ВОДООТВОДНАЯ КАНАВА Российский патент 2005 года по МПК E01F5/00 

Изобретение относится к области строительства, а именно к устройству водоотводных канав при сооружении дорожных насыпей на вечномерзлых грунтах.

Известна водоотводная канава, содержащая русло для водотока, вырытое в естественных грунтах с размерами, определяемыми гидравлическими расчетами (М.А.Фришман, И.Н.Хохлов, В.П.Титов. “Земляное полотно железных дорог”. Транспорт. М., 1972, с.75-76, рис.44). Недостатком такой канавы является то, что на вечномерзлых деформируемых при оттаивании грунтах канава быстро выходит из строя в результате просадок грунта.

Наиболее близкой к заявляемой является водоотводная канава, содержащая в поперечном сечении массив замененного грунта, в котором сформировано русло для водотока (Г.П.Минайлов, С.Н.Юсупов “Способы укрепления водоотводных канав, возводимых на близко залегающих к дневной поверхности просадочных при протаивании вечномерзлых грунтах”. Материалы Второй конференции геокриологов России, М., МГУ, 2001 г., том 4, с.189-194, рис.1).

Недостаток этой канавы заключается в том, что канава хорошо работает на просадочных грунтах III категории просадочности (величиной относительной осадки после протаивания от 0,1 до 0,4). Но при грунтах IV категории просадочности она может выходить из строя, особенно на льдогрунтах.

Предлагаемым изобретением решается задача устранения длительных и неравномерных осадок дорожных насыпей, возводимых на вечномерзлых высокольдистых грунтах.

Для достижения указанного технического результата водоотводная канава, содержащая в поперечном сечении массив замененного грунта высотой h_д и шириной в_м, верхней своей поверхностью формирующий русло водотока глубиной h_p, а снизу контактирующий с естественным грунтом, содержит выполненные из торфа боковые переходные массивы, расположенные с обеих сторон массива замененного грунта, и уложенную в русло водотока призму из фракционного скального грунта высотой h_пр, возвышающуюся над естественной поверхностью грунта на высоту h_к, при этом массив замененного грунта выполнен из слабодренирующего грунта и имеет боковые откосы, близкие к естественным откосам данного грунта. Верхняя поверхность массива замененного грунта расположена ниже естественной поверхности грунта на высоту h_p, а боковые переходные массивы имеют очертание треугольника с вершиной внизу, одной стороной контактирующему с массивом замененного грунта и призмой, другой - с естественным грунтом. Основание треугольника совпадает с уровнем естественной поверхности грунта и выполнено из торфа. Высоту h_д массива замененного грунта определяют из условий

,

где h_т - глубина сезонного протаивания, считая от дна водотока, м;

h_сн - толщина снежного покрова, м.

Кроме того, в нижней части массива замененного грунта может быть уложен слой теплоизоляции с термическим сопротивлением R_т на расстоянии h_u от его нижней поверхности. В этом случае где h_т - глубина сезонного протаивания, принимаемая с учетом влияния теплоизоляции с термическим сопротивлением R_т, а ширина массива замененного грунта понизу определяется из выражения:

в_м=4m(h_д-h_u), м,

где m=0,8÷1,2 - коэффициент учета местных условий.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показано поперечное сечение водоотводной канавы предлагаемой конструкции.

Водоотводная канава содержит массив 1 замененного грунта, верхней своей поверхностью формирующий русло водотока 2 глубиной h_p, а снизу контактирующий с естественным грунтом 3, боковые переходные массивы 4, расположенные с обеих сторон массива замененного грунта 1, и призму 5 из фракционного скального грунта, уложенного в русло водотока и возвышающегося над естественной поверхностью 6 грунта на высоту h_к. Массив замененного грунта 1 выполнен из слабодренирующего грунта, например суглинка, и имеет боковые откосы, близкие к естественному откосу данного грунта. Верхняя его поверхность расположена ниже естественной поверхности грунта на величину h_p, в связи с чем образуется русло водотока 2 сечением АВСД. Боковые переходные массивы имеют очертание треугольника с вершиной внизу, одной стороной контактирующие с массивом замененного грунта 1 и на протяжении АВ и СД - с призмой 5 из фракционного скального грунта, другой - с естественным грунтом 3, а основание треугольника совпадает с уровнем естественной поверхности грунта 6. Боковые переходные массивы 4 выполнены из торфа или другого подобного материала. В нижней части массива 1 замененного грунта может быть уложен слой теплоизоляции 7 с термическим сопротивлением R_т, на расстоянии h_u от его нижней поверхности.

Высота массива замененного грунта 1 равна h_д ширина понизу - в_м, ширина поверху АД определяется величиной бокового откоса. Призма из фракционного скального грунта укладывается в русле сечением АВСД глубиной h_p и над уровнем естественной поверхности она возвышается на высоту h_к, так что общая высота призмы равна h_пр=h_к+h_р. Ширина призмы 5 понизу АД совпадает с шириной поверху массива 1 замененного грунта, а ширина поверху в_к назначается, как правило, не менее 2,5 м, что определяется минимальной шириной проезда поверху автотранспорта, необходимого для ее сооружения и дальнейшего обслуживания. Нижняя часть призмы 5 сооружается из крупного камня, чтобы минимально стеснять русло водотока 2, верхняя часть сооружается из более мелких фракций камня, чтобы обеспечить проезд транспорта по ее верхней поверхности.

Кроме указанного требуется соблюдение следующих размеров:

а при укладке слоя теплоизоляции 7

в_м=4m(h_д-h_u), м,

где h_т - глубина сезонного протаивания, считая от дна водотока, м;

h_сн - толщина снежного покрова, м;

m=0,8÷1,2 - коэффициент учета местных условий, б/р.

Для пояснения существа чертежа позицией 8 обозначается положение верхней границы вечной мерзлоты на момент окончания теплого периода года; позицией 9 - положение уровня грунтовых вод.

Водоотводная канава работает следующим образом. При повышении уровня вод выше уровня 9, а также при появлении поверхностных вод, эти воды начинают заполнять русло водотока 2 и перемещаться по нему в продольном направлении. В тепловом отношении работа канавы определяется следующим образом. Прежде всего, следует подчеркнуть, что она предназначена для применения в очень высокольдистых грунтах, льдогрунтах. Поэтому всякое протаивание связано с просадками, которые недопустимы. Водный поток, перемещаясь по руслу 2 передает тепло в грунты. Для предотвращения протаивания естественного грунта 3 высота массива 1 замененного грунта не должна превышать глубину сезонного протаивания h_т. Чтобы компенсировать летний подток тепла в грунты основания 3, отсыпана призма 5 из фракционного скального грунта, которая в зимний период обеспечивает значительный подток холода в грунты основания 3. Для обеспечения этого призма должна возвышаться над уровнем естественной поверхности 6 не менее, чем на высоту снежного покрова. На контакте массива 1 и льдогрунта 3 при отсутствии боковых переходных массивов 4 происходило бы обрушение боковых частей массива 1 в образовавшуюся воду при оттаивании льдогрунта 3, что приводило бы к деформациям канавы. Боковые переходные массивы 4 предотвращают это разрушение. Теплоизоляционный слой 7 уменьшает глубину протаивания и лучше стабилизирует температурный режим.

Технические противоречия, которые определили создание данного изобретения, следующие.

Техническое противоречие первое. В высокольдистых грунтах создание канав связано с очень большими трудностями, связанными с неравномерной просадкой и последующим постепенным разрушением канавы, образованием застоев воды и, как следствие, существенным растеплением грунтов оснований самой насыпи. Таким образом, с одной стороны, канава нужна, поскольку без этого может быть при подтоплении территории растепление и протаивание грунтов оснований насыпи. С другой стороны, создание канавы также может привести к аналогичному отрицательному эффекту. Противоречие было решено применением каменной наброски (призмы 5 из фракционного скального грунта).

Техническое противоречие второе. На боковом контакте массива замененного грунта с естественным высокольдистым грунтом возможно разрушение боковой части массива 1 замененного грунта путем проникновения грунта в образовавшуюся воду от протаивания грунта 3. Противоречие было решено путем образования откосов у массива 1 и созданием боковых переходных массивов 4.

Техническое противоречие третье. С одной стороны, теплоизоляционный слой 7 улучшает в летнее время температурный режим грунтов оснований канавы. С другой стороны, он препятствует проникновению холода от призмы 5 в зимний период. Противоречие было решено ограничением ширины в_m массива 1:

в_м=4m(h_д-h_u), м,

Это ограничение позволило тепловому потоку проходить через боковые откосы. Обеспечение этого процесса определяется принципом Сен-Венана, который говорит о том, что концевой тепловой эффект сказывается на длине элемента, равного одной-двум его высот поперечного сечения. Таким образом, при принятой величине в_м годовой тепловой баланс в подстилающих грунтах формируется в результате свободного прохода тепловых потоков через боковые откосы массива 1.

Областью эффективного применения данной водоотводной канавы являются те зоны, где имеет место распространение высокольдистых вечномерзлых грунтов. Предлагаемая конструкция может быть применена и как берма насыпи, возводимой в таких грунтах, так как при высокольдистых грунтах зачастую требуется замена грунтов на какую-то глубину, при которой возникают те же проблемы бокового контакта замененного грунта с основным и охлаждения нижележащих слоев.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при устройстве водоотводных канав в дорожных насыпях, сооружаемых на вечномерзлых грунтах. Водоотводная канава содержит в поперечном сечении массив замененного грунта высотой h_д и шириной в_м, верхней своей поверхностью формирующий русло водотока глубиной h_p, а снизу контактирующий с естественным грунтом. Новым является то, что канава содержит боковые переходные массивы, расположенные с обеих сторон массива замененного грунта, и призму из фракционного скального грунта высотой h_пр, уложенную в русло водотока и возвышающуюся над естественной поверхностью грунта на высоту h_к, при этом массив замененного грунта выполнен из слабодренирующего грунта и имеет боковые откосы, близкие к естественному откосу данного грунта, верхняя поверхность его расположена ниже естественной поверхности грунта на величину h_p, a боковые переходные массивы, выполненные из торфа, имеют очертание треугольника с вершиной внизу, одной стороной контактирующего с массивом замененного грунта и призмой, другой - с естественным грунтом, а основание треугольника совпадает с уровнем естественной поверхности грунта. Технический результат изобретения состоит в устранении длительных и неравномерных осадок дорожных насыпей, возводимых на вечномерзлых грунтах. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Водоотводная канава, содержащая в поперечном сечении массив замененного грунта высотой h_д и шириной в_м, верхней своей поверхностью формирующий русло водотока глубиной h_p, а снизу контактирующий с естественным грунтом, отличающаяся тем, что она содержит боковые переходные массивы, расположенные с обеих сторон массива замененного грунта, и призму из фракционного скального грунта высотой h_пр, уложенную в русло водотока и возвышающуюся над естественной поверхностью грунта на высоту h_к, при этом массив замененного грунта выполнен из слабодренирующего грунта и имеет боковые откосы, близкие к естественному откосу данного грунта, верхняя поверхность его расположена ниже естественной поверхности грунта на величину h_p, a боковые переходные массивы, выполненные из торфа, имеют очертание треугольника с вершиной внизу, одной стороной контактирующего с массивом замененного грунта и призмой, другой - с естественным грунтом, а основание треугольника совпадает с уровнем естественной поверхности грунта, при этом

h_д ≥ h_т,м;

h_к ≥ h_сн, м,

где h_т - глубина сезонного протаивания, считая от дна водотока, м;

h_сн - толщина снежного покрова, м.