Гибкое многослойное покрытие

 

Изобретение относится к строительству, в частности к конструкциям покрытий грунтовых площадок, и может быть использовано для быстрого возведения дорог и аэродромов. Сущность изобретения: в гибком многослойном покрытии, включающем слои армированного пространственными или плоскими георешетками грунта и гибкие разделительные прослойки из высокопрочного геотекстиля между ними, слои армогрунта расположены со смещением георешеток друг относительно друга и скреплены между собой по вертикали гибкими связями с образованием замкнутых ячеек. Разделительные прослойки предварительно напряжены усилием, равным 70 80% от разрушающей нагрузки, а полотно верхнего несущего слоя выполнено из водонепроницаемого геотекстиля. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к строительству, в частности к конструкциям покрытий грунтовых площадок, и может быть использовано для быстрого возведения дорог и аэродромов.

Известно (аналог) устройство для быстрого возведения дорожных покрытий, представляющее собой полотно из тканевого водонепроницаемого материала, соединенное с грунтовым основанием посредством гибких анкеров, расположенных равномерно по площади покрытия [1] Известно также (аналог) покрытие аэродромов в виде натянутой металлической сети прямоугольной формы, укладываемой на грунтовую площадку и заанкеренной с грунтом посредством растяжек, расположенных равномерно по периметру сетки [2] Недостатком указанных решений является то, что они не обеспечивают несущую способность покрытия, расположенного на слабом грунтовом основании, достаточную для прохождения по дорогам тяжелых автомобилей или осуществления самолетами операций взлет посадка на грунтовых аэродромах, особенно в период распутицы. Это объясняется тем, что покрытие в виде тканевого полотна или сети, представляет собой тонкую мембрану, материал которой активно включается в работу под нагрузкой только при сравнительно больших местных деформациях, которые при эксплуатации дорог и аэродромов часто недопустимы.

Наиболее близким к предлагаемому (прототип) является покрытие, включающее слои армированного георешетками грунта, гибкие разделительные прослойки из геотекстиля между ними и верхний несущий слой из каменных материалов. Георешетки выполняются из гладких пластин легких металлов, водостойкой бумаги, резины, полимерных материалов, соединенных между собой сваркой или склеиванием таким образом, что при растяжении они образуют ячеистую структуру. Решетки устанавливаются вплотную одна к другой по ширине взлетной полосы аэродрома (дороги) и засыпаются грунтом. Грунт уплотняется. Сверху укладываются внахлест полотна геотекстиля. Затем таким же способом формируется следующий слой армогрунта [3] Недостатком известного покрытия дорог и аэродромов является его относительно невысокая несущая способность, что связано с выпиранием грунта из ячеек решетки при контактных давлениях, превышающих предел прочности грунта. Это объясняется, во-первых, недостаточным сцеплением грунта со стенками георешетки. Вследствие этого при больших нагрузках нарушается совместная работа георешетки с материалом заполнителя. Во-вторых, неравномерным армированием слоя грунта в пределах каждой ячейки. В-третьих, схемой армирования слоя грунта, когда ячейки георешетки снизу и сверху открыты (незамкнуты). В-четвертых, в указанном решении не определены оптимальные с точки зрения максимальной несущей способности при минимальной массе геометрические размеры георешетки.

Цель изобретения повышение несущей способности грунтовых дорог и аэродромов, сокращение времени на возведение покрытия и увеличение сроков его эксплуатации.

Для этого изменяется конструкция покрытия. В покрытии слои армогрунта расположены со смещением георешеток относительно друг друга на половину ширины ячейки и скреплены между собой по вертикали гибкими связями с образованием замкнутых ячеек. Разделительные прослойки из высокопрочного водопроницаемого материала предварительно напряжены усилием, равным 70-80% от разрушающей нагрузки, и уложены с перекрытием (нахлестом). Верхнее полотно покрытия выполнено из высокопрочного водонепроницаемого материала. Кроме того, стенки пространственной георешетки выполнены рифлеными и каждая ячейка имеет клапаны в виде надрезов в стенках, ориентированные осью вращения лепестка клапана параллельно плоскости покрытия, а отношение ширины ячейки к ее высоте равно 0,9-1,8.

Анализ известных авторам технических решений показал, что отличительные признаки изобретения расположение слоев армогрунта со смещением верхней георешетки относительно нижней, соединение элементов покрытия между собой гибкими вертикальными связями с образованием замкнутых ячеек, выполнение стенок георешетки рифлеными и наличие в них клапанов, ориентированных осью вращения лепестка клапана параллельно плоскости покрытия, при отношении ширины ячейки к ее высоте, равном 0,9-1,8, предварительная опрессовка полотен геотекстиля усилием, равным 70-80% от разрушающей нагрузки в совокупности не встречаются. Поэтому данное техническое решение обладает существенными отличиями и соответствует критерию "новизна".

Техническое решение за счет указанных отличительных признаков позволяет повысить несущую способность покрытий грунтовых дорог и аэродромов, в том числе при многократном приложении подвижной нагрузки, увеличить сроки эксплуатации и сократить время на его возведение.

На фиг. 1 представлен фрагмент гибкого покрытия для дорог и аэродромов, общий вид; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 георешетка в сложенном (транспортном) положении; на фиг. 4 форма ячеек георешетки в растянутом (рабочем) положении (вид сверху); на фиг.5 сечение Б-Б на фиг.3; на фиг.6 узел I на фиг.2; на фиг.7 узел II на фиг.2; на фиг.8 график функции желательности Харрингтона; на фиг.9 график зависимостей предельной несущей способности армогрунта и приведенной массы георешетки от отношения ширины ячейки к высоте георешетки; на фиг. 10 график зависимостей обобщенной и частных функций желательности от отношения ширины ячейки к высоте георешетки.

Покрытие представляет собой объемную конструкцию в виде сборной гибкой плиты, которая формируется на подготовленном грунтовом основании 1 (фиг.1 и 2) и содержит нижнюю прослойку 2, выполненную преимущественно из полотен геотекстиля с хорошими фильтрующими свойствами, уложенных с нахлестом, нижний 3 и верхний 6 слои армогрунта из гибких георешеток с заполнителем 4 из грунтовых материалов, промежуточную прослойку 5, выполненную преимущественно из полотен высокопрочного геотекстиля или геосетки и уложенных с нахлестом, верхний слой 7, выполненный преимущественно из полотен высокопрочных водонепроницаемых тканевых материалов, уложенных с нахлестом и соединенных между собой линейными швами 9, формируемыми посредством дискретных болтовых (заклепочных) соединений 14, либо сшиванием, склеиванием, сваркой или соединительными элементами в виде гибкого анкера 10.

Секция георешетки 8 представляет собой гибкий модуль (фиг.3 и 4), состоящий из скрепленных линейными швами 16 гибких пластин 15 преимущественно из синтетических материалов. Пластины имеют с обоих сторон рифление в виде канавок 17 (фиг.5) или выступов и клапаны 13 в виде надрезов в пластинах преимущественно П-образной формы. Степень шероховатости пластин, а также размеры и расположение клапанов задаются, исходя из условия обеспечения надежного сцепления георешетки с материалом заполнителя и обеспечения равномерного армирования грунта в пределах каждой ячейки. Открытие клапанов осуществляется автоматически при растяжении георешетки за счет упругих свойств материала и наличия перемычки 18 с основании клапана. Размеры георешеток выбираются из соображений удобства транспортировки и их монтажа и примерно равны: в сложенном (транспортном) положении С_о 2,5-3 м, D_о 0,12 0,20 м (фиг. 3), в растянутом (рабочем) положении секция георешетки представляет собой объемную ячеистую структуру с размерами С 2,0-2,5 м, D 5-6 м (фиг.1).

Высота георешетки ограничивается сверху и выбирается из условия обеспечения качественного уплотнения материала заполнителя в ячейках. При использовании метода укатывания, наиболее распространенного при строительстве дорог и аэродромов, высота георешетки должна быть не более h ≅ 0,15-0,25 м. При больших значениях высоты h прилегающая к основанию часть материала заполнителя в ячейках решетки оказывается недоуплотненной, что снижает несущую способность армогрунта.

Экспериментальные исследования, выполненные авторами, показали, что под нагрузкой прочность и устойчивость ребер георешетки, выполненной из листового синтетического материала, например, полиэтилена, при качественном уплотнении материала засыпки обеспечивается при толщине стенок георешетки, равной δ 1,0-1,5 мм.

Оптимальные значения отношения ширины ячейки a к высоте георешетки h определялись по методу Харрингтона (Сисков В.Н. Корреляционный анализ в экологических исследованиях. М. Финансы и статистика, 1975, 212 с.). Указанная задача решалась применительно к покрытию дорог и аэродромов, возводимых на слабых (сыпучих, переувлажненных, заторфованных) грунтах. В качестве критериев оптимальности выбраны: масса единицы площади георешетки в растянутом положении m, выражение для определения которой получено расчетным путем (фиг.9) m 4,4·δ·ρ· кг/м² где δ толщина стенки георешетки, м; ρ плотность материала георешетки, кг/м³ (на фиг.9 принято δ 0,001 м и ρ 1070 кг/м³ (полиэтилен).

Относительная предельная прочность армогрунта , равная отношению предельной прочности всей конструкции к прочности грунтового основания. Выражение для определения предельной прочности армогрунта получено экспериментальным путем (фиг.9).

1 + 1,7 · На фиг. 8 представлены результаты обработки данных экспертного опроса в виде шкал для и m, а также функция желательности Харрингтона, позволяющая пересчитать фактические значения критериев и m в безразмерные величины d_р и d_m (частные функции желательности). Параметром оптимизации являлось отношение размеров ячейки георешетки формальным условием оптимальности соотношение Φ max где Φ обобщенная функция желательности.

Анализ обобщенной и частных функций желательности (фиг.10) позволяет сделать следующие заключения относительно влияния размеров ячейки георешетки на прочность армогрунта. Отношение принадлежащее интервалу 0,9-1,2, обеспечивает отличные характеристики прочности и материалоемкости конструкции. При изменении отношения от 1,2 до 1,8 обобщенная оценка "отлично" конструкции в целом сохраняется, при этом масса георешетки снижается в 1,5 раза, а прочность конструкции 1,16 раза. Дальнейшее возрастание отношения не вызывает существенного эффекта снижения материалоемкости конструкции и приводит к значительному уменьшению ее прочности. Поэтому значение 1,8 является верхней границей оптимальных размеров георешетки. Значения отношения < 1,2, обеспечивая высокую прочность конструкции, приводят к прогрессирующему нарастанию массы георешетки. Так, при изменении в интервале от 1,2 до 0,2 значения и m увеличиваются соответственно в 2,33 и 6,0 раза. Поэтому целесообразно нижнюю границу оптимальных значений размеров георешетки установить на уровне 0,9.

Таким образом, оптимальные значения размеров георешетки с точки зрения достижения наибольшей прочности конструкции при минимальной массе армирующих эле- ментов лежат в диапазоне 0,9 ≅ ≅ 1,8 (фиг.10).

В качестве заполнителя 4 (фиг.1) может использоваться местный грунтовый материал, преимущественно легкоуплотняемый песчаный или щебеночный грунт.

Нижняя прослойка 2 формируется из полотен тканевого материала, преимущественно геотекстиля, обладающего хорошей фильтрующей способностью (например, из нетканого волокнистого материала ДОРНИТ),уложенных с нахлестом 5-10 см. Целесообразно сочетание в нижней прослойке полотен высокопрочного геотекстиля и фильтрующего геотекстиля.

Промежуточные прослойки 5 формируются из полотен геотекстиля (геосеток, плоских георешеток и т. п.), выполненных преимущественно из высокопрочных синтетических материалов.

Верхний слой 7 покрытия изготавливается из высокопрочного тканевого материала, преимущественно из полотен прорезиненной многослойной синтетической ткани (например, лента конвейерная резинотканевая ГОСТ 20-85). Кроме того, верхнее полотно может быть натянуто в продольном и поперечном направлениях и заанкерено посредством растяжек и внешних анкеров.

Соединительный элемент 10 (фиг.1) содержит индентор 12 (фиг.7), соединенный с опорной шайбой 10 посредством рычага 20, упругой тканевой ленты 11, пропущенной через отверстие 23 верхней части рычага и отверстие в опорной шайбе и закрепленной в последней с натягом фиксатором 19.

Доставляется покрытие к месту строительства в разобранном виде: георешетки в сложенном виде в пакетах; полотна горизонтальных прослоек в рулонах; соединительные элементы в жесткой таре.

Сборка покрытия выполняется в следующей последовательности.

На подготовленном под покрытие грунтовом основании раскатываются с нахлестом 5-10 см рулоны материала нижней прослойки. Непосредственно перед укладкой полотна опрессовываются нагрузкой, равной 70-80% от разрывной, например, с помощью двух тягачей или бульдозеров. На нижнюю прослойку последовательно устанавливаются встык одна к другой георешетки 8 (фиг.1). Георешетки предварительно растягиваются в рабочее положение, при котором ширина ячеек в продольном и поперечном направлениях примерно равны a (фиг.4) и фиксируются в этом положении путем засыпки грунтовым материалом ячеек, расположенных по контуру георешетки. Затем выполняется укладка грунтового материала в ячейки георешетки и его уплотнение путем укатки до требуемого значения степени плотности. Формирование промежуточной прослойки производится в такой же последовательности, как и нижней. Верхний слой армогрунта создается в аналогичной последовательности, как и нижний, при этом георешетки верхнего слоя сдвигаются примерно на половину ширины ячейки по отношению к георешеткам нижнего слоя армогрунта Q₁ (0,4-0,6) ^.a (фиг.3). Далее раскатываются с нахлестом 10-15 см полотна верхнего слоя и соединяются между собой посредством болтовых или иных соединений 9. На заключительном этапе элементы конструкции скрепляются между собой посредством соединительных элементов 10 (фиг.1), расположенных равномерно по площади покрытия и устанавливаемых в следующей последовательности. Посредством обсадной трубы индентоp 12 и соединенная с ним лента 11 заглубляются в грунтовое основание. Затем извлекается обсадная труба, лента 11 пропускается через отверстие в анкере(опорной шайбе) 10, с усилием F_н натягивается, при этом рычаг 20 поворачивается на угол 90^о. При дальнейшем увеличении силы натяжения до значения F_к под действием момента силы M F_к^.l происходит поворот в грунте индентора 12 и его прижатие к полотну нижней прослойки. Свободный конец ленты закрепляется в опорной шайбе 10 с помощью фиксатора 19 с усилием F_у.

Под нагрузкой покрытие работает как упругая плита, расположенная на грунтовом основании. Внешнюю нагрузку воспринимают все элементы конструкции покрытия. Верхнее, промежуточное и нижнее полотна горизонтальных прослоек работают как мембраны, закрепленные по контуру зоны передачи заметных вертикальных напряжений. Материал заполнителя работает совместно с каркасом георешетки. При этом частицы грунта заполнителя от горизонтального смещения удерживаются стенками георешетки, от вертикального смещения клапанами и за счет сил трения между шероховатыми стенками георешетки и грунтом. Кроме того, полотна горизонтальных прослоек, прижатые к каркасу с усилием F_у, посредством гибких анкеров препятствуют выжиманию грунта вниз и вверх из ячеек георешетки.

Технико-экономическая эффективность покрытия по сравнению с прототипом заключается в повышении несущей способности конструкции, сокращении времени на сборку покрытия и увеличении срока его эксплуатации за счет: обеспечения равномерного армирования грунта путем использования в конструкции георешетки клапанов, открывающихся вовнутрь каждой ячейки, и смещения георешеток друг относительно друга;
использования в конструкции покрытия георешеток с шероховатыми стенками и с оптимальными размерами ячеек, обеспечивающими максимальную прочность армогрунта при минимальной массе армирующих элементов;
исключения выпирания грунта вниз и вверх из ячеек георешетки, что обеспечивается применением многослойной конструкции покрытия с чередованием слоев армогрунта и прослоек геотекстиля, скрепленных между собой с образованием замкнутых ячеек;
применения в конструкции покрытия синтетических материалов, устойчивых к действию гидрогеологических факторов, в том числе верхнего слоя из водонепроницаемых тканевых материалов, обеспечивающих отвод влаги с покрытия, и уменьшения пылимости дорог и аэродромов и нижней прослойки из геотекстиля с хорошими фильтрующими характеристиками, обеспечивающей отвод грунтовых вод из-под покрытия;
предварительной опрессовки материала прослоек усилием, равным 70-80% от разрушающей нагрузки.

Формула изобретения

1. ГИБКОЕ МНОГОСЛОЙНОЕ ПОКРЫТИЕ, включающее слои армированного пространственными или плоскими георешетками грунта, гибкие разделительные прослойки из высокопрочного геотекстиля между ними, отличающееся тем, что слои грунта расположены со смещением георешеток одна относительно другой и скреплены между собой по вертикали гибкими связями с образованием замкнутых ячеек, разделительные прослойки предварительно напряжены усилием, равным 70-80% от разрушающей нагрузки, а полотно верхнего несущего слоя выполнено из водонепроницаемого геотекстиля.

2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что стенки каждой георешетки выполнены рифлеными.

3. Покрытие по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что каждая ячейка георешетки имеет клапаны в виде надрезов в стенках, ориентированные осью вращения лепестка клапана параллельно плоскости покрытия, а отношение ширины ячейки к ее высоте равно 0,9-1,8.

4. Покрытие по пп. 1 3, отличающееся тем, что смещение георешеток соседних слоев составляет половину ширины ячейки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10