Земляное сооружение на слабом основании

 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве и реконструкции линейных сооружений на слабых, в том числе вечномерзлых грунтах 3-й и 4-й категорий термопросадочности, на бессточных участках, и болотах 2-го и 3-го типов. Земляное сооружение на слабом основании включает тело насыпи из чередующихся слоев насыпного грунта и полотнищ гибкого синтетического нетканого материала (СНМ), уложенных в продольном направлении на всю длину участка со слабым основанием и в поперечном - на ширину дорожного полотна. Новым является то, что оно снабжено тягами, заанкеренными с двух сторон слабого основания в прочные грунты и имеющими на верхних частях ролики, а полотнища СНМ выполнены в виде замкнутой ленты и уложены на проектной отметке полотна насыпи, при этом замкнутая лента натянута между верхними частями каждой из заанкеренных с двух сторон слабого основания в прочные грунты тяг, а внутреннее пространство ленты заполнено дренирующим материалом. Технический результат изобретения состоит в разработке земляного сооружения, стабильность которого обеспечивается устранением осадок слабого основания под воздействием сосредоточенных нагрузок в период эксплуатации за счет их перераспределения в теле земляного сооружения в продольном и поперечном направлениях и передачи нагрузки от участка со слабым основанием на прочные грунты. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве и реконструкции линейных сооружений на слабых, в том числе вечномерзлых грунтах 3-й и 4-й категорий термопросадочности, на бессточных участках и болотах 2-го и 3-го типов (железных и автомобильных дорог, магистральных трубопроводов, плотин и дамб).

Практически 10% дорожных сооружений строится и эксплуатируется на слабом основании.

Основная причина потери несущей способности сооружений в этих условиях связана с деформациями, которые происходят в результате тиксотропного разуплотнения и выдавливания текучепластичных грунтов водонасыщенного основания (торфяных, лессовых, илов и т. д.). Деформации происходят под воздействием подвижной нагрузки и веса насыпи самих линейных сооружений как в поперечном, так и продольном направлениях.

При росте грузонапряженности вибродинамическое воздействие от подвижной нагрузки увеличивается, соответственно возрастают тиксотропные явления в грунтах, а необходимое увеличение нормативно-конструктивных параметров сооружений вызывает дополнительное выдавливание разуплотненных текучих грунтов и, соответственно, осадку сооружения.

Все это приводит к увеличению осадок линейных насыпных сооружений. Деформации в виде осадок продолжаются в течение всего срока эксплуатации объектов.

Общеизвестно, что стабильность земляного сооружения обеспечивается за счет мелиорации (осушения) грунтов основания. Но осушение грунтов основания в пределах бессточных участков практически невозможно, поэтому одним из способов устранения таких осадок грунтов основания является устройство армирующих конструкций.

Известно земляное сооружение на слабом основании /1/. Земляное сооружение содержит в верхней части насыпь, в нижней - арматуру. Арматура выполнена в виде канатов и размещена в активной зоне основания насыпи поперечными ярусами. При этом канаты уложены выпуклостью кверху. На концах канатов закреплены крупнообъемные элементы.

Достоинством такой конструкции является уменьшение выдавливающих сил в период консолидации активной толщи основания и, соответственно, предотвращение выпора слабых масс грунта. Отпорные реакции арматуры направлены вертикально вверх и компенсируют нагрузку на основание. В результате уменьшаются выдавливающие силы (от веса насыпи и подвижной нагрузки) на слабые текучепластичные грунты основания, и, соответственно, уменьшается их осадка, и, соответственно, замедляется осадка самого сооружения.

Недостатком такого сооружения является продолжающееся развитие осадок в продольном и поперечном направлениях в процессе его эксплуатации. Осадки в продольном направлении связаны с неоднородностью слабого основания по длине участка. Это приводит к тому, что реакции отпора от арматуры по всей длине распределяются не равномерно. Неравномерное распределение реакций приводит к возникновению и развитию осадок в продольном направлении. Деформации сооружения в поперечном сечении связаны с формой армирования основания в виде арки. При таком армировании центральная часть сооружения и откосные зоны воспринимают нагрузку не равномерно. Это обусловлено тем, что в выпуклой части происходит максимальный отпор арматуры от нагрузки, а по краям - по убывающей. Все это затрудняет обеспечение устойчивости откосных зон и отрицательно влияет на целостность сооружения в процессе его эксплуатации. Долговечность такого сооружения составляет не более 10 лет.

Таким образом, известная конструкция не обеспечивает равномерное распределение нагрузки и, соответственно, полное устранение осадки как по длине сооружения, так и в поперечном сечении, а лишь неравномерно уменьшает ее.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является земляное сооружение на слабом основании, включающее тело насыпи из чередующихся слоев насыпного грунта и полотнищ гибкого синтетического нетканого материала (СНМ). Полотнища СНМ размещены по длине и по ширине дорожного полотна в теле насыпи. В откосных частях поперечные полотнища СНМ заполнены грунтом и образуют упорные призмы в продольном направлении с обеих сторон насыпи /2/. Полотнища СНМ испытывают натяжение от веса насыпного грунта и подвижной нагрузки Р. При этом упорные призмы препятствуют перемещению полотнищ СНМ и способствуют их натяжению. Натяжение СНМ позволяет распределить сосредоточенную нагрузку по поперечному сечению сооружения и, соответственно, уменьшить ее в среднем сечении.

Достоинством такой конструкции является то, что упорные призмы в откосах насыпного сооружения уменьшают осадку в поперечном направлении и тем самым защищают тело насыпи от деформирования. Это обусловлено тем, что благодаря упорным призмам полотна СНМ всегда находятся в натяжении, которое позволяет уменьшить сосредоточенную нагрузку от Р. Уменьшение сосредоточенной нагрузки в поперечном направлении приводит к уменьшению осадки самого тела насыпи в поперечных сечениях. Эти достоинства проявляются только в теле самой насыпи.

Недостатком такой конструкции является то, что основание, на котором находится сама укрепленная насыпь, остается слабым. Это обусловлено тем, что реакции отпора F в упорных призмах лишь уменьшают давление и, соответственно, уменьшают деформации (осадки) основания в центре насыпи, делают их равномерно распределенными по поперечному профилю, но не ликвидируют их до конца.

Другим недостатком является наличие слабых удерживающих усилий в продольном направлении. Это обусловлено тем, что в продольном направлении сооружение находится на слабом, неоднородном основании, которое имеет различную сопротивляемость различных грунтов к нагрузкам. Изолированные полотнища СНМ достаточно обеспечивают удерживающие усилия в поперечном направлении и лишь частично - в продольном. Наличие слабых удерживающих усилий в продольном направлении вызывает неравномерные осадки и нарушает целостность сооружения. Долговечность такой конструкции составляет также не более 10 лет.

Таким образом, известное устройство исключает возможность полной ликвидации осадки. Отсутствие целостности приводит к неравномерному распределению нагрузки в продольном направлении и осадкам как в продольном, так и поперечном направлениях, что нарушает стабильность сооружения с течением времени.

В основу изобретения положена задача разработать земляное сооружение, стабильность которого обеспечивается устранением осадок слабого основания под воздействием сосредоточенных нагрузок в период эксплуатации за счет их перераспределения в теле земляного сооружения в продольном и поперечном направлениях и передачи нагрузки от участка со слабым основанием на прочные грунты.

Для решения поставленной задачи в известном земляном сооружении на слабом основании, включающем тело насыпи из чередующихся слоев насыпного грунта и полотнищ гибкого синтетического нетканого материала (СНМ), уложенных в продольном направлении на всю длину участка со слабым основанием и в поперечном - на ширину дорожного полотна, оно дополнительно снабжено тягами, заанкеренными с двух сторон слабого основания в прочные грунты и имеющими на верхних частях ролики, а полотнища СНМ выполнены в виде замкнутой ленты и уложены на проектной отметке полотна насыпи, при этом замкнутая лента натянута между верхними частями каждой из заанкеренных с двух сторон слабого основания в прочные грунты тяг, а внутреннее пространство ленты заполнено дренирующим материалом.

Кроме того, в качестве дренирующего материала использован песок.

Кроме того, нижние концы каждой из тяг, заанкеренных в прочные грунты, выполнены в виде петель.

Сооружение предлагаемого земляного сооружения обеспечивает его устойчивость на пересечении болот 2-го-3-го типа и термопросадочных грунтах 3-й и 4-й категорий, на бессточных участках марей.

Благодаря совокупности признаков технического решения земляное сооружение представляет собой упругую конструкцию. В поперечном и продольном сечении такой конструкции усилия от нагрузки воспринимаются равнозначно. Это связано с перераспределением сосредоточенной нагрузки из одной точки в равномерно распределенную и одинаковую по величине нагрузку в любом сечении сооружения. Равномерное распределение сосредоточенной нагрузки в продольном и поперечном сечениях связано с натяжением продольных полотнищ СНМ. При воздействии нагрузки на верхние полотнища СНМ происходит упругое натяжение нижних полотнищ СНМ (в замкнутой ленте). Наличие тяг и грунта внутри замкнутой ленты в конструкции способствует равномерному распределению нагрузки как в продольном, так и поперечном направлениях по всей площади полотна дороги за счет монолитности конструкции, а также передачи нагрузки на прочное основание.

Перераспределение нагрузки на прочное основание и равномерное ее распределение по всему сооружению приводит к уменьшению любого сосредоточенного усилия от любой нагрузки на наиболее деформируемом участке (максимальной осадки) сооружения.

При этом наличие роликов позволяет значительно уменьшить силы от упругого натяжения полотнищ, передаваемого на тяги.

На чертеже представлена схема земляного сооружения на слабом основании.

Земляное сооружение 1 на слабых грунтах 2 содержит тело насыпи 3, полотнища СНМ 4 и тяги 5.

Полотнища СНМ 4 уложены на полотне насыпи 6 в виде замкнутой ленты 7. При этом в продольном направлении полотнища СНМ 4 занимают всю длину участка со слабым основанием L, а в поперечном - всю ширину дорожного полотна В.

Тяги 5 установлены с обеих сторон участка со слабым основанием 2. Верхняя часть каждой тяги 5 расположена на основной площадке дорожного полотна, на отметке, позволяющей при досыпке обеспечить его проектное положение. Замкнутая лента 7 из полотнищ СНМ 4 натянута на верхнюю часть каждой тяги 5. Концы тяг выполнены в виде петель 8. Петли 8 тяг 5 жестко закреплены в прочные грунты 9 анкерами 10.

Устройство работает следующим образом.

При воздействии в любой точке сооружения сосредоточенная нагрузка Р передается на полотно насыпи 6 и, соответственно, замкнутую ленту 7. При этом возникают растягивающие усилия верхнего полотнища замкнутой ленты 7, которые благодаря тягам 5, передаются на нижние полотнища замкнутой ленты 7. В результате нижние полотнища упруго натягиваются. При этом тяги испытывают по величине такие же усилия от натяжения полотен СНМ 4, оставаясь в неизменном положении благодаря анкерным креплениям 10. Благодаря неизменному положению тяг 5 усилия от натяжения нижних полотен СНМ равномерно распределяются по всей площади замкнутой ленты 7, т.е. как в продольном, так и поперечном направлениях. Усилия, которые испытывают верхние части тяг 5 передаются на анкерные крепления 10.

Таким образом, в конструкции за счет натяжения полотнищ СНМ происходит перераспределение сосредоточенной нагрузки в продольном и поперечном направлении, с участка наибольшей осадки на концевые участки сооружения, сводя их к минимуму и обеспечивая его устойчивость.

Для уменьшения растягивающих усилий в полотнищах СНМ замкнутая лента 6 внутри заполнена дренирующим грунтом (песком), что обеспечивает монолитность конструкции и способствует более равномерному распределению нагрузки как в продольном, так и поперечном направлениях по всей площади полотна насыпи. Это способствует увеличению его срока службы, следовательно, долговечности самой конструкции.

Для уменьшения усилий на тяги на них в верхней части дополнительно надеты ролики 11, что также приводит к повышению надежности и долговечности конструкции. Ролики уменьшают растягивающие усилия, передаваемые на тяги, за счет обеспечения равномерного натяжения полотнищ СНМ в верхней и нижней частях замкнутой ленты.

Долговечность и стабильность заявляемой конструкции при использовании составляет, как показали расчеты, как минимум, 15-20 лет, что в 2 раза превышает долговечность известных конструкций.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ 1. A. С. СССР 1330249, МКИ Е 02 В 7/06. Земляная плотина на слабом основании / С. Л. Топчий (СССР), Укр. НИИГиМ (СССР) -3997197/29-15. Заявлено 10.11.85. Опубликовано 15.08.87. Бюл. 30.

2. А. С. СССР 894076, МКИ Е 02 D 17/18. Насыпь / А. А. Цернант (СССР), СибЦНИИС (СССР) - 2835919/29-33. Заявлено 06.11.79. Опубликовано 30.01.82. Бюл. 48.

Формула изобретения

1. Земляное сооружение на слабом основании, включающее тело насыпи из чередующихся слоев насыпного грунта и полотнищ гибкого синтетического нетканого материала (СНМ), уложенных в продольном направлении на всю длину участка со слабым основанием и в поперечном - на ширину дорожного полотна, отличающееся тем, что оно снабжено тягами, заанкеренными с двух сторон слабого основания в прочные грунты и имеющими на верхних частях ролики, а полотнища СНМ выполнены в виде замкнутой ленты и уложены на проектной отметке полотна насыпи, при этом замкнутая лента натянута между верхними частями каждой из заанкеренных с двух сторон слабого основания в прочные грунты тяг, а внутреннее пространство ленты заполнено дренирующим материалом.

2. Земляное сооружение на слабом основании по п.1, отличающееся тем, что в качестве дренирующего материала использован песок.

3. Земляное сооружение на слабом основании по п.1, отличающееся тем, что нижние концы каждой из тяг, заанкеренных в прочные грунты, выполнены в виде петель.

РИСУНКИ

Рисунок 1