Реконструкция внутригородских транспортных магистралей все чаще осуществляется в условиях стесненной застройки, на слабых или техногенных грунтах, в сжатые соки. В докладе приводятся результаты геотехнического сопровождения реконструкции участка третьего транспортного кольца г. Москвы. Земляное полотно автомагистрали представляет песчаную насыпь, армированную геосетками, с углом заложения выше нормативного, возведение которой осуществлялось в зимний период. На основе выполненных расчетов обосновано конструктивное решение, определен тип армирующего материала, разработан технологический регламент производства работ. Данные геотехнического мониторинга позволили оценить обоснованность и целесообразность принятых решений.

Развитие автотранспортной структуры г. Москвы неизбежно привело к увеличению земель, отводимых под строительство транспортных сооружений и дорог. К 2000 году они составляли 20,2 тыс. га, или 18,7 % всей городской территории, что в четыре раза больше, чем в 1996 году. Предварительный анализ территорий, отведенных под строительство «Третьего транспортного кольца», показал, что в значительной мере они заняты техногенными грунтами. Это свалки бытовых и строительных отходов, относящиеся по показателю геоэкологического состояния свалочного тела к газохимически безопасным или малоопасным свалкам. Механические свойства таких грунтов характеризуются высокой неоднородностью и низкими характеристиками прочности и деформируемости. Задача строительства усложнена так же и тем, что оно  проводится в условиях стесненной городской застройки.

Одним из примеров такого строительства стал участок третьего транспортного кольца г. Москвы от Волгоградского проспекта до Автозаводской улицы. В результате реконструкции магистрали достигалось увеличение числа полос движения  путем расширения проезжей части, однако увеличение площади застройки было невозможно из-за примыкания железной дороги и складских зданий.

Грунты основания строительной площадки, по данным геологических изысканий, выполненных ГП «Мосинжпроект», представлены техногенными отложениями:

— насыпной грунт песчано-суглинистый с включениями строительного и бытового мусора, средней уплотненности, γ=17.8 кН/м³, R₀ = 100 кПа, мощность грунтов составляла от 4 до 8 метров;

— зола пылеватая, влажная, слабой плотности, погребенная под насыпными техногенными грунтами, толщиной до 5 м, γ=19.0 кН/м³, е=1.10, R₀ 70 кПа, φ= 26^о, С = 5 кПа;

— зола пылеватая водонасыщенная слабой плотности, погребенная под насыпными грунтами, толщиной до 4 м, γ = 19.0 кН/м³, е = 1.20,  R₀ = 70 кПа, φ= 24^о, С = 3 кПа.

Общая мощность техногенных грунтов составляла от 4 до 15 метров, грунтовые воды отмечены на глубине от 1м. По графику строительства работы предполагалось вести с декабря 2000 г. по март 2001 г.

Для решения этой задачи ГП «Мосинжпроект» совместно с МГСУ был разработан проект возведения насыпи с углом заложения выше нормативного, армированной геосеткой на основании, сложенном техногенными грунтами. Геосинтетические материалы (геосинтетики) пришли на смену природным строительным материалам – пескам, глинам, гравию, щебню, что связано с сокращением их природных ресурсов и повышением требований к качеству строительных элементов и конструкций. Геосинтетики выполняют следующие основные функции: дренирование, фильтрование, изоляция, разделение, защита от эрозии и армирование.  Учитывая геотехническую сложность проекта,  нами была составлена и реализована программа геотехнического сопровождения, которая предусматривала:

1.Разработку методики и определение прочностных характеристик основания, сложенного техногенными грунтами.

2.Расчетное обоснование проектного решения конструкции насыпи повышенной крутизны с использованием геосинтетических армирующих материалов.

3.Разработку регламента ведения работ.

4.Организацию сопровождения строительства.

5.Проведение геотехнического мониторинга в период строительства и эксплуатации.

Из-за неоднородности техногенных грунтов, наличия в них крупных включений различных материалов, определение их механических характеристик представляет сложную геотехническую задачу. Наиболее целесообразным в этих случаях представляется проведение штамповых испытаний больших размеров. В нашем случае проведение таких работ было не возможно. Анализ геотехнической ситуации на данном участке реконструкции, позволил применить математическое моделирование, использовать насыпь существовавшей автомагистрали в качестве  аналога натурного штампа для определения расчетных характеристик основания.

Для определения прочностных характеристик c и φ основания насыпи было выполненно математическое моделирование, основанное на расчете устойчивости откосов   по методу  круглоциллиндрических поверхностей скольжения при заданном коэффициенте устойчивости. В результате расчета были определены прочностные характеристики основания реконструируемой насыпи.

Конструкция земляного полотна автомагистрали представляла насыпь, армированную горизонтальными слоями высокопрочной сетки (рис.1). Максимальная высота насыпи — 10.5 м, длина 180 м, угол заложения откосов изменялся от 1:0,5 до 1:1,15. Толщина слоев грунта между  арматурными элементами принята равной 0,6 м, что обосновано расчетом и технологическими условиями укладки и уплотнения слоев, коэффициент уплотнения должен быть не менее 0.98. Материал насыпи – песок средней крупности, расчетный угол внутреннего трения φ = 32^о, С = 0, γ = 17.6 кН/м³.

Для обеспечения общей устойчивости насыпи на участках высотой более 8 метров первый слой арматуры уложен на глубине 0.8 метров ниже планировочной отметки.

Конструктивная схема откоса

Прочность армирующих элементов определена из расчета общей устойчивости армированного откоса. Расчет базировался на методе круглоциллиндрических поверхностей скольжения, в котором в качестве дополнительных (удерживающих) усилий в уравнениях равновесия учитывались растягивающие силы в армирующих элементах. При заданном коэффициенте устойчивости К_st = 1.2  была определена требуемая длительная прочность армирующей сетки F_d.

После этого был выполнен расчет местной устойчивости – на выдергивание арматуры. По результатам расчета определена необходимая длина анкеровки армирующих элементов слева и справа от потенциальной поверхности скольжения.

Кратковременная прочность армирующей геосетки вычислялась с учетом ползучести материала, условий производства работ, достоверности расчетных характеристик и метода расчета: F_r = F_d/(A₁·A₂·A₃). Значения коэффициентов были приняты: коэффициент, учитывающий ползучесть А₁=1.7, т.к. применена геосетка из полиэфира, а расчетный срок службы сооружения назначен 100 лет; коэффициент условий работ А₂=1.05, т.к. насыпь возводилась в зимнее время из песков средней крупности,  коэффициент точности расчетной методики А₃=1.1.

Этап строительства

Для ведения строительства был разработан регламент производства работ, предусматривающий соблюдение мероприятий по защите грунтов от промерзания и использование переносной опалубки для устройства армированных слоев, которую можно видеть на фото: «Этап строительства».

Наблюдения за развитием деформаций сооружения в строительный и эксплуатационные периоды осуществлялись по разработанной программе. Для этого во время возведения насыпи были заложены контрольные реперы. Установка таких наблюдательных знаков была возможна только по лицевой поверхности откоса. По длине откоса реперы были установлены через 10 м, а по высоте на каждом третьем армирующем слое, т.е. через 1,8 м.

Наблюдения проводились со 2.02.2001г. по 04.06.2002 г, из них первые два месяца относились к строительному периоду. Колебание температуры во время производства работ составляло от 0 до –20^о С. За период строительства выпало около 20 см снега.

По каждому циклу наблюдений проводился анализ деформаций, строились соответствующие зависимости.  Графика изменения осадок во времени по одному из поперечных сечений земляного полотна представлен на рисунке. Как показал анализ данных мониторинга, в строительный период вертикальные перемещения были незначительны. В апреле зафиксированы первые вертикальные перемещения реперов, которые продолжали увеличиваться с почти одинаковой скоростью до июня. Затем скорость перемещений уменьшилась и по результатам наблюдений, проведенных в конце ноября, стало возможным заключить, что деформации насыпи полностью стабилизировались. Это так же было подтверждено данными последующих наблюдений.

Общая тенденция развития осадок позволяет установить их зависимость от высоты насыпи. Отсутствие четкой пропорциональности связано с технологическими факторами, в частности, с не соблюдением регламента производства работ. В ходе работ допускалось промораживание грунтов предыдущих слоев и укладка в сооружение мерзлого грунта. Стабилизация деформаций позволила заключит, что общая устойчивость насыпи обеспечена. Данные геотехнического мониторинга позволили подтвердить обоснованность и целесообразность принятых методик и решений.

На основании проведенной работы можно сделать следующие выводы.

Армирование оснований, сложенных слабыми водо-насыщенными или техногенными грунтами, устройство армированных грунтовых подпорных сооружений и насыпей с откосами повышенной крутизны представляет одно из перспективных направлений применения высокопрочных геосинтетиков – геотканей и геосеток.

Применение геосинтетических материалов при строительстве и реконструкции городских автомагистралей, в сложных геологических условиях,   требующих увеличение крутизны откосов земляного полотна, позволяет сократить сроки производства работ и снизить материалоемкость проектных решений

Строительство армированных насыпей в зимний период должно выполняться при геотехническом сопровождении  учетом  требований, предъявляемых к строительству земляных сооружений при отрицательных температурах. Нарушение этих требований может привести к дополнительным деформациям сооружения и образованию зон локальных разрушений.

При оттаивании грунта отмечается снижение контактной прочности, поэтому для насыпей повышенной крутизны, возводимых зимой, целесообразно использовать высокопрочные геосетки, т.к. они обладают большей контактной прочностью, чем высокопрочные геоткани. Армирующие материалы должны быть произведены из полимеров, которые сохраняют гибкость и эластичность материала при отрицательных температурах, например, полиэфиров.

Значения коэффициентов запаса, принятые при определении кратковременной прочности геосетки F_r, могут быть рекомендованы при расчетах и проектировании аналогичных сооружений. При производстве работ в зимнее время, в расчетах следует принимать значение коэффициента условий производства работ не менее А₂ = 1.1. Это связано с тем, что в зимних условиях, как показали наблюдения, количество повреждений геосеток возрастает.

Полученные данные геотехнического мониторинга и опыт ведения работ  использованы для разработки общих рекомендаций по применению геосинтетических материалов в строительстве и реконструкции транспортных сооружений.

Более полно информация содержится в диссертационной работе Щукина С.Н. на соискание ученой степени: кандидата технических наук. МГСУ 2003 г.

Российская геотехника, шаг в 21 век