СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ НАСЫПИ НА МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
METHOD TO ERECT EMBANKMENT ON FROZEN SOILS

Изобретение относится к области строительства дорог и оснований и может быть использовано при возведении нефтегазовых и транспортных сооружений на мерзлых грунтах (в районах с широким распространением высокольдистых тонкодисперсных грунтов) как в летнее, так и в зимнее время года.
Известен способ возведения насыпи на мерзлых грунтах путем укладки горизонтальных и вертикальных слоев из вяжущего в теле насыпи из переувлажненного (высокольдистого) грунта (RU №90801, кл. Е01С 3/06, 2010 г.).
Недостатком известного способа является то, что прослойки из вяжущего укрепляют грунт только в отдельных зонах насыпи, а не во всем ее объеме, что не обеспечивает необходимой устойчивости насыпи и, соответственно, снижает эффективность способа.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ возведения насыпи на мерзлых грунтах, включающий сушку высокольдистого (переувлажненного) грунта, получение в зимний период сухой грунтоцементной смеси путем перемешивания сухого грунта с вяжущим веществом (цементом), складирование сухой смеси, приготовление готовой смеси путем перемешивания с водой сухой смеси и укладку готовой смеси в насыпь (СНиП 3.06.03-85. Автомобильные дороги, пункт 6.36).
Недостатками известного способа являются: во-первых, значительная трудоемкость при выполнении операции сушки переувлажненного грунта; во-вторых, сложность организации надежного складирования и продолжительного хранения приготовленной сухой грунтоцементной смеси (для предупреждения процесса гидратации цемента, особенно в условиях большой влажности); в-третьих, повышенная трудоемкость реализации способа за счет включения дополнительных операций: операции сушки высокольдистого (переувлажненного) грунта и операции перемешивания сухой смеси с водой для приготовления готовой смеси; в-четвертых, сложность возведения насыпи из такой грунтовой смеси зимой и снижение устойчивости за счет ее комкования (смерзания) и нарушения однородности, что, в целом, усложняет способ и, соответственно, снижает его эффективность.
При создании настоящего изобретения была поставлена задача по разработке более эффективного способа возведения насыпи на мерзлых грунтах.
Техническим результатом является упрощение способа возведения насыпи на мерзлых грунтах за счет сокращения количества технологических операций при подготовке грунтовой смеси и при ее отсыпке в процессе возведения насыпи и повышение устойчивости насыпи за счет ее структурного упрочнения грунта.
Поставленная задача достигается тем, что в способе возведения насыпи на мерзлых грунтах согласно изобретению получают зимой готовую мерзлую сухую грунтоцементную смесь, для чего используют промороженный высокольдистый грунт, который измельчают - дробят с получением мерзлой крошки, и вяжущее вещество, например цемент, которые перемешивают, складируют и отсыпают готовую мерзлую сухую грунтоцементную смесь в насыпь в зимний период. Сначала готовят сухую фиброцементную смесь из цемента и фибры, складируют, после чего приготавливают готовую мерзлую сухую смесь из сухой фиброцементной смеси и дробленой мерзлой крошки и укладывают в насыпь. Готовую мерзлую сухую смесь приготавливают из дробленой мерзлой крошки и расширяющегося цемента в количестве, соответствующем изменению его объема при расширении в процессе гидратации и равном объему льда в промороженном дробленом грунте. Готовят сухую цементно-песчаную смесь из цемента и высушенного (кондиционного) песка, складируют, затем приготавливают готовую мерзлую сухую смесь из сухой цементно-песчаной смеси и дробленой мерзлой крошки, причем объем (кондиционного) песка равен объему пустот между зернами дробленого промороженного грунта, после чего приготовленную готовую мерзлую сухую смесь укладывают в насыпь.
Операцию подсушки тонкодисперсного переувлажненного грунта выполняют по технологии, регламентируемой СНиПом 3.06.03-85 (п.4.39; 6.19; 6.20; 6.36).
Выполнение операций промораживания грунта и последующего его дробления (до фракции 5-25 мм согласно СНиП 3.06.03-85, п.6.3) позволяет облегчить процесс перемешивания полученной мерзлой дробленки Др с цементом Ц с получением готовой мерзлой сухой смеси, при этом согласно выполненным лабораторным испытаниям найдено оптимальное их соотношение в смеси - Ц: Др=1:10. При этом при перемешивании мерзлой сухой смеси не происходит налипания на стенки и лопасти смесителя, поэтому можно использовать простые по конструкции гравитационные смесители.
Приготовление грунтоцементной смеси на основе дробленой крошки из высокольдистого грунта позволяет получить, во-первых, готовую смесь за счет присутствия в ее составе связанной воды в виде льда, а во-вторых, получить ее же в виде сухой смеси за счет присутствия льда, то есть, в конечном счете, можно получить готовую сухую грунтоцементную смесь. При этом отпадает необходимость в выполнении операции сушки высокольдистого (переувлажненного) грунта, а также в операции перемешивания смеси с водой при приготовлении готовой грунтоцементной смеси, что упрощает способ и повышает его эффективность.
Кроме того, приготовление и использование готовой сухой смеси из мерзлой дробленой крошки высокольдистого грунта и вяжущего вещества - цемента, позволяют сохранить грунтоцементную смесь длительное время, что особенно важно при строительстве грунтовых сооружений в криолитозоне, где отсутствуют в достаточном количестве кондиционные грунтовые материалы, например пески, а широко распространены тонкодисперсные высокольдистые грунты, подверженные большим просадкам при оттаивании.
Приготовление и использование сухой смеси из мерзлой дробленой крошки грунта, вяжущего вещества - цемента - и фибры, например, синтетических волокон, позволяют повысить структурную прочность грунтоцементной смеси в насыпи за счет армирующего эффекта фибры как в мерзлом состоянии за счет ее дополнительного армирования, так и в особенности при ее оттаивании. При оттаивании начинается процесс гидратации цемента с образованием новых прочных структурных комплексов - искусственного гравия, состоящих из частиц грунта, цементного камня и волокон фибры, что значительно упрочняет структуру грунтовой системы и предотвращает развитие просадок при оттаивании грунта в насыпе, сохраняя ее устойчивость, что также повышает эффективность способа.
Применение расширяющегося цемента в составе сухой мерзлой смеси в количестве, соответствующем изменению его объема при расширении в процессе гидратации и равном объему льда в грунте, позволяет, во-первых, упрочнить структуру насыпи за счет скрепления отдельных грунтовых частиц, а во-вторых, предотвратить образование просадок при оттаивании грунта за счет заполнения освободившегося объема пор при таянии льда цементным камнем при его расширении, что, в целом, повышает устойчивость насыпи и эффективность способа соответственно.
Приготовление и использование смеси из мерзлой дробленой крошки грунта, вяжущего вещества - цемента, и кондиционного песка позволяют получить более плотную упаковку структуры в мерзлом состоянии - резко снизить пустотность мерзлой сухой смеси и, тем самым, снизить энергоемкость и трудоемкость операции по уплотнению насыпи в процессе ее отсыпки, а при оттаивании дробленой крошки грунта за счет гидратации цемента получать частички, скрепленные цементным камнем в виде новых более прочных структурных комплексов (искусственного гравия), что повышает структурную прочность грунтовой системы и, соответственно, устойчивость насыпи, а в целом, эффективность способа.
П
∂р
Ц
об
Кондиционный песок вводится для заполнения пустот между зернами мерзлой крошки грунта и цемента, чтобы повысить плотность грунтовой системы, причем объем вводимого кондиционного песка V равен объему пустот в смеси из мерзлой крошки - дробленки V, и цемента V в общем объеме смеси V:
П
об
∂p
Ц
V=V-V-V.
Все эти мероприятия повышают эффективность способа, позволяющие вести работы круглогодично, обеспечивая предотвращение водонасыщения насыпи при ее эксплуатации и разжижения при оттаивании льда, а также повышение структурной прочности грунта откосов и тела насыпи, предотвращая просадки, и ведущие, в целом, к повышению срока службы насыпи.
Возведение насыпи на мерзлом грунте осуществляют следующим образом.
Технологическая цепочка возведения насыпи включает подготовительные и основные работы. К подготовительным работам относятся добыча и подготовка основных сырьевых материалов - грунтовой отсыпки. Эти работы могут выполняться как в летний период, так и в зимний период. Поэтому технологическую цепочку по возведению насыпи можно разбить на два сезона - летний и зимний, что позволяет сделать ее практически непрерывной - круглогодичной.
В случае выполнении подготовительных работ в летний период производят добычу, а также возможную подсушку высокольдистого (переувлажненного) некондиционного тонкодисперсного грунта и его складирование, например, в штабель (операции добычи, подсушки и складирования тонкодисперсного переувлажненного грунта выполняют по технологии, регламентируемой СНиПом 3.06.03-85 (п.4.39; 6.19; 6.20; 6.36). В зимний период грунт для приготовления отсыпаемой мерзлой грунтовой смеси добывают непосредственно из карьера.
Основные работы по отсыпке насыпи выполняют в зимний период и начинают с операции дробления мерзлого грунта, взятого из склада-штабеля или непосредственно из карьера. Дробление может выполняться в конусной дробилке, с последующим приготовлением готовой мерзлой сухой смеси из дробленой мерзлой крошки и цемента, например, в гравитационном смесителе. При этом в состав смеси, по мере необходимости, можно вводить и другие компоненты, например фибру, а также производить обогащение некондиционного грунтового материала кондиционным, например крупнозернистым песком или другими материалами. После приготовления мерзлой готовой смеси и ее складирования выполняют подготовку основания будущей дороги, после чего производят отсыпку насыпи.
В случае выполнения работ по дополнительному укреплению откосов эффективно использовать в качестве грунтовой отсыпки фиброгрунтоцементную смесь, для чего сначала готовят сухую фиброцементную смесь из цемента и фибры, складируют сухую смесь и в дальнейшем, по мере необходимости, готовят мерзлую готовую сухую смесь из сухой фиброцементной смеси и дробленой мерзлой крошки, после чего готовую смесь укладывают в насыпь.
В случае использования грунта повышенной льдистости используют в качестве вяжущего расширяющийся цемент. В этом случае мерзлую готовую сухую смесь готовят из дробленой мерзлой крошки и расширяющегося цемента, в количестве, соответствующем изменению его объема при расширении в процессе гидратации и равном объему льда в промороженном дробленом грунте. При оттаивании льда начинает протекать процесс гидратации расширяющегося цемента с образованием цементного камня, увеличением его в объеме и заполнением освободившегося объема от таяния льда в порах грунта, предотвращая тем самым просадки насыпи.
При возведении насыпи повышенной плотности используют в составе грунтовой отсыпки кондиционный песок. Для этого сначала готовят сухую цементно-песчаную смесь из цемента и высушенного кондиционного песка и складируют. После этого в процессе строительства приготавливают готовую мерзлую сухую смесь из сухой цементно-песчаной смеси и дробленой мерзлой крошки, которую и укладывают в насыпь. При этом объем кондиционного песка в составе сухой цементно-песчаной смеси задается из условия его равенства объему пустот между зернами дробленой мерзлой крошки. В этом случае пустоты между зернами дробленой мерзлой крошки будут сведены к минимуму, что также предотвратит просадки насыпи.
Способ возведения насыпи на мерзлых грунтах опробован в строительной лаборатории кафедры ПСК ТГТУ, и показана возможность его реализации в реальных условиях строительства.