Способ крепления металлических свай в условиях вечной мерзлоты
METHOD FOR SECURING METAL PILES IN CONDITIONS OF PERMAFROST

Предлагаемый способ относится к строительству и эксплуатации опор контактной сети железных дорог в условиях вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания пучинистых грунтов.
Фундаменты опор деформируются в зимний период года вследствие влияния сил морозного пучения. Для уменьшения сил и моментов действующих на фундамент опоры его покрывают различными противопучинными покрытиями или используют специальные конструкции.
Известны сваи с противопучинным покрытием, содержащие в слое сезонного промерзания-оттаивания грунта покрытие полимерной пленкой кремнийорганических соединений: жидкостей или эмалей, которые снижают силы примерзания грунта к сваям за счет увеличения водоотталкивающих свойств поверхности. Для различного материала свай применяются различные по составу кремнийорганические соединения. Работы по нанесению указанных противопучинных покрытий проводятся в помещениях с плюсовой температурой окружающего воздуха, кроме того, необходимо наличие вытяжной вентиляции. Поверхности под покрытие должны тщательно очищаться. Противопучинное покрытие наносится в несколько слоев, после чего выдерживается в течение нескольких суток. Долговечность таких пленок составляет 15-25 лет (Рекомендации по применению кремнийорганических соединений в борьбе с морозным выпучиванием фундаментов. Москва, «Стройиздат», 1974 г., с.с. 4, 9-13).
Недостатками данной конструкции сваи и противопучинного покрытия являются:
- высокая себестоимость и низкая технологичность конструкции вследствие того, что нанесение покрытия непосредственно в полевых условиях требует создание условий с плюсовой температурой окружающего воздуха в течение нескольких суток;
- токсичность и огнеопасность кремнийорганических эмалей требует строгого соблюдения требований пожарной безопасности и промышленной санитарии; работающие с эмалями должны иметь индивидуальные средства защиты;
- малый срок эксплуатации.
Кроме кремнийорганических эмалей для уменьшения влияния сил морозного пучения грунтов на сваи рекомендуется противопучинное покрытие их полимерной пленкой одним из следующих высокомолекулярных соединений: эпоксидно-полиэфирным компаундом К-ПП; эпоксидно-полиэфирным компаундом К-ЭПЭ; эпоксидно-полиамидным компаундом К-ЭПА. («Рекомендации по применению высокомолекулярных соединений в борьбе с морозным выпучиванием фундаментов». Москва, «Стройиздат», 1969 г., с.с. 4-7,18.)
Недостатками данных конструкций сваи и покрытия являются:
- высокая себестоимость и низкая технологичность конструкции вследствие того, что нанесение покрытия требует создание условий с температурой окружающего воздуха не ниже 10°С в течение 1-10 суток, что, в частности затрудняет и удорожает изготовление сваи непосредственно в полевых условиях;
- вещества для нанесения покрытия токсичны и требуют особых мер предосторожности.
Также одним из аналогов является опора контактной сети, возводимая на пучинистых грунтах (Патент на изобретение №2209269, 2003). Сущность заключается в применение противопучинных устройств, которые обеспечивают достижения стабильности опор в пучинистых грунтах путем поднятия кровли многолетней мерзлоты вокруг фундамента опор и увеличения тем самым защемления его в многолетнемерзлых грунтах при одновременном уменьшении сил выпучивания в сезонно-талом слое.
Для металлической опоры контактной сети противопучинные устройства состоят из трех основных элементов (рис. 4):
- сезоннодействующего охлаждающего устройства (термосифона),
- теплогидроизоляции,
- противопучинного бандажа.
Недостатками данного решения являются: сложный процесс подбора и установки элементов противопучинных устройств, снижение эффективности при механическом повреждении теплогидроизоляции, уложенной на поверхность грунта вокруг фундамента, запрет на земляные работы, а также нахождение и проезд механизмов, в месте размещения теплогидроизоляционного круга.
Наиболее близким решением, выбранным в качестве прототипа (пат. РФ 159874, 23.07.2015, МПК E02D 5/66), является свая с противопучинным оболочкой ОСПТ "Reline" из полимерного противопучинного модифицированного термоусадочного материала, жестко закрепленную на свае, причем, диаметр оболочки до сборки со сваей как минимум на 10% больше диаметра или размеров поперечного сечения сваи. Размещение между противопучинной оболочкой и сваей адгезионного слоя позволяет заполнить адгезионным материалом все дефекты поверхности сваи и/или оболочки, в том числе на участках свай, имеющих сварные швы, наличие неровностей и/или механических отложений, что исключает в процессе эксплуатации сваи вероятности образования зазоров между поверхностями сваи и противопучинной оболочки, что, в свою очередь, позволит исключить возможность проникновения влаги в пространство между сваей и оболочкой, повышая таким образом качество сваи с противопучинной оболочкой.
Недостатками данной конструкции является недостаточное снижение сил, действующих на свою. Из-за отсутствия зазора между оболочкой и сваей, при действии касательных сил возникают моменты. Они будут действовать как на оболочку, так и на сваю. Эти силы через фундамент напрямую воздействуют на опору. Что в свою очередь, из-за внешних сил и моментов, приводит к наклону и деформации опорной конструкции.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение выпучивающих сил, действующих на опору, и повышение срока эксплуатации.
Способ крепления металлической сваи в условиях вечной мерзлоты, включающее покрытие поверхности сваи оболочкой большего диаметра на высоту сезонномерзлого грунта. С последующей установкой сваи в котлован, отличающийся тем, что по боковым поверхностям котлована устанавливают геосинтетическое нетканое полотно, отделяющее грунт котлована от остального грунта. Тем самым предупреждают попадание влаги из вне. Так же забуривают в котловане место под сваю на требуемую глубину, после чего на сваю одевают оболочку. Пространство между сваей и оболочкой заполняют нетканым геотекстилем с последующей пропиткой незамерзающей смесью. Сваю с оболочкой устанавливают в забуренное место в котловане и засыпают непучиннистым грунтом.
Способ крепления металлической сваи в условиях вечной мерзлоты по п. 1, отличающееся тем, что оболочку получают путем навивки стекловолоконных нитей на оправу непрерывным методом с армированием составом из стекловолокна и смоляной смеси.
Способ и устройство поясняется чертежом фигура 1 - Конструкция сваи с противопучинной оболочкой. На фиг. 1 обозначены:
1 - металлическая свая; 2 - противопучинная оболочка; 3 - геосинтетическое нетканое полотно; 4 - непучинистый грунт; 5 - сезонномерзлый грунт; 6 - вечномерзлый грунт.
Пример использования.
Свая представляет собой стальную трубу диаметром 530 мм. и длиной 4500 мм. Требуется изготовить противопучинную оболочку длинной 2500 мм и большего внутреннего диаметра. В качестве данной оболочки применяется стеклопластиковая труба, которая состоит из стеклопластика с добавлением специальных компонентов: смолы, армирующих материалов.
Для предотвращения возникновения влаги пространство между фундаментом и оболочкой заполняется 2-3 слоями нетканого геотекстиля, пропитанного незамерзающей консистентной смазкой типа ЦИАТИМ-201. Благодаря пространству силы морозного пучения, возникающие в сезонно-мерзлых пучинистых грунтах, будут воздействовать на оболочку, а не на саму сваю, и под действием момента, создаваемого этими силами, оболочка будет поворачиваться вокруг своей оси, оставляя металлическую сваю в неподвижном состоянии.
После усадки оболочки сваю устанавливают в месте ее эксплуатации в заранее подготовленный котлован и забуренное отверстие под сваю. Производится подсыпка и закрепление сваи на необходимой глубине.
Котлован роют на глубину 2500 мм и ширину пазухи 500 мм. По боковым поверхностям котлована устанавливается геосинтетическое нетканое полотно, которое рассматривается одновременно как разделяющий, фильтрующий и укрепляющий слой. Он предотвращает попадание влаги из глинистого грунта в засыпанный в котлован непучинистый грунт, создавая тем самым защиту от заливания. В качестве такого грунта применяется гравий. Так же пробуриваю скважину в вечномерзлом слое для защемления сваи.
Предложенный способ крепления сваи и противопучинной оболочки обеспечивает широкий температурный диапазон эксплуатации: от минус 65 градусов Цельсия до плюс 155 градусов Цельсия. Армированные стеклопластиковые оболочки имеют небольшой вес; не подвергаются воздействию различных агрессивных сред; обладают доступностью, благодаря низкой цене сырья; имеют продолжительный срок эксплуатации; отвечают всем нормам экологии. Срок службы таких фундаментов более 50 лет.
Техническим результатом предлагаемого решения являются:
- снижение касательных сил морозного пучения, воздействующих на сваю в период сезонного промерзания грунта, вызывающих возможность выталкивания сваи и создания аварийной ситуации;
- снижение срока и расходов на сооружения фундаментов,
- повышение срока эксплуатации фундамента и опорной конструкции,
- повышение долговечности за счет отсутствие влаги между сваей и противопучинной оболочкой.
Указанный технический результат достигается за счет того, что металлическая винтовая свая устанавливается на глубину 4,5 метра, это необходимо с целью усиления защемления сваи в вечномерзлом грунте ниже глубины сезонного промерзания, которая составляет около 2,5 метров в Восточной Сибири. Заложение сваи на глубину ниже глубины промерзания приводит к тому, что на основание фундамента не будут действовать силы пучения, но на боковую поверхность пучение действовать будет. Для предотвращения этого явления предлагается противопучинная оболочка, которая имеет длину, равную глубине промерзания, и накладывается на фундамент опоры, что необходимо для исключения смерзания грунта с боковой поверхностью фундамента и для защиты опоры от воздействия пучения при промерзании сезонноталого грунта. Это достигается тем, что силы морозного пучения, возникающие в сезонно-мерзлых пучинистых грунтах, будут воздействовать на оболочку, а не на саму сваю, и под действием момента, создаваемого этими силами, оболочка будет поворачиваться вокруг своей оси, оставляя металлическую сваю в неподвижном состоянии.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в качестве данной оболочки применяется стеклопластиковая труба, которая состоит из стеклопластика с добавлением специальных компонентов: смолы, армирующих материалов. В процессе изготовления трубы стекловолоконные нити наматываются на оправу непрерывным методом. Для придания конструкции повышенной прочности, нить армируется составом из стекловолокна и пропитывается смоляной смесью, измельченным стекловолокном и песком.
Указанный технический результат достигается за счет того, что пространство между фундаментом и оболочкой заполняется 2-3 слоями нетканого геотекстиля, пропитанного незамерзающей консистентной смазкой типа ЦИАТИМ-201, БАМ и т.п. Нетканый геотекстиль - водопроницаемый материал, представляет собою плоскую структуру, которую изготавливают из синтетических или натуральных полимеров, скрепленных между собой механическим или термическим методом. Такой материал обладает невысокой прочностью, большой растяжимостью, не гниет, через него не прорастают корни растений, структура обеспечивает хорошие фильтрующие свойства. Благодаря диэлектрическим свойствам материала, обеспечивается защита конструкции от электрокорозии.
Указанный технический результат достигается за счет того, что котлован роют на глубину установки противопучинной оболочки. По боковым поверхностям котлована устанавливается геосинтетическое нетканое полотно, которое рассматривается одновременно как разделяющий, фильтрующий и укрепляющий слой. Он предотвращает попадание влаги из глинистого грунта в засыпанный в котлован непучинистый грунт, создавая тем самым защиту от заиливания. В качестве такого грунта используется песок средний, крупногравелистый (или щебень/гравий). При этом в песчаных и щебенистых грунтах не должно быть примесей глинистых частиц более 15%. Ширина пазухи котлована, заполняемого непучинистым грунтом, при глубине промерзания до 2,5 метров должна составлять не менее 0,5 метра. Применение непучинистого грунта позволяет снизить воздействие касательных сил морозного пучения на боковые поверхности фундамента.
Литература:
1) Патент RU №158874 Свая с противопучинной оболочкой ОСПТ «Reline» // Алявдин Д.В., Заявка №2015130655/03 от 23.07.2015, Опубликовано 20.02.2016 Бил. №5 с.
2) Патент RU №2209269 Опора контактной сети, возводимая на пучинистых грунтах // Кондратьев В.Г., Заявка №20022134186/03 от 19.12.2002, Опубликовано 27.07.2003 Бил. №21 с