СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГРУНТОВ ОТ ЭРОЗИИ
METHOD FOR PROTECTING SOILS FROM EROSION

Изобретение относится к области строительства для укрепления и защиты грунтов в поверхностной части насыпных сооружений, таких как обочины, временные дороги, обваловки трубопроводов, сооружения инженерной защиты и для восстановления или увеличения прочности (повышения несущей способности) слабых грунтов оснований и земляного полотна, а также при рекультивации техногенно-нарушенных поверхностей.
Известен способ закрепления оттаявшего грунта [Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1705500, опубликовано: 15.01.1992], заключающийся в смешении грунта с 2-8%-ным водным раствором поливинилового спирта с последующим замораживанием полученной композиции в течение 3-24 ч.
К недостаткам известного способа можно отнести высокие материальные затраты, связанные с замораживанием смешанного с поливиниловым спиртом грунта и отсутствие технических возможностей замораживания смеси грунта с водным раствором поливинилового спирта при укреплении значительных объемов грунтов.
Противоположным замораживанию известен способ укрепления грунтового материала [описание изобретения к патенту РФ №2324784, опубликовано: 20.05.2008] нагреванием до температуры не выше 150 градусов Цельсия, в качестве наполнителя используют природный грунт, а в качестве вяжущего - поливиниловый спирт в виде 3-5% водного раствора в количестве, равном объему наполнителя в плотном сложении. Образованную после замешивания сырьевую смесь нагревают до температуры не выше 150°С.
К недостаткам известного способа можно отнести высокие энергетические и материальные затраты на прогрев пропитанного водным раствором поливинилового спирта грунта, а также отсутствие технических средств эффективного и равномерного прогрева грунта.
Известен способ укрепления слабых грунтов основания земляного полотна [описание изобретения к патенту РФ №2474651, опубликовано: 10.02.2013] включающий нагнетание в грунт основания земляного полотна через скважины полимерного состава в виде геля (криогеля), при этом полимерный состав нагнетают с двух сторон земляного полотна под углом наклона 20-45° к горизонтальной плоскости так, что образуют упрочняющую опорную систему в виде пространственной решетчатой структуры из грунта, связанного полимерным составом, состоящей из двух соединенных между собой решеток с узлами в местах пересечения элементов решеток. Полимерный состав для осуществления способа включает поливиниловый спирт - структурообразователь, борную кислоту и воду, при этом состав дополнительно содержит базальтовое волокно и/или минеральные добавки при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Поливиниловый спирт - 3,0-10,0
Борная кислота - 0,2-1,0
Базальтовое волокно или минеральные добавки - 0,5-1,0
Вода - остальное.
К недостаткам известного способа можно отнести сложность технологии, связанной с особенностями выполнения скважин и нагнетания криогеля в объем земляного грунта, который в объеме грунта распределяется непредвиденным способом, образуя своеобразную арматурную структуру, практически не влияющую на соединение частиц грунта друг с другом, который при увлажнении и под нагрузкой будет растекаться по сторонам.
Известен наиболее близкий способ защиты грунтов от эрозии и создания зеленого покрытия [описание изобретения к патенту РФ №2496588, В09С 1/00, опубликовано 27.10.2013], включающий обработку грунта водным раствором поливинилового спирта, в который вводят минеральные или органические удобрения, добавляют семена многолетних трав или хвойных растений, смешивают с грунтом, замораживают при отрицательных температурах, затем размораживают при положительных температурах при следующих соотношениях компонентов, мас. %:
- поливиниловый спирт - 0,625-1,25
- грунт - 83-88
- минеральные и/или органические удобрения - 0,03-0,05
- вода – остальное.
К недостаткам известного способа можно отнести высокие материальные и энергетические затраты, связанные с введением в смесь грунта, поливинилового спирта, воды и семян растений, которые ввиду суровых природно-климатических условий Крайнего Севера, небольшой глубины оттаивания грунта в летний период, а также низкой концентрации питательных веществ в грунте имеют низкую всхожесть, что в целом усложняет технологию и приводит к повышенным материальным затратам.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности повышение надежности и упрощение технологии укрепления грунтов, а также снижение материальных и энергетических затрат.
2
Поставленный технический результат достигается использованием сочетания известных, общих с прототипом признаков, включающих пропитку грунта водным раствором поливинилового спирта с последующим перемешиванием пропитанного криогелем грунта при помощи средств механизации и новых признаков, заключающихся в том, что первоначально, путем растворения поливинилового спирта в нагретой до температуры 80-95°С воде, готовят криогель, затем поверхность укрепляемого грунта пропитывают, по меньшей мере, в один цикл криогелем в количестве 8,0-14,0 литров на квадратный метр (л/м), далее перемешивают грунт с криогелем, при этом циклы внесения криогеля на поверхность грунта, его пропитывание и перемешивание осуществляют в период дневного времени года с положительной температурой и ночного времени года с отрицательной температурой окружающего воздуха в диапазоне от +8°С до -10°С.
Количество растворенного в воде поливинилового спирта в приготовленном криогеле выполняют равным 0,2-10,0% от объема нагретой воды.
Новизной предложенного способа является первоначальное приготовление криогеля, путем растворения поливинилового спирта в нагретой воде, последующее нанесение креогеля на поверхность укрепляемого грунта, пропитывание и перемешивание грунта с криогелем, при этом циклы внесения криогеля на поверхность грунта, его пропитывание и перемешивание осуществляют в период времени года с положительной температурой в дневное время и отрицательной температурой в ночное время, при колебании температуры окружающего воздуха в диапазоне: от +8°С днем до -10°С ночью.
Первоначальное приготовление криогеля путем растворения поливинилового спирта в нагретой воде позволяет получить криогель заданной и одинаковой по объему вязкости и заданного содержания в нем поливинилового спирта, со стабильными техническими параметрами, которые необходимы для эффективного укреплении грунтов с различным содержанием в грунте глины, песка, влаги.
2
Осуществление укрепления поверхности грунта, по меньшей мере, в один цикл, с последующим перемешиванием грунта с криогелем, позволяет укреплять грунты слоем требуемой толщины в зависимости от конечных требуемых характеристик, предъявляемым к укрепляемым насыпным поверхностям. Так, при одном цикле подачи криогеля на поверхность грунта в количестве 8,0-14,0 л/м после перемешивания грунта получается укрепленный слой толщиной около 15 см. Неоднократное повторение циклов, например, повторная подача криогеля в том же количестве на уже пропитанный и перемешанный с криогелем грунт и повторное перемешивание на большую глубину, позволяют увеличить толщину укрепляемого слоя грунта до требуемых размеров с требуемыми техническими характеристиками.
Пропитка грунта водным раствором криогеля, в зависимости от гранулометрического состава, водно-физических свойств грунта обрабатываемой поверхности, может выполняться как в один цикл (цикл - внесение криогеля, пропитывание грунта и перемешивание), так и в несколько циклов. При выполнении работ в один цикл осуществляется механическое рыхление грунта на глубину, определяемую исходя из поставленной задачи укрепления грунта (защита насыпи от поверхностной эрозии, или дополнительно повышение ее несущей способности), предпочтительно на глубину не менее 5 см. При пропитке грунта криогелем в несколько циклов выполняется повторное механическое рыхление поверхности на глубину и повторная пропитка, после чего выполняется окончательное выравнивание и уплотнение обработанной поверхности грунта. Все описанные циклы укрепления грунта криогелем осуществляют в период года, характеризующийся положительными днем и отрицательными ночью температурами атмосферного воздуха, для заявляемого способа, предпочтительно, от +8°С до -10°С. Указанный перепад температур позволяет частицам грунта соединиться друг с другом, образуя прочную, неподдающуюся разрушению упругую структуру поверхности грунта.
Согласно патентно-информационного поиска, проведенного в процессе подготовки материалов, сочетания предложенных известных и новых признаков предполагаемого изобретения в патентной и научно-технической литературе - не выявлено, что позволяет отнести признаки к обладающим новизной.
Поскольку предложенное сочетание признаков неизвестно из существующего уровня техники и позволяет получить более высокий технический результат, то сочетание известных и предлагаемых новых существенных признаков можно признать соответствующими критерию -изобретательский уровень.
Описание осуществления предлагаемого способа и проведенные опытные работы позволяют отнести предложенный способ к промышленно выполнимым.
На фиг. 1 представлена схема двукратной (в два цикла) подачи криогеля на поверхность и пропитки грунта, и двукратное после подачи криогеля перемешивание грунта при помощи механических средств.
2
Способ защиты грунтов от эрозии поясняется представленной схемой. На подготовленную поверхность насыпного грунта 1 из опрыскивателя 2 подается предварительно приготовленный криогель, после чего криогель с грунтом перемешивают при помощи механизма перемешивания 3 на глубину «h», образуя обработанный, пропитанный и перемешанный слой 4 грунта. Укрепление насыпного грунта слоем 5 большей толщины, осуществляют путем повторного цикла, выполняемого за первым, путем повторной подачи криогеля на поверхность грунта и их повторное перемешивание. При этом новую порцию криогеля на поверхность уже пропитанного и перемешанного грунта подают исходя из того же расчета в 8,0-14,0 л/м, который вновь перемешивают с грунтом, при этом получают перемешанный и насыщенный криогелем грунт с требуемой толщиной слоя.
Предлагаемый способ осуществляется преимущественно следующим образом:
Для выполнения предлагаемого способа более подходит осенний период времени, когда температура окружающего воздуха колеблется от положительной днем до отрицательной ночью в пределах от +8°С до -10°С.
Для более равномерного внесения криогеля проводится ряд предварительных работ и операций. Укрепляемая поверхность грунта разрыхляется и планируется, засыпаются углубления, сравниваются гребни грунта при помощи средств механизации - грейдеров, экскаваторов, фрез и других приспособлений. Из грунта удаляются камни, древесина, корни и другие крупные включения. Затем приступают к получению криогеля, для чего во внутреннюю емкость водяной бани заливают воду, которую нагревают до температуры 80-95°С. При перемешивании в разогретую воду, частями, не превышающими 10% от расчетного, подают поливиниловый спирт. Для получения криогеля с заданной вязкостью, в зависимости от характеристик почвы, влажности, состояния укрепляемой поверхности, количество подаваемого в воду поливинилового спирта определяют предпочтительно исходя из расчета в 0,2 - 10% от объема воды.
2
2
Приготовленный криогель заливается в емкость механизма опрыскивания 2. При движении механизма опрыскивания 2 криогель в количестве 8,0-12,0 л/м подается на укрепляемый грунт непосредственно перед механизмом перемешивания 3 путем опрыскивания или наливом. В результате пропитывания криогелем и перемешивания получается слой грунта толщиной в 5-15 см. При необходимости увеличения толщины укрепляемого слоя грунта, последовательно проводится второй цикл подачи криогеля на обработанную поверхность грунта, также с последующим перемешиванием. Даже при минимальной подаче криогеля на поверхность грунта в количестве 8,0 л/м удается получить укрепленный от эрозии слой грунта меньшей толщины.
После процесса обработки заявляемым способом целесообразно осуществлять контроль толщины укрепляемого слоя, например, путем шурфования через каждые пять-шесть метров.
Пример осуществления предлагаемого способа.
2
3
В сентябре 2020 года на территории предприятия заявителя было осуществлено укрепление песчано-глинистого грунта горизонтально расположенного полотна обочины дороги площадью в 450 м. Укрепление было произведено при температуре окружающего воздуха, днем до +7°С, а ночью до -8°С. Укрепляемая поверхность грунта разрыхлялась и планировалась, грейдером были засыпаны углубления, выровнены гребни грунта. Из обрабатываемого грунта были удалены камни, древесина и другие крупные включения. После подготовки участка грунта приступили к приготовлению криогеля. Для приготовления криогеля во внутреннюю емкость водяной бани залили воду, которую нагрели до температуры около 80-95°С. В разогретую воду частями, примерно по 10% от расчетного, подавали поливиниловый спирт, при этом осуществляли постоянное перемешивание смеси. Количество подаваемого в воду поливинилового спирта определяли исходя из расчета в 0,2 - 10% от объема воды. Поскольку грунт песчаный, с влажностью 84% было принято решение получить криогель с вязкостью 1,48 см/г, с количеством в 2,0% от объема воды подаваемого в воду поливинилового спирта.
2
Приготовленный криогель залили в емкость механизма опрыскивания и перемешивания, смонтированного на базе самоходного транспортного средства. После внесения криогеля и последующего перемешивания получили слой грунта толщиной 15 см. Для увеличения толщины укрепляемого слоя грунта до 25 см. провели второй цикл подачи криогеля на обработанную поверхность грунта с последующим их перемешиванием. При этом криогель подавали на поверхность грунта в количестве 9 л/м. В течение недели, при колебаниях температуры, оказывающей влияние на заморозку и оттаивание приготовленного грунта, на поверхности получили прочный упругий слой грунта, способного нести требуемую нагрузку и предотвращающего его эрозию. Последующее и окончательное укрепление обработанного грунта произойдет в течение осенних и весенних перепадов температуры окружающего воздуха.
В настоящее время на предприятии выполнен ряд опытных работ по укреплению грунтовых полотен дорог, обочин, обваловки трубопроводов, которые при проведении предварительных испытаний показали положительные результаты. Было установлено, что заявляемый способ не требует дополнительных действий по ускорению процесса структурирования обработанной поверхности грунта. Экспериментально было установлено, что достаточно 5 циклов замораживания-оттаивания в осенний период, при положительной днем и отрицательной (заморозки) ночью температуры окружающего воздуха для формирования упругого слоя, а полный набор прочности наступает после прохождения одного зимнего сезона.