ЗЕМЛЯНОЕ СООРУЖЕНИЕ НА СЛАБОМ ОСНОВАНИИ
GROUND STRUCTURE ON WEAK BASE

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве и реконструкции линейных сооружений на слабых, в том числе вечномерзлых грунтах 3-й и 4-й категорий термопросадочности, на бессточных участках и болотах 2-го и 3-го типов (железных и автомобильных дорог, магистральных трубопроводов, плотин и дамб).
Практически более 10% дорожных сооружений приходится строить и эксплуатировать на слабом основании, а на слабом при протаивании вечномерзлом основании, значительно больше.
Основная причина потери несущей способности сооружений в условиях вечной мерзлоты связана с осадками, которые происходят в протаивающих грунтах. Техногенное воздействие самих линейных сооружений на грунты основания и вибродинамическое воздействие подвижной поездной нагрузки приводят сначала к «тепловой» осадке насыпи, а через 5-7 лет, дополнительно, к пластическому выдавливанию текучепластичных слабых грунтов водонасыщенного основания (мохо-торфяных, лессовых, илов и т.д.). При этом деформации насыпи происходят в вертикальном и горизонтальном направлениях, а верхнего строения пути - в плане и в профиле. При росте грузонапряженности увеличивается вибродинамическое воздействие от подвижной нагрузки, соответственно возрастают тиксотропные явления в грунтах, вызывающие дополнительное выдавливание разуплотненных текучих грунтов и, соответственно, осадка сооружения.
Все это приводит к увеличению осадок линейных насыпных сооружений. Деформации в виде осадок продолжаются в течение всего срока эксплуатации объектов.
Общеизвестно, что стабильность земляного сооружения обеспечивается за счет мелиорации (осушения) грунтов основания. Но осушение грунтов основания в пределах бессточных участков крайне затруднено, поэтому одним из способов устранения таких осадок грунтов основания является устройство армодренажных конструкций: контрбанкетов из скальных или дренирующих грунтов; врезных контрфорсов, скальных обойм из синтетического нетканого материала (СНМ) и скального грунта; упругих эстакад из СНМ и дренажных траншей и др.
Известно земляное сооружение на слабом основании, предназначенное для стабилизации земляных сооружений [Справочник по земляному полотну эксплуатируемых железных дорог / М.В. Аверочкина и др.: Под ред. А.Ф. Подпалого, М.А. Чернышева, В.П. Титова. - М.: Транспорт, 1978. 766 с.]. Сооружение представляет собой насыпь и призмы, предназначенные для армирования и дренажа приподошвенных зон насыпи.
Призмы выполнены с двух сторон насыпи с постоянным сечением вдоль ее продольной оси. Размеры призмы, масса грунта, необходимого для ее формирования, а также крутизна наружных ее граней определяются расчетным путем в зависимости от сдвигающих усилий в основании сооружений. При этом верхняя часть призмы составляет не менее трех метров и в качестве грунта использованы, например, дренирующие скальные грунты.
Устройство работает следующим образом. На участке осадки с двух сторон к насыпи присыпают призмы из скального грунта, размеры которых определены расчетным путем.
В начале эксплуатации после отсыпки призмы влага с мельчайшими частицами глины в виде суспензии высачивается из зоны слабых грунтов основания через дренирующее тело призмы. С течением времени суспензия забивает поры между частицами дренирующих грунтов призмы и превращает ее в монолит. Вода перестает просачиваться из грунтов основания и скапливается на границе насыпи и призмы. Скопившаяся вода в летний период создает дополнительное сдвигающееся усилие за счет гидростатического давления и в зимний период – гидродинамического давления в результате пучения грунтов. В результате этого призмы сдвигаются, при этом происходит нарушение целостности земляного сооружения. При разделении масс сооружения нарушается сцепление насыпи, при этом удерживающие усилия в основании сооружения уменьшаются, что приводит к возобновлению деформаций самого защищаемого объекта.
Достоинство известной конструкции заключается в быстром достижении стабильности оснований и откосов, что обусловлено удерживающими усилиями, возникающими в конструкции за счет ее большой массы.
Недостатком такой конструкции является малый срок ее службы из-за нарушения с течением времени целостности земляного сооружения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является земляное сооружение на слабом основании, предназначенное для стабилизации земляных сооружений [Жданова С.М. Свидетельство на полезную модель 22157 РФ, МПК7 E02D 17/18. Заявлено 20.08.01. Опубл. 10.03.02. Бюл. 7].
Сооружение представляет собой насыпь и призмы, предназначенные для армирования и дренажа приподошвенных зон насыпи. Призмы имеют равную массу и выполнены с двух сторон насыпи с переменным сечением вдоль ее продольной оси. Тело насыпи выполнено в виде чередующихся слоев насыпного грунта и полотнищ гибкого синтетического нетканого материала (СНМ). Полотнища СНМ размещены по длине и по ширине дорожного полотна в теле насыпи. В откосных частях поперечные полотнища СНМ заполнены дренирующим скальным грунтом и образуют призмы в продольном направлении с обеих сторон насыпи.
Поперечное сечение каждой призмы имеет трапециевидную форму, меньшее основание которой расположено в грунтах. При этом трапециевидное сечение с минимальной площадью расположено в месте максимальной осадки, а трапециевидное сечение с максимальной площадью расположено в опорных частях призмы. В результате призма в продольном направлении выполнена выпуклой и представляет собой арку с вершиной в месте максимальной осадки. Арка обеспечивает продольный сток воды из грунтов основания.
Размеры призмы, масса грунта, необходимого для ее формирования определяются расчетным путем в зависимости от сдвигающих усилий в основании сооружений.
Устройство работает следующим образом.
На участке осадки с двух сторон к насыпи устраивают призмы (контрбанкеты) из скального грунта и СНМ, размеры которых определены расчетным путем.
В начале эксплуатации полотна СНМ в каждой призме, находясь в натяжении, армируют скальный грунт, удерживают его от осадки в слабое основание, обеспечивая наилучшую работу арки. Находящаяся в основании сооружения влага с мельчайшими частицами глины (суспензия) из слабых грунтов скатывается по поверхности арки в продольном направлении из места максимальной осадки в сторону опорных частей призмы. При этом грунты основания осушаются и упрочняются, стабилизируя само основание. Упрочнение основания исключает осадку грунтов основания сооружения.
С течением времени суспензия забивает поры дренирующего грунта призмы, происходит ее кольматаж, превращая сначала в монолит опорные части арки, а затем и всю конструкцию. При этом дренирующая способность арки нарушается, суспензия начинает проникать в зону со слабыми грунтами и скапливается в месте контакта насыпи и призмы. Постепенно грунты основания насыпи переувлажняются и выдавливаются из-под сооружения в призме на участке минимального сечения. Вследствие этих процессов происходит деформация грунтов основания насыпи, нарушается арочный эффект и, как следствие, устойчивость сооружения нарушается.
Достоинство известной конструкции заключается в увеличении срока службы конструкции благодаря продолжительному обеспечению стока влаги из зоны со слабыми грунтами.
Однако даже при увеличении срока службы конструкции он не сопоставим со сроком службы самой насыпи, что является недостатком известной конструкции. Это обусловлено деформациями сооружения, образующимися с течением времени вследствие нарушения стока влаги из зоны со слабыми грунтами из-за кольматажа пустот между фракциями скального грунта.
В основу изобретения положена задача разработки земляного полотна на слабом основании, обладающего большим сроком службы, сопоставимым со сроком службы насыпи, благодаря устранению ее деформаций за счет обеспечения беспрепятственного стока влаги из зоны со слабыми грунтами в продольном и поперечном направлениях.
Для решения поставленной задачи в земляном сооружении на слабом основании, содержащем насыпь, пригрузочные призмы из скального грунта переменного сечения, предназначенные для дренажа и армирования приподошвенных зон насыпи и расположенные с нагорной и подгорной стороны насыпи вдоль ее продольной оси, увеличивающиеся в направлении стока влаги, при этом призмы имеют разные массы и поперечное сечение угольной формы с вершинами, удаленными на ширину берм, призма с большей массой расположена с нагорной стороны насыпи, призма с меньшей массой - с подгорной стороны насыпи, призмы сооружены на водоотжимных бермах из глинистого грунта угольной формы, отсыпанных с обеих сторон насыпи, покрытых сверху синтетическим нетканым материалом, а вершины каждой призмы бермы из глинистого грунта расположены на откосах насыпи.
Заявляемое решение отличается от прототипа формой и размерами выполнения призм. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
Благодаря новой форме выполнения призм с подгорной и нагорной стороны насыпи, обеспечивающих постоянный беспрепятственный сток влаги из зоны со слабыми грунтами в продольном и поперечном направлениях, многократно увеличивается срок службы земляного сооружения.
Причинно-следственная связь «выполнение земляного сооружения с пригрузочными призмами разной массы и поперечным сечением угольной формы с вершинами, удаленными на ширину берм, призмы с большей массой, расположенной с нагорной стороны насыпи, призмы с меньшей массой - с подгорной стороны насыпи, сооруженных на водоотжимных бермах из глинистого грунта угольной формы, отсыпанных с обеих сторон насыпи, покрытых сверху синтетическим нетканым материалом, с вершинами каждой призмы бермы из глинистого грунта расположенной на откосе насыпи» приводит к многократному увеличению срока службы насыпи и явным образом не следует из уровня техники, так как в результате поиска не обнаружены земляные сооружения с предложенной формой выполнения призм, предназначенных для дренажа и армирования приподошвенных зон насыпи. Наличие новой причинно-следственной связи свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
При этом грунты основания осушаются и упрочняются в продольном и поперечном направлении, стабилизируя само основание. Упрочнение основания исключает осадку грунтов основания сооружения.
На фиг. изображен вид земляного сооружения на слабом основании.
1
2
3
4
1
3
2
4
Земляное сооружение на слабом основании 1 содержит насыпь 2, пригрузочные призмы из скального грунта: большую 3 - с нагорной стороны, меньшую 4 - с подгорной стороны, увеличивающейся массы вдоль продольной оси в сторону выпуска сточных вод из самообразующихся сточных дренажных русел 8 и 9, берм из недренирующих глинистых грунтов 5 и 6, капилляро-прерывающего слоя из синтетического нетканого материала 7. При этом ширина скальных призм, соответственно, в начале стока равна – B и В а в месте выпуска – В и В, а по длине сооружения их ширина в зависимости от конкретных условий может изменяться, соответственно, B≤В и В≤В. Насыпь 2 выполнена из насыпного грунта и расположена на участке слабых грунтов основания 1, которое необходимо осушить и стабилизировать с помощью пригрузочных призм 3 и 4 из скального грунта, из водоотжимных берм 5 и 6 из глинистого грунта и расположенной между ними капилляро-прерывающей прослойки - 7.
1
2
3
4
1
3
2
4
Пригрузочные призмы 3 и 4 выполнены с переменным сечением в поперечном направлении и вдоль продольной оси насыпи 1 и обеспечивают водоотвод из основания насыпи в продольном и поперечном направлениях. Каждая призма 3 и 4 выполнена из дренирующего грунта, например скальной массы. Призмы выполнены с двух сторон насыпи 1 и имеют разные массы. Призма 3 с большей массой расположена с нагорной стороны насыпи, призма 4 с меньшей массой - с подгорной стороны насыпи. В продольном направлении каждая призма 3 и 4, соответственно, в начале стока равна - в начале стока равна – B и В а в месте выпуска – В и В, а по длине сооружения их ширина в зависимости от конкретных условий может изменяться, соответственно, B≤В и В≤В. В поперечном сечении призмы имеют разные массы угольной формы с вершинами, удаленными на ширину берм, призма с большей массой расположена с нагорной стороны насыпи, а с меньшей массой - с подгорной стороны насыпи. Призмы 5 и 6 являются водоотжимными, вместе с пригрузочными дренирующими призмами 3 и 4 они обеспечивают сток влаги в поперечном направлении путем обжатия слабых грунтов основания с помощью возрастающего веса скальных призм в поперечном направлении и образования сточных русел под действием их веса с полевой стороны призм. Капилляро-прерывающая прослойка 7 предназначена для обеспечения стока поверхностной влаги с поверхности берм из глинистого грунта 5 и 6 и их осушения, для сохранения их прочностных свойств.
Таким образом, скальные призмы 3 и 4 обеспечивают одновременно сток влаги в поперечном и продольном направлении в сторону выпуска, осушение и армирование приподошвенных зон насыпи.
Пригрузочные призмы, разной массы, 3 и 4 обеспечивают равновесие насыпи, предохраняя ее от перекоса в подгорную сторону и способствуют постоянной организации стока влаги в продольном и поперечном направлениях.
Размеры масс призм 3 и 4, необходимых для их формирования, определяются расчетным путем в зависимости от сдвигающих усилий в основании сооружений.
Например, на участке км 283 от пк3 до пк 7 линии Известковая - Ургал насыпи высотой 3,5 м, длиной 400 м в протаивающих вечномерзлых грунтах отсыпают призмы из глинистого грунта 5 и 6 и скального грунта - 3 и 4. Высота призм 5 и 6 с нагорной и подгорной стороны и по длине одинакова и с полевой стороны к откосу насыпи изменяется от 0,40 до 1,0 м. Ширина берм составляет 4,0 м.
Высота призм 3 и 4 в верхней части изменяется по длине и от верхней части стока до нижней изменяется следующим образом: призмы 3 - от 0,5 до 1,5 м с нагорной стороны, а призмы 4 - от 0,3 до 1,3 м с подгорной стороны.
Ширина призм 3 и 4 составляет 5 м. При этом давление на грунты основания сооружения определяется статической нагрузкой. Давление насыпи примерно равно 40 т/м, а призм, соответственно, призмы 3 - 3-4 т/м, а призмы 4 - 18-20 т/м. При этом осадка слабых грунтов по сточному руслу составит от 0,1 до 0,7 м, при этом возникает уклон естественного стока соответственно под призмами в поперечном направлении -  а в продольном -
Сооружение осуществляют следующим образом.
На участке со слабыми грунтами 1 с двух сторон насыпи 1 устраивают сначала призмы 5 и 6 из глинистых грунтов. Глинистый грунт призм уплотняют послойно с помощью катков или тяжелых машин грузоподъемностью не менее 10 тонн. В результате вдоль насыпи выполнены две призмы 5 и 6, масса грунта каждой из которых вдоль насыпи изменяется от максимального значения на откосе насыпи 2, до минимума - в полевой стороне. На уплотненную поверхность призм 5 и 6 стелют синтетический нетканый материал (СНМ) 7, шириной 5 м, на всю поверхность основания скальных призм. Скальный грунт призм 3 и 4 разной массы в продольном и поперечном направлении отсыпают на полотна СНМ, уложенных поверх призмы из глинистого грунта, например, из думпкарных вертушек, затем, экскаватором и бульдозером формируют призмы. Сооружение работает следующим образом.
После отсыпки призм 3-6 слабые грунты 1 их оснований испытывают разное давление как в поперечном направлении, так и в продольном направлении сооружения.
Под действием разного собственного веса водоотжимные призмы 5 и 6 и пригрузочные 3 и 4 призмы создают с нагорной и подгорной стороны насыпи 2 в слабых грунтах 1 разные давления. Слабые грунты 1 с подгорной стороны испытывают меньшее давление, чем с нагорной стороны, и в них дренирующий скальный грунт водоотжимной призмы 3 проникает на большую глубину, чем дренирующий скальный грунт пригрузочной призмы 4, обеспечивая сток влаги из основания насыпи в поперечном направлении равномерный слева и справа.
Под вершиной каждой призмы 3 и 4 с полевой стороны формируется продольный уклон. При этом, скальные грунты каждой призмы 3 и 4 опускаются в слабые грунты 1 в продольном направлении на равномерно увеличивающуюся глубину, формируя уклоны в продольном направлении в слабых грунтах 1 по всей длине каждой призмы 3 и 4 в полевой стороне, образуя дренажный сток сверху вниз к участку выпуска.
В итоге в слабых грунтах 1 формируется дренажные ложа 8 и 9, которое имеет продольный и поперечный сток и выпуск вод на участке осадок насыпи 2, при этом грунты основания насыпи осушаются.
Влага с нагорной стороны местности, а также влага из основания насыпи собирается в зоне продольного выпуска дренажное ложе и отводится им в пониженную часть рельефа по мере увлажнения насыпи 2. Организация продольного и поперечного стока влаги приводит к увеличению скорости отвода влаги из-под основания земляного сооружения, что приводит к осушению основания насыпи 2 и призм 3 и 4 в кратчайшие сроки. При этом грунты основания сооружения упрочняются и стабилизируются.
В процессе эксплуатации земляного сооружения глинистые призмы 5 и 6, изолируются от проникновения влаги через скальные призмы 3 и 4 и потерю ими прочностных свойств за счет стока влаги с помощью капилляр-прерывающего эффекта синтетического нетканого материала, сохраняя формы и размеры призм 5 и 6. Постоянство форм и размеров берм 5 и 6 позволяет обеспечивать изоляцию грунтов основания в поперечном направлении по всей длине сооружения от проникновения влаги, сохранять прочностные показатели грунтов основания и, соответственно, устойчивость и стабильность самого земляного сооружения.
Таким образом, в процессе эксплуатации стабильность земляного сооружения обеспечивается устранением осадок грунтов основания благодаря новой форме выполнения призм с подгорной и нагорной стороны насыпи, обеспечивающих армирование и постоянный беспрепятственный сток влаги из зоны со слабыми, при переувлажнении, грунтами в продольном и поперечном направлениях, осушение слабых грунтов в основании земляного сооружения и их упрочнение, что многократно увеличивает срок его службы. Благодаря возможности постоянного отжатия влаги из основания насыпи 1 без кольматажа сточного русла, и отвод воды осуществляется в течение всего срока службы сооружения. При этом грунты основания насыпи 1 не испытывают деформации и устойчивость сооружения сохраняется весь срок его службы.
Так, натурное моделирование показывает, что на участке проектирования срок службы земляного сооружения при возрастающей интенсивности движения поездов от 23 до 30 т/ось составляет не менее 50-70 лет и сопоставим со сроком службы самой насыпи.