Укрепване на склоновете в пътното строителство

Земната повърхност е под постоянното въздействие на природните сили. Водата, вятърът, снегът, замръзването или прекомерното изсушаване са все фактори, допринасящи за разрушаването на най-уязвимата част от транспортните артерии - склоновете. Почвата ерозира, появяват се пукнатини, неравности и кухини. Склоновете на пътищата стават ненадеждни и експлоатационният им живот се скъсява. Укрепването им е начинът за решаване на проблема. Ако сме добри стопани, ще трябва да се погрижим не само за пътното платно, но и за прилежащите земни структури.

Текст: списание Инфрабилд

Укрепването на склоновете при различните класове пътища и особено при магистралите е набор от мерки за осигуряване на стабилност и безопасност на терена в близост до пътното платно. То включва различни строителни техники за предотвратяване на свлачища, наводнения и срутвания. Зелени площи, геомрежи, специализирани конструкции от метал или бетон - винаги целта им е да се осигури дълготрайност на пътностроителната инфраструктура и да се предотвратят негативните последици от природни процеси и антропогенна дейност.

Общи положения

Наклонен участък от терена се нарича склон. Ако наклонът е образуван изкуствено, той се нарича откос. Когато ъгълът на наклона не надвишава 10 градуса, той се вписва в нормативните граници и не е необходимо повърхността да е подсилена. Ако наклонът надвишава 22÷25 градуса, тогава е много голяма вероятността повърхността да ерозира при обилни валежи и при интензивно топене на снега, а и от въздействие на вятър. При тези процеси почвените частици се отделят, разтварят и разнасят от природните сили, а структурата на почвата се нарушава. Почвата пропада на места, образуват се дерета и ями, течащата по склоновете вода създава оврази - форми, приличащи на големи вади. За да бъде запазен релефът непроменен и ерозията предотвратена, се използват специални способи за укрепване. След години на небрежно, безстопанствено отношение, отчитаме появата на много повредени участъци. И за тях е необходимо проучване и укрепване, както при новостроящите се пътища. Проблемът с укрепването на склоновете винаги ще бъде актуален. Методите, използвани за укрепване на склонове и откоси, най-общо могат да бъдат разделени на естествени и изкуствени.

На практика укрепването на склонове и откоси много рядко се извършва с един материал и по една технология. Към проблема се подхожда комплексно, съчетавайки материали и технологии, естествени и изкуствени методи.

Изключително важно е преди укрепването правилно да се оценят наличните данни, включително характеристиките на почвата. При много специфични и трудни условия се използват и много специфични решения, след внимателно проектиране. Укрепителните конструкции могат да са подпорни стени - конзолни или анкерирани, единични сондажно-изливни пилоти, системи от сондажно-изливни пилоти и ростверк с рамково действие, анкерирани сондажно-изливни пилоти или анкерирани рамкови системи, анкери, шлицови системи - конзолни или анкерирани, корави плътни или кухи бетонни стълбове и други конструктивни решения (например микропилоти, почвени гвоздеи и др.).

Естествено укрепване

Най-достъпно е било склоновете да се укрепват чрез озеленяване, от най-обикновено затревяване до засаждане на големи храсти и дървета. Избират се растения, чиято коренова система може да предпазва почвата от свличане и отмиване, а и активно ще консумира вода. В наши дни този екологичен метод, макар че работи добре и при стръмни наклони, почти не се използва самостоятелно. Основният му недостатък е времето. За да могат тревата, храстите и особено дърветата да израснат и да образуват голяма, разклонена коренова система, са необходими години. Вторият недостатък се дължи на факта, че растенията, особено в началото, изискват грижи - поливане, торене, борба с вредители и др.

Приемлив вариант е използването само на тревно покритие. То задържа праха, идващ от пътя, подпомага екосистемите в ареала, обогатява пейзажа. Изборът на този метод зависи от височината и стръмността на насипа, както и от климатичните особености на района. За да се получи добра тревна покривка, повърхността трябва да се покрие със слой плодородна почва. При необходимост се използват и торове. Времето за сеитба, количеството посевен материал и други параметри зависят от района.

Крайпътната трева се засява и чрез хидропосев. Това е метод на затревяване, особено подходящ при стръмни терени, при който семена, торове, вода, мулч и специално лепило се смесват в резервоара на хидропосевната машина и се впръскват под налягане върху почвата. Най-лесният и бърз начин за укрепване на склоновете на магистрали чрез затревяване е използването на рулонна трева. Това са пластове отгледани многогодишни треви, изрязани от ливадите със специална машина и навити на руло. При поставяне върху склона ролката здраво се закрепва към земята с щифтове. След монтажа е необходимо поливане.

Независимо от технологията, използвана за засяване на склона, тревната покривка изисква минимални грижи - най-вече редовен оглед, за да се идентифицират и коригират дъждовни дупки, слабо растящи растения, петна и др. През първите години тревата се коси и периодично наторява.

Изкуствено укрепване

При изкуствените методи на укрепване с геомрежи, георешетки, габиони, пилоти, подпорни стени, шпунтови стени, анкери, почвени гвоздеи и много други резултатът е налице веднага след завършване на строителните работи по склоновете. Такова укрепване не изисква регулярна, често дори никаква, поддръжка.

Укрепване с геомрежа

Геомрежата е геосинтетично армировъчно изделие от успоредни комплекти “ребра”, свързани чрез плетене, залепване или др. Те оформят клетки/отвори с размер, който да позволява проникване през тях на околната почва, камък или друг геотехнически материал. Клетките са с размери 0,5÷5,0см. Геомрежите осигуряват укрепване, стабилизиране и дори филтриране при използване на правилно подбрани инертни материали. Изработват се от полимери като полипропилен, полиамид, полиестер и др. - все материал, който не е податлив на химична и биологична корозия, устойчив е на ветрове, валежи, ниски и високи температури. Точно затова мрежата е с висока корозионна устойчивост и гарантира дълъг експлоатационен живот - геомрежите могат да бъдат проектирани с до 120-годишен експлоатационен срок. Геомрежата се транспортира на рула с ширина 2,0÷4,0м. За разлика от геотекстилите, геосинтетичните мрежи имат значително по-големи размери на клетките, а в сравнение с георешетките са с двуизмерна, а не с триизмерна структура. Върху повърхността на геомрежата се насипва инертен материал или почва, за да се запълнят клетките. Видът на мрежата се избира в зависимост от конкретните условия на обекта, по-специално от наклона. Геомрежата се използва и като допълнение към укрепването на откоси със затревяване. Полагането на геомрежите става след отстраняване на камъни, пънове или корени на дървета. Отделните ленти се разстилат, минимизират се гънките по тях и се закрепват една към друга със специални крепежни елементи. Използва се багер, за да избутва равномерно пълнежните материали напред, върху вече поставените мрежи. Ако ще се засяват тревни семена, трябва да се напои добре почвата, за да улегне. Геомрежата може да служи дълги години, без да изисква подмяна или поддръжка.

Георешетки

За големи площи и значителна денивелация се използват георешетки. Това са обемни твърди конструкции, които не могат да се разстилат по склоновете като геомрежата. Обикновено георешетката е геосинтетична триизмерна структура от ленти, направени от полиестер, полиетилен или полипропилен. Лентите, плътни или перфорирани, се закрепват заедно, образувайки гъвкава обемна решетка с клетки, подредени шахматно. Тези решетки са с размери в план 1,0х1,0м и височина 5,0см, 7,5см, 10,0см и 20,0см. При монтажа решетките се свързват една с друга в монолитно клетъчно покритие върху предварително прочистените и подравнени склонове. Георешетките се инсталират с помощта на L-образно закрепване, което фиксира конструкцията. След това клетките се пълнят с пръст, трошен камък, пясък, чакъл, дори може да се залеят с бетон. Благодарение на своята структура и устойчивост на деформации, георешетката се използва успешно в пътното строителство за укрепване на склонове, за справяне с ерозията и с пропадането на почвата. Ясно е, че георешетките са с дълъг експлоатационен живот, тъй като изграждащите ги материали са устойчиви на агресивните влияния на околната среда - соли, алкали, гниене, UV-лъчи и др., и същевременно не отделят токсични и опасни за околната среда вещества. Георешетката не се нуждае от поддръжка и текущи ремонти. Дотук не споменахме за геотекстил, но той се използва за укрепване на склонове най-вече в комбинация с различни видове геомрежи и решетки.

Пилоти и анкери

Укрепването с пилоти и анкери е един от най-ефективните методи за осигуряване на стабилност и безопасност на склонове, насипи и откоси, за предотвратяване на срутвания и земни движения, при особено сложна геология.
Пилотите са дълги елементи от стомана или бетон, обикновено конзолни, забити в земята, за да се стабилизират склоновете. Пилотите пренасят натоварването от горните слоеве на почвата към по-стабилни слоеве на по-голяма дълбочина. При потенциални свлачищни процеси пилотите се изпълняват сондажно-изливни от стоманобетон. Те трябва да поемат припадащия им се свлачищен натиск, да имат необходимата коравина, за да осигуряват нормираните деформации, натисковите хоризонтални напрежения на пилота върху здравия пласт да не надвишават пасивното почвено съпротивление за съответната дълбочина, а светлото разстояние между пилотите да не позволява протичане на почвата между тях. Идеята е да се създаде конструкция, подобна на пилотна стена, която е изцяло (или почти изцяло) реализирана в ската. Тази пилотна стена пресича плъзгателната повърхност и предотвратява по-нататъшно свличане. Пилотите обикновено имат голямо напречно сечение, кръгло или квадратно. Решението на противоплъзгащите пилоти може да бъде разделено на две стъпки. Първо, трябва да се реши глобалната стабилност на склона. За целта може да се използва изчислителна програма, за да се определят силите, които ще действат върху пилотите. Ако точното положение на повърхността на плъзгане не е известно, например липсва в геотехническото проучване, то може да бъде определено с помощта на оптимизация. Оптимизацията търси най-лошата позиция на плъзгащата се повърхност, с най-нисък коефициент на безопасност. Втората част от решението може да се извърши пак с изчислителна програма. В тази програма трябва да се проектират и проверят пилотите - на срязване, огъване и премествания в горния край.

Независимо дали се използват единични сондажно-изливни пилоти, системи от сондажно-изливни пилоти и ростверк с рамково действие, анкерирани сондажно-изливни пилоти или анкерирани рамкови системи, те винаги осигуряват висока товароносимост и устойчивост на натоварване, възможност за използване при различни геоложки условия и надеждност при свлачищни склонове.

Анкерите са елементи, използвани за създаване на предварително напрежение в почвата, като по този начин повишават нейната устойчивост на срязване. Те се монтират в предварително пробити отвори и се фиксират в земята, след което се опъват, като по този начин се създава задържаща сила. На практика те предават приложените им опънни сили от укрепващата конструкция, например подпорни или шпунтови стени, в дълбочина на земната основа. В отделни случаи се прилагат и самостоятелно, като добре работят с пръскан стоманобетон. При всички случаи анкерите са скъпо решение, немислимо без проект. След обстойно проучване се определят броят, гъстотата и натоварването на анкерите и въз основа на изчисленото натоварване се избира анкерната система. Уточняват се диаметърът на сондажа, дължината на закотвяне и типът на инжекционния материал. Дължината на анкерите трябва да е такава, че нито една критична плъзгателна повърхнина да не преминава през закотвящата им част.

Почвените анкери са сравнително бързо решение за укрепване на склонове при трудни условия. Те повишават устойчивостта на земния масив на срязващи натоварвания, дават възможност за прецизен контрол на напрежението на котвата, имат много добро взаимодействие с пръскан бетон и стоманобетон. С използването им е възможно реализиране на много висока носимоспособност, неосъществима при използване на други системи за укрепване на склонове. Укрепването на склонове с помощта на подпорни стени и анкери е интегриран подход, който позволява да се решават проблемите с осигуряването на стабилност и безопасност на склоновете при различни инженерни и природни условия. Изборът на метод и технология за укрепване зависи от много фактори, включително характеристиките на почвата, ъгъла и височината на откоса и специфичните изисквания на проекта. Използването на стени и анкери изисква внимателно проектиране и изчисления, както и използването на специализирано оборудване и висококвалифицирани изпълнители.

Почвени гвоздеи

Често за поемане на опънни и срязващи напрежения и осигуряване стабилитет на земния масив се използват армиращи пръти, т.нар. почвени гвоздеи. Те представляват система от анкериращ прът, инжектиран по цялата си дължина, захванат към масива с опорна плоча или опорен блок, който се комбинира с армиран с мрежа торкрет, положен по укрепвания откос. Почвените гвоздеи са пасивни стоманени анкери и се прилагат за укрепване на откоси, склонове и в трудно достъпни места. Почвените гвоздеи се изпълняват по сондажен начин или чрез забиване в откоса на стоманени пръти, тръби, профилни железа и др. Дължината на почвените гвоздеи се определя чрез изчисление и те трябва да пресичат с достатъчно анкерираща дължина възможната повърхнина на плъзгане. Методът е подходящ при укрепване на земни насипи и съществуващи свлачища.

Подпорни стени

Решението да се използва подпорна стена зависи от големината на свлачищния натиск, височината на съоръжението, инженерно-геоложките условия, наклона на терена, ерозията, сеизмичните условия и др. Гравитационните подпорни стени (масивни и облекчени) са подходящи за противосвлачищни конструкции при повърхностни свлачища върху скална наклонена подложка и при по-плитки консеквентни свлачища със здрав основен пласт. Те са неподходящи при консистентни дълбоки свлачища, в които фундирането е в глинести почви или се изисква голяма височина на стената.

Гравитационните подпорни стени се изпълняват от бетон, стоманобетон, каменна зидария, армирана почва и др. От голямо значение е разстоянието между деформационните фуги да не е повече от 12м и обратните насипи да са от несвързани почви, комбинирани с дренаж. При височина на гравитационната подпорна стена над 5м за поемането на свлачищния натиск може да се наложи анкериране. Изграждането на подпорни стени се прави след обстойни проучвания и съответно проектиране.

Габиони

Габионът е паралелепипед/кутия, изработен от поцинкована двойно усукана габионна мрежа с шестоъгълни клетки. Формата им е оптималната - те са много издръжливи. Кутиите с голям обем са оборудвани с прегради (диафрагми), които увеличават здравината на конструкцията и улесняват запълването с камъни. Размерът на един камък трябва да надвишава размера на клетката около 1,5 пъти, за равномерно разпределение в кутията. Камъкът се счита за най-подходящ пълнежен материал за габиони, тъй като е устойчив на замръзване, издръжлив, има ниско ниво на водопоглъщане и др. Все пак животът на габионите зависи по-скоро от издръжливостта и качеството на телта, отколкото от пълнежа. Свързаните помежду си габиони надеждно укрепват естествени склонове и пътни насипи, а и задържат праха от пътя!

Шпунтови стени

Шпунтът е валцувано метално изделие с надлъжни ръбове, оформени на глъб и зъб, за да се „заключат“ съседните елементи и да се съединят като стена. Най-често използваните шпунтови стени са от тръбни шпунтове - вид стоманени пилоти или от профилни Larsen-шпунтове със Z или S форма. Тръбният шпунт се използва само в слаби почви, когато шпунтът Larsen няма необходимата стабилност. Поради по-голямото напречно сечение тръбната стена има по-висока устойчивост на преобръщане и разкъсване на ключалката. Шпунтовите стени работят чрез притискане на долната им част с почвени маси - шпунтовата система се забива до дълбочината на несвиваеми почвени слоеве с висока плътност, което осигурява висока стабилност на стената дори в райони със слаба повърхностна почва. Уникалното свързване в ключалката ограничава възможността за движение на почвата, но и намалява риска от водна ерозия на терена.

Шпунтовите стени имат няколко предимства - ниски разходи, бърз монтаж, устойчивост на температурни промени и на подпочвени води. По-рядкото им използване може би се дължи на по-неугледния им външен вид.

Укрепване с торкретиране

Торкретбетонът е материал, който осигурява както укрепване, така и защита на откосите, които са склонни към ерозия и нестабилност. Използва се предимно метода „сух торкрет“. Със суха бетонна смес се зарежда дозиращ барабан и чрез сгъстен въздух тя се изтласква към маркуч с дюза, където се смесва с вода. Получената хомогенна маса се нанася върху повърхността с необходимото налягане чрез специално оборудване, което осигурява равномерен пласт торкретбетон по цялата площ.
За постигане на оптимални резултати трябва стриктно да се спазват пропорциите при смесване на сух бетон с вода. Предимството на торкретиране по сух метод е възможността за полагане на дебел слой торкретбетон и изпълнение върху големи площи.

Укрепването на склонове не бива да се подценява. То изисква сериозно проучване, отговорно проектиране и стриктно изпълнение, задължително от специалисти.