Возведение земляного полотна на слабых грунтовых основаниях при строительстве дорог требует применения сложных инженерных решений и методов возведения, а контроль режима отсыпки насыпи выходит на первый план. Нарушения темпов отсыпки могут привести к выпорам основания, обрушению откосов, что повлечет за собой не только дополнительные работы, а иногда и полный пересмотр конструкции земляного полотна на данном участке.

Для исключения подобных случаев и обеспечения безопасности строительства предусматривается геотехнический мониторинг (наблюдение) участков дорог на слабых грунтовых основаниях в период их строительства, а в ряде случаев и при эксплуатации [1, 2]. При этом необходимо наблюдать не только за осадками насыпи, но и за горизонтальными смещениями (сдвигами) откосов насыпей и выемок, а в некоторых случаях и прилегающих к дороге склонов. От своевременной и полной информация о состоянии слабого основания зависит ход строительства и риски возникновения нештатных ситуаций, связанные с потерей прочности грунтового основания и устойчивости откосов насыпей, выемок и склонов.

В настоящее время для измерений деформаций земляного полотна, используют визуально-инструментальные, геодезические и геофизические методы. Измерения могут производиться с применением нивелиров, теодолитов, тахеометров, сканеров (в том числе оптических, электронных, лазерных) и навигационных спутниковых систем. Из приведенных методов наиболее часто используется визуально-инструментальные и геодезические методы, так как другие методы гораздо дороже и сложнее.

Например, для измерения осадок чаще всего применяют геодезический метод с установкой осадочных марок на основание насыпи в начальный период ее отсыпки [3]. Это позволяет контролировать осадки земляного полотна на период его возведения. Для измерения одного поперечника устанавливают три марки в основании насыпи. Данные, полученные с использованием осадочных марок, могут быть неполными и приблизительными, т.к. они показывают осадку только на местах установки марок, а остальная часть осадок основания рисует инженер, исходя из своего опыта и понимания. Вследствие этого состояние слабого основания насыпи оценивается неверно, что напрямую влияет на безопасность строительства и эксплуатации дорог и сооружений. На практике это означает дальнейшие просадки уже готовой насыпи, продольные или поперечные трещины в недавно уложенной дорожной одежде, сползание откосов, а иногда и деформации полностью всего участка (рисунок 1).

Рис. 1. Просадки дороги после открытия движения

Поэтому совершенствование методов измерений деформаций, и в частности, осадок земляного полотна, дающих более полную и достоверную информацию о состоянии слабых грунтовых оснований, является актуальной задачей, требующей решения.

При строительстве развязки на пересечении кольцевой автодороги вокруг г. Санкт-Петербурга с Пискаревским проспектом в 2008 г., автором статьи был изобретен и предложен к внедрению инклинометрический (относится к параметрическим) метод, предназначенный для измерения осадок слабых грунтовых оснований насыпей транспортных сооружений [6].

Основная идея применения данного метода заключается в комплексной оценке напряженно-деформированного состояния земляного полотна на слабых грунтовых основаниях в любое время на основе данных, полученных при измерениях осадок и сдвигов земляного сооружения.

В целом, геотехнический мониторинг, организованный с применением инклинометрического метода включает в себя основные виды измерений — осадки и сдвиги грунтового основания и при необходимости дополнительные — поровое давление и уровень грунтовых вод (рисунок 2).

Рис. 2. Схема организации геомониторинга земляного полотна

Предложенный метод позволяет производить измерения осадок насыпей по всей ширине основания земляного полотна и тела насыпи, в любой его точке с применением переносного инклинометрического комплекта на основе MEMS технологий (рисунок 3). Включение дополнительных измерений в программу геомониторинга участка зависит от местных геологических и гидрологических условий, высоты насыпи и т.д. Кроме этого, в разные периоды строительства какие-то из видов измерений могут быть исключены или добавлены при необходимости (например, геодезическая съемка асфальтового покрытия после укладки первого слоя).

Рис. 3. Портативный инклинометрический комплект УСМ-ИСП

Измерения производят через специально проложенный в основании насыпи инклинометрический измерительный канал (ИИК) из специальных пластиковых труб, который является измерительной траекторией для инклинометрического зонда, производящего измерения. Его укладывают на выровненное основание насыпи (или неглубокую траншею) до начала земляных работ, засыпают грунтом для фиксации и проезда техники (рисунок 4).

Рис. 4. Инклинометрический измерительный канал на автодороге М 7 «Волга» (до и после засыпки 2023 г.)

После укладки ИИК производят первичное измерение для получения эталонного графика положения основания с составлением акта. С эталонным (первичным) графиком в последующем сравнивают все последующие измерения (графики) и определяют рост осадок в каждой точке канала (рисунок 5).

Рис. 5. График изменения осадок за первый месяц отсыпки насыпи

Измерения производят инженер-геотехник и техник с портативным инклинометрическим комплектом. Измерения одного канала (туда-обратно) длиной 70 метров в среднем занимает 15-20 мин с точностью ± 0,05 % измерительного диапазона, что соответствует требованиям ГОСТ 24846 [5]. При практических измерениях осадок насыпи с длиной канала 90 метров, ошибка составляла не более 3-х мм. При этом, первичный анализ полученных данных можно производить сразу после измерений, т.к. на экране считывающего устройстве комплекта сразу отображается график измерений.

Кроме осадок, на слабых основаниях необходимо измерить горизонтальные сдвиги основания. Для этих целей на объекте оборудуются вертикальные инклинометрические скважины, а для измерения применяется тот же переносной инклинометрический комплект, что позволяет производить основные работы по мониторингу одним инструментом (рисунок 6).

Рис. 6. Измерение сдвига основания насыпи в вертикальной инклинометрическая скважине и результат

Данные, полученные от вертикальных скважин, позволяют оценить величину сдвига основания и на какой глубине он образуется. В некоторых случаях этот параметр имеет первоочередное значение в определении устойчивости откосов или склонов.

После обработки полученных данных определяют величину расчетной осадки насыпи (достигнута или нет расчетная осадка на данном этапе), скорость прироста осадок за истекший срок и динамику консолидации грунтов в целом. На основании полученных данных могут быть выданы рекомендации о возможности отсыпки последующих слоев, их толщины, устройства пригруза для ускорения осадок, либо устройства дорожной одежды на наблюдаемом участке, оценки устойчивости откосов насыпи, выемок или склонов, необходимости их укрепления или уположения откосов.

Анализ данных, полученных при одном выезде на объект, позволяет полностью оценить напряженно-деформированное состояние объекта, при необходимости выдать рекомендации по корректировке организации земляных работ, а в экстренных случаях приостановить работы до выяснения обстоятельств или разработки другой технологии сооружения земляного полотна.

При изменении режима отсыпки насыпи или возобновления работ после долгого перерыва на участке, требуется произвести дополнительные изыскания с определением физико-механических характеристик грунтов основания, т.к. они изменились и стали более консолидированными. Поэтому в таких случаях, для определения величины и срока консолидации грунтов основания необходимо произвести дополнительные геотехнические расчеты. Для расчетов последних трех участков автодороги М-7 «Волга», где производили досыпки насыпи до 5 метров после годового перерыва, была применена отечественная геотехническая программа SiO 2D, которая себя очень хорошо зарекомендовала. Она позволяет в одном расчете определять осадки (в.т.ч. для каждого слоя засыпки), сроки консолидации, величину порового давления и сроки его рассеивания, устойчивость откосов, а также расчет величины пригруза, для сокращения сроков консолидации слабого основания [7].

Экономическое сравнение организации и производства геомониторинга инклинометрическим методом с геодезическим на подходе к мосту через р. Волхов показало, что затраты в 5,1 раза ниже геодезического метода[8]. Кроме этого, проведение измерений инклинометрическим методом не снижает темпы производства земляных работ, не повреждается строительной техникой, несоизмеримо повышается точность и полноту измерений по всей ширине насыпи. Измерения могут быть проведены при необходимости в любое время – как при строительстве дороги, так и при последующей эксплуатации.

Заключение

В заключении следует отметить, что инклинометрия, имея в своей основе передовые разработки в микроэлектронике, существенно расширяет возможности получения информации о действительном состоянии развития деформаций основания и откосов насыпей на любом этапе их жизненного цикла и на всем участке дороги, на котором проводится геотехнический мониторинг. Знание действительного состояния объекта позволяет повысить уровень безопасности и качества строительства автомобильных и железных дорог.