СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ СЛАБЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И СОСТАВ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано для восстановления или увеличения прочности слабых грунтов основания земляного полотна или земляного полотна железных и автомобильных дорог на участках распространения грунтов, деформирующихся и дающих неравномерную осадку под воздействием нагрузок, в т.ч. под воздействием сильной обводненности грунтов.

Известен способ укрепления основания земляного полотна на вечномерзлых грунтах, включающий разрушение сильнольдистых фрагментов высокоскоростными жидкими струями, например через скважины, удаление разрушенного льдистого грунта и замещение его талым грунтом в виде пульпы высокой консистенции, т.е. на месте удаленного грунта создают песчаные сваи.

В этом же патенте описан состав для осуществления способа, в качестве которого используют талый грунт, например песок, в который, при необходимости, добавляют цемент (патент РФ №2074928, МПК E02D 17/20, опубл. 10.03.1997).

Известен также способ ремонта железнодорожного земляного полотна, по которому изготавливают дренажные скважины, после чего между ними или с противоположной стороны погружают инъектор, производят принудительное удаление накопленной воды по дренажным скважинам путем одновременного нагнетания через инъектор твердеющего раствора.

В этом же патенте в качестве твердеющего раствора используют цементно-глинистые, цементно-песчаные растворы либо органические вяжущие материалы (патент РФ №2277616, МПК E02D 3/12, опубл. 20.01.2006).

Общим недостатком описанных способов и составов для их осуществления является то, что создаваемые жесткие конструкции под действием постоянных динамических нагрузок, а также под действием воды подвержены деформации, что вызывает просадку земляного полотна, кроме того, песчано-цементные растворы под действием грунтовых вод размываются, не успевают схватываться и выносятся из тела земляного полотна.

Вода одинаково отрицательно действует как на грунтовый материал полотна гидросооружения, так и на грунтовый материал земляного полотна дороги, размывая, разупрочняя его, что вызывает его расползание.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому является способ изготовления сплошных водонепроницаемых экранов, обладающих структурной прочностью, в низкотемпературных грунтовых материалах гидротехнических сооружений, включающий нагнетание под давлением, меньшим давления гидроразрыва грунтового материала, полимерного состава, способного образовывать гель при положительных температурах и криогель в процессах замораживания-размораживания.

В этом же патенте описан состав для осуществления способа, включающий поливиниловый спирт - структурообразователь, воду и борную кислоту при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

При создании сплошного водонепроницаемого экрана требуются значительные материальные вложения. Используемый полимерный состав дает недостаточную структурную прочность.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа увеличения прочности слабых грунтов основания земляного полотна железных и автомобильных дорог на обводненных участках, где грунты дают неравномерную осадку и деформируются под воздействием нагрузок.

Технический результат - предотвращение деформаций земляного полотна в виде просадок основной площадки и расползания откосов насыпей путем повышения прочности грунтов основания земляного полотна, а также создание состава с улучшенными структурно-механическими свойствами для осуществления способа при сокращении материальных затрат на укрепление земляного полотна.

Технический результат достигается за счет того, что в способе укрепления слабых грунтов основания земляного полотна, включающем нагнетание в грунт основания земляного полотна через скважины полимерного состава в виде геля (криогеля), полимерный состав нагнетают с двух сторон земляного полотна так, что образуют упрочняющую опорную систему в виде пространственной решетчатой структуры из грунта, связанного полимерным составом, а полимерный состав для осуществления способа, включающий поливиниловый спирт - структурообразователь, борную кислоту и воду, дополнительно содержит базальтовое волокно и/или минеральные добавки при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, полимерный состав нагнетают с двух сторон земляного полотна так, что образуют упрочняющую опорную систему в виде пространственной решетчатой структуры из грунта, связанного полимерным составом.

Полимерный состав, нагнетаемый в грунт, на первом этапе образует гель, затем при отрицательных температурах гель преобразуется в криогель с высокой прочностью, водонепроницаемостью, упругостью и хорошей адгезией к породе. Повторение циклов «замораживания - оттаивания» улучшает физико-механические свойства грунта - увеличивается его прочность, при этом упругость сохраняется. Криогель является эффективным укрепляющим средством, значительно снижающим фильтрацию воды в пористой среде, т.к. криогель не растворяется в воде, и повышающим прочностные свойства грунтовых материалов. Криогель можно готовить непосредственно на промышленном объекте и закачивать в скважины с использованием стандартной техники.

При создании предлагаемого способа укрепления слабых грунтов основания земляного полотна железных и автомобильных дорог в первую очередь использовались укрепляющие свойства криогеля, его высокая упругость. Повышение водонепроницаемости грунта служит в данном случае дополнительным положительным эффектом.

Нагнетание полимерного состава в грунтовый материал основания земляного полотна с двух сторон через скважины, пробуренные наклонно, например, под углом 20°-45° к горизонтальной плоскости, позволяет создать упрочняющую опорную систему в виде пространственных решеток: правосторонней и левосторонней, при этом элементами решетки являются цилиндры упрочненного криогелем грунта. По всей длине укрепляемого участка цилиндр упрочненного грунта пересекается с другими цилиндрами упрочненного грунта. В местах пересечения образуются узлы решетки, придающие ей пространственную прочность и устойчивость. Правая и левая решетки соединяются в средней части основания земляного полотна. Такое соединение решеток в упругую пространственную структуру дает возможность значительно увеличить общую прочность системы, позволяет воспринимать динамические нагрузки от движущегося транспорта, равномерно их распределять и передавать на лежащие ниже слои грунта, тем самым исключать неравномерную осадку дорожного полотна, предотвращая его расползание.

Выполнение упрочняющей опорной системы в виде решетчатой конструкции, а не сплошной плиты позволяет значительно экономить материальные ресурсы.

Отличительные признаки предлагаемого полимерного состава заключаются в том, что полимерный состав дополнительно содержит базальтовое волокно и/или минеральные добавки при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Дополнительное использование базальтового волокна или минеральных добавок, например гранитного мелкодисперсного порошка, или их совместное использование позволяет улучшить структурно-механические свойства состава, т.к., являясь наполнителями, указанные добавки ускоряют структурирование криогеля и повышают его упрочняющие свойства, особенно это важно для закрепления грунтового материала с высоким поглощением.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен поперечный разрез земляного полотна двухпутной железной дороги, в основание которого через пробуренные скважины производится нагнетание полимерного состава.

На фиг.2 изображен вид сверху опорной системы - пространственной решетки, состоящей из цилиндров упрочненного криогелем грунта.

Способ осуществляется следующим образом.

Экспериментальные работы проводились на участке железной дороги, основание земляного полотна на котором, в результате сильного обводнения, дает постоянную осадку, которая приводит к деформации самого земляного полотна и верхнего строения пути.

Осуществляется, например, колонковое бурение или другие известные способы бурения скважин, через которые в дальнейшем будет производиться нагнетание полимерного состава с углами наклона к горизонтальной плоскости 20-45°. Это позволяет установить буровое оборудование на безопасное расстояние от железнодорожного пути и обеспечить возможность ведения работ без перерыва для пропуска поездов.

Скважины 1 (фиг.1) бурят с двух сторон земляного полотна 2, со стороны четного и нечетного железнодорожного пути навстречу друг другу. Длина скважины рассчитывается из условия, что она заканчивается в середине междупутья и концы скважин, пробуренных с разных сторон железнодорожного пути, должны пересекаться или, по крайней мере, сходиться.

В процессе бурения в скважину вставляется полимерная перфорированная обсадная труба 3, через которую нагнетается под давлением полимерный состав, образующий с укрепляемым грунтом цилиндры 4. Как вариант, можно рассмотреть и другие известные способы закачивания полимерного состава, например, через полые штанги колонкового бура, при этом необходимо первые секции таких штанг сделать с перфорацией.

Пары скважин пробуриваются из одной точки (фиг.2) вправо и влево под углом, например 45°, к оси железнодорожного пути на расстоянии друг от друга, например 4 м. Выбор расстояния между скважинами определяется необходимостью обеспечить равномерное распределение нагнетаемого полимерного состава под всей укрепляемой площадкой полотна железнодорожного пути, от середины междупутья до обочины балластной призмы. В результате создается пространственная конструкция, состоящая из двух решеток 5, правой и левой, со стороны четного и нечетного железнодорожного пути. Элементами решетки являются цилиндры 4 упрочненного криогелем грунта, перекрещивающиеся друг с другом под прямым углом. Диаметр цилиндров 1,0-1,5 м, т.к. экспериментально определено, что полимерный состав под давлением распространяется в грунте на 0,5-07 м. По всей длине укрепляемого участка цилиндр упрочненного криогелем грунта в трех местах пересекается с другими цилиндрами. В местах пересечения образуются узлы решетки 6, придающие ей пространственную прочность и устойчивость. Правая и левая плоские решетки соединяются между собой в зоне середины междупутья, в эксперименте на глубине 3-х метров. Каждая из грунтовых решеток воспринимает нагрузки от подвижного состава, движущегося по соответствующему пути. Соединение решеток в пространственную конструкцию в месте их стыкования позволяет значительно увеличить общую прочность системы и создает условия устойчивости земляного полотна от расползания.

Полимерный состав, содержащий 5% поливинилового спирта, 1% борной кислоты и 1% наполнителя, например базальтовое волокно, готовится следующим образом: в воду объемом 700-710 литров температурой 90-95°C при постоянном перемешивании помещают 7,5 кг борной кислоты, затем 40 кг поливинилового спирта, добавляют 7,5 кг базальтового волокна, перемешивают в течение 3-5 часов до получения однородного раствора. Полученный раствор в количестве, примерно, 750 литров имеет плотность 1,0-1,5 кг/м³ и вязкостью 40-60 мПа·с.

Эксперименты показали, что прочность основания земляного полотна при создании упрочняющей опорной системы в виде пространственной решетчатой структуры повысилась в 2 раза. Экономия материальных ресурсов на данном участке работы составила 500 тыс. руб. на 100 погонный метров, т.е. уменьшена в 2,5 раза по сравнению с созданием сплошной упрочняющей опорной системы.