Результат интеллектуальной деятельности: НАСЫПЬ И СПОСОБ ЕЕ ВОЗВЕДЕНИЯ

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении дорожных и гидротехнических земляных сооружений.

Армирование земляных сооружений с целью повышения степени их устойчивости нашло широкое использование в связи с тем, что возведение земляных сооружений, особенно высоких, часто приходится осуществлять в сложных и стесненных условиях, а также в связи с тем, что появились новые армирующие материалы, в первую очередь геотекстильные (геотекстиль, геосетки, георешетки и т.п.). При этом практика выявила необходимость повышения уровня соответствия расчетных схем реальным условиям работы армирующих элементов в конструкции, поскольку существующие методы расчета армированных насыпей до сих пор носят чрезмерно приближенный характер и не в полной мере учитывают особенности работы армирующего элемента в грунте.

Известна насыпь [1], включающая послойно отсыпанный горизонтальными слоями с уплотнением грунт с уложенными армирующими элементами, при этом в качестве армирующих элементов в верхней и нижней частях насыпи использованы гибкие элементы, а в средней по высоте сечения части дискретно размещены жесткие стержни, заделанные не менее чем на 2/3 своей длины в устойчивую часть насыпи (ядро) и сопротивляющиеся срезающим усилиям.

Применение в поперечном сечении насыпи разнотипных армирующих элементов, гибких и жестких, усложняет конструкцию насыпи. При этом в верхней части насыпи гибкие армирующие элементы при образовании трещины разрыва эффективно предотвращают отрыв неустойчивой приоткосной части насыпи от ее устойчивой центральной части, но практически не препятствуют сдвигу неустойчивой боковой части по потенциальной поверхности скольжения. Дополнительно, как это следует из [1], гибкие армирующие элементы «уложены в пределах всего уплотняемого слоя», то есть по всей ширине поперечного сечения насыпи, что обуславливает непроизводительное расходование армирующего материала.

Там же [1] известен способ возведения насыпи, включающий послойную отсыпку горизонтальными слоями с уплотнением грунта и укладку на поверхности слоев гибких армирующих элементов, при этом в средней по высоте сечения насыпи дискретно размещают жесткие стержни, которые заделывают не менее чем на 2/3 своей длины в устойчивой центральной части насыпи.

Укладка в поперечном сечении насыпи разнотипных армирующих элементов, гибких и жестких, усложняет ведение работ при возведении насыпи, при этом гибкие армирующие элементы работают непроизводительно.

Известна насыпь [2 или 3], включающая послойно отсыпанный горизонтальными слоями с уплотнением грунт и гибкие армирующие элементы, каждый из которых уложен на поверхность слоя, в поперечном сечении насыпи пересекает разделительную границу между устойчивой центральной частью неармированной насыпи и ее неустойчивой приоткосной частью и воспринимает со стороны грунта растягивающие усилия. При этом разделительная граница представляет собою потенциальную поверхность скольжения (смещения, сдвига, обрушения), по которой установленный коэффициент запаса устойчивости К_уст неармированной насыпи имеет наименьшее значение, но не менее единицы.

Горизонтально расположенные гибкие армирующие элементы при образовании трещин разрыва (закола) эффективно предотвращают отрыв неустойчивой приоткосной части насыпи от ее устойчивой центральной части. Однако такие гибкие армирующие элементы смогут удерживать неустойчивую приоткосную часть от обрушения по потенциальной поверхности скольжения только после того, как произойдет достаточно значительное начальное смещение неустойчивой приоткосной части, вызывающее такое же значительное начальное деформирование гибкого армирующего элемента [2, рис.2]. При этом деформирование реальной неустойчивой приоткосной части насыпи, а вместе с ней и деформирование гибких армирующих элементов, по мере приближения к откосу насыпи часто происходит с недопустимым нарастанием смещения гребня насыпи вниз, особенно в случае несвязных или слабо связных грунтов. Этому не соответствует смещение-кручение «отвердевшей» приоткосной части, принятое в гипотезе метода смещения, которая до настоящего времени является основной при расчете армирования насыпей [2 и 3]. Все это снижает надежность такой армированной насыпи и ведет к излишнему расходованию армирующего материала, следовательно, и к увеличению затрат.

Там же [2 и 3] известен способ возведения насыпи, включающий послойную отсыпку горизонтальными слоями с уплотнением грунта и укладку на поверхности слоев гибких армирующих элементов, каждый из которых в поперечном сечении насыпи пересекает разделительную границу между устойчивой частью насыпи и ее неустойчивой приоткосной частью и воспринимает со стороны грунта растягивающие усилия. При этом за разделительную границу принимают поверхность скольжения, по которой установленный коэффициент запаса устойчивости К_уст неармированной насыпи имеет наименьшее значение, но не менее единицы.

Поскольку установленный коэффициент запаса устойчивости К_уст по потенциальной поверхности скольжения часто существенно меньше требуемого коэффициента К_тр, то принятие потенциальной поверхности скольжения за разделительную границу [2, рис.2] снижает устойчивость армированной насыпи по ее более глубоким поверхностям скольжения.

Действительно, часть насыпи, заключенная между двумя поверхностями скольжения, по одной из которых установленный коэффициент запаса устойчивости К_уст, а по другой требуемый К_тр, имеет недостаточный запас устойчивости, поэтому полагать, что в этой части насыпи гибкий армирующий элемент заделывается и удерживается, по нашему мнению, не следует. Напротив, устойчивость указанной части насыпи посредством гибкого армирующего элемента следует повысить и довести степень ее устойчивости до требуемой величины К_тр, что повысит надежность армированной насыпи в целом.

Единый технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемой группы изобретений, заключается в обеспечении удержания от обрушения гибкими армирующими элементами неустойчивой приоткосной части насыпи без допущения ее начального смещения и без снижения устойчивости армированной насыпи по ее глубоким поверхностям скольжения.

Указанный технический результат достигается тем, что насыпь включает послойно отсыпанный горизонтальными слоями с уплотнением грунт с уложенным, по меньшей мере, одним гибким армирующим элементом, который в поперечном сечении насыпи пересекает разделительную границу между устойчивой центральной частью неармированной насыпи и ее неустойчивой приоткосной частью и воспринимает со стороны грунта растягивающие усилия. При этом в пределах устойчивой центральной части насыпи армирующий элемент уложен с образованием горизонтального участка, а в пределах неустойчивой приоткосной части армирующий элемент уложен с образованием наклонного участка. Переход армирующего элемента от горизонтального участка к его наклонному участку произведен при пересечении армирующим элементом разделительной границы и с образованием криволинейного участка армирующего элемента, а наклонный армирующий участок образует с горизонтом угол β, который удовлетворяет условию

α/2≥β>3°,

где α - острый угол между откосом насыпи и горизонтом в диапазоне высоты наклонного участка армирующего элемента.

Дополнительно:

- разделительная граница представляет собою поверхность скольжения, по которой коэффициент запаса устойчивости неармированной насыпи соответствует требуемому значению К_тр;

- в случае выполнения армирующего элемента в виде геосетки на криволинейном участке геосетка уложена на гибкую прокладку, которая предотвращает вдавливание геосетки в подстилающий грунт;

- геосетка выполнена из полос путем их сваривания в узлах плетения, при этом каждая полоса изготовлена из пластмассы и содержит в себе вытянутые вдоль полосы стальные проволоки.

Новым является расположение гибкого армирующего элемента в насыпе.

Именно расположение армирующего элемента в насыпе с образованием в пределах ее неустойчивой приоткосной части наклонного участка, образующего с горизонтом в ограниченных пределах острый угол, обеспечивает удержание неустойчивой приоткосной части от обрушения без допущения ее начального смещения.

Указанный технический результат достигается тем, что способ возведения насыпи включает послойную отсыпку горизонтальными слоями с уплотнением грунта с уложенным, по меньшей мере, одним гибким армирующим элементом, который в поперечном сечении насыпи пересекает разделительную границу между устойчивой частью насыпи и ее неустойчивой приоткосной частью и воспринимает со стороны грунта растягивающие усилия. За разделительную границу принимают поверхность скольжения, по которой коэффициент запаса устойчивости неармированной насыпи соответствует требуемому значению К_тр. В пределах устойчивой части насыпи армирующий элемент укладывают с образованием горизонтального участка, а в пределах неустойчивой приоткосной части армирующий элемент укладывают с образованием наклонного участка. Переход армирующего элемента от горизонтального участка к его наклонному участку производят при пересечении армирующим элементом разделительной границы с образованием криволинейного участка армирующего элемента, а наклонный участок армирующего элемента укладывают к горизонту под углом β, удовлетворяющим условию

α/2≥β>3°,

где α - острый угол между откосом насыпи и горизонтом в диапазоне высоты наклонного участка армирующего элемента.

Дополнительно:

- сначала определяют величину растягивающих усилий, действующих на наклонный участок армирующего элемента в виде силы Р_накл, затем определяют величину растягивающих усилий, действующих на горизонтальный участок армирующего элемента в виде силы Р_гор, и величину реакции со стороны грунта на криволинейном участке армирующего элемента в виде равнодействующей силы Р_гр, обусловленной действиями сил Р_накл и Р_гор, после чего определяют необходимую длину горизонтального участка L_гор армирующего элемента;

- величины сил Р_гор и Р_гр определяют графически путем построения замкнутого многоугольника трех сил Р_накл, Р_гор и Р_гр.

Новым является прежде всего место перехода гибкого армирующего элемента от горизонтального положения к наклонному положению.

Именно осуществление перехода от горизонтального положения к наклонному положению, произведенному гибким армирующим элементом при пересечении им поверхности скольжения, по которой коэффициент запаса устойчивости неармированной насыпи соответствует требуемому значению К_тр, обеспечивает достижение ранее указанного технического результата: удержание неустойчивой приоткосной части от обрушения без допущения ее начального смещения и без снижения устойчивости армированной насыпи по ее глубоким поверхностям скольжения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными с совокупностями признаков заявленных насыпи и способа возведения насыпи, отсутствуют. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками каждого заявляемого изобретения, показал, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками каждого из заявленных изобретений преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

В настоящей заявке на выдачу патента соблюдено требование единства изобретения, поскольку способ возведения предназначен для создания заявляемой насыпи. Заявленные изобретения направлены на получение одного и того же общего технического результата - обеспечение удержания от обрушения гибкими армирующими элементами неустойчивой приоткосной части насыпи без допущения ее начального смещения и без снижения устойчивости армированной насыпи по ее глубоким поверхностям скольжения.

На фиг.1 изображена насыпь, армированная гибкими элементами, поперечный разрез; на фиг.2 - фрагмент армирующей сетки, план; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2; на фиг.4 - замкнутый многоугольник действующих на гибкий армирующий элемент трех сил Р_накл, Р_гор и Р_гр.

Пример. Насыпь расположена на качественном нескальном основании 1, ее откос 2 образует с горизонтом острый угол α, а на гребне 3 насыпи равномерно распределена нагрузка р.

Насыпь включает послойно отсыпанный семью горизонтальными слоями с уплотнением грунт, нумерация которых принята сверху вниз (фиг.1, слои 1-7), и уложенные по высоте насыпи три гибких армирующих элемента, соответственно, нижний 4, средний 5 и верхний 6.

Армирующие элементы, нижний 4 и средний 5, в поперечном сечении насыпи пересекают разделительную границу 7 между устойчивой центральной частью 8 неармированной насыпи и ее неустойчивой приоткосной частью 9 и воспринимают со стороны грунта растягивающие усилия. Армирующие элементы, нижний 4 и средний 5, уложены в пределах устойчивой части 8 с образованием горизонтальных участков соответственно 10 и 11, а в пределах неустойчивой приоткосной части с образованием наклонных участков соответственно 12 и 13. Переход армирующих элементов 4 и 5 от их горизонтальных участков 10 и 11 к их наклонным участкам 12 и 13 произведен плавно при пересечении армирующими элементами разделительной границы 7 и с образованием криволинейных участков соответственно 14 и 15. При этом разделительная граница 7 представляет собою поверхность скольжения 16, по которой коэффициент запаса устойчивости неармированной насыпи с учетом местных условий соответствует требуемому значению, например, К_тр=1,4, а наклонные армирующие участки образует с горизонтом угол β, который удовлетворяет условию

α/2≥β>3°,

где α - острый угол между откосом насыпи и горизонтом в диапазоне высоты наклонного участка армирующего элемента.

При армировании насыпи геотекстилями для вывода из насыпи дренажной воды обычно принимают уклон армирующего элемента в сторону откоса в пределах 2-х-3-х градусов, что и определяет нижний предел наклона участка армирующего элемента угла β>3°.

Конструктивно-технологические соображения, а также стремление предотвратить непродуктивное удлинение наклонного участка армирующего элемента, обуславливает верхний предел наклона армирующего элемента угол β≤α/2.

Армирующие элементы, нижний 4 и средний 5, каждый выполнен, например, в виде геосетки 17 (фиг.2). Эта геосетка 17 на криволинейных участках 14 и 15 может быть уложена на гибкую прокладку 18, которая предотвратит вдавливание геосетки 17 в подстилающий грунт.

Целесообразно геосетку 17 выполнить из полос 19 путем их сваривания в узлах плетения (пересечения) 20. При этом каждая полоса 19 может быть изготовлена из пластмассы и содержит в себе вытянутые вдоль полосы 19 стальные проволоки 21 (фиг.3), источник [4]. В этой геосетке 17 полосы 19 в существенной мере предотвращают на криволинейных участках 14 и 15 продавливание грунта через ячейки 22 геосетки 17, поэтому гибкая прокладка 18 может не укладываться.

Верхний армирующий элемент 6 (на фиг.1 изображен пунктиром) расположен в пределах неустойчивой боковой части 9, выполнен из геотекстиля, например дорнита, так же работает на растяжение и предотвращает смещение грунта в верхней локальной части насыпи при одновременном ее дренировании.

Способ возведения описанной насыпи заключается в послойной отсыпке снизу вверх горизонтальными слоями грунта (слои 7-1) и в укладке гибких армирующих элементов нижнего 4, среднего 5 и верхнего 6.

Армирующие элементы, нижний 4 и средний 5, в поперечном сечении насыпи пересекают разделительную границу 7 между устойчивой центральной частью 8 насыпи и ее неустойчивой приоткосной частью 9 и воспринимают со стороны грунта растягивающие усилия. При этом за разделительную границу 7 принимают поверхность скольжения 16, по которой коэффициент запаса устойчивости неармированной насыпи с учетом местных условий соответствует требуемому значению, например, К_тр=1,4. Армирующие элементы нижний 4 и средний 5 укладывают в пределах устойчивой части 8 с образованием горизонтальных участков, соответственно, 10 и 11, а в пределах неустойчивой приоткосной части с образованием наклонных участков, соответственно, 12 и 13. Переход армирующих элементов 4 и 5 от их горизонтальных участков 10 и 11 к их наклонным участкам 12 и 13 производят плавно при пересечении армирующими элементами разделительной границы 7, то есть поверхности скольжения 16, и с образованием криволинейных участков соответственно 14 и 15. Наклонные участки 12 и 13 армирующих элементов 4 и 5 укладывают к горизонту под углом β, удовлетворяющим условию

α/2≥β>3°,

где α - острый угол между откосом насыпи и горизонтом в диапазоне высоты наклонного участка армирующего элемента.

За поверхность скольжения 16, по которой коэффициент запаса устойчивости неармированной насыпи соответствует требуемому значению К_тр, принимают, например, круглоцилиндрическую поверхность скольжения (КЦПС), положение которой может быть определено следующим образом.

Сначала определяют положение КЦПС 23 с центром О, которая имеет радиус R_уст, проходит через подошву откоса 2, точку А, и по которой в неармированной насыпи установленный коэффициента запаса устойчивости наименьший, например, К_уст=1,1. После чего определяют положение КЦПС 16 с тем же центром О. Эта КЦПС имеет радиус R_тр, заглублена в нескальное основание 1, а коэффициент запаса устойчивости по ней в неармированной насыпи равен требуемому значению, например, К_тр=1,4.

Из фиг.1 наглядно следует, что часть 24 насыпи, заключенная между двумя поверхностями скольжения 23 и 16, по одной из которых коэффициент запаса устойчивости К_уст, а по другой К_тр, имеет в неармированной насыпи недостаточный запас устойчивости. Поэтому армирующий элемент в этой части 24 насыпи должен повышать устойчивость, т.е. иметь наклонный вид, а не горизонтальный, как это следует из [2 и 3].

Расчет устойчивости насыпи, прежде всего растягивающих усилий в каждом армирующем элементе, осуществляют в соответствии с механикой грунтов и учетом напряженно-деформированного состояния насыпи. При этом на основании математического моделирования приспосабливают существующие программные комплексы или создают новые.

Сначала определяют величину растягивающих усилий, действующих на наклонный участок армирующего элемента в виде силы Р_накл, затем определяют величину растягивающих усилий, действующих на горизонтальный участок армирующего элемента в виде силы Р_гор, и величину реакции со стороны грунта на криволинейном участке армирующего элемента в виде равнодействующей силы Р_гр, обусловленной действиями сил Р_накл. После всего этого определяют необходимую длину горизонтального участка L_гор армирующего элемента.

Поскольку направление действия указанных сил известно, то после определения величины наклонной силы Р_накл величины сил Р_гор и Р_гр могут быть определены графически путем построения замкнутого многоугольника трех этих сил (фиг.4).

При прочном основании 1, например скальном, исключающем заглубление в себя КЦПС 16, положение этой поверхности КЦПС 16 определяют из условия ее проведения из нового центра и касания поверхности этого прочного основания. На чертежах этот случай не отображен.

Основные особенности работы насыпи заключаются в следующем.

1. Армирующие элементы, нижний 4 и средний 5, включаются в работу по обеспечению удержания от обрушения неустойчивой приоткосной части 9 одновременно с возведением насыпи и без допущения в ней значительных начальных смещений и образования трещин-заколов. Малозначимые же смещения грунта в неустойчивой приоткосной части 9 обуславливаются, прежде всего, деформацией растяжения самих армирующих элементов 4 и 5, которые проявляются в основном в процессе возведения насыпи и не влияют на устойчивость приоткосных частей 9 при эксплуатации насыпи.

При использовании армирующих элементов в виде сеток 17, выполненных из армированных стальной проволокой 21 пластмассовых полос 19, деформации растяжения армирующего элемента малы, а его вдавливание на криволинейном участке 14 или 15 происходит на малозначимую величину.

2. Армирующие элементы 4 и 5 обеспечивают доведение коэффициента запаса устойчивости по любым глубинным поверхностям скольжения, которые могут быть проведены между поверхностями скольжения 23 и 16, до требуемой величины К_тр. Это происходит за счет того, что недостаточно устойчивую часть 24, заключенную между поверхностями скольжения 23 и 16, пересекают наклонные участки 12 и 13 армирующих элементов нижнего 4 и среднего 5, которые и повышают устойчивость части 24.

Заявленная насыпь может быть возведена с помощью существующих дорожно-строительных машин. Однако для временного образования в слоях 6-3 наклонных поверхностей и их последующего после укладки армирующих элементов 4 и 5 возведения в полном объеме, целесообразно в перспективе разработать и создать новые машины.

КЦПС 23 с К_уст для неармированной насыпи в описании используется, прежде всего, для понимания сущности предлагаемой группы изобретений. При проектировании же реальной насыпи можно не интересоваться положением КЦПС 23, а сразу с учетом качества основания 1, точнее местоположения поверхности его недеформируемого слоя, следует определить положение КЦПС 16 в неармированной насыпи с требуемым коэффициентом запаса устойчивости К_тр. После чего наметить расположение армирующих элементов в насыпи и произвести расчет уже армированной насыпи.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2138596, кл. E02D 17/18, опуб. 27.09.1999.

2. Семендяев Л.И. Методика расчета насыпей, армированных различными материалами. - М.: Союздорнии, 2001.

3. Методика расчета устойчивости грунтовых насыпей, армированных георешетками. - М.: Союздорнии, 2000.

4. Сетка тоннельная «ТехПолимер». СТО 56910145-006-2011.

Обозначения

1 - основание

2 - откос

3 - гребень

4 - нижний армирующий элемент

5 - средний армирующий элемент

6 - верхний армирующий элемент

7 - разделительная граница

8 - устойчивая центральная часть

9 - неустойчивая приоткосная часть

10 и 11 - горизонтальные участки

12 и 13 - наклонные участки

14 и 15 - криволинейные участки

16 - поверхность скольжения (КЦПС) с К_тр

17 - геосетка

18 - гибкая прокладка

19 - полоса

20 - узел плетения

21 - стальная проволока

22 - ячейка

23 - поверхность скольжения (КЦПС) с К_уст

24 - часть насыпи между поверхностями скольжения 23 и 16