ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИЙ СЛОЙ ДОРОЖНОЙ КОНСТРУКЦИИ Российский патент 2006 года по МПК E01C3/06 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении насыпей автомобильных и железных дорог, устройстве обваловки трубопроводов, а также при строительстве других сооружений в зоне вечномерзлых грунтов и близких к ней территорий, а также при сооружении временных дорог в сложных условиях (незакрепленные пески, обводненные участки, сложенные глинистыми или органогенными грунтами и т.д.).

Известен слой для теплоизоляции грунтов в теле насыпи, сооруженной на вечной мерзлоте, включающий торф (см., например, «Методические рекомендации по сооружению земляного полотна автомобильных промысловых дорог в районах Ямбургского и Уренгойского газовых месторождений». - М., 1986).

Недостатками известного решения являются, во-первых, низкая прочность торфа на сжатие, вследствие чего этот слой может быть расположен только на определенной глубине от поверхности земляного полотна, во-вторых, ограниченность запасов месторождений торфа. Как правило, для сохранения земляного полотна в мерзлом состоянии требуется слой уплотненного торфа толщиной не менее 50-70 см. При уплотнении торфа, связанном с отжатием воды и защемленного воздуха, его теплоизолирующая способность понижается.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является теплоизолирующий слой дорожной конструкции на вечномерзлых грунтах, включающий плиты с ячейками, заполненными волокнистым материалом (торфом или синтепоном), уложенные на подстилающий слой из песка (Сборник «Автомобильные дороги Сибири и Крайнего Севера», 1999 г. раздел «Методы строительства»). Принцип работы указанных теплоизолирующих плит состоит в том, что пенополистирол снижает амплитуду колебаний температуры мерзлых грунтов, а влагонасыщенный волокнистый материал вследствие его переменной теплопроводности в зимнее и летнее время служит регулятором температуры защищаемых вечномерзлых грунтов, препятствуя поступлению тепла в мерзлые грунты летом и способствуя охлаждению мерзлоты в зимнее время. Сезонное изменение теплопроводности волокнистого материала обусловлено тем, что теплопроводность льда примерно в 4 раза выше теплопроводности воды, а материал влагонасыщен.

Под плитами размещен подстилающий слой из стабильного материала (непучиноопасного песка) толщиной примерно 0,5 м, сезонное протаивание которого допускается.

Известная конструкция теплоизолирующего слоя обладает следующими недостатками.

Во-первых, слой пенополистирола препятствует охлаждению мерзлоты в зимнее время. По этой причине может произойти повышение отрицательной температуры мерзлых грунтов под насыпью и постепенная деградация мерзлоты.

Во-вторых, пенополистирольная плита работает только при отсутствии неравномерных деформаций в ее основании. В противном случае в ней возникают различного рода повреждения (вмятины, трещины), вследствие чего теплоизолирующая способность плиты существенно уменьшается. По этой причине подстилающий слой из песка под плитой не должен иметь комковатых включений, что в отдельных случаях сложно обеспечить, поскольку работу по устройству теплоизолирующего слоя производят в зимнее время, а месторождения песка требуемого гранулометрического состава не всегда имеются в наличии. Это обстоятельство существенно ограничивает область применения указанного теплоизолирующего слоя.

В-третьих, избыток влаги в волокнистом материале, расположенном в ячейках, может привести к образованию скоплений льда и разрушению в результате этого ячеек. Процессу льдообразования в ячейках способствует испарение льда из мерзлых грунтов основания с последующей сублимацией паров в ячейках плиты. Испарение и сублимация происходят при изменении термовлажностного режима мерзлых грунтов основания сооружения в зимнее время при повышении отрицательной температуры.

Кроме того, при использовании в качестве волокнистого материала торфа возникает необходимость в дополнительной трудоемкой операции - заполнении ячеек торфом, выполняемой ручным способом.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка конструкции теплоизолирующего слоя, обладающего широкими функциональными возможностями за счет обеспечения функционирования дорожной конструкции в широком диапазоне изменения температур, как в минусовом, так и в плюсовом интервалах, и обеспечивающего тем самым стабильные свойства дорожной конструкции и длительный срок эксплуатации, особенно в условиях вечной мерзлоты.

Технический результат заключается в наделении теплоизолирующего слоя терморегулирующими свойствами, сохраняющими целостность покрытия в условиях образования неравномерных деформаций в его основании в условиях вечной мерзлоты.

Для достижения технического результата при решении поставленной задачи в теплоизолирующем слое дорожной конструкции, содержащем, по меньшей мере, одну плиту с ячейками, заполненными волокнистым материалом, плиты выполнены из полимерного материала, соединены между собой с образованием единой конструкции, ячейки выполнены полыми и обращены открытой стороной в сторону грунта (основания), при этом поверхность ячеек выполнена с дренажными отверстиями.

Возможны и другие варианты выполнения изобретения, согласно которым необходимо, чтобы:

- полые ячейки имели бы коробчатое сечение, расширяющееся к открытой стороне;

- в качестве материала был бы применен твердый синтетического прессованный полиэтилен (полиуретан);

- коробчатое сечение имело бы форму полых полуцилиндров или многогранников;

- в качестве волокнистого теплоизолирующего материала служил бы природный материал типа торф или материал искусственного происхождения на основе волокнистого полиэтилена типа синтепон;

- полости ячеек были бы заполнены волокнистым материалом до размещения плит в дорожной конструкции или путем вдавливания плит в торф, расположенный на грунте, и заполнения тем самым полости волокнистым материалом.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, заключающегося в формировании теплоизолирующего слоя с терморегулирующими свойствами для сохранения в мерзлом состоянии грунтов тела насыпи и/или ее основания и для сооружения временных дорог для колесного транспорта.

Это стало возможным за счет применения в качестве теплоизолирующего материала твердого синтетического материала типа прессованного полиэтилена (полипропилена, полиуретана), выполнения ячеистой структуры в виде плиты с полостями, заполнения ячеек волокнистым материалом, синтетическим (типа синтепон) или естественным (торфом), расположения плиты открытыми полостями вниз. При этом влагонасыщенный волокнистый материал вследствие переменной теплопроводности в талом и мерзлом состояниях осуществляет терморегулирование защищаемых грунтов дорожной конструкции, а плита при неравномерной осадке основания прогибается без образования в ней трещин. Немаловажную роль при этом выполняют дренажные отверстия, выполненные на стенке ячеек плиты.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображен общий вид теплоизолирующего слоя.

На фиг.2 - поперечный разрез А-А по фиг.1.

На фиг.3 - продольный разрез Б-Б по фиг.1.

На фиг.4, 5 - варианты выполнения теплоизолирующего слоя.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.

Теплоизолирующий слой дорожной конструкции (фиг.1, 2, 3, 4, 5), предназначенной для функционирования преимущественно в условиях вечной мерзлоты, содержит, по меньшей мере, одну плиту 1 с ячейками, заполненными волокнистым материалом 2.

Плиты 1 выполнены из полимерного материала, соединены между собой с образованием единой конструкции, ячейки выполнены полыми и обращены открытой стороной в сторону грунта (основания), при этом стенки 3 ячеек выполнены с дренажными отверстиями 4.

Сооружение дорожной конструкции может быть осуществлено двумя способами. В соответствии с первым вариантом плиту 1 с полостями 5, заполненными на заводе волокнистым материалом 2, например синтепоном или торфом, укладывают на защищаемый грунт открытыми полостями вниз. По второму варианту плиту 1 с незаполненными полостями вдавливают в предварительно подготовленный слой торфа.

В соответствии со вторым вариантом плита 1 также может быть использована при сооружении временных дорог в сложных условиях путем вдавливания в грунт, например в слабый - глинистый переувлажненный, органогенный или незакрепленный песок.

Высоту плиты 1 выбирают исходя из расчета по прочности и удобству выполнения технологических операций, в пределах 15-25 см, толщина стенок ячеек составляет 0,2-0,6 см. Общую толщину теплоизолирующего слоя, который может включать один или несколько слоев плит 1, соединенных в единую конструкцию с заполнителем, определяют теплотехническим расчетом.

Теплоизолирующий слой, выполненный из соединенных между собой плит, работает следующим образом. Стенки полостей 5 плит и ее поверхность обеспечивают прочность и позволяет волокнистому материалу, заполняющему ячейки, находиться в слабо уплотненном (К_упл 0,8-0,9) водонасыщенном состоянии.

Волокнистый материал после укладки плиты 1 вследствие миграции влаги в грунтах, в том числе и через дренажные отверстия 6, становится льдонасыщенным, благодаря чему его теплопроводность в зимнее время выше, чем в летнее, когда лед оттаивает. Это способствует расходу тепла в мерзлом грунте зимой и препятствует поступлению тепла в летнее время. В результате в зимнее время отток тепла больше, чем приток в летнее время, поэтому грунт будет сохраняться в мерзлом состоянии, не допуская возникновения деформаций в дорожной конструкции, связанных с осадками оттаявших оснований.

В волокнистом материале кроме влаги также присутствует защемленный воздух, который обладает низкой теплопроводностью, поэтому слой из указанных плит работает одновременно по принципам теплоизоляции и терморегулирования.

Для регулирования влажности волокнистого материала поверхность и стенки 3 полостей 5 плиты 1 перфорированы для осуществления миграции паров влаги в вертикальном и горизонтальном направлениях (см. фиг.1).

При использовании плит 1 для обеспечения проезда в сложных условиях они, при вдавливании их в грунт, препятствуют сдвигу в песках или в переувлажненных глинистых грунтах, а также перераспределяют нагрузку от колеса автомобиля в слабых грунтах, уменьшая величину деформации грунта непосредственно под колесом.

Рассмотрим несколько примеров реализации теплоизоляционного слоя дорожной конструкции.

Пример 1. Дорога запроектирована по I принципу, при этом в мерзлом состоянии предполагается сохранить земляное полотно, отсыпанное в зимнее время из комковатого материала.

В зимнее время на подготовленное земляное полотно 7 (см. фиг.2) укладывают плиты 1, заполненные волокнистым материалом 2 заводским способом, открытой стороной полостей 5 вниз. Непосредственно под плитой 1 находится слой грунта, неравномерность осадки которого при оттаивании не превышает 5-10 см на 1 м в горизонтальном направлении (уточняется экспериментально). В зависимости от климатических условий плиты 1 могут быть уложены в один или несколько слоев.

Сверху плиты 1 закрывают геотекстилем 8 для того, чтобы расположенный выше дискретный материал не попадал в дренажные отверстия 4 перфорированной поверхности плиты 1.

Для предотвращения оттаивания земляного полотна со стороны откоса могут быть устроены бермы 9 из песка или торфопесчаной смеси либо принято какое-либо иное конструктивное решение. Работы по сооружению дорожной одежды 10 выполняют обычным способом.

В зависимости от условий строительства - применяемой дорожной одежды, климатических особенностей района, гранулометрического состава грунта, используемого в насыпи, а также сроков строительства толщина теплоизолирующего слоя может быть назначена либо исходя из условия исключения оттаивания грунта насыпи (граница вечной мерзлоты принимает положение 9), либо с допущением оттаивания на некоторую глубину исходя из допустимой осадки оттаявшего слоя.

Пример 2. Дорога запроектирована по I принципу, при этом в мерзлом состоянии предполагается сохранить земляное полотно, отсыпанное в зимнее время из комковатого материала.

В начале теплого сезона на поверхности земляного полотна 7 (см фиг.2) устраивают слой из торфа толщиной 30-40 см, надвигают его бульдозером и разравнивают автогрейдером, при этом уплотнение катками не производят.

Плиты 1 вдавливают в слой торфа. Затем процесс изготовления покрытия дороги выполняют в соответствии с технологией по примеру №1.

По сравнению с теплоизолирующим слоем-аналогом из торфа теплоизолирующий слой, включающий плиты 1, имеет более высокую прочность и более низкую теплопроводность, вследствие чего он может применяться как в верхней, так и в нижней частях дорожной конструкции, выдерживая нагрузку соответственно от транспортных средств и веса насыпи, а также в условиях ограниченных запасов торфа, поскольку необходимая для теплоизоляции толщина слоя торфа значительно уменьшена.

Пример 3. Дорога запроектирована по I принципу, при этом в мерзлом состоянии предполагается сохранить основание насыпи. Дорога проходит по равнинному участку тундры; толщина мохоторфяного покрова составляет не менее 20 см и не более 50 см.

В начале теплого сезона, сразу после завершения оттаивания плиты 1, вдавливают подготовленное в торфяное основание 5 (см. фиг.3). Плиты 1 закрывают геотекстилем 6 и после этого выполняют работы по сооружению дорожной конструкции обычным способом, отсыпая земляное полотно 7, и устраивают дорожную одежду 10.

Торф в ячейках плиты 1 сжимается незначительно, поэтому его теплоизолирующая способность практически не изменяется. Поскольку грунт насыпи является дополнительным теплоизолятором, верхняя граница мерзлоты поднимается и принимает положение 9.

Если строительство осуществляется в районах с мощным деятельным слоем, в южной части зоны распространения вечномерзлых грунтов, то поверх слоя, включающего плиты 1, вдавленные в торфяное основание, устраивают дополнительный слой из плит 1 с волокнистым заполнителем.

Пример 4. Для осуществления проезда по обводненному участку, сложенному глинистыми грунтами, необходимо осуществить проезд грузовых автомобилей. В соответствии с выполненной разметкой плиты 1 вдавливают в глинистый грунт. Движение осуществляют непосредственно по плитам.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении насыпей автомобильных и железных дорог, устройстве обваловки трубопроводов, а также при строительстве других сооружений в зоне вечномерзлых грунтов и близких к ней территорий, а также при сооружении временных дорог в сложных условиях (незакрепленные пески, обводненные участки, сложенные глинистыми или органогенными грунтами и т.д.). Теплоизолирующий слой дорожной конструкции содержит, по меньшей мере, одну плиту с ячейками, заполненными волокнистым материалом, при этом плиты выполнены из полимерного материала, в качестве которого применен твердый прессованный полиэтилен, соединены между собой с образованием единой конструкции, ячейки выполнены полыми и обращены открытой стороной в сторону грунта (основания), а поверхность ячеек выполнена с дренажными отверстиями. Такое решение позволило получить технический результат, заключающийся в наделении теплоизолирующего слоя терморегулирующими свойствами, сохраняющими целостность покрытия в условиях образования неравномерных деформаций в его основании в условиях вечной мерзлоты. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Теплоизолирующий слой дорожной конструкции, содержащий, по меньшей мере, одну плиту с ячейками, заполненными волокнистым материалом, отличающийся тем, что плиты выполнены из полимерного материала, в качестве которого применен твердый прессованный полиэтилен, ячейки выполнены с открытой стороной, обращенной в сторону грунта основания, при этом поверхность ячеек выполнена с дренажными отверстиями.2. Теплоизолирующий слой по п.1, отличающийся тем, что ячейки имеют коробчатое сечение, расширяющееся к открытой стороне.3. Теплоизолирующий слой по п.1, отличающийся тем, что ячейки имеют форму полых полуцилиндров или многогранников.4. Теплоизолирующий слой по п.1, отличающийся тем, что в качестве волокнистого материала может служить природный материал типа торф или материал искусственного происхождения на основе волокнистого полиэтилена типа синтепон.