СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ОСНОВАНИЯ, СЛОЖЕННОГО СЛАБЫМИ ГРУНТАМИ, ДЛЯ ВОЗВЕДЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
METHOD OF ENHANCING NATURAL BASE FORMED BY WEAK SOILS FOR ROAD BED ERECTION

Изобретение относится к дорожному строительству, а точнее, касается способа усиления природного основания, сложенного слабыми грунтами, на значительную глубину (от 3 метров) для последующего возведения земляного полотна автомобильных дорог. Способ может быть использован также при возведении земляного полотна железных дорог, сооружении дамб, плотин и т.п.
Известны способы сооружения земляного полотна на основании, сложенном слабыми грунтами, путем устройства свайного поля из бетонных или цементогрунтовых жестких свай (Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах - М., Информавтодор, 2004, с. 77-89 [1]), гибких одновременно дренирующих свай с дополнительным вертикальным дренированием ленточными геодренами (способ возведения земляного сооружения на слабых природных основаниях по патенту RU 2337205 С1, Е01С 3/06, 18.01.2007).
Известные способы имеют недостатки, проявляющиеся в возможных неравномерных деформациях ввиду наличия в межсвайном пространстве слабых грунтов, что только частично компенсируется требующим дорогостоящих затрат свайным ростверком, а также ввиду возможной нестабильности прочности и поперечных размеров создаваемых на месте производства работ свай.
Кроме того, известные способы предполагают использование тяжелых железобетонных конструкций или различных видов специальной техники, в том числе техники для выполнения дорогостоящих буровых работ.
Наиболее близким является известный способ усиления природного основания, сложенного слабыми грунтами (Международный стандарт EN 14679:2005-7 "Execution of special geotechnical works - Deep mixing" [2], Правила проектирования "EuroSoilStab" СТ97-0351 [3]), предусматривающий укрепление слабых грунтов механическим смешиванием с укрепляющими материалами (вяжущими - известь, цемент, активными - золы, шлаки, инертными - слабоактивные золы, шлаки, песок) и введение вяжущих под давлением, причем укрепляется весь массив слабого грунта в пределах ширины земляного полотна на ограниченную глубину (до 5 метров). Однако такой способ усиления не всегда является достаточным для обеспечения требуемой устойчивости и степени консолидации слабых грунтов при воздействии нагрузок от веса насыпи и транспортных средств и не является оптимальным, поскольку распределение напряжений в толще слабого грунта неравномерно. Это не позволяет гарантировать надежное функционирование автомобильной дороги, приводит к дополнительным материальным затратам.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в реализации способа усиления, отвечающая современным требованиям по надежности, удобству устройства и ресурсосбережению.
Поставленные задачи решаются за счет того, что основание земляного полотна, сложенное слабыми грунтами, усиливается укреплением массива слабых грунтов механическим смешиванием с укрепляющими материалами, в том числе с вносимыми под давлением вяжущими материалами, причем укрепление выполняют на переменную глубину и ширину, связанную с расчетно устанавливаемыми зонами наибольшего ослабления основания, вызванного наихудшим сочетанием действующих напряжений в толще основания и показателей механических свойств слабых грунтов, слагающих основание (зоны низкой устойчивости в основании).
В случае, когда слабые грунты относятся к органическим (торф и др.), предпочтительно в качестве одной из составляющих укрепляющих материалов использовать местный связный некондиционный (переувлажненный) глинистый грунт.
При значительной глубине слабой толщи, когда технические возможности оборудования, применяемого для реализации способа, недостаточны для укрепления толщи на требуемую глубину, укрепление выполняют в два этапа, удаляя на первом этапе укрепленный, но не набравший прочность грунт, для его последующего использования при послойном с уплотнением возведении земляного полотна на первом этапе и укрепляя на втором этапе слабый грунт основания ниже уровня подошвы слоя укрепленного грунта.
В случае, когда удаление укрепленного слабого грунта затруднено, вследствие сложных грунтовых и гидрологических условий (наличие грунтов текучей консистенции, близкий к поверхности или совпадающий с поверхностью основания уровень грунтовых вод и т.п.), слабый грунт предварительно укрепляют в зонах, примыкающих к подошве земляного полотна, а удаление укрепленного грунта и последующее укрепление грунта между зонами выполняют после достижения расположенным в них укрепленным грунтом требуемой прочности.
Достигаемый технический результат заключается в оптимальном с позиций надежности регулировании глубины, ширины укрепления, этапности укрепления и его выполнении только в части массива, в зонах наибольшего ослабления основания без ограничения глубины укрепления техническими возможностями оборудования, чем обеспечивается сокращение расхода привозимых укрепляющих материалов, повышение удобства устройства (применение однотипного оборудования, сокращение сроков устройства).
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующим материалом частного случая выполнения.
На фиг. 1 - общая схема технологии, применяемой для реализации способа.
На фиг. 2 - примеры поперечных разрезов земляного полотна и слабого основания.
При реализации способа применяется следующая технология (фиг. 1). Слабый грунт основания 1 механически смешивается с укрепляющими материалами, вид и количество которых подбирается в зависимости от требуемой прочности, вида и состояния слабого грунта, с помощью смесителя 2, обеспечивающего одновременно подачу вяжущего (цемент, известь и др.) под давлением и размещенным в качестве навесного оборудования на базовой машине 3 (например, экскаватор на гусеничном ходу), вяжущее подается под давлением питателем 4, причем работы по укреплению выполняются по способу «от себя», то есть базовая машина и питатель расположены на нижнем слое устраиваемого земляного полотна 5, над которым на поверхности слабого грунта 6 при необходимости размещена разделяющая и армирующая прослойка из геосинтетического материала 7, а укрепление ведется в направлении 8 («от себя»).
ст
При реализации способа предварительно выполняют расчетную оценку устойчивости и прогноз осадки насыпи на слабом основании в соответствии с разделом 3 Пособия [1], устанавливая зоны 9 наибольшего ослабления основания, сложенного слабыми грунтами 10, вызванного наихудшим сочетанием действующих напряжений в толще основания от веса земляного полотна 11, нагрузки 12, эквивалентной транспортной, и показателей механических свойств слабых грунтов. Точки наибольшего ослабления в толще слабого грунта выделяют по рассчитываемому коэффициенту стабильности К, значения которого 13 наносят на поперечный профиль основания, после чего выделяют контур зоны наибольшего ослабления 14, охватывающего точки с коэффициентом стабильности ниже требуемого значения. Усиление выполняют в пределах выполненного контура 14, переменного по глубине и ширине, без выполнения излишнего объема работ по укреплению вне пределов контура и, в то же время, обеспечивая при необходимости, как показано на фиг. 2, укрепления слабого грунта за пределами земляного полотна, что повышает надежность усиления слабого основания.
Как следует из результатов экспериментальных исследований [3], наихудшие результаты с позиций увеличения прочности слагающих основание грунтов при одном расходе вяжущего достигается при укреплении органических грунтов, наилучшие - при укреплении связных глинистых грунтов. Вследствие этого для сокращения расхода вяжущего при сохранении прочности укрепленного грунта может быть использован местный некондиционный (переувлажненный) грунт. Такой местный грунт часто имеется на объекте строительства, вследствие, например, необходимости разработки выемок и невозможности использования его в насыпях (влажность грунта превышает допустимую). В этом случае такой грунт подлежит утилизации (вывозу за пределы объекта строительства с последующей выгрузкой и разравниванием на установленной площадке утилизации), что усложняет технологию производства работ и приводит к дополнительным затратам. Некондиционный связный глинистый грунт может в этом случае выгружаться непосредственно на основание и перемешиваться смесителем со слабым органическим грунтом основания.
в
В случае, когда технические возможности оборудования не обеспечивают требуемую глубину укрепления толщи слабого грунта, укрепление выполняют на возможную глубину h (фиг. 2), укрепленный, но не сформировавшийся (не набравший прочность) грунт 15 перемещают в насыпь с послойной укладкой, уплотнением и формированием нижней ее части на первом этапе, укреплением слабого грунта ниже уровня подошвы 16 слоя удаленного грунта на втором этапе. Простое удаление слабого грунта с его заменой потребовало бы усложнения технологии и дополнительных затрат, вследствие необходимости утилизации слабого грунта.
В случае, когда удаление укрепленного слабого грунта по фиг. 3 затруднено, вследствие наличия грунтов текучей консистенции, обводнения участка строительства, слабый грунт предварительно укрепляют в зонах 17, примыкающих к подошве земляного полотна 11, а укрепление укрепленного грунта 15 и укрепление слабого грунта ниже подошвы насыпи 16 выполняют после достижения расположенным в зонах 17 слабым грунтом требуемой прочности. Предварительным укреплением грунта в зонах 17 создается удобство выполнения работ в особо неблагоприятных грунтовых и гидрологических условиях, поскольку укрепленный в зонах 17 грунт препятствует растеканию слабого грунта 10 в зону расположения укрепленного и укрепляемого грунта 15.
Переменное по ширине и глубине укрепление слабого грунта позволяет оптимизировать геометрические параметры укрепления на основе их совмещения с зонами наибольшего ослабления грунта без выполнения излишних объемов работ вне этих зон при выполнении работ по укреплению вне ширины земляного полотна при необходимости, если расчетно обосновано наличие зон ослабления за пределами подошвы земляного полотна. Это позволяет повысить устойчивость земляного полотна при оптимальном расходовании ресурсов.
Ввод в число укрепляющих материалов местных связных некондиционных грунтов при укреплении органических слабых грунтов приводит к сокращению расхода вяжущих материалов, сокращению затрат на утилизацию местного глинистого грунта, повышению удобства работ по строительству.
Введение этапности выполнения работ с предварительным укреплением слабого грунта, его перемещением до формирования (до набора прочности) в нижнюю часть насыпи, позволяет повысить надежность самого земляного полотна за счет формирования нижней части из грунта высокой прочности и в то же время позволяет не ограничивать технические возможности способа в части глубины укрепления техническими возможностями применяемого для реализации способов оборудования.