ЗЕМЛЯНОЕ СООРУЖЕНИЕ НА СЛАБОМ ОСНОВАНИИ
GROUND STRUCTURE ON WEAK BASE

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве и реконструкции линейных сооружений на бессточных локальных и протяженных участках слабых грунтов, на болотах 2-го и 3-го типов и вечномерзлых грунтах 3-й и 4-й категорий термопросадочности (железных и автомобильных дорог, магистральных трубопроводов, плотин и дамб и другое).
Основная причина потери несущей способности сооружений в этих условиях связана с деформациями, которые происходят на основаниях из слабых грунтов в результате осадок, вызванных их разуплотнением и выдавливанием текучепластичных водонасыщенных грунтов (торфяных, лессовых, илов и т.д.). Деформации происходят под воздействием подвижной нагрузки и веса насыпи самих линейных сооружений, как в поперечном, так и продольном направлениях.
При увеличении конструктивных параметров сооружений и росте грузонапряженности дорог вибродинамическое воздействие на их основания увеличивается, и соответственно возрастают деформационные явления в грунтах.
Все это приводит к увеличению осадок линейных насыпных сооружений, которые продолжаются в течение всего срока эксплуатации объектов.
Общеизвестно, что стабильность земляного сооружения обеспечивается путем армирования грунтов основания.
Известно земляное сооружение на слабом основании, используемое на протяженных участках просадочных грунтов [АС РФ 1330249, бюл. №30, 15.08.87. С.Л. Топчий, Земляное сооружение на слабом основании].
Земляное сооружение представляет собой насыпь, сооруженную на слабом основании, которое выполнено армированным. Армирование осуществлено с помощью армирующих систем, количество которых определяется для каждого основания расчетным путем. Каждая армирующая система представляет собой высокопрочные канаты с крупнообъемными элементами на их концах. В качестве крупнообъемных элементов использованы крупногабаритные блоки или глыбы рваного камня, которые попарно скреплены высокопрочными канатами. Канаты размещены поперечными ярусами в основании насыпи. Каждая армирующая система размещена по длине насыпи с расчетными интервалами.
При строительстве земляного сооружения перед отсыпкой в слабое основание с пионерной насыпи в расчетных створах затоплены высокопрочные канаты, например, с крупногабаритными блоками. Затопление блоков происходит под действием собственного веса. При этом канаты занимают в каждом ярусе выпуклое положение. Под действием веса отсыпаемой насыпи армирующие канаты стремятся перейти в горизонтальное положение и находятся в напряженном состоянии. Отпорные реакции армирующих канатов направлены вертикально вверх и компенсируют нагрузку на основание, а. крупногабаритные блоки гасят деформации выпора слабых масс грунта, воспринимая статическую нагрузку и боковые подвижки грунта. В результате напряжение, которое испытывает армирующая система, оказывает сопротивление процессу развития осадок грунта. При этом уменьшаются выдавливающие силы (от веса насыпи и подвижной вибродинамической нагрузки) на слабые грунты основания и, соответственно, уменьшается их осадка и замедляется осадка самого сооружения.
Достоинством известного земляного сооружения является обеспечение достаточной его надежности на протяженных участках слабого основания при постоянном воздействии на него статической нагрузки, достигаемое благодаря устранению осадок слабых грунтов основания за счет армирования слабых грунтов сооружения.
Недостатком такого сооружения является низкая надежность слабого основания при дополнительном воздействии вибродинамической нагрузки, приводящая к продолжающемуся развитию осадок в процессе эксплуатации.
Это обусловлено тем, что в межармированных зонах между армирующими системами под действием вибродинамической нагрузки происходит «разжижжение» слабых грунтов и их выпор в приподошвенные зоны. При этом реакции отпора каждой армирующей системы в продольном сечении по всей длине насыпи распределяются не равномерно, что связано с различной мощностью толщи слабого основания по ее длине. Неравномерное распределение реакций каждой армирующей системы приводит к возникновению и развитию осадок различных по величине в пределах всей насыпи, что приводит к искажению пути в продольном профиле.
В поперечном сечении насыпи армированные слабые грунты основания также воспринимают различную по величине нагрузку от максимума под центральной частью насыпи до минимума - в откосной части.
Таким образом, вибродинамическая нагрузка вызывает в армирующей системе различные по величине реакции как в продольном, так и в поперечном сечении сооружения. Оба протекающих в слабых грунтах явления вызывают осадки земляного сооружения, которые продолжаются в течение всего срока его эксплуатации. Наличие осадок приводит к потере надежности земляного сооружения. Долговечность такого сооружения составляет не более 3-5 лет.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является земляное сооружение на слабом основании, используемое на непротяженных участках просадочных грунтов [Свидетельство на полезную модель РФ №22157, автор Жданова С.М.; Земляное сооружение на слабом основании; опубл. 20.08.2001].
Земляное сооружение представляет собой насыпь, сооруженную на слабом основании, траншеи, выполненные с обеих ее сторон, и армирующую систему.
Каждая траншея выполнена переменного сечения, уменьшающегося от максимума в прочных грунтах до минимума на участке наибольшей осадки, при этом крайние участки каждой траншеи расположены на прочных грунтах, а продольный уклон по дну траншей составляет не менее 0,003.
3
Армирующая система в поперечном сечении имеет вид подковообразной удерживающей обоймы со сводом и опорами и выполнена из полотнищ синтетического нетканого материала (СНМ). Полотнища СНМ уложены по контуру насыпи в поперечном и продольном направлении, охватывая верхнюю часть насыпи и поверхность траншей в основании откосов. Полотнища СНМ в траншеях заполнены скальным грунтом с объемным весом от 1,9 до 2,7 Т/м, образуя опоры подковообразной удерживающей обоймы в продольном направлении с обеих сторон насыпи. Опоры удерживающей обоймы принимают форму траншей, и их периметр изменяется по длине от максимума в прочных грунтах до минимума на участке наибольшей осадки. Выполненная таким образом подковообразная удерживающая обойма сводом охватывает грунты верхней части насыпи и опорами охватывает слабые грунты основания в траншеях, образуя арку.
Устройство работает следующим образом.
Под действием веса насыпи и вибродинамической нагрузки свод подковообразной удерживающей обоймы стремится переместиться в слабые грунты основания. При этом полотнища подковообразной удерживающей обоймы натягиваются, стремясь переместить опоры арки из слабых грунтов вверх и развернуть в сторону от продольной оси сооружения. Однако жесткое закрепление концов каждой опоры удерживающей обоймы в прочном основании препятствует этому перемещению, что приводит к сохранению первоначального положения опор удерживающей обоймы в слабых грунтах. При этом влага слабых грунтов, поступившая в опоры удерживающей обоймы, стекает в сторону прочных грунтов, осушая слабые грунты основания под насыпью. Обезвоживание слабых грунтов основания приводит к их упрочнению. Устройство работает в каждом поперечном сечении как поперечная арка.
Кроме того, удерживающая обойма с опорами, изменяющимися по длине периметра, работает как продольная арка. Благодаря упорным призмам полотна СНМ всегда находятся в натяжении. Натяжение СНМ под действием вибродинамической нагрузки приводит к перераспределению сосредоточенной нагрузки по поперечному сечению сооружения и, соответственно, к уменьшению ее в среднем сечении, на участке максимальной осадки. Это приводит к обеспечению равномерной реакции сооружения на вибродинамическую нагрузку как в продольном, так и в поперечном сечении и, как следствие, к исключению осадок слабых грунтов основания от сосредоточенной нагрузки..
Оба фактора (обезвоживание слабых грунтов основания и исключение в них осадок от сосредоточенной нагрузки) способствуют повышению надежности и долговечности земляного сооружения, которое составляет 5-7 лет, что является достоинством известного земляного сооружения. Эти достоинства проявляются в теле насыпи только на непротяженных участках.
Недостаток известного земляного сооружения на слабом основании заключается в потере его надежности в процессе постоянной эксплуатации, что обусловлено прекращением осушения слабых грунтов основания земляного сооружения и возникновением осадок слабых грунтов основания. С течением времени от воздействия возрастающей нагрузки, траншея деформируется (преимущественно в зоне ее минимального сечения), что приводит к заиливанию грунта опор удерживающей обоймы и, соответственно, к прекращению отвода воды из слабых грунтов основания насыпи. Влага в слабых грунтах основания сохраняется, что приводит к их осадкам и, как следствие, к деформациям опор и осадке сооружения.
Другим недостатком известного земляного сооружении на слабом основании является ограниченность его применения только на непротяженных участках слабых грунтов, что обусловлено сложностью учета различных величин осадок слабых грунтов основания, имеющихся на протяженных участках слабых грунтов, и создания продольного уклона для отвода воды глубокими траншеями.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке земляного сооружения на слабом основании, обеспечивающего сохранение его надежности и долговечности в процессе постоянной эксплуатации без осушения слабых грунтов на участке любой протяженности.
Для решения поставленной задачи в земляном сооружении на слабом основании, содержащим насыпь, траншеи, выполненные с ее обеих сторон, и армирующую систему в виде подковообразной удерживающей обоймы со сводом и с опорами, причем удерживающая обойма выполнена в поперечном и продольном направлении земляного сооружения из полотнищ СНМ, уложенных в насыпи и в траншеях, полотнища СНМ в траншеях заполнены грунтом, образуя опоры подковообразной удерживающей обоймы, удерживающая обойма выполнена в виде замкнутой оболочки, ее свод расположен в теле насыпи и заполнен грунтом, при этом объемный вес грунта в подковообразной удерживающей обойме превышает объемный вес грунтов насыпи.
Земляное сооружение на слабом основании, содержащее насыпь, траншеи, выполненные с ее обеих сторон, и армирующую систему в виде подковообразной удерживающей обоймы со сводом и с опорами, причем удерживающая обойма выполнена в поперечном и продольном направлении земляного сооружения из полотнищ СНМ, уложенных в насыпи и в траншеях, полотнища СНМ в траншеях заполнены грунтом, образуя опоры подковообразной удерживающей обоймы, отличающееся тем, что удерживающая обойма выполнена в виде замкнутой оболочки, ее свод расположен в теле насыпи и заполнен грунтом, при этом объемный вес грунта в подковообразной удерживающей обойме превышает объемный вес грунтов насыпи.
Заявляемое решение отличается от прототипа тем, что подковообразная удерживающая обойма выполнена в виде замкнутой оболочки, ее свод расположен в теле насыпи и заполнен грунтом, при этом объемный вес грунта в подковообразной удерживающей обоймы превышает объемный вес грунтов основания. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Благодаря выполнению подковообразной удерживающей обоймы в виде замкнутой оболочки, расположению ее свода в теле насыпи и заполнению свода грунтом, с объемным весом превышающим объемный вес грунтов основания, надежность и долговечность земляного сооружения сохраняется без осушения в процессе постоянной эксплуатации на участках любой протяженности.
Это обусловлено тем, что опоры подковообразной удерживающей обоймы, притопленные в слабом грунте, имеют возможность смещаться под действием нагрузки. При этом смещение опор подковообразной удерживающей обоймы в силу большего объемного веса скального грунта в опорах, по сравнению с объемным весом грунта насыпи, происходит во внутреннюю часть удерживающей обоймы с образованием «клещей», которые охватывают грунты нижней части насыпи и слабые грунты основания, сохраняют постоянный объем внутри удерживающей обоймы. Сохранение постоянного объема внутри удерживающей обоймы приводит к тому, что влага, имеющаяся в этом объеме остается в нем, и не поступает в приподошвенные зоны даже под действием нагрузки. Слабые грунты приподошвенных зон сохраняют первоначальное состояние в период длительной эксплуатации. Отсутствие пластического выдавливания слабых грунтов под нагрузкой за пределы удерживающей обоймы позволяет сохранять стабильность и надежность земляного сооружения в период длительной эксплуатации без возникновения и развития деформаций. При этом такая конструкция сохраняет надежность земляного сооружения без осушения слабых грунтов.
Выполнение подковообразной удерживающей обоймы с возможностью нахождения ее опор в слабом грунте в «подвешенном состоянии» без закрепления их на прочных грунтах позволяет использовать заявляемое решение на слабых грунтах любой протяженности.
Причинно-следственная связь «Выполнение подковообразной удерживающей обоймы в виде замкнутой оболочки, расположение ее свода в теле насыпи и заполнение свода грунтом, с объемным весом превышающим объемный вес грунтов основания, приводит к обеспечению надежности земляного сооружения в процессе длительной эксплуатации без осушения на участках любой протяженности», не обнаружена в известных источниках информации и явным образом не следует из уровня техники. Наличие новой причинно-следственной связи свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На чертеже представлено поперечное сечение земляного сооружения на слабом основании, подтверждающее его работоспособность и «промышленную применимость».
3
Земляное сооружение представляет собой насыпь 1, сооруженную на слабом основании 2, например, с объемным весом грунтов 0,9-1,3 Т/м, армирующую систему в виде подковообразной удерживающей обоймы 3 и траншеи 4.
3
Каждая траншея 4 выполнена в слабых грунтах основания 2 с объемным весом грунтов 0,9-1,3 Т/м насыпи 1 с обеих ее сторон и имеет постоянное сечение.
Армирующая система представляет собой подковообразную удерживающую обойму 3 со сводом 5 и опорами 6.
3
Подковообразная удерживающая обойма 3 выполнена в виде замкнутой оболочки из полотнищ синтетического нетканого материала 7 (СНМ), расположенных в поперечном и продольном направлении земляного сооружения. Замкнутая оболочка подковообразной удерживающей обоймы 3 заполнена скальным грунтом, объемный вес которого превышает объемный вес грунтов насыпи и составляет от 1,9 до 2,7 Т/м.
Свод 5 подковообразной удерживающей обоймы 3 расположен в теле насыпи 1, а ее опоры 6 - в траншеях 4. При этом опоры 6 удерживающей обоймы 3 принимают постоянную форму траншей 4 и их периметр не изменяется по длине.
3
3
Выполненная таким образом подковообразная удерживающая обойма 3 приобретает форму арки, опоры 6, которой «притоплены» в слабом грунте 2 с объемным весом от 0,9-1,3 Т/м, и которая сводом 5 охватывает грунты нижней части насыпи 1 и слабые грунты основания 2. Полотнища СНМ 7 в траншеях 4 заполнены скальным грунтом с объемным весом от 1,9 до 2,7 Т/м, образуя опоры 6 подковообразной удерживающей обоймы 3 в продольном направлении с обеих сторон насыпи 1. Опоры 6 удерживающей обоймы принимают постоянную форму траншей 4 и их периметр не изменяется по длине.
Заявляемое земляное сооружение на слабом основании работает следующим образом.
Строительство земляного сооружения осуществляют на слабом основании путем отсыпки нижнего слоя основания 2, разработки траншей 4 под опоры 6, укладки СНМ 7 в нижнюю часть тела насыпи 1 и по периметру траншей 4, отсыпке на него скального грунта с последующим формированием замкнутой оболочки подковообразной удерживающей обоймы 3. В результате получают подковообразную удерживающую обойму 3 со сводом 5, расположенным в нижней части насыпи 1, и опорами 6, расположенными в траншеях 4. После формирования армирующей системы сооружают насыпь 1 до проектного положения.
При воздействии нагрузки свод 5 подковообразной удерживающей обоймы 3 вместе с насыпью 1 стремится переместиться вниз. При этом полотнища СНМ 7 подковообразной удерживающей обоймы 3 с внешней стороны растягиваются, а с внутренней - укорачиваются. Такое состояние полотнища СНМ 7 заставляет перемещаться скальный грунт в удерживающей обойме 3 благодаря их большему объемному весу по сравнению с объемным весом слабых грунтов 2. Опоры 6 разворачиваются в стороны продольной оси насыпи 1 во внутреннюю часть удерживающей обоймы 3 под свод 5, образуя «клещи».
Одновременно, возникающее под воздействием статической и вибродинамической нагрузки, вертикальное давление через свод 5 подковообразной удерживающей обоймы 3 передается на грунты нижней части насыпи 1 и слабые грунты основания 2. Под действием вертикальных сил, в грунтах основания 2 возникают силы пластического выдавливания. Слабые грунты основания 2 стремятся переместиться по касательной в откосные зоны насыпи 1, за пределы опор 6 удерживающей обоймы 3, т.е в направлении от продольной оси насыпи 1. На слабые грунты основания 2 одновременно действует еще одна сила - удерживающая, со стороны подковообразной удерживающей обоймы 3, которая направлена к продольной оси насыпи 1.
3
3
Силы пластического выдавливания грунтов слабого основания 2 меньше последних (удерживающих) сил из-за различия в объемных весах грунтов слабого основании 2 с объемным весом грунтов 0,9-1,3 Т/м и скального грунта в удерживающей обойме 3 с объемным весом грунтов от 2 до 2,3 Т/м.
Таким образом, подковообразная удерживающая обойма 3 препятствует перемещению грунтов слабого основания 2 за пределы ее опор 6.
В результате слабые грунты основания 2 нижней части насыпи 1 остаются зажатыми в «клещах» удерживающей обоймы 3, сохраняя постоянными во времени объем и консистенцию грунта. При этом влага из грунтов слабого основания 2 под нижней частью насыпи 1 остается постоянной и не выдавливается в слабые грунты 2 приподошвенной зоны насыпи 1. Грунты слабого основания 2 за пределами опор 6 удерживающей обоймы 3 в приподошвенной зоне насыпи 1 не испытывают дополнительного увлажнения и остаются в стабильном состоянии в процессе эксплуатации без дополнительных конструктивно-технологических мероприятий по их осушению.
Таким образом, влажностный баланс слабых грунтов основания 2 после сооружения насыпи 1 имеет параметры соизмеримые с параметрами влажностного баланса до строительства. Сохранение влажностного баланса обеспечивает стабильность земляного сооружения на слабом основании.
Экспериментальный участок земляного сооружения с заявляемой армирующей системой осуществлен на автодороге Раздольное - Хасан в Приморском крае, расположенный на слабых грунтах (болоте III типа). Двухлетние режимные наблюдения за состоянием насыпи показывают, что измеряемые показатели остаются постоянными, что свидетельствует о сохранении стабильности насыпи.