СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ОСНОВАНИЯ, ОСНОВАНИЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO ERECT FOUNDATION, FOUNDATION AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к строительству, в частности к конструкциям оснований грунтовых площадок, и может быть использовано при строительстве магистральных трубопроводов, при быстром возведении дорог, аэродромов, площадочных объектов, укреплении береговой полосы и различных откосов.
Известно устройство для быстрого возведения усиленных дорожных покрытий, представляющее собой полотно из тканевого водонепроницаемого материала, соединенное с грунтовым основанием посредством гибких анкеров, расположенных равномерно по площади покрытия (см. SU 1337457).
Известно также усиление покрытия аэродромов в виде натянутой металлической сети прямоугольной формы, укладываемой на грунтовую площадку и закрепленной в грунте посредством растяжек, расположенных равномерно по периметру сетки (см. US 2405565).
Недостатком указанных решений является то, что они не обеспечивают достаточную несущую способность покрытия, расположенного на слабом грунтовом основании, особенно в период распутицы.
Это объясняется тем, что покрытие в виде тканевого полотна или металлической сети представляет собой тонкую мембрану, материал которой активно включается в работу под нагрузкой, направленной нормально к покрытию, при сравнительно больших местных деформациях.
Однако при динамическом воздействии строительной техники, транспортного средства развиваются контактные давления, превышающие предел прочности грунта, что приводит к его скольжению вдоль мембраны (в случае армирования грунта мембраной), вырыванию, выбросу комьев грунта и образованию колеи и выбоин на дороге.
Из уровня техники известно покрытие, содержащее слои армированного георешетками грунта, гибкие разделительные прослойки из геотекстиля между ними и верхний несущий слой из каменных материалов. Георешетки выполняются из гладких пластин легких металлов, водостойкой бумаги, резины, полимерных материалов, соединенных между собой сваркой или склеиванием таким образом, что при растяжении они образуют ячеистую структуру.
Решетки устанавливаются вплотную одна к другой и засыпаются грунтом. Грунт уплотняется. Сверху укладываются внахлест полотна геотекстиля. Затем таким же способом формируется следующий слой армогрунта (US 4797026, Е01С 5/20).
Недостатком известного покрытия является его относительно невысокая несущая способность, что связано с выпиранием грунта из ячеек решетки при контактных давлениях, превышающих предел прочности грунта.
Это объясняется недостаточным сцеплением грунта со стенками георешетки. Вследствие этого при больших контактных нагрузках нарушается совместная работа георешетки с материалом заполнителя.
Кроме того, при такой схеме армирования слоя грунта ячейки георешетки снизу и сверху открыты (незамкнуты), а материал георешеток не обладает необходимой упругостью, вследствие хрупкости легко деформируется (вплоть до разрушения) и не обеспечивает восстановление формы ячеек после снятия нагрузки.
Известен способ армирования слабых грунтов оснований, откосов и георешетка для его осуществления (см. RU 2228479 С1, 10.05.2004, F16L 1/00). Известное устройство содержит набор гибких лент, скрепленных расположенными в шахматном порядке швами с возможностью образования заполняемой насыпным грунтом ячеистой структуры.
Однако известное основание из ячеистых конструкций рассчитано, прежде всего, на восприятие сдвигающих статических нагрузок на уклонах, спортивных площадках.
Известен способ сооружения основания, основание и грунтовый модуль (см. RU 2338834 С1, 20.11.2008), которые являются наиболее близкими к заявленной группе изобретений. В известном решении на подготовленном грунте размещают и закрепляют полученный последовательным наращиванием упругий слой - состоящее из грунтовых модулей с ячеистой структурой основание, для чего укладывают грунтовый модуль, размещают инвентарные анкеры в закрепленных на одной из сторон грунтового модуля монтажных проушинах, погружают инвентарные анкеры в грунт, а для формирования ячеистой структуры грунтового модуля прикладывают тяговое усилие к инвентарным анкерам, предварительно размещенным в закрепленных на противоположной стороне грунтового модуля монтажных проушинах, и, не снимая тягового усилия, погружают инвентарные анкеры в грунт, заполняют насыпным материалом ячейки грунтового модуля, при этом наращивание основания ведут путем размещения смежных грунтовых модулей с попарным размещением концевых вершин ячеистых структур смежных грунтовых модулей напротив друг друга, а боковые монтажные полости перекрывают с образованием ячеек фартуками, закрепленными на концевых боковых поверхностях грунтовых модулей. В известном решении указаны устройства, необходимые для осуществления способа сооружения основания.
Заявленное изобретение является усовершенствованием известного решения RU 2338834. Решаемой изобретением задачей является повышение несущей способности основания, уменьшение осадки основания, способного воспринимать значительные нагрузки со стороны тяжелых строительных машин, нагрузок со стороны магистральных трубопроводов большого диаметра, от возводимых на заявленном основании промышленных объектов. Кроме того, упрощается монтаж грунтовых модулей, исключается использование анкеров и средств для их погружения в грунт.
Указанная задача решается способом сооружения основания, в котором на поверхности земли по заданному уровню посредством монтажного устройства/устройств размещают упругий слой, полученный с образованием дренирующих каналов последовательным соединением грунтовых модулей, каждый из которых содержит выполненную из геотекстильного материала ячеистую структуру, заполняемую насыпным материалом, например грунтом, при этом нижнюю поверхность ячеистой структуры каждого из грунтовых модулей располагают с опиранием на поверхность земли, касанием поверхности земли или на заданном от нее расстоянии.
В частных случаях выполнения способа, предварительно поверхность земли шириной, превышающей ширину упругого слоя, выстилают полотнищами гибкого геотекстильного материала, например нетканого синтетического (НСМ). Соединение грунтовых модулей осуществляют в продольном и/или поперечном направлении. Упругий слой выполняют из нескольких ярусов грунтовых модулей, при этом грунтовые модули нижнего яруса содержат малоразмерную ячеистую структуру. Кроме того, грунтовые модули второго снизу яруса упругого слоя содержат крупноразмерную ячеистую структуру, грунтовые модули верхнего яруса упругого слоя содержат малоразмерную ячеистую структуру. Заполненные насыпным материалом ячеистые структуры грунтовых модулей, по меньшей мере, одного яруса перекрывают с заданным уклоном/уклонами полотнищами гибкого геотекстильного материала, например НСМ.
В частном случае реализации способа грунтовые модули соединяют путем попарного размещения напротив друг друга и увязывания ребер краевых граней ячеистых структур смежных грунтовых модулей.
Дренирующие каналы образуют в продольном и/или поперечном направлении деформированием ребер концевых граней ячеистых структур смежных грунтовых модулей при их увязывании.
Кроме того, дренирующие каналы образуют в продольном и/или поперечном направлении за счет размещения с заданным зазором смежных грунтовых модулей. При этом заполнение каждой ячеистой структуры сыпучим материалом осуществляют с его уплотнением.
Указанная задача решается посредством основания, в котором размещаемый на заданном уровне относительно поверхности земли упругий слой выполнен в виде, по меньшей мере, одноярусного набора грунтовых модулей, каждый из которых содержит выполненную из геотекстильного материала ячеистую структуру, ячейки которой заполнены насыпным материалом, ребра краевых граней ячеистых структур смежных грунтовых модулей попарно размещены напротив друг друга и увязаны между собой с образованием продольных и/или поперечных дренирующих каналов.
В частных случаях выполнения основания поверхность земли шириной, превышающей ширину упругого слоя, выстилается полотнищами гибкого геотекстильного материала, например нетканого синтетического (НСМ). Упругий слой выполнен из нескольких ярусов грунтовых модулей, и, кроме того, грунтовые модули нижнего яруса содержат малоразмерную ячеистую структуру. Грунтовые модули второго снизу яруса упругого слоя содержат крупноразмерную ячеистую структуру, а грунтовые модули верхнего яруса упругого слоя содержат малоразмерную ячеистую структуру. Заполненные насыпным материалом ячеистые структуры грунтовых модулей, по меньшей мере, одного яруса перекрываются с заданным уклоном/уклонами полотнищами гибкого геотекстильного материала, например НСМ, а заполняющий ячеистые структуры грунтового модуля насыпной материал уплотнен.
Указанная задача решается также посредством устройства для монтажа грунтовых модулей упругого слоя основания, в котором на опорах закреплена рама с возможностью размещения внутри нее ячеистой структуры грунтового модуля, образующие раму балки снабжены элементами фиксации высотного и пространственного положения ячеистой структуры в ее монтажном положении.
В частном случае выполнения устройства опоры выполнены с возможностью регулирования их по высоте, а рама закреплена на опорах с возможностью ее перемещения вдоль опор. При этом элементы фиксации высотного положения ячеистой структуры в ее монтажном положении располагаются в плоскости рамы и выполнены в виде стержней с возможностью закрепления на них верхних торцов ячеистой структуры.
Элементы фиксации пространственного положения ячеистой структуры в ее монтажном положении выполнены в виде эксцентриковых устройств с возможностью размещения на них и съема с них монтажных проушин ячеистой структуры.
В частном случае выполнения устройства элементы фиксации пространственного положения ячеистой структуры в ее монтажном положении выполнены в виде стержней, закрепленных на раме с шагом, равным диагонали ячейки указанной структуры, расположены ниже плоскости рамы с возможностью размещения указанных стержней в углах ячеек указанной структуры грунтового модуля в ее монтажном положении.
Кроме того, на раме закреплена, по меньшей мере, одна дополнительная съемная балка, снабженная элементами фиксации высотного положения ячеистой структуры в ее монтажном положении или дополнительная съемная балка, снабженная элементами фиксации пространственного положения ячеистой структуры в ее монтажном положении.
Выполнение основания в виде упругого слоя из грунтовых модулей, содержащих выполненную из геотекстильного материала пространственную ячеистую структуру, ячейки которой предварительно расправлены, зафиксированы посредством монтажного устройства, заполнены насыпным материалом с его уплотнением, обеспечивает необходимую упругость и способность к восстановлению формы ячеек без вытекания из ячеек насыпного материала, например местного грунта, в случае приложения к основанию статических или динамических нагрузок. Выполнение основания, в котором упругий слой выполнен в виде двух- или трехъярусного набора грунтовых модулей, а грунтовые модули нижнего яруса при этом содержат малоразмерную ячеистую структуру, позволяет создать нижний ярус, способный воспринимать значительную нагрузку со стороны яруса с крупноразмерной ячеистой структурой и равномерно распределить нагрузку на поверхностный слой земли.
Выполнение основания, в котором упругий слой выполнен, например, в виде трехъярусного набора грунтовых модулей, а грунтовые модули верхнего яруса при этом содержат малоразмерную ячеистую структуру, позволяет создать верхний ярус, способный воспринимать значительную статическую или динамическую нагрузку от возводимых на заявленном основании промышленных объектов, сооружений и тяжелых строительных машин, соответственно, и равномерно распределить нагрузку на ярус с крупноразмерной ячеистой структурой. Использование полотнищ НСМ для перекрытия ярусов основания обеспечивает более равномерное распределение нагрузки на нижележащий ярус и обеспечивает водоотвод из основания, что способствует повышению несущей способности основания.
Практика показала, что при выполнении ячеистых структур с равносторонними ячейками («квадратными») малоразмерными следует считать ячейки, высота которых не превышает 375 мм, а крупноразмерными - те, высота которых превышает 375 мм. При этом, например, крупноразмерная ячеистая структура может быть выполнена согласно патенту RU 2338834.
Использование полотнищ текстильного материала для изготовления грунтовых модулей обеспечивает получение ячеистой структуры с высотой ячеек до полутора метров. Это обеспечивает создание прочного устойчивого искусственного основания в пониженных местах рельефа, например, для выполненного из не гибких толстостенных труб магистрального трубопровода, который не может копировать рельеф дневной поверхности грунта.
Эксплуатация опытных участков оснований, упругий слой которых содержит крупноразмерные ячеистые структуры, показала их эффективность, которая обусловлена высокой прочностью материала крупноразмерных ячеистых структур и их размерами, значительными по сравнению с другими известными объемными георешетками.
Соединение грунтовых модулей между собой обеспечивает получение сплошного упругого слоя, позволяет исключить его дополнительное крепление анкерами, повышает устойчивость сооружаемого основания и уменьшает его осадки, что особенно важно при строительстве на слабых грунтах. Увязывание ребер концевых граней ячеистых структур смежных грунтовых модулей позволяет сохранить единую ячеистую структуру упругого слоя основания, при этом соединение грунтовых модулей в продольном и/или поперечном направлении зависит от назначения основания, его размеров.
Увязывание смежных ребер концевых граней ячеистых структур соединяемых грунтовых модулей приводит к деформации указанных ребер и граней, к образованию дренирующих каналов. Наличие дренирующих каналов и использование под основанием слоя из рулонированного и фильтрующего воду геотекстильного материала обеспечивает соответственно необходимый отвод выпадающих осадков, устраняет смещение ячеистой структуры, предотвращает смещение из ее ячеек насыпного грунта в подстилающий грунтовый слой, что особенно важно при сооружении покрытия на суглинистых и глинистых грунтах.
Уплотнение насыпного грунта, заполняющего ячеистую структуру грунтовых модулей, обеспечивает получение насыпного материала с плотностью естественных грунтов, что повышает физико-механичекие свойства основания, его долговечность.
Заявленная группа изобретений за счет указанных отличительных признаков позволяет повысить несущую способность оснований различного назначения в различных климатических условиях, сооруженных на различных по физико-механическим свойствам грунтах, в том числе при многократном приложении локальной, ударной подвижной нагрузки, а также позволяет увеличить сроки эксплуатации и сократить расходы и время на строительство, обслуживание и содержание оснований.
Заявленное изобретение особенно эффективно при сооружении на суглинистых и глинистых грунтах, например, магистральных трубопроводов, промышленных площадок, укреплении откосов и береговых линий.
Кроме того, заявленная группа изобретений обеспечивает возможность круглогодичного ведения строительства объектов инфраструктуры на болотах и других слабых грунтах, в том числе на вечномерзлых грунтах в районах Крайнего севера и Сибири.
Изобретение поясняется графическим материалом, где на фиг.1 представлен фрагмент основания, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - элемент соединения смежных грунтовых модулей.
В целях более полного раскрытия сущности заявленной группы изобретений, заявитель прилагает дополнительно изображения сканированных фотографий, на которых представлены:
фиг.4 - 6 - сооружение основания на обводненной местности из малоразмерных грунтовых модулей с использованием нескольких монтажных устройств, обеспечивающих соединение грунтовых модулей в продольном и поперечном направлении;
фиг.7 - заполнение грунтом ячеистой структуры грунтового модуля, при этом посредством монтажного устройства выполнена пространственная фиксация ячеистой структуры в ее монтажном положении;
фиг.8 - ячеистая структура по фиг.7, заполненная грунтом;
фиг.9 - посредством монтажного устройства выполнена высотная и пространственная фиксация ячеистой структуры крупноразмерного грунтового модуля в ее монтажном положении;
фиг.10 - ячеистая структура по фиг.9, заполненная грунтом.
На поверхности земли 1 (см. фиг.1) шириной, превышающей ширину упругого слоя, укладывают с нахлестом гибкие полотнища 2 геотекстильного материала с заданными фильтрующими свойствами. Уложенные полотнища 2 образуют подстилающий слой, например, для малоразмерной объемной ячеистой структуры 3 (см. фиг.2) грунтового модуля 4, которая в транспортном положении представляет собой пакет, состоящий из скрепленных линейными швами 5 (продольных, поперечных, фигурных) гибких полотнищ (см. фиг.3), изготовленных, преимущественно, из рулонированных материалов. В проектном положении устанавливают монтажное устройство, элементами которого фиксируют грани ячеистой структуры 3, при этом, в зависимости от рельефа земной поверхности грунта, нижнюю поверхность ячеистой структуры 3 каждого из грунтовых модулей располагают с опиранием на поверхность земли, касанием поверхности земли или на заданном от нее расстоянии.
Ячейки зафиксированной таким образом ячеистой структуры грунтового модуля заполняют насыпным материалом 6, например местным грунтом. В случае использования грунтовых модулей 7 с крупноразмерными ячеистыми структурами, высота ячейки которых значительная (до 1,5 м), а ширина ячейки не менее ее высоты, по мере заполнения ячеек вследствие гидростатического бокового давления насыпного материала происходит деформация боковых стенок и опорных краев ячеек, они подгибаются внутрь ячеек с формированием значительной опорной поверхности грунтового модуля, что улучшает его устойчивость. Заполнение ячеек грунтового модуля, в зависимости от его высоты и типа грунта, может сопровождаться уплотнением насыпного материала как различного вида вибраторами, так и проходами тяжелых строительных машин.
Наращивание упругого слоя основания ведут последовательным соединением грунтовых модулей, путем размещения рядом с созданным грунтовым модулем ячеистых структур смежных грунтовых модулей, при этом ребра концевых граней ячеистых структур смежных грунтовых модулей попарно размещают напротив друг друга, увязывают элементами 8, например лентами, жгутами, ребра и смежные грани ячеистых структур соединяемых грунтовых модулей. В процессе увязывания указанных ребер и граней в результате их деформации образуются дренирующие каналы 9. Устройство переставляют, вновь уложенную ячеистую структуру фиксируют ее ячейками на устройстве и заполняют ячейки сыпучим материалом. Возможна работа с использованием нескольких монтажных устройств, которые последовательно устанавливают рядом с ранее созданным грунтовым модулем (см. фиг.5, 6), при этом ячеистую структуру можно предварительно зафиксировать на монтажном устройстве до его установки в проектное положение. Наращивание упругого слоя сооружаемого основания можно осуществлять в поперечном, продольном и поперечно-продольном направлении.
Степень шероховатости, а также размеры и расположение ячеек грунтового модуля задаются исходя из условия обеспечения надежного сцепления ячеистой конструкции с материалом, заполняющим ячейки ее структуры, а также с учетом обеспечения равномерного армирования грунта в пределах каждого грунтового модуля. Восстановление формы ячеек указанной конструкции после снятия нагрузки осуществляется за счет геометрии ее структуры и упругих свойств материала. Высота объемной ячеистой структуры выбирается из условия обеспечения необходимой толщины основания, качественного уплотнения насыпного материала в ячейках грунтового модуля и оптимального соотношения ее прочностных свойств и веса.
Проведенные исследования показали, что полотна НСМ обеспечивают усилие сцепления с водонасыщенным песком (W=25%) 600 кгс/м, а с глиной в мягкопластичном состоянии 700 кгс/м, не менее, что вполне обеспечивает стабильное положение ячеистой конструкции грунтовых модулей в таких неблагоприятных условиях при приложении к основанию сдвигающих статических и динамических нагрузок.
Заявленная группа изобретений позволяет повысить несущую способность оснований магистральных трубопроводов, дорог и прочих сооружений, в том числе при многократном приложении локальной, ударной подвижной нагрузки, а также позволяет увеличить сроки эксплуатации и сократить расходы и время на строительство и содержание указанных промышленных площадок.