способ упрочнения слабого природного основания для возведения дорожного земляного полотна

Формула изобретения

1. Способ упрочнения слабого природного основания для возведения дорожного земляного полотна, включающий сооружение в грунте слабого основания армирующего устройства в виде грунтовых свай, каждая из которых представляет собой защитную оболочку, заполненную дренирующим материалом, и последующее поверхностное виброуплотнение в регулируемом режиме с досыпкой между сваями песка или песчано-гравийной смеси армированного геотекстилем межсвайного пространства, причем регулирование режима виброуплотнения путем изменения параметров вибрационной нагрузки производят в зависимости от состояния деформационных и прочностных характеристик уплотняемого грунта, определяемых в результате систематического расчета коэффициента безопасности грунтов и мониторинга в межсвайном пространстве напряжений от вертикальных нагрузок, возникающих при виброуплотнении, и горизонтальных нагрузок, образующихся при расширении грунтовых свай в защитной оболочке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что параметры вибронагрузки изменяют до достижения максимально допустимой коэффициентом безопасности грунта величины нагрузки на основание и поддерживают их на допустимом величиной коэффициента безопасности уровне.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в текучепластичных грунтах до выполнения армирующего устройства производят устройство дренажных прорезей, защитного слоя и поверхностное виброуплотнение основания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству возводимых на слабых природных основаниях земляных сооружений, в том числе - дорожного земляного полотна, преимущественно для железной или автомобильной дороги.

В настоящее время для укрепления и повышения прочности слабых оснований большой мощности применяют различные технологии устройства свай и глубинного уплотнения просадочных грунтов.

Известны способы сооружения дорожного земляного полотна на слабом основании с устройством буровым или забивным способом свай-дрен, бетонных или цементогрунтовых жестких свай и укладке в верхней части свайного основания геотекстиля, выполняющего функцию гибкого ростверка [1].

Данные способы имеют следующие недостатки:

- значительное потребление цемента при сооружении свайных железобетонных конструкций;

- потеря насыпными сваями и сваями-дренами в грунте под нагрузкой формы и, соответственно, несущей способности;

- неравномерная осадка и разрывы геотекстиля вследствие различной несущей способности свай и межсвайного пространства.

Кроме того, устройство песчаных, щебеночных свай-дрен обеспечивает только фильтрационную консолидацию, но не консолидацию грунта, которая возможна лишь при его дополнительном уплотнении.

Известен способ упрочнения слабого основания [2], включающий устройство песчаных свай в защитной оболочке из геосинтетического материала путем погружения в грунт слабого основания обсадных труб, сооружения внутри труб защитной оболочки, порционной засыпки внутрь оболочки песка, уплотнения каждой его порции и последующего удаления обсадных труб. Упрочнение слабого основания достигается за счет бокового расширения песчаных свай при вибропогружении обсадной трубы и последующем виброуплотнении песка в защитной оболочке. Недостатком данного способа является малая несущая способность межсвайного пространства и, как следствие - неравномерная осадка свай и грунта в межсвайном пространстве и разрывы геосинтетического материала. Для упрочнения основания при таком способе приходится уменьшать расстояние между сваями. Указанный недостаток обусловлен отсутствием ростверка или другого конструктивно-технологического решения, упрочняющего основание в межсвайном пространстве.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является выбранный в качестве прототипа известный (RU, патент [3] № 2337205 С1) способ возведения земляного сооружения на слабых природных основаниях, включающий выполнение в грунте слабого основания армирующего устройства путем сооружения грунтовых свай в сочетании с поверхностным виброуплотнением грунта с поверхности основания.

Основные недостатки известного способа, препятствующие получению нижеуказанного технического результата:

1) потеря песчаными или щебеночными сваями в грунте под нагрузкой формы и, соответственно, несущей способности по причине отсутствия защитной оболочки и перераспределения нагрузки преимущественно на сваи;

2) деформация свай в грунте под действием внутренней фильтрации и динамических нагрузок вследствие разнопрочности основания (сваи и межсвайное пространство работают в разных режимах сжатия и деформаций.

3) значительные осадки межсвайного пространства.

Задачей настоящего изобретения является повышение безопасности земляных сооружений в районах распространения просадочных грунтов.

Технический результат, который может быть получен в результате осуществления предлагаемого изобретения, заключается в повышении надежности основания земляного сооружения за счет его упрочнения (усиления) в регулируемом режиме.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ упрочнения слабого природного основания для возведения дорожного земляного полотна на просадочных грунтах большой мощности включает сооружение в грунте слабого основания армирующего устройства в виде грунтовых свай, каждая из которых представляет собой защитную оболочку, заполненную дренирующим материалом, и последующее поверхностное виброуплотнение в регулируемом режиме с досылкой между сваями песка или песчано-гравийной смеси армированного геотекстилем межсвайного пространства, причем регулирование режима виброуплотнения путем изменения параметров вибрационной нагрузки производят в зависимости от состояния деформационных и прочностных характеристик уплотняемого грунта, определяемых в результате систематического расчета коэффициента безопасности грунтов (Кбез.), и мониторинга в межсвайном пространстве напряжений от вертикальных нагрузок, возникающих при виброуплотнении, и горизонтальных нагрузок, образующихся при расширении грунтовых свай в защитной оболочке.

Для ускорения консолидации грунта основания и уменьшения срока осадки грунта в процессе поверхностного виброуплотнения межсвайного пространства параметры (амплитуда вибрации и скорость движения катка) вибронагрузки изменяют до достижения максимально допустимой коэффициентом безопасности грунта величины нагрузки (от совместного воздействия горизонтальных и вертикальных нагрузок) на основание и поддерживают их на допустимом величиной коэффициента безопасности (К без.>0,2) уровне.

Чем больше нагрузка, тем быстрее происходит фильтрация, осадка и увеличение прочности грунтов межсвайного пространства.

При этом управление технологическими процессами включает:

1) приложение к слабому основанию максимально допустимой нагрузки от виброкатка (вертикальная нагрузка),

2) мониторинг напряжений от вертикальных и горизонтальных нагрузок и расчет коэффициента безопасности,

3) изменение толщины защитного слоя, амплитуды вибрации, скорости движения катка, времени уплотнения основания через защитный слой;

4) контроль характеристики грунта: влажность, сцепление, угол внутреннего трения.

Систематический расчет коэффициента безопасности и определение соответствующего ему режима вертикальной нагрузки по величине (вес виброкатка, амплитуда вибрации) и времени воздействия необходим для устойчивости грунтового массива при повышенных вибронагрузках.

При уменьшении фактического Кбез. по сравнению с допустимой его величиной по нормам (несущая способность модифицированного основания зависит от характеристик грунтов основания) снижают вертикальную нагрузку и делают технологические перерывы в календарном графике производства работ.

Полученное в результате осуществления заявленного способа упрочненное основание представляет собой композитную конструкцию, объединяющую грунтовые сваи в защитной оболочке и уплотненный георостверк. Конструкция обеспечивает совместную работу свай и уплотненного межсвайного пространства за счет равномерного распределения нагрузки на основание.

При образовании геосвайного ростверка происходит снижение (по величине и времени) потенциальных осадок основания за счет повышения его модуля деформации.

В процессе уплотнения грунта в межсвайном пространстве завершается осадка грунта, происходит уменьшение влажности и ускорение фильтрационной консолидации грунтов, повышение прочностных характеристик грунтов слабого основания в строительный период, а также отказ от устройства пригруза насыпи для ускорения осадки основания.

Уплотненный георостверк формируется в верхней части грунтов слабого основания непосредственно в межсвайном пространстве при регулировании (во времени и величине) под контролем коэффициента безопасности уплотняемого грунтового массива вибрационных нагрузок: вертикальных - от интенсивного уплотнения виброкатком, и горизонтальных от расширения грунтовых свай в защитной оболочке.

В грунтах текуче-пластичной консистенции (текучепластичные грунты) поверхностное виброуплотнение основания производят до выполнения армирующего устройства. При этом защитный слой устраивают методом надвижки песка на слабое основание. Этот способ обеспечивает проход копров для устройства свай.

Как правило, перед выполнением в грунте слабого основания армирующего устройства сооружают дренажные прорези и устраивают защитный технологический слой. После выполнения армирующего устройства и поверхностного виброуплотнения межсвайного пространства, которое производят с досыпкой между сваями песка или песчано-гравийной смеси, по подошве насыпи устраивают слой геотекстиля, а затем производят отсыпку и уплотнение насыпи.

Принципиальной новизной технического решения является регулирование и контроль горизонтальных и вертикальных нагрузок в межсвайном пространстве с целью образования уплотненного георостверка, обеспечивающего упрочнение грунтов и совместную работу куста свай в защитной оболочке. Способ может быть использован также при сооружении дамб, плотин и т.п.

Сущность настоящего изобретения поясняется фигурой, на которой представлен поперечный профиль насыпи дорожного полотна с размещением геосвай и распределением нагрузок в межсвайном пространстве: горизонтальных (Рг) - от расширения сваи в защитной оболочке и вертикальных (Рв) - от виброкатка при интенсивном уплотнении основания. На фигуре обозначены: 1 - спланированное основание; 2 - геосвая в защитной оболочке; 3 - дренажная канава, 4 - прорезь (траншея заполненная песком или щебнем); 5 - геотекстильная прослойка, предназначенная для разделения грунта георостверка и насыпи, а также отвода воды; 6 - насыпь.

Предлагаемая последовательность работ по упрочнению слабого основания включает следующие этапы.

Первый этап - планировка площадки, устройство дренажных канав и прорезей, устройство защитного технологического слоя - рабочей платформы (технологической бермы (проезда) для перемещения машин и людей). Прорези устраиваются в слабых водонасыщенных грунтах в соответствии с рекомендациями [4] с целью ускорения консолидации (осадка, уплотнение основания) основания за счет сокращения пути фильтрации воды, отжимаемой из слабой толщи. Расстояние между дренажными прорезями назначают, исходя из фильтрационных свойств грунтов. Ширину прорезей назначают 1 - 1,2 м в зависимости от применяемого оборудования для устройства прорезей. Для заполнения прорезей следует использовать песок гравелистый с коэффициентом фильтрации К_ф>4 м/сут или гравий.

Второй этап - сооружение в грунте основания армирующего устройства - свай в геотекстильной защитной оболочке с расстоянием между ними 2 - 2,5 м с применением виброоборудования и буровых установок методом вытеснения или выборки грунта.

Защитную оболочку заполняют песком или иным дренирующим материалом обычно отсыпкой порциями. За счет бокового распора гибкой оболочки происходит начальное уплотнение грунта в межсвайном пространстве.

Защитная оболочка представляет собой круглотканый бесшовный рукав из синтетического материала, диаметром 0,6-1,5 м (например, производство фирмы KARDARNA (Чехия) или HUESKER (Германия)).

Расстояния между сваями определяются расчетами и зависят от вида грунтов основания и предполагаемой нагрузки. Уменьшение расстояния между сваями повышает несущую способность, но увеличивает расход материалов.

В отличие от прототипа в предлагаемом техническом решении для упрочнения основания организуют совместное воздействие горизонтальных нагрузок от геосвай в защитной оболочке и вертикальных нагрузок при регулируемом уплотнении межсвайного пространства виброкатком.

Поэтому третьим этапом способа является подготовка основания к виброуплотнению в регулируемом режиме - армирование основания: устройство геотекстильной прослойки над сваями.

Четвертый этап - поверхностное виброуплотнение слабого основания в регулируемом режиме: изменение режима виброуплотнения в зависимости от качества уплотнения грунта, характеризуемого состоянием его деформационных и прочностных характеристик, которые определяются в результате систематического расчета коэффициента безопасности и мониторинга в межсвайном пространстве напряжений от вертикальных нагрузок, возникающих при виброуплотнении, и горизонтальных нагрузок, образующихся при расширении геосваи в защитной оболочке.

Поверхностное виброуплотнение слабого основания в регулируемом режиме производят с целью повышения прочностных характеристик и стабильности грунтов основания путем консолидации грунтов основания для совместной работы свай и межсвайного пространства, увеличения осадки основания в строительный период, исключения перегруза свай и их деформации.

В ходе осадки технологического защитного слоя для обеспечения прохода уплотняющих машин и исключения повреждения оболочки свай производят досыпку песка между сваями. В результате чего образуется уплотненный ростверк, который обеспечивает совместную работу свай и грунта в межсвайном пространстве при нагрузке.

Пятый этап - на подготовленном основании устраивают слой геотекстиля по подошве насыпи и начинают послойную отсыпку и уплотнение насыпи.

Опытное применение отдельных этапов композитной технологии [4] показало, что уплотнение мягкопластичных суглинков тяжелым виброкатком с суммарным воздействием веса и возмущающей силы свыше 300 кН приводит к ускоренной осадке: дает около 60% общей осадки слоя толщиной 3 м за 5 дней и завершение проектной осадки за 3 месяца.

Пример.

Коэффициент безопасности для слоя слабого основания Кбез=Р_без/Р _расч, где Р_без - безопасная нагрузка для контролируемого слоя зависит от характеристик грунта (плотности, сцепления, угла внутреннего трения) т/кв.м; Р_расч - общая расчетная (горизонтальная - от расширения оболочки геосвай и вертикальная - от веса грунта и виброкатка) нагрузка, т/м².

По нормам [1], если фактическое значение коэффициента безопасности больше единицы, то устойчивость конструкции насыпи обеспечена. В диапазоне значений коэффициента от 0,2 до 1 отсыпка насыпи допускается при медленной скорости нагружения основания. Если коэффициент безопасности равен 0,2 и меньше, то устойчивость земляного сооружения не обеспечивается, необходимо изменять технологические режимы, укреплять конструкцию.

При устройстве автодорожных подходов к мосту ч/р Кама (грунт основания - текучепластичный суглинок), была применена интенсивная технология уплотнения через защитный слой 0,5 м. Безопасная нагрузка для слабого слоя основания составила 7,2 т/кв.м. Для уплотнения основания был предусмотрен каток «Динапак», имеющий вес вибровальца 5,6 т с вынуждающей силой 246 кН и 119 кН соответственно при 1-й и 2-й ступени (амплитуде) вибрации. Расчетная нагрузка для слабого слоя от веса грунта и виброкатка при 1-й и 2-й ступени вибрации составила соответственно 10,5 т/кв.м и 7 т/кв.м. По результатам мониторинга коэффициент безопасности при уплотнении с 1-й ступенью вибрации составил Кбез=7,2/10,5=0,7. При переходе катка в режим 2-й ступени вибрации Кбез=7,2/7=1,02, что соответствует безопасному способу упрочнения слабого основания.

Если управление параметрами работы виброкатка не обеспечивает предельного значения Кбез, то для повышения безопасности слабого основания применяется увеличение толщины защитного слоя с 0,4 м до 0,8 м.

ЛИТЕРАТУРА

1. Проектирование, строительство, эксплуатация автомобильных дорог и аэродромов. - Труды Союздорнии, вып.205. М., 2005.

2. Kempfert H.-G., Stadel M., Zaeske D.: Berechnung von geokunststoffbewehrten Tragschichten über Pfahlelementen / Bautechnik. Vol 74, No.12, 1997.

3. Луцкий С.Я., Долгов Д.В., Судаков Д.В. Способ возведения земляного сооружения на слабых основаниях // Патент № 2337205, 2008.

4. Рекомендации по интенсивной технологии и мониторингу строительства земляных сооружений на слабых основаниях // Под ред. проф. Луцкого С.Я. - М.: ТИМР, 2005.