прокладке дорог рядом с существующей дорогой. Признаки сползание откосов проявляются от одного до трех лет, в зависимости от грунта насыпи и напора поступающей воды. Характерной особенностью таких случаев является разрушение насыпи снизу (рисунок 13).
Рисунок 13 – Разрушение откоса от поступающей воды с противоположной стороны дороги из бывшей мелиоративной сети через 1,5 года после сооружения насыпи
Для восстановления откоса без разборки дорожной полосы (только срезав узкую полосу откоса) также можно применять геообоймы, но с устройством фильтрующей прислоненной бермы из крупного песка, т.к. нужно удержать сползающий откос. Кроме удержания откоса, геообоймы предотвращают его размыв с суффозным выносом мелких частиц грунта в канаву, т.к. имеется постоянный приток воды. Для формирования геообойм лучше всего подойдет крупный песок с Кф>3м/сут. и более, что позволяет устраивать геообоймы без дренажных труб (рисунок 14). Этот способ можно применять, когда полоса отвода позволяет размещать берму, постоянный приток воды небольшой - до 0,005 м3/м2/ сут, или имеет сезонный характер. В случае отсутствия крупного песка, или если приток воды значительный - более 0,007 м3/м2/ сут, следует устраивать дренажную систему из труб с щебеночной засыпкой (см. рисунок 11). Расчет и проектирование подобных конструкций приведен в [3]. Устраивать берму следует сразу после проявления первых признаков сползания откоса, как только появились трещины, иначе придется разбирать откос и минимум одну полосу дороги полностью. Чем быстрее будет укреплен откос, тем выше вероятность сберечь дорогу в целом и избежать от больших неприятностей.
Рисунок 14 – Восстановление откоса с устройством прислоненной бермой из песка с Кф>3м/сут.
В заключении следует отметить, что здесь приведены примеры только с применением геообойм, не затрагивая другие способы, которые ранее были применены автором статьи и оправдали себя. Однако хотелось бы подчеркнуть, что лучший способ устранения оползаний является его предотвращение. Для этого надо более тщательнее выполнить геологические изыскания, силами специалистов организовать обследования протяжных спусков дорог перед их реконструкцией (уширением), произвести на этих участках инженерно-гидрологические изыскания, найти и четко обозначать горизонты подземных вод, организовать и провести геотехнический мониторинг сложных участков, организовать тесное взаимодействие между ФКУ и проектными организациями, выезд ведущих специалистов на объекты при строительстве и в случаях аварии и т.д. К сожалению, пока этого нет, так и дальше будем восстанавливать…
Использованная литература
1. Матвеев А.В. Устян Н.А. «Оценка предельной несущей способности тела насыпи». М.//«Транспортное строительство» №4, 2001, стр. 26-27
2. Кулижников А.М. Обследование оползневых массивов на откосах автомобильных дорог методом георадиолокации / А.М. Кулижников, Р.А. Еремин // Дороги и мосты. – 2012. – Вып. 27/1. – С. 54-64.
3. ОДМ 218.2.030-2013. Методические рекомендации по оценке оползневой опасности на автомобильных дорогах.
4. ОДМ 218.2.055–2015 «Рекомендации по расчету дренажных систем дорожных конструкций».