ЗЕМЛЯНОЕ СООРУЖЕНИЕ НА ВЕЧНОМЕРЗЛОМ ОСНОВАНИИ Российский патент 1995 года по МПК E01C3/00 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при строительстве насыпей на вечномерзлых грунтах, в частности при стабилизации оснований насыпей из слабых при оттаивании вечномерзлых грунтов на марях.

На долю участков с осадками насыпей, вызываемых многолетней деградацией вечной мерзлоты в их основании, приходится более 25% общего протяжения земляного полотна восточного участка БАМ.

На величину, неравномерность, интенсивность и длительность накопления осадков во времени оказывает влияние сложная взаимосвязь природных, конструктивных и техногенных факторов сооружения и эксплуатации насыпей, которые формируют, в конечном счете, термовлажностный режим основания сооружения. Обводненность прилегающей к насыпи территории оказывает отепляющее влияние на грунты основания. В местах скопления воды у насыпи (блюдах) происходит быстрое протаивание вечной мерзлоты, что вызывает резкие осадки пути. Зарождающийся на этих участках термокарст способствует непрекращающимся осадкам насыпей в течение всего периода эксплуатации. Продолжительность и конечная осадка сооружения зависит также от мощности слабой сжимаемости толщи основания.

Известны два направления достижения стабилизации насыпей на слабом при протаивании вечномерзлом основании.

Упрочнение основания осуществляется промораживанием и тем самым конструктивные параметры земляного полотна остаются относительно постоянными.

Упрочнение основания осуществляется уплотнением естественно протаивающих слабых слоев вечномерзлого грунта до границы с прочными грунтами или до границы установившихся годовых температур вечномерзлых грунтов.

К первому направлению можно отнести самую распространенную конструкцию насыпи для сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии, содержащую обсыпку откосов насыпи сортированным скальным грунтом [1]. Обсыпка представляет собой слой сортированного скального грунта размером 0,2-0,4 м и толщиной 0,6-0,8 м по обоим откосам насыпи. Исследованиями [1] установлено, что за счет дополнительного конвективного теплообмена в пустотном пространстве между камнями среднегодовая температура грунтов в основании насыпей понижается до 2^оС по сравнению с температурой этих же грунтов в естественных условиях. Однако этот эффект может быть достигнут только в условиях обеспеченного стока воды от тела насыпи.

Преимущество известной конструкции заключается в быстром промораживании грунтов основания (2-3 г), т.е. в обеспечении устойчивости сооружения. Но известная конструкция насыпи требует больших строительных затрат и не гарантирует надежности. В случае переувлажнения (обводнения) прилегающей к насыпи территории происходит быстрое протаивание вечной мерзлоты в основании на локальном участке, что приводит к резким просадкам насыпи.

Таким образом, при осуществлении стабилизации сооружений по первому направлению необходим постоянный контроль за состоянием водоотводов и прилегающей к насыпи территории.

Ко второму направлению относится общеизвестный пассивный способ стабилизации земляного полотна за счет компенсации осадка насыпи путем досыпок балластными материалами. Осадки насыпи протекают продолжительное время: 25-50 лет в зависимости от мощности слабой толщи в основании насыпи и глубины протаивания, на которой устанавливается постоянный температурный режим (8-10 м). Дальше этой глубины протаивания вечномерзлых грунтов не происходит при неизменных параметрах земляного полотна.

Наиболее близким заявляемому решению по технической сущности и достигаемому результату является земляное сооружение, относящееся ко второму направлению стабилизации.

Земляное сооружение на вечномерзлом основании представляет собой насыпь с искусственными сооружениями для перепуска воды.

В результате медленного естественного протаивания под действием веса насыпи и динамических нагрузок от подвижного состава происходит погружение грунтов тела насыпи в слабую толщу основания. При этом доведение конструктивных параметров насыпи до проектных осуществляется за счет постоянных досыпок ее балластными материалами.

Преимущество известного решения заключается, в конечном счете, в ликвидации причин нарушения устойчивости - упрочнении основания после его протаивания и полной консолидации грунтов слабой толщи.

Но при этом необходимо отметить, что протаивание происходит сравнительно медленно. Вечномерзлые грунты основания, которые протаивают за летний сезон, в зимний период в условиях сурового климата (низких температур и малой высоты снежного покрова) практически промерзают, вспучиваются. Поэтому при значительных летних осадках насыпей среднегодовые остаточные деформации сравнительно невелики (до 100 мм при общей 200-250 мм). При этом интенсивность осадки снижается. Весь процесс затягивается на 25-50 лет и требует проведения ежегодных подъемных ремонтов пути.

Таким образом, недостатком известного решения является затяжной характер стабилизации в условиях роста грузонапряженности.

В основу изобретения положена задача осуществить такой режим оттаивания вечномерзлых грунтов основания, который обеспечивает ускорение сроков стабилизации насыпи до начала наращивания мощностей дороги, сокращает трудозатраты и повышает надежность пути за счет упрочнения основания консолидацией естественно протаивающих слабых слоев вечномерзлого грунта до границы с неосадочными грунтами.

Решение поставленной задачи обеспечивается достижением круглогодичного процесса оттаивания за счет теплового эффекта водной мелиорации.

Для решения поставленной задачи земляное сооружение на вечномерзлом основании, включающее насыпи с искусственными сооружениями для перепуска воды, дополнительно снабжено размещенными с каждой стороны насыпи наружной и внутренней дамбами, причем каждая наружная дамба выполнена с затворами и составлена из примыкающих концами к насыпи на ее подходах к водопропускным сооружениям продольно-отжимных участков и соединяющего их участка, образующих замкнутый контур, а внутренняя дамба размещена внутри замкнутого контура с примыканием ее концов к наружной дамбе, при этом отношение высоты внутренней дамбы к высоте наружной дамбы составляет 0,13-0,33.

Наличие этих существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности "новизна".

Преимущество заявляемого сооружения заключается в том, что оно позволяет способствовать круглогодичному и равномерному протаиванию основания насыпи. Устройство замкнутых дамб обеспечит равномерное погружение грунтов тела насыпи в слабую толщу.

Устройство дамб в разных уровнях h и Н и второго яруса дамб со шлюзами позволяет удерживать воду у тела земляного полотна и поддерживать необходимый уровень воды в различное время года. Летний уровень воды h (0,2-0,4 м) позволяет увеличить скорость протаивания ВМГ в 2-3 раза за счет взмучивания протаявшего полужидкого ила теплой водой, которая может контактировать непосредственно с мерзлым субстратом.

Зимний уровень воды Н более 1,2 позволяет за счет того, что толщина незамерзающего сверху льда не превышает 1,2, сохранить грунты основания в талом состоянии весь зимний сезон. При увеличении глубины воды более 1,2 возможно гидравлическое оттаивание и в зимний сезон.

При отношении высот h и Н в интервале 0,13-0,33 будет обеспечен наиболее благоприятный режим гидравлического оттаивания, что позволит обеспечить стабилизацию земляного сооружения за 7-8 лет.

По мнения авторов для специалиста из уровня техники явным образом не следует, что сооружение наружной дамбы, выполненной определенным образом по отношению к внутренней дамбе, приводит к резкому сокращению сроков стабилизации основания насыпи земляного сооружения.

Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Испытания, которые проводились на опытном участке Ургальского узла БАМжд доказывают, что заявляемое решение осуществимо и работоспособно. Предполагается осуществить внедрение разработанного рабочего проекта опытно-экспериментального объекта по Этыркэнской дистанции пути БАМжд.

Осуществимость и работоспособность объекта свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности "промышленная применимость".

На чертеже дан поперечный разрез (а) и план (б), предложенного земляного сооружения на вечномерзлом основании.

Земляное сооружение, расположенное на слабых при оттаивании вечномерзлых грунтах 1 содержит насыпь 2, искусственные сооружения 8, регуляционные устройства, выполненные в виде внутренней 3 и наружной 4 дамб.

Насыпь 2 имеет следующие параметры: ширина основной площадки 7 м, высота насыпи 3 м. Коэффициент откоса 1:1,5. Дамбы 3 и 4 выполнены замкнутыми у искусственных сооружений 5, геометрическое очертание дамб - в виде трапеции с шириной по верху 1,0 м и коэффициентами откосов 1:1,5. Дамбы отсыпаны из грунтов местных карьеров на расстоянии 11 и 17 м от оси ж.д. пути и 3 и 9 м от подошвы насыпи. Внутренняя дамба 3 рассчитана на поддерживание воды у тела земляного полотна в летний период. Высота дамбы 3 с учетом осадки равна 0,5 м. Летний уровень воды равен высоте дамбы 3 после осадки и равен 0,35 м.

Наружная дамба 4 высотой 1,7 м рассчитана на поддержание воды у тела земляного полотна в зимний сезон. Высота дамбы 4 после осадки и соответственно уровень воды равны 1,50 м. Наружная дамба 4 выполнена с затворами 6.

Затворы 6 на наружных дамбах 4 установлены в местах запуска воды из нагорной канавы 7 и из подмостового русла 8 и выпуска 9 весной.

Для достижения цели изобретения высоты h может быть выбрана в интервале 0,2-0,4 м, а Н 1,2-1,5 м, при этом h/Н лежит в интервале 0,13-0,33.

В рассматриваемом примере h/H = =0,35/1,5 = 0,23.

Земляное сооружение осуществляется следующим образом.

На основе выполненных теплотехнических расчетов устанавливаются размеры внутренней 3 и наружной 4 дамб. В конце зимнего сезона с наступлением положительных температур планируется прилегающая к насыпи территория. На спланированную поверхность отсыпается внутренняя дамба 3 высотой 0,5 м. Грунты послойно уплотняются. Откосы укрепляют мощением камнем на щебне. Затем пространство между насыпью и дамбой заполняют водой. Для этого делается перепуск 6 из нагорной канавы 7 с верховой стороны и из ручья 8 с нагорной стороны. После наполнения до высоты h = 0,5 м отверстия во внутренней дамбе 3 наглухо закрываются. Затем отсыпают наружную дамбу 4 высотой 1,7 м в той же последовательности. В дамбе 4 оставляют отверстия, которые закрываются затворами 6 до осени. Осенью с наступлением отрицательных ночных температур затворы 6 открываются и через отверстия вода заполняет пространство между наружной дамбой 4 и насыпью 2 на полную высоту дамбы 4.

Устройство работает следующим образом.

С наступлением положительных температур начинается прогревание прилегающей у подошвы насыпи поверхности. Такое прогревание в обычных условиях осуществляется кондуктивным путем, т.е. путем непосредственного попадания прямых солнечных лучей на прилегающую поверхность. В заявляемой конструкции прилегающая поверхность затапливается водой слоем, не превышающим 0,4 м, но не менее 0,2 м (оптимальный 0,35). При таком слое воды происходит взмучивание протаивающего полужидкого ила и теплая вода может непосредственно контактировать с мерзлым субстратом грунта. Теплоперенос осуществляется конвективным путем. Как показали исследования теплопоток в грунт под водоемом глубиной 35 см равен 1,0-1,5 ккал/см˙мес), а под водоемом глубиной 1-3 м он составляет 0,5-0,7 ккал/см˙мес). Начиная с глубины 0,4 м наблюдается уменьшение скорости протаивания. Глубина протаивания грунтов основания при слое воды 0,2-0,4 м может составлять за один летний сезон 2,0-2,5 м, что больше, чем в обычных условиях в 2-3 раза.

Затопление прилегающей к насыпи территории на глубину 1,5 м в поздний осенний сезон и поддержание этого уровня в течение всего зимнего периода позволяет сохранять грунты протаявшего за летний сезон слоя в талом состоянии. В обычных условиях протаявший за летний сезон слой грунта промерзает и вместо осадки насыпи наблюдается, наоборот, вспучивание. Эти знакопеременные перемещения в годовом цикле как бы стремятся восстановить первоначальные граничные условия на контакте насыпь - основание. В годовом цикле осадка в 2-4 раза меньше, чем за летний сезон. Этим объясняется медленный темп протаивания и осадки насыпи в обычных условиях.

Если глубина воды у тела насыпи будет 1,2 м, которая равна величине намерзания льда в водоемах в аналогичных условиях, то температура грунтов приподошвенной зоны будет равна 0^оС. Талая зона в основании, образовавшаяся в летний период, будет сохраняться весь зимний сезон, а осадка грунтов основания будет оставаться в размере летней. При увеличении глубины воды более 1,2 м возможно гидравлическое оттаивание и в зимний сезон.

В заявляемом решении отношение h к Н находится в интервале 0,13-0,33. В обычных условиях средняя глубина протаивания в основании за год составляет 0,7 м и для полной стабилизации насыпи, расположенной на слабых при протаивании вечномерзлых грунтах мощностью 3,5 м необходимо 20-25 лет.

При отношении h/H, равном 0,11 (<0,13), ежегодная глубина протаивания будет составлять в среднем за счет замедления темпов летнего протаивания всего 1 м и для полной осадки и стабилизации сооружения на слабой толще 3,5 м потребуется 20-22 г.

При отношении высот h/H, равном 0,35 (> 0,33), ежегодная глубина протаивания в среднем составит всего 1,5 м за счет замедления темпов летнего и зимнего протаиваний и осадка насыпи будет продолжаться 15-17 лет.

При отношении высот в пределах указанного материала (0,13-0,33) ежегодная глубина протаивания и сроки стабилизации насыпи соответственно равны:
при h/H = 0,13-2,0 м и 10-11 лет;
при h/H = 0,23-3,0 м и 5-7 лет;
при h/H = 0,33-2,5 м и 7-10 лет.

По сравнению с прототипом заявляемая конструкция способствует круглогодичному протаиванию основания насыпи и обеспечивает стабилизацию земляного полотна за 7-8 лет.

Использование: изобретение может быть использовано при стабилизации оснований насыпей на слабых при оттаивании вечномерзлых грунтах. Сущность: в земляном сооружении выполнены наружная и внутренняя дамбы, ограждающие насыпь и примыкающие на подходах к искусственному сооружению. Обе дамбы являются замкнутыми, наружная дамба имеет шлюзы, а отношение высот h и H лежит в интервале 0,13 - 0,33, где h - высота внутренней дамбы; H - высота наружной дамбы. Конструкция регуляционного устройства обеспечивает гидравлическое оттаивание мерзлых грунтов, благодаря которому протаивание основания насыпи происходит круглогодично. Круглогодичный процесс протаивания грунта позволяет стабилизировать земляное полотно за 7 - 8 лет. 1 ил.

ЗЕМЛЯНОЕ СООРУЖЕНИЕ НА ВЕЧНОМЕРЗЛОМ ОСНОВАНИИ, включающее насыпь с искусственными сооружениями для перепуска воды, отличающееся тем, что сооружение снабжено размещенными с каждой стороны насыпи наружной и внутренней дамбами, причем каждая наружная дамба выполнена с затворами и составлена из примыкающих концами к насыпи на ее подходах к водопропускным сооружениям продольно-отжимных участков и соединяющего их участка, образующих замкнутый контур, а внутренняя дамба размещена внутри замкнутого контура с примыканием ее концов к наружной дамбе, при этом отношение высоты вунтренней дамбы к высоте наружной дамбы составляет 0,13 - 0,33.