Способ защиты наклонной поверхности грунтов от эрозии

Изобретение относится к области строительства для укрепления грунтов в приповерхностной части насыпных сооружений для восстановления или увеличения прочности слабых грунтов и земляного полотна, рекультивации техногенно-нарушенных поверхностей. Способ включает пропитку грунта водным раствором поливинилового спирта с последующим перемешиванием пропитанного криогелем грунта. Пропитывание и перемешивание грунта с криогелем осуществляют в емкости грунтосмесительной установки. Готовую смесь укладывают на спланированную наклонную поверхность. 2 ил.

 

Изобретение относится к области строительства для укрепления грунтов в приповерхностной части насыпных сооружений; откосов автомобильных дорог; обваловки трубопроводов; сооружений инженерной защиты и для восстановления или увеличения прочности (повышения несущей способности) слабых грунтов оснований и земляного полотна, рекультивации техногенно-нарушенных поверхностей.

Известен способ закрепления оттаявшего грунта [патент РФ №1705500, опубликовано 15.01.1992], заключающийся в смешении грунта с 2-8%-ным водным раствором поливинилового спирта с последующим замораживанием полученной композиции в течение 3-24 ч.

К недостаткам известного способа можно отнести высокие материальные затраты, связанные с замораживанием смешанного с поливиниловым спиртом грунта и отсутствие технических возможностей замораживания смеси грунта с водным раствором поливинилового спирта при укреплении значительных объемов грунтов.

Известен способ укрепления грунтового материала [патент РФ №2324784, опубликовано 23.11.2006] нагреванием до температуры не выше 150°С, в качестве наполнителя используют природный грунт, а в качестве вяжущего -поливиниловый спирт в виде 3-5% водного раствора в количестве, равному объему наполнителя в плотном сложении. Образованную после замешивания сырьевую смесь нагревают до температуры не выше 150°С.

К недостаткам известного способа можно отнести высокие энергетические затраты на прогрев пропитанного водным раствором поливинилового спирта грунта, а также отсутствие технических средств эффективного и равномерного прогрева грунта, неэффективность при укреплении значительных объемов грунтов с наклонной поверхностью.

Известен способ укрепления слабых грунтов основания земляного полотна, [патент РФ №2474651, МПК: E02D3/13 опубликовано 10.02.2013 г.], включающий нагнетание в грунт основания земляного полотна через скважины полимерного состава в виде геля (криогеля), при этом полимерный состав нагнетают с двух сторон земляного полотна под углом наклона 20-45° к горизонтальной плоскости так, что образуют упрочняющую опорную систему в виде пространственной решетчатой структуры из грунта, связанного полимерным составом, состоящей из двух соединенных между собой решеток с узлами в местах пересечения элементов решеток. Полимерный состав для осуществления способа включает поливиниловый спирт - структурообразователь, борную кислоту и воду, при этом состав дополнительно содержит базальтовое волокно и/или минеральные добавки при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Поливиниловый спирт	- 3,0-10,0
Борная кислота	- 0,2-1,0
Базальтовое волокно или минеральные добавки	- 0,5-1,0
Вода	- остальное.

К недостаткам известного способа можно отнести сложность технологии, связанной с особенностями выполнения скважин и нагнетания криогеля в объем земляного грунта, который в объеме грунта распределяется непредвиденным способом, образуя своеобразную арматурную структуру, практически не влияющую на соединение частиц грунта друг с другом, который при увлажнении и под нагрузкой будет растекаться по сторонам, а также сложность исполнения на наклонных поверхностях.

Известен наиболее близкий способ защиты грунтов от эрозии [патент РФ №2754141 МПК: E02D 3/12, опубликовано 30.08.2021] включающий пропитку грунта водным раствором поливинилового спирта с последующим перемешиванием пропитанного криогелем грунта при помощи средств механизации, первоначально путем растворения поливинилового спирта в нагретой до температуры 80-95°С воде готовят криогель путем растворения в воде поливинилового спирта в количестве 0,2-10,0% от объема нагретой воды, затем на поверхность укрепляемого грунта, по меньшей мере, в один цикл подают криогель в количестве 8,0-14,0 л/м², осуществляют пропитывание и перемешивание грунта с криогелем, при этом циклы внесения криогеля на поверхность грунта, его пропитывание и перемешивание осуществляют в период времени года с положительной температурой в дневное время и отрицательной температурой в ночное время, при колебании температуры окружающего воздуха в диапазоне: от +8°С днем до -10°С ночью.

К недостаткам известного способа можно отнести необходимость тщательной подготовки и обработки поверхности перед внесением криогеля, неравномерность внесения криогеля, в виду разного состава грунта, даже в одном обрабатываемом месте, невозможности создать равномерную пропитанную креогелем массу из-за неравномерности гранулометрического состава и свойств грунта, в первую очередь влажности. Известный способ сложно реализовать на наклонных поверхностях, требуется применение специальной техники.

Техническим результат предполагаемого изобретения заключается в предотвращении деформации земляного полотна откосов, предотвращения выноса грунта из тела насыпи таких откосов.

Технический результат достигается использованием сочетания известных общих с близким аналогом признаков, включающих пропитку грунта водным раствором поливинилового спирта с определенной последовательностью операций и новых признаков, включающих осуществление пропитывания и перемешивания грунта с криогелем в емкость грунтосмесительной установки, первоначально в которую загружают грунт в объеме, который зависит от объема установки, после чего в установку подают приготовленный по известному способу криогель в количестве 15,0-25,0% масс от объема грунта, перемешивают грунт с криогелем в течении 2-3 минут, готовую смесь укладывают на спланированную наклонную поверхность, по меньшей мере, одним слоем толщиной 5,0-15,0 см., при этом укладку пропитанного криогелем грунта осуществляют на наклонную поверхность соотношение высоты наклонно расположенной поверхности откоса к его основанию выполняют равным от 1:2 до 1:4.

Новизной предложенного способа является приготовления грунтосмеси путем перемешивания грунта с криогелем в смесительной установке. Установку для смешивания грунта с криогелем применяют преимущественно смесительного типа, например, миксер на базе грузового автомобиля или комплексную установку для смешения грунтов типа ДС-50Б (https://kredmash.com/ru/ground-mixing-plants/ds50b1), либо аналогичные. Также возможно использование стационарной строительной бетономешалки подходящего объема. Далее в установку подают приготовленный криогель в количестве 15,0-25,0% от объема грунта, осуществляют перемешивание грунта с криогелем. Замес выполняется механизированным способом в течении 2-5 минут, что достаточно для получения необходимой однородности смеси. Готовность оценивают визуально по достижению однородного цвета грунтосмеси.

Планирование наклонных поверхностей выполняют путем выравнивания и сглаживания выступающих частей и засыпки углублений, удаление находящихся на разрыхленной поверхности посторонних предметов и инертных материалов применяя, например, грейдер. После выравнивания поверхность рыхлят, например, механизированной бороной.

После подготовки поверхности готовую смесь укладывают на спланированную наклонную поверхность, по меньшей мере, одним слоем толщиной 10,0-15,0 см., что достаточно для создания защитного слоя от эрозии укрываемого грунтового слоя наклонных поверхностей.

Так, приготовление грунтосмеси в емкости грунтосмесительной установки, и подача в установку приготовленного криогеля с последующим перемешиванием грунта с криогелем позволяет приготовить грунтосмесь требуемой вязкости для последующей укладки на участки с различным содержанием в грунте песка, пылеватых и глинистых частиц и воды, при этом количество растворенного спирта зависит от крутизны укрепляемого откоса.

Укладывание готовой грунтосмеси на спланированную заранее наклонную поверхность, по меньшей мере, одним слоем толщиной 5,0-15,0 см. и более зависит от того, насколько ответственным и нагруженным будет являться тот или иной участок грунта. Разрыхленная поверхность грунта, на который накладывается слой смеси грунта с криогелем, способствует более плотному прилеганию смеси к грунту и лучшему сцеплению смеси с грунтом и позволяет укрепить откосы полотна до требуемых параметров толщины, прочности и надежности.

В условиях вечной мерзлоты минимальная толщина смеси грунта с криогелем на откосах над геоматериалом должна быть не менее 10-ти см.

Укрепление грунта криогелем, как и в близком аналоге, осуществляют в период года, характеризующийся положительными дневными и отрицательными ночными температурами атмосферного воздуха от +10°С до -10°С обусловлена процессом структурирования грунтосмеси и образованием упругого тела, позволяющего нести нагрузку, который происходит в течение пяти и более циклов замораживания и оттаивания смеси.

Признаки предварительного планирования разрыхленных горизонтально или наклонно расположенных поверхностей, выравнивания путем сглаживания выступающих частей и засыпки углублений, приготовление криогеля - раствора поливинилового спирта с водой путем варки на водяной бане, с постепенной подачей в нее частями не превышающими 10% от объема поливинилового спирта в количестве 0,2-10,0% от объема воды и перемешивания раствора в течение 5,0-12,0 минут, удаление находящихся на разрыхленной горизонтально или наклонно расположенных поверхностях посторонних предметов и инертных материалов - камней, фрагментов древесины и других включений, выполнение соотношения высоты наклонно расположенной поверхности откоса к его основанию равным от 1:2 до 1:4. - являются признаками дополнительными, раскрывающими конкретное выполнение основных признаков и способствующих достижению поставленного технического результата.

Выбор концентрации поливинилового спирта в получаемом криогеле зависит от структурного состояния укрепляемого грунта, например, от количества находящихся в грунте песка, пылеватых и глинистых частиц и воды, а также от крутизны укрепляемого откоса. Так, при повышении концентрации поливинилового спирта в заявленных пределах 0,2-10,0% от объема воды, вязкость криогеля повышается. Наиболее вязкий криогель используется для укрепления поверхностей со значительной крутизной откосов и в местах сосредоточенного стока дождевых и талых вод.

Согласно патентно-информационного поиска, проведенного в процессе подготовки материалов, сочетания предложенных известных и новых признаков предполагаемого изобретения в патентной и научно-технической литературе - не выявлено, что позволяет отнести признаки к обладающим новизной.

Поскольку предложенное сочетание признаков неизвестно из существующего уровня техники и позволяет получить более высокий технический результат, то сочетание известных и предлагаемых новых существенных признаков можно признать соответствующими критерию - изобретательский уровень.

Предлагаемый способ поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 схематично представлена укладка приготовленной смеси грунта с криогелем на наклонную поверхность насыпного сооружения. На фиг. 2 приведено фото механизированной фрезы для планирования наклонных поверхностей.

Способ защиты грунта 1 насыпных сооружений от эрозии поясняется представленной схемой (фиг. 1). На схеме показан грунт основания 1, на котором сформировано насыпное сооружение (грунт насыпи) 2. На подготовленную наклонную поверхность грунта насыпи 2 уложен слой грунтосмеси 3 заданной толщины.

Предлагаемый способ защиты грунтов насыпных сооружений от эрозии осуществляется следующим образом:

Для выполнения предлагаемого способа, в осенний период времени, когда температура окружающего воздуха колеблется от дневной положительной к ночной отрицательной в пределах от +10,0°С до - 10,0°С, проводится ряд предварительных работ и операций. Укрепляемая поверхность грунта насыпи 2 разрыхляется и планируется - засыпаются углубления, сравниваются гребни грунта при помощи средств механизации, таких как грейдеры, экскаваторы, механизированные фрезы и другие приспособления. При необходимости из грунта 2 удаляют камни, древесину, корни и другие крупные включения. Затем приступают к получению криогеля, для чего во внутреннюю емкость водяной бани заливают воду, которую нагревают до температуры 80-95°С. В разогретую воду, при постоянном перемешивании, частями, не превышающими 10% от расчетного, подают поливиниловый спирт. В зависимости от характеристик почвы, влажности, угла наклона укрепляемой поверхности для получения криогеля с заданной вязкостью, количество подаваемого в воду поливинилового спирта определяется исходя из расчета в пределах 0,2-10% от объема воды.

В грунтосмесительную установку загружается требуемое количество грунта, подается расчетное количество приготовленного криогеля. Грунт с криогелем перемешивается в течение 3-5 минут. Приготовленная смесь при помощи грунтоукладчика укладывается на укрепляемую поверхности грунта насыпи 2, образуя слой грунтосмеси 3. В результате получается равномерно перемешанный и пропитанный криогелем защитный слой в 5-15 см. При необходимости увеличения толщины слоя 3 осуществляют повторную укладку подготовленной грунтосмеси. В процессе укладки приготовленной грунтосмеси осуществляют контроль толщины укрепляемого слоя шурфованием. В течение недели, при колебаниях температуры, оказывающей влияние на заморозку и оттаивание приготовленной грунтосмеси на поверхности почвы получают слой прочного упругого тела, способного нести требуемую нагрузку и предотвращающего эрозию насыпного сооружения. Последующее и окончательное укрепление обработанного грунта происходит в течение осенних и весенних перепадов температуры окружающего воздуха. Пример 1 осуществления предлагаемого способа.

Для выполнения предлагаемого способа, в сентябре 2020 года, когда температура окружающего воздуха колебалась от дневной положительной к ночной отрицательной в пределах от +10,0°С до -10,0°С провели ряд предварительных работ и операций. Укрепляемую наклонную поверхность песчаного грунта разрыхляли и планировали - засыпали углубления, сравнивали гребни грунта при помощи средств механизации - грейдеров, рыхлили почву при помощи механизированной фрезы (Фиг. 2). Из грунта были удалены камни, древесина, корни и другие крупные включения. Затем приступали к приготовлению криогеля. Поскольку влажность грунта насыпного сооружения, состоящего в основном из песка была равна 86%, угол наклона 1:4 количество подаваемого в воду поливинилового спирта определили в 3,5% от объема воды и получили криогель вязкостью в 3,4 см³/г.

В грунтосмесительную установку, миксер на базе грузового автомобиля, загрузили требуемое количество грунта, подали расчетное количество приготовленного заранее криогеля и перемешали грунт с криогелем в течение 3-х минут. Приготовленную грунтосмесь при помощи грунтоукладчика (был применен экскаватор-планировщик TATRA T-815-220R21 UDS-214R) уложили на наклонную поверхность грунта насыпи 2, с получением слоя 3. В течение недели, при колебаниях температуры, оказывающей влияние на заморозку и оттаивание приготовленного грунта на поверхности почвы получили слой прочного упругого тела, способного предотвращать эрозию насыпного сооружения.

Пример 2 осуществления предлагаемого способа.

Защиту песчано-глинистого грунта откоса дороги крутизной 1:4 и площадью в 200 м² проводили в сентябре месяце 2020 года, при температуре окружающего воздуха днем +8°С и ночью - 10°С. Укрепляемая поверхность грунта насыпи откоса дороги разрыхлялась и планировалась - засыпали углубления, сравнивали гребни грунта при помощи грейдера, с последующим фрезерованием. Затем приступали к приготовлению криогеля. Поскольку грунт откоса песчано-глинистый, влажностью 80% было принято решение получить криогель с вязкостью 1,54 см³/г с количеством в 3,0% от объема воды подаваемого в воду поливинилового спирта.

В грунтосмесительную установку (миксер) загрузили требуемое количество грунта, подали расчетное количество приготовленного заранее криогеля и перемешали грунт с криогелем в течение 4-х минут. Приготовленную смесь при помощи грунтоукладчика (экскаватора) укладывали на укрепляемую поверхность с последующим выравниванием.

В результате на откосе получили перемешанный и пропитанный криогелем слой грунта толщиной в 15 см. В процессе укладки приготовленного в смесительной установке грунта с криогелем осуществляли контроль толщины укрепляемого слоя шурфованием через каждые пять метров длины обрабатываемого участка. Было установлено, что увеличения толщины укрепляемого слоя грунта на откосе не требовалось.

В течение недели, при колебаниях температуры, оказывающей влияние на заморозку и оттаивание приготовленного грунта на поверхности почвы, получили слой прочного упругого тела, предотвращающего эрозию насыпного сооружения откоса дороги.

При увеличении крутизны откоса, высокой влажности, большем количестве глины - количество поливинилового спирта при приготовлении криогеля необходимо увеличивать, а также увеличивать и количество вводимого криогеля в грунт при пропитывании и перемешивании.

В настоящее время на предприятии выполнен ряд опытных работ по защите грунтовых откосов дорог, обваловки трубопроводов, которые при проведении предварительных испытаний показали положительные результаты.

Способ защиты наклонной поверхности грунтов от эрозии, включающий пропитку грунта водным раствором поливинилового спирта с последующим перемешиванием пропитанного криогелем грунта при помощи средств механизации, криогель готовят путем растворения в воде поливинилового спирта в количестве 0,2-10,0 процентов от объема нагретой воды, укрепление поверхности осуществляют в период времени года с положительной температурой в дневное время и отрицательной температурой в ночное время при колебании температуры окружающего воздуха в диапазоне от плюс 8°С днем до минус 10°С ночью, отличающийся тем, что пропитывание и перемешивание грунта с криогелем осуществляют в емкости грунтосмесительной установки, в которую первоначально загружают грунт, после чего в установку подают приготовленный криогель в количестве 15,0-25,0 процентов от объема грунта, перемешивают грунт с криогелем, готовую смесь укладывают на спланированную наклонную поверхность по меньшей мере одним слоем толщиной 10,0-15,0 сантиметров.