ЗЕМЛЯНОЕ СООРУЖЕНИЕ НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ
EARTHEN STRUCTURE ON WEAK SOILS

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве и реконструкции линейных сооружений на слабых, в том числе закарстованных и/или термопросадочных вечномерзлых грунтах, на бессточных участках и болотах 2-го и 3-го типов (железных и автомобильных дорог, магистральных трубопроводов, плотин, дамб и др.).
Долговечность земляных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях связана с деформациями, величина и интенсивность которых зависит от прочности грунтов оснований, в которых происходит потеря ими несущей способности в результате переувлажнения и под увеличивающейся нагрузкой. Торфяные, глинистые, лессовые, илы и т.д. грунты оснований становятся водонасыщенными и текучепластичными, и выдавливаются под нагрузкой. На участках карста, термокарста, сильнольдистых вечномерзлых грунтов происходит их разуплотнение и разрушение в результате природных и техногенных процессов, что приводят к опасным деформациям сооружений.
Для обеспечения несущей способности грунтов основания и сохранения устойчивости земляных сооружений на слабых грунтах используют конструкции для армирования грунтов дорожного полотна.
Известно земляное сооружение на слабых грунтах, принцип работы которого основан на армировании просадочных грунтов на непротяженных участках дорог [Свидетельство на полезную модель РФ №22157, автор Жданова С.М.; Земляное сооружение на слабом основании; опубл. 20.08.2001].
Земляное сооружение на слабых грунтах содержит тело насыпи, траншеи в приподошвенных зонах и полотнища синтетического нетканого материала (СНМ).
Насыпь выполнена из насыпного грунта. Траншеи выполнены с обеих сторон земляного сооружения в его приподошвенных зонах. Каждая траншея выполнена с продольным уклоном по дну от середины к упорным концевым частям. Полотнища синтетического нетканого материала (СНМ) уложены на всю длину деформирующегося участка земляного сооружения поперек тела насыпи, включая весь периметр траншей с обеих сторон земляного сооружения. В каждой траншее на полотнища СНМ отсыпан скальный грунт с образованием упорной призмы в приподошвенных зонах земляного сооружения, принимающих форму траншеи.
В результате полотнища СНМ на теле насыпи и упорных призмах в траншеях представляют собой армирующее устройство в грунтах основания земляного сооружения.
Устройство работает следующим образом.
Под действием статического веса насыпного грунта и большого веса упорных призм полотнища СНМ натягиваются по всему периметру тела насыпи, а при воздействии подвижной нагрузки они натягиваются еще больше. При этом полотнища СНМ на основной площадке стремятся «просесть» в грунты насыпи, а на откосах тела насыпи - изменить форму, однако упорные призмы с двух сторон тела насыпи препятствуют этим явлениям. В результате в земляном сооружении проявляется армирующий эффект поперечного его обжатия, который позволяет перераспределить сосредоточенную нагрузку от полотна дороги и сохранить форму тела насыпи в первоначальном виде.
Сохранение формы тела насыпи в первоначальном виде сводит до минимума в нем деформации осадки, что обеспечивает достаточную несущую способность грунтов основания в течение гарантийного срока службы армирующего устройства - 5-7 лет.
После окончания гарантийного срока службы армирующего устройства оно перестает выполнять свои функции. Это приводит к неравномерной просадке упорных призм по длине земляного сооружения из-за различной степени просадочности (несущей способности) грунтов слабого основания.
С течением времени разные участки полотнища СНМ по длине земляного сооружения испытывают различные натяжения, что нарушает эффект армирования грунтов основания земляного сооружения. В результате на отдельных участках происходит потеря несущей способности грунтов основания, возникновение просадочных деформаций и потеря устойчивости земляного сооружения ранее нормативного срока эксплуатации армирующего устройства.
Достоинством известного земляного сооружения является сохранение его устойчивости в течение гарантийного срока службы 5-7 лет за счет создания равномерного армирующего эффекта армирующим устройством поперечного обжатия тела насыпи и сохранения его формы в первоначальном виде.
Недостатком известного земляного сооружения является недостаточная устойчивость земляного сооружения после потери гарантийного удерживающего эффекта армирующего устройства. Это обусловлено потерей несущей способности грунтов основания из-за возрастания просадочных деформаций в результате потери удерживающего эффекта армирующего устройства.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является земляное сооружение на слабых грунтах, принцип работы которого основан на армировании просадочных грунтов на непротяженных участках дорог [Патент РФ №2208091, автор Жданова С.М.; Земляное сооружение на слабом основании; опубл. 10.07.2003].
Земляное сооружение на слабых грунтах содержит тело насыпи и армирующее устройство.
Насыпь выполнена из насыпного грунта. Армирующее устройство содержит полотнище синтетического нетканого материала (СНМ) и два крепежных устройства. Каждое крепежное устройство включает цилиндрический стальной ролик с парой тяг из стальных канатов.
Цилиндрический стальной ролик каждого крепежного устройства уложен на полотно земляного сооружения на слабом основании с каждой стороны деформирующегося участка. Тяги каждого крепежного устройства одним концом соединены с осью соответствующего цилиндрического ролика, другим концом закреплены в прочных грунтах основания земляного сооружения за пределами деформирующегося участка.
Полотнище СНМ натянуто на упомянутые ролики крепежных устройств в виде замкнутой ленты. При этом полотнище СНМ уложено на полотно дороги на всю длину деформирующегося участка. Образованная полотнищем полость заполнена песком.
Устройство работает следующим образом.
Земляное сооружение на слабом основании подвергается действию статического веса тела насыпи и подвижной нагрузки.
При отсутствии подвижной нагрузки полотнище СНМ армирующего устройства находится в состоянии упругого натяжения, а при воздействии давления подвижной нагрузки оно испытывает дополнительное натяжение.
При этом полотнище замкнутой ленты воспринимает и равномерно перераспределяет подвижную нагрузку по длине участка земляного сооружения на слабом основании. Равномерно перераспределенная подвижная нагрузка посредством роликов и крепежных устройств армирующего устройства передается в прочные грунты основания, в которых происходит гашение усилия от подвижной нагрузки. Передача давления от подвижной нагрузки на прочные грунты основания приводит к значительному уменьшению давления от этой нагрузки на тело насыпи и слабые грунты основания под ним. Уменьшение давления от подвижной нагрузки на тело насыпи приводит к увеличению времени действия удерживающего эффекта армирующего устройства до 10 лет, и, как следствие, к сохранению первоначальных параметров полотнища СНМ, к значительному снижению давления подвижной нагрузки на тело насыпи. Снижение давления подвижной нагрузки на тело насыпи обеспечивает сохранение его неизменных габаритов при воздействии подвижной нагрузки и к сохранению устойчивости насыпи земляного сооружения. Постоянная устойчивость сооружения приводит к сохранению несущей способности грунтов основания и, соответственно, к дальнейшему сохранению габаритов самого земляного сооружения на слабом основании в течение 10 лет.
Но с течением времени под действием статической нагрузки (веса тела насыпи) происходит погружение тела насыпи в грунты слабого основания. При этом деформируется само основание и тело насыпи. Габариты тела насыпи изменяются, что приводит к неравномерному распределению усилий от нагрузки, как в продольном, так и поперечном направлениях по всей площади полотна земляного сооружения. Между замкнутой лентой и осевшими грунтами полотна дороги образуется полость или слабо уплотненная зона, что приводит к деформации полотнища СНМ армирующего устройства и, как следствие, к потере им удерживающего эффекта.
В результате армирующее устройство теряет работоспособность и не препятствует изменению параметров земляного сооружения, что приводит к снижению несущей способности грунтов основания и, как следствие, к постоянному снижению устойчивости земляного сооружения за счет действия статической нагрузки.
Достоинством известного земляного сооружения является сохранение удерживающего эффекта армирующего устройства срока, равному его гарантийному сроку - 10 лет. Это обусловлено разгрузкой тела насыпи от действия подвижной нагрузки в течение времени действия удерживающего эффекта армирующего устройства.
Недостаток известного земляного сооружения заключается в снижении устойчивости земляного сооружения от действия статической нагрузки после потери удерживающего эффекта армирующего устройства за счет уменьшения несущей способности грунтов основания.
Это обусловлено тем, что после потери удерживающего эффекта армирующего устройства на тело насыпи и основание действуют одновременно два усилия: от веса статической и потенциально возрастающего веса подвижной нагрузок.
Из-за дополнительного давления на слабые фунты основания проседающей насыпи и дополнительно возрастающего веса подвижной нагрузки происходит еще большая потеря грунтами несущей способности грунтов основания.
После достижения гарантийного срока армирующего устройства оно перестает выполнять свою функцию, и габариты земляного сооружения нарушаются в результате неравномерной просадки тела насыпи по длине земляного сооружения из-за различной степени просадочности (несущей способности) грунтов слабого основания.
С течением времени по длине земляного сооружения из-за неравномерных просадок тела насыпи полотнище СНМ испытывает различные натяжения, что нарушает эффект армирования грунтов полотна насыпи земляного сооружения. В результате давления на слабые грунты основания от веса проседающего тела насыпи и возрастающей подвижной нагрузки на отдельных участках происходит потеря несущей способности грунтов основания, возникновение просадочных деформаций и потеря устойчивости земляного сооружения после гарантийного срока эксплуатации армирующего устройства.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке земляного сооружения на слабых фунтах, повышающего устойчивость земляного сооружения за счет увеличения несущей способности фунтов основания при воздействии подвижной и статической нагрузки путем увеличения времени действия удерживающего эффекта армирующего устройства.
Для решения поставленной задачи в земляном сооружении на слабых грунтах, содержащее тело насыпи и армирующее устройство, представляющее собой верхнее полотнище из синтетического нетканого материала (СНМ) и двух крепежных устройств, каждый из которых включает верхний цилиндрический стальной ролик с парой тяг из стальных канатов, при этом верхний цилиндрический стальной ролик каждого крепежного устройства уложен на полотно тела насыпи земляного сооружения с каждой стороны деформирующегося участка, нижние концы тяг закреплены в прочных грунтах основания земляного сооружения за пределами деформирующегося участка, верхнее полотнище СНМ натянуто на упомянутые верхние ролики каждого крепежного устройства в виде замкнутой ленты, в армирующее устройство дополнительно введено нижнее полотнище из синтетического нетканого материала (СНМ), каждое крепежное устройство снабжено дополнительно нижним цилиндрическим стальным роликом, причем нижний цилиндрический стальной ролик упомянутого крепежного устройства уложен в основании тела насыпи земляного сооружения с каждой стороны деформирующегося участка на всю его длину, оси верхнего и нижнего стальных роликов каждого крепежного устройства жестко объединены между собой с образованием рамы, верхние концы тяг соединены с осью нижнего стального ролика каждого крепежного устройства с двух его сторон, нижнее полотнище СНМ натянуто на нижние ролики каждого крепежного устройства в виде замкнутой ленты.
Введение в армирующее устройство земляного сооружения нижнего полотнища из синтетического нетканого материала (СНМ), и в каждое его крепежное устройство нижнего цилиндрического стального ролика, уложенного в основании тела насыпи земляного сооружения с каждой стороны деформирующегося участка на всю его длину, жесткое объединение между собой осей верхнего и нижнего стальных роликов каждого крепежного устройства, натяжение нижнего полотнища СНМ на нижние ролики каждого крепежного устройства в виде замкнутой ленты, соединение верхних концов тяг с осью нижнего стального ролика каждого крепежного устройства с двух его сторон отличает совокупность существенных признаков заявляемого решения от совокупности существенных признаков прототипа. Наличие существенных отличительных признаков в совокупности существенных признаков заявляемого решения свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Благодаря введению в армирующее устройство земляного сооружения нижнего полотнища из синтетического нетканого материала (СНМ), и в каждое его крепежное устройство нижнего цилиндрического стального ролика, уложенного в основании тела насыпи земляного сооружения с каждой стороны деформирующегося участка на всю его длину, жесткому объединению между собой осей верхнего и нижнего стальных роликов каждого крепежного устройства, натяжение нижнего полотнища СНМ на нижние ролики каждого крепежного устройства в виде замкнутой ленты, соединению верхних концов тяг с осью нижнего стального ролика каждого крепежного устройства с двух его сторон устойчивость земляного сооружения повышается до 20 лет.
Это обусловлено тем, что армирующее устройство равномерно перераспределяет нагрузку и передает на прочные грунты основания. Передача давления от подвижной нагрузки и постоянной статической нагрузки веса тела насыпи на прочные фунты основания приводит к увеличению времени действия удерживающего эффекта армирующего устройства. При этом слабые грунты испытывают незначительное воздействие от подвижной нагрузки и значительно уменьшенное действие статической нагрузки веса тела насыпи. В результате тело насыпи не испытывает деформаций, что увеличивает несущую способность грунтов во времени и, как следствие, повышает устойчивость насыпи земляного сооружения.
Математическое моделирование работы заявляемого земляного сооружения на слабых грунтах показало, что удерживающий эффект армирующего устройства и габариты тела насыпи сохраняются в течение 20 лет при воздействии подвижной и действии постоянной статической нагрузки. Несущая способность слабых грунтов основания повышается с течением времени, а устойчивость насыпи земляного сооружения увеличивается за счет повышения несущей способности грунтов основания.
Причинно-следственная связь «Введение в армирующее устройство земляного сооружения нижнего полотнища из синтетического нетканого материала (СНМ), и в каждое его крепежное устройство нижнего цилиндрического стального ролика, уложенного в основании тела насыпи земляного сооружения с каждой стороны деформирующегося участка на всю его длину, жесткое объединение между собой осей верхнего и нижнего стальных роликов каждого крепежного устройства, натяжение нижнего полотнища СНМ на нижние ролики каждого крепежного устройства в виде замкнутой ленты, соединение верхних концов тяг с осью нижнего стального ролика каждого крепежного устройства с двух его сторон приводит к повышению устойчивости земляного сооружения за счет увеличения несущей способности фунтов основания при воздействии подвижной и статической нагрузки путем увеличения времени действия удерживающего эффекта армирующего устройства» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, что свидетельствует о ее новизне. Наличие новой в уровне техники причинно-следственной связи о соответствии заявляемого устройства критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На фигурах представлены схемы земляного сооружения на слабом основании, иллюстрирующие его работоспособность и «промышленную применимость».
На фигуре 1 представлено земляное сооружение в плане.
На фигуре 2 представлен продольный профиль земляного сооружения.
На фигуре 3 представлен поперечный профиль насыпи земляного сооружения на слабом основании с армирующим устройством в начале (конце).
Земляное сооружение 1 на слабом основании 2 содержит тело насыпи 3 и армирующее устройство 4.
Тело насыпи 3 выполнено из насыпного фунта.
Армирующее устройство 4 содержит верхнее полотнище 5 и нижнее полотнище 6 полотнища из синтетического нетканого материала (СНМ), а также два крепежных устройства 7. Каждое крепежное устройство 7 включает верхний 8 и нижний 9 цилиндрические стальные ролики, стержни 10 для соединения роликов и пару тяг 11 из стальных канатов.
Оси верхнего 8 и нижнего 9 стальных роликов с двух сторон жестко соединены между собой стержнями 10 с образованием жесткой рамы 12.
Верхний цилиндрический стальной ролик 8 каждого крепежного устройства 7 уложен на полотно тела насыпи 3 земляного сооружения 1 с каждой стороны деформирующегося участка L на всю его длину.
Нижний цилиндрический стальной ролик 9 каждого крепежного устройства 7 уложен в основании тела насыпи 3 земляного сооружения 1 с каждой стороны деформирующегося участка L на всю его длину.
Ось нижнего стального ролика 9 каждого крепежного устройства 7 с двух сторон жестко соединена с тягами 10, другие концы которых закреплены в прочных грунтах основания земляного сооружения за пределами деформирующегося участка на слабом основании 2.
Верхнее полотнище СНМ 5 натянуто на верхние ролики 8 каждого крепежного устройства 7 в виде замкнутой ленты 13 и уложено на полотно тела насыпи 3 на всю длину деформирующегося участка L.
Нижнее полотнище СНМ 6 натянуто на нижние ролики 9 каждого крепежного устройства 7 в виде замкнутой ленты 14 и уложено в основание 2 тела насыпи 3 на всю длину деформирующегося участка насыпи 3 земляного сооружения 1 на слабых грунтах 2.
Образованные верхним полотнищем СНМ 5 и нижним полотнищем СНМ 6 полости для увеличения времени действия удерживающего эффекта и сохранению параметров верхнего 5 и нижнего 6 полотнищ СНМ заполнены песком.
Устройство работает следующим образом.
На земляное сооружение 1 на слабом основании 2 действует статическая (веса тела насыпи 3) и подвижная нагрузка.
При отсутствии подвижной нагрузки на верхнее 5 и нижнее 6 полотнища СНМ армирующего устройства 3 действует только статическая нагрузка, действие которой перераспределяется между ними. При этом верхнее 5 и нижнее 6 полотнища СНМ упомянутого армирующего устройства находятся в состоянии упруго натяжения.
Перераспределение статической нагрузки на верхнее 5 и нижнее 6 полотнища СНМ армирующего устройства 3 приводит к уменьшению воздействия веса тела насыпи 3 на грунты основания земляного сооружения 1. и, как следствие, к снижению интенсивности развития деформаций в теле насыпи 3 и увеличению времени сохранения удерживающего эффекта армирующего устройства 4 до 20 лет.
При воздействии подвижной нагрузки верхнее 5 и нижнее 6 полотнища СНМ армирующего устройства 4 испытывают дополнительное натяжение. При этом подвижная нагрузка синхронно воспринимается верхним 5 и нижним 6 полотнищами СНМ и равномерно перераспределяется роликами 8 и 9 крепежных устройств армирующего устройства 7. Равномерно перераспределенная подвижная нагрузка и вес тела насыпи передается тягами 11 каждого крепежного устройства 7 в прочные грунты основания земляного сооружения 1, в которых происходит гашение усилия от обеих нагрузок.
Передача давления от подвижной нагрузки и постоянной статической от веса тела насыпи 3 на прочные грунты основания приводит к значительному уменьшению давления от общей нагрузки на тело насыпи 3 и слабые фунты основания 2 земляного сооружения 1.
Снижение давления от постоянной статической и подвижной нагрузок на грунты основания способствует сохранению его неизменных габаритов и, как следствие, сохранению устойчивости насыпи земляного сооружения.
Постоянная устойчивость сооружения приводит к повышению во времени несущей способности грунтов основания и, соответственно, к дальнейшему сохранению габаритов самого земляного сооружения на слабом основании до срока его службы.