ГЕОКАРКАС Российский патент 2001 года по МПК E02D17/20 E02B3/12 E01C5/00 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для укрепления откосов, конусов путепроводов, откосов береговых линий и русел водоемов, а также для армирования оснований дорог, аэродромов, объектов промышленного и гражданского строительства.

Известно устройство для укрепления грунтов в виде георешетки ячеистой структуры, выполненной из гибких полимерных полос, соединенных между собой сварными швами таким образом, что при растяжении они образуют ячеистую структуру (см. патент США N 4717283, кл. E 02 В 3/72, 1988 г.). Известное техническое решение имеет следующие недостатки. Во-первых, не обеспечена равнопрочность конструкции, что связано с низкой прочностью сварных швов, выполненных без учета оптимального соотношения температуры, условий прижима полос и времени сварки. Во вторых, стенки ячеек выполнены сплошными водонепроницаемыми, что нарушает естественные гидрологические условия и дренаж воды вниз по откосу. Корневая система растений в определенной степени изолирована пределами ячейки, что осложняет условия образования устойчивого дернового слоя на защищаемой поверхности.

Известна георешетка с ячеистой структурой для укрепления грунтовой поверхности, изготовленная из гибких полимерных полос, установленных на ребра и соединенных между собой в шахматном порядке сварным швами. Гибкие полимерные полосы выполнены перфорированными из смеси полиамида и полиэтилена, при этом шаг перфорации составляет в продольном и поперечном направлениях от 15 до 70 мм, а размеры отверстий от 3 до 16 мм (см. RU 2136817, 10.09.1999). Однако известная георешетка с ячеистой структурой обладает недостаточной устойчивостью к агрессивному воздействию грунтовой среды, поскольку материал полимерных полос содержит полиамид. Эта георешетка имеет также невысокую прочность сварных швов, размеры которых выбраны без учета оптимального соотношения температуры нагрева, параметров прижима полос и времени сварки. Стенки ячеек известного устройства имеют недостаточную жесткость, поскольку размер отверстий изменяется от 3 до 16 мм, а шаг перфорации от 15 до 70 мм. В связи с неоптимальным размером отверстий и их нерациональным расположением на поверхности ячеек возможно деформирование (смятие) стенок при укладке в них грунта. Кроме этого, прочность на разрыв полосы по линии отверстий может оказаться меньше, чем прочность по линии сварного шва, наибольшее значение которой (как показали экспериментальные исследования) равна 40-60% от прочности сплошной полосы. Размер отверстий не увязан с гранулометрическим составом грунта, что может привести к суффозии (вымыванию) зерен грунта из ячеек через отверстия в стенках в случае укрепления глинистых и песчаных грунтов, или наоборот, недостаточным сообщением полостей ячеек при укладке в них щебня или бетона.

Наиболее близким техническим решением является геокаркас ячеистой структуры, изготовленный из гибких полимерных лент, установленных на ребра и соединенных между собой сварными швами, расположенными в шахматном порядке (см. RU 2129189, 20.04.1999).

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение прочности наиболее слабого элемента конструкции, а именно сварного шва, а также увеличение срока службы и прочности ячеистой структуры в условиях воздействия грунтовой среды.

Поставленная задача решается за счет того, что в геокаркасе ячеистой структуры, изготовленном из гибких полимерных лент, установленных на ребра и соединенных между собой сварными швами, расположенными в шахматном порядке, полимерные ленты соединены между собой линейными швами под давлением при их сжатии с расположением точек прижима в шахматном порядке, причем размер точек прижима и расстояние между ними составляют от 2 до 5 мм, а площадь точек прижима составляет 15-30% от площади шва.

Поставленная задача решается также за счет того, что полимерные ленты могут быть изготовлены из смеси полиэтилена высокого давления и полиэтилена низкого давления в соотношении от 1:1 до 1:5.

Также стенки ячеек могут быть выполнены перфорированными, при этом отверстия будут расположены равномерно по площади стенок ячеек, а размер их (d) определяется из соотношения: d = k · d₃, где d₃ - наибольший размер зерен грунта, а k - экспериментально установленный коэффициент, выбранный из диапазона: для глинистых и песчаных грунтов от 1 до 4; для щебня, гравия, песчано-гравийной смеси и бетона - от 0,5 до 1,0, при этом в любом вертикальном сечении стенки ячейки сумма размеров отверстий должны быть не более 40% от ее высоты.

Также стенки ячеек могут быть выполнены неперфорированными.

В материал полимерной ленты могут быть введены светостабилизаторы или пигменты, а ее толщина составляет от 0,5 до 2,0 мм, а в растянутом состоянии длина геокаркаса составляет от 4 до 12 м, ширина от 0,5 до 3,0 м, высота от 0,05 до 0,3 м, размер ячейки от 0,10 до 1,0 м.

При этом сварные швы могут быть расположены перпендикулярно или наклонно по отношению к основанию геокаркаса, а точки прижима образованы с помощью двух прижимов, один из которых имеет плоскую контактную поверхность, а другой - контактную поверхность в виде двух или более рядов выступов, расположенных в шахматном порядке, а также стенки ячеек могут быть закреплены между собой и с укрепляемой поверхностью посредством соединительных элементов, пропущенных через отверстия в стенках ячеек.

Технический результат заключается в обеспечении максимальных значений прочности георешетки, водопроницаемости стенок ячеек и армирующего эффекта за счет повышенной прочности сварных швов, равномерного распределения нагрузок на конструктивные элементы каждой ячейки и перераспределения этих нагрузок на соседние ячейки посредством взаимодействия материала заполнителя смежных ячеек с помощью отверстий в их стенках, а также за счет оптимального расположения отверстий в стенках геокаркаса и оптимальных размеров отверстий, выбранных с учетом гранулометрического состава укрепляемого грунта.

Полимерные ленты могут быть выполнены из смеси полиэтилена высокого давления и полиэтилена низкого давления в соотношении от 1:1 до 1:5. Оптимальный состав смеси подбирается опытным путем и соответствует максимальному усилию (Р_о) отрыва двух лент, сваренных между собой линейным швом под давлением. Экспериментальные исследования показали, что наилучшие результаты по критерию Р_о достигаются при сжатии свариваемых лент посредством двух прижимов, один из которых содержит точечные выступы, а другой имеет плоскую контактную поверхность, при этом площадь точек прижима составляет 15-30% от площади шва, а точки прижима расположены в шахматном порядке не менее чем в два ряда. Размер точек прижима и расстояние между ними выбираются в диапазоне от 2 до 5 мм. Для повышения эффекта армирования сварные швы располагают перпендикулярно основанию геокаркаса в случае укрепления горизонтальных грунтовых слоев или наклонно в случае укрепления откосов или других наклонных поверхностей. Сварные швы могут иметь зону разрыва, равную от 0,2 до 0,5 высоты геокаркаса. При растяжении геокаркаса в рабочее состояние зоны разрыва сварных швов раскрываются, образуя щелевые отверстия, что улучшает условия дренажа и сообщение полостей смежных ячеек.

Отверстия в стенках ячеек расположены равномерно по ее площади и вне зоны сварного шва. Ширина зоны, свободной от отверстий, равна утроенной ширине сварного шва. В любом вертикальном сечении стенки ячейки вне зоны сварного шва сумма размеров отверстий должна быть не более 40% от ее высоты. При выполнении этого условия прочность ленты на разрыв по линии отверстий будет примерно равна прочности наиболее слабого элемента геокаркаса, а именно прочности сварного шва, что удовлетворяет критерию равнопрочности конструкции. Оптимальный размер отверстий (d) в стенках ячеек определяется из соотношения: d = k · d₃≥ 1 мм, где d₃ - наибольший размер зерен грунта, а k - экспериментально установленный коэффициент, выбранный из диапазона: для глинистых и песчаных грунтов от 1 до 100; для щебня, гравия, песчано-гравийной смеси и бетона от 0,5 до 1,0.

При изготовлении геокаркасов для армирования мелкозернистых (глинистых) грунтов, когда в соответствии с формулой оптимальные размеры отверстий менее 2 мм, целесообразно зону сварных швов также перфорировать при условии обеспечения их прочности не менее 40% от прочности ленты.

При изготовлении геокаркасов для укрепления глинистых и песчаных грунтов на объектах, где гидрологические условия не влияют на его функционирование, например на территориях с засушливым климатом, целесообразно выполнять конструкции из неперфорированных полимерных лент.

Поверхность свариваемых лент может быть гладкой или тисненой для повышения коэффициента сцепления грунтового материала со стенкам ячеек.

Для повышения устойчивости геокаркаса к действию солнечной радиации в материал гибкой полимерной ленты может быть добавлен светостабилизатор, например технический углерод (до 2 мас.%). С целью улучшению внешнего вида - дизайна геокаркаса в материал могут быть добавлены красители - пигменты. Для достижения максимальной прочности и жесткости геокаркаса при наименьшей его стоимости толщина стенок выбирается из диапазона от 0,5 до 2,0 мм.

Размеры геокаркаса в растянутом состоянии составляют: длина от 3 до 12 м, ширина от 0,5 до 3,0 м, высота от 0,05 до 0,3 м, размер ячейки от 0,1 до 1,0 м, что позволит уменьшить число стыковых соединений между соседними геокаркасами и создать оптимальные условия для уплотнения грунтового материала в ячейках и за счет этого повысить армирующий эффект конструкции.

Сущность изобретения поясняется описанием и чертежами, где:
на фиг. 1 показан общий вид геокаркаса в растянутом рабочем состоянии;
на фиг. 2 - общий вид геокаркаса в сложенном транспортном состоянии;
на фиг. 3 - вид А на фиг. 2 (схема расположения точек прижима сварного шва и перфорационных отверстий в стенках ячеек);
на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 3.

На чертежах приведены следующие обозначения:
А - длина геокаркаса в растянутом (рабочем) состоянии, равная 3-12 м;
А₀ - длина геокаркаса в сложенном (транспортном) состоянии, равная 0,08-0,2 м;
В - ширина геокаркаса в растянутом состоянии, равная 0,5-3,0 м;
В₀ - ширина геокаркаса в сложенном состоянии, равная 0,7-4,2 м;
а = в - ширина ячейки геокаркаса в растянутом состоянии, равная 0,1-1,0 м;
в₀ - ширина ячейки в сложенном состоянии, равная расстоянию между сварными швами 0,14-1,4 м;
H - высота геокаркаса, равная 0,05-0,3 м;
б - толщина ленты, равная 0,5-2,0 мм;
с - ширина сварного шва и околошовных зон;
d_c - размер точек прижима, равный 2-5 мм;
t - расстояние между точками прижима, равное 2-5 мм;
d - диаметр перфорационных отверстий;
l - расстояние между перфорационными отверстиями.

Изобретение реализуют путем соединения полимерных лент 1 сварным линейными швами 2, расположенными в шахматном порядке (фиг. 1,2). Для увеличения прочности конструкции и для повышения прочности крепления (анкеровки) ее на грунтовой поверхности геокаркас может быть снабжен соединительными элементами 3, например полимерными тросами, пропущенными через отверстия в стенках ячеек и закрепленными на первой и последней лентах. Количество элементов 3 выбирают в соответствии с характеристиками укрепляемой поверхности.

Для изготовления лент применяют смесь из полиэтилена высокого давления и полиэтилена низкого давления в соотношении от 1:1 до 1:5 с добавлением светостабилизатора, например технического углерода или пигмента, что позволяет получить высокую прочность сварного шва при обеспечении требуемой жесткости стенок ячеек. Толщину лент выбирают от 0,5 до 2,0 мм.

Предварительно ленты перфорируют, располагая отверстия 4 диаметром d (фиг. 3) равномерно по площади вне зоны сварки, при этом расстояние между отверстиями (1) равно 1 =(1-2)·d. Размер отверстий d определяют по формуле в зависимости от размеров зерен грунтового материала. При размерах отверстий d≤2 мм допускается перфорировать и зону сварки. Затем ленты нарезают в размер, соответствующий ширине геокаркаса в сложенном состоянии В₀ = 0,7- 4,5 м (фиг. 2).

Ленты 1 (фиг. 1,2) сваривают между собой путем введения в контактную зону сварки горячего твердого тела (клина), доведения контактных поверхностей зоны сварки до состояния вязкопластического течения, выведения горячего тела из зоны сварки и последующего сжатия лент давлением с помощью двух прижимов. Один прижим имеет плоскую контактную поверхность, а второй прижим имеет контактную поверхность в виде двух или более рядов выступов (точек), расположенных в шахматном порядке. Размер точек прижима 5 (d_c) и расстояние между ними (t) составляет 2-5 мм (фиг. 3,4). При соединении лент сварочные швы 2 располагают в шахматном порядке перпендикулярно или наклонно к основанию геокаркаса (фиг. 1,2). Расстояние между сварными швами (в₀) составляет 0,14- 1,4 м (фиг. 2).

Разогрев контактных выступов, расположенных в шахматном порядке. Размер точек прижима 5 (d_c) и расстояние между ними (t) составляют 2-5 мм (фиг. 3,4). При соединении лент сварочные швы 2 располагают в шахматном порядке перпендикулярно или наклонно к основанию геокаркаса (фиг. 1,2). Расстояние между сварными швами в₀ составляет 0,14-1,4 м (фиг. 2).

Разогрев контактных поверхностей свариваемых лент до состояния вязкопластического течения осуществляют также путем подачи в зону сварного шва горячего воздуха.

Прочность получаемого сварного шва составляет не менее 50% от прочности материала ленты.

При выполнении укрепительных работ геокаркас растягивают в рабочее состояние в размер А х В (фиг. 1) и устанавливают на предварительно подготовленную поверхность грунта. Затем геокаркас фиксируют на укрепляемом слое посредством анкеров. Аналогичным способом вплотную к первому устанавливают следующие геокаркасы, соединяя их между собой и с нижним слоем Г-образными анкерами. После этого в ячейки укладывают грунтовый материал, щебень, гравий, песчано-графийную смесь или бетон в зависимости от назначения объекта.

В процессе эксплуатации объекта геокаркас работает следующим образом.

Грунтовый материал - заполнитель ячеек воспринимает сжимающие нагрузки, а стенки ячеек воспринимают растягивающие (сдвиговые) напряжения. Внешние нагрузки распределяются равномерно по укрепляемой поверхности за счет сообщения между собой полостей ячеек, анкеровки и дополнительных соединительных элементов 3. Оптимальный размер и оптимальное расположение на стенках ячеек перфорационных отверстий обеспечивает надежный дренаж укрепляемого слоя грунта.

Изобретение относится к строительству может быть использовано для укрепления откосов, конусов путепроводов, откосов береговых линий и русел водоемов, а также для армирования оснований дорог, аэродромов, объектов промышленного и гражданского строительства. Конструкция содержит ячеистую структуру, изготовленную из гибких полимерных лент, установленных на ребра и соединенных между собой сварными швами, расположенными в шахматном порядке. Новым является то, что полимерные ленты соединены между собой линейными швами под давлением при их сжатии с расположением точек прижима в шахматном порядке, причем размер точек прижима и расстояние между ними составляют 2 - 5 мм, а площадь точек прижима составляет 15 - 30% от площади шва. Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в обеспечении максимальных значений прочности георешетки, водопроницаемости стенок ячеек и армирующего эффекта за счет повышенной прочности сварных швов, равномерного распределения нагрузок на конструктивные элементы каждой ячейки и перераспределения этих нагрузок на соседние ячейки посредством взаимодействия материала заполнителя смежных ячеек с помощью отверстий в их стенках. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Геокаркас ячеистой структуры, изготовленный из гибких полимерных лент, установленных на ребра и соединенных между собой сварными швами, расположенными в шахматном порядке, отличающийся тем, что полимерные ленты соединены между собой линейными швами под давлением при их сжатии с расположением точек прижима в шахматном порядке, причем размер точек прижима и расстояние между ними составляют 2 - 5 мм, а площадь точек прижима составляет 15 - 30% от площади шва. 2. Геокаркас по п.1, отличающийся тем, что полимерные ленты изготовлены из смеси полиэтилена высокого давления и полиэтилена низкого давления в соотношении 1 : 1 - 1 : 5. 3. Геокаркас по п.1, отличающийся тем, что стенки ячеек выполнены перфорированными, при этом отверстия расположены равномерно по площади стенок ячеек, а размер их (d) определяется из соотношения: d = k x d₃, где d₃ - наибольший размер зерен грунта, а k - экспериментально установленный коэффициент, выбранный из диапазона: для глинистых и песчаных грунтов 1 - 4; для щебня, гравия, песчано-гравийной смеси и бетона 0,5 - 1,0, при этом в любом вертикальном сечении стенки ячейки сумма размеров отверстий должна быть не более 40% от ее высоты. 4. Геокаркас по п.1, отличающийся тем, что стенки ячеек выполнены неперфорированными. 5. Геокаркас по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что в материал полимерной ленты введены светостабилизаторы или пигменты, а ее толщина составляет 0,5 - 2,0 мм. 6. Геокаркас по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что в растянутом состоянии длина его составляет 4 - 12 м, ширина 0,5 - 3,0 м, высота 0,05 - 0,3 м, размер ячейки 0,10 - 1,0 м. 7. Геокаркас по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что сварные швы расположены перпендикулярно или наклонно по отношению к основанию геокаркаса. 8. Геокаркас по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что точки прижима образованы с помощью двух прижимов, один из которых имеет плоскую контактную поверхность, а другой - контактную поверхность в виде двух или более рядов выступов, расположенных в шахматном порядке. 9. Геокаркас по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что стенки ячеек закреплены между собой и с укрепляемой поверхностью посредством соединительных элементов, пропущенных через отверстия в стенках ячеек.