Структура раздвижной гибкой трехмерной решетки для стабилизации грунта
Полезная модель относится к области строительства и, в частности, предназначена для стабилизации конструктивных слоев дорожных одежд, армирования балластного слоя железнодорожного полотна, укрепления грунта после горных разработок. Использование полезной модели позволяет увеличить надежность и срок службы армгрунтовой конструкции, а также несущую способность грунтового основания. Это достигается за счет выполнения трехмерной решетки в виде из матрицы полых ячеек, имеющих в раздвинутом состоянии решетки открытые торцы для заполнения наполнителем, где указанная матрица образована множеством взаимно пересекающихся с предварительно заданным интервалом идентичных полимерных полос шириной до 300 мм, включительно. 1 н.п. ф-лы, 5 з.п. ф-лы, 5 фиг.
Полезная модель относится к области строительства, в частности, к структуре раздвижной гибкой трехмерной решетки, предназначенной для стабилизации грунтов, армирования слабых оснований грунтов при строительстве автомобильных и железных дорог, конструктивных слоев дорожных одежд, для укрепления насыпей и откосов, для предотвращения водной и ветровой эрозии. Более конкретно, полезная модель может быть использована при возведении объектов на слабых основаниях грунтов, таких как нестабильные природные (песчаные) грунты, для применения в конструкциях, воспринимающих высокие динамические или статические нагрузки.
Применение полезной модели направлено на формирование комбинированной армогрунтовой конструкции, состоящей из уложенного на грунтовой массив слоя раздвижной полимерной гибкой трехмерной решетки в виде системы взаимосвязанных полых ячеек, и компактного, гранулированного наполнителя, заполняющего полые ячейки решетки. Раздвижная гибкая трехмерная решетка является элементом комбинированной армогрунтовой конструкции, обеспечивающей стабилизацию грунта. Трехмерная гибкая раздвижная решетка представляет собой систему пространственно взаимосвязанных полых ячеек, образующих в рабочем (раздвинутом) состоянии трехмерный, модуль с заданными геометрическими размерами.
Принцип работы комбинированной армогрунтовой конструкции, включающей раздвижную трехмерную решетку из полимерного материала в виде системы взаимосвязанных полых ячеек, предназначенных для загрузки наполнителем, основан на эффекте предотвращения смещения грунта как массива путем разделения массива грунта на более мелкие участки, нейтрализующие горизонтальные сдвиги грунтового массива. Раздвижная полимерная гибкая трехмерная решетка с полыми ячейками блокирует наполнитель в ячейках, позволяя защитить откосы от вымывания грунта и контролировать вертикальные и горизонтальные сдвиги грунта.
Предметом большинства исследований в данной области техники являются проблемы, касающиеся производства высокоэффективных, надежных армогрунтовых конструкций, а также выбора материалов, принципов соединения элементов конструкции.
Хорошо известно, что армирование грунтов и грунтовых насыпей представляет собой введение в грунтовые конструкции специальных элементов, которые позволяют улучшить механические показатели грунта. Одними из наиболее эффективных и экономически выгодных для стабилизации грунтов являются так называемые геосинтетические материалы, обладающие высокой прочностью, устойчивостью к низким температурам и агрессивным средам, неподверженностью коррозии и гниению. Так, при устройстве дорожной одежды длительное время одним из распространенных элементов конструкций для защиты и укрепления оснований грунтов являются так называемые георешетки, представляющие собой синтетический ячеистый материал, структура которого позволяет пропускать воду, препятствуя в то же время смешиванию слоев грунта (см., например, патенты РФ 
2129189, 2322551, 2153417). Применение упомянутых георешеток для защиты и укрепления грунта дает возможность строить дороги, выдерживающие высокие динамические нагрузки, даже на слабом (песчаном или супесчаном) основании грунта (см., например, патенты U.S. 3630813; U.S. 4067285; U.S. 4797026; а также патентную заявку U.S. Patent Application Publication 2012/0057932).
Несмотря на значительные усилия, предпринятые на повышение эффективности и надежности трехмерных решеток, проблема надежности в условиях многократного термоциклирования продолжает вызывать интерес различных компаний (см., например, патенты US, 8 181412; US 7 762205).
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявленной полезной модели является структура раздвижной трехмерной решетки для стабилизации основания грунта, раскрытая в патенте U.S. 4797026. Известная конструкция раздвижной трехмерной решетки включает множество взаимно пересекающихся идентичных полос из высокоплотного полиэтилена шириной не более 200 мм (8 дюймов), соединенных между собой методом ультразвуковой сварки с образованием множества открытых полых ячеек в раздвинутом состоянии решетки.
На сегодняшний день все еще актуальна проблема укрепления грунта для песчаных и супесчаных участков, а также для откосов, которые образуются при естественном или искусственном изменении природного ландшафта.
В рамках данной заявки решается техническая задача разработки такой структуры раздвижной гибкой трехмерной решетки для стабилизации грунта, которая позволила бы увеличить ее надежность и срок службы в условиях многократного термоциклирования, а также несущую способность грунтового основания. Кроме того, объектом данной заявки является также задача снижения вероятности осадок грунта.
Поставленная задача решается тем, что структура раздвижной гибкой трехмерной решетки для стабилизации грунта состоит из матрицы полых ячеек, имеющих в раздвинутом состоянии решетки открытые торцы для заполнения наполнителем, где указанная матрица образована множеством вертикально установленных и взаимно пересекающихся с предварительно заданным интервалом полимерных полос одинаковой длины и ширины, каждая из которых имеет верхний и нижний края, а также первую поверхность, ограниченную указанными краями и определяющую ширину полимерной полосы в диапазоне до 300 мм, включительно, и вторую поверхность, параллельную первой поверхности указанной полосы, при этом полимерные полосы изготовлены из листов полимерного материала, полученного с использованием технологического процесса переработки полиэтилена и/или полипропилена, имеющего плотность не менее 0,86 г/см 3, а соседние полимерные полосы скреплены между собой в местах пересечения вертикальными сварочными швами с образованием в плоскости указанных торцов двухмерной периодической структуры, одно из направлений периодичности которой характеризуется синусоидальной формой краев указанных полос и задает фиксированную ширину решетки, а другое направление периодичности двухмерной периодической структуры задает направление растяжения решетки.
Кроме того, каждый из сварочных швов гибкой трехмерной решетки ориентирован под углом 90° к протяженной стороне полимерных полос, а полимерные полосы скреплены между собой попарно так, что в направлении растяжения решетки сварочные швы каждых двух соседних пар полимерных полос смещены относительно друг друга в плоскости полимерных полос, при этом каждые две соседние пары полимерных полос имеют общую полимерную полосу.
Предпочтительно, что полимерные полосы имеют толщину из диапазона от 0,001 м до 0,002 м, длину из диапазона 2÷4 м и ширину из диапазона до 300 мм, включительно.
Предпочтительна конструкция, в которой вертикальные сварочные швы выполнены с использованием технологии ультразвуковой сварки.
В структуре трехмерной гибкой решетки полимерные полосы предпочтительно имеют рифленую поверхность, а качестве наполнителя использован материал, выбранный из ряда: песок, почвенно-растительный грунт, галька, бетон, керамзит, щебень различной фракции.
В данной структуре трехмерной решетки соседние полимерные полосы скреплены (соединены) между собой в единое целое в местах пересечения вертикальными сварочными швами, выполненными методом ультразвуковой (УЗ) сварки.
Под термином «место пересечения» следует понимать объемную (трехмерную) область сварочного неразъемного соединения, скрепляющего две соседние полимерные полосы в единое целое. Такое содержание термина «место пересечения» использовано заявителем с учетом, например, ГОСТ 5264-80.
Ультразвуковая сварка - это способ соединения различных материалов в твердом состоянии с помощью ультразвуковых колебаний. Под действием напряжений ультразвуковой частоты эластичность полимера возрастает в объеме зоны контакта соединяемых материалов. Сварочное соединение включает три характерные объемные зоны, об-разующиеся во время сварки: зона сварочного шва, зона сплавления и зона термического влияния. При этом вначале образуется физический контакт поверхностей, а затем начинается химическое взаимодействие соединяемых материалов, переходящее в объемное взаимодействие в зоне соединения. В плоскости полимерной полосы ширина сварочного шва равна ширине наконечника инструмента УЗ оборудования.
Поскольку, сварочное соединение есть неразъемное объемное соединение, а полимерные полосы также представляют собой объемные (трехмерные) тела, имеющие длину, толщину и ширину, то под термином «место пересечения» понимается объемная область сварочного шва, принадлежащая как одной, так и другой соседним полимерным полосам и соединяющая их в единое целое. Серия сварочных швов, выполненная с предварительно заданным интервалом (см. фиг.2, фиг.4), обеспечивает взаимосвязь полимерных полос с образованием трехмерной решетки, обладающей свойством целостности.
Вертикальные сварочные швы, соединяющие каждые две соседние полимерные полосы, расположены с заранее заданным равным интервалом, выбранным, в частности из ряда: 335, 356, 445, 670 и 712 мм.
При этом указанная рифленая поверхность может быть перфорирована. Структура решетки, согласно полезной модели, может включать от 5 до 70 полимерных полос, при толщине полосы от 1 до 2 мм и длине каждой полимерной полосы от 3,6 м до 4 м.
При длине полимерных полос 3,6 м и интервале сварочных швов 356 мм данная структура трехмерной решетки имеет 447 полых ячеек и покрывает грунтовую поверхность площадью 15,37 м.
Сущность полезной модели состоит в разработке трехмерной гибкой конструкции раздвижной решетки, представляющей собой систему пространственно взаимосвязанных полых ячеек с открытыми торцами, образующих в рабочем (раздвинутом) состоянии трехмерный модуль с заданными геометрическими размерами. В такой конструкции система полых ячеек образована множеством взаимно пересекающихся с предварительно заданным интервалом идентичных полимерных полос шириной до 300 мм, включительно.
В сложенном (нераздвинутом) состоянии трехмерная гибкая решетка представляет собой пространственно-конструкционный модуль прямоугольной формы, в котором каждые две соседние пары полимерных полос в направлении растяжения имеют одну общую полимерную полосу, а сварочные швы расположены под углом 90° относительно краев протяженной стороны полимерных полос с заранее заданным равным интервалом относительно друг друга. В такой конструкции решетки сварочные швы каждой соседней пары полимерных полос смещены относительно друг друга в плоскости полимерных полос.
Благодаря своей структуре такой гибкий модуль обладает способностью к растяжению в одном направлении с образованием тела, повторяющего контур нижерасположенного слоя (основания грунта). В растянутом виде такая решетка представляет собой устойчивый трехмерный каркас в виде системы взаимосвязанных полых ячеек глубиной до 300 мм, включительно, который используют для фиксации наполнителя.
Сущность полезной модели поясняется неограничивающим примером ее реализации и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 - изображает общий вид раздвинутой трехмерной гибкой решетки в рабочем состоянии, уложенной на рельефной поверхности.
фиг.2 - изображает сечение раздвинутой трехмерной гибкой решетки в плоскости торцов полых ячеек.
фиг.3 - изображает сечение частично раздвинутой трехмерной гибкой решетки в плоскости торцов полых ячеек.
фиг.4 - изображает сечение в плоскости сварочных швов раздвинутой трехмерной гибкой решетки с полыми ячейками, заполненными наполнителем.
фиг.5 - изображает в изометрии вертикальное сечение раздвинутой трехмерной гибкой решетки в плоскости сварных швов с полыми ячейками, заполненными наполнителем.
Для пояснения сущности полезной модели на чертежах введены следующие обозначения: 1, 2, 3 - полые ячейки; 4, 5 - полимерные полосы; 6 - нижний край полимерной полосы; 7 - верхний край полимерной полосы; 8, 9 - сварочные швы; 10 - первая поверхность полимерной полосы; 11 - вторая поверхность полимерной полосы; 12, 13, 14 - торцы полых ячеек; 15 - нераздвинутая часть трехмерной гибкой решетки; 16 - наполнитель.
Пример 1.
Для производства трехмерной гибкой решетки, согласно полезной модели, полиэтиленовые полосы были вырезаны из листов соответствующего полимера толщиной
1.5 мм. Указанные листы были предварительно получены путем многостадийной технологической переработки гранулированной массы полиэтилена. Технологическая переработка полиэтилена представляет собой совокупность технологических процессов, обеспечивающих получение полос с заданными конфигурацией, точностью и эксплуатационными свойствами. Технологическая переработка полиэтилена была осуществлена на экструзионном оборудовании с получением полимерного материала, имеющего плотность 0, 94 г/см.
Трехмерная гибкая решетка со структурой, содержащая систему взаимосвязанных и взаимно пересекающихся полимерных полос, в соответствии с данной полезной моделью, была изготовлена с использованием автоматической ультразвуковой сварочной системы швейцарской фирмы TelsonicUltrasonics. Указанное оборудование содержит аналого-цифровой генератор DHG 20145C с автоматической настройкой частоты 20 кГц и систему регулировки амплитуды. Указанное оборудование содержит также титановый волновод шириной 305 мм, при этом предусмотрено крепление бустера с устройством для выставления параллельности волновода относительно поверхности свариваемых полимерных полос.Указанное оборудование позволяет осуществлять настройку сварочного процесса по двум характеристикам: время и мощность, а также данное оборудование позволяет изменять расстояние между сварочными швами посредством перемещения сварочных модулей по направляющим.
Структура раздвижной гибкой трехмерной решетки для стабилизации грунта, согласно данной полезной модели, состоит из матрицы полых ячеек, включающей полые ячейки 1, 2, 3 (см. фиг.1). Указанная матрица полых ячеек образована множеством вертикально установленных и взаимно пересекающихся с предварительно заданным интервалом величиной 356 мм идентичных по длине полимерных полос 4, 5, включительно, каждая из которых имеет ширину 300 мм. Каждая из полиэтиленовых полос 4, 5 имеет нижний край 6 и верхний край 7 (см. фиг.1), а также первую поверхность 10, определяющую ширину полимерной полосы, и вторую поверхность 11, параллельную первой поверхности полосы 10 (см. фиг.2). Сварочные швы 8, 9 (см. фиг.2) удерживают пересекающиеся полимерные полосы около друг друга с образованием трехмерной гибкой решетки, обладающей благодаря своей структуре способностью к растяжению (см. фиг.3).
Соседние полимерные полосы скреплены между собой в местах пересечения вертикальными сварочными швами 8, 9 с образованием в плоскости торцов 12, 13, 14 полых ячеек двухмерной периодической структуры (см. фиг.2). Одно из направлений периодичности двухмерной периодической структуры "Y" характеризуется синусоидальной формой краев указанных полос и задает фиксированную ширину упомянутой решетки (см. фиг.2). Данное направление "Y" определяет величину предварительно заданного интервала между сварочными швами 356 мм. Другое направление периодичности двухмерной периодической структуры "X" задает направление растягивания решетки при укладке ее на грунтовой массив.
Каждые две соседние пары полимерных полос в направлении растяжения решетки имеют одну общую полимерную полосу, при этом каждый сварочный шов расположен вертикально по отношению к краям протяженной стороны полимерных полос (см. фиг.4). Вертикальные сварочные швы, соединяющие каждые две соседние полимерные полосы, расположены в направлении периодичности двухмерной периодической структуры, задающем ширину упомянутой решетки, с заранее заданным равным интервалом 356 мм. Сварочные швы каждых двух соседних пар полимерных полос смещены относительно друг друга в плоскости полимерных полос на ½ упомянутого интервала (см. фиг.2).
При этом каждая из полых ячеек в рабочем, раздвинутом состоянии трехмерной решетки имеет равную высоту величиной 300 мм, задаваемую шириной полимерной полосы. Ширина полимерной полосы определяется расстоянием между ее параллельными нижним краем 6 и верхним краем 7. Прочность каждого из сварочных швов 8, 9 составляет величину не менее 75% прочности полимерных полос. Прочность на разрыв для любого участка сварочного шва полиэтиленовой полосы шириной 50 мм и толщиной 1,5±0,2 мм составляет величину не менее 700 Н.
Трехмерную гибкую решетку укладывают на грунтовой массив и раздвигают так, что нижний край 6 и верхний край 7 полимерных полос повторяет контур поверхности грунтового массива, при этом крепят ее с помощью анкеров на массив грунта с интервалом 0,5-0,6 м. Анкеры удерживают трехмерную гибкую решетку на поверхности армируемого массива в раздвинутом состоянии до тех пор, пока полые ячейки 1, 2, 3 не будут заполнены наполнителем 16 (см. фиг.5). Указанные полые ячейки 1, 2, 3 в раздвинутом рабочем состоянии трехмерной решетки имеют открытые торцы 12, 13, 14 для заполнения ячеек компактным или гранулированным наполнителем 16 с тем, чтобы удерживать указанные полые ячейки совместно в виде единой гибкой трехмерной конструкции, обеспечивающей стабилизацию грунта (см. фиг.5). В качестве наполнителя решетка содержит почвенно-растительный грунт (см. фиг.1). Наполнитель 16 выровнен по верхнему краю 7 полимерной полосы.
Трехмерная гибкая решетка в раздвинутом, рабочем состоянии (см. фиг.1) имеет следующие размеры: длина решетки от 2 до 10 м; ширина решетки до 4 м; высота решетки от 50 до 300 мм, включительно.
Данная трехмерная гибкая решетка, согласно полезной модели, в раздвинутом (рабочем) состоянии при длине 10 м и ширине 4 м занимает площадь 24,92 м2 и имеет вес до 130 кг.
В сложенном (нераздвинутом) состоянии трехмерная гибкая решетка, согласно полезной модели, представляет собой модуль прямоугольной формы, удобный для транспортировки.
Применение данной полезной модели увеличивает надежность и срок службы армгрунтовой конструкции в условиях многократного термоциклирования, а также обеспечивает высокую несущую способность сооружений под нагрузкой. Такая решетка может быть легко смонтирована без необходимости в значительном количестве механического оборудования, для стабилизации грунта, которая позволила бы, а также несущую способность грунтового основания. Кроме того, объектом данной заявки является также задача снижения вероятности осадок грунта.
Коммерческое преимущество данной структуры трехмерной гибкой решетки состоит в уменьшении стоимости работ по ее установке и эксплуатации, т.к. ее пространственно-конструкционное выполнение позволяет легко выровнять отдельные ее участки друг относительно друга и добиться прочного механического соединения между элементами армогрунтовой конструкции.
1. Структура раздвижной гибкой трехмерной решетки для стабилизации грунта, состоящая из матрицы полых ячеек, имеющих в раздвинутом состоянии решетки открытые торцы для заполнения наполнителем, где указанная матрица полых ячеек образована множеством вертикально установленных и взаимно пересекающихся с предварительно заданным интервалом полимерных полос одинаковой длины и ширины, каждая из которых имеет верхний и нижний края, а также первую поверхность, определяющую ширину полимерной полосы, и вторую поверхность, параллельную первой поверхности полосы, при этом полимерные полосы изготовлены из листов полимерного материала, полученного с использованием технологического процесса переработки полиэтилена и/или полипропилена, имеющего плотность не менее 0,86 г/см3, а соседние полимерные полосы скреплены между собой в местах пересечения вертикальными сварочными швами с образованием в плоскости указанных торцов двухмерной периодической структуры, одно из направлений периодичности которой характеризуется синусоидальной формой краев указанных полос и задает фиксированную ширину упомянутой решетки, а другое направление периодичности задает направление расширения решетки, при этом каждая из полых ячеек имеет равную высоту величиной до 300 мм включительно.
2. Структура по п.1, характеризующаяся тем, что каждый из сварочных швов ориентирован под углом 90° к протяженной стороне полимерных полос, а полимерные полосы скреплены между собой попарно так, что в направлении растягивания решетки сварочные швы каждых двух соседних пар полимерных полос смещены относительно друг друга в плоскости полимерных полос, при этом каждые две соседние пары полимерных полос имеют одну общую полимерную полосу.
3. Структура по п.1, характеризующаяся тем, что полимерные полосы имеют толщину 0,001-0,002 м, длину 2-4 м и ширину до 300 мм включительно.
4. Структура по п.1, характеризующаяся тем, что сварочные швы выполнены с использованием технологии ультразвуковой сварки.
5. Структура по п.1, характеризующаяся тем, что полимерные полосы имеют рифленую поверхность.
6. Структура по п.1, характеризующаяся тем, что в качестве наполнителя использован материал, выбранный из ряда: песок, почвенно-растительный грунт, галька, бетон, керамзит, щебень различной фракции.
