Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для безосадочных насыпей высокоскоростной магистрали

Изобретение относится к строительству, в частности, к строительству и реконструкции железных дорог для высокоскоростного железнодорожного транспорта, и может быть использовано при строительстве железных дорог на участках болот, слабых глинистых и других недостаточно прочных грунтах.

Известна конструкция земляного полотна железнодорожного пути, включающая тело земляного полотна, откосы земляного полотна, основную площадку земляного полотна, на откосе которого размещены опорные элементы в виде металлических труб длиной 2,0-2,5 м, при этом в тело земляного полотна заведено не менее 1/3 длины труб, остальные их части свободно располагаются над поверхностью откоса на расстоянии 1,2-1,5 м друг от друга и между ними размещена сетка двойного кручения, обернутая геотекстилем, которая нижним краем упирается в откос земляного полотна, верхний ее край совпадает с верхом металлических труб, пазухи между сеткой и откосом земляного полотна заполнены дренирующим грунтом, верхняя поверхность которого располагается на уровне основной площадки земляного полотна и образует нормативную обочину земляного полотна (RU 2557276, E02D 17/18, 20.07.2015).

Данная конструкция земляного полотна железнодорожного пути позволяет осуществлять его изготовления без применения сложных машин и механизмов. Однако такая конструкция земляного полотна железнодорожного пути не обеспечивает требуемую прочность и устойчивость железнодорожного пути на скоростях до 400 км в час, особенно на участках дорог, где насыпь расположена на недостаточно прочных грунтах.

В качестве прототипа выбрано земляное полотно высокоскоростной магистрали, включающая тело насыпи, размещенное на основании, два защитных слоя, последовательно нанесенных на тело насыпи, а также откосы насыпи, откосы выемки, основание выемки, устройства для отвода поверхностных и грунтовых вод, защитные и укрепительные сооружения («Организация высокоскоростного движения», Санкт-Петербург ПГУПС, 2015, с. 15-16.).

Известное земляное полотно используется для высокоскоростной магистрали, позволяющей обеспечивать движение на скоростях от 200 км в час и выше. Однако на скоростях до 400 км в час оно не обеспечивает в этих условиях, с учетом вибродинамического воздействия поездов, повышенные требования по прочности, устойчивости и деформативности, особенно, когда в пределах пути имеются участки болот, глинистых грунтов или иные участки с недостаточно прочными грунтами. Нормы обеспечения безопасности движения ограничивают максимальную остаточную деформацию основной площадки земляного полотна - до 15 мм. Известное техническое решение не позволяет обеспечить указанную норму безопасности движения.

Технический результат заключается в повышении надежности и долговечности высокоскоростной магистрали на участках болот, глинистых грунтов и других участков с недостаточно прочными грунтами при минимальных затратах на реализацию устройства.

Технический результат достигается тем, что устройство для безосадочных насыпей высокоскоростной магистрали содержит свайно-ростверковое основание, включающее установленные в шахматном порядке в основание земляного полотна буронабивные сваи, образующие свайные поля, ширина которых равна ширине основания земляного полотна, при этом расстояние между буронабивными сваями в 3÷5 раза больше диаметра сваи, которая выполнена из бетонной смеси с содержанием цемента не более 200 кг/м³, золы уноса в пределах 70÷90 кг/м³ и объемной массы заполнителя не менее 1500 кг/м³, в верхней части свайного поля расположен защитный слой, выполняющий функцию гибкого ростверка, причем защитный слой состоит из щебня с подобранным гранулометрическим составом, у которого максимальный размер частиц не превышает 30 мм, в защитном слое установлена двухосная георешетка в два слоя, прочность которой составляет не менее 80 кН/м².

На чертеже представлено схематичное изображение устройства для безосадочных насыпей высокоскоростной магистрали.

Устройство для безосадочных насыпей высокоскоростной магистрали содержит свайно-ростверковое основание, включающее установленные в шахматном порядке в основание 1 земляного полотна буронабивные сваи 2, образующие свайные поля 3, ширина которых равна ширине основания 1 земляного полотна, при этом расстояние между буронабивными сваями 2 в 3÷5 раза больше диаметра сваи 2, которая выполнена из бетонной смеси с содержанием цемента не более 200 кг/м³, золы уноса в пределах 70÷90 кг/м³ и объемной массы заполнителя не менее 1500 кг/м³, в верхней части свайного поля 3 расположен защитный слой 4, выполняющий функцию гибкого ростверка, причем защитный слой 4 состоит из щебня с подобранным гранулометрическим составом, у которого максимальный размер частиц не превышает 30 мм, в защитном слое установлена двухосная георешетка (на чертеже не показана) в два слоя, прочность которой составляет не менее 80 кН/м².

К земляному полотну высокоскоростной магистрали предъявляются повышенные требования по прочности, устойчивости и деформативности, учитывается также вибродинамическое воздействие поездов. Для надежной и долговечной работы высокоскоростной магистрали максимально допустимая осадка земляного полотна не должна превышать 15 мм. Для соблюдения этих требований на участках болот, слабых глинистых грунтов земляное полотно в пределах главных путей сооружается на свайно-ростверковом основании. Буронабивные неармированные бетонные сваи 2, сооружаются по технологии непрерывного полого шнека с устройством гибкого ростверка. Буронабивные сваи 2 на участках укрепления основания 1 выполняются из бетона класса В15, диаметр свай определяется расчетным путем, а расстояние между буронабивными сваями 2 в 3÷5 раза больше ее диаметра. Свайные поля 3 образованы установкой в основание 1 земляного полотна буронабивных свай 2 в шахматном порядке. Длина свай 2 определяется условиями обеспечения несущей способности и требуемого уровня деформации. Ширина свайных полей 3 равна ширине основания 1 земляного полотна.

Буронабивные сваи 2 выполняются по технологии непрерывного полого шнека без армирования. Суть метода заключается в том, что буровая колонна, состоящая из полых шнеков, погружается в грунт на проектную величину при этом происходит выбуривание (подъем грунта посредством реборд спиральной навивки шнека) грунта на поверхность.

Буровая колонна оборудована заглушкой с уплотнителем для предотвращения попадания грунта внутрь. Далее производится подача бетона с помощью бетононасоса в полость буровой колонны, после заполнения буровой колонны бетоном давление в ней возрастает и происходит выдавливание заглушки. При подаче бетона происходит одновременное поднятие буровой колонны, таким образом, осуществляется формирование тела сваи 2. За счет того, что подача бетона осуществляется под давлением, происходит дополнительное уплотнение стенок и забоя (нижнего конца) скважины, и как следствие повышение несущей способности. Плотность заполнения скважины контролируется специальными датчиками и отображается на дисплее в кабине оператора или с помощью манометра установленным на вращателе. Производительность этого метода выше, чем при методе с использованием обсадных труб. Значительное увеличение несущей способности при использовании такого метода позволяет отказаться от бентонита, который применяется при устройстве буронабивных свай без использования обсадной трубы. В связи с этим снимаются проблемы загрязнения почвы и, как следствие, снижаются расходы по вывозу и утилизации загрязненного грунта.

Буронабивная свая 2 для усиления основания земляного полотна выполняется из бетонной смеси с содержанием цемента не более 200 кг/м³, в бетон добавляется зола уноса класса не ниже II не более 70-90 кг/м³. Объемная масса заполнителя (песок, щебень, гравий) должна быть не менее 1500 кг/м³. Фракция заполнителя при производстве работ по технологии непрерывного полого шнека не должна превышать 25 мм. Бетон свай 2 в возрасте 28 суток должен иметь прочность на сжатие не менее 15 МПа.

По верху свайного поля 3 расположен защитный слой 4 толщиной не менее 0,6 м выполняющий функцию гибкого ростверка. Защитный слой состоит из щебня подобранного гранулометрического состава, максимальный размер частиц не должен превышать 30 мм. В защитном слое размещена (на чертеже не показано) двухосная георешетка в два слоя, прочность при растяжении которой не менее 80 кН/м (удлинение 10%).

Экспериментально установлено, что при выбранных соотношениях расстояния между буронабивными сваями и их диаметром, состава бетонной смеси для буронабивных свай и параметрах защитного слоя, предлагаемое техническое решение позволяет при минимальных затратах на реализацию устройства обеспечить необходимые требования по прочности, устойчивости и остаточной деформации высокоскоростной магистрали. Таким образом, обеспечивается надежная и долговечная работа пути на участках с недостаточно прочными грунтами, и возможность эксплуатации железнодорожного пути на скоростях до 400 км в час.