7.2. Укрепление склонов с помощью контрфорсов
При сравнительно невысоких склонах устраивать сплошной контрбанкет иногда становится нецелесообразным. В таких случаях контрбанкет делают прерывистым по ширине склона, т.е. он фактически превращается в контрфорсы.
Контрфорс представляет собой поперечный вертикальный выступ, ребро или стенку, усиливающий основную несущую конструкцию (в данном случае склон) и принимающий на себя давление грунта. Для укрепления склона чаще всего применяют грунтовые контрфорсы, укрепленные камнем, или контрфорсы полностью из камня. При невысоком склоне с расположенным на нем зданием, которое требует усиления, могут применяться бетонные контрфорсы, укрепляющие одновременно склон и стену здания (рис. 7.3, а).
При укреплении высоких оползневых склонов применяют контрфорсы из камня и щебня. Такие контрфорсы, создавая отпор, могут одновременно служить для отвода из толщи склона грунтовых вод, в таком случае они называются контрфорсными дренажами (рис. 7.3, б).
Заглубление контрфорсного дренажа определяется положением возможной наиболее глубокой поверхности оползания неустойчивых грунтов; расположение же и заглубление откосных дренажей, работающих только для сбора и отвода вод, определяется самой пониженной точкой скопления или выхода подземных вод. Контрфорсные дренажи выполняют таким образом, что их нижняя ступенчатая грань пересекает наиболее опасную поверхность скольжения.
Контрфорсные дренажи обычно устраивают: из каменной наброски, тщательной сухой, каменной кладки с засыпкой пустот чистым крупнозернистым песком; смешанного типа — наружные грани выполняют из сухой каменной кладки, а внутреннюю полость заполняют гравелисто-песчаными грунтами; из щебенистых или гравелистых грунтов. Наилучшим осушительным действием обладают контрфорсные дренажи из фильтрующего (дренажного) материала — гравия, щебня, каменной наброски. Однако для повышения устойчивости контрфорсных дренажей из щебня или гравия в верхней части каждого дренажа следует устраивать подпорную стенку из каменной сухой кладки.
Схема расчета контрфорсных дренажей еще в 1952 г. была предложена инж. Б.В. Пащенко. Приведем эту схему расчета, несколько преобразования ее [89, 92, с. 24].
На рис. 7.3, б, кривая niF — установленная инженерно-геологическими изысканиями первоначальная поверхность скольжения до устройства дренажей; CiF — возможная наиболее опасная поверхность скольжения после прекращения осушающего действия дренажей (верхняя граница этой поверхности доходит до уплотненной зоны BCD, образующейся в соответствии с теорией арочного эффекта [92, с. 29—34]). Введем обозначения: q1 — полный вес земляного массива ABCBEFA после устройства контрфорсных дренажей (сползание грунта возможно по поверхности CiF ); q2 — вес клина niC, заключенного между первоначальной поверхностью скольжения niF и поверхностью СiF; α1 и α2 — углы наклона к горизонту касательных к поверхности CiF и niF в местах пересечения их силами q1 и q2; φ1 и c1 — соответственно угол внутреннего трения и удельное сцепление для случая полного увлажнения оползающих грунтов при плотности их, соответствующей плотности грунтов в естественном залегании до устройства контрфорсных дренажей; φ2 и с2 — то же, при наибольшем возможном уплотнении оползающих грунтов.
Смещения оползневого массива после устройства контрфорсных дренажей не произойдет, если
,
(7.3)где поверхность (ABCDEFA) представлена в виде клина.
С другой стороны, при правильно назначенном расстоянии между дренажами L грунты, залегающие выше пояса BCD (см. рис. 7.3, б) вследствие уплотнения смещаться не будут, даже если произойдет некоторое смещение грунтов склона, залегающих ниже этого пояса; поэтому условие устойчивости клина С in представится выражением:
,(7.4)где поверхность ni в плане имеет контур DCBnr (данный расчет можно вести и на единицу длины между дренажами).
Вес q1 зависит от расстояния L между дренажами и расстояния S2 от подошвы склона до пояса уплотненного грунта; вес q2 — от разницы расстояний (S1 – S2), т.е. при известном расстоянии S1 от подошвы склона до места срыва первоначальной поверхности скольжения (например, крайняя вверх по склону закольная трещина) вес q2 зависит лишь от расстояния S2. Зная на основе инженерно-геологических изысканий расстояние S1, принятую длину контрфорсных дренажей l0 а затем построив поверхность возможного сползания CiF, найдем величины S2 и q2.
Неизвестная поверхность скольжения СiF принимается в верхней части Ci цилиндрической, а в нижней части iF — совпадающей с основной поверхностью скольжения niF . Точка i является общей для поверхностей CiF и niF . Задаваясь различными кривыми Ci , можно определить крайнее положение точки С, в котором клин Сin будет находиться в устойчивом состоянии. Положение точки С должно быть таким, чтобы соблюдались зависимости: S2 > l0 и уравнение (7.4). Из уравнения (7.3) можно определить искомое расстояние между дренажами L, которое входит в выражение для определения веса q1.
Геометрические размеры контрфорсных дренажей следует назначать исходя из того, что основание дренажа должно быть ниже известной поверхности скольжения, а длина дренажа l0 должна быть такой, чтобы его задняя стенка ВВ1 располагалась за точкой i. Задаваясь длиной дренажа l0, его расчетную ширину b р определим с учетом того, что после выступления контрфорсных дренажей в действие и образования уплотненной зоны BCD на дренаж АВВ1А1 будут действовать следующие силы: Е — от давления оползневого массива (ВnтВ1), G1/2 — от давления половины оползневого массива (В'met) и С2/2 — от давления половины оползневого массива (ВnrD). Если принять G1 = G2 = G, то сила, смещающая контрфорсный дренаж, будет равна Е + G.
Обозначая принятую площадь продольного сечения дренажа Ω, среднюю плотность его заполнения γ и коэффициент трения дренажного заполнения по грунту основания f, а также пренебрегая (в запас) трением дренажа о грунт по граням АВ и А1В1, при заданном коэффициенте устойчивости Kзу получим следующее условие устойчивости дренажа:
.(7.5)Если это условие не выполняется, то необходимо увеличить ширину или длину дренажа, или же увеличить вес дренажного заполнения. При заданном Kзу из формулы (7.5) находят ширину bр.
Описанные конструкции контрфорсных дренажей были применены на отдельных перегонах Южной железной дороги, на косогорных участках нефтепровода "Дружба" и на других объектах. Как правило, они надежно стабилизировали оползневые участки горных склонов и искусственных откосов насыпей.