СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ОТКОСА
METHOD OF SLOPE STRENGTHENING

Изобретение относится к области строительства, а именно к укреплению откосов насыпей, конусов, откосов береговых линий и русел водоемов.
Известен способ укрепления откосов и конусов насыпей, заключающийся в установке сборной решетчатой несущей конструкции и включающий следующие операции: изготовление сборных элементов (балочек), транспортировка сборных элементов к укрепляемому откосу, разбивка поверхности откоса, укладка и стыковка сборных элементов в узловых соединениях, прикрепление собранной конструкции к поверхностным слоям откоса металлическими или железобетонными анкерами, заполнение ячеек материалом, защищающим поверхность откоса (щебень, растительный грунт, дерн) [Методические рекомендации по выбору конструкций укрепления конусов и откосов земляного полотна, технологии и механизации укрепительных работ. Минтрансстрой, Союздорнии 1981. Актуализация от 01.10.2008].
Недостатком этого способа являются значительные трудозатраты, связанные как с производством элементов конструкции из железобетона, так и с монтажом, что удлиняет сроки и повышает стоимость строительства.
Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по максимальному количеству сходных признаков является способ укрепления откосов, включающий следующие операции: скрепление между собой гибких полимерных полос, поставленных на ребро и расположенных в несколько рядов, по длине полос, транспортировку скрепленных полос к месту монтажа (укрепляемому откосу), растягивание на поверхности откоса скрепленных полос с образованием в направлении, нормальном к поверхности полос, ячеистой конструкции, закрепления ячеистой конструкции анкерами на поверхности откоса, заполнение ячеек материалом, защищающим поверхность откоса. Соединение полос выполнено точечной либо сплошной термосваркой. [Патенты RU 2152479 С1 от 10.07.1999, RU 2152480 С1 от 10.07.1999, RU 120110 U1 от 10.04.2015].
Количество анкеров, требующееся для удерживания ячеистой конструкции с заполнителем на поверхности откоса, назначают расчетом в зависимости от крутизны откоса, угла внутреннего трения заполнителя ячеек и веса заполнителя ячеек.
По сравнению с предыдущим для осуществления данного способа укрепления откоса требуется значительно меньше трудозатрат как при изготовлении элементов конструкции укрепления, так и при ее монтаже на откосе. Изготовление полимерных полос с дренажными отверстиями представляет собой несложную технологическую операцию, однако сварочные работы достаточно трудоемки: так, на 1 кв.м ячеистой конструкции с ячейками 20×24 см приходится 40 сварных швов. Большой объем сварочных работ приводит к существенному увеличению общей стоимости производства работ.
Задачей данного технического решения является упрощение технологии, сокращение сроков, снижение общей стоимости работ.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе укрепления откосов, включающем операции скрепления гибких полимерных полос, поставленных на ребро и расположенных в несколько рядов, по длине полос, растягивания на поверхности откоса скрепленных полос с образованием в направлении, нормальном к поверхности полос, ячеистой конструкции, закрепления ячеистой конструкции анкерами на поверхности откоса, заполнения ячеек материалом, защищающим поверхность откоса, гибкие полимерные полосы снабжают пазами, прорезанными поочередно сверху и снизу от продольной оси полосы, а полосы скрепляют, устанавливая двумя пакетами взаимно перпендикулярно в плоскостях, нормальных к укрепляемой поверхности откоса, «паз в паз», с переплетением полос, причем глубина паза равна половине высоты полосы,  ширина паза равна толщине полосы, а расстояние между полосами равно расстоянию между пазами.
Полосы могут быть снабжены дренажными отверстиями.
Благодаря замене в известном способе укрепления откоса операции сварки полос операцией их скрепления, предлагаемый способ позволит существенно снизить трудозатраты.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг. 1 - ячеистая конструкция, собранная заявляемым способом;
на фиг. 2 - гибкая полимерная полоса;
на фиг. 3 - ячеистая конструкция, собранная заявляемым способом, на откосе.
Способ осуществляют следующим образом. Пакет полос 1 с дренирующими отверстиями 2 и пазами 3 устанавливают на ребро, при этом пазы прорезаны поочередно сверху и снизу от продольной оси полосы, а расстояние между полосами равно расстоянию между пазами. Второй пакет полос 4 устанавливают перпендикулярно первому пакету и соединяют с первым, переплетая полосы и скрепляя их «паз в паз». Благодаря тому, что полосы гибкие, операция переплетения полос легко осуществима.
Собранную ячеистую конструкцию складывают, смыкая ячейки (скрепление «паз в паз» позволяет полосам поворачиваться относительно друг друга), и в сложенном состоянии транспортируют к месту строительства. На откосе 5 ячейки надевают на предварительно установленные по бровке откоса фиксирующие анкеры 6, конструкцию растягивают и закрепляют несущими анкерами 7 по образующей откоса. Растянутые ячейки заполняют материалом 8, используемым для укрепления поверхности откоса: щебнем, растительным грунтом, дерном или каким-либо другим. Заполнение выполняют, начиная с расположенных у подошвы откоса ячеек 9. Самый нижний ряд ячеек 10 заглубляют. Нижние ячейки 9 с заполнителем служат упором для заполнителя в верхних ячейках.
Ячейки могут располагаться на откосе квадратами (две стороны ячейки параллельны бровке откоса), либо ромбами, стороны ячейки под углом 45° к бровке откоса.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Взаимное переплетение полос позволяет сохранить целостность конструкции, удерживая скрепление «паз в паз». Анкеры фиксируют положение конструкции на откосе и препятствуют сдвигу. Материал, помещенный в ячейки, защищает поверхность откоса от эрозии.
Для проверки прочности предлагаемой конструкции выполняют расчет, состоящий из двух этапов. Сначала, так же как и для ячеистой конструкции прототипов, определяют по формулам (1) и (2) требуемое количество несущих анкеров, необходимое для удерживания ячеистой конструкции с заполнителем на откосе, при этом предполагается, что прочность стенки ячейки обеспечена
где F - часть непогашенной трением сдвигающей силы;
G - вес ячеистой конструкции с заполнителем;
α - угол откоса;
ϕ - угол внутреннего трения грунта откоса.
При заложении откоса насыпи 1:2 (обычно устраивают в зоне вечной мерзлоты), для насыпей из песков, в т.ч. пылеватых, величина в скобках отрицательна. Это означает, что ячеистая конструкция удерживается на поверхности откоса за счет трения, несущие анкеры не требуются. Конструкцию закрепляют (фиксируют) анкерами только по периметру. В этом случае ячеистая конструкция служит для фиксирования слоя защищающего материала требуемой толщины на поверхности откоса. При более крутых откосах, когда (sinα-cosα tgϕ)>0, требуемое количество несущих анкеров n определяют по формуле (2)
где R - несущая способность анкера.
Проверку прочности стенки ячейки (полосы) выполняют по формуле (3)
где [σ] - прочность материала стенки ячейки на разрыв;
0
d - высота части стенки ячейки, работающей на растяжение;
a
F - нагрузка от веса ячеистой конструкции с заполнителем, действующая на один анкер, число которых определено по формуле (2).
Расчет, выполненный для наиболее неблагоприятных условий, показал, что прочности стандартной полосы с дренирующими отверстиями, выпускаемой для ячеистой конструкции прототипов отечественными производителями, достаточно для применения в предлагаемой конструкции (см. Приложение).
Эффективность предлагаемого технического решения заключается в снижении стоимости ячеистой конструкции за счет существенного сокращении трудозатрат при изготовлении конструкции в результате замены сварки полос их сборкой. Сборка полос «паз в паз» занимает значительно меньше времени, чем сварка полос, а соединение полос обладает требуемой прочностью.
Пример осуществления способа.
Откосы автомобильной дороги III технической категории, сооружаемой в Московской области, предполагалось укрепить при помощи традиционной ячеистой конструкции - пространственной георешетки, выполненной путем сварки гибких полос, с засыпкой ячеек щебнем. Было решено заменить сварную ячеистую конструкцию сборной. Для изготовления сборной конструкции были использованы гибкие полосы с дренирующими отверстиями, выпускаемые для изготовления пространственных георешеток, шириной 10 см. В полосах были нарезаны пазы глубиной 5 см и шириной 1,3 мм, равной толщине полосы.
Был выполнен расчет сборной ячеистой конструкции по прочности (см. Приложение), на основании которого было установлено, что при замене сварки полос их сборкой «паз в паз» прочность конструкции обеспечена.
Длина образующей откоса составила 4 м, протяженность укрепляемого участка - 180 м.
На заводе были собраны 20 модулей ячеистой конструкции длиной 6 м и шириной 4 м. Для этого гибкие полимерные полосы, снабженные пазами, соединили, устанавливая пакеты полос взаимно перпендикулярно, «паз в паз», таким образом, чтобы ячейки располагались на откосе ромбами (стороны ячейки расположены под углом 45° к бровке откоса).
2
Поверхность откоса была спланирована и выровнена. По бровке откоса были установлены крепежные элементы - металлические анкеры, расстояние между которыми было равно диагонали ячейки. Ячейки модулей надели на анкеры и растянули их вниз. Каждый модуль был закреплен анкерами по периметру. По плоскости откоса ячейки были закреплены несущими анкерами согласно расчету 2,4 шт/м, или 5 анкеров на 2 кв.м. Ячейки конструкции засыпали щебнем при помощи автопогрузчика фронтального типа, начиная с нижних ячеек.
В течение наблюдаемого периода эксплуатации дороги (1 год) каких-либо деформаций ячеистой конструкции не было замечено.
Приложение
Пример расчета предлагаемого устройства (ячеистой конструкции) по прочности.
Исходные данные
Откос насыпи автомобильной дороги укрепляют при помощи предлагаемого устройства - ячеистой конструкции, удерживаемой на откосе анкерами.
Заложение откоса насыпи 1:1,5 (угол откоса α=34°; sinα=0,56; cosα=0,83), угол внутреннего трения грунта насыпи ϕ=23° (tgϕ=0,42). Сцеплением в грунте пренебрегаем, рассматриваем наиболее неблагоприятный период, когда грунт увлажнен после дождей.
Высота стенки ячейки (полосы) d=10 см.
Принимаем прочность материала полосы с дренирующими отверстиями на разрыв [σ]=11 кг/см, что соответствует прочности полосы с дренирующими отверстиями от различных производителей в РФ, выпускающих сварные ячеистые конструкции.
щ
3
Несущая способность стального анкера R=12 кг. Заполнитель ячеек - щебень, объемный вес γ=1,4 т/м.
Требуется проверить прочность заявленной конструкции.
Расчет
1. Определяем требуемое количество анкеров для удерживания ячеистой конструкции на откосе.
2
Вес G ячеистой конструкции, заполненной щебнем, площадью S=1 м:
2
3
G=1 м⋅0,1 м⋅1,4 т/м=0,14 (т)
Требуемое количество анкеров n на 1 кв.м:
2. Проверяем прочность стенки ячейки.
Один анкер удерживает часть ячеистой конструкции весом 12 кг. Приложенная сила F (непогашенная трением часть веса ячеистой конструкции с заполнителем) раскладывается на составляющие, приложенные к стенкам ячейки под углом 45° (рисунок П. 1).
c
1 - анкер; 2 - стенки ячейки; F - составляющие приложенной к ячейке силы F, действующие в стенках ячейки.
Рисунок П. 1 - Ячейка с анкером (план)
c
F=2 F cosβ=2⋅12⋅cos 45°=24⋅0,71=17 (кг);
Условие прочности стенки ячейки:
где N - прочность стенки ячейки;
0
где d - ширина полосы, воспринимающая нагрузку.
0
Учитывая, что нагрузку воспринимает половина высоты стенки ячейки (до разреза), d=0,5d, полоса высотой 10 см выдерживает
N=0,5⋅[σ]⋅d=0,5⋅11⋅10=55 (кг);
Условие прочности (4) выполнено с большим запасом:
55>17
Вывод: прочность стенки заявляемого устройства - сборной ячеистой конструкции достаточна для удерживания защитного материала на поверхности откоса.