СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА ОСНОВАНИЯ АЭРОДРОМНЫХ И ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ИЗ НЕКОНДИЦИОННЫХ ГРУНТОВ Российский патент 2022 года по МПК E01C3/04 

Изобретение относится к дорожному и транспортному строительству и может быть использовано при строительстве оснований жестких и нежестких аэродромных и дорожных покрытий в условиях отсутствия щебеночных и гравийных материалов, крупнозернистых песков или иных кондиционных непучинистых грунтовых материалов, пригодных для создания термоизоляционной насыпи, недеформирующейся при промерзании и оттаивании.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

НЕКОНДИЦИОННЫЙ ГРУНТ. Грунт не отвечающий требованиям дорожно-строительных норм для конкретного слоя дорожной конструкции по составу и состоянию. Использование такого грунта для строительства допускается только при условии проведения специальных конструктивных и технологических мероприятий (Методические рекомендации по проектированию земляного полотна автомобильных дорог общего пользования из местных талых и мерзлых переувлажненных глинистых и торфяных грунтов в зонах распространения многолетнемерзлых грунтов. ОДМ 218.2.094-2018 ОТРАСЛЕВОЙ ДОРОЖНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ https://docs.cntd.ru/document/550918191

Проблема отсутствия кондиционных непучинистых грунтов с высоким коэффициентом фильтрации очень актуальна для России, особенно для Арктической ее части. Доставка щебеночных и гравийных материалов в эти удаленные регионы с неразвитой транспортной инфраструктурой является чрезвычайно дорогостоящей.

Известен способ возведения дорожной одежды, включающий измельчение грунта - основания дороги, введение в измельченный грунт связующего вещества, уплотнение полученной смеси и выдерживание уплотненной смеси на воздухе в естественных условиях. Измельчение грунта выполняют на глубину 10-30 см, в измельченный грунт вводят поливом 0,12-0,30% водный раствор технического лигносульфоната с объемом раствора 3-6 л/м² поверхности грунта, уплотнение увлажненного грунта выполняют механизированным катком весом 25-40 т в 10-15 проходов, выдерживание уплотненной смеси на воздухе осуществляют при 18-25°C в течение 3-5 суток до влажности грунта 7-9%. Затем осуществляют гидрозащиту в виде двухслойного асфальтобетонного покрытия: первый слой толщиной 7-8 см из асфальтобетона с содержанием щебня не более 40% уплотняют гладковальцовым катком массой 10-18 т (8-10 проходов), второй слой из асфальтопесчаного бетона толщиной 5-8 см с последующим уплотнением гладковальцовым катком массой 10-18 т (8-10 проходов) (патент РФ № 2495181 на изобретение «СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ», МПК E01C 3/04,, опубл. 2013.10.10). Недостатком известного способа является необходимость использования щебеночных материалов, что делает использование способа в условиях Арктической части России неэффективной.

Известен способ возведения покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов, включающий размельчение укрепляемого грунта, введение в него цемент, перемешивание, введение воды, перемешивание смеси и уплотнение ее. Далее уплотненную смесь выдерживают в естественных условиях в течение 24-36 ч при температуре окружающего воздуха 21-23°С. Затем укрепленный грунт дополнительно обрабатывают водой из расчета 6-12 л/м, размельчают слой до получения в смеси не менее 25% по массе частиц размером 1,25 - 0,315 мм и окончательно уплотняют смесь (авторское свидетельство СССЗ № 1636497 на изобретение Способ возведения покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов, МПК E01C 3/04, опубл. 23.03.1991). Известный способ является трудоемким, кроме грунта и цемента требуется много воды, а также выдерживание укрепленного грунта необходимо проводить в естественных условиях в течение 24-36 часов при температуре окружающего воздуха 21-23°С. А это не всегда возможно, то есть способ можно осуществлять лишь в теплое время года. Недостатком данного способа является и то, что фрагментированию подвергается только поверхностный слой, при этом нижняя часть остается монолитным жестким слоем, который подвержен трещинообразованию, что ведет к проявлению отраженных трещин на поверхности. Невозможность контролировать фракционный состав получаемого материала, повышенная истираемость, пылимость и разрушение поверхности из-за климатических факторов делает данный способ неприменимым при строительстве аэродромного покрытия.

Известен способ проведения ремонта участков дорог из пылеватых, обводненных грунтов. Известный способ предусматривает укрепление «тяжелой» нефтью пылеватых, обводненных грунтов при обеспечении промышленно-экологической безопасности осваиваемых трасс и прилегающих к ним природных объектов. При проведении ремонта дорог после оттаивания насыпи, просадок щебеночной подготовки, асфальтобетонного (бетонного) покрытия мотобуром осуществляют проходку скважин глубиной 0,7…1,2 м, диаметром 63…108 мм. В скважины под давлением, превышающим на 20 …80% бытовое, закачивают разогретую, низковязкую «тяжелую» нефть, добавляют щебень и восстанавливают асфальтобетонное покрытие. В случаях ремонта участков дорог, разрушенных морозным пучением (буграми пучения), мотобуром осуществляют проходку скважин глубиной, превышающей сезонное промерзание грунтов дорожной насыпи. Затем в скважины под избыточным давлением закачивают разогретую нефть и восстанавливают щебеночную подготовку, асфальтобетонное покрытие (патент РФ № 2456399 на изобретение СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ РЕМОНТА УЧАСТКОВ ДОРОГИ ИЗ ПЫЛЕВАТЫХ, ОБВОДНЕННЫХ ГРУНТОВ, МПК E01C 3/04, опубл. 2012.07.20). Известный способ является трудоемким и затратным.

Известен способ гидрофобизации и стабилизации грунтов, который заключается в профилировании, последующем измельчении грунта грунтовой фрезой, последующим перемешиванием грунта фрезой с добавлением цемента, обработке грунтоцементной смеси гидрофобизатором на основе природного минерала монтмориллонита, перешивании фрезой обработанной грунтоцементной смеси, уплотнении тяжелыми виброкатками до максимальной степени и последующем открытии движения, причем состав для стабилизации грунта содержит воду, цемент и минеральную добавку, в качестве минеральной добавки вводится концентрат монтмориллонита при следующем соотношении компонентов, мас. %: цемент - 5-7%; концентрат монтмориллонита (R-SO3H, где R - углеводород) - 4%; вода, причем массовая доля воды является варьируемой величиной в зависимости от влажности почвы (см. патент РФ №2662737, МПК Е01С 7/36, E02D 3/12, опубл. 04.04.2018 г.). Недостатком данного способа является создание однородного массива покрытия и основания, по своим свойствам относящегося к жестким покрытиям, при этом отсутствие температурных швов в ходе эксплуатации вызовет трещинообразование, и как следствие образование выбоин. Кроме того, незначительное количество концентрата монтмориллонита на рынке дорожного строительства обуславливает экономическую нецелесообразность его широкого применения при массовом строительстве дорог.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому способу является способ строительства основания дорожных одежд, включающий фрезерование грунта, введение в него вяжущего и воды, перемешивание, последующее уплотнение грунта, обработку грунта битумной эмульсией, повторное разрыхление и измельчение материала поверхностного слоя первоначально уплотненной смеси, при том битумную суспензию добавляют в состав из повторно разрыхленного первоначально уплотненного слоя, дополнительно измельчают и перемешивают полученную смесь и повторно уплотняют (патент РФ № 2714547 на изобретение «СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ И КОНСТРУКЦИЯ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ», МПК E01C 3/04, опубликован 18.02.2020). Недостатком известного способа является то, что повторному разрыхлению подвергается только верхний слой. Монолитный жесткий слой в нижней части подвержен температурному растрескиванию, которое вызывает отраженные трещины в верхней, обработанной битумным вяжущим, части покрытия, что снижает прочность и срок службы дорожного покрытия.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка способа строительства прочного долговечного основания аэродромного и дорожного покрытия из некондиционных грунтов, не подверженного сезонным деформациям, трещинообразованию основания и покрытий.

Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является повышение несущей способности, трещиностойкости, пучиностойкости и срока службы покрытия искусственного аэродромного или дорожного покрытия.

Указанный технический результат достигается тем, что способ строительства основания аэродромных и дорожных одежд из некондиционных грунтов включает фрезерование грунта, введение в него вяжущего, уплотнение грунта и обработку грунта битумной эмульсией. При этом грунт после уплотнения подвергают фрагментированию, формирование основания осуществляют послойно, до достижения проектной толщины, а битумной эмульсией обрабатывают только поверхностный слой.

Предпочтительно, чтобы уплотнение грунта осуществляли катками на пневмоколесах, а фрагментирование грунта осуществляли решетчатым катком.

Предпочтительно также, чтобы уплотнение нижнего слоя дополнительно осуществляли кулачковыми катками с балластом, после чего, без временного перерыва, осуществляли повторное уплотнение катками на пневмоколесах до достижения 30-40% прочности.

Предпочтительно также, чтобы уплотнение грунта осуществляли катками на пневмоколесах весом 25±4 т с давлением 0, 4 МПа.

Предпочтительно также, чтобы фрагментирование грунта осуществляли решетчатым катком весом 30±4 т с размером ячейкой, составляющей диапазон 3÷5 см,

Предпочтительно, чтобы фрагментирование грунта осуществляли без временного перерыва, после уплотнения катками до набора слоем проектной прочности.

Предпочтительно, чтобы в качестве вяжущего использовали цементные и/ или полицементные вяжущие.

Предпочтительно, чтобы поверхностный слой был уплотнен с двускатным или односкатным уклоном.

Предпочтительно, чтобы поверхностный слой основания был обработан битумной эмульсией без перемешивания грунта.

В отдельных случаях выполнения способ может дополнительно включать предварительное устройство выемки на проектную глубину, при этом выбранный грунт, за исключением растительного слоя, используют для устройства основания.

В отдельных случаях выполнения способ может содержать предварительную отсыпку нижних слоев на естественное грунтовое основание толщиной, соответствующей проектным отметкам подошвы искусственного основания, и последующую укладку первичного слоя грунта, подлежащего укреплению.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показал, что во всех случаях исполнения, оно отличается от известного, наиболее близкого технического решения:

- фрагментированием грунта после его уплотнения;

- послойным формированием основания до достижения проектной толщины;

- обрабатыванием битумной эмульсией только поверхностного слоя.

В предпочтительных случаях исполнения изобретение отличается от известного, наиболее близкого технического решения:

- уплотнением грунта катками на превмоколесах;

- фрагментированием грунта решетчатым катком;

- дополнительным уплотнением нижнего слоя кулачковыми катками с балластом с последующим повторным уплотнением катками на пневмоколесах до достижения 30-40% прочности;

- уплотнением грунта самоходными катками весом 25±4 т на пневмоколесах;

- фрагментированием грунта решетчатым катком весом 30±4 т с размером ячейкой, составляющей диапазон 3÷5 см;

- фрагментированием грунта без временного перерыва после уплотнения катками до набора слоем проектной прочности;

- использованием в качестве вяжущего цементных и/ или полицементных вяжущих;

- уплотнением поверхностного слоя с двускатным или односкатным уклоном;

- обрабатыванием поверхностного слоя основания битумной эмульсией без перемешивания грунта;

- дополнительным предварительным устройством выемки на проектную глубину с использованием выбранного грунта, за исключением растительного слоя, для устройства основания.

- предварительной отсыпкой нижних слоев на естественное грунтовое основание толщиной, соответствующей проектным отметкам подошвы искусственного основания, и последующей укладкой первичного слоя грунта, подлежащего укреплению.

Фрагментирование грунта после уплотнения; послойное формирование основания до достижения проектной толщины обеспечивает создание однородного трещиноустойчивого основания. Обработка поверхностного слоя битумной эмульсией обеспечивает его гидроизоляцию от атмосферной влаги, придает гидрофобные свойства и повышает срок службы покрытия. В результате применения разработанного способа из некондиционных грунтов (пылеватых песков, супесей и суглинков) формируется основание, близкое по своим свойствам к щебню осадочных пород, характеризующееся высокой несущей способностью, трещиностойкостью, пучиностойкостью и высоким коэффициентом фильтрации. Фрагментирование грунта решетчатым катком весом 30±4 т с размером ячейкой, составляющей диапазон 3÷5 см, обеспечивает фрагментацию грунта на микроблоки заданного размера, что исключает образование пылеватых мелких фракций и повышает несущую способность слоя, поскольку микроблоки образуют пространственную структуру по типу кирпичной кладки. Уплотнение нижнего слоя кулачковыми катками с балластом формирует грунтоцементные микросваи, вдавленные в нижележащий слой, которые «включают» нижние неукрепленные слои основания, увеличивая несущую способность устраиваемого слоя.

В предпочтительном варианте исполнения способ строительства основания аэродромных и дорожных одежд из некондиционных грунтов включает: послойное фрезерование грунта, введение в него цементного и/ или полицементного вяжущего, уплотнение грунта катками весом 25±4 т на превмоколесах, фрагментирование грунта решетчатым катком весом 30±4 т с размером ячейкой, составляющей диапазон 3÷5 см, до достижения проектной толщины. Фрагментирование грунта осуществляют без временного перерыва, после уплотнения катками до набора слоем проектной прочности. Нижний слой основания, после уплотнения катками на пневмоколесах, дополнительно уплотняют кулачковыми катками с балластом, после чего, без временного перерыва, осуществляют повторное уплотнение катками на пневмоколесах до достижения 30-40% прочности. Последний поверхностный слой грунта уплотняют с двускатным или односкатным уклоном, после чего обрабатывают битумной эмульсией без перемешивания грунта. В случае устройства аэродромного или дорожного покрытия в выемке, предварительно устраивается выемка на проектную глубину, при этом выбранный грунт, за исключением растительного слоя, используют для устройства укрепленного основания. На многолетнемерзлых грунтах (ММГ) устройство покрытий в выемке не рекомендуется.

Способ осуществляют следующим образом.

На естественное подготовленное грунтовое основание или слой неповрежденного мохоторфа (в случае строительства на многолетнемерзлых грунтах) производят отсыпку нижних слоев толщиной соответствующей проектным отметкам подошвы искусственного основания конструкции покрытия. На подготовленную и уплотненную поверхность насыпи укладывается первичный слой грунта толщиной 15-20 см, подлежащего укреплению, выполняется его разравнивание и смешение с цементным или полимерцементным вяжущим дорожными фрезами. Полученный слой подвергается первичному уплотнению дорожными катками на пневоколесах (катки 25 ± 4 т, давление 0,3-0,4 МПа). Затем, без временного перерыва, кулачковыми катками с балластом (давление кулачка на грунт 6 МПа), после чего повторяется уплотнение катками на пневмоколесах весом 25±4 т. Устраиваемый слой обрабатывается решетчатым катком весом 30±4 т без временного интервала, до момента набора прочности слоем. В результате, после набора прочности получается нижний слой укрепленного основания с микросваями, образованными вдавливанием грунтоцемента кулачками кулачкового катка в нижележащий слой, и слоем грунтоцемента, фрагментированного решетчатым катком на микроблоки размером от 3х3 до 5х5 см, в зависимости от размера ячейки решетчатого катка.

После набора 30-40% прочности устроенного слоя на него наносится слой грунта толщиной 15 см, разравнивается, смешивается дорожной фрезой с цементным или полимерцементным вяжущим и уплотняется катками на пневмоколесах (25±4 т, давление 0,3-0,4 МПа). После достижения проектной плотности, без временного перерыва выполняется обработка решетчатым катком весом 30±4 т. Эта процедура повторяется до достижения проектной толщины укрепленного основания аэродромной или дорожной одежды. Поверхность окончательно сформированного слоя основания, имеющего двускатный или односкатный уклон, обрабатывается битумной эмульсией для придания слою основания гидрофобных свойств и повышению срока службы. Поверх устроенного основания может укладываться как жесткое. так и нежесткое покрытие. При этом слой основания не будет формировать отраженные трещины в покрытии.

В случае устройства аэродромного или дорожного покрытия в выемке, все выше поименованные процедуры выполняются после устройства выемки на проектную глубину, выбранные грунты, за исключением растительного слоя складируются и используются для устройства слоя укрепленного основания. На многолетнемерзлых грунтах (ММГ) устройство покрытий в выемке не рекомендуется.

В результате применения предлагаемого способа из некондиционных грунтов: пылеватых песков, супесей и суглинков формируется слой основания, близкий по своим свойствам к щебню осадочных пород, характеризующийся высокой несущей способностью, трещиностойкостью, пучиностойкостью и высоким коэффициентом фильтрации.

Устроенное поверх такого слоя основания аэродромное или дорожное покрытие жесткого или нежесткого типа будет обладать долговечностью, не будет подвержено трещинообразованию, морозному пучению и температурным просадкам при протаивании.

Изобретение относится к строительству оснований жестких и нежестких аэродромных и дорожных покрытий в условиях отсутствия щебеночных и гравийных материалов, крупнозернистых песков или иных кондиционных непучинистых грунтовых материалов, пригодных для создания термоизоляционной насыпи, недеформирующейся при промерзании и оттаивании. Технический результат - повышение несущей способности, трещиностойкости, пучиностойкости и срока службы покрытия искусственного аэродромного или дорожного покрытия. Способ строительства основания аэродромных и дорожных одежд из некондиционных грунтов включает укладку слоя грунта, введение в него вяжущего и их смешение дорожными фрезами, уплотнение грунта, который затем подвергают фрагментированию. Формирование основания осуществляют послойно до достижения проектной толщины. Поверхностный слой грунта обрабатывают битумной эмульсией. Представлены следующие частные случаи выполнения способа строительства. Уплотнение грунта осуществляют катками на пневмоколесах, а фрагментирование грунта - решетчатым катком. Уплотнение нижнего слоя дополнительно осуществляют кулачковыми катками с балластом, после чего, без временного перерыва, осуществляют повторное уплотнение катками на пневмоколесах до достижения 30-40% прочности. Или уплотнение грунта осуществляют катками на пневмоколесах весом 25±4 т с давлением 0, 4 МПа. Возможно фрагментирование грунта осуществлять решетчатым катком весом 30±4 т с размером ячейки, составляющей диапазон 3÷5 см, или фрагментирование грунта осуществлять без временного перерыва, после уплотнения катками до набора слоем проектной прочности. В качестве вяжущего возможно использование цементных и/или полицементных вяжущих. Поверхностный слой уплотняют с двускатным или односкатным уклоном. В отдельных случаях выполнения способ может дополнительно включать предварительное устройство выемки на проектную глубину, при этом выбранный грунт, за исключением растительного слоя, используют для устройства основания. В отдельных случаях выполнения способ может содержать предварительную отсыпку нижних слоев на естественное грунтовое основание толщиной, соответствующей проектным отметкам подошвы искусственного основания, и последующую укладку первичного слоя грунта, подлежащего укреплению. 10 з.п. ф-лы.

1. Способ строительства основания аэродромных и дорожных одежд из некондиционных грунтов, включающий укладку слоя грунта, введение в него вяжущего и их смешение дорожными фрезами с последующим уплотнением слоя грунта, который затем подвергают фрагментированию, причем формирование основания осуществляют послойно до достижения проектной толщины, а поверхностный слой грунта обрабатывают битумной эмульсией.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что уплотнение грунта осуществляют катками на пневмоколесах, а фрагментирование грунта осуществляют решетчатым катком.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что уплотнение грунта осуществляют катками на пневмоколесах весом 25±4 т с давлением 0,4 МПа.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что уплотнение нижнего слоя дополнительно осуществляют кулачковыми катками с балластом, после чего, без временного перерыва, осуществляют повторное уплотнение катками на пневмоколесах до достижения 30-40% прочности.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что уплотнение нижнего слоя осуществляют кулачковыми катками с балластом с давлением кулачка на грунт, равным 6 МПа.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что фрагментирование грунта осуществляют решетчатым катком весом 30±4 т с размером ячейки, составляющей диапазон 3÷5 см.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фрагментирование грунта осуществляют без временного перерыва, после уплотнения катками до набора слоем проектной прочности.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вяжущего используют цементные и/или полимерцементные вяжущие.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхностный слой уплотняют с двускатным или односкатным уклоном.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно включает предварительное устройство выемки на проектную глубину, при этом выбранный грунт, за исключением растительного слоя, используют для устройства основания.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что включает предварительную отсыпку нижних слоев на естественное грунтовое основание толщиной, соответствующей проектным отметкам подошвы искусственного основания, с последующей укладкой первичного слоя грунта, подлежащего укреплению.