Армогрунтовые системы в искусственных сооружениях инфраструктурных объектов

Армогрунтовые системы за последние 20 лет нашли широкое применение в России. Практически во всех крупных инфраструктурных объектах нашей страны, в той или иной степени, использовались технологии армированного грунта. В мире в целом, где гораздо дольше применяются эти технологии, накоплен большой опыт их использования. Реализация таких технологий и на территории России и СНГ с каждым годом растет. О развитии и особенностях технологии армогрунтовых систем в составе искусственных сооружений рассказал Игорь Петров, ведущий инженер ООО «Сотерра Инжиниринг».

— Игорь, расскажите, пожалуйста, что такое армогрунтовые системы и насколько часто они встречаются в мостовых или искусственных сооружениях объектов различных масштабов?

— Согласно СП 472.1325800.2019 армогрунтовая система состоит из грунта основания, уплотняемых слоев грунта насыпи и армирующих элементов в виде металлических стержней, полос, арматурных каркасов или геосинтетических тканей, решеток, сеток, закладываемых между слоями грунта насыпи с определенным вертикальным шагом и облицовок различных конструкций.

Варианты применения данной технологии в основном сконцентрированы в отрасли дорожного и инфраструктурного строительства. Самое широкое применение данные технологии нашли в составе искусственных сооружений (ИССО). Армогрунтовые системы позволяют добиться экономического эффекта без потери в эксплуатационных свойствах и надежности.

— Что это за конструкции, элементы в составе искусственных сооружений?

— Это устои различных вариантов: устои диванного типа, устои с раздельными функциями, различные линейные подпорные стены, высокие насыпи подходов к сооружениям, решение различных планировочных схем в стесненных условиях в рамках городской застройки. Также различные ИССО на дорогах, типа водопропускных труб, порталов труб, где в том числе активно и эффективно реализуются и применяются данные технологии.

Если посмотреть на обоснованность применения различных устоев или армогрунтовых систем в составе ИССО, то схему можно сформулировать достаточно просто — это реализация концепции уменьшения протяженности ИССО за счет исключения крайних пролетов и соответственно, крайних опор. То есть от четырехпролетной схемы можно прийти к двухпролетной, или от трехпролетной — к однопролетной. Это позволяет сокращать капиталовложения при строительстве ИССО, а также получить определенную экономию на этапе эксплуатации этого ИССО.

— Чем отличаются различные устои и как они применяются в зависимости от конструкции?

Устои с раздельными функциями — на сегодняшний день это самое популярное решение с применением армогрунтовых систем. Концепция данного решения сводится к простому пониманию, что мы разделяем совместную работу ИС и подходной насыпи. Крайняя опора ИС сооружается по типу промежуточной, без загрузки активного давления у подходной насыпи, а все активное давление подходной насыпи снимается армогрунтовой подпорной стенкой, устраиваемой на определенном расстоянии от крайней опоры. Переходная плита в данном случае выполняет роль маленького пролета и обеспечивает все необходимые эксплуатационные свойства и уровень надежности для того, чтобы обеспечить правильное сопряжение двух сооружений.

Армогрунтовые устои с раздельными функциями

Основные концептуальные и фундаментальные моменты данного решения — это обеспечивать определенную независимость данных сооружений. То есть нужно всегда понимать, что армогрунтовым системам с полимерными армирующими элементами свойственно в определенной степени деформироваться во времени. Эти деформации, как правило, анализируются на стадии проектирования, они лимитированы, но они есть. Они будут всегда — это фундаментальное правило проектирования полимерных армирующих элементов. Поэтому, на наш взгляд, необходимо наличие определенного буфера между неподвижными частями ИССО и армогрунтовой системой. Обеспечивается этот буфер отступлением фундамента облицовочной стенки от ростверка опоры на определенное расстояние. Мы предлагаем от 0.5 до 1.0 м. Безусловно есть свои нюансы при высоких сооружениях, когда имеет значение угол наклона облицовки, имеет значение облицовочная система в целом, но данный принцип должен всегда реализовываться. Поэтому особое пожелание — никогда не устраивать фундамент облицовочных стенок армогрунтовых систем вплотную к ростверкам крайних опор.

Санкт-Петербург, КАД, 2004 г.

Несомненный плюс - строительство армогрунтовой системы возможно и в зимний период, безусловно с определенным вниманием к особенностям зимнего строительства, аналогично любым грунтовым или геотехническим сооружениям.

Оndдно из интересных решений реализации высоких армогрунтовых устоев с раздельными функциями — путепровод через ж/д в Омске, где высота стены более 13 м и для облицовки использовался более массивный ж/б облицовочный элемент, который монтировался механизированным способом и имеет вертикальный угол наклона облицовки к поверхности.

Омск, ул. Торговая, 2013 г.

Армогрунтовые устои диванного типа— это решение достаточно популярно за пределами нашей страны, где данная технология развивается дольше. Решение имеет много плюсов, есть свои нюансы при проектировании. К плюсам можно отнести длину ИССО, отсутствие монолитных работ по сооружению крайней опоры. Роль крайней опоры или устоя ИССО выполняет армогрунтовая система. На поверхности армогрунтовой подпорной стенки устраивается ж/б диван с крайнего пролетного строения на него. Основные нюансы данного решения заключаются в том, что, так как ИССО должно соответствовать определенным требованиям линейного объекта с определенными руководящим уклоном, если он есть, то самый главный принцип данных сооружений — это выбор всех существенных деформаций в процессе строительства. То есть помимо того, что существует деформация армогрунтового настила, существует деформация оснований. Это комплексное решение, которое должно рассматриваться достаточно скрупулезно, руководствуясь принципом, что все деформации, которые возможны, должны пройти в строительный период и не должны превышать тех лимитированных значений, которые необходимы для правильной эксплуатации данного сооружения. Это основные критерии, которые позволяют рассматривать и реализовывать данные решения. Безусловно, многое зависит и от конкретных условий участка строительства.

Армогрунтовые устои диванного типа

Процесс возведения таких сооружений мало чем отличается от процесса возведения традиционных армогрунтовых подпорных стенок, а варианты применения тоже достаточно широки.

Рассмотрим интересный пример европейского опыта — железнодорожный путепровод диванного типа. Здесь устой диванного типа армогрунтовый, с облицовками панелей на всю высоту.

Армогрунтовые устои диванного типа

При производстве ж/б панели стартер армирующих элементов заводится и крепится к арматурному каркасу облицовочного элемента и при установке в проектное положение к нему методом крепления Бодкин прикрепляется требуемой длины армирующий элемент. Это и является связью между облицовочной стенкой и армирующим элементом и армогрунтовым массивом в целом.

Армогрунтовые устои диванного типа

Многих, как правило, интересует вопрос: на каком расстоянии от облицовочной стенки можно устраивать диван. Мы предлагаем минимальную величину в 900 мм (0.9 м).

Технико-экономическое сравнение устоев различных вариантов производил НИЦ «Мосты» ЦНИИТС в начале 2000-х.

Сравнение вариантов

Концептуально сравнивались трехпролетный путепровод с обсыпными устоями, однопролетный путепровод с устоями раздельными функциями и однопролетный путепровод с армогрунтовыми устоями диванного типа. С экономической точки зрения самый эффективный вариант — армогрунтовые устои диванного типа, на 30% дороже — устои с раздельными функциями, а путепровод трехпролетный с обсыпными устоями, соответственно, обходится дороже двух других.

Линейные армогрунтовые подпорные стены также имеют достаточно широкое применение как при транспортном строительстве, так и в инфраструктурных объектах других отраслей. Находят применение в гражданском строительстве и промышленном. Неплохо себя ведут эти системы в гидротехнических сооружениях класса низкой опасности, если при проектировании учитывать те или иные параметры или особенности участков строительства.

Мосты из гофрированных труб сооружаются на транспортных и инфраструктурных объектах. Есть несколько вариантов применения в виде порталов различных труб — могут выполняться сами порталы, портальные стенки, либо различные комбинированные системы, позволяющие добиться определенных эффективных решений при реализации данных сооружений. Можно использовать различные типы облицовок.

Комбинированные системы — это некий компромиссный вариант, когда изначально планировалось устройство классического обсыпного устоя с конусом, но в ходе рассмотрения данного проекта было принято решение подрезать конус путем устройства армогрунтовой подпорной стенки уже под пролетным строением, а крайняя опора обсыпного устоя оставалась такой как была.

Комбинированные системы применяются, когда нужно снять часть активного давления с крайней опоры обсыпного устоя, когда есть определенные проблемы с дефицитом несущей способности основания, то есть можно за счет устройства армогрунтовой системы за крайней опорой снять активное давление, что позволяет в определенных случаях добиться эффективности тех или иных решений в рамках обсыпных устоев.

— Каковы особенности проектирования, конструирования и расчетных параметров армогрунтовых систем?

В этом вопросе целесообразно ориентироваться на фундаментальное понимание того, что армогрунтовые системы — это гравитационные системы, и подход к их расчету должен быть как к гравитационным подпорным стенам. Если мы при рассмотрении этих решений будем руководствоваться данным принципом, нам всегда будет проще оценивать возможность применения системы и правильное понимание размещения и увязки данных решений со смежными сооружениями в ходе проектирования и реализации. Оценка устойчивости и возможности применения армогрунтовых систем укладывается в одну простую вещь — это гравитационная подпорная стенка, выполненная из грунта и армирующих элементов, облицованная некой облицовочной системой, которая выполняет защитную и эстетическую функцию. Так как это — гравитационная система, она работает за счет собственного веса и сил трения по основанию. И это фундаментальное понимание дает представление, как эта система будет реализована и как она будет взаимодействовать со смежными системами различных сооружений. Понимание, что армогрунтовая подпорная стена — это гравитационная подпорная стена, только выполненная из других материалов — упрощает восприятие возможности применения армогрунтовых систем. Соответственно, все критерии при расчетах и проектировании — критерии оценки устойчивости первой группы предельных состояний — аналогичны гравитационным подпорным стенам. В ходе проектирования и расчетов оцениваются потенциальные возможные сдвиги: как плоский сдвиг по основанию, опрокидыванию армогрунтового массива и проверка несущей способности основания армогрунтового сооружения в целом и армогрунтового массива в частности.

Безусловно, нужно оценивать все сооружение целиком относительно потенциально возможных плоскостей обрушения. Они могут быть прямолинейные, криволинейные, круглоцилиндрические — чем больше мы оцениваем, тем меньше рисков остается.

Для оценки целостности и гомогенности армогрунтового массива, как правило, используются три критерия, которые оцениваются в ходе расчетов. Это — прочность анкеровки армирующих элементов в грунтовый массив, прочность самого армоэлемента и прочность соединения. Если рассматривать конкретную плоскость обрушения на рис. ниже, то можно увидеть, что для верхнего слоя армирующего элемента прочность была более чем достаточной, но прочность анкеровки в грунтовый массив была недостаточной. Поэтому в ходе потенциально возможного обрушения данный армоэлемент остался бы целым, он просто выдернулся бы из грунтового массива. А вот для следующего армоэлемента ситуация была несколько иная — прочность анкеровки сильно превалировала над прочностью самого армоэлемента. Поэтому по данному слою произошел разрыв. В этом случае прочность соединения была самым слабым местом относительно потенциально возможного обрушения.

Обеспечение прочности и эксплуатационных характеристик

Вывод: в ходе расчетов для каждого слоя армирующего элемента наберется наименьшая величина, которая оценивается в данном конкретном случае для данной конкретной плоскости обрушения. То есть всегда в ходе расчетов подставляется наименьшая величина: либо прочность анкеровки, либо прочность армоэлемента, либо прочность соединения армоэлемента с облицовочной системой. Таким образом достигается требуемый уровень надежности, который позволяет рассчитывать эксплуатационные характеристики сооружения на весь эксплуатационный период. Безусловно, ко всему этому добавляется оценка устойчивости сооружения в целом по различным потенциально возможным плоскостям обрушения.

Что не менее важно — необходимо оценивать и вторую группу предельных состояний — всем полимерным армоэлементам свойственно деформироваться во времени под действием статических нагрузок. Этот процесс называется ползучесть. Мы его учитываем в рамках расчетов проектирования: есть определенный коэффициент понижения прочности — ползучести. Данные ползучести получаются по результатам долгосрочных испытаний, определенного понимания и прогнозов, как армоэлемент под действием той или иной нагрузки будет деформироваться во времени за эксплуатационный период. Чем больше мы знаем о материале, чем больше материал или армирующий элемент был протестирован в рамках таких исследований, тем точнее становится анализ на потенциально возможные деформации армоэлементов в ходе эксплуатационного периода.

В нормативной базе, в частности по СП 46.13330.2012 «Мосты и трубы», деформации армоэлементов в рамках армогрунтовых систем, реализуемых в составе ИССО — устоев мостов с раздельными функциями диванного типа — лимитированы величиной в 0,5%. Это означает, что за эксплуатационный период данные армоэлементы не должны деформироваться более чем на 0,5 %. Эта оценка должна учитываться в рамках расчетов и в рамках проектирования.

— А на какие еще стандарты и нормативы вы опираетесь в своей работе?

— На сегодняшний день отсутствует как таковой ГОСТ, который бы в целом регулировал технические требования для армирующих элементов и облицовочных систем при строительстве армогрунтовых систем. Есть требования к армирующим элементам на автомобильных дорогах, но они разрозненные, хаотично разбросаны по различным документам. Наши специалисты частично закрывают пробелы в нормативах, общаясь с регуляторами в отрасли. Не все получается быстро и гладко, но тем не менее более чем за 30 лет ООО «Сотерра Инжиниринг» накопило определенный опыт.

Основным документом, в рамках которого реализуются данные технологии на сегодняшний день — ОДМ 218.2.027-2012. Не секрет, что этот документ является калькой британского стандарта и можно сразу сказать, что он достаточно консервативен для того, чтобы обеспечить определенный уровень надежности принятых проектных решений. Документ в сравнении с британским стандартом маловат, но основные критерии, которые позволяют считать, рассчитывать, оценивать, анализировать и реализовывать — в нем есть.

В СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» тоже есть раздел, связанный с армогрунтовыми системами, но он содержит более общие указания.

И, наконец, есть СП 472.1325800.2019 «Армогрунтовые системы мостов и подпорных стен на автомобильных дорогах», плюсом которого безусловно является признание отрасли в том, что такие технологии востребованы. Но этот документ пока не отвечает насущным запросам. Это большая работа одного или двух человек, которые еще с советских времен занимались развитием данных решений, но этот документ не учитывает опыт по отрасли за последние 15 лет. Документ помогает проектировать, проливает свет на некоторые моменты, которые для кого-то могут быть не ясны, но при этом запроектировать применение армогрунтовых систем в рамках этого документа, к сожалению, невозможно, или возможно, но в очень ограниченном варианте.

Текст статьи опубликован в каталоге "Мосты стратегических и национальных проектов России 2023-2024"