METHOD FOR PREVENTING THE FORMATION OF FROST BOILS IN THE ROADBED OF OPERATED ROADS AND RAILWAYS ON SEASONALLY FREEZING SOILS
Способ предотвращения образования пучин в земляном полотне эксплуатируемых автомобильных и железных дорог на сезоннопромерзающих грунтах

Предлагаемое изобретение относится к области транспортного строительства и может быть использовано для стабилизации деформирующихся участков автомобильных и железных дорог вследствие морозного пучения, путем создания капиллярного барьера в земляном полотне.
Разрушения асфальтобетонного покрытия автомобильных дорог, а также искажения положения рельсовых нитей в продольном и поперечном профилях железных дорог вследствие морозного пучения грунтов земляного полотна является весьма актуальной проблемой в холодных регионах, особенно в Западной Сибири, где повсеместно распространены потенциально пучинистые глинистые грунты и наблюдается высокий уровень грунтовых вод.
Существует большое количество эффективных способов борьбы с морозным пучением грунтов земляного полотна. К ним можно отнести:
- регулирование свойств грунтов земляного полотна (замена грунтов, изменение свойств грунтов);
- регулирование водного режима земляного полотна (увеличение высоты насыпи, устройство поверхностного водоотвода, гидроизоляция обочин, устройство дренажа, устройство противофильтрационных экранов в основании насыпи);
- регулирование теплового режима земляного полотна (теплоизолирующие слои, морозозащитные слои, введение в грунт регуляторов температуры замерзания).
Однако большинство представленных способов применяются только при новом строительстве, или при полном переустройстве дорогостоящей дорожной одежды (верхнего строения пути). Этот факт не позволяет назвать данные способы экономически эффективными для эксплуатируемых участков автомобильных и железных дорог.
Известен способ предупреждения деформации пучения грунта земляного полотна линейных транспортных сооружений, заключающийся в их обработке водой и укрепляющей композицией, содержащей известь и органическую добавку, с последующим уплотнением грунтовой смеси, при этом в качестве вяжущего используют доломитовую известь, в качестве органической добавки - загрязнитель балласта, в качестве фермента-уплотнителя - поверхностно-активные вещества на основе протеинов и сахаров, обработку грунтов компонентами укрепляющей композиции и водой осуществляют одновременно, при этом укрепляющей композицией в количестве 6-10% от массы грунтов (см. патент РФ № 2192517, МПК E02D 3/12, опубл. 10.11.2002).
Реализация указанного выше способа возможна только при разборке дорожной одежды (верхнего строения пути), разрыхлении грунтов земляного полотна и перемешивании их с компонентами укрепляющей композиции и водой. Таким образом, основным недостатком указанного решения является невозможность его применения без длительного ограничения движения, что приводит к увеличению материальных затрат, и является нецелесообразным для эксплуатируемых участков автомобильных и железных дорог. Кроме того, предложенная технология и укрепляющая композиция не могут быть использованы для всего разнообразия глинистых грунтов, широко распространенных в земляном полотне автомобильных и железных дорог Западной Сибири и наиболее подверженных морозному пучению.
о
Известен способ укрепления слабых грунтов основания земляного полотна, включающий нагнетание в грунт основания земляного полотна через скважины полимерного состава в виде геля (криогеля) 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 пересечения элементов решеток (см. патент РФ № 2474651, МПК E02D 3/12, опубл. 20.01.2012, Бюл. №2).
Рассмотренный способ укрепления слабых грунтов основания земляного полотна основан на выполнении упрочняющей опорной системы в виде решетчатой конструкции инъектированием в грунты специального полимерного состава. Несмотря на то, что основной задачей этого способа является уменьшение осадки грунтов, он позволяет несколько уменьшить потенциальную пучинистость грунтов, а инъектирование твердеющих составов позволяет при определенных условиях выполнять работы с минимальным ограничением движения.
Основным недостатком способа является ограниченность применения, кроме того, технический результат его использования не обеспечивает снижение пучения дорожной одежды до нормативных требований.
Известен способ ликвидации пучин в земляном полотне эксплуатируемых автомобильных и железных дорог на сезоннопромерзающих грунтах, включающий создание в укрепляемом массиве земляного полотна фрагментов преобразованного грунта путем внесения в грунт смеси, содержащей композиционные материалы, внесение в грунт смеси осуществляют при промерзании верхнего слоя грунта на глубину 0,10 - 0,15 м, при этом смесь вносят путем нагнетания таким образом, чтобы создать вокруг массива земляного полотна, подверженного пучению, горизонтальные и вертикальные экраны из упрочняющего грунта, горизонтальный экран создают на глубине, соответствующей глубине максимального сезонного промерзания грунтов, а внутри массива фрагменты преобразованного грунта располагают в шахматном порядке, а в качестве композиционного состава, например, может быть применен состав, содержащий поливиниловый спирт - 3,0-10%, борную кислоту - 0,2-1%, воду - остальное (см. патент РФ № 2471928, МПК E02D 3/12, опубл. 10.01.2013, Бюл. №1).
Требование по выполнению работ только после промерзания верхнего слоя грунта на глубину 0,10 - 0,15 м существенно усложняет технологию производства работ, так как в это время года преобладают отрицательные температуры окружающего воздуха, а для напорных инъекций, рекомендованы композиционные материалы, включающие в свой состав воду, что дополнительно усложняет технологию производства работ.
Создание с помощью напорных инъекций фрагментов преобразованного грунта в верхней части земляного полотна может способствовать искусственному образованию деформаций.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является упрощение технологии производства работ, повышение эффективности и надежности защиты верхнего строения пути от деформаций пучения промерзающих грунтов.
2
3
Указанный технический результат достигается тем, что в способе предотвращения образования пучин в земляном полотне эксплуатируемых автомобильных и железных дорог, включающем погружение инъекторов вертикально и под наклоном до глубины, соответствующей максимальному сезонному промерзанию грунтов земляного полотна, создание в укрепляемом массиве земляного полотна фрагментов преобразованного грунта путем внесения в грунт через инъекторы смеси, содержащей закрепляющие материалы, для создания вокруг массива земляного полотна, подверженного пучению, капиллярного барьера из упрочненного грунта на глубине, соответствующей глубине максимального сезонного промерзания грунтов, погружение инъекторов осуществляют с одной стороны земляного полотна, величины углов наклона инъекторов относительно горизонтали назначают от 30° до 60°, в качестве закрепляющего материала нагнетают водный раствор силиката натрия NaSiO с отвердителем – углекислым газом, капиллярный барьер создают из совокупности отдельных модифицированных элементов грунта высотой, составляющей 1/3 от глубины промерзания, при этом высоту капиллярного барьера регулируют длиной перфорированной части инъектора.
Заявляемое решение поясняется чертежом, где представлен поперечный профиль земляного полотна эксплуатируемого участка автомобильной дороги:
1 - земляное полотно; 2 - граница зоны промерзания грунта; 3 - вертикальный инъектор; 4 - наклонный инъектор; 5 - элемент капиллярного барьера; 6 - перфорированная часть инъектора.
Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом.
2
3
В земляное полотно 1 первоначально осуществляют погружение инъекторов 3 вертикально и под наклоном 4 (см. черт.) до глубины границы зоны промерзания 2, согласно ранее разработанной схемы расстановки инъекторов, которая должна обеспечить условие для создания замкнутого горизонтального капиллярного барьера при инъектировании. Погружение инъекторов 3, 4 осуществляется с одной стороны земляного полотна. Величина углов наклона инъекторов 4 относительно горизонтали назначаются от 30° до 60° в зависимости от высоты насыпи и глубины промерзания, с целью обеспечения сплошности капиллярного барьера. Далее нагнетают через инъекторы 3, 4 инъектируемый материал, состоящий из водного раствора силиката натрия (NaSiO) с отвердителем. Нагнетание водного раствора силиката натрия в грунты производится в режиме пропитки. Высота модифицированного элемента капиллярного барьера задается длиной перфорированной части инъектора 6 и составляет 1/3 глубины промерзания.
Результаты, ранее проведенных лабораторных исследований, позволили определить эффективную оптимальную мощность модифицированного элемента капиллярного барьера, достаточную для предотвращения образования пучин в земляном полотне эксплуатируемых автомобильных и железных дорог, которая составила 1/3 глубины промерзания.
Подача раствора в режиме пропитки производится до момента достижения расчетного диаметра модифицированного элемента грунта. Регулирование подачи раствора происходит путем изменения давления с помощью насосов. Контроль подачи раствора выполняется по расходомерам.
Момент достижения расчетного диаметра модифицированного элемента определяется по расчетному расходу инъектируемого материала.
Состав, нагнетаемый в грунт, образует вязкопластическую массу с высокой прочностью, водонепроницаемостью, упругостью и хорошей адгезией к грунту, не реагирующую на сдвиги пластовых грунтов, выдерживает циклы заморозки и оттаивания, не карбонизирует и имеет стабильные параметры на протяжении длительного времени.
По всей высоте укрепляемого участка образуются модифицированные элементы упрочненного грунта, которые пересекаются с другими модифицированными элементами упрочненного грунта. В местах пересечения образуются связи, за счет способности инъектируемого материала заполнять пустоты между ингредиентами и затвердевать, связывая ингредиенты в монолит и придающие ему (участку) пространственную прочность и устойчивость. Такое соединение участков 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.
Размеры модифицированных элементов капиллярного барьера в каждом конкретном случае определяются индивидуально в зависимости от глубины промерзания, состояния и свойств грунтов земляного полотна, климатических и инженерно-геологических условий расположения автомобильных и железных дорог.
2
3
Пример 1. Осуществлялось создание капиллярного барьера в теле земляного полотна эксплуатируемой автомобильной дороги. Протяженность участка подверженного пучинообразованию составила 20 м, а высота эксплуатируемой насыпи - 1,5 м. Первоначально определялась максимальная глубина промерзания на рассматриваемом участке, которая составила 2,0 м. Далее на проблемном участке земляного полотна, производилась разметка осей вертикальных и наклонных инъекторов. Затем для создания горизонтального капиллярного барьера, с поверхности, согласно размеченным осям, с помощью пневмоударной машины последовательно погружали вначале вертикальные инъекторы, затем наклонные. Глубина погружения инъекторов соответствовала максимальной глубине сезонного промерзания грунтов земляного полотна (2 м от поверхности асфальтобетонного покрытия). Высота модифицированного элемента капиллярного барьера рассчитывалась из условия 1/3 глубины промерзания, что составило 670 мм. Расчетный диаметр модифицированного элемента составил 500 мм. Далее с помощью насосов в режиме пропитки через установленные инъекторы с длиной перфорированной части, составляющей 1/3 глубины промерзания, нагнетался водный раствор силиката натрия (NaSiO) с отвердителем (углекислый газ). Подача раствора производилась до момента достижения расчетного диаметра модифицированного элемента. Регулирование подачи раствора осуществлялось насосами. Контроль подачи раствора выполнялся по расходомерам. Критерием достижения расчетного диаметра модифицированного элемента являлся расчетный расход инъектируемого материала.
2
3
Расход силиката натрия (NaSiO) для одного модифицированного элемента грунта составил 40 л.
После завершения процесса инъектирования извлечение установленных инъекторов производилось с помощью пневмоударной машины.
Капиллярный барьер преградил доступ грунтовых вод в зону промерзания, сформировал цементационные связи в грунтах нижней зоны промерзания, что позволило снизить величину морозного пучения до предельно допустимых значений.
Для подтверждения эффективности работы капиллярного барьера по предотвращению образования пучин в дальнейшем производились инструментальные наблюдения (нивелирование) в период эксплуатации.
Наблюдения в течение 10 месяцев показали, что после устройства капиллярного барьера деформации на проблемном участке прекратились.
Предлагаемое решение позволяет обеспечивать достижение заявляемого технического результата без увеличения материальных затрат на инъектирование всего объема рабочего слоя земляного полотна и длительного ограничения движения. Также заявленное техническое решение реализуется при положительных температурах, исключая при этом вероятность искусственного образования деформаций.
Упрощается технология производства работ, уменьшается объем работ и материалов, предотвращается доступ грунтовых вод в зону промерзания.