СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ СЛАБЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И СОСТАВ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF STABILISING SOFT GROUND OF ROAD BED AND COMPOSITION TO THIS END

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано для восстановления или увеличения прочности слабых грунтов основания земляного полотна или земляного полотна железных и автомобильных дорог на участках распространения грунтов, деформирующихся и дающих неравномерную осадку под воздействием нагрузок, в т.ч. под воздействием сильной обводненности грунтов.
Известен способ укрепления основания земляного полотна на вечномерзлых грунтах, включающий разрушение сильнольдистых фрагментов высокоскоростными жидкими струями, например через скважины, удаление разрушенного льдистого грунта и замещение его талым грунтом в виде пульпы высокой консистенции, т.е. на месте удаленного грунта создают песчаные сваи.
В этом же патенте описан состав для осуществления способа, в качестве которого используют талый грунт, например песок, в который, при необходимости, добавляют цемент (патент РФ №2074928, МПК E02D 17/20, опубл. 10.03.1997).
Известен также способ ремонта железнодорожного земляного полотна, по которому изготавливают дренажные скважины, после чего между ними или с противоположной стороны погружают инъектор, производят принудительное удаление накопленной воды по дренажным скважинам путем одновременного нагнетания через инъектор твердеющего раствора.
В этом же патенте в качестве твердеющего раствора используют цементно-глинистые, цементно-песчаные растворы либо органические вяжущие материалы (патент РФ №2277616, МПК E02D 3/12, опубл. 20.01.2006).
Общим недостатком описанных способов и составов для их осуществления является то, что создаваемые жесткие конструкции под действием постоянных динамических нагрузок, а также под действием воды подвержены деформации, что вызывает просадку земляного полотна, кроме того, песчано-цементные растворы под действием грунтовых вод размываются, не успевают схватываться и выносятся из тела земляного полотна.
Вода одинаково отрицательно действует как на грунтовый материал полотна гидросооружения, так и на грунтовый материал земляного полотна дороги, размывая, разупрочняя его, что вызывает его расползание.
Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому является способ изготовления сплошных водонепроницаемых экранов, обладающих структурной прочностью, в низкотемпературных грунтовых материалах гидротехнических сооружений, включающий нагнетание под давлением, меньшим давления гидроразрыва грунтового материала, полимерного состава, способного образовывать гель при положительных температурах и криогель в процессах замораживания-размораживания.
В этом же патенте описан состав для осуществления способа, включающий поливиниловый спирт - структурообразователь, воду и борную кислоту при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Поливиниловый спирт
3,0-10,0
Борная кислота
0,2-1,0
Вода
остальное.
При создании сплошного водонепроницаемого экрана требуются значительные материальные вложения. Используемый полимерный состав дает недостаточную структурную прочность.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа увеличения прочности слабых грунтов основания земляного полотна железных и автомобильных дорог на обводненных участках, где грунты дают неравномерную осадку и деформируются под воздействием нагрузок.
Технический результат - предотвращение деформаций земляного полотна в виде просадок основной площадки и расползания откосов насыпей путем повышения прочности грунтов основания земляного полотна, а также создание состава с улучшенными структурно-механическими свойствами для осуществления способа при сокращении материальных затрат на укрепление земляного полотна.
Технический результат достигается за счет того, что в способе укрепления слабых грунтов основания земляного полотна, включающем нагнетание в грунт основания земляного полотна через скважины полимерного состава в виде геля (криогеля), полимерный состав нагнетают с двух сторон земляного полотна так, что образуют упрочняющую опорную систему в виде пространственной решетчатой структуры из грунта, связанного полимерным составом, а полимерный состав для осуществления способа, включающий поливиниловый спирт - структурообразователь, борную кислоту и воду, дополнительно содержит базальтовое волокно и/или минеральные добавки при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Поливиниловый спирт
3,0-10%
Борная кислота
0,2-1%
Базальтовое волокно
и/или минеральные добавки
0,5-1%
Вода
остальное.
Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, полимерный состав нагнетают с двух сторон земляного полотна так, что образуют упрочняющую опорную систему в виде пространственной решетчатой структуры из грунта, связанного полимерным составом.
Полимерный состав, нагнетаемый в грунт, на первом этапе образует гель, затем при отрицательных температурах гель преобразуется в криогель с высокой прочностью, водонепроницаемостью, упругостью и хорошей адгезией к породе. Повторение циклов «замораживания - оттаивания» улучшает физико-механические свойства грунта - увеличивается его прочность, при этом упругость сохраняется. Криогель является эффективным укрепляющим средством, значительно снижающим фильтрацию воды в пористой среде, т.к. криогель не растворяется в воде, и повышающим прочностные свойства грунтовых материалов. Криогель можно готовить непосредственно на промышленном объекте и закачивать в скважины с использованием стандартной техники.
При создании предлагаемого способа укрепления слабых грунтов основания земляного полотна железных и автомобильных дорог в первую очередь использовались укрепляющие свойства криогеля, его высокая упругость. Повышение водонепроницаемости грунта служит в данном случае дополнительным положительным эффектом.
Нагнетание полимерного состава в грунтовый материал основания земляного полотна с двух сторон через скважины, пробуренные наклонно, например, под углом 20°-45° к горизонтальной плоскости, позволяет создать упрочняющую опорную систему в виде пространственных решеток: правосторонней и левосторонней, при этом элементами решетки являются цилиндры упрочненного криогелем грунта. По всей длине укрепляемого участка цилиндр упрочненного грунта пересекается с другими цилиндрами упрочненного грунта. В местах пересечения образуются узлы решетки, придающие ей пространственную прочность и устойчивость. Правая и левая решетки соединяются в средней части основания земляного полотна. Такое соединение решеток в упругую пространственную структуру дает возможность значительно увеличить общую прочность системы, позволяет воспринимать динамические нагрузки от движущегося транспорта, равномерно их распределять и передавать на лежащие ниже слои грунта, тем самым исключать неравномерную осадку дорожного полотна, предотвращая его расползание.
Выполнение упрочняющей опорной системы в виде решетчатой конструкции, а не сплошной плиты позволяет значительно экономить материальные ресурсы.
Отличительные признаки предлагаемого полимерного состава заключаются в том, что полимерный состав дополнительно содержит базальтовое волокно и/или минеральные добавки при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Поливиниловый спирт
3,0-10%
Борная кислота
0,2-1%
Базальтовое волокно
/или минеральные добавки
0,5-1%
Вода
остальное.
Дополнительное использование базальтового волокна или минеральных добавок, например гранитного мелкодисперсного порошка, или их совместное использование позволяет улучшить структурно-механические свойства состава, т.к., являясь наполнителями, указанные добавки ускоряют структурирование криогеля и повышают его упрочняющие свойства, особенно это важно для закрепления грунтового материала с высоким поглощением.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен поперечный разрез земляного полотна двухпутной железной дороги, в основание которого через пробуренные скважины производится нагнетание полимерного состава.
На фиг.2 изображен вид сверху опорной системы - пространственной решетки, состоящей из цилиндров упрочненного криогелем грунта.
Способ осуществляется следующим образом.
Экспериментальные работы проводились на участке железной дороги, основание земляного полотна на котором, в результате сильного обводнения, дает постоянную осадку, которая приводит к деформации самого земляного полотна и верхнего строения пути.
Осуществляется, например, колонковое бурение или другие известные способы бурения скважин, через которые в дальнейшем будет производиться нагнетание полимерного состава с углами наклона к горизонтальной плоскости 20-45°. Это позволяет установить буровое оборудование на безопасное расстояние от железнодорожного пути и обеспечить возможность ведения работ без перерыва для пропуска поездов.
Скважины 1 (фиг.1) бурят с двух сторон земляного полотна 2, со стороны четного и нечетного железнодорожного пути навстречу друг другу. Длина скважины рассчитывается из условия, что она заканчивается в середине междупутья и концы скважин, пробуренных с разных сторон железнодорожного пути, должны пересекаться или, по крайней мере, сходиться.
В процессе бурения в скважину вставляется полимерная перфорированная обсадная труба 3, через которую нагнетается под давлением полимерный состав, образующий с укрепляемым грунтом цилиндры 4. Как вариант, можно рассмотреть и другие известные способы закачивания полимерного состава, например, через полые штанги колонкового бура, при этом необходимо первые секции таких штанг сделать с перфорацией.
Пары скважин пробуриваются из одной точки (фиг.2) вправо и влево под углом, например 45°, к оси железнодорожного пути на расстоянии друг от друга, например 4 м. Выбор расстояния между скважинами определяется необходимостью обеспечить равномерное распределение нагнетаемого полимерного состава под всей укрепляемой площадкой полотна железнодорожного пути, от середины междупутья до обочины балластной призмы. В результате создается пространственная конструкция, состоящая из двух решеток 5, правой и левой, со стороны четного и нечетного железнодорожного пути. Элементами решетки являются цилиндры 4 упрочненного криогелем грунта, перекрещивающиеся друг с другом под прямым углом. Диаметр цилиндров 1,0-1,5 м, т.к. экспериментально определено, что полимерный состав под давлением распространяется в грунте на 0,5-07 м. По всей длине укрепляемого участка цилиндр упрочненного криогелем грунта в трех местах пересекается с другими цилиндрами. В местах пересечения образуются узлы решетки 6, придающие ей пространственную прочность и устойчивость. Правая и левая плоские решетки соединяются между собой в зоне середины междупутья, в эксперименте на глубине 3-х метров. Каждая из грунтовых решеток воспринимает нагрузки от подвижного состава, движущегося по соответствующему пути. Соединение решеток в пространственную конструкцию в месте их стыкования позволяет значительно увеличить общую прочность системы и создает условия устойчивости земляного полотна от расползания.
3
Полимерный состав, содержащий 5% поливинилового спирта, 1% борной кислоты и 1% наполнителя, например базальтовое волокно, готовится следующим образом: в воду объемом 700-710 литров температурой 90-95°C при постоянном перемешивании помещают 7,5 кг борной кислоты, затем 40 кг поливинилового спирта, добавляют 7,5 кг базальтового волокна, перемешивают в течение 3-5 часов до получения однородного раствора. Полученный раствор в количестве, примерно, 750 литров имеет плотность 1,0-1,5 кг/м и вязкостью 40-60 мПа·с.
Эксперименты показали, что прочность основания земляного полотна при создании упрочняющей опорной системы в виде пространственной решетчатой структуры повысилась в 2 раза. Экономия материальных ресурсов на данном участке работы составила 500 тыс. руб. на 100 погонный метров, т.е. уменьшена в 2,5 раза по сравнению с созданием сплошной упрочняющей опорной системы.