ФИЛЬТРУЮЩАЯ НАСЫПЬ НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ Российский патент 2002 года по МПК E01F5/00 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве и реконструкции насыпей линейных сооружений на слабых грунтах при пересечении со слабосточными водотоками или в депрессионных формах рельефа.

Практически 90% деформаций земляного полотна в той или иной мере связано с переувлажнением его тела или основания, на котором оно расположено. Если в обычных условиях основание, сложенное из заторфованных суглинков или супесей твердой консистенции, выдерживает нормативные нагрузки, то в мягкопластичном или текучем состоянии при переувлажнении оно теряет прочность. Деформации при этом происходят за счет пластического течения (выдавливания) грунтов под нагрузками от собственного веса насыпи и динамического воздействия поездов. При росте грузонапряженности железных дорог эти деформации соответственно увеличиваются. На слабых при протаивании вечномерзлых грунтах переувлажнение способствует нарушению термовлажностного режима, возникновению и увеличению глубины "чаши" протаивания и соответственно интенсивному росту деформаций в виде просадок и осадок насыпей.

Обеспечить стабильность земляного полотна можно за счет отвода воды от тела земляного полотна. Но в условиях слабого стока крайне сложно осуществить поперечный перепуск воды из-за малого уклона местности. Водопропускная труба в этих условиях будет работать только на ливневый сток и аккумулировать воду на дне, тем самым способствовать увлажнению основания и самодеформации в результате морозного пучения и осадки. В этих условиях наиболее целесообразно устройство эстакадного моста. Но, такие мосты - дорогостоящие сооружения и часто экономически их применение не будет оправдано на участке с малым расходом воды с бассейна. Но, самое главное, сооружение такого моста в условиях эксплуатации практически не возможно на существующем земляном полотне без устройства временного и постоянного обхода участка железной дороги.

Обеспечить отвод воды от тела земляного полотна в этих условиях можно с помощью известного водопропускного сооружения - фильтрующей насыпи /1/.

Известная конструкция фильтрующей насыпи является разновидностью малого водопропускного сооружения, состоящего из фильтрующей части, слоя сопряжения фильтрующей части с основанием сооружения и изоляции ее поверхностей. Фильтрующая часть выполняется в виде призмы из сортированного скального грунта, размещенной в теле дорожной насыпи, слоя сопряжения фильтрующей части с основанием сооружения. Изоляция ее поверхностей по внешнему контуру осуществляется синтетическим нетканым материалом (СНМ).

Известная конструкция имеет следующие преимущества.

Во-первых, она повышает устойчивость сооружения в результате уменьшения знакопеременных деформаций: осадки и пучения. Это связано с тем, что такая конструкция способствует удалению влаги и уменьшению величины пучения за счет постоянного проветривания грунтов основания. Проветривание осуществляется из-за конвективного теплообмена в поровом пространстве скальной призмы между основанием и воздухом. В результате происходит температурная сдвижка и соответственно уменьшается период протаивания основания и последующей осадки.

Недостатком известного сооружения является то, что в процессе длительной эксплуатации сосредоточенная нагрузка Р от веса каменной призмы и неравнозначность инженерно-геологических условий грунтов основания приводят к провалу отдельных камней, нарушению геометрии призмы в профиле, неравномерным в поперечном и продольном направлении осадкам основания и застоям воды. Грунты основания впитывают влагу и теряют прочность. В результате происходит их выдавливание вдоль оси сооружения или расползание совсем слабых грунтов. Все это способствует неравномерной осадке фильтрующей насыпи, нарушению геометрии ж.д. в плане и профиле и, в конечном счете, нарушению безопасности и бесперебойности движения поездов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фильтрующая насыпь /2/, в которой устойчивость основания сооружения также обеспечивается за счет удаления влаги из него и уменьшения знакопеременных деформаций.

Фильтрующая насыпь представляет собой призму из сортированного скального грунта. По периметру призма ограничена СНМ. По боковым граням призмы вдоль оси сооружения образованы контейнеры в виде валиков, уложенных друг на друга. Каждый контейнер выполнен из СНМ и заполнен сортированным скальным грунтом.

Такие контейнеры имеют хорошее сцепление между собой и армируют конструкцию по боковым граням фильтрующей насыпи. Кроме того, уложенные друг на друга валики из контейнеров, за счет сцепления между собой, создают дополнительные сосредоточенные усилия, направленные вниз, и распределяют общий вес Р сооружения на сосредоточенные нагрузки: в подошвенных зонах фильтрующей насыпи P₁ и Р₂ и Р₃ - вдоль оси остальной части призмы из скальной наброски. Сосредоточенные нагрузки P₁ и Р₂ оказывают давление на грунты основания в подошвенных зонах и способствует натяжению СНМ в основании призмы. В результате натяжения СНМ на границе скальной призмы с грунтами основания возникают силы реакции F, обратные сосредоточенной нагрузке Р₃, следствием чего является уменьшение сосредоточенной нагрузки Р₃. При этом эпюра напряжений имеет вид А (чертеж).

Когда грунты основания обычного дорожного полотна начинают протаивать в призме происходит интенсивный конвективный теплообмен между грунтами основания и воздухом, который способствует его охлаждению в начале летнего периода и осенью - в период максимального протаивания. Это сокращает период протаивания и соответственно величину деформаций. Когда же начинают протаивать грунты основания под фильтрующей насыпью, то уменьшенная сосредоточенная нагрузка Р₃ соответственно уменьшает осадку под ней. Это повышает устойчивость сооружения.

Известная конструкция имеет следующие достоинства. Во-первых, она повышает устойчивость сооружения в результате уменьшения знакопеременных деформаций. Во-вторых, за счет сцепления боковых поверхностей контейнеров и возникновения сил P₁ и Р₂ в подошвенных зонах происходит уменьшение сосредоточенной нагрузки Р вдоль оси сооружения на эти величины и дополнительно на величину реакции отпора F за счет натяжения СНМ в основании призмы, что значительно уменьшает нагрузку на основание и повышает устойчивость сооружения. В-третьих, технологичность сооружения такой конструкции.

Недостатком известной фильтрующей насыпи является сохранение воздействия сосредоточенной нагрузки от каменной призмы в ее осевой части. Сосредоточенная нагрузка в силу неравнозначности инженерно-геологических условий в основании оказывает неравномерное воздействие на грунты основания вдоль оси сооружения, что приводит к локальным скоплениям воды под сооружением, нарушению равномерности стока, потере прочности и выдавливанию грунтов основания. Все это способствует неравномерным просадкам основания и железнодорожного пути, что негативно влияет на безопасность и бесперебойность движения поездов.

В основу изобретения положена задача разработать фильтрующую насыпь, устойчивость которой в течение последующей эксплуатации обеспечивается за счет исключения воздействия сосредоточенной нагрузки вдоль ее продольной оси путем равномерного ее распределения по всему телу призмы.

Для решения поставленной задачи в известной фильтрующей насыпи на слабых грунтах, содержащей призму из сортированного скального грунта, ограниченную СНМ и по боковым граням контейнерами с сортированным скальным грунтом, по верхней и нижней граням призмы дополнительно уложены контейнеры, при этом контейнеры связаны между собой и в поперечном сечении образуют арку. Кроме того, пространство внутри арки заполнено скальным грунтом или связанными или несвязанными между собой контейнерами со скальным грунтом.

Сооружение предлагаемой фильтрующей насыпи обеспечивает устойчивость насыпи на пересечении с водотоком.

Благодаря укладке контейнеров в виде арки и соединению между собой создается целостность конструкции с основанием, что способствует равномерной передаче распределенной нагрузки. Сосредоточенное усилие Р от веса насыпи и сооружения благодаря арке равномерно распределяется по всему телу призмы. Равномерное перераспределение нагрузки по всему телу призмы уменьшает сосредоточенное усилие вдоль продольной оси фильтрующей насыпи.

В подошвенных зонах (опорных частях арки) распределенная нагрузка направлена по касательной к поверхности и раскладывается на горизонтальную Н и вертикальную V составляющие. Вертикальные V составляющие оказывают давление на грунты основания в подошвенных зонах и способствуют натяжению СНМ в основании призмы из скальной наброски. В результате натяжения СНМ на границе скальной призмы с грунтами основания возникают силы реакции F, обратные сосредоточенной нагрузке Р. Реакция отпора F уменьшает сосредоточенную нагрузку, следствием чего является уменьшение ее величины. Горизонтальные составляющие Н также способствуют натяжению СНМ, создавая реакцию отпора F₁, перераспределяют нагрузку в подошвенные зоны и дополнительно уменьшают сосредоточенную нагрузку.

Таким образом, сосредоточенная нагрузка компенсируется как за счет перераспределения сосредоточенной нагрузки по всему телу призмы, так и за счет вертикальной V и горизонтальной Н составляющих равнодействующей усилий R. Значительное уменьшение сосредоточенной нагрузки сводит к минимуму или исключает просадки основания, что приводит к равномерности стока воды в теле фильтрующей насыпи, предупреждает образование застоев воды, размокание, потерю прочности и выдавливание грунтов, и возникновение просадок железнодорожного пути. Вышеуказанные факторы повышают устойчивость сооружения, что способствует безопасному и бесперебойному режиму движения поездов.

На чертеже дан поперечный разрез фильтрующей насыпи на слабом основании со схемами эпюр напряжений в грунтах основания.

Пример 1. Водопропускное сооружение содержит призму 1 из сортированного скального грунта фракции 0,2-0,5 м и изоляции 2 из СНМ. Скальный грунт уложен в призму 1 в контейнерах 3. Контейнеры выполнены в виде сеток, например полипропиленовых, с ячеей 0,2х0,2 м, объемом 2,0-2,5 м³.

Контейнеры в призме уложены по всему периметру, включая основание. Контейнеры соединены между собой стальными скобами 4. В поперечном сечении, выше основания, соединенные между собой контейнеры образуют армированный каркас в виде арки 5. Тело призмы внутри арки 5 образовано контейнерами со скальным грунтом 3, не связанными между собой. Для защиты скального грунта от кольматажа мелкодисперсными грунтами насыпи 6 и основания 7 по периметру призмы уложена изоляция 2 из СНМ.

Устройство работает следующим образом.

Образованная арка 5 (армированный каркас) принимает на себя вертикальную нагрузку Р, перераспределяет ее в теле призмы 1 и переносит ее на подошвенные (опорные) части, уменьшая величину вертикальной нагрузки, приложенной к центральной части призмы 1. Это происходит в силу того, что арка 5 из контейнеров 3 образует относительно жесткую конструкцию благодаря их соединению между собой и сцеплению материала сеток.

В опорных частях нагрузка раскладывается на горизонтальную H и вертикальную V составляющие. Это способствует перераспределению напряжений в поперечном сечении призмы от оси в сторону подошвенных зон. Вертикальные V составляющие оказывают давление на грунты основания в подошвенных зонах и способствуют натяжению СНМ в основании призмы из скальной наброски. В результате отпора грунта и натяжения СНМ на границе скальной призмы с грунтами основания возникают силы реакции F, обратные сосредоточенной нагрузке Р. Реакция отпора F уменьшает сосредоточенную нагрузку. В результате величина сосредоточенной нагрузки становится меньше.

Горизонтальные Н составляющие, в свою очередь, также способствуют натяжению СНМ и создают реакцию отпора F₁. При этом дополнительно уменьшается сосредоточенная нагрузка на величину F и распределяется к внешним граням призмы в горизонтальном направлении.

Таким образом, призма из контейнеров со скальным грунтом и СНМ образует конструкцию, способствующую уменьшению сосредоточенной нагрузки и более равномерному ее распределению. В результате происходит разгрузка и уменьшение просадок основания фильтрующей насыпи как в центральной части, так и в целом. Вследствие указанного перераспределения нагрузок, по сравнению с прототипом, эпюра напряжений с разгруженной центральной частью приобретает вид Б (чертеж).

Пример 2. Фильтрующая насыпь выполнена, как и в примере 1, но пространство внутри арки заполнено скальным грунтом. Сооружение работает, как и в примере 1. Предпочтительно применение такого сооружения в обычных условиях.

Пример 3. Фильтрующая насыпь выполнена, как и в примере 1, но пространство внутри арки заполнено связанными между собой контейнерами. За счет армирования создается большая целостность конструкции, что повышает устойчивость сооружения. Предпочтительно применение такой фильтрующей насыпи в сложных инженерно-геологических условиях: в условиях глубокого протаивания слабых вечномерзлых грунтов и на болотистых местностях.

По сравнению с прототипом в заявляемой фильтрующей насыпи воздействие сосредоточенной нагрузки вдоль ее продольной оси компенсируется как за счет натяжения СНМ, так и за счет перераспределения сосредоточенной нагрузки вдоль арки, что значительно уменьшает сосредоточенную нагрузку. В результате происходит разгрузка и уменьшение просадок фильтрующей насыпи как в центральной части, так и в целом. Исключение или значительное уменьшение воздействия сосредоточенной нагрузки вдоль ее продольной оси приводит к равномерности стока воды в теле фильтрующей насыпи, предупреждает образование застоев воды, размокание, потерю прочности и выдавливание грунтов основания, и возникновение просадок железнодорожного пути, что повышают устойчивость сооружения и способствует безопасному и бесперебойному режиму движения поездов.

Экономический эффект от внедрения такой конструкции фильтрующей насыпи на участке Северного хода ДВЖД, за счет уменьшения текущих и капитальных затрат, составит около 2000 руб./км пути.

Источники информации, принятые во внимание
1. Бахарев И.И., Зарубин Н.В., Мильштейн М.И. и др. Методическое пособие по проектированию земляного полотна в сложных условиях/Для студентов-дипломников ф-та СЖД/ХабИИЖТ - Хабаровск, 1970. С.166-197.

2. Изыскания, проектирование и строительство железных дорог в районах вечной мерзлоты. ВСН 61-89/ Минтрансстрой СССР. -М.: ЦНИИС, 1990. - 208 с.

Фильтрующая насыпь на слабых грунтах относится к области строительства и может быть использована при строительстве и реконструкции насыпей линейных сооружений на слабых грунтах при пересечении со слабосточными водотоками или в депрессионных формах рельефа. Фильтрующая насыпь на слабых грунтах содержит призму из сортированного скального грунта, ограниченную СНМ и по боковым граням контейнерами с сортированным скальным грунтом. В верхней и нижней гранях призмы уложены контейнеры, при этом уложенные по периметру контейнеры связаны между собой и в поперечном сечении образуют арку. Пространство внутри арки заполнено скальным грунтом или связанными или несвязанными между собой контейнерами со скальным грунтом. Техническим результатом является разработка фильтрующей насыпи, устойчивость которой в течение последующей эксплуатации будет обеспечена за счет исключения неравномерного воздействия сосредоточенной нагрузки вдоль ее продольной оси путем равномерного перераспределения стока воды в основании, что исключит размокание и потерю прочности грунтов и возникновение просадок железнодорожного пути. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Фильтрующая насыпь на слабых грунтах, содержащая призму из сортированного скального грунта, ограниченную синтетическим нетканым материалом (СНМ) и по боковым граням контейнерами с сортированным скальным грунтом, отличающаяся тем, что в верхней и нижней гранях призмы дополнительно уложены контейнеры, при этом уложенные по периметру контейнеры связаны между собой и в поперечном сечении образуют арку. 2. Фильтрующая насыпь по п. 1, отличающаяся тем, что пространство внутри арки заполнено скальным грунтом. 3. Фильтрующая насыпь по п. 1, отличающаяся тем, что пространство внутри арки заполнено несвязанными контейнерами со скальным грунтом. 4. Фильтрующая насыпь по п. 1, отличающаяся тем, что пространство внутри арки заполнено связанными контейнерами со скальным грунтом.