СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ И ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ, ОТТАИВАЮЩИХ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
METHOD FOR REDUCTION OF DEFORMATIONS OF MOTOR AND RAILWAY ROADS ON PERMAFROST SOILS THAT THAW OUT IN PROCESS OF OPERATION

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации автомобильных и железных дорог и может быть использовано для предупреждения их деформаций, возникающих вследствие оттаивания в процессе эксплуатации многолетнемерзлых грунтов, находящихся в основании земляного полотна.
Известен способ возведения насыпей на слабых грунтах путем изготовления под откосными частями насыпи цилиндрических вертикальных опор из геосетки с каменным заполнением (Джоунс К.Д. Сооружения из армированного грунта. - М.: Стройиздат, 1989 - с.20).
Недостатки известного способа:
- отсутствие сплошных горизонтальных армирующих элементов, перераспределяющих вертикальные силовые воздействия от насыпи авто (ж/д) транспорта на вертикальные опоры;
- устройство вертикальных опор только под откосными частями насыпи;
- возможность разрушения цилиндрических вертикальных опор за счет воздействия на них горизонтальных деформаций, вызывающих, соответственно, изгиб и срез опор.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ возведения дорог на болотах, представляющих собой прослойку из геотекстильного материала, горизонтально укладываемую под насыпью, и вертикальных песчаных дрен либо дрен из геотекстильного материала (Рекламный проспект на ВДНХ СССР. Возможности применения геотекстильных материалов в строительстве. - Московская область, г. Балашиха - 6 - 1989. - 16 с.).
Недостатками известного способа являются невозможность его применения в условиях оттаивающих многолетнемерзлых грунтов ввиду недостаточной несущей способности вертикальных песчаных дрен либо дрен из геотекстильного материала, укладка прослойки из геотекстильного материала непосредственно в подошве насыпи, недостаточная прочность прослойки из геотекстиля к воздействию статических и динамических нагрузок.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности снижения деформаций автомобильных и железных дорог на оттаивающих в процессе эксплуатации многолетнемерзлых грунтах, находящихся в основании земляного полотна.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что способ снижения деформаций автомобильных и железных дорог на многолетнемерзлых грунтах, включающий возведение под насыпью цилиндрических вертикальных опор и укладку прослойки из геотекстильного материала, отличается тем, что предварительно, в пределах земляного полотна дороги, осуществляют выемку естественного грунта, со дна выемки производят бурение скважин в шахматном порядке до кровли многолетнемерзлых грунтов, при этом крайние от дорожного полотна скважины, с обеих его сторон, выполняют наклонными, в скважины на всю глубину погружают стальные трубы, заполненные песком и в верхней части бетоном, по всей площади дна выемки производят отсыпку слоя из щебня с укладкой поверх него слоев горизонтальных армирующих элементов в виде георешеток, заполненных щебнем, на глубину не менее 2-2,5 м от низа конструкции дорожной одежды, далее выемку заполняют крупнообломочным грунтом с последующим возведением дорожной одежды, при этом глубину выемки выбирают с учетом положения кровли мгоголетнемерзлых грунтов и глубины погружения стальных труб.
Заявленный способ отличается от прототипа тем, что позволяет:
- исключить деформации сооружения, возникающие в процессе его эксплуатации вследствие деградации многолетнемерзлых грунтов;
- принципиально изменить напряженно-деформированное состояние основания земляного полотна с целью повышения его несущей способности;
- преобразовать параметры физико-механических свойств слабых грунтов основания земляного полотна.
Для реализации способа используют:
- выемку естественного грунта на оптимальную глубину;
- бурение со дна выемки вертикальных и наклонных скважин до кровли многолетнемерзлых грунтов;
- погружение в скважины стальных труб, заполненных песком и в верхней части бетоном;
- по всей площади дна выемки отсыпку буферного слоя из щебня;
- укладку поверх буферного слоя слоев горизонтальных армирующих элементов в виде георешеток, заполненных щебнем (псевдоплита);
- заполнение выемки крупнообломочным грунтом с последующим устройством дорожной одежды.
Исключение деформаций в процессе эксплуатации автомобильных и железных дорог на оттаивающих многолетнемерзлых грунтах можно объяснить следующим образом. Известно, что деформации дорожной одежды вызваны, как правило, снижением несущей способности грунтов оснований земляного полотна в процессе эксплуатации. Это связано с различными физико-геологическими процессами, в т.ч. и оттаиванием многолетнемерзлых грунтов.
В связи с этим проектные решения, базирующиеся на предположении о постоянстве кровли многолетнемерзлых грунтов во времени и пространстве, могут оказаться неэффективными. Например, основание земляного полотна, включающее многолетнемерзлые грунты (ММГ), может получить неравномерные деформации сложного характера в связи с неоднозначным положением кровли ММГ в процессе их оттаивания.
Так, в активной зоне основания земляного полотна возникает сложное напряженно-деформированное состояние, характеризующееся наличием не только вертикальных напряжений, но и горизонтальных с соответствующими перемещениями. В связи с этим имеется необходимость возведения автомобильных и железных дорог, которое бы обеспечивало надежную стабилизацию дорожной одежды в пространстве в любой промежуток времени ее эксплуатации на многолетнемерзлых грунтах.
Физически процесс исключения деформаций автомобильных и железных дорог на оттаивающих в процессе эксплуатации многолетнемерзлых грунтах можно представить следующим образом. В начальный период эксплуатации дорог, когда отметка кровли ММГ соответствует проектной, стальные трубы, погруженные в скважины до кровли ММГ, выполняют роль свай-стоек, передающих нагрузку от насыпи, дорожной одежды и веса транспорта на кровлю ММГ. Передача и распределение нагрузки на сваи-стойки осуществляется с помощью демпфирующего слоя из щебня и слоев горизонтально уложенных георешеток, заполненных щебнем (псевдоплиты).
При дальнейшей эксплуатации дороги вследствие воздействия комплекса природно-техногенных факторов возможна реализация одного из экзогенных процессов - деградация ММГ, сопровождающаяся понижением их кровли. В этом случае нижние концы стальных труб оказываются в слое талого грунта, обладающего низкой несущей способностью. При этом принципиально изменяется расчетная схема работы стальных труб - из свай-стоек они превращаются в вертикальные элементы, работа которых состоит в следующем. Вертикальные элементы через контактную поверхность с грунтом воспринимают упомянутую выше нагрузку своей боковой верхней частью. Такая схема передачи нагрузки вертикальным элементом в грунте обеспечивается его боковым обжатием грунтом за счет давления на грунт между вертикальными элементами от веса дорожной одежды, насыпи, веса транспорта, равномерно перераспределенного слоями георешеток, заполненных щебнем, и демпфирующего слоя из щебня. При этом крайние ряды вертикальных элементов, расположенных с обеих сторон оси дорожной одежды, испытывают значительные горизонтальные деформации, вызывающие изгиб элементов вплоть до их разрушения. В связи с этим крайние элементы выполняют наклонными к оси дорожной одежды, что позволяет изменить расчетную схему работы крайних элементов: они начинают работать преимущественно на сжатие совместно с их изгибом. Такое решение позволяет избежать разрушения крайних элементов, выполненных наклонно, за счет существенного снижения изгибающих моментов и передачи на элементы усилий сжатия, что благоприятно сказывается на работе конструкции элемента.
Следует отметить, что имеется принципиальное отличие работы основания с вертикальными и наклонными элементами от обычного свайного основания. Оно заключается в отсутствии конструктивного объединения верха упомянутых выше элементов ростверком, что предопределяет совершенно иную расчетную схему.
Работу слоев георешеток, заполненных щебнем, и демпфирующего слоя из щебня, укладываемых на дно выемки поверх вертикальных и наклонных элементов, можно объяснить, исходя из следующих соображений:
1. Работая совместно со щебнем, заполняющим пространство между георешетками, конструкция из слоев георешеток (псевдоплита) перераспределяет нагрузку между участками конструкции, обеспечивая передачу напряжений с перегруженных зон на соседние недогруженные, и воспринимает растягивающие напряжения. Таким образом, с учетом демфирующего слоя из щебня, на вертикальные и наклонные элементы, а также на грунт между ними передается относительно равномерная нагрузка с существенным снижением растягивающих усилий. Количество слоев георешеток определяется эффективностью работы конструкции «псевдоплиты» в условиях существующей расчетной ситуации и заданных нагрузок и воздействий.
2. Рассматривая расчетную схему работы вертикального элемента, можно заключить, что эпюра контактных касательных напряжений по его длине имеет двузначный характер: в верхней части имеет знак плюс, т.к. касательные напряжения направлены вниз, а в нижней части - знак минус в связи с противоположным направлением упомянутых напряжений. Это можно объяснить тем, что в верхней части элемент обжат грунтом за счет давления от «псевдоплиты» и демпфирующего слоя, а в нижней части возникают силы трения по его боковой поверхности.
Таким образом, усиление основания земляного полотна вертикальными и наклонными элементами и демпфирующим слоем из щебня с перекрытием их «псевдоплитой» приводит к резкому уменьшению деформаций всех видов и даже их полному исключению как в основании земляного полотна, насыпи, так и в дорожной одежде.
На чертеже показан общий вид земляного полотна и изображены дорожная одежда 1, выемка естественного грунта с заменой его на крупнообломочный 2, демфирующий слой из щебня 3, горизонтальные слои георешеток, заполненные щебнем (псевдоплита) 4, вертикальные и наклонные элементы 5, кровля многолетнемерзлых грунтов 6.
Способ осуществляют в следующей последовательности:
- производят выемку 2 естественного грунта на глубину, учитывающую оптимальное расстояние между низом дорожной одежды 1 и верхом «псевдоплиты» 4;
- выполняют со дна выемки бурение вертикальных и наклонных скважин в шахматном порядке до кровли многолетнемерзлых грунтов 6;
- в скважины погружают стальные трубы с упором в слой многолетнемерзлых грунтов, заполненные песком и в верхней части бетоном, выполняющие роль вертикальных и наклонных элементов 5;
- отсыпают по всей площади дна выемки 2 буферный слой из щебня 3;
- производят укладку поверх буферного слоя 3 слоев георешеток, заполненных щебнем (псевдоплита) 4;
- заполняют выемку крупнообломочным грунтом с последующим устройством дорожной одежды 1.
В предлагаемом изобретении положительный эффект заключается в следующем:
- снижается или исключается сама возможность деформаций автомобильных и железных дорог на многолетнемерзлых грунтах в процессе их эксплуатации;
- обеспечивается высокая надежность эксплуатации дорог в сложных инженерно-геологических условиях;
- исключаются затраты по восстановлению дорожной одежды при воздействии на земляное полотно различных негативных физико-геологических процессов.