способ укрепления грунтов

Формула изобретения

1. Способ укрепления грунтов, заключающийся в их обработке водой и укрепляющей композицией, содержащей известь и органическую добавку, с последующим уплотнением грунтовой смеси, отличающийся тем, что в укрепляющую композицию дополнительно вводят цеолит и фермент-уплотнитель, в качестве вяжущего используют доломитовую известь, в качестве органической добавки - загрязнитель балласта, в качестве фермента-уплотнителя - поверхностно-активные вещества на основе протеинов и сахаров, обработку грунтов компонентами укрепляющей композиции и водой осуществляют одновременно, при этом укрепляющей композицией в количестве 6-10% от массы грунтов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку грунтов осуществляют укрепляющей композицией при следующем соотношении компонентов, маc. %:

Доломитовая известь (в пересчете на CaO+MgO) - 40,0-50,0

Цеолит (в пересчете на SiO₂) - 25,0-40,0

Загрязнитель балласта - 20,0-24,0

Фермент-уплотнитель - 0,3-1,0

Вода - Остальное

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве фермента-уплотнителя вводят поверхностно-активное вещество, например сульфитно-спиртовую барду.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве и реконструкции дорожного полотна линейных транспортных сооружений, оснований и фундаментов опор искусственных сооружений, контактной сети и т.д. в условиях их переувлажнения и пучинообразования.

Стабильность любого инженерного сооружения зависит от технического состояния самого сооружения, его фундамента и основания, на котором оно расположено, и связана со сложностью природно-климатических и инженерно-геологических условий местности.

Основными видами деформаций земляного полотна являются осадки и пучины. Осадки связаны с деформированием основания, пучины - самого тела сооружения, в частности на железных дорогах - земляного полотна. Причиной возникновения пучин является инфильтрация поверхностных вод в разуплотненные и заполненные грунтом балластного слоя участки его тела. Это балластные корыта, ложа, гнезда, мешки и т.д. В выемках и нулевых местах происходит выпирание грунтов под вибродинамическими нагрузками поездов, что также нарушает геометрию основной площадки и способствует скоплению воды в теле земляного полотна. В результате зимой происходит вспучивание грунтов, весной, наоборот, выплески и осадки.

Известны способы упрочнения грунтов с использованием минеральных вяжущих веществ, содержащих вяжущее, в которых пучение уменьшается за счет устранения влаги из грунта и его упрочнению.

Известен способ укрепления связанных грунтов, заключающийся в подготовке верхнего слоя земляного полотна, распределении вяжущего (кальциевой извести) на его поверхности, перемешивании грунта с известью с одновременным увлажнением смеси. Уплотненная смесь содержит от 2 до 12% извести /1/.

Упрочненные грунты представляют собой грунтовый конгломерат.

Сложные физико-химические и химические взаимодействия дисперсных частиц связанных грунтов (глины) с вяжущим (известью) приводят к образованию гидросиликатов, гидроалюминатов, обладающих цементирующими свойствами, вследствие чего происходит уплотнение и упрочнение грунта. При этом прочность уплотненного грунта составляет 30-35 кг/см².

Кроме того, связывание вяжущим (известью) воды, содержащейся в грунте, приводит к снижению водостойкости грунтов, что также положительно сказывается на их прочности.

Однако высокие прочностные характеристики грунтов, которые достаточны для обычных грунтов, являются недостижимыми для переувлажненных грунтов.

Кроме того, в условиях длительной эксплуатации земляного полотна упрочненные грунты теряют водозащитную способность. Это объясняется тем, что из-за остаточной пористости, обусловленной низкой плотностью, с течением времени поры заполняются водой, что способствует льдообразованию в зимнее время в упрочненном слое и ниже, в подстилающих грунтах. Льдообразование приводит к разрушению грунтового конгломерата, возобновляет процессы вспучивания и деформирования земляного полотна и верхнего строения пути.

Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ укрепления грунтов, который заключается в обработке грунтов путем перемешивания их с водой, последовательного добавления вяжущего и органической добавки /2/. Укрепляющая композиция содержит 9,1-14,5% вяжущего (извести) и 5,1-10,1% органической добавки от массы грунта. Органическая добавка представляет собой подогретый до 60-120^oС шлам сланцевых фусов. Смесь компонентов постоянно перемешивают до полного обволакивания частиц вяжущего, затем уплотняют.

Уплотненные грунты представляют собой прочный монолит.

Введение в грунты вяжущего (извести) приводит к химическому и физико-химическому взаимодействию вяжущего и частиц грунтов, результатом которого является гидратация вяжущего с образованием кристаллических новообразований (гидросиликатов и гидроалюминатов) и их цементированием, а также необратимая коагуляция дисперсных и коллоидных частиц. При этом прочность грунтов при сжатии до водонасыщения при 20^oС составляет до 36 кг/см², а после водонасыщения - 31 кг/см².

Кроме того, жидкая органическая добавка, введенная в укрепляемые грунты, частично заполняет мелкие поры, что приводит к уплотнению грунтов, снижению водопоглощения и, как следствие, повышению прочности грунтового монолита.

Таким образом, повышение прочности грунтов происходит за счет устранения влаги из грунтов, которая расходуется на гидратацию извести, что способствует уплотнению порового пространства. Кроме того, водостойкость укрепленных грунтов повышается за счет увеличения плотности готовой композиции.

Однако для пучинистых грунтов водостойкость остается низкой, а прочность - недостаточной. Пониженная водостойкость вызвана высокой вязкостью органической добавки, не позволяющей полностью заполнить поры грунтов, а недостаточная прочность обусловлена высокой пористостью.

Наличие в грунтах пористости приводит к заполнению пор водой, которая является причиной льдообразования, вызывающего рост пучин в теле земляного полотна. Льдообразование с течением времени снижает прочность укрепленных грунтов.

Последовательная обработка грунтов различными компонентами укрепляющей композиции путем их перемешивания приводит к нарушению качества начального процесса кристаллообразования, что снижает конечную прочность грунта и увеличивает его макропористость. Наличие макропористости уменьшает эффект удаления свободной и, тем более, связанной воды из пор грунтов, что также способствует льдообразованию и деформированию грунтов.

Кальциевая известь набирает прочность в воздушной среде, но размокает и становится рыхлой, пористой в замкнутом влажном пространстве (в основании укрепленных грунтов), что отрицательно влияет на размокание пучинистых грунтов и соответственно на прочность.

Задача, стоящая перед изобретателями, заключалась в разработке способа укрепления грунтов, который предупреждает деформации пучения грунта путем постоянного его осушения с одновременным повышением прочности и водостойкости.

Для решения поставленной задачи в известном способе укрепления грунтов, заключающемся в обработке их водой и укрепляющей композицией, содержащей вяжущее и органическую добавку, с последующим уплотнением грунтовой смеси, в укрепляющую композицию дополнительно вводят цеолит и фермент-уплотнитель, в качестве вяжущего используют доломитовую известь, в качестве органической добавки - загрязнитель балласта и в качестве фермента-уплотнителя - поверхностно-активные вещества на основе протеинов и сахаров, обработку грунтов компонентами укрепляющей композиции и водой осуществляют одновременно, при этом грунт обрабатывают укрепляющей композицией в количестве 6-10% от массы грунта.

Кроме того, обработку грунтов осуществляют укрепляющей композицией при следующем соотношении компонентов, мас.%: доломитовая известь (в пересчете на CaO+MgO) 40,0-50,0, цеолит (в пересчете на SiО₂) 25,0-40,0; загрязнитель балласта 20,0-24,0, фермент-уплотнитель на основе протеинов и сахаров 0,3-1,0. При этом в качестве поверхностно-активного вещества на основе протеинов и сахаров вводят сульфитно-спиртовую барду.

Благодаря одновременной обработке грунтов компонентами укрепляющей композиции, а также введению в состав ее адсорбента (цеолита) и фермента-уплотнителя у укрепленного грунта значительно возрастает прочность, снижается водопоглощение и соответственно противопучинистые свойства. При этом уплотненный грунт в процессе эксплуатации осушает основание укрепленного грунта, препятствуя льдообразованию и, следовательно, деформациям пучения.

При одновременной обработке грунтов компонентами укрепляющей композиции (доломитовой известью, цеолитом, протеино-сахаросодержащим ферментом-уплотнителем и водой) начинается процесс кристаллообразования солей силикатов и карбонатов Са и Mg.

Менее прочные малорастворимые кристаллы солей карбонатов Са и Mg образуются из взаимодействия доломитовой извести и воды.

Более прочные малорастворимые кристаллы солей силикатов и гидроалюминатов Са и Mg образуются в результате взаимодействия цеолита; доломитовой извести и воды. Они способствуют процессу цементации грунтов.

Наличие в укрепленных грунтах различных типов кристаллов силикатов Са и Mg упрочняет структуру грунтов, что, в конечном счете, повышает их прочность. Органические добавки заполняют поры между частицами грунтов, что увеличивает плотность грунтов.

В свою очередь, фермент-уплотнитель размягчает /3/ дисперсные фракции загрязнителя балласта, цеолита и доломитовой извести, увеличивает их активную поверхность, что приводит к максимальному заполнению порового пространства и соответственно к его уплотнению.

Дальнейшее механическое виброуплотнение грунтов приводит к сближению частиц грунта, что способствует уменьшению порового пространства и более качественному уплотнению грунтов.

Одновременная обработка грунтов компонентами новой укрепляющей композиции и водой исключает нарушение начального процесса кристаллообразования, которое обеспечивает в начальный период образование прочных кристаллических структур, влияющих на конечную прочность грунтов и их макропористость.

Таким образом, повышение прочности укрепляющей композиции обусловлено цементацией грунтов и увеличением их плотности за счет заполнения структуры грунтов малорастворимыми кристаллическими новообразованиями, а повышение водостойкости - принудительным заполнением порового пространства между грунтовыми частицами примесями органических и минеральных частиц. В результате грунтовая композиция имеет улучшенные прочностные и влажностные характеристики.

Ярковыраженный поглощающий (всасывающий) эффект укрепленных грунтов и их основания обусловлен наличием в укрепленной композиции цеолита, доломитовой извести и фермента-уплотнителя.

Благодаря наличию фермента-уплотнителя, являющегося поверхностно-активным веществом, снижается поверхностное натяжение поровой воды и происходит ее освобождение. При этом происходит процесс самоуплотнения, заключающийся в сближении частиц и уменьшении порового пространства.

Цеолит, являющийся адсорбентом, собирает освобожденную поровую (связанную) воду, а также воду из грунтов основания, осушая тем самым грунт. При этом цеолит переводит воду в молекулярное состояние. Структурное изменение воды нарушает обычный механизм льдообразования, что предотвращает образование пучин. В процессе эксплуатации избыток молекулярной воды расходуется на дальнейшую гидратацию доломитовой извести, являющейся гидравлическим вяжущим.

Заявляемый способ укрепления грунтов обеспечивает дальнейшую работу укрепленного грунта по замкнутому циклу: гидратация доломитовой извести, приводящая к упрочнению грунтов - извлечение воды ферментом и цеолитом, приводящей к уплотнению порового пространства, переводу воды в молекулярное состояние и осушение грунта - вновь гидратация извести за счет молекулярной воды.

Таким образом, в процессе эксплуатации происходит постоянное осушение грунтов, что устраняет их пучение и способствует самоупрочнению грунтовой композиции.

Способ реализуется следующим образом.

Вначале на участке осуществляют подготовку грунтов, затем обрабатывают грунт всеми компонентами укрепляющей композиции и водой с последующим уплотнением. При этом увлажнение и обработку грунтов осуществляют одновременно.

Укрепляющая композиция включает доломитовую известь, цеолит, фермент-уплотнитель и органическую добавку. Обработку грунтов осуществляют композиционной смесью в количестве 6-10% от массы грунта.

Доломитовая известь представляет собой гидравлическое вяжущее, содержащее окислы Са и Mg, которые адсорбируют большое количество воды, расходуемой на гидратацию. Катионы Mg++ в сочетании с глинистыми частицами за счет кристаллообразования создают водостойкие структуры. Доломитовая известь обладает способностью твердеть во влажных условиях.

Цеолит представляет собой отходы добычи цеолитов, клиноптилолитов и туфоцеолитов фракции 0,3 мм. Он содержит окись кремния, является адсорбентом и активной гидравлической добавкой. Цеолит поглощает часть извести, его SiO₂, вступая в реакцию с СаО и MgO, образует прочные гидроалюминаты кальция и магния.

В качестве органической добавки используют загрязнитель балласта, представляющий собой примесь грунтовых частиц, каменной пыли, истертого щебня и органических веществ в виде масел, мазута, нефти и органических остатков. Загрязнитель балласта является уплотнителем грунтов, заполняя макропоры грунтов.

В качестве фермента-уплотнителя взяты поверхностно-активные вещества на основе протеинов и сахаров, которые за счет высокой проникающей способности смазывают отдельные частицы грунтов и способствуют максимальному уплотнению грунтов. Сахара, в свою очередь, обеспечивают максимальную гидратацию извести. В заявляемом способе могут быть использованы любые поверхностно-активные вещества на основе протеинов и сахаров, а именно 3-5% сульфитно-спиртовая барда, энзимы: перма-займ, бакто-займ, эйси-займ, разведенные в воде, так как они обладают общими свойствами. В конкретных примерах осуществления способа использована 3-5% сульфитно-спиртовая барда.

Укрепляющую композицию изготавливают при следующем соотношении компонентов, мас.%: доломитовая известь (в пересчете на CaO+MgO) 40,0-50,0; цеолит (в пересчете на SiO₂) 25,0-40,0; загрязнитель балласта 20,0-24,0; фермент-уплотнитель на основе протеинов и сахаров 0,3-1,0.

В научно-исследовательской лаборатории "Основания и фундаменты" ДВГУПС проводились физико-механические и физико-химические испытания образцов укрепляющей композиции.

Изготавливались образцы-цилиндры, высотой 10 см, диаметром 5 см и кубики размером 10х10х10 см. Соотношение компонентов укрепляющей композиции в испытуемых образцах приведены в табл. 1. Полученные показатели лабораторного испытания образцов приведены в табл. 2.

Полученные образцы укрепленных грунтов подвергались испытаниям на прочность по ГОСТ 10180-90, уплотнение - методика СОЮЗДОРНИИ стандартного уплотнения , водостойкость - ГОСТ 10180-90, ГОСТ 25100-82, СН 23-74.

Результаты испытания укрепленных грунтов приведены в табл.3.

Технология укрепления грунтов показана на примерах укрепления основной площадки железнодорожного земляного полотна со снятием и без снятия рельсошпальной решетки.

Пример 1. Реализация способа укрепления грунтов основной площадки земляного полотна и откосов на пучиноопасном участке со снятием рельсошпальной решетки.

С основной площадки земляного полотна снимают рельсошпальную решетку и убирают верхний слой балласта. Бульдозером разравнивают и рыхлят нижний слой балластной призмы и грунты основной площадки земляного полотна на глубину 0,2 м. Разрыхленный слой состоит из смеси грунтов тела земляного полотна и загрязнителя балласта. Разрыхленный слой одновременно обрабатывают водой и компонентами укрепляющей композиции: доломитовой известью, цеолитом и ферментом-уплотнителем и водой. При этом толщина слоя укрепляющей композиции составляет 0,15-0,20 м.

Затем смесь уплотняют катком (на основной площадке) или вибротрамбовками (на откосах). Далее укладывают рельсошпальную решетку, осуществляют балластировку и выправку пути.

Пример 2. Реализация способа упрочнения грунтов основной площадки земляного полотна с помощью путевой машины RM-80 и ВПО-3000 на пучиноопасных участках (горбах).

Сначала снимают верхний слой старого балласта путевой машиной RM-80.

Обработка (перемешивание) грунтов компонентами укрепляющей композиции и водой происходит в путевой машине RM-80. Порошковые компоненты композиции подают через верхний бункер машины (при закрытом верхнем сите) для перемешивания его с грунтами, загрязнителем балласта и щебнем нижней части балластной призмы в количестве 0,10 м³ на 1 м³ грунтов. Одновременно смесь порошковых компонентов с грунтами смачивают 3-5%-ным раствором воды с ферментом-уплотнителем. Смесь всех компонентов композиции и грунта укладывают из бункера с ситами RM-80 обратно непосредственно на основную площадку земляного полотна.

Другая путевая машина ВПО-3000 уплотняет композицию с помощью вибраторов, расположенных на ее поверхности, затем отсыпает и выправляет балластную призму.

Технология по заявляемому способу апробирована на пучиноопасных участках БАМ и ДВЖД в 2000 г.

Источники информации, принятые во внимание

1. Укрепление грунтов железнодорожного земляного полотна известью (ГДР)/ Fulinski. - М.: Glazewski. Ctabilizacja gruntow podtorza wapnem na ualejlqach NRD. Dragi Rolejowe, 1983. - 3. - С 93-96.

2. А. с. СССР 1073375, Е 02 D 3/12; С 09 К 17/00. Способ укрепления грунта/ Е. Н. Баринов, В.В. Вебер, Н.Н. Беляев (СССР). - 3524831/29; заявлено 21.12.82; опубл. 15.02.84, бюл. 6.

3. В. М. Безрук. Основные принципы укрепления грунтов. - М.: Транспорт, 1987. - 30 с.