СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ НАСЫПИ
METHOD AND DEVICE FOR STABILIZING EMBANKMENT

Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к способу стабилизации земляного тела, такого как береговой вал или насыпь, и, в частности, к грунтовому штырю для осуществления способа.
Насыпи и береговые валы имеют тысячелетнюю историю широкого применения для различных целей, включая удерживание воды, строительство дорог и тому подобное. В дальнейшем, упоминание насыпей охватывает в широком смысле приподнятые земляные тела, включая насыпи, береговые валы, дамбы, обвалования и тому подобное, и не ограничено морскими и речными защитными сооружениями. Для строительства и стабилизации таких земляных тел используются различные технологии, в зависимости от местных условий грунта. В частности, насыпи, выполненные из торфа и/или глины и подобного материала, являются трудными для стабилизации без дополнительной поддержки. Насыпи, особенно те, которые содержат сердцевину из материала, подобного торфу, склонны к сжатию и расширению в зависимости от погодных условий. После продолжительных периодов дождей или засух или в случае подъема уровня воды в насыпи, под ней или за ней, может происходить перемещение земляного материала, приводящее к ослаблению насыпи. Характеристикой большинства таких конструкций является склонность к возникновению сдвигов внутри тела насыпи. Воздействие любого веса на верхнюю часть насыпи стремится сместить ее вниз, что может привести к просадке насыпи при отсутствии каких либо предотвращающих действий или мер. Это является особенно проблематичным в случае, если на вершине или на склоне насыпи требуется сооружение новой конструкции или если требуется увеличить высоту насыпи.
В предыдущих процедурах для стабилизации существующих насыпей используется введение якорей через насыпь в стабильные слои земли под ними. Затем эти якоря заливаются на месте строительным раствором с использованием цементной или бетонной конструкции. Недостаток такого подхода заключается в том, что насыпь становится более жесткой и не может вспучиваться и сжиматься с изменением климата без возникновения относительного перемещения между бетоном и сердцевиной насыпи. В других процедурах используется образование бетонных или стальных конструкций дамбы вертикально в нижележащую землю. Несмотря на то, что это может обеспечить прочную и стабильную конструкцию, оно требует значительных затрат и в результате со всех точек зрения дает удерживающую стену, а не традиционную насыпь.
Также известно применение к существующей насыпи вращающихся винтов для стабилизации насыпи. Эти винты нужно вращать при введении в насыпь. Это также известно как “технология укрепления грунта винтами”. Примеры этой технологии можно найти в GB2212196A и DE102005019168A1. Такой грунтовый винт может быть объединен со строительным раствором для дополнительного закрепления винта, как в DE102005019168A1.
Существует потребность в разработке устройства, которое может быть использовано для экономически эффективной стабилизации насыпей.
Сущность изобретения
Согласно изобретению, разработан грунтовый штырь для стабилизации насыпи, содержащий передний конец штыря, выполненный с возможностью введения в насыпь, и продолговатое тело штыря, причем упомянутое тело штыря предусмотрено с распределяющим давление элементом, выполненным с возможностью предотвращения потока земли в направлении (a), перпендикулярном направлению в длину штыря, и тем, что передний конец штыря содержит углубление для вставления приводного элемента. Углубление, являющееся частью переднего конца штыря, обеспечивает сообщение штырю усилия натяжения при вставлении штыря в насыпь. Это позволяет штырю быть гибким, чтобы штырь изгибался при сдвиге в насыпи. Гибкость штыря может затруднить приложение движущей силы к хвостовому концу штыря для введения штыря в насыпь. Посредством наличия тела штыря с распределяющим давление элементом, может быть уменьшен или предотвращен поток земли в направлении, перпендикулярном натягивающему элементу.
В отличие от существующего устройства якоря, которое может быть подвержено воздействию только усилий натяжения, согласно изобретению происходит нагружение потоком элемента натяжения, предотвращающее поперечный поток земляного материала внутри насыпи, который может привести к просадке. Распределяющий давление элемент действует как средство ограничения потока и распределяет усилия, действующие в разных слоях земли. Обнаружено, что в телах насыпи в зависимости от уровня воды в насыпи, под ней или за ней, а также от состава материала насыпи, на разных уровнях могут действовать разные поперечные усилия. Это же относится к изменениям в нагрузке на насыпь.
Если земляное тело, такое как насыпь, стабилизируется только посредством “зажатия” земляного материала между грунтовым якорем и контр-элементом, поперечное перемещение земли, которое может быть спровоцировано водой, приводя к образованию текучей массы, не может быть предотвращено. Благодаря изобретению такой поперечный поток может быть значительно уменьшен.
Также следует понимать, что поток земляного материала может происходить в плоскости, не являющейся горизонтальной. Это зависит от построения разных слоев насыпи и от того, каким образом насыпь подвержена воздействию воды и каким образом осуществляется дренаж этой воды.
Важно заметить, что грунтовый штырь входит в насыпь со скольжением. При введении штыря в насыпь вращение грунтового штыря не требуется или даже не является возможным. Такой штырь может быть втолкнут или втянут в землю, при желании с помощью забивающего, сверлящего или вибрирующего средства. Можно понять, что, в отличие от этого, известные грунтовые винты ввинчиваются в насыпь, и это ввинчивание ослабляет грунт, что является нежелательным. Грунтовый винт не может войти в насыпь со скольжением.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, распределяющий давление элемент является продолговатым и проходит вдоль штыря, предпочтительно по меньшей мере вдоль 50 % его длины, более предпочтительно по меньшей мере вдоль 80 % его длины, еще более предпочтительно по всей длине тела штыря. Таким образом, штырь сохраняет свое положение в насыпи вдоль своей продольной оси благодаря трению между распределяющими давление элементами и насыпью. Для сохранения положения штыря в насыпи вдоль его продольной оси не требуются никакие дополнительные средства. Длина грунтового штыря и его распределяющих давление элементов помогает определять трение между распределяющими давление элементами и насыпью. Это трение между распределяющим давление элементом и насыпью является определяющим фактором в основной функции распределяющего давление элемента, заключающейся в предотвращении потока земли в направлении (a), перпендикулярном направлению в длину штыря. Следует понимать, что на одном теле штыря может быть предусмотрено множество распределяющих давление элементов, например, перекрывающих разные зоны возможного сползания. Расположение этих зон может быть определено посредством геотехнических исследований насыпи.
Распределяющий давление элемент может быть выполнен несколькими способами для оптимизации своей функции для ограничения смещения земляного материала. Предпочтительно распределяющий давление элемент имеет относительно большую поверхность для сведения эффективности к максимуму. Предпочтительно распределяющий давление элемент имеет ширину или диаметр, составляющий по меньшей мере 5 см, более предпочтительно по меньшей мере 10 см, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 15 см.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, распределяющий давление элемент выполнен как лопастная конструкция. Согласно другому предпочтительному варианту осуществления, распределяющий давление элемент может быть выполнен как единое целое с телом штыря. Согласно другому предпочтительному варианту осуществления, тело штыря выполнено как единое целое с передним концом штыря. Возможным является использование одного и того же материала как для распределяющего давление элемента, так и для тела штыря, и для переднего конца штыря. Для распределяющего давление элемента, такие материалы могут включать в себя металлы, предпочтительно коррозионно-стойкие или обработанные металлы, композитные материалы, включающие в себя волокнистые и/или содержащие базальт композиты, керамические материалы, пластики, такие как винил, и тому подобное. Особенно подходящим материалом является базальтоэпоксидный композит, поскольку он не подвержен коррозии.
Грунтовый штырь может иметь любую требуемую длину для вставления через насыпь до требуемого положения якоря. Наиболее предпочтительно, минимальная длина грунтового штыря составляет около 2 м. Действительная длина грунтового штыря может достигать 30 м и более. Штырь может иметь любой требуемый диаметр, например, в диапазоне 20 см - 40 см. Он может содержать любые упомянутые выше материалы, подвергаемые адекватному усилию натяжения. Один особенно подходящий материал основан на материале из базальтоэпоксидного композита.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, штырь содержит полость, которая проходит вдоль продольной оси штыря и соединяется с углублением и выполнена с возможностью вставления через нее приводного элемента. Таким образом, в насыпи не остается пустот после вставления штыря в насыпи, поскольку приводной элемент может соприкасаться с углублением в переднем конце штыря через полость. Такие нежелательные пустоты в насыпи могут привести к образованию в насыпи эрозионной пещеры, поскольку вода стремится течь через такую пустоту. В частности, полость расположена по центру относительно штыря.
Изобретение также относится к сборке грунтового штыря согласно изобретению и поворотного грунтового якоря, который может быть вставлен в насыпь посредством приводного элемента, причем поворотный грунтовой якорь соединен с передним концом штыря и передний конец штыря открыт для соединения приводного элемента с поворотным грунтовым якорем. Таким образом, может быть достигнуто преимущество введения грунтового якоря в грунт. Открытый передний конец штыря может создавать нежелательный канал, проходящий через штырь, в результате чего может требоваться заполнение штыря наполнительным материалом, таким как строительный раствор или что-то подобное. Грунтовый якорь соединен со штырем таким образом, что поворотный грунтовый якорь сохраняет свое положение вставления в грунт при введении штыря в насыпь. Следует понимать, что грунтовые якоря являются хорошо известными в данной области техники и используются во множестве разных целей.
Изобретение также относится к насыпи, содержащей некоторое количество расположенных вблизи друг от друга грунтовых штырей, выполненных с возможностью предотвращения потока земли в направлении, перпендикулярном направлению в длину упомянутого штыря. Посредством использования некоторого количества грунтовых штырей, имеющих распределяющие давление элементы, может быть эффективно блокирован возможный путь потока земляного материала. Следует понимать, что такие грунтовые штыри могут быть вставлены в любом направлении через насыпь, включая вертикальные и горизонтальные направления, и под любым углом с передней стороны или с задней стороны насыпи. В варианте осуществления, хвостовой конец штыря предусмотрен рядом с наружной поверхностью насыпи.
Изобретение также относится к способу стабилизации насыпи с использованием грунтового штыря согласно изобретению, причем способ содержит:
- соединение приводного элемента с передним концом штыря;
- введение штыря через насыпь и по меньшей мере частично в стабильный слой под насыпью; и
- расположение распределяющего давление элемента в положении в насыпи, в котором требуется стабилизация от поперечного перемещения земли.
В этом контексте, под стабильным слоем понимается слой, который не подвержен поперечному сползанию и который является адекватным для обеспечения требуемого усилия натяжения. Этот слой может представлять собой нижележащий слой глины, находящийся под насыпью, или стабильную сердцевину, не подверженную сползанию.
В варианте осуществления, способ стабилизации насыпи содержит выполнение геотехнических исследований насыпи и расположения распределяющего давление элемента в положении, соответствующем зоне сползания в насыпи.
Далее изобретение описано более подробно со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, показанные на чертежах, в которых:
Фиг.1 представляет собой вид в поперечном разрезе насыпи согласно изобретению;
Фиг.2 представляет собой вид в перспективе грунтового штыря согласно изобретению;
Фиг.3 представляет собой вид в перспективе сзади грунтового штыря с Фиг.2;
На Фиг.4a-d показаны, соответственно, виды сбоку, спереди, сзади и в поперечном разрезе грунтового штыря с Фиг.2;
На Фиг.5a показан вид в перспективе сборки поворотного грунтового якоря и грунтового штыря согласно изобретению: и
На Фиг.5b показан вид сбоку в поперечном разрезе сборки с Фиг.5a.
На Фиг.1 показана насыпь 8. Насыпь 8 расположена над слоем 10 исходного грунта и содержит земляную сердцевину 9. Одна сторона насыпи 8 подвержена воздействию давления от воды 11, тогда как другая ее сторона должна оставаться сухой.
Посредством расположения некоторого количества грунтовых штырей 1, как видно на Фиг.2, вблизи друг от друга в направлении в длину, положение земляной сердцевины 9 фиксируется в нормальных условиях.
Вследствие дождя или других конкретных обстоятельств, содержание влаги в насыпи 8 обычно может становиться таким большим, что это может привести к возникновению потока земляного материала, приводящего к удалению земляного материала. Тем не менее, согласно изобретению, посредством использования распределяющего давление элемента 2, перемещение земли в значительной степени предотвращается. Посредством расположения некоторого количества грунтовых штырей 1 вблизи друг от друга блокируется возникновение потока земляного материала.
На Фиг.1 стрелкой a показано направление потока, перпендикулярное штырю 1. Следует понимать, что предотвращаются также другие потоки, например, горизонтальные потоки.
Насыпь 8 имеет верхнюю поверхность 13 и земляную сердцевину 9. В этом варианте осуществления, номером 14 показаны возможные линии сползания. Части насыпи могут скользить относительно друг друга под воздействием неблагоприятных обстоятельств в направлении стрелок d вдоль этих линий 14 сползания. Расположение этих линий 14 или плоскостей сползания может быть определено через геотехнические исследования насыпи 8. Благодаря присутствию грунтового штыря 1 согласно изобретению и, более конкретно, распределяющих давление элементов 2, такое передвижение может быть эффективно предотвращено. На Фиг.1 грунтовый штырь 1 расположен так, чтобы проходить через соответствующую линию 14 сползания, даже через две линии 14 сползания. Здесь, штырь проходит через поверхностный слой 13, грунтовую сердцевину 9, слой 10 исходного грунта, который может быть стабильным, и стабильные слои 15, 16 под слоем 10 грунта.
На Фиг.2-4d грунтовый штырь 1 согласно изобретению в целом обозначен номером 1. По существу все тело 5 штыря предусмотрено с распределяющим давление элементом 2. Распределяющий давление элемент 2 является продолговатым и проходит вдоль штыря 1, по всей длине тела 5 штыря. Распределяющий давление элемент 2 имеет лопастную конструкцию, выполненную в форме звезды в поперечном сечении, как видно на Фиг.4b и 4c. Штырь имеет диаметр 22 штыря, здесь составляющий 25 см. Тогда распределяющий давление элемент 2 штыря имеет ширину, или лучше говоря, высоту поперек продольной оси 12, составляющую 5 см.
Передний конец 4 штыря имеет уменьшенную переднюю область по сравнению с телом 5 штыря, чтобы штырь 1 мог быть проще введен в насыпь 8. Приводной элемент 3 может представлять собой стержень или подобное средство. Передний конец 4 штыря содержит углубление 6 для принятия приводного элемента 3. Тело 5 штыря предусмотрено с расположенной по центру полостью 7, которая проходит вдоль продольной оси 12 штыря 1. Полость 7 соединяется с углублением 6 переднего конца 4 штыря и выполнено с возможностью вставления через него приводного элемента 3. Как лучше всего видно на Фиг.4d, приводной элемент 3 проходит через полость 7 и заканчивается в углублении 6 при введении штыря 1 в насыпь 8. Также в полость 7 возможно вводить затвердевающий или не затвердевающий стабилизирующий материал после введения штыря 1 в насыпь 8.
На Фиг.3b и 3c распределяющий давление элемент 2 показан как имеющий звездообразную форму в поперечном сечении. Возможны другие формы, например, ленточная форма трехлопастная форма. Следует понимать, что эти формы являются чисто иллюстративными, и что может быть предусмотрено любое другое подходящее поперечное сечение, которое увеличивает площадь поверхности для предотвращения поперечного потока. Распределяющий давление элемент 2 также может быть выполнен в форме спирали вдоль длины штыря 2. Также форма распределяющего давление элемента 2 может не быть одинаковой по всей длине штыря 21 и может изменяться согласно заданным требованиям, которые зависят от состава нескольких слоев грунта и возможности поперечного перемещения.
На Фиг.5a и 5b показана сборка 17 грунтового штыря 1 и поворотного грунтового якоря 18, которая может быть введена в насыпь посредством приводного элемента 3. Поворотный грунтовый якорь 18 соединен с передним концом штыря, и передняя часть штыря открыта, как видно на чертеже, для соединения приводного элемента 3 с поворотным грунтовым якорем 18. Следовательно, якорь 18 предусмотрен с углублением 21 под приводной элемент, как это известно, для этих якорей 18. Грунтовый якорь 18 соединен со штырем 1 таким образом, чтобы поворотный грунтовый якорь сохранял свое положение введения в грунт при введении штыря в насыпь 8. Следовательно, передний конец штыря предусмотрен с кулачком 19 штыря, который стыкуется с позиционирующим углублением 20 якоря 18.
Следует понимать, что выше изложены только примеры изобретения. К тому же, следует понимать, что могут быть выполнены комбинации с другими технологиями, приводящие к дополнительному улучшению эффективности стабилизации.
На основании этого описания, специалисту в данной области техники будет понятно множество других вариантов осуществления, лежащих в объеме защиты и сущности настоящего изобретения, и являющихся очевидными комбинациями технологий предшествующего уровня и описания настоящего изобретения.