ДОРОЖНАЯ НАСЫПЬ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ Российский патент 2008 года по МПК E02D17/18 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении дорожных насыпей преимущественно в районах распространения высокотемпературной вечной мерзлоты.

В районах распространения вечномерзлых грунтов количество тепловой энергии, поступающей в грунт через дневную поверхность в летнее время, всегда меньше количества тепловой энергии, уходящей из грунта в зимнее, чем и определяется само существование вечномерзлых толщ, т.е баланс тепловой энергии отрицателен. Если по каким-либо причинам баланс становится положительным, например происходит увеличение высоты снежных отложений (уменьшается отток тепла в атмосферу) или понижается альбедо поверхности (увеличивается приток лучистой энергии), то начинается процесс деградации мерзлых толщ, который сопровождается повышением их температуры и, как следствие, уменьшением несущей способности, и опусканием их верхней границы, что влечет за собой просадку дневной поверхности и разрушение построенных здесь инженерных сооружений. Поэтому все существующие конструкции дорожной насыпи и способы ее возведения преследуют основную цель - не допустить деградации вечномерзлых грунтов в основании.

Дорожная насыпь существенно меняет условия теплообмена грунта с атмосферой. При этом верхняя поверхность насыпи (основная площадка на железных дорогах и ширина земляного полотна на автодорогах) усиливает охлаждение грунта зимой за счет искусственного удаления с ее поверхности снега, а откосы наоборот уменьшают охлаждения грунта зимой за счет накопления на них снега, счищаемого с основной площадки и в результате ветрового снегопереноса, а также увеличивают отепление грунта летом за счет лучистой энергии, приход которой возрастает из-за уменьшения альбедо поверхности откоса и ее наклона к горизонту. Кроме того, примыкающая к насыпи естественная поверхность (поле) также способствует охлаждению основания насыпи. При определенном соотношении поверхностей баланс поступающего в грунт тепла становится положительным и в основании земляного полотна происходит деградация вечномерзлых грунтов.

Известна дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах на железных дорогах, позволяющая уменьшить деградацию вечномерзлых грунтов путем устройства над всей насыпью солнцезащитного навеса. Навес устраивается над всей насыпью железной дороги, включая путь, для предотвращения отепляющего влияния прямой солнечной радиации и летних осадков, а также защиты от снежного покрова, уменьшающего зимние выхолаживание грунта. Конструкция навеса выбирается в зависимости от географической широты и климатических условий местности, экспозиции откосов и высоты насыпи [Кондратьев В.Г. Активные способы укрепления основания земляного полотна на вечномерзлых грунтах, Изд-во «ЗАБТРАНС», Чита, 2001, с.98].

Недостатком известного устройства является его высокая стоимость, в 3-4 раза превосходящая стоимость железнодорожного пути без навеса.

Известна дорожная насыпь на вечномерзлых грунта на железных дорогах, состоящая из подготовленного основания, насыпи и светозащитной покраски, наносимой перед наступлением похолодания на поверхность насыпи. В зимний период очищают систематически насыпь от снега до перемены знака теплотока на границе атмосферы и снежного покрова. Известная насыпь позволяет снизить затраты на обеспечение устойчивости основания земляного полотна за счет уменьшения объемов пород, отсыпаемых в насыпь, путем снижения отепляющего воздействия окружающей среды [Патент РФ №1764371, кл. Е21С 41/26, E02D 17/18, опубл. 1994 09.30].

Основным недостатком известного способа является высокая трудоемкость в обслуживании дороги.

Известна насыпь с наброской сортированного камня на ее откосы. Крупность камня составляет 20-30 см, высота наброски - 80-100 см. Наброска зимой увеличивает выхолаживание грунта за счет конвекции холодного воздуха в ее порах, а летом уменьшает прогревание грунта за счет конвекции воздуха в ночное время суток [Авторское свидетельство СССР №1540345, кл. Е02В 3/18, опубл. 1995.04.30].

Недостатком известной насыпи являются:

- ограниченная область применения, наброска проявляет охлаждающий эффект только при малой высоте снежного покрова и в районах, где отсутствует ветровой снегоперенос;

- малая долговечность устройства, т.к. со временем происходит кольматация порового пространства наброски и конвекция холодного воздуха в ней прекращается. Кольматация происходит продуктами выветривания камня (особенно осадочных скальных пород) и переносимым дождем мелкоземом.

Наиболее близким к заявляемому устройству является дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах, включающая тело насыпи с основной площадкой и примыкающие к ней с двух сторон земляные верховую и низовую призмы, уложенные на откосы насыпи, гребни и откосы земляных призм, синтетический теплоизолятор и крепление откосов вспомогательным массивом грунта [Патент РФ №2256032, кл. E02D 17/18, опубл. 2005].

Теплоизоляционный слой летом защищает мерзлое тело насыпи от оттаивания, а вспомогательный массив грунта защищает теплоизоляционный слой от повреждения.

Недостатками известной насыпи являются:

- недостаточная защита вечномерзлого грунта от деградации вследствие большой длины откоса, расположения теплоизоляционного слоя только на части длины откоса и закрытие теплоизоляционным слоем участка естественной поверхности (поля), примыкающего к насыпи;

- из-за малого охлаждающего эффекта устройство лишено возможности восстанавливать свой первоначальный температурный режим при внешних коротко временных случайных тепловых воздействиях (например, экстремальное повышение температуры воздуха);

- сооружение насыпи возможно только в ограниченный период года: с момента смыкания слоя сезонного оттаивания с вечномерзлыми грунтами и до наступления положительных температур наружного воздуха.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности защиты дорожного полотна от деградации на вечномерзлых грунтах за счет обеспечения способности восстанавливаться температурному режиму тела и основания насыпи.

Задачей изобретения является также обеспечение возможности круглосуточного ведения земляных работ и сокращения их объема.

Поставленная задача решается тем, что в дорожной насыпи на вечномерзлых грунтах, включающей тело насыпи с основной площадкой и примыкающие к ней с двух сторон земляные верховую и низовую призмы, крепление откосов и уложенный на откосы насыпи, гребни и откосы земляных призм, синтетический теплоизолятор, теплоизолятор расположен вдоль откосов насыпи, гребней и откосов земляных призм по всей их длине и крепится к ним диафрагмами, уклон откосов насыпи составляет 1:1.5 и круче, при этом теплоизолятор используют толщиной, определяемой из условия:

где d_f,П - потенциальная глубина сезонного промерзания грунта на основной площадке;

d_th,П - глубина сезонного оттаивания на основной площадке;

d_th,ОТ - потенциальная глубина сезонного оттаивания грунта на откосах насыпи и гребнях земляных призм;

d_f,OT - глубина сезонного промерзания грунта на откосах насыпи и гребнях земляных призм;

L - общая длина откосов насыпи, гребней и откосов земляных призм;

В_П - ширина основной площадки.

Обычно диафрагмы выполнены из гофрированных металлических листов и крепятся к откосам металлическими штырями через каждые 0,5-1 метр и выступают над поверхностью теплоизолятора на толщину крепления откоса.

Как правило, верховая земляная призма выполнена из глинистого грунта.

Отличительным признаком заявляемого устройства является то, что

- теплоизолятор уложен по всей длине поверхности откосов насыпи и земляных призм;

- откосы насыпи и земляных призм являются крутыми и имеют диафрагмы для обеспечения устойчивости против сползания по ним теплоизолятора и расположенного на нем крепления (крутыми откосами считаются откосы с уклоном 1:1.5 и круче, в данном случае устойчивость таких откосов от обрушения обеспечивается прилегающими к телу насыпи земляными призмами);

- верховая земляная призма выполнена из глинистого грунта и обеспечивает продольный водоотвод от полотна дороги.

Указанные отличительные признаки обеспечивает достижение технического результата - надежную защиту от деградации вечномерзлых грунтов, расположенных в основании насыпи; способность восстанавливать первоначальный температурный режим тела и основания насыпи после прекращения действия внешних случайных тепловых воздействий; сокращение объема земляных работ, возможность круглогодичного ведения работ; способность обеспечивать продольный водоотвод от полотна дороги, а именно: теплоизолятор, расположенный по всей длине откосов насыпи, гребням и откосам земляных призм снижает тепловое влияние последних на грунт, чему способствует также большая крутизна откосов или, что одно и то же, их малая длина, все это вместе взятое обеспечивает отрицательный баланс тепловой энергии, поступающей в основание насыпи в течение года, в результате чего верхняя граница вечномерзлых грунтов перемещается вверх в тело насыпи.

Кроме того, верховая земляная призма из глинистого материала выполняет роль водоотводного валика, который устраивается на сильнольдистых вечномерзлых грунтах для продольного водоотвода от полотна дороги и обеспечивает продольный водоотвод (см., например, Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах, под ред. Ю.Я.Вели, В.В.Докучаева, Н.Ф.Федорова, Л., Стройиздат, 1977. 552 с.).

На фиг.1 представлен поперечный разрез дорожной насыпи.

На фиг.2 - узел 1 фиг.1.

Дорожная насыпь состоит из тела 1, верховой земляной призмы 2, выполненной из глинистого грунта, и низовой земляной призмы 3, выполненной из дренирующего грунта, отсыпанных на вечномерзлый грунт 4. Тело 1 имеет основную площадку 5 и откосы 6, гребень 7 и откосы 8. На откосы 6 тела, гребни 7 и откосы земляных призм 8 положен синтетический теплоизолятор 9, а по нему крепление откосов 10. Для удержания теплоизолятора 9 и крепления откосов 10 на откосах 6 и 8 от сползания установлены диафрагмы 11, которые крепятся к откосу металлическими штырями 12.

Сооружение дорожной насыпи на вечномерзлых грунтах ведется круглогодично. Вначале на растительный покров пионерным способом отсыпается дренирующий грунт тела 1 насыпи и низовой земляной призмы 3 в талом (летом) и сыпучемерзлом (зимой) состоянии небольшими слоями (20-30 см) и укатывается (уплотняется) дорожными катками или гружеными самосвалами. С образовавшегося слоя дренирующего грунта самосвалами ведется отсыпка талого глинистого грунта верховой земляной призмы 2, который уплотняется дорожными катками. Работы на верховой земляной призме 2 ведутся с отставанием на один слой. Откосы 6 и 8 планируются специальными планировочными машинами по мере их роста захватками высотой 1.5-2.0 м. После планировки откосов на них укладываются плиты синтетического теплоизолятора 9 длинной стороной вдоль оси дороги. Обычно используют теплоизолятор 9 из полиуретана, полихлорвинила, экструзионного пенополистирола [Технические условия на производство плит экструзионного пенополистирола ТУ-57-67-001-56925804-2003]. После укладки первого ряда плит теплоизолятора 9 стандартной ширины (обычно 60 см) устанавливается первый ряд диафрагм 11. Диафрагмы 11 изготовляются из гофрированных листов металла толщиной 1-3 мм и крепятся к откосу металлическими штырями 12 через каждые 0.5-1.0 м. Края диафрагм 11 выступают над поверхностью теплоизолятора 9 на толщину крепления откоса. Далее укладывается второй ряд плит теплоизолятора 9 и устанавливается второй ряд диафрагм 11 и т.д. Таким образом, шаг расстановки диафрагм 11 определяется шириной плит теплоизолятора 9. Пространство между диафрагмами 11 заполняется песчано-гравийной смесью или почвой (в последнем случае после завершения всех работ в ближайший летний сезон производится высевание в почву многолетних трав). Работы по укладке плит теплоизолятора 9 и устройству крепления ведутся с отставанием от работ по планировке откосов на высоту захватки.

Заявляемая дорожная насыпь функционирует следующим образом.

В летнее время происходит сезонное оттаивание грунта, которое под основной площадкой 5 существенно превышает оттаивание под откосами 6 и 8 и гребнями 7 земляных призм 2 и 3, на которые положен теплоизолятор 9. Зимой оттаявший под основной площадкой 5 грунт из-за отсутствия на ней снега быстро (уже в первой половине зимы) промерзает и основная площадка 5 начинает промораживать снизу небольшой талый слой грунта под откосами 6 и 8 насыпи и гребнями 7 земляных призм 2 и 3, чему способствует также промерзание снизу со стороны поля, а также небольшое промерзание сверху, которое сдерживается теплоизолятором 9 и расположенным на поверхности откосов 6 и земляных призм 2 и 3 снегом, однако последнее не является важным, поскольку основное промерзание талого слоя идет снизу. Величина сезонно талого слоя под откосами 6 и 8 и гребнями 7 земляных призм 2 и 3 зависит от толщины теплоизолятора 9, а время промерзания этого слоя еще и от длины откосов 6 и 8 и гребней 7 земляных призм 2 и 3. Меньшей длине (большей крутизне откосов 6 и 8) соответствует и меньшее время. Толщина теплоизолятора 9 определяется расчетом, исходя из условия указанной формулы (1).

Зависимость (1) выведена из условия - баланс тепла в основании насыпи за год должен быть отрицательным. Это возможно, если излишек «холода» под основной площадкой 5 в зимнее время (остаток отрицательной тепловой энергии после промерзания оттаявшего за лето грунта) по абсолютной величине превосходит излишек тепла под откосами 6 насыпи, гребнями 7 и откосами 8 земляных призм 2 и 3 в летнее время (остаток положительной тепловой энергии после оттаивания промерзшего за зиму грунта). В свою очередь излишки энергии определяются разностью потенциальной (возможной по запасам энергии) глубины промерзания-оттаивания грунта, фактической умноженной на длину контуров (В_П или L) и удельную теплоту промерзания-оттаивания грунта. Входящие в выражение (1) глубины промерзания-оттаивания определяются математическим моделированием с использованием компьютерной программы WARM (Программа расчета теплового взаимодействия инженерных сооружений с вечномерзлыми грунтами, авторы: Хрусталев Л.Н., Емельянов Н.В, Пустовойт Г.П., Яковлев С.В) // Свидетельство №940281. РосАПО, 1994), или вычисляются аналитически (Хрусталев Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне: Учебник - М: Изд-во МГУ, 2005, с.544).

Исходя из данных математического моделирования, толщина теплоизолятора 9 может составить 5-10 см.

При выполнении вышеуказанного условия промерзание талого слоя заканчивается до окончания зимнего периода. В результате к началу летнего периода все тело 1 насыпи с примыкающими к нему земляными призмами 2 и 3 оказывается в мерзлом состоянии. Далее цикл повторяется. Изменяя термическое сопротивление изоляции можно добиться эффекта самовосстановления температурного режима грунтов дорожной насыпи и его основания практически в любых климатических условиях. При этом устройство одновременно обеспечивает продольный водоотвод от полотна дороги и тем уменьшает за счет ненужности водоотводных валиков объем земляных работ, что для работ в проблемных регионах на вечномерзлых грунтах имеет особое значение.

Техническим результатом заявляемой конструкции насыпи являются:

- надежная защита от деградации вечномерзлых грунтов, расположенных в основании насыпи;

- способность восстанавливать первоначальный температурный режим тела и основания насыпи после прекращения действия внешних случайных тепловых воздействий;

- сокращения объема земляных работ;

- возможность круглогодичного ведения работ;

- способность обеспечивать продольный водоотвод от полотна дороги.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении дорожных насыпей в районах распространения высокотемпературной вечной мерзлоты. Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах включает тело насыпи с основной площадкой и примыкающие к ней с двух сторон земляные верховую и низовую призмы, уложенные на откосы насыпи, гребни и откосы земляных призм синтетический теплоизолятор и крепление откосов. Теплоизолятор расположен вдоль откосов насыпи, гребней и откосов земляных призм по всей их длине и крепится к ним диафрагмами, уклон откосов насыпи составляет 1:1,5 и круче, при этом теплоизолятор используют толщиной, определяемой из указанного соотношения. Технический результат состоит в повышении надежности защиты дорожного полотна от деградации на вечномерзлых грунтах за счет обеспечения способности восстанавливаться температурному режиму тела и основанию насыпи и обеспечении возможности круглосуточного ведения земляных работ и сокращения их объема. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах, включающая тело насыпи с основной площадкой и примыкающие к ней с двух сторон земляные верховую и низовую призмы, уложенный на откосы насыпи, гребни и откосы земляных призм синтетический теплоизолятор, и крепление откосов, отличающаяся тем, что теплоизолятор расположен вдоль откосов насыпи, гребней и откосов земляных призм по всей их длине и крепится к ним диафрагмами, уклон откосов насыпи составляет 1:1,5 и круче, при этом теплоизолятор используют толщиной, определяемой из условия

где d_f,П - потенциальная глубина сезонного промерзания грунта на основной площадке;

d_th,П - глубина сезонного оттаивания на основной площадке;

d_th,OT - потенциальная глубина сезонного оттаивания грунта на откосах насыпи и гребнях земляных призм;

d_f,OT - глубина сезонного промерзания грунта на откосах насыпи и гребнях земляных призм;

L - общая длина откосов насыпи, гребней и откосов земляных призм;

В_П - ширина основной площадки.