Обеспечение устойчивости грунтовых массивов остаётся одной из приоритетных задач при проектировании земляных сооружений. Неконтролируемые смещения горных пород ведут к авариям, материальным потерям, прямой угрозе жизни работников. В данной статье рассмотрены основные причины обвала грунта, механизмы формирования зон потенциального разрушения, а также технологии защиты грунта от обрушения, применяемые в современной геотехнической практике.
Что представляет собой обрушающийся грунт
Обрушающийся грунт — это массив горных пород или дисперсных отложений, утративший несущую способность, перемещающийся вниз по склону либо в полость выработки под действием силы тяжести. Данный процесс может протекать мгновенно (обвал, вывал) или постепенно (сползание, просадка). К деформационным процессам, связанным с потерей устойчивости, относятся явления оползней, обвалов, просадок грунтов, каждый из которых обусловлен собственным механизмом развития, требует специфических защитных мероприятий.
Оползень развивается по ослабленной поверхности скольжения, характеризуется значительными объёмами перемещаемых масс. Обвал представляет собой внезапное обрушение блока породы, отделившегося по системе трещин. Просадка возникает при уплотнении рыхлых отложений под нагрузкой либо при замачивании лёссовых толщ.
Причины разрушения массивов при строительных работах
Причины обрушения грунта при земляных работах формируют обособленную группу техногенных рисков. К наиболее распространённым из них относятся:
- Устройство откосов с крутизной, превышающей допустимую для данного типа отложений.
- Динамические, вибрационные нагрузки от работающей строительной техники.
- Подрезка склонов, бортов котлованов без предварительного закрепления.
- Нарушение естественной системы водоотведения, подтопление основания.
- Недостаточная детальность инженерно-геологических изысканий.
Наряду с техногенными факторами существуют природные причины обвала грунта — сейсмическое воздействие, суффозионный вынос мелких фракций подземным потоком, выветривание структурных связей, многократное промерзание с последующим оттаиванием, ведущее к разупрочнению массива.
Призма обрушения и геометрия зоны деформации
При вскрытии котлованов, траншей у бровки выемки формируется область потенциальной деформации. Призма обрушения грунта котлована — это объём массива, ограниченный вертикальной или наклонной стенкой выработки, а также поверхностью скольжения, по которой реализуется сдвиг.
Граница области обрушения грунта называется поверхностью скольжения (сдвига). По ней происходит разделение устойчивой части массива от неустойчивой. Форма данной поверхности бывает плоской, круглоцилиндрической или сложной составной — в зависимости от литологического строения, гидрогеологических условий участка.
Пределы призмы обрушения грунта устанавливаются с учётом следующих параметров:
- Угол внутреннего трения, удельное сцепление;
- Объёмный вес массива в естественном, водонасыщенном состоянии;
- Глубина выработки, наличие пригрузки на бровке;
- Положение уровня подземных вод;
- Неоднородность геологического разреза.
Угол обрушения грунта определяет наклон плоскости скольжения относительно горизонтальной поверхности. Для песчаных несвязных отложений данный параметр приближается к углу естественного откоса (30–40°), тогда как для глинистых разновидностей он может составлять 50–70° за счёт наличия структурного сцепления.
Расчётные параметры зоны деформации по нормативным документам
Расчёт призмы обрушения грунта выполняется на стадии разработки проекта организации строительства (ПОС), проекта производства работ (ППР). В ходе расчёта определяются геометрия зоны деформации, коэффициент устойчивости откоса, необходимость применения ограждающих конструкций. Среди распространённых методов оценки устойчивости применяются метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения, метод Янбу, метод Моргенштерна-Прайса.
Нормативные требования к оценке устойчивости откосов регламентированы сводами правил. Вопросы призмы обрушения грунта СП 22.13330.2016 «Основания зданий, сооружений» освещает наиболее полно; дополнительные положения содержатся в СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания, фундаменты», СП 381.1325800.2018 «Сооружения подземные». Проектировщик обязан руководствоваться актуализированными редакциями указанных документов.
Коэффициент обрушения грунта (коэффициент запаса устойчивости) представляет собой отношение суммы удерживающих сил к сумме сдвигающих. Нормативное значение данного показателя составляет от 1,1 до 1,5 — в зависимости от класса ответственности сооружения, продолжительности эксплуатации выемки, условий нагружения.
При проходке тоннелей, подземных выработок над кровлей формируется свод обрушения грунта — зона, в пределах которой порода утрачивает устойчивость, обрушаясь в полость. Высота свода определяется по теории М.М. Протодьяконова; она зависит от коэффициента крепости пород, пролёта выработки.
Чем грозит потеря устойчивости оснований
Опасность обрушения грунта распространяется на все этапы жизненного цикла строительного объекта. Последствия неконтролируемых деформаций могут включать:
- Обвал стенок котлованов с засыпкой рабочих зон, угрозой для персонала;
- Повреждение подземных инженерных коммуникаций, проложенных вблизи выемки;
- Неравномерные осадки фундаментов соседних зданий, ведущие к трещинообразованию;
- Прорыв водоносных горизонтов, затопление котлована;
- Срыв календарных сроков, удорожание строительства.
Согласно статистике Ростехнадзора, нарушение технологии устройства котлованов входит в число ведущих факторов аварийности на строительных площадках. Поэтому вопрос о том, как остановить обрушение грунта, должен решаться комплексно — начиная с изысканий, заканчивая мониторингом в период производства работ.
Сооружения, методы крепления откосов
Сооружение, удерживающее грунт в откосе от обрушения, проектируется в соответствии с инженерно-геологическими условиями площадки. Наиболее распространённые конструктивные решения:
- Подпорные стены гравитационного, углового типа.
- Шпунтовые ограждения из стальных, деревянных или полимерных профилей.
- Буросекущие, грунтоцементные стены.
- Анкерные системы с предварительным натяжением тяг.
- Габионные конструкции для защиты склонов, берегов.
Крепление грунта от обрушения подбирается с учётом глубины выемки, типа отложений, гидрогеологической обстановки, требований к допустимым перемещениям. Для глубоких котлованов в стеснённых городских условиях, как правило, применяются комбинированные решения — шпунтовое ограждение с анкерным или распорным креплением.
Меры, препятствующие отвисанию и обвалу грунта, назначаются проектировщиком исходя из характера выработки, срока её эксплуатации, прочностных характеристик вмещающих пород. Для временных траншей допускается применение инвентарных щитов, раздвижных рам; постоянные сооружения требуют устройства капитальных удерживающих конструкций.
Инъекционные технологии укрепления массивов
Среди методов, обеспечивающих надёжную защиту грунта от обрушения без масштабных земляных работ, особое место занимают инъекционные технологии. Их применение позволяет существенно повысить прочностные, деформационные характеристики массива при минимальном воздействии на прилегающую застройку.
Компания «Геобилдинг» выполняет полный комплекс геотехнических работ, предлагая два ключевых метода закрепления оснований.
Струйная цементация (Jet Grouting) основана на разрушении структуры массива высоконапорной струёй цементного раствора с одновременным перемешиванием, формированием грунтоцементных элементов заданного диаметра. Технология применима практически в любых инженерно-геологических условиях, позволяя создавать:
- Противофильтрационные завесы, днища;
- Несущие грунтоцементные колонны, плиты;
- Сплошные массивы с проектными прочностными параметрами.
Инъекционное крепление (Deep Injection) предполагает нагнетание вяжущих составов под давлением в поровое пространство или систему трещин. Данный метод обеспечивает заполнение пустот, повышение плотности, водонепроницаемости, рост сцепления между частицами. Инъекционное закрепление эффективно при устранении суффозионных каналов, укреплении оснований существующих зданий, ликвидации последствий техногенных воздействий.
Оба метода решают задачу, как остановить обрушение грунта на эксплуатируемых, строящихся объектах, минимизируя негативное влияние на окружающую застройку, инженерные сети. Специалисты «Геобилдинг» ведут проекты «под ключ» — от разработки документации до производства работ, авторского надзора.
Заключение
Устойчивость грунтовых массивов определяется совокупностью природных, техногенных факторов. Корректный расчёт призмы обрушения грунта, строгое соблюдение нормативных требований, выбор адекватных технологий крепления позволяют минимизировать опасность обрушения грунта на строительных площадках. Привлечение специализированных геотехнических организаций, таких как «Геобилдинг», обеспечивает профессиональное решение задач по стабилизации оснований, предотвращению деформаций с применением передовых инъекционных технологий.
Источники
- СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» (актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*)
- СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» (актуализированная редакция СНиП 3.02.01-87)
- СП 381.1325800.2018 «Сооружения подземные. Правила проектирования»
- СНиП 12-04-2002 «Безопасность труда в строительстве. Часть 2. Строительное производство»
- ГОСТ 25100-2020 «Грунты. Классификация»
- Протодьяконов М.М. Давление горных пород и рудничное крепление. — М., 1933
