ДОРОЖНАЯ НАСЫПЬ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ Российский патент 2006 года по МПК E02D17/18 

Изобретение относится к области строительства, а именно к сооружению дорожных насыпей на вечномерзлых грунтах.

Известны поперечные профили насыпей, сооружаемых в обычных условиях вне зоны распространения вечномерзлых грунтов (Фришман М.А., Хохлов И.Н., Титов В.П. Земляное полотно железных дорог. - М.: Транспорт, 1972, с.16).

Недостаток таких профилей насыпей состоит в том, что в случае применения их в области распространения вечной мерзлоты на просадочных при оттаивании мерзлых грунтах основание насыпи деформируется, что влечет за собой разрушение насыпи.

Наиболее близкой к предлагаемой является насыпь высотой более 1,5 м, содержащая тело насыпи, выполненное по высоте из двух ярусов, и балластную призму, предназначенная для сооружения на вечномерзлых грунтах (Жинкин Г.Н., Грачев И.А. Особенности строительства железных дорог в районах распространения вечной мерзлоты и болот. - М.: УМК МПС России, 2000 г., с.99, рис."г".

Недостаток насыпи такой конструкции заключается в том, что при малых стоках в насыпи происходят просадки грунта, что приводит к разрушению насыпи.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения стабильности насыпи в самых неблагоприятных условиях путем понижения температуры вечномерзлых грунтов в основании насыпи.

Для достижения указанного технического результата в дорожной насыпи на вечномерзлых грунтах, содержащей тело насыпи, выполненное по высоте из двух ярусов, каждый из которых в поперечном сечении представляет собой трапецию, обращенную бóльшим основанием вниз, и балластную призму, расположенную на основной площадке, нижнее основание трапеции верхнего яруса размером "с" совпадает по величине и положению с верхним основанием трапеции нижнего яруса, а уклон боковых откосов верхнего яруса меньше уклона боковых откосов нижнего яруса, при этом основные параметры насыпи определяют из следующих соотношений:

(1:4)<i₁≤(1:1)

i₂≤(1:4)

с=к·20, м,

h_н=h-h_b, м,

где i₁ - уклон боковых сторон трапеции нижнего яруса, б/р:

i₂ - то же, верхнего яруса, б/р;

с - размер нижнего основания трапеции верхнего яруса, м;

к=0,8-2,0 - поправочный коэффициент, б/р;

h_b - высота верхнего яруса, м;

b - ширина основной площадки насыпи, м;

h_н - высота нижнего яруса, м;

h - высота насыпи, м.

Кроме того, уклон "i₃" боковых откосов балластной призмы может быть равен i₃≤(1:4).

Предлагаемая дорожная насыпь представлена на чертеже. Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах содержит тело 1 насыпи и балластную призму 2, расположенную на основной площадке 3 насыпи. Насыпь расположена на естественной поверхности 4 грунта. Тело 1 насыпи состоит по высоте из двух ярусов: нижнего 5 и верхнего 6. Каждый ярус представляет собой в поперечном сечении трапецию, обращенную бóльшим основанием вниз, при этом нижнее основание трапеции верхнего яруса совпадает по величине и положению с верхним основанием трапеции нижнего яруса. Боковые откосы верхнего яруса имеют меньший уклон, чем боковые откосы нижнего яруса. Положение верхней границы вечной мерзлоты показано позицией 7.

Основные параметры насыпи определяют из следующих соотношений:

(1:4)≤i₁≤(1:1)

i₂≤(1:4)

с=к·20, м,

h_н=h-h_b, м,

i₃≤(1:4)

где i₁ - уклон боковых сторон трапеции нижнего яруса, б/р:

i₂ - то же, верхнего яруса, б/р;

с - размер нижнего основания трапеции верхнего яруса, м;

к=0,8-2,0 - поправочный коэффициент, б/р;

h_b - высота верхнего яруса, м;

b - ширина основной площадки насыпи, м;

h_н - высота нижнего яруса, м;

h - высота насыпи, м;

i₃ - уклон боковых откосов балластной призмы, б/р.

Предлагаемая дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах предназначена для условий сильного снегопереноса и работает следующим образом. В зимнее время в условиях Заполярной тундры имеет место сильный снегоперенос, при котором в низинных местах снег скапливается, а с возвышенных сдувается. Предлагаемая конфигурация насыпи позволяет на ширине продуваемой площадки насыпи в зимнее время обеспечить практически оголенную от снега поверхность, что в свою очередь обеспечивает хороший "поток холода" в грунты. Поскольку среднегодовая температура воздуха в рассматриваемом регионе отрицательная, то несмотря на поток тепла через верхнюю поверхность насыпи в летний период, суммарный за год тепловой баланс отрицательный. В результате под площадкой шириной "с" формируется благоприятный температурный режим, а на момент окончания теплого периода года верхняя граница вечной мерзлоты (позиция 7) входит в тело насыпи. Основные параметры насыпи выбраны из следующих соображений. Установлено результатами многолетних наблюдений за температурным режимом грунтов, что оголенная поверхность в условиях Заполярья формирует в грунтах оснований мерзлоту. Чтобы не было круглогодичных талых зон и сезонное летнее протаивание ограничивалось бы деятельным слоем, необходимо обеспечить определенную ширину площадки "с". В соответствии с рекомендациями ЦНИИСа (СП-32-101-95 "Проектирование и устройство фундаментов опор мостов в районах распространения вечномерзлых грунтов". М., Корпорация "Трансстрой", 1996 г., с.37-41) ширина зоны "с" равна

с=4h, м,

где h - глубина, до которой обеспечивается тепловое влияние зоны "с".

Опыт показывает, что если на глубине 5 м под центром насыпи будет обеспечена мерзлота, то насыпь будет устойчива. В этом случае с=20 м. При малой высоте насыпи (порядка 1,0 м) и ненарушенного рядом с насыпью растительного покрова значение "с" может быть уменьшено до 16 м. При высокой насыпи (10 м и более) мерзлота должна быть обеспечена на уровне подошвы насыпи. В этом случае с=40 м.

В результате может быть предложена формула

с=к·20 м,

где к - поправочный коэффициент, равный 0,8÷2,0 в зависимости от высоты насыпи.

Величина откоса i₂ определяется из условий того, чтобы поверхность не была занесена снегом. Обычно это откос 1:5 (в соответствии с натурными наблюдениями). Однако для обеспечения требуемой ширины "с" при малой высоте насыпи откосы i₂ могут быть положе, вплоть до вырождения в практически горизонтальную поверхность с откосом, обеспечивающим лишь сток поверхностных вод. С другой стороны, при большой высоте насыпи для уменьшения высоты нижнего яруса может оказаться целесообразным устройство откоса 1:4.

Высота верхнего яруса h_b является производной величиной от "с" и "i₂" и определяется из геометрических соотношений

где b - ширина основной площадки насыпи, м.

Как уже было отмечено, для насыпей небольшой высоты требование обеспечить необходимую величину "с" может привести к вырождению откоса "i₂" в практически горизонтальную площадку, а высоту верхнего яруса к стремлению к нулю. Для насыпей большой высоты, наоборот, высота верхнего яруса h_b будет увеличиваться. Это тем более будет оправдано, что при большем среднем возвышении поверхности откоса верхнего яруса обдуваемость и снижение степени снегозаносов будут улучшаться.

Высота нижнего яруса "h_н" определяется как разность общей высоты "h_b" насыпи и высоты "h_b" верхнего яруса:

h_н=h-h_b.

Откос "i₁" для нижнего яруса должен быть как можно более крутым и определяться расчетом на общую устойчивость насыпи. Это объясняется тем, что у подошвы откоса насыпи снег скапливается практически независимо от значения "i₁". В то же время с точки зрения характера теплообмена целесообразно как можно более сокращать горизонтальную проекцию боковой части нижнего яруса, поскольку оголенная поверхность откоса насыпи гораздо сильнее проводит летом тепло, чем ненарушенная часть растительного покрова. Другими словами; развитие в ширину насыпи в пределах нижнего яруса, во-первых, увеличивает объемы земляных работ, а, во-вторых, ухудшает условия теплообмена.

Другими словами, продуваемую снегозаносимую площадку нужно создавать не в середине путем устройства берм и не внизу, уполаживая откосы в нижней части насыпи, а наоборот - нижнюю часть насыпи в плане сокращать, увеличивая уклон откосов, а вверху создавать продуваемую площадку.

Следует особо отметить роль балластной призмы в вопросе снегозаносимости. Поскольку балластная призма состоит из хорошего материала с точки зрения его устойчивости, откос балластной призмы устраивается крутым. В дальнейшем по мере осадки насыпи регулировку уровня осуществляли с помощью балласта, увеличивая высоту балластной призмы при крутых откосах, доходящих до 1:1 и круче. В результате в самом верху насыпи создается "парус", который резко увеличивает снегозаносы в верхней части насыпи. Поэтому следует уклон "i₃" откоса балластной призмы делать 1:4 и положе.

Эффективность предлагаемой конструкции заключается в существенном понижении температуры вечномерзлых грунтов, что позволяет обеспечивать стабильность насыпи в самых неблагоприятных условиях, в том числе на болотистых участках при малых стоках.

Изобретение относится к области строительства, а именно к сооружению дорожных насыпей на вечномерзлых грунтах. Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах содержит тело насыпи, выполненное по высоте из двух ярусов, каждый из которых в поперечном сечении представляет собой трапецию, обращенную большим основанием вниз, и балластную призму, расположенную на основной площадке. Новым в предлагаемом изобретении является то, что размер "с" нижнего основания трапеции верхнего яруса совпадает по величине и положению с верхним основанием трапеции нижнего яруса, а уклон боковых откосов верхнего яруса меньше уклона боковых откосов нижнего яруса. При этом основные параметры насыпи определяют из соответствующих соотношений. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении стабильности насыпи в самых неблагоприятных условиях путем понижения температуры вечномерзлых грунтов в основании насыпи. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах, содержащая тело насыпи, выполненное по высоте из двух ярусов, каждый из которых в поперечном сечении представляет собой трапецию, обращенную большим основанием вниз, и балластную призму, расположенную на основной площадке, отличающаяся тем, что размер "с" нижнего основания трапеции верхнего яруса совпадает по величине и положению с верхним основанием трапеции нижнего яруса, а уклон боковых откосов верхнего яруса меньше уклона боковых откосов нижнего яруса, при этом основные параметры насыпи определяют из следующих соотношений:

(1:4)<i₁≤(1:1)

i₂≤(1:4)

с=к·20, м,

h_н=h-h_b, м,

где i₁ - уклон боковых сторон трапеции нижнего яруса, б/р;

i₂, - то же, верхнего яруса, б/р;

с - размер нижнего основания трапеции верхнего яруса, м;

к=0,8-2,0 - поправочный коэффициент, б/р;

h_b - высота верхнего яруса, м;

b - ширина основной площадки насыпи, м;

h_н - высота нижнего яруса, м;

h - высота насыпи, м.