СПОСОБ ЛИКВИДАЦИИ ПУЧИН В ЗЕМЛЯНОМ ПОЛОТНЕ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ И ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ НА СЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩИХ ГРУНТАХ
METHOD OF ELIMINATING BOILS IN SOIL BED OF OPERATED AUTOMOTIVE AND RAILWAY ROADS ON SEASONAL FROST PENETRATED SOILS

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано для стабилизации деформирующихся участков автомобильных и железных дорог вследствие пучения путем преобразования свойств грунтов земляного полотна.
Известен способ ликвидации пучин земляного полотна путем выборки в нем пучинистого грунта и замены его на скальные и гравийно-песчаные (см. Ярмолинский А.И. Автомобильные дороги Дальнего Востока. - М.: Транспорт, 1994, с.71-72).
Недостатками этого способа являются: возможность повторного водонасыщения грунтов земляного полотна, что приводит к повторному появлению пучин, высокая стоимость реализации способа.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ ликвидации пучин в земляном полотне, включающий создание в укрепляемом массиве земляного полотна фрагментов преобразованного грунта путем внесения в него гранул стиропора (см. там же, с.60-63).
Недостатками такого способа являются: сложность внесения гранул стиропора в грунты земляного полотна существующих и эксплуатируемых автомобильных и железных дорог; технологические трудности создания необходимой структуры распределения гранул стиропора в грунте земляного полотна.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение эффективности ликвидации пучин в земляном полотне эксплуатируемых автомобильных и железных дорог и тем самым повышение эффективности и надежности защиты верхнего строения пути от деформаций пучения промерзающих грунтов.
Результат достигается тем, что способ ликвидации пучин в земляном полотне эксплуатируемых автомобильных и железных дорог на сезоннопромерзающих грунтах, включающий создание в укрепляемом массиве земляного полотна фрагментов преобразованного грунта путем внесения в грунт смеси, содержащей композиционные материалы, отличается тем, что внесение в грунт смеси осуществляют при промерзании верхнего слоя грунта на глубину 0,10-0,15 м, при этом смесь вносят путем нагнетания таким образом, чтобы создать вокруг массива земляного полотна, подверженного пучению, горизонтальный и вертикальные экраны из упрочненного грунта, горизонтальный экран создают на глубине, соответствующей глубине максимального сезонного промерзания грунтов, а внутри массива фрагменты преобразованного грунта располагают в шахматном порядке.
Процесс ликвидации пучин в земляном полотне эксплуатируемых автомобильных и железных дорог на сезоннопромерзающих грунтах можно объяснить следующим образом. При промерзании водонасыщенных грунтов земляного полотна происходит практически полное замерзание всей свободной воды. Замерзая, вода увеличивается в объеме в среднем на 9%, что приводит к неравномерному распределению получаемого таким образом давления (гидростатические напряжения) по глубине промерзающего слоя. В силу чрезвычайно высоких значений гидростатических напряжений в приповерхностном слое, в определенный момент времени происходит их разгрузка, выражающаяся в скачкообразном поднятии промерзающего слоя грунта, что является причиной неравномерных деформаций верхнего строения пути. Для пылевато-глинистых грунтов фактором, способствующим развитию процесса пучения, является миграция воды из нижних горизонтов в зону промерзания. Интенсивность подтока воды к фронту промерзания зависит от состава грунта, формы и размера пор, близости грунтовых вод и их химического состава.
Преобразуя состав, строение и свойства грунтов, находящихся в зоне сезонного промерзания, и изменив тем самым ее водно-тепловой режим, можно добиться ликвидации пучин в земляном полотне эксплуатируемых автомобильных и железных дорог на сезоннопромерзающих грунтах.
Способ заключается в создании в земляном полотне фрагментов преобразованного грунта путем заполнения его пор композиционным составом при помощи напорных инъекций, реализуемых в определенной последовательности. При этом композиционный состав при нагнетании в грунт должен иметь высокую проницаемость, при многократном повторении циклов «замораживания-оттаивания» обладать водостойкостью, упругостью в сочетании с высокой прочностью. Например, в качестве композиционного состава может быть применен состав, содержащий поливиниловый спирт - 3,0-10%, борную кислоту - 0,2-1%, воду - остальное.
В отличие от прототипа, где прочность стиропора на сжатие составляет 0,12-0,22 МПа, параметры прочности смеси грунта с композиционным составом должны быть в 3,5 раза больше.
Именно упругие свойства данного композиционного состава обеспечивают обратимость деформаций грунта при его сезонных промерзаниях и оттаиваниях. Преобразование водно-теплового режима промерзающих грунтов происходит по двум причинам: качественных изменений естественного режима миграции влаги к фронту промерзания и изменения величины коэффициента теплопроводности грунта. Очевидно, что величина коэффициентов водопроницаемости и теплопроводности грунта, подвергнутого инъекции композиционным составом, будет зависеть не только от объема инъекции, теплопроводности и фильтрационной способности естественного грунта и композиционного состава, но и от объема и характера пространственного расположения фрагментов преобразованного грунта в земляном полотне.
Получение смеси грунта с композиционным составом должно происходить во всем объеме промерзающего грунта. Такой вариант обладает максимальной стоимостью его реализации, что является экономически нецелесообразным. Исходя их того, что вода в грунте обычно занимает 1/3-1/10 общего его объема, и, учитывая вид и разновидность грунта, замещение естественного грунта инъецированными фрагментами должно осуществляться в такой же пропорции. При этом фрагменты земляного полотна, подвергнутые инъекции, должны располагаться в нем равномерно в шахматном порядке. В этом случае изменение температурно-влажностного режима грунтов земляного полотна происходит вследствие качественного изменения условий (или невозможности) миграции воды из нижних горизонтов к фронту промерзания. Например, для глинистых грунтов за счет разрывов фрагментами инъецированного грунта капиллярных связей. Создание в земляном полотне структур из фрагментов, расположенных равномерно в шахматном порядке и имеющих отличные от естественного грунта коэффициенты теплопроводности, позволяет изменять характер и скорость промерзания и оттаивания грунтов, что само по себе исключает пиковый характер деформаций пучения и просадки при оттаивании.
Таким образом, обеспечивается ликвидация пучин в земляном полотне эксплуатируемых автомобильных и железных дорог на сезоннопромерзающих грунтах.
На чертеже изображена схема реализации способа.
На чертеже показаны: земляное полотно 1, оси вертикальных инъекторов 2, вертикальные инъекторы 3, оси наклонных инъекторов 4, минимальная глубина сезонного промерзания грунтов 5, верхний горизонтальный экран 6, боковые наклонные экраны 7, вертикальные стенки 8, нижний горизонтальный экран 9, фрагменты инъецированного грунта 10, максимальная граница сезонного промерзания грунтов земляного полотна 11, уровень грунтовых вод 12.
Реализация способа осуществляется следующим образом.
На участке земляного полотна 1, содержащего пучинистый грунт, производится разметка осей вертикальных 2, 3 и наклонных инъекторов 4. Для создания относительно замкнутой зоны инъекции в земляном полотне, определяют период начала сезонного промерзания, когда минимальная толщина слоя сезоннопромерзающего грунта 5 (минимальная глубина сезонного промерзания грунта) будет достаточной, чтобы воспрепятствовать прорыву на дневную поверхность земляного полотна нагнетаемого под давлением через инъекторы композиционного состава. Реализация способа осуществляется при промерзании грунта и появлении верхнего горизонтального экрана 6 и боковых наклонных экранов 7 из слоя сезоннопромерзающего грунта. Создание экранов осуществляется путем естественного промораживания верхнего слоя земляного полотна. Слой промороженного грунта будет являться препятствием для выхода нагнетаемого под давлением композиционного состава на дневную поверхность. Для создания вертикальных стенок 8 и нижнего горизонтального экрана 9, с поверхности, согласно размеченым осям, с помощью механизмов ударно-возвратного действия последовательно погружают вначале вертикальные инъекторы 3 с обеих сторон насыпи, затем вертикальные инъекторы по осям 2 и, в последнюю очередь, наклонные инъекторы 4. Глубина погружения всех перечисленных инъекторов должна соответствовать максимальной глубине сезонного промерзания грунтов земляного полотна 11. Создание вертикальных стенок 8 и нижнего горизонтального экрана 9, с последующим созданием фрагментов инъецированного грунта 10, производится послойно, начиная с нижнего слоя, совпадающего с максимальной границей сезонного промерзания грунта 11, путем введения композиционного состава с помощью инъекторов, при этом в процессе инъекции инъектор извлекают из грунта до следующего по высоте слоя инъекции. Создаваемые вертикальные стенки 8 и нижний горизонтальный экран 9 исключают распространение композиционного состава за пределы зоны инъекции, при этом экран 9 препятствует миграции воды от уровня грунтовых вод 12 к фронту промерзания (максимальной глубине сезонного промерзания 11). В процессе извлечения вертикальных инъекторов 2, 3 и наклонных инъекторов 4, производится инъекция земляного полотна композиционным составом на отметках, соответствующих предварительно принятой схеме расположения фрагментов инъецированного грунта.
Таким образом, в замкнутом объеме земляного полотна, ограниченном верхним и нижним горизонтальными экранами 6 и 9, боковыми наклонными экранами 7, создается структура из фрагментов инъецированного грунта 10, расположенных равномерно в шахматном порядке в грунте земляного полотна 1. Размеры фрагментов и расстояние между ними в каждом отдельном случае определяются индивидуально в зависимости от вида, состояния и свойств грунта земляного полотна, климатических и инженерно-геологических условий расположения автомобильных и железных дорог.
В процессе эксплуатации автомобильной или железной дороги за годовой цикл (промерзание-оттаивание) происходит следующее.
При сезонном промерзании пучинистых грунтов земляного полотна, подвергнутого инъекции согласно описываемому способу, в нем создается в замкнутом объеме структура из фрагментов инъецированного грунта, обладающая морозоустойчивостью в части проявления пучинистых свойств. Это объясняется принципиальным отличием водно-тепловых режимов в земляном полотне, не подвергнутом инъекции описываемым способом и в земляном полотне, где он был реализован, в связи с различием коэффициентов теплопроводности естественных грунтов и структуры из фрагментов инъецированного грунта, что, в свою очередь, приводит к качественно иному характеру процесса промерзания грунта, находящегося между фрагментами инъецированного грунта. Вторым фактором, способствующим ликвидации пучинистых свойств грунтов земляного полотна, является изменение параметров водно-физических свойств грунтов, находящихся между водонепроницаемыми фрагментами инъецированного грунта. При создании фрагментов, оставшийся между ними грунт существенно уплотняется, тем самым происходит значительное снижение его фильтрационных свойств вплоть до полного отсутствия возможности фильтрации воды.
Дополнительно нижний горизонтальный экран из равномерно и на одном уровне расположенных и взаимно перекрывающихся фрагментов инъецированного грунта препятствует миграции воды из нижних горизонтов в замкнутый объем.
Возможное сжатие фрагментов инъецированного грунта, обладающих упругими свойствами, гарантирует полную ликвидацию пучения грунтов земляного полотна.
В период оттаивания структура из фрагментов инъецированного грунта и грунта земляного полотна, находящегося между ними, не будет испытывать вертикальных деформаций - осадок ввиду исключения бокового расширения оттаявшего грунта земляного полотна и образования реакции от сил его трения по боковым поверхностям вертикальных стенок, имеющих неровные поверхности и способствующих тем самым увеличению сил трения. Дополнительным фактором, исключающим осадки земляного полотна, является улучшение (увеличение) показателей деформационных свойств грунтов земляного полотна за счет их уплотнения фрагментами инъецированного грунта, создающими, в свою очередь, в грунте армокаркас.
В предлагаемом изобретении положительный эффект заключается в следующем:
- снижение до минимума или полная ликвидация сил пучения, действующих на верхнее строение пути;
- обеспечение устойчивости земляного полотна путем исключения его деформаций в течение всего срока эксплуатации дороги;
- возможность ремонта и реконструкции земляного полотна без нарушения его строения (выемки и замены грунта);
- низкая стоимость и высокая эффективность способа.