СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ОБЪЕКТОВ НА КАРСТООПАСНЫХ УЧАСТКАХ

Изобретение относится к области строительства и ремонта линейных объектов, расположенных на карстоопасных участках, а именно к укреплению грунтового основания.

Известен способ укрепления грунта, включающий бурение скважин, установку в них инъекторов, имеющих перфорированную часть, нагнетание через инъекторы под пригрузом инъекционного цементного раствора в грунт с обеспечением его гидроразрыва при давлении 5-20 атм, причем инъекторы после укрепления грунта не извлекают из него. В одну скважину устанавливают три различных по высоте инъектора, предназначенных для цементации различных по глубине слоев грунта, причем при установке в скважину трех инъекторов ее осуществляют таким образом, чтобы перфорированная часть каждого последующего инъектора располагалась ниже перфорированной части предыдущего, не перекрывая ее, при этом в цементный раствор, состоящий из цемента и воды, добавляют или глину бентонитовую, или жидкое стекло, или глину бентонитовую и жидкое стекло, или цементную пыль и жидкое стекло, или цементную пыль, глину бентонитовую и жидкое стекло, или цементную пыль, песок мелкой фракции и жидкое стекло (патент РФ №2439246, E02D 3/12, опубл. 10.01.2012 г., - аналог).

Недостатком известного решения является следующее. Инъекция цементного раствора осуществляется в ограниченные массивы грунта, которые не связаны между собой. Вследствие этого в пространстве между массивами укрепленного грунта может реализоваться карстовый провал и безопасность линейных объектов не будет обеспечена.

Известна конструкция для восприятия воздействия от карстового провала, который может образоваться под балластным слоем при прохождении поезда - «противокарстовый лежень». Конструкция представляет собой систему взаимосвязанных сталебетонных балок, в которых были использованы старогодние материалы - рельсы и шпалы (Толмачев В.В., Леоненко М.В., Юргин О.В. К истории изучения карста на Горьковской ж.д. (Участок ст. Сейма - ст. Доскино линии Москва-Горький). Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна железных дорог. Шестая научно-техническая конференция с международным участием (11-12 ноября 2009 г.). Труды. Чтения, посвященные 105-летию профессора Г.М. Шахунянца. М. 2009. - С. 81-86, - аналог).

Недостатком известного решения является отсутствие соединения взаимосвязанных сталебетонных балок в продольном направлении, которое могло бы обеспечить восприятие прилагаемых подвижных нагрузок без реализации деформаций над провалом.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение безопасности линейных объектов, расположенных на карстоопасных участках.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе усиления линейных объектов на карстоопасных участках определяют участок линейного объекта, на котором возможно образование, по меньшей мере, одной карстовой полости диаметром не более 4 м, на этом участке удаляют проезжую часть, вырезают слой грунта с образованием под ней котлована, ширина которого не меньше ширины проезжей части, для обеспечения содержания суглинка в грунте от 25% до 35% и песка средней крупности в диапазоне от 75% до 65% соответственно, производят обработку грунта в котловане и вырезанного слоя грунта в отвале путем внесения в него суглинка или песка в зависимости от первоначального состава грунта, после чего грунт в котловане и в отвале обрабатывают полифилизатором "ПГСЖ 1" в жидком виде и полифилизатором "ПГСП 3" в виде порошка и перемешивают его, на обработанный в котловане грунт укладывают в проекции под прилагаемыми подвижными нагрузками стальные оцинкованные гофрированные листы и соединяют их, сверху укладывают слои георешетки, на которые укладывают слой грунта, обработанный в отвале, уплотняют его в котловане, на уплотненный грунт укладывают еще один слой георешетки, на которую в несколько слоев укладывают обработанный в отвале грунт, уплотняют каждый слой и устраивают проезжую часть.

Способ, в котором ширина котлована превышает ширину проезжей части не менее чем на 30%.

Способ, при котором проезжую часть удаляют до глубины 0,4-0,6 м.

Способ, в котором вырезают слой грунта под удаленной проезжей частью с образованием котлована на глубину 0,65-1,05 м.

Способ, в котором из обработанного в котловане грунта формируют укрепленный слой толщиной не менее 0,15 м.

Способ, в котором суммарная толщина всех слоев укрепленного грунта составляет 0,8-1,2 м.

Способ, в котором используют георешетку с разрывной нагрузкой не менее 120 кН/м в продольном и поперечном направлениях.

Концентрат полифилизатора "ПГСЖ 1" - "Консолид 44" - это жидкость коричневого цвета с характерным запахом, включающая четвертичные аммониевые соединения 25-50%, высшие жирные амины 10-25%, алкоксилат менее 2,5% и другие химические соединения, рН=4,5-5. Концентрат полностью смешивается с водой. Продукт не является взрывоопасным и не самовоспламеняется.

Концентрат полифилизатора "ПГСП 3" - "Солидрай" - смесь катионных поверхностно-активных веществ, представляет собой светло-желтый порошок с запахом аммиака, включающий в своем составе стериламин 25-100%, диалкилэфир триэтаноламмоний метилсульфата 25-100%, изопропанол 5-10%, а также другие сложные вещества с плотностью 0,858 г/куб. см, рН=9-10, нерастворим в холодной воде. Продукт не взрывоопасен и не является самовоспламеняемым. Концентрат "Солидрай" не изменяет свойства во времени (продукт стабилен) и не распадается. Точка плавления концентрата "Солидрай" 50-52°С, температура воспламенения более 170°С.

Готовый к употреблению полифилизатор "ПГСЖ 1" - это жидкость желто-коричневого цвета с характерным запахом, включающая концентрат "Консолид 44", смешанный с водой в пропорции 1:4. Полностью растворяется в воде. Продукт не является взрывоопасным и не самовоспламеняется.

Готовый к употреблению полифилизатор "ПГСП 3" представляет собой порошок серого цвета, не изменяет свойства во времени (продукт стабилен) и не распадается. В состав готового к употреблению "ПГСП 3" входит:

- концентрат "Солидрай" - смесь катионных поверхностно-активных веществ;

- цемент (в соответствии с ГОСТ 31108-2003, ГОСТ 10178-85);

- известь (в соответствии с ГОСТ 9179-77, ГОСТ 22688-77, ГОСТ 4.204-79);

- шлаки доменные (в соответствии с ГОСТ 3476-74);

- шламы металлургии;

- золы уноса (в соответствии с ГОСТ 25818-91).

Карст представляет собой совокупность природных процессов и явлений, обусловленных растворением скальных горных пород, в результате которого происходят изменения структуры и состояния этих пород, образование системы взаимосвязанных полостей, сильно трещиноватых зон в этих породах, разуплотненных зон в покрывающих их грунтах и связанных с ними деформаций земной поверхности и оснований сооружений (провалы, оседания, карстовые просадки и др.). Растворимыми (карстующимися) породами являются карбонаты (известняк, доломит, мел), сульфаты (гипс, ангидрит), хлориды (каменная, калийная соли). В первом случае карст называют карбонатным, во втором - сульфатным, в третьем - хлоридным (соляным). Существующие в настоящее время карстовые полости в этих породах могут развиться до критически опасных размеров за несколько десятков лет. Скорость растворения соляных пород в сотни раз выше, чем сульфатных. Вследствие этого в районах соляного карста полость может вновь образовываться и развиться до критически опасных размеров даже в течение нескольких месяцев (особенно при недопустимых техногенных воздействиях). Карстовые полости могут интенсивно развиваться не только путем растворения, но и за счет других процессов (частичное или полное обрушение кровли полости, суффозии, подземной эрозии и др.). В связи с этим не каждую обнаруженную (без проведения специальных исследований) карстовую полость следует считать опасной. В случае наличия в покровной грунтовой толще водонасыщенных песков при определенных условиях может происходить вынос (суффозия) таких песков в нижерасположенные полости или трещиноватые зоны с формированием в покровной толще промежуточных полостей и разуплотненных зон с последующим выходом их на поверхность в виде провалов, просадок, локальных оседаний. Такой процесс является карстово-суффозиозным. Он может существенно активизироваться при недопустимых техногенных воздействиях на геологическую среду (например, вследствие неудовлетворительного функционирования водоотводных и водопропускных сооружений). Вышеизложенные процессы оказывают существенное влияние на надежное функционирование линейных объектов, расположенных в зоне карстоопасных участков поверхности.

Данные для определения вероятности появления карстовых полостей получают при инженерно-геологическом обследовании закарстованных участков, включающем в себя проведение съемок и дешифрование космо- и аэроснимков. При этом устанавливают поверхностные проявления карста. С использованием геофизической разведки выявляют более крупные и расположенные ближе к поверхности карстовые полости, зоны повышенной трещиноватости, кавернозности и обводнение пород, а также тектонические разломы и разуплотненные зоны в покровной толще.

Если этих полостей несколько на определенном участке, то способ используется в пределах всех полостей.

Заявляемый способ усиления линейных объектов на карстоопасных участках может быть использован для следующих линейных объектов - автомобильные дороги, железнодорожные линии, взлетно-посадочные полосы, трамвайные линии и т.д. Проезжая часть линейных объектов для заявляемого способа включает в себя:

для железных дорог и трамвайных путей - верхнее строение пути (рельсы, шпалы и балласт);

для автомобильных дорог - дорожное покрытие;

для взлетно-посадочных полос - покрытие.

Если диаметр одной карстовой полости превышает 4 м, то данный способ не обеспечит достижение технического результата, так как произойдут деформации проезжей части линейных объектов.

Если ширина котлована будет меньше ширины проезжей части, то несущая способность сооружаемой конструкции будет недостаточна для обеспечения безопасности движения.

Если содержание суглинка в грунте меньше 25% или больше 35%, то не будет достигнута прочность укрепленного грунта, достаточная для безопасного пропуска подвижной нагрузки.

Если содержание песка средней крупности по ГОСТ 25100-2001 менее 65% или более 75%, то не будет достигнута необходимая прочность укрепленного грунта.

Другие виды грунтов являются непригодными для укрепления по своим физико-механическим свойствам.

Обработка грунта, содержащего суглинок и песок средней крупности, полифилизаторами в жидком виде и в виде порошка приводит к тому, что увеличиваются прочностные показатели грунта.

Если суглинок характеризуется влажностью на границе текучести w_L более 0,28, то не будет достигнута необходимая прочность грунта.

Добавки распределяют равномерно, по толщине и ширине укрепляемого слоя. Расход воды для доведения грунта (смеси) до оптимальной влажности по ГОСТ 22733-2002 (Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности) определяют по формуле

где М - масса грунта (смеси); w₁ - естественная влажность грунта (смеси), %; w₂ - оптимальная влажность грунта (смеси), %.

Одновременное использование соединенных стальных оцинкованных листов, которые укладывают на обработанный в котловане грунт в проекции под прилагаемыми подвижными нагрузками и нескольких слоев георешетки, между двумя из которых укладывают слой обработанного грунта заявляемого состава, приводит к совместной работе конструкции. Слои георешетки, располагаемые в нижней части укрепленного слоя, армируют этот слой и работают на растяжение. В верхней части этого слоя армирование не требуется ввиду работы грунта на сжатие. В ячейках георешетки реализуется зацепление укрепленного грунта. Сцепление происходит за счет адгезии укрепленного и уплотненного грунта к георешетке. Грунт, находящийся в гофрах стальных оцинкованных листов, также зацепляется с ними. Реализации деформаций препятствует высокая прочность и малая податливость георешетки.

Проекция под прилагаемыми подвижными нагрузками - это геометрическое отражение положения подвижных нагрузок на плоскость, проходящую в уровне дна котлована.

Пример конкретного выполнения для линейного объекта - железнодорожного пути

Описан способ усиления подшпального основания на карстоопасных участках, в котором для предупреждения схода подвижного состава и обеспечения безопасности движения поездов при образовании карстового провала диаметром до 4 м под балластной призмой устраивают слой грунта с жидкими и порошковыми добавками укрепляющих составов. Для чего:

- укрепляемый слой грунта армируют слоями георешетки и стальными оцинкованными гофрированными листами;

- жидкой добавкой является полифилизатор "ПГСЖ 1", включающий в себя концентрат "Консолид 44", смешанный с водой в пропорции 1:4;

- порошковая добавка представляет собой полифилизатор "ПГСП 3", содержащий концентрат "Солидрай", цемент, известь, шлаки доменные, шламы металлургические, золы уноса и т.д.;

- в укрепленном слое применяют смеси из грунтов, содержащих 30% суглинка, характеризующегося влажностью на границе текучести w_L=0,28, и 70% песка средней крупности, в которые вносят жидкие и порошковые добавки; - расход "ПГСЖ 1" (концентрат "Консолид 44") составляет 1,2 л/м³, расход "ПГСП 3" равен 54 кг/м³, добавки распределяют равномерно по толщине и ширине укрепляемого слоя;

- укрепленный слой грунта размещают на глубине 0,5 м ниже подошвы шпал;

- на укрепленном слое располагают балластный слой;

- расстояние от верха балластного слоя до уровня обочины не должно превышать 0,6 м, на обочине размещают слой щебня;

- толщина укрепленного слоя грунта должна составлять 1 м, уклон по верху слоя предусматривают равным 0,04 в сторону обочины, ширину слоя на однопутном участке назначают равной 6,5 м, на двухпутном под один путь - 5,2 м, расстояние от оси пути до края слоя со стороны междупутья на двухпутном участке должно составлять (в_мп - 0,15 м)/2, где в_мп - ширина междупутья, м;

- используют стальные оцинкованные гофрированные листы шириной 1160 мм, длиной 2000 мм, толщиной 5 мм, высота гофр 50 мм, расстояние между гофрами 150 мм, гофры ориентированы по длинной стороне листа;

- гофрированные листы размещают в два ряда в проекции под рельсовыми нитями симметрично относительно оси пути на слой неуплотненного укрепленного грунта толщиной 0,15 м;

- на коротких сторонах листа должны быть устроены отверстия диаметром 24 мм в два ряда через 125 мм, листы соединяют между собой внахлест болтами;

- георешетка имеет размеры ячеек 50×50 мм, разрывную нагрузку не менее 120 кН/м в продольном и поперечном направлениях, удлинение при разрыве не более 3% в указанных направлениях; георешетку укладывают в два слоя в нижней части укрепленного слоя поверх гофрированных листов, полосы георешетки ориентируют перпендикулярно продольной оси пути с перекрытием не менее 0,3 м, выше этих двух слоев на 0,2 м располагают еще один слой георешетки с указанным перекрытием полос.

Основные работы по усилению подшпального основания на карстоопасных участках:

- вырезка балласта на глубину 0,5 м ниже подошвы шпал;

- уборка рельсошпальной решетки;

- вырезка слоя грунта толщиной 0,85 м на ширину 6,5 м на однопутном участке и 5,2 м на двухпутном с вывозом в отвал на оборудованную площадку;

- планировка грунта в котловане и отвале;

- внесение суглинка/песка и укрепляющих добавок в котловане для создания укрепленного слоя толщиной 0,15 м с рыхлением грунта;

- укладка гофрированных листов с их соединением;

- укладка георешетки в два слоя;

- внесение суглинка/песка и укрепляющих добавок на площадке в грунт отвала на толщину слоя 0,2 м с рыхлением;

- привозка грунта с добавками для создания слоя толщиной 0,2 м с площадки в котлован;

- уплотнение грунта в котловане;

- укладка верхнего слоя георешетки;

- внесение суглинка или песка (в зависимости от первоначального состава вынутого грунта) и укрепляющих добавок на площадке в грунт отвала на толщину слоя 0,3 м с рыхлением;

- привозка грунта с добавками для создания слоя толщиной 0,3 м с площадки в котлован;

- уплотнение грунта с добавками в слое толщиной 0,3 м в котловане;

- привозка грунта для создания слоя толщиной 0,35 м с площадки в котлован;

- внесение суглинка/песка и укрепляющих добавок в котловане с рыхлением;

- уплотнение грунта катками;

- укладка рельсошпальной решетки;

- выгрузка щебня и выполнение подъемки пути с выправочно-подбивочными работами в три этапа.