РАСТЯГИВАЮЩАЯСЯ ГЕОРЕШЕТКА Российский патент 1997 года по МПК E02D17/20 

Изобретение относится к области строительства покрытий грунтовых поверхностей, преимущественно к устройству укрепления откосов дорог, откосов береговых линий и русел водоемов, откосов карьеров горнорудной промышленности, грунтовых обвалований и т.п. Кроме этого, устройство может быть использовано в качестве светозащитных штор и для защиты от радиации.

Известно устройство (аналог) укрепления грунтовых поверхностей из рулонных полимерных материалов в виде плоских георешеток, содержащих ячейки щелевидной формы и одинаковой длины, расположенные рядами параллельно друг другу и равномерно по площади полотна, получаемых путем перфорации полотна и последующего его растяжения. (Использование полимерных георешеток для закрепления грунтов. Реферативный журнал. Геология. ВИНИТИ. Вып. 12. М. - 1989. с. 68-69). Указанное решение имеет существенный недостаток, связанный с тем, что после растяжения (опрессовки) георешетка остается плоской. Применение такой решетки в конструкции укрепления наклонных поверхностей не исключает эрозию и вымывание грунта из-под георешетки.

Известно устройство (аналог) усиления покрытий в виде решетки из эластичных плоских элементов (полосок), закрученных через определенные интервалы вдоль продольной оси (что обеспечивает их депланацию), расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях и скрепленных друг с другом в местах пересечения (см. патент США N 4309124, МКИ E 01 5/08, 1982 г.). Известное техническое решение имеет следующие недостатки.

Во-первых, решетка имеет ячейки открытого типа, что снижает эффективность ее применения в конструкциях укрепления откосов.

Во-вторых, решетка содержит множество элементов крепления полосок, что приводит к повышению ее стоимости и удорожанию в целом конструкции укрепления откоса.

Известно устройство (аналог) для армирования грунта в виде объемной растягивающейся георешетки, изготовленной из множества взаимосвязанных гибких вертикально стоящих лент, преимущественно из полосок полимерных материалов, соединенных между собой с определенным интервалом в шахматном порядке линейными швами, расположенными перпендикулярно длинной стороне лент. В исходном (нерастянутом) положении георешетка представляет собой пакет в виде узкой прямой призмы. В растянутом виде георешетка представляет собой гибкую ячеистую плиту прямоугольной формы в плане близка кругу, а ребра ячеек перпендикулярны основанию плиты. При укреплении откосов ячейки заполняют растительным грунтом или каменным материалом (см. патент США N 4797026, МКИ E 01 C 5/20, 1989 г.). Техническое решение имеет следующие недостатки.

Во-первых, конструкция укрепления с использованием данных решеток имеет низкую устойчивость откоса к действию ветровой и водной эрозии, особенно на крутых откосах. Это связано с особенностями конструкции георешетки, в которой угол наклона сварного шва к плоскости основания равен 90^o. Вследствие этого при увеличении крутизны откоса Φ объем грунта, эффективно удерживаемый в ячейках георешетки интенсивно уменьшается и при v90^o практически равен нулю. Во-вторых, решетка содержит множество соединительных элементов (сварных швов), что приводит к повышению ее стоимости и стоимости конструкции укрепления откоса в целом. В-третьих, в конструкции георешетки не в полной мере учтены особенности внешних нагрузок, действующих на откос в процессе эксплуатации (а именно: нагрузки от водной и ветровой эрозии сравнительно невелики), что приводит к увеличению ее материалоемкости.

Наиболее близким решением (прототип) к заявляемому является плоская сеть из рулонного материала, содержащая параллельные ряды щелей (разрезов), расположенных со смещением. При растяжении в направлении перпендикулярном линии щелей последние трансформируются в объемные ячейки криволинейной формы с косоугольными гранями, образующими в совокупности объемную решетку. Техническое решение имеет следующие недостатки. Во-первых, вследствие щелевидной формы разрезов ячейки имеют выступающие над поверхностью участки (гребешки), что приводит к повышению материалоемкости конструкции и ухудшает внешний вид (дизайн) укрепляемой поверхности. Во-вторых, конструкция неравнопрочна вследствие того, что концевые участки щелей представляют собой концентраторы напряжений и при упллотнении материала засыпки возможен разрыв ячеек. В-третьих, в техническом решении не определены оптимальные с учетом условий работы конструкции размеры ячеек и их взаимное расположение, что приводит к повышению материалоемкости устройства и стоимости грунтоукрепительных работ.

Изобретение направлено на повышение устойчивости грунтовых поверхностей к действию ветровой и водной эрозии, снижение материалоемкости и стоимости грунтоукрепительных работ.

Техническая задача решается путем изменения конструкции растягивающейся георешетки. В конструкции растягивающейся георешетки из плоского эластичного материала, преимущественно из рулонного полимерного полотна, содержащей ячейки щелевой формы и одинаковой длины, расположенные рядами параллельно друг другу и равномерно по площади, в нерастянутом положении ячейки имеют преимущественно сегментовидную форму и концевые элементы усиления и ориентированы поперек полотна со смещением соседних рядов друг относительно друга, образуя в растянутом вдоль полотна направлении объемную ячеистую конструкцию. Кроме того, в конструкции георешетки в нерястянутом положении: длина ячейки b₀=10-60 см, расстояние между соседними ячейками поперек полотна b₂= (0,4-0,6)•b₀, расстояние между соседними рядами ячеек вдоль полотна a₀= (0,15-0,35)•b₀, смещение соседних рядов в поперечном направлении b₃= (0,15-0,35)•b₀, а в растянутом вдоль полотна положении: размеры ячеек в продольном и поперечном направлениях примерно равны угол наклона ребер ячеек в продольном направлении β(30^o-60^o), высота георешетки h = 2a_osinβ = (0,3 ÷ 0,7)b_osinβ.
Анализ известных авторам технических решений показал, что отличительные признаки изобретения наличие ячеек сегментовидной формы с концевыми элементами усиления, ориентированных поперек полотна со смещением соседних рядов друг относительно друга с образованием в растянутом вдоль полотна положении объемной ячеистой конструкции, а также оптимальные для конструкции укрепления наклонных поверхностей геометрические параметры георешетки в нерастянутом положении: длина ячейки b₀=10-60 см, расстояние между соседними ячейками поперек полотна b₂=(0,4-0,6)b₀, расстояние между соседними рядами ячеек вдоль полотна a₀=(0,15-0,35)b₀,смещение соседних рядов в поперечном направлении b₃=(0,15-0,35)b₀ и в растянутом вдоль полотна положении: равенство размеров ячеек в продольном и поперечном направлениях b=a=(0,5-0,85)b₀, угла наклона ребер ячеек в продольном направлении β(30-60)^o, высоты георешетки h= (0,3-0,7)•b₀•sin b в совокупности не встречаются. Поэтому данное техническое решение имеет существенные отличия и соответствует критерию "новизна".

Техническое решение за счет указанных отличительных признаков позволяет повысить устойчивость наклонных поверхностей к действию ветровой и водной эрозии, снизить материалоемкость и стоимость грунтоукрепительных работ.

Изобретение поясняется описанием и чертежами.

На фиг. 1 представлена конструкция георешетки (вид сверху в нерастянутом положении); на фиг. 2 конструкция георешетки (вид сверху в растянутом вдоль полотна положении); на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 поперечный профиль конструкции укрепления откоса дороги с применением растягивающейся георешетки (сечение М-М на фиг. 5); на фиг. 5 вид C на фиг. 4; на фиг. 6 - место D на фиг. 5; на фиг. 7 сечение E-E на фиг. 6.

Растягивающуюся георешетку изготавливают из плоского эластичного упругого материала преимущественно из рулонного полимерного полотна, например из сплошных полимерных листов, геосеток и других материалов, обладающих достаточной жесткостью и упругостью. Толщину полотна d задают, как правило, в диапазоне 0,5-5 мм в зависимости от характеристик жесткости и упругости материала. Георешетка представляет собой в нерастянутом положении плоское, как правило, прямоугольное с размерами L₀xB₀ полотно 1 (фиг. 1), содержащие ячейки 2 щелевидной формы и одинаковой длины, расположенные рядами параллельно друг другу и равномерно по площади. Ячейки расположены поперек полотна со смещением соседних рядов друг относительно друга, что обеспечивает их растяжение (раскрытие) при приложении силы F (фиг. 2) в продольном направлении. Ячейки выполняют преимущественно сегментовидной формы с отношением поперечного размера к продольному b₀/c₀≥10. Допускается также щелевая (линейная или криволинейная) овальная либо другая геометрическая форма ячеек. Отношение b₀/c₀ зависит в основном от угла наклона откоса v и высоты h решетки и выбирается таким образом, чтобы исключить появление участков ячеек (гребешков), выступающих над укрепляемой поверхностью откоса.

Для обеспечения равнопрочности конструкции и компенсации концентрации напряжений на концевых участках ячеек при растяжении полотна последние могут содержать элементы усиления 3 (фиг. 1, 2) в виде утолщения материала в этих зонах, круговых просечек и т.п.

Размеры ячеек зависят в основном от крутизны поверхности, вида материала заполнителя и грунта нижнего слоя, климатических условий. Размеры ячеек выбирают из условия надежного удержания верхнего слоя грунта на наклонной поверхности, например на откосах дорог, минимума массы георешетки и ее стоимости. Экспериментальные исследования, выполненные авторами, показали, что эти условия обеспечиваются при длине ячейки в нерастянутом положении b₀= 10-60 см. Кроме этого, для надежного раскрытия ячеек при растяжении георешетки вдоль полотна силой F (рис. 2) расстояние между соседними ячейками поперек полотна, b₂= (0,4-0,6)•b₀, расстояние между соседними рядами ячеек вдоль полотна a₀=(0,150,35)b₀. Растягивают георешетки в продольном направлении таким образом, чтобы размеры ячеек в продольном и поперечном направлениях были примерно равны При этих параметрах обеспечивается угол наклона ребер ячеек в продольном направлении β(30-60)^o (фиг. 3), а высота георешетки определяется по формуле h=(0,3-0,7)•b₀•sin b Краевые размеры a₀ и b₁=b_0/2 (фиг. 1) задают из условия удобства соединения соседних георешеток между собой.

Следует отметить, что при задании угла b нужно исходить из условия , где Φ угол наклона укрепляемого откоса (град), что обеспечивает отсутствие теневых зон в ячейках, а значит и хорошую укладываемость материала заполнителя в ячейки георешетки и при необходимости его качественное уплотнение. Поперечные профили земляного полотна дорог на наскальных грунтах проектируют, как правило, с углом v(20-40)^o (Гохман В.А. Основы дорожного строительства. М. "Высшая школа", 1965, с. 80-84). Однако в ряде случаев, исходя из местных условий, в частности из условий степенности строительства, крутизну откоса назначают большей и угол v(50-70)^o. В этих случаях, то есть на крутых откосах биологические типы защиты поверхности не эффективны. При применении георешеток оптимальные значения угла наклона ячеек, определяемые из соотношения (1), будут равны b(30-60)^o. К этому следует добавить, что конструкция георешетки позволяет плавно регулировать значение угла наклона ячееек в диапазоне b (30^o-60^o)±20^o путем ее соответствующего растяжения.

При растяжении полотна происходит раскрытие ячеек (фиг. 2) с одновременным поворотом ребер длиной l=2•a₀ (фиг. 3) на угол b а решетка трансформируется из плоской толщиной в объемную высотой h. При этом длина решетки увеличивается L=(1,4-1,8)•L₀, а ее ширина уменьшается B=(0,7-0,9)•b₀.

На фиг. 4-7 показан вариант применения растягивающейся георешетки в конструкции укрепления откосов дорог. Конструкция укрепления представляет собой верхний слой откоса, который формируется на подготовленном нижнем слое откоса 5 (фиг. 4, 5) и содержит нижнюю прослойку 6 из полотен геотекстиля, уложенных с нахлестом, растягивающиеся георешетки 1 с заполнителем из каменных материалов 7 или грунтовых материалов (преимущественно растительный грунт) 8, закрепленные на нижнем слое 5 и между собой посредством контурных анкеров 9 и внутренних анкеров 10. Вследствие гибкости георешеток конструкция фиксируется на обочине дороги 11 путем заглубления верхнего края георешеток в грунт и покрывает сплошным ковром откос, наклоненный на угол v к линии горизонта, русло водоотводного ручья 12 и крепится на левом берегу 13 посредством анкеров и заглубления нижнего края георешеток.

Размеры георешеток в плане задают из соображений удобства их изготовления, транспортировки и монтажа на откосе с обеспечением минимального количества стыковых соединений. В частности, в нерастянутом положении ширина георешетки определяется в основном возможностями оборудования предприятий-изготовителей полотна. Длину георешетки целесообразно задавать равной длине откоса L₀= L/(1,4-1,8)= L_отк/(1,4-1,8). Возможен вариант раскроя рулонов (полотна георешетки) на месте производства работ.

В конструкции укрепления прослойка из геотекстиля 6 служит для предотвращения смешивания материала верхнего 7 и нижнего 5 слоев откоса и для улучшения условий фильтрации влаги вниз по откосу. В качестве материала заполнителя ячеек применяют растительный грунт 8 с посевом семян растений (фиг. 4) и (или) каменный материал (щебень, гравий) 7. Мозаичная структура поверхности, полученная при растяжении сплошным ковром георешеток, может использоваться для придания откосу современного вида (дизайна) посредством применения нескольких (двух-трех) отличающихся по цвету материалов заполнителя ячеек. Крепление конструкции защиты откоса на нижнем слое 5 осуществляется посредством контурных 9 и внутренних 10 анкеров (фиг. 4, 5). Внутренние анкеры устанавливают в основании ребер ячеек равномерно по площади георешетки. Контурные анкеры имеют Г-образную форму и служат также для соединения соседних георешеток между собой. Для этих целей соседние георешетки устанавливают вплотную друг другу (фиг. 6) таким образом, чтобы их крайние ребра 4 (фиг. 7) контактировали между собой и были поджаты контурным анкером 9 к нижнему слою 5 откоса.

Количество внутренних и контурных анкеров и их длину задают с учетом крутизны откоса и плотности грунта нижнего слоя.

Строительство укрепления откосов дорог выполняют по направлениям преимущественно сверху вниз и вперед по фронту работ. Предварительно поверхность нижнего слоя 5 выравнивают и планируют. Затем раскатывают и растягивают в рабочее положение георешетки. Георешетки фиксируют на нижнем слое откоса и между собой посредством контурных анкеров 9. Верхний край георешеток заглубляют и закрепляют на обочине дороги. Нижний край решеток заглубляют в грунт и закрепляют на берегу 13 ручья 12. В ячейки георешетки укладывают растительный грунт 8. Нижнюю подтапливаемую часть откоса укрепляют решетками с заполнителем из каменных материалов 7. В этом случае предварительно на нижнем слое откоса формируют разделительную прослойку из полотен геотекстиля 6, укладываемых с нахлестом 10-15 см (фиг. 5).

Материал заполнителя может дополнительно уплотняться.

После формирования верхнего слоя георешетки могут дополнительно крепиться к нижнему слою откоса посредством внутренних анкеров 10. При этом часть контурных анкеров 9 может извлекаться и использоваться повторно.

В процессе эксплуатации динамическую и статическую нагрузку от воды, снега и ветра, а также вес материала заполнителя верхнего слоя воспринимают георешетки. Ребра георешеток ограничивают подвижки грунта в пределах каждой ячейки и его выманивание из ячеек, тем самым предотвращается размывание (эрозия) верхнего слоя откоса, то есть имеет место эффект немедленной защиты откоса. Жесткое закрепление георешеток на нижнем слое посредством анкеров 9, 10 и ребер георешеток, а также наличие упора в нижней части откоса в виде георешеток, заполненных щебнем и прослойки из геотекстиля, препятствует вымыванию грунта из ячеек георешеток в нижний слой и вниз по откосу.

На втором этапе, когда произошло одернование откоса, часть нагрузки от водной и ветровой эрозии воспринимает корневая система растений.

Следует отметить, что одним из путей удешевления конструкции укрепления является замена операции заполнения ячеек георешетки грунтом сверху, операцией вдавливания растянутой георешетки в поверхность откоса с последующим его уплотнением. Это возможно, если нижний слой откоса сформирован из слабосвязанных песчаных или предварительно разрыхленных грунтов. Для создания более мощной конструкции укрепления верхний слой можно формировать путем установки георешеток в несколько слоев одна над другой со сдвигом на половину ширины ячейки, что обеспечит их надежное зацепление.

Технико-экономическая эффективность новой конструкции растягивающейся георешетки заключается в повышении устойчивости грунтовых поверхностей к действию ветровой и водной эрозии, снижении материалоемкости и стоимости грунтоукрепительных работ и достигается за счет:
отсутствия соединительных элементов в конструкции георешетки (сварных, клеевых швов, механических соединений);
сегментовидной формы ячеек с элементами усиления концевых участков;
оптимальных геометрических размеров георешетки в нерастянутом положении: длина ячеек b₀=10-60 см, расстояние между соседними ячейками поперек полотна b₂= (0,4-0,6)•b₀, расстояние между соседними рядами ячеек вдоль полотна a₀= (0,15-0,35)•b₀, смещение соседних рядов в поперечном направлении b₃=(0,15-0,35)•b₀ и в растянутом положении равенством продольного и поперечного размера ячеек b-a=(0,5-0,85)•b₀;
возможности регулирования угла наклона ребер ячеек b и его точной установки в соответствии с уравнением (1).

Сравнение материалоемкости растягивающейся георешетки с решеткой Geoweb (производств0 США базовый объект, применяется в дорожном строительстве в нашей стране) показало следующее.

Решетка Geoweb высотой 10 см и размерами ячеек 20х20 см, выполненная из полиэтиленовых лент, имеет массу 25 кг и площадь 14,7 м², то есть ее удельная масса m_p25/14,7=1,7 кг/м².

Георешетка, выполненная из рулонного полимерного полотна (фильтр синтетический из полиэфирных моноволокон N 26/5 по ОСТ 13-152-82), в нерастянутом положении имеет удельную массу m₀=0,75 кг/м². В растянутом положении при соответствующих размерах высоты (10 см) и ячеек 20х20 см и угле наклона ребер b45^o коэффициент увеличения площади K_s=K_i•K_b=1,6•0,8=1,28, а удельная масса георешетки m_p=m₀/K_s=0,75/1,78=0,59 кг/м². Таким образом, материалоемкость растягивающейся георешетки в 1,7/0,59=2,88 раза ниже по сравнению с базовым объектом.

Изобретение относится к области строительства покрытий грунтовых поверхностей, преимущественно к устройству конструкций укрепления откосов дорог, береговых линий, русел водоемов, откосов карьеров и т.п. Растягивающаяся георешетка из плоского эластичного материала, преимущественно из рулонного полимерного полотна, имеет ячейки щелевидной формы и одинаковой длины, расположенные рядами параллельно друг другу со смещением соседних рядов относительно друг друга и равномерно по площади, а в растянутом положении ячейки образуют объемную ячеистую конструкцию. Новым является то, что в нерастянутом положении ячейки имеют преимущественно сегментовидную форму и ориентированы поперек полотна. Новыми являются также размеры в нерастянутом положении длин ячеек, расстояния между соседними ячейками поперек полотна, расстояния между соседними рядами ячеек вдоль полотна, смещения соседних рядов, и в растянутом положении размеров ячеек и высоты георешетки. 1 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Растягивающаяся георешетка из плоского эластичного материала, преимущественно из рулонного полимерного полотна, содержащая ячейки щелевой формы и одинаковой длины, расположенные рядами параллельно друг другу со смещением соседних рядов друг относительно друга и равномерно по площади, отличающаяся тем, что в нерастянутом положении ячейки имеют преимущественно сегментовидную форму и ориентированы поперек полотна, а в растянутом вдоль полотна положении образуют объемную ячеистую конструкцию. 2. Георешетка по п. 1, отличающаяся тем, что в нерастянутом положении длина ячейки b₀ 10 60 см, расстояние между соседними ячейками поперек полотна b₂ (0,4 0,6)b₀, расстояние между соседними рядами ячеек вдоль полотна а₀ (0,15 0,35)b₀, смещение соседних рядов в поперечном направлении b₃ (0,15-0,35)b₀, а в растянутом вдоль полотна положении размеры ячейки в продольном и поперечном направлениях равны b ≈ a = (0,5-0,85)b₀, угол наклона ребер ячеек в продольном направлении β = (30-60)^°, высота георешетки h = 2a_o•sinβ = (0,3-0,7)•b₀sinβ.т