ЗЕМЛЯНОЕ СООРУЖЕНИЕ НА СЛАБОМ ОСНОВАНИИ
EARTHWORK 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 10% дорожных сооружений приходится строить и эксплуатировать на слабом основании, в том числе вечномерзлом.
Основная причина потери несущей способности сооружений в этих условиях связана с деформациями, которые происходят в результате тиксотропного разуплотнения и выдавливания текучепластичных грунтов водонасыщенного основания (торфяных, лессовых, илов и т.д.). Деформации происходят под воздействием подвижной нагрузки и веса самих линейных сооружений как в поперечном, так и продольном направлениях.
При росте грузонапряженности увеличивается вибродинамическое воздействие от подвижной нагрузки, соответственно возрастают тиксотропные явления в грунтах, вызывающие дополнительное выдавливание разуплотненных текучих грунтов и, соответственно, осадку 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; 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 склонов и откосов, что обусловлено удерживающими усилиями, возникающими в противооползневой конструкции за счет ее большой массы.
Недостатком такой конструкции является малый срок ее службы благодаря нарушению 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 и 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 под сооружением, 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 под ней деформаций за счет исключения кольматажа дренирующего грунта призмы и обеспечения постоянного стока влаги из зоны со слабыми грунтами в продольном и поперечном направлениях.
Для решения поставленной задачи в земляном сооружении на слабом основании, содержащем насыпь, призмы, предназначенные для дренажа основания насыпи и расположенные с нагорной и подгорной стороны насыпи, каждая из которых сооружена из дренирующего грунта, причем каждая призма в продольном направлении выполнена выпуклой в зоне слабых грунтов с поперечным переменным сечением трапециевидной формы, обе призмы выполнены с разными массами, причем призма с меньшей массой расположена с нагорной стороны насыпи, а с большей - с подгорной стороны насыпи, в каждой призме поперечное трапециевидное сечение с максимальной площадью расположено в месте максимальной осадки, а трапециевидное сечение с минимальной площадью - в месте стабильных грунтов, а большее основание поперечного сечения расположено на грунтах приподошвенной зоны насыпи.
Заявляемое решение отличается от прототипа формой 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 сток влаги из основания насыпи в месте максимальной осадки насыпи в подгорную сторону, многокоратно увеличивается срок службы насыпи.
Причинно-следственная связь «выполнение земляного сооружения с пригрузочной и водоотжимной призмами разной массы, трапециевидного сечения с максимальной площадью в поперечном направлении, каждое из которых расположено в месте максимальной осадки, а трапециевидное сечение с минимальной площадью - в месте стабильных грунтов, большее основание поперечного сечения расположено на грунтах приподошвенной зоны насыпи, приводит к многократному увеличению срока службы насыпи» явным образом не следует из уровня техники, так как в результате поиска не обнаружены земляные сооружения с предложенной формой выполнения призм. Наличие новой причинно-следственной связи свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг.1 изображен вид земляного сооружения на слабом основании сбоку.
На фиг.2 (а, б) представлены поперечные сечения земляного сооружения (I-I) и (II-II): 2а - на участке минимальной осадки грунтов основания; 2б - на участке максимальной осадки грунтов основания.
На фиг.3 изображен вид земляного сооружения сверху.
На фиг.4 представлены продольные сечения земляного сооружения (III-III) и (IV-IV): 4а - в приподошвенной зоне насыпи; 4б - в приподошвенной зоне призмы.
Земляное сооружение на слабом основании содержит насыпь 1 и призмы 2, 3, предназначенные для дренажа основания насыпи.
Насыпь 1 выполнена из насыпного грунта и расположена на участке стабильных 4 и на слабых 5 грунтов основания, которое необходимо осушить и стабилизировать.
Призмы 2, 3 обеспечивают водоотвод из основания насыпи в продольном и поперечном направлениях. Каждая призма 2, 3 выполнена из дренирующего грунта, например скальной массы. Они выполнены с двух сторон насыпи 1 и имеют разные массы. Призма 2 с большей массой расположена с подгорной стороны насыпи, призма 3 с меньшей массой - с ее нагорной стороны. Кроме того, призмы 2, 3 выполнены с поперечным переменным сечением вдоль продольной оси насыпи 1.
В продольном направлении каждая призма 2, 3 выполнена выпуклой в зоне слабых грунтов 5. Поперечное сечение каждой призмы 2,3 имеет трапециевидную форму, большее основание 6 которой расположено в приподошвенной зоне 7 насыпи. При этом трапециевидное сечение (I-I) с максимальной площадью расположено в месте максимальной осадки 8, а трапециевидное сечение (II-II) с минимальной площадью - в месте минимальной осадки 9.
Призма 2 является водоотжимной, обеспечивает дренаж влаги из основания сооружения от участка с минимальной осадкой в сторону участка с максимальной осадкой.
Призма 3 является пригрузочной, обеспечивает равновесие насыпи, предохраняя ее от перекоса со стороны водотжимной призмы 2 и способствует организации стока влаги в продольном и поперечном направлениях.
В результате каждая призма 2, 3 представляет две пирамидоподобные фигуры, соединенные друг с другом наибольшими сечениями в месте максимальной осадки 8 (в месте понижения рельефа местности).
Размеры призм 2, 3, масса грунта, необходимого для их формирования, определяются расчетным путем в зависимости от сдвигающих усилий в основании сооружений.
Например, на участке км 25 от пк 0 - пк 7 перегона Беркакит-Томмот АЯМ у насыпи высотой 6,0 м, длиной 700 м отсыпают призмы из скального грунта 2,3. Высота призмы 3 с нагорной стороны в стабильных грунтах 4 составляет 1 м, на участке максимальной осадки - 3 м, а высота призмы 2 соответственно - 2-4 м.
Ширина призм изменяется от 2-х до 5-ти м. При этом давление на грунты основания сооружения определяется статической нагрузкой. Давление насыпи примерно равно 70 т/м, а призм соответственно: призмы 3 - 4-30 т/м, а призмы 2 - 20-50 т/м. При этом осадка самой насыпи на участке слабых грунтов составляет 0,7 м, а расчетная осадка под призмами соответственно 0,5 м и 0,2 м, на участке стабильных грунтов соответственно 0,05 м и 0.01 м. Осадка грунтов равномерно возрастает в сторону наиболее слабых грунтов, при этом возникает уклон естественного стока соответственно под призмой 2 - 1,3‰, а 3-0,7‰, а поперечный в месте максимальной осадки - 0,9‰.
Сооружение осуществляют следующим образом.
На участке со слабыми грунтами 5 с двух сторон насыпи 1 устраивают призмы 2, 3 из скального грунта. Дренирующий скальный грунт отсыпают на откосы насыпи, например, из думпкарных вертушек, затем, например, экскаватором и бульдозером формируют призмы. Скальный грунт призм уплотняют послойно с помощью катков или тяжелых машин грузоподъемностью не менее 10 тонн. В результате вдоль насыпи выполнены две призмы 2, 3, масса грунта каждой из которых вдоль насыпи изменяется от максимального значения в месте максимальной осадки 8 основания насыпи до нуля - в месте стабильных грунтов 4.
Сооружение работает следующим образом.
После отсыпки призм 2, 3 слабые грунты 5 их оснований испытывают разное давление как в поперечном направлении, так и в продольном направлении сооружения.
Под действием разного собственного веса водоотжимная 2 и пригрузочная 3 призмы создают с нагорной и подгорной стороны насыпи 1 в слабых грунтах 5 разные давления. Слабые грунты 5 с нагорной стороны испытывают меньшее давление, чем с подгорной стороны, и в них дренирующий скальный грунт водоотжимной призмы 2 проникает на большую глубину, чем дренирующий скальный грунт пригрузочной призмы 3 (Фиг.3а, б). В результате в слабом грунте 5 по всей длине каждой призмы 2, 3 образуется дренирующий слой с поперечным уклоном со стороны пригрузочной 3 призмы в сторону водоотжимной призмы 2.
В продольном направлении давление на слабые грунты 5 под каждой призмой 2, 3 изменяется от максимального значения на участке максимальной осадки 8 насыпи 1 (Фиг.3а) до минимального - на участке стабильных грунтов 4 (Фиг.3б). В результате скальные грунты каждой призмы 2, 3 опускаются в слабые грунты 5 в продольном направлении на разную глубину, формируя уклоны от участка стабильных грунтов 4 в сторону участка максимальной осадки насыпи 8.
В поперечном направлении давление на слабые грунты 5 под каждой призмой 2, 3 изменяется от максимального значения в приподошвенной зоне 7 насыпи (Фиг.4а) до минимального - в приподошвенной зоне каждой призмы 2, 3 (Фиг.4б). Это обусловлено уменьшающейся длиной основания каждой призмы 2, 3 в этом направлении от максимального значения в приподошвенной зоне 7 насыпи до минимального - в приподошвенной зоне каждой призмы. В результате скальные грунты под каждой призмой 2, 3 опускаются в слабые грунты 5 на разную глубину по мере удаления от участка насыпи с максимальной осадкой 8 насыпи в сторону стабильных грунтов 4 и по мере удаления в продольном направлении от участка со стабильными грунтами 4 в сторону максимальной осадки 8.
В итоге в слабых грунтах 5 формируется дренирующее ложе, которое имеет продольный сток и поперечный выпуск на участке максимальной осадки 8 насыпи 1.
Влага с нагорной стороны местности, а также влага в основании насыпи собирается в зоне поперечного выпуска дренирующего ложа и отводится им в пониженную часть рельефа по мере увлажнения насыпи 1. Организация продольного и поперечного стока влаги приводит к увеличению скорости отвода влаги из-под основания земляного сооружения, что приводит к осушению основания насыпи 1 и призм 2, 3 в кратчайшие сроки. При этом грунты основания сооружения упрочняются и стабилизируются.
В процессе стабилизации грунтов основания сооружения глинистые частицы основания насыпи 1 и призм 2, 3, способствующие кольматажу скального грунта призм, оседают в дренажном ложе и принимают участие в упрочении грунтов. После осушения грунтов глинистые частицы оседают в скальные грунты без образования суспензии из-за отсутствия влаги в основании сооружения.
В процессе эксплуатации благодаря возможности постоянного отвода влаги из основания насыпи 1 не происходит кольматажа дренажного ложа, и отвод воды осуществляется в течение всего срока службы сооружения. 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.