Способ укрепления таликовых зон в основании сооружений Российский патент 2024 года по МПК E02D3/115 E02D3/12 

Предлагаемое изобретение относится к области строительства, а именно к способам усиления оттаявшего грунта в основании земляного полотна железных, автомобильных дорог, гражданских и промышленных зданий и сооружений при их эксплуатации, ремонте и реконструкции для повышения прочностных и деформационных характеристик и поддержания в стабильном состоянии многолетнемерзлых грунтов основания.

Известен способ замораживания грунта, заключающийся в применении системы для замораживания, включающей ряд размещенных в грунте и соединенных между собой замораживающих колонок, заполненных хладагентом, при этом первая колонка ряда соединена с последней, а последняя соединена последовательно со всеми предыдущими относительно нее колонками. В результате этого окружающий колонку грунт охлаждается, как за счет работы колонки, так и за счет действия уже охлажденного прилегающего к нему массива грунта (см. патент СССР №690123, МПК E02D 19/14, опубл. 05.10.1979. Бюл. №37).

Недостатками известного способа является:

- отложенность во времени достижения полезного эффекта стабилизации;

- необходимость взаимосвязи колонок между собой в строгом порядке и особом расположении в пространстве;

- необходимость устройства большого количества замораживающих колонок, в связи с маленькой полезной площадью, контактирующей с массивом грунта.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ замораживания грунта, заключающийся в размещении в грунте колонок заполненных хладагентом, при циркуляции которого происходит теплообмен между наружным воздухом и грунтом, при этом, грунт перед размещением в нем колонок пропитывается при помощи иглофильтров жидким материалом с температурой затвердевания превышающей 0°С, например, мазутом (см. патент СССР №654741, МПК E02D 3/12, опубл. 30.03.1979. Бюл. №12). Недостатками известного способа является:

- ограниченность применения способа из-за крайне низкой эффективности при пропитке мазутом глинистых грунтов, ввиду низкого коэффициента фильтрации;

- сложность технологии реализации, в том числе из-за применения иглофильтров;

- ограниченность применения способа из-за материала пропитки, который может отрицательно влиять на характеристики и состояние грунтов;

- неэкологичность и опасность выполнения закрепления грунтов, который следует производить с соблюдением специальных способов защиты

- отсутствие полного исключения возможности дальнейшей деградации многолетнемерзлого грунта под укрепленным массивом в таликовой зоне;

- отсутствие сохранения стабильного состояния укрепленного массива в таликовой зоне со временем.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение эффективности укрепления таликовых зон основания земляного полотна путем восстановления его эксплуатационных прочностных и деформационных характеристик с остановкой оттаивания многолетнемерзлого грунта и дальнейшего поддержания стабильного состояния укрепленного и мерзлого грунта основания без ограничения эксплуатационной способности земляного полотна.

Техническая задача решена за счет того, что в способе укрепления таликовых зон основания земляного полотна, заключающемся в размещении в грунте сезоннодействующих охлаждающих устройств, предварительно на первом этапе проводят бурение лидерных скважин до нижней границы кровли многолетнемерзлых грунтов в таликовой зоне, на втором этапе осуществляют подачу твердеющего водоцементного раствора посредством погружения в грунт инъекторов, что обеспечивает уплотнение талого грунта основания насыпи, с образованием уплотненного массива грунта, на третьем этапе после удаления инъекторов из скважин, до схватывания раствора, по сформированным лидерным скважинам погружают сезоннодействующие охлаждающие устройства с заделкой их в грунтоцементный элемент с последующим набором проектной прочности грунтоцемента.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где схематически показан принцип реализации способа: на фиг.1 изображено образование уплотненного массива грунта элементами цементного раствора с повышенной прочностью и теплопроводностью в таликовой зоне в период извлечения инъектора из скважины и погружения в нее сезоннодействующего охлаждающего устройства,; на фиг.2 изображено осуществление поддержания стабильного состояния многолетнемерзлых грунтов под упрочненным массивом грунта элементами цементного раствора в таликовой зоне сезоннодействующими охлаждающими устройствами.

Позициями на чертежах обозначено:

1. Инъектор;

2. Контур лидерной скважины;

3. Откосная часть земляного полотна;

4. Сезоннодействующее охлаждающее устройство (СОУ);

5. Уплотненный массив грунта;

6. Талый грунт основания насыпи;

7. Кровля многолетнемерзлых грунтов в таликовой зоне;

8. Многолетнемерзлый грунт основания насыпи;

9. Элемент из цементного раствора.

Комплекс для реализации способа состоит из инъектора 1, который погружается в предварительно пробуренную лидерную скважину 2, в откосной части земляного полотна 3, и сезоннодействующего охлаждающего устройства 4, которое погружается в сформированную после извлечения инъектора 1 скважину.

Реализация предлагаемого способа осуществляется в следующей последовательности. Первоначально на первом этапе проводят бурение лидерной скважины 2, в откосной части земляного полотна 3 до нижней границы кровли многолетнемерзлых грунтов 7 в таликовой зоне, на втором этапе осуществляют подачу твердеющего водоцементного раствора посредством погружения в грунт инъекторов 1, что обеспечивает уплотнение талого грунта основания насыпи 6, образующимся уплотненным массивом грунта 5, на третьем этапе после удаления инъектора 1 из скважины 2, до схватывания раствора, по сформированной лидерной скважине погружают сезоннодействующие охлаждающие устройства 4 с заделкой их в грунтоцементный элемент 9, образованный в уплотненном массиве грунта 5, с последующим набором проектной прочности грунтоцемента.

При нагнетании твердеющего цементного раствора с повышенной теплопроводностью происходит отжатие свободной воды, что в свою очередь, в совокупности с уплотнением грунта между элементами из цементного раствора приводит к укреплению таликовой зоны.

Инъектируемый раствор при затвердении формирует вокруг зоны испарителя СОУ 4 элемент 9 с повышенной теплопроводностью и площадью контакта с окружающим грунтом. Элемент цементного раствора 9, после затвердевания, помимо образования уплотненного массива грунта 5, улучшает работу испарителя СОУ, и позволяет с повышенной эффективностью осуществлять теплообмен с грунтом, за счет повышенной теплопроводности и площади контакта, обеспечивая улучшение характеристик грунтов, что позволяет увеличить шаг расстановки СОУ и их установку не в каждую скважину 2.

Сезоннодействующие охлаждающие устройства 4, установленные в скважины, обеспечивают поддержание стабильного положения кровли многолетнемерзлых грунтов 7 в основании и сохранение отрицательной температуры многолетнемерзлых грунтов за счет теплообмена посредством циркуляции естественным способом жидкого хладагента, с низкой температурой кипения, которым оно заполнено, в холодный период года, и остановки теплообмена в теплый период года.

Допускается установка оборудования под наклоном к горизонту. При значительных углах наклона следует изгибать корпус сезоннодействующих охлаждающих устройств до вертикального положения.

В качестве примера реализации способа выбран участок Байкало-Амурской магистрали с распространением в основании глинистых многолетнемерзлых грунтов, где происходит их деградация, на котором перед началом работ была выполнена геодезическая съемка участка. С предварительно установленных термометрических скважин получены данные о температуре грунта, свидетельствующие о наличии таликовых зон в основании насыпи, образованных непосредственно под земляным полотном высотой 3 м, ширина которого по низу составляла 16,5 м, и о положении границы многолетнемерзлых грунтов в основании на глубине 3,5 м.

Производство работ проводилось в теплое время года, в период достижения средней максимальной температуры воздуха наиболее теплого месяца +25°С. За границами очертания габарита приближения строения в откосные части земляного полотна без прекращения движения на перегоне были пробурены лидерные скважины, в которые были погружены инъекторы диаметром 32 мм до границы таликовой зоны на глубину 3,5 м.

Инъекторы для нагнетания твердеющего водоцементного раствора располагались на расстоянии 1,5 м друг от друга таким образом, чтобы было обеспечено пересечение контуров элементов цементного раствора в таликовой зоне. Исходный состав компонентов на 1 м³ раствора: песок - 1000 кг, глина - 200 кг, цемент М400 - 200 кг, пластификатор 1,5 кг. Затем после нагнетания цементного раствора инъекторы удалялись из скважины, и до схватывания раствора, по сформированной лидерной скважине погружались термостабилизаторы ТК32/7,0.М5-03 до границы таликовой зоны. После набора проектной прочности теплопроводность затвердевшего цементного раствора составляла 0,6 Вт/м °С.

Наблюдения в течение года с термометрических скважин были получены значения глубины расположения кровли многолетнемерзлых грунтов в пределах 3,4-3,5 м, что свидетельствует о достижении результата укрепления основания земляного полотна и остановке оттаивания многолетнемерзлого грунта в таликовой зоне.

После завершения работ выполнялась геодезическая съемка. Наблюдения продолжались до конца последующего теплого времени года. В течении периода наблюдений результаты продолжающейся геодезической съемки позволили сделать вывод о стабильности грунтов основания.

Предлагаемое решение позволяет обеспечивать достижение заявляемого технического результата за счет реализации способа, включающего инъектирование материала с повышенной прочностью и теплопроводностью, являющимся экологически наименее опасным, что позволяет надежно стабилизировать грунты основания земляного полотна, исключая отложенность эффекта стабилизации (эффект сразу после затвердевания цементного раствора), и защитить в дальнейшем от температурных колебаний многолетнемерзлый грунт благодаря работе сезоннодействующих охлаждающих устройств с повышенной эффективностью работы в зоне испарителя за счет элемента из затвердевшего цементного раствора. Помимо этого, элементы цементного раствора позволяют уменьшить количество термосифонов, необходимых для поддержания стабильного состояния многолетнемерзлого грунта, за счет увеличенной поверхности контакта раствора с грунтом до трех раз.

Изобретение относится к усилению оттаявшего грунта, находящегося в основании земляного полотна железных и автомобильных дорог, гражданских и промышленных зданий и сооружений при их эксплуатации, ремонте и реконструкции для повышения прочностных и деформационных характеристик и поддержания в стабильном состоянии многолетнемерзлых грунтов основания. Техническим результатом является повышение эффективности теплообмена. Технический результат достигается тем, что способ укрепления таликовых зон основания земляного полотна заключается в размещении в грунте сезоннодействующих охлаждающих устройств, при этом предварительно на первом этапе проводят бурение лидерных скважин до нижней границы кровли многолетнемерзлых грунтов в таликовой зоне, на втором этапе осуществляют подачу твердеющего водоцементного раствора посредством погружения в грунт инъекторов, что обеспечивает уплотнение талого грунта основания насыпи, с образованием уплотненного массива грунта, на третьем этапе после удаления инъектора из скважины, до схватывания раствора, по сформированной лидерной скважине погружают сезоннодействующие охлаждающие устройства с заделкой их в уплотненный массив грунта с образованием грунтоцементного элемента с последующим набором его проектной прочности. 2 ил.

Способ укрепления таликовых зон основания земляного полотна, заключающийся в размещении в грунте сезоннодействующих охлаждающих устройств, отличающийся тем, что предварительно на первом этапе проводят бурение лидерных скважин до нижней границы кровли многолетнемерзлых грунтов в таликовой зоне, на втором этапе осуществляют подачу твердеющего водоцементного раствора посредством погружения в грунт инъекторов, что обеспечивает уплотнение талого грунта основания насыпи, с образованием уплотненного массива грунта, на третьем этапе после удаления инъектора из скважины, до схватывания раствора, по сформированной лидерной скважине погружают сезоннодействующие охлаждающие устройства с заделкой их в уплотненный массив грунта с образованием грунтоцементного элемента с последующим набором его проектной прочности.