Использование вспомогательных методов для стабилизации оползня, затронутых структур

Понимание оползней и их механизмов

Оползни — это сложные геологические события, когда массы почвы, скал или мусора движутся по склону под воздействием гравитации. Они могут быть вызваны природными явлениями, такими как длительные сильные ливни, сейсмическая активность, извержения вулканов или быстрое таяние снега, а также антропогенными факторами, включая обезлесение, раскопки и строительство на неустойчивых склонах. Воздействие на структуры часто катастрофическое: дифференциальное урегулирование, растрескивание фундамента, наклон и даже полный коллапс. Понимание конкретного типа и механики оползня — будь то трансляционный слайд, вращательный спад, поток мусора или обвал породы — необходимо для выбора соответствующего решения. Каждый механизм отказа накладывает различные силы и структуры смещения на фундаменты, требуя индивидуальных инженерных ответов.

Когда оползень происходит под или рядом со зданием, земля может двигаться боком, вертикально или и то, и другое. Это движение может привести к потере несущей способности фундамента, что приводит к неравномерным напряжениям. Результатом часто является видимое растрескивание стен и полов, дверей и окон, которые прилипают, и прогрессирующее структурное ухудшение. Без вмешательства повреждение ускоряется, особенно во время последующих влажных сезонов или сейсмических событий. Инженерные вмешательства должны поэтому учитывать не только симптомы отказа фундамента, но и основную нестабильность склона.

Принципы фундамента, лежащие в основе

Подпорная конструкция - это проверенная временем геотехническая техника, используемая для укрепления или углубления существующего фундамента, чтобы нагрузки переносились на более компетентные грунтовые или каменные слои. Основная цель состоит в том, чтобы восстановить или повысить стабильность здания, когда исходный грунт стал неспособным безопасно поддерживать структуру. В районах, пострадавших от оползней, подпорная конструкция часто работает в сочетании с мерами стабилизации наклона, такими как удержание стен, забивание грунта или улучшение дренажа.

Исторически сложилось так, что подпорная стена использовалась для восстановления оседания, вызванного горной промышленностью или плохими почвенными условиями. Современные применения распространяются на подверженные землетрясениям регионы, обширные глины и, прежде всего, склоны, подверженные оползням. Выбор конкретного подпорного метода зависит от факторов, включая ограничения доступа, тип фундамента, структурные нагрузки, недра и скорость продолжающегося движения грунта. Инженеры также должны рассмотреть потенциал для будущей реактивации оползня и проектирования на определенный период производительности, часто несколько десятилетий.

Исследование сайта и геотехнический анализ

Перед началом любой подкрепляющей работы обязательно проводится тщательное исследование участка. Это включает в себя исследование недр через скважины, испытательные ямы или испытание на проникновение конуса (CPT) для характеристики слоев почвы, глубины до основания, уровня грунтовых вод и местоположения сдвиговых поверхностей. Лабораторные испытания обеспечивают параметры прочности сдвигов, показатели пластичности и характеристики консолидации. Для участков оползней часто устанавливаются инклинометры и пьезометры для мониторинга текущего движения и давления поровых вод. Эти данные подаются в анализ устойчивости склона с использованием компьютерного программного обеспечения (например, методы ограничения равновесия или конечных элементов) для количественной оценки факторов безопасности и прогнозирования будущего поведения.

Геотехническая интерпретация должна идентифицировать глубину и геометрию поверхности отказа, потому что подстилающие сваи или пирсы должны простираться ниже этой поверхности в стабильную землю. Если оползень глубоко расположен, могут потребоваться чрезвычайно длинные сваи, что значительно увеличивает стоимость и сложность строительства. Кроме того, конструкция должна учитывать боковые силы, оказываемые перемещением почвы на элементах фундамента. Эти боковые нагрузки часто решаются путем установки свай под углом (разгребающие сваи) или путем включения железобетонных наземных балок, которые соединяют несколько подпорных блоков.

Общие методы поддержки стабилизации оползней

Каждая техника подпитки предлагает различные преимущества в зависимости от ограничений участка, условий почвы и срочности стабилизации. В следующих разделах описаны наиболее широко используемые методы для оползневых структур.

Массовая бетонная основа

Этот традиционный метод включает в себя выемку почвы под существующим фундаментом короткими последовательными сегментами (обычно длиной 1,0-1,5 м) и заполнение пустот свежим бетоном. Бетону разрешено вылечивать до того, как будут выкопаны смежные участки, гарантируя, что фундамент всегда поддерживается. Массовое бетонное основание наиболее эффективно, когда неустойчивый слой почвы неглубокий и нижележащие слои компетентны. Однако для оползней требуется тщательное секвенирование, чтобы избежать подрыва структуры. Для оползней глубина раскопок может потребоваться значительно ниже поверхности отказа, что может сделать метод неэкономичным для глубоких горок. Распространенный вариант использует железобетон вместо простого бетона для повышения растяжимости.

Применение: Подходит для легконагруженных конструкций на мелководных фундаментах, где оползень ограничен верхними несколькими метрами грунта. Часто сочетается с временными операциями по орошению и обезвоживанию.

Щепка подпирающая

В основе свай используются приводные или скученные сваи для переноса структурных нагрузок через нестабильную почву в более глубокие, несущие слои. Движимые сваи (бетон, сталь или древесина) являются предпочтительными в гранулированных почвах, где возможно движение. Скучные сваи (также называемые сверленными валами или кессонами) сверлят, а затем заполняют железобетоном, что позволяет устанавливать в узких пространствах или где вибрации должны быть сведены к минимуму. В сценариях оползней сваи должны быть достаточно длинными, чтобы простираться в стабильный материал ниже поверхности скольжения, как правило, по крайней мере на 3-5 м. Сваи могут быть расположены рядами или кластерами, соединенными железобетонным наземным балкой (козырьком), который захватывает существующий фундамент.

Недавние достижения в конструкции свай для стабилизации оползня включают использование свай большого диаметра (до 2 м) для сопротивления боковым нагрузкам почвы, а также групп меньших свай (<60 cm) arranged to form a shear wall. ] Подпорки свай часто являются методом выбора для глубоко расположенных оползней, поскольку они могут достигать значительных глубин и обеспечивать как вертикальное, так и боковое сопротивление.

Ближний и нижний луч

Подпорные балки и основания, также известные как подпорные балки «игл», включают в себя выемку ям под фундаментом и установку железобетонных балок (балок игл), которые охватывают нестабильную зону. Эти балки передают нагрузку на бетонные базы или сваи, расположенные в стабильном грунте. Эта техника особенно полезна, когда здание должно оставаться работоспособным во время подпорки, поскольку работа может быть выполнена с одной стороны, не входя в занятое пространство. Лучи обычно отливаются на месте и могут быть натянуты для контроля отклонения. Для оползней базы должны быть расположены за пределами поверхности отказа, часто требуя глубоких раскопок, которые нуждаются в поддержке из листовых свай или солдатских свай.

Руководство по инженерной практике: Институт инженеров-строителей рекомендует луч и основание для конструкций с тяжелыми колонными нагрузками или там, где дифференциальное расселение должно быть сведено к минимуму. Однако для прогнозирования долгосрочных характеристик системы при продолжающемся движении по наклону необходимы тщательные расчеты угона.

микроскопия

Микропилы (также называемые мини-сваи или штифтовые сваи) представляют собой затираемые сваи малого диаметра (обычно 100-300 мм), которые пробуриваются, а затем впрыскиваются в цементную затирку под давлением. Они устанавливаются с использованием портативных буровых установок, которые могут работать в закрытых подвалах или с ограниченным запасом хода. Микропилы могут быть наклонены под углом, чтобы противостоять боковым силам, и могут быть соединены с существующим фундаментом через железобетонную шапку или стальные кронштейны. При стабилизации оползня микропилы особенно ценны, потому что они могут проникать через валуны или различные подземные условия и могут быть установлены с минимальным нарушением структуры. Они часто используются в сочетании с почвенными гвоздями или наземными якорями для создания композитной системы стабилизации.

Тематическое исследование 2018 года, проведенное Швейцарским федеральным технологическим институтом, показало, что комбинация микропилей и горизонтальных стоков успешно стабилизировала 10-этажный жилой дом на медленно движущемся оползне в Альпах. Микропилы были разработаны для того, чтобы действовать как вертикальные несущие элементы, так и пассивное укрепление почвы.

Интегрированный дренаж и стабилизация почвы

Оползни почти всегда контролируются водой. Повышенное давление пор воды снижает эффективное напряжение в почве, уменьшая силу сдвига и запуская движение. Поэтому одного только фундамента редко бывает достаточно; его необходимо сочетать с улучшениями дренажа. Типичные меры включают поверхностные стоки для перехвата дождевой воды, подземные стоки (горизонтальные буровые стоки, французские стоки или траншейные стоки) для снижения уровня грунта и реградацию склона для уменьшения движущих сил. В некоторых случаях электроосмотическое дренаж или смешивание почвы с известью или цементом могут улучшить стабильность почвы, окружающей подпорный фундамент.

При проектировании дренажной системы для оползня критически важен долгосрочный доступ к техническому обслуживанию. Засорение сточных вод мелкими частицами или биологический рост может привести к повышению уровня воды и реактивации движения. Инженеры должны включать порты очистки, камеры инспекции и план мониторинга для проверки эффективности слива. Интеграция дренажа с подпорными сваями - например, размещение сливов рядом с крышками свай - помогает обеспечить, чтобы сваи оставались эффективными для срока службы конструкции конструкции.

Соображения по дизайну

Нагрузочный путь и структурная интеграция

Подпорная система должна обеспечивать чёткий путь нагрузки от существующего фундамента к стабильным слоям. Для этого часто требуются железобетонные кронштейны, скобки или наземные балки, соединяющие отдельные сваи или подпорные пирсы. Детали соединения должны учитывать усадку, ползучесть и тепловые движения. Для стабилизации оползня конструкция также должна учитывать возможность продолжающегося ползучести грунтовой массы. Это может потребовать жёсткой системы фундамента, которая может перераспределять нагрузки, если одна сваи теряет поддержку из-за дальнейшего движения грунта.

Мониторинг и проверка эффективности

Во время и после подведения итогов мониторинг имеет важное значение для обеспечения стабилизации структуры. Приборы включают в себя наклонные счетчики, датчики трещин, нагрузочные ячейки на сваях и инклинометры на склоне. План мониторинга должен определять приемлемые скорости движения (например, менее 10 мм в год) и значения триггера для вмешательства. Долгосрочный мониторинг особенно важен для активных оползней, поскольку сезонные изменения в грунтовых водах могут вызывать периоды ускоренного движения.

Секвенирование строительства

Подпорной конструкции здания на активном оползне находится строительство высокого риска. Работы должны быть секвенированы, чтобы избежать внезапной передачи нагрузки, которая может дестабилизировать структуру или вызвать катастрофический сбой. Это часто включает в себя подпорные стадии, с каждой стадией разрешено вылечить до следующего поступления. Могут использоваться временные опоры, такие как рубки, иглы балки или гидравлические домкраты. Планирование безопасности должно включать в себя аварийные маршруты эвакуации и план быстрого обратного заполнения, если движение ускоряется.

Примеры тематических исследований

Дело 1: Жилой комплекс в Калифорнии, США
После обломков Монтесито 2017 года 12-квартирный жилой дом, основанный на изолированных раскидистых основаниях, испытал поселение глубиной до 200 мм. Геотехническое исследование выявило неглубокий трансляционный слайд глубиной 4 м. Инженеры спроектировали систему микропил диаметром 400 мм, простирающуюся на 10 м в основание, соединенную железобетонным наземным лучом, который охватывал весь участок здания.В сочетании с серией подземных стоков и подпорной стеной на носу склона здание было полностью стабилизировано в течение шести месяцев.Постстроительный мониторинг в течение трех лет показал менее 5 мм дополнительного движения.

Дело 2: Историческая церковь в Колумбии
Каменная церковь 19-го века в Андском регионе подвергалась угрозе медленного вращательного оползня. Каменные фундаменты церкви были сильно потресканы. Из-за статуса наследия здания, методы фундамента должны были быть минимально инвазивными. Инженеры выбрали систему иглы-балки в сочетании с массовым бетонным фундаментом в дискретных местах, все выполнены вручную. Иглы перенесли нагрузки на четыре бетонных основания, основанные на стабильной скале. Под церковью были выкопаны дренажные галереи, чтобы снизить давление пор. Через два года ширина трещин стабилизировалась, и церковь оставалась открытой для поклонения. Внешняя связь: Программа USGS Landslide Hazard Program обеспечивает дополнительное руководство по оценке оползня для структур наследия.

Преимущества и ограничения

• Немедленная стабилизация — Подпорка может быстро остановить продолжающееся движение фундамента, особенно в сочетании с дренажем.
• Сохранение существующих структур — фундамент избегает сноса и реконструкции, что часто бывает более дорогостоящим и разрушительным.
• Повышение безопасности — Стабилизированные здания снижают риски для жильцов и близлежащей инфраструктуры.
• Увеличенная стоимость недвижимости — Правильно поддерживаемые структуры сохраняют рыночную способность в районах, подверженных оползням.