Определение пригодности грунтов для засыпки металлических гофрированных сооружений

Проблема отсутствия или высокая стоимость необходимого грунта для засыпки гофрированных арок и труб становится всё более актуальной. Большинство осадок и деформаций гофрированных сооружений связано именно с ней. Соответственно, вопрос пригодности материалов для отсыпки грунтовых обойм гофрированных конструкций стоит сегодня в ряду важнейших в дорожной отрасли.

Зам. директора по проектированию ЗАО «Гофросталь» Главный инженер проектов ООО «СевЗапРегионСтрой» Пупышев Алексей, +7-905-564-7691, e-mail: kb@gofrostal.ru

Ведущий инженер «СевЗапРегионСтроя» Бабурин Василий

Объемы строительства арочных сооружений и труб с применением металлических гофрированных конструкций (МГК) растут с каждым годом, достигаются новые рекорды. 15 лет назад массовое строительство ограничивалось круглыми  трубами диаметром до 3 метров. В наши дни размеры гофрированных сооружений 10-12 метров стали обычными, пролёты МГК производства ЗАО «Гофросталь» уже превышают 17 метров. Такое стремительное развитие обусловлено не только меньшей ценой по сравнению с традиционными конструкциями, но и удобной транспортировкой материалов для работы, быстрой монтажа, и низкой стоимостью эксплуатации.

Основой безопасности строительства и эксплуатации гибких засыпных конструкций является совместная работа с грунтом обоймы вокруг оболочки. Если недавно нормативы и расчетные комплексы имели ряд сложностей, то современная расчетно-конструктивная база позволяет надежно проектировать и рассчитывать грунто-стальные структуры с учетом односторонней работы грунта на сжатие и сдвиг. Программные комплексы вычисляют параметры напряженно-деформированного состояния всех элементов сооружения на любом этапе возведения и эксплуатации. Чтобы назначить параметры будущих грунтов засыпки, проектом достаточно установить только технические требования к физико-механическим свойствам.

Современная нормативная база ограничивает зерновой состав грунтов для засыпки, а требования к сжимаемости грунтов устанавливаются проектным модулем деформации грунта, который может варьироваться от 15 до 100 МПа в зависимости от размеров сооружения,  высоты засыпки. Требования к коэффициенту уплотнения от 0,95 до 0,98. Сочетание этих трех параметров и определяют будущие свойства обоймы грунто-стальной конструкции.

Ограничение количества глинистых частиц предупреждает возможность морозного пучения и обеспечивает фильтрацию воды. Максимальный размер обломков должен быть таким, чтобы они свободно умещались, не заклиниваясь во впадине гофра.

Этим требованиям соответствуют пески средней крупности, крупные, гравелистые, щебенисто-галечниковые и дресвяно-гравийные грунты, не содержащие обломков размером более 50 мм. Грунты не должны содержать более 10% частиц размером менее 0,1 мм, в том числе более 2% глинистых размером менее 0,005 мм [1].

В проектах арочных сооружений и труб большого диаметра для обеспечения надежности проектировщиками применяется ПЩС (песчано-щебеночная смесь) по [2], или ПГС (песчано-гравийная смесь) по [3]. Модуль деформации грунта E, определяется расчетами.

С этого момента основной задачей становится обеспечение соответствия применяемого грунта засыпки требованиям норм и проекта. И возникает проблема, описанная в предисловии.

Для решения этого вопроса следует определить грунты, которые имеются в наличии и выполнить испытания. Компрессионные испытания грунтов необходимо сделать даже в том случае, если применяется хорошо фракционированный материал, так как сжимаемость грунта зависит не только от зернового состава, но и от других механических свойств грунта.

Пренебрежение компрессионными испытаниями грунта обязательно приведет к неконтролируемым осадкам арки в случае, если модуль деформации грунта окажется ниже проектного. Если не принимать меры, то возможны прогибы свода, а так же обрушение конструкций под собственным весом. Осадка сооружения проходит в течение 4-6 месяцев, реже – за год или более, в зависимости от стабилизации грунтов всей насыпи. За это время сооружение уже может быть введено в эксплуатацию, а устранить последствия можно только заменой грунта обоймы.  Случай с обрушением путепровода под г. Симферополем (фото 1, фото 2) приобрел широкую известность, в том числе по этой причине.

Рассмотрим пример засыпки путепровода пролетом 17 метров (фото 3). Проектом установлены следующие требования к грунту: зерновой состав в соответствии с [1], модуль деформации грунтовой обоймы в зоне механизированного уплотнения не менее 50МПа, для зоны ручного уплотнения 90МПа.

Для устройства обоймы были исследованы три материала (см. график):

• ПЩС С6 по ГОСТ 25607-2009 [2] – кривая 1;
• ПГС по ГОСТ 23735-79 [3] – кривая 2;
• Песок мелкий по ГОСТ 8736-2014 [4] – кривая 3.

Проектом предусматриваются достаточно жесткие требования по деформативным свойствам грунта, заранее был риск, что испытания не покажут требуемых значений. Поэтому Заданием было дополнительно предусмотрено ускоренное определение предела прочности в возрасте 7 суток с последующим вычислением модуля деформации ПГС с цементом 6% по массе и смеси ПЩС с цементом 4% по массе. Приготовление и испытания цементогрунта были проведены в соответствии с [5].

Согласно Заданию, для выбора оптимального грунта засыпки МГК из имеющихся вариантов при лабораторных испытаниях определены следующие характеристики образцов:

1. Зерновой состав, весовые параметры, естественная влажность, оптимальная  влажность для максимального уплотнения;
2. Угол внутреннего трения и значения модулей деформации в интервале давлений 0.1 - 0.6 МПа для проб грунта;
3. Угол внутреннего трения и значения модулей деформации в интервале давлений 0.1 - 0.6 МПа для смеси грунта и цемента в соответствии с Заданием.

ТАБЛИЦА ПРИГОДНОСТИ ОБРАЗЦОВ ГРУНТА ДЛЯ ЗАСЫПКИ
(ВСЕ ПРОТОКОЛЫ МОЖНО ПОСМОТРЕТЬ ПО ССЫЛКАМ В ТАБЛИЦЕ)

Модуль деформации принят средним по результатам испытаний в интервале давлений 0,2-0,4 МПа. Согласно расчетам, расчетное давление в грунте обойм составляет 0,28МПа. Модуль деформации цементогрунта определен по табл.1 ВСН 164-69 [5] с учетом ф.4.

По результатам испытаний приняты следующие решения. Грунтовая обойма отсыпалась из ПГС по [3] при оптимальной влажности с коэффициентом уплотнения не менее 0.95 максимальной стандартной плотности. В зоне 0–500 мм от стенки МГК грунтовая обойма выполнялась из смеси ПЩС С6 по [2] с добавлением 4% цемента с коэффициентом уплотнения не менее 0.95. Технология устройства обоймы и контроль за деформациями арки выполнялись в соответствии со специально разработанным технологическим регламентом (pdf 18 МБ).

Специалисты ЗАО «Гофросталь» готовы оказать содействие в любых вопросах по проектированию и строительству сооружений из МГК, а так же в разработке и утверждении технологических схем производства работ, в определении оптимального грунтового материала для обеспечения надежной работы пролетного строения сооружения.

Литература

• ОДМ 218.2.001-2009 «Рекомендации по проектированию и строительству водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур на автомобильных дорогах общего пользования с учетом региональных условий (дорожно-климатических зон)».
• ГОСТ 25607-2009 «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов».
• ГОСТ 23735-79 «Смеси песчано-гравийные для строительных работ».
• ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия».
• ВСН 164-69 «Технические указания по устройству дорожных оснований из обломочных материалов, укрепленных цементом».