Методика конструирования нагельного крепления склона



Строительство в горных районах вблизи склонов всегда сопровождается вопросами обеспечения общей устойчивости зданий и сооружений. В случае развития на площадке строительства оползневых и эрозионных процессов необходимо предусматривать мероприятия по их стабилизации. Нагельное крепление склона зарекомендовало себя как эффективное мероприятие инженерной защиты. Основной целью статьи является усовершенствование существующей методики подбора и проектирования нагельного крепления склона на основе оценки общей и местной устойчивости. В рамках исследования для рассматриваемого инженерно-геологического разреза было подобрано решение по закреплению склона на основе оценки общей устойчивости, а также проведены проверки прочности элементов крепления аналитическими методами.

Ключевые слова: нагельное крепление, общая устойчивость склона, местная устойчивость нагельного крепления, коэффициент запаса устойчивости.

Construction in mountainous areas near slopes is always accompanied by issues of ensuring the overall stability of buildings and structures. If landslide and erosion processes develop at the construction site, it is necessary to provide measures to stabilize them. The soil nailing of the slope has proven itself as an effective measure of engineering protection. The main purpose of the article is to improve the existing methods of selection and design of the soil nailing of the slope based on the assessment of general and local stability. As part of the study, a solution for fixing the slope was selected for the engineering-geological section under consideration based on an assessment of general stability, and the strength of the fastening elements was checked by analytical methods.

Keywords: soil nailing, the general stability of the slope, the local stability of the soil nailing, safety factor.

Основной проблемой существующей методики проектирования рассматриваемого метода закрепления склона является то, что при подборе оценивается только общая устойчивость. В процессе исследования была выявлена необходимость оценки местной устойчивости крепления, под которой подразумеваются проверки прочности конструктивных элементов на выдергивание, разрыв и срез.

В рамках настоящей статьи будет рассмотрен один из геологических разрезов по горнолыжной трассе на реальном объекте строительства Альпика-Сервис, который расположен в Красной Поляне (рис.1). С целью упрощения расчетов подбор велся только на основное сочетания нагрузок, т. е. без учета сейсмического воздействия. Распределенная нагрузка по трассе составляет 10 кН/м. Физико-механические характеристики грунтов сведены в таблицу 1.

Рис. 1. Исходные данные для проектирования нагельного крепления склона

Таблица 1

Физико-механические характеристики грунтов

Номер ИГЭ	𝛾 , кН/м 3	𝛾 sat , кН/м 3	с, кПа	𝜑 , град	E, МПа	𝜐	e
ИГЭ 10	18,54	19,70	49	22	14,4	0,30	0,583
ИГЭ 20	20,50	20,90	40	26	19,9	0,30	0,419
ИГЭ 40	20,21	20,60	19	24	14,2	0,35	0,526
ИГЭ 60	25,41	25,90	41	23	46,0	0,30	0,110

Основным геометрическим параметром, который определяет прочность и устойчивость нагельных креплений, является длина грунтовых нагелей. Минимальная глубина заделки грунтового нагеля определяется, исходя из трех условий (рис. 2). Первое обусловлено п. 7.3.14 СП 381.1325800.2018, где приведены рекомендации по расположению корня грунтового анкера. Последние два условия вытекают из конструктивных и технологических особенностей устройства нагельного крепления.

Рис. 2. Определение минимальной глубины заделки грунтового нагеля

При оценке общей устойчивости для учета системы нагелей в формулу коэффициента к удерживающим силам необходимо прибавить растягивающие силы, возникающие в нагелях (рис. 3).

; (1)

; (2)

где

— сумма удерживающих сил, реализуемых за счет прочностных свойств грунта, кН/м; — сумма удерживающих сил, реализуемых за счет грунтовых нагелей, кН/м: — сила сопротивления сдвигу j-ого грунтового нагеля на 1 п. м. сооружения, кН/м; — количество ярусов грунтовых нагелей; — номер яруса грунтовых нагелей (изменяется от 1 до m); — угол наклона j-ого яруса грунтовых нагелей, град.

Рис. 3. Определение общей устойчивости склона с учетом нагельного крепления

Основным условием на данном этапе подбора является обеспечение нормативного запаса устойчивости.

; (3)

; (4)

где — нормированное значение коэффициента устойчивости склона (откоса); — коэффициент надежности по ответственности сооружения, принимается согласно п. 10.1 ГОСТ 27751–2014; — коэффициент условий работы, учитывающий характер воздействий, возможность изменения свойств материалов со временем, степень точности исходных данных, приближенность расчетных схем, тип сооружения, конструкции или основания, вид материала и другие факторы; — коэффициент сочетания нагрузок, принимается согласно п.5.2.2 СП 116.13330.2012.

Для рассматриваемого случая значение нормативного коэффициента запаса устойчивости составляет 1,22.

В рамках работы были проведены расчеты общей устойчивости склона в естественном состоянии и с закреплением численным методом с использованием программного комплекса Plaxis 2D. В качестве основного несущего элемента нагельной системы использовались анкера типа Titan Geoizol MP Plus 40/18–13,5 м с шагом 1,5x2,0. Результаты расчетов представлены на рис. 4.

Рис. 4. Результаты оценки общей устойчивости в ПК Plaxis 2D: коэффициент устойчивости в естественном состоянии k _st = 1,072; коэффициент устойчивости с учетом закрепления и с учетом нагрузки k _st = 1,224

(5)

Таким образом по результатам оценки общей устойчивости склона при основном сочетании нагрузок с учетом всех мероприятий инженерной защиты и с учетом нагрузки можно сделать вывод, что склон устойчив, нормативный запас устойчивости обеспечен.

При подборе нагельного крепления важно также проверить прочность нагеля по грунту и по материалу. Усилия в грунтовых анкерах определяются комплексным расчетом удерживающей конструкции совместно со склоном (рис.5).

Рис. 5. Определение продольных усилий методом конечных элементов с использованием ПК Plaxis 2D

Нормативное значение предельного сопротивления выдергиванию анкера по грунту основания R _a;k вычисляют по формуле (СП 381.1325800.2018 «Сооружения подпорные. Правила проектирования», приложение Л):

, (6)

где — диаметр и длина корня анкера соответственно; — расчетные средневзвешенные значения угла внутреннего трения и сцепления грунта по длине корня анкера соответственно; — коэффициент условий работы, принимаемый для песчаных грунтов равным 0,72, для пылевато-глинистых 0,64; — усредненное по боковой поверхности корня анкера природное напряжение грунта, вычисляемое по формуле:

(7)

где — средневзвешенное значение по глубине удельного веса грунта с учетом взвешивающего действия воды;

— глубина заложения центра корня анкера от поверхности грунта; — нагрузка на поверхности и от соседних фундаментов зданий, приведенная к равномерно распределенной в уровне центра корня анкера; — коэффициент бокового давления грунта в природном состоянии (покоя), принимаемый для песков и супесей равным 0,43; для суглинков 0,55; для глин 0,72; — угол наклона анкера к горизонтали; — коэффициент, зависящий от отношения диаметра скважины к диаметру корня , природного напряжения, прочностных и деформационных характеристик грунта, находящегося в пределах длины корня анкера, вычисляемый по формуле:

(8)

(9)

(10)

где и — средневзвешенные по длине корня значения модуля деформации грунта и коэффициента Пуассона соответственно.

Основное условие для проверки прочности нагеля по грунту:

(11)

— коэффициент надежности по грунту.

В отличии от расчета несущей способности нагелей по грунту расчет по материалу выполняется без учета цементного тела и производится по материалу металлической штанги. Согласно п. 7.1.1 СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» расчет выполняется по формуле:

(12)

где — площадь сечения грунтового нагеля нетто; — расчетное сопротивление стали растяжению по пределу текучести; — коэффициент надежности по материалу; — коэффициент условий работы.

По результатам оценки составляется таблица для сравнения полученных расчетом продольных усилий со значениями несущей способности. Как видно из таблицы 2, соответствующие проверки выполняются.

Таблица 2

Сравнительная таблица для оценки местной устойчивости нагельного крепления

№ ряда анкеров	Максимальное усилие в анкерах с учетом шага, т ( Plaxis 2 D )	Тип анкеров « Geoizol MP Plus »	Длина , м	Прочность анкера по материалу с учетом коэф. надежности 1,15, т	Длина корня анкера, м	Диаметр скважины, мм	Диаметр корня анкера, мм	Несущая способность анкера по грунту с учетом коэф. надежности 1,75, т
Н1(в)	0,45	40/18	13,5	37,65	2,70	90	115	12,37
Н2	0,40	40/18	13,5	37,65	3,40	90	115	15,39
Н3	0,46	40/18	13,5	37,65	4,15	90	115	18,53
Н4(н)	0,66	40/18	13,5	37,65	5,08	90	115	22,28

Последним этапом подбора нагельного крепления выступает обеспечение местной устойчивости в узле крепления грунтового нагеля и стальной сети. Стоит отметить, что в настоящее время отсутствует методика расчета элементов нагельного крепления на срез, поэтому в рамках работы на основе зарубежной литературы и отечественной нормативной базы были предложены адаптированные формулы для оценки местной устойчивости поверхностного слоя с учетом работы сети и нагелей на срез, а также с учетом естественного стока воды.

Срезающее усилие при проверке определяется путем проецирования всех действующих удерживающих и сдвигающих усилий рассматриваемого участка на наклонную плоскость (рис. 6):

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

где — усилие сдвига в грунтовом нагеле, кН; кН; — сила собственного веса рассматриваемого участка, кН; — сила от движения воды, кН; - нормальная реакция опоры, кН; — сила трения, кН; — вертикальный шаг нагелей, м; — горизонтальный шаг нагелей, м; — толщина поверхностного слоя, принимая равная глубине промерзания.

Рис. 6. Схема для проверки прочности отдельного нагеля на срез

Тогда для проверки достаточно доказать, что несущая способность стержня нагеля к деформациям сдвига больше, чем расчетное сопротивление срезу отдельного грунтового нагеля:

(18)

где — нормативное значение сопротивления нагеля сдвигу, кН; — нормативное коэффициент условий работы, принимаемый равный 1,5.

(19)

(20)

где — предел текучести при деформации сдвига, кН/м ² ; — предел текучести при растяжении; — площадь сечения грунтового нагеля.

Аналогично выполняется проверка прочности сети на срез по наклонному краю пластины. Только в этом случае необходимо рассмотреть две схемы возможного разрушения, по которым определяется срезающее усилие, действующее на сеть.

Рис. 7. Проверка прочности сети между нагелями (выпор грунта). Случай А

Случай А (рис. 7):

(21)

(22)

(23)

где — уклон склона; — угол наклона поверхности скольжения; — угол наклона грунтового нагеля; — сдвигающее усилие, действующее на сетку по случаю А.

При рассмотрении случая Б необходимо учесть силу контакта между двумя рассматриваемыми блоками (рис. 8):

(24)

(25)

где — сила взаимодействия между блоками на рассматриваемом участке, кН; — сдвигающее усилие, действующее на сетку по случаю Б.

Рис. 8. Проверка прочности сети между нагелями (выпор грунта). Случай Б

По результатам расчета по этим двум схемам, определяется максимальное значение срезающей силы, которое сравнивается с несущей способностью сетки против среза в направлении грунтового нагеля:

(26)

где — несущая способность сетки против среза в направлении грунтового нагеля, определяемая с помощью испытаний для конкретного случая, кН; — коэффициент условий работы, принимаемый равный 1,5.

В рамках работы для подобранного решения также были проведены расчеты по оценке местной устойчивости. По результатам расчетов все проверки были выполнены, и подобранное решение может быть принято в качестве проектного. В противном случае необходимо корректировка параметров нагельного крепления.

(27)

(28)

(29)

Заключение

В результате проведенного исследования методика конструирования нагельного крепления была разделена на два этапа. Обеспечение общей устойчивости склона осуществляется путем итерационного расчета устойчивости с применением различных методов. При этом мероприятия инженерной защиты обосновано применять в том случае, когда при расчете в естественном состоянии склон не устойчив.

В рамках данной статьи также была предложена методика для оценки местной устойчивости поверхностного слоя с учетом работы сети и нагеля на срез, а также с учетом естественного стока воды. Представленные формулы для расчетов были адаптированы под отечественные нормы на основе зарубежной литературы.

Конструктивные особенности закрепления подбираются исходя из всех проверок обеспечения устойчивости и прочности нагельного крепления. В том случае, если прочность нагеля по материалу и/или грунту не обеспечена, то необходимо скорректировать длину и/или диаметр нагельного крепления. В случае, если не обеспечена местная устойчивость сети и/или нагеля на срез, то необходимо скорректировать шаг грунтовых нагелей и/или подобрать другую сеть с большей несущей способностью.

Литература:

1. ОДМ 218.2.102–2019 “Рекомендации по расчету и проектированию нагельных креплений откосов автомобильных дорог”, НТЦ ГеоПроект.
2. Ведомственные нормы и правила ВСН-506–88. Проектирование и устройство грунтовых анкеров.
3. Конюшков В. В. “Сравнение результатов численного моделирование устойчивости откосов в программе PLAXIS с аналитическими расчетами по упрощенному методу” // Вестник гражданских инженеров. 2018 № 2, стр. 100–105.
4. GEO. Guide to Soil Nail Design and Construction: Geoguide 7; Geotechnical Engineering Office, The Government of the Hong Kong, Special Administrative Region: Hong Kong, 2008; 100p.
5. Geobrugg, AG 2011, ‘TECCO Slope Stabilization System’, Summary of Published Technical Papers 1998–2011.