СПОСОБ ЗАЩИТЫ НАКЛОННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТОВ ОТ ЭРОЗИИ
METHOD FOR PROTECTING INCLINED SOIL SURFACE FROM EROSION

Изобретение относится к области строительства для укрепления грунтов в приповерхностной части насыпных сооружений; откосов автомобильных дорог; обваловки трубопроводов; сооружений инженерной защиты и для восстановления или увеличения прочности (повышения несущей способности) слабых грунтов оснований и земляного полотна, рекультивации техногенно-нарушенных поверхностей.
Известен способ закрепления оттаявшего грунта [патент РФ №1705500, опубликовано 15.01.1992], заключающийся в смешении грунта с 2-8%-ным водным раствором поливинилового спирта с последующим замораживанием полученной композиции в течение 3-24 ч.
К недостаткам известного способа можно отнести высокие материальные затраты, связанные с замораживанием смешанного с поливиниловым спиртом грунта и отсутствие технических возможностей замораживания смеси грунта с водным раствором поливинилового спирта при укреплении значительных объемов грунтов.
Известен способ укрепления грунтового материала [патент РФ №2324784, опубликовано 23.11.2006] нагреванием до температуры не выше 150°С, в качестве наполнителя используют природный грунт, а в качестве вяжущего -поливиниловый спирт в виде 3-5% водного раствора в количестве, равному объему наполнителя в плотном сложении. Образованную после замешивания сырьевую смесь нагревают до температуры не выше 150°С.
К недостаткам известного способа можно отнести высокие энергетические затраты на прогрев пропитанного водным раствором поливинилового спирта грунта, а также отсутствие технических средств эффективного и равномерного прогрева грунта, неэффективность при укреплении значительных объемов грунтов с наклонной поверхностью.
Известен способ укрепления слабых грунтов основания земляного полотна, [патент РФ №2474651, МПК: E02D3/13 опубликовано 10.02.2013 г.], включающий нагнетание в грунт основания земляного полотна через скважины полимерного состава в виде геля (криогеля), при этом полимерный состав нагнетают 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 в местах пересечения элементов решеток. Полимерный состав для осуществления способа включает поливиниловый спирт - структурообразователь, борную кислоту и воду, при этом состав дополнительно содержит базальтовое волокно и/или минеральные добавки при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Поливиниловый спирт
- 3,0-10,0
Борная кислота
- 0,2-1,0
Базальтовое волокно или минеральные добавки
- 0,5-1,0
Вода
- остальное.
К недостаткам известного способа можно отнести сложность технологии, связанной с особенностями выполнения скважин и нагнетания криогеля в объем земляного грунта, который в объеме грунта распределяется непредвиденным способом, образуя своеобразную арматурную структуру, практически не влияющую на соединение частиц грунта друг с другом, который при увлажнении и под нагрузкой будет растекаться по сторонам, а также сложность исполнения на наклонных поверхностях.
2
Известен наиболее близкий способ защиты грунтов от эрозии [патент РФ №2754141 МПК: E02D 3/12, опубликовано 30.08.2021] включающий пропитку грунта водным раствором поливинилового спирта с последующим перемешиванием пропитанного криогелем грунта при помощи средств механизации, первоначально путем растворения поливинилового спирта в нагретой до температуры 80-95°С воде готовят криогель путем растворения в воде поливинилового спирта в количестве 0,2-10,0% от объема нагретой воды, затем на поверхность укрепляемого грунта, по меньшей мере, в один цикл подают криогель в количестве 8,0-14,0 л/м, осуществляют пропитывание и перемешивание грунта с криогелем, при этом циклы внесения криогеля на поверхность грунта, его пропитывание и перемешивание осуществляют в период времени года с положительной температурой в дневное время и отрицательной температурой в ночное время, при колебании температуры окружающего воздуха в диапазоне: от +8°С днем до -10°С ночью.
К недостаткам известного способа можно отнести необходимость тщательной подготовки и обработки поверхности перед внесением криогеля, неравномерность внесения криогеля, в виду разного состава грунта, даже в одном обрабатываемом месте, невозможности создать равномерную пропитанную креогелем массу из-за неравномерности гранулометрического состава и свойств грунта, в первую очередь влажности. Известный способ сложно реализовать на наклонных поверхностях, требуется применение специальной техники.
Техническим результат предполагаемого изобретения заключается в предотвращении деформации земляного полотна откосов, предотвращения выноса грунта из тела насыпи таких откосов.
Технический результат достигается использованием сочетания известных общих с близким аналогом признаков, включающих пропитку грунта водным раствором поливинилового спирта с определенной последовательностью операций и новых признаков, включающих осуществление пропитывания и перемешивания грунта с криогелем в емкость грунтосмесительной установки, первоначально в которую загружают грунт в объеме, который зависит от объема установки, после чего в установку подают приготовленный по известному способу криогель в количестве 15,0-25,0% масс от объема грунта, перемешивают грунт с криогелем в течении 2-3 минут, готовую смесь укладывают на спланированную наклонную поверхность, по меньшей мере, одним слоем толщиной 5,0-15,0 см., при этом укладку пропитанного криогелем грунта осуществляют на наклонную поверхность соотношение высоты наклонно расположенной поверхности откоса к его основанию выполняют равным от 1:2 до 1:4.
Новизной предложенного способа является приготовления грунтосмеси путем перемешивания грунта с криогелем в смесительной установке. Установку для смешивания грунта с криогелем применяют преимущественно смесительного типа, например, миксер на базе грузового автомобиля или комплексную установку для смешения грунтов типа ДС-50Б (https://kredmash.com/ru/ground-mixing-plants/ds50b1), либо аналогичные. Также возможно использование стационарной строительной бетономешалки подходящего объема. Далее в установку подают приготовленный криогель в количестве 15,0-25,0% от объема грунта, осуществляют перемешивание грунта с криогелем. Замес выполняется механизированным способом в течении 2-5 минут, что достаточно для получения необходимой однородности смеси. Готовность оценивают визуально по достижению однородного цвета грунтосмеси.
Планирование наклонных поверхностей выполняют путем выравнивания и сглаживания выступающих частей и засыпки углублений, удаление находящихся на разрыхленной поверхности посторонних предметов и инертных материалов применяя, например, грейдер. После выравнивания поверхность рыхлят, например, механизированной бороной.
После подготовки поверхности готовую смесь укладывают на спланированную наклонную поверхность, по меньшей мере, одним слоем толщиной 10,0-15,0 см., что достаточно для создания защитного слоя от эрозии укрываемого грунтового слоя наклонных поверхностей.
Так, приготовление грунтосмеси в емкости грунтосмесительной установки, и подача в установку приготовленного криогеля с последующим перемешиванием грунта с криогелем позволяет приготовить грунтосмесь требуемой вязкости для последующей укладки на участки с различным содержанием в грунте песка, пылеватых и глинистых частиц и воды, при этом количество растворенного спирта зависит от крутизны укрепляемого откоса.
Укладывание готовой грунтосмеси на спланированную заранее наклонную поверхность, по меньшей мере, одним слоем толщиной 5,0-15,0 см. и более зависит от того, насколько ответственным и нагруженным будет являться тот или иной участок грунта. Разрыхленная поверхность грунта, на который накладывается слой смеси грунта с криогелем, способствует более плотному прилеганию смеси к грунту и лучшему сцеплению смеси с грунтом и позволяет укрепить откосы полотна до требуемых параметров толщины, прочности и надежности.
В условиях вечной мерзлоты минимальная толщина смеси грунта с криогелем на откосах над геоматериалом должна быть не менее 10-ти см.
Укрепление грунта криогелем, как и в близком аналоге, осуществляют в период года, характеризующийся положительными дневными и отрицательными ночными температурами атмосферного воздуха от +10°С до -10°С обусловлена процессом структурирования грунтосмеси и образованием упругого тела, позволяющего нести нагрузку, который происходит в течение пяти и более циклов замораживания и оттаивания смеси.
Признаки предварительного планирования разрыхленных горизонтально или наклонно расположенных поверхностей, выравнивания путем сглаживания выступающих частей и засыпки углублений, приготовление криогеля - раствора поливинилового спирта с водой путем варки на водяной бане, с постепенной подачей в нее частями не превышающими 10% от объема поливинилового спирта в количестве 0,2-10,0% от объема воды и перемешивания раствора в течение 5,0-12,0 минут, удаление находящихся на разрыхленной горизонтально или наклонно расположенных поверхностях посторонних предметов и инертных материалов - камней, фрагментов древесины и других включений, выполнение соотношения высоты наклонно расположенной поверхности откоса к его основанию равным от 1:2 до 1:4. - являются признаками дополнительными, раскрывающими конкретное выполнение основных признаков и способствующих достижению поставленного технического результата.
Выбор концентрации поливинилового спирта в получаемом криогеле зависит от структурного состояния укрепляемого грунта, например, от количества находящихся в грунте песка, пылеватых и глинистых частиц и воды, а также от крутизны укрепляемого откоса. Так, при повышении концентрации поливинилового спирта в заявленных пределах 0,2-10,0% от объема воды, вязкость криогеля повышается. Наиболее вязкий криогель используется для укрепления поверхностей со значительной крутизной откосов и в местах сосредоточенного стока дождевых и талых вод.
Согласно патентно-информационного поиска, проведенного в процессе подготовки материалов, сочетания предложенных известных и новых признаков предполагаемого изобретения в патентной и научно-технической литературе - не выявлено, что позволяет отнести признаки к обладающим новизной.
Поскольку предложенное сочетание признаков неизвестно из существующего уровня техники и позволяет получить более высокий технический результат, то сочетание известных и предлагаемых новых существенных признаков можно признать соответствующими критерию - изобретательский уровень.
Предлагаемый способ поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 схематично представлена укладка приготовленной смеси грунта с криогелем на наклонную поверхность насыпного сооружения. На фиг. 2 приведено фото механизированной фрезы для планирования наклонных поверхностей.
Способ защиты грунта 1 насыпных сооружений от эрозии поясняется представленной схемой (фиг. 1). На схеме показан грунт основания 1, на котором сформировано насыпное сооружение (грунт насыпи) 2. На подготовленную наклонную поверхность грунта насыпи 2 уложен слой грунтосмеси 3 заданной толщины.
Предлагаемый способ защиты грунтов насыпных сооружений от эрозии осуществляется следующим образом:
Для выполнения предлагаемого способа, в осенний период времени, когда температура окружающего воздуха колеблется от дневной положительной к ночной отрицательной в пределах от +10,0°С до - 10,0°С, проводится ряд предварительных работ и операций. Укрепляемая поверхность грунта насыпи 2 разрыхляется и планируется - засыпаются углубления, сравниваются гребни грунта при помощи средств механизации, таких как грейдеры, экскаваторы, механизированные фрезы и другие приспособления. При необходимости из грунта 2 удаляют камни, древесину, корни и другие крупные включения. Затем приступают к получению криогеля, для чего во внутреннюю емкость водяной бани заливают воду, которую нагревают до температуры 80-95°С. В разогретую воду, при постоянном перемешивании, частями, не превышающими 10% от расчетного, подают поливиниловый спирт. В зависимости от характеристик почвы, влажности, угла наклона укрепляемой поверхности для получения криогеля с заданной вязкостью, количество подаваемого в воду поливинилового спирта определяется исходя из расчета в пределах 0,2-10% от объема воды.
В грунтосмесительную установку загружается требуемое количество грунта, подается расчетное количество приготовленного криогеля. Грунт с криогелем перемешивается в течение 3-5 минут. Приготовленная смесь при помощи грунтоукладчика укладывается на укрепляемую поверхности грунта насыпи 2, образуя слой грунтосмеси 3. В результате получается равномерно перемешанный и пропитанный криогелем защитный слой в 5-15 см. При необходимости увеличения толщины слоя 3 осуществляют повторную укладку подготовленной грунтосмеси. В процессе укладки приготовленной грунтосмеси осуществляют контроль толщины укрепляемого слоя шурфованием. В течение недели, при колебаниях температуры, оказывающей влияние на заморозку и оттаивание приготовленной грунтосмеси на поверхности почвы получают слой прочного упругого тела, способного нести требуемую нагрузку и предотвращающего эрозию насыпного сооружения. Последующее и окончательное укрепление обработанного грунта происходит в течение осенних и весенних перепадов температуры окружающего воздуха. Пример 1 осуществления предлагаемого способа.
3
Для выполнения предлагаемого способа, в сентябре 2020 года, когда температура окружающего воздуха колебалась от дневной положительной к ночной отрицательной в пределах от +10,0°С до -10,0°С провели ряд предварительных работ и операций. Укрепляемую наклонную поверхность песчаного грунта разрыхляли и планировали - засыпали углубления, сравнивали гребни грунта при помощи средств механизации - грейдеров, рыхлили почву при помощи механизированной фрезы (Фиг. 2). Из грунта были удалены камни, древесина, корни и другие крупные включения. Затем приступали к приготовлению криогеля. Поскольку влажность грунта насыпного сооружения, состоящего в основном из песка была равна 86%, угол наклона 1:4 количество подаваемого в воду поливинилового спирта определили в 3,5% от объема воды и получили криогель вязкостью в 3,4 см/г.
В грунтосмесительную установку, миксер на базе грузового автомобиля, загрузили требуемое количество грунта, подали расчетное количество приготовленного заранее криогеля и перемешали грунт с криогелем в течение 3-х минут. Приготовленную грунтосмесь при помощи грунтоукладчика (был применен экскаватор-планировщик TATRA T-815-220R21 UDS-214R) уложили на наклонную поверхность грунта насыпи 2, с получением слоя 3. В течение недели, при колебаниях температуры, оказывающей влияние на заморозку и оттаивание приготовленного грунта на поверхности почвы получили слой прочного упругого тела, способного предотвращать эрозию насыпного сооружения.
Пример 2 осуществления предлагаемого способа.
2
3
Защиту песчано-глинистого грунта откоса дороги крутизной 1:4 и площадью в 200 м проводили в сентябре месяце 2020 года, при температуре окружающего воздуха днем +8°С и ночью - 10°С. Укрепляемая поверхность грунта насыпи откоса дороги разрыхлялась и планировалась - засыпали углубления, сравнивали гребни грунта при помощи грейдера, с последующим фрезерованием. Затем приступали к приготовлению криогеля. Поскольку грунт откоса песчано-глинистый, влажностью 80% было принято решение получить криогель с вязкостью 1,54 см/г с количеством в 3,0% от объема воды подаваемого в воду поливинилового спирта.
В грунтосмесительную установку (миксер) загрузили требуемое количество грунта, подали расчетное количество приготовленного заранее криогеля и перемешали грунт с криогелем в течение 4-х минут. Приготовленную смесь при помощи грунтоукладчика (экскаватора) укладывали на укрепляемую поверхность с последующим выравниванием.
В результате на откосе получили перемешанный и пропитанный криогелем слой грунта толщиной в 15 см. В процессе укладки приготовленного в смесительной установке грунта с криогелем осуществляли контроль толщины укрепляемого слоя шурфованием через каждые пять метров длины обрабатываемого участка. Было установлено, что увеличения толщины укрепляемого слоя грунта на откосе не требовалось.
В течение недели, при колебаниях температуры, оказывающей влияние на заморозку и оттаивание приготовленного грунта на поверхности почвы, получили слой прочного упругого тела, предотвращающего эрозию насыпного сооружения откоса дороги.
При увеличении крутизны откоса, высокой влажности, большем количестве глины - количество поливинилового спирта при приготовлении криогеля необходимо увеличивать, а также увеличивать и количество вводимого криогеля в грунт при пропитывании и перемешивании.
В настоящее время на предприятии выполнен ряд опытных работ по защите грунтовых откосов дорог, обваловки трубопроводов, которые при проведении предварительных испытаний показали положительные результаты.