ОТКОСНАЯ ЧАСТЬ ЗЕМЛЯНОГО СООРУЖЕНИЯ НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ Российский патент 2024 года по МПК E01C21/00 E21C41/32 

Изобретение относится к области строительства инженерных сооружений в криолитозоне, а именно к системе охлаждения грунтов.

Известна откосная часть земляного сооружения на вечной мерзлоте, содержащая грунтовый массив с наклонной к горизонтали поверхностью (откос), на которой расположено теплоизоляционное покрытие, полностью закрывающее поверхность откоса (Г.М. Шахунянц. Земляное полотно железных дорог. Гос. транспортное железнодорожное издательство, М. 1953).

Недостатком такой конструкции является то, что несмотря на хорошую устойчивость на откосе теплоизоляционного покрытия в виде растительного покрова вследствие прорастания корней в грунт самого откоса, такое теплоизоляционное покрытие имеет малое термическое сопротивление, что делает данную конструкцию откоса недостаточно эффективной.

Известна откосная часть земляного сооружения на вечной мерзлоте, содержащая грунтовый массив с наклонной к горизонтали поверхностью (откос), на которой расположено теплоизоляционное покрытие, полностью закрывающее поверхность откоса, при этом теплоизоляционное покрытие содержит два слоя, нижний из которых представляет собой слой-теплоизолятор (П.И. Дыдышко. Земляное полотно железнодорожного пути. Справочник. Труды ОАО «ВНИИЖД», М, 2014).

Недостатком такой конструкции является то, что корни растительного покрова, который может вырасти в благоприятную погоду в верхнем грунтовом слое, не могут проникнуть через жесткий слой-теплоизолятор, т.е. верхний слой плохо скреплен с нижним слоем-теплоизолятором и совсем не скреплен с грунтом откоса. Вследствие этого верхний теплоизоляционный слой нестабилен, т.е. нарушается под действием ветра, сползает с откоса под действием осадков, оголяя нижний слой теплоизоляции, который без защиты грунтового слоя тоже нарушается в дальнейшем от климатических воздействий.

Целью предполагаемого изобретения является повышение надежности теплоизоляционного покрытия.

Для достижения поставленной цели откосная часть земляного сооружения на вечной мерзлоте, содержит грунтовый массив с наклонной к горизонтали поверхностью (откос), на которой расположено теплоизоляционное покрытие, полностью закрывающее поверхность откоса, при этом теплоизоляционное покрытие содержит два слоя, нижний из которых представляет собой слой-теплоизолятор. Верхний слой содержит растительный покров и выполнен из грунта, благоприятного для растительного покрова, а слой-теплоизолятор выполнен из смеси частиц теплоизоляционного материала с грунтом, благоприятным для растительного покрова, при этом растительный покров состоит из надземной (теплоизоляционной) части и корневой - скрепляющей системы, а глубина корневой системы превышает толщину обоих слоев теплоизоляционного покрытия.

Кроме того, частицы теплоизоляционного материала слоя-теплоизолятора выполнены шарообразной формы одинакового диаметра, а смесь теплоизоляционного материала с грунтом уложена в формы прямоугольного очертания в плане, содержащие только боковые стенки, с высотой, равной высоте слоя-теплоизолятора, причем расстояние между противоположными стенками соответствует целому числу шаров. При этом

V_гр - объем грунта в слое-теплоизоляторе, м³;

V₁ и V₂ - объем частиц теплоизоляционного материала соответственно без учета и с учетом пор между частицами, м³;

V_и - объем слоя-теплоизолятора, м³;

λ_и и λ_гр - коэффициент теплопроводности слоя теплоизолятора и грунта, ккал/(м⋅час⋅град);

С_и, С_гр - объемная теплоемкость слоя-теплоизолятора и грунта, ккал/(м³⋅град);

Q_и и Q_гр - скрытая теплота слоя-теплоизолятора и грунта, ккал/м³.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлена откосная часть земляного сооружения предлагаемой схемы;

на фиг.2 представлена откосная часть земляного сооружения - аналога;

на фиг.3 представлена откосная часть земляного сооружения - прототипа.

на фиг.4 представлено строение верхнего и нижнего слоев теплоизоляционного покрытия предлагаемой схемы;

на фиг.5 представлена схема укладки частиц теплоизоляционного слоя шарообразной формы совместно с грунтом (вид в плане).

Откосная часть земляного сооружения на вечной мерзлоте состоит из грунтового массива 1 с наклонной к горизонтали поверхностью 2 (откос), на которой расположены два слоя теплоизоляционного покрытия - нижний слой-теплоизолятор 3 и верхний слой теплоизоляционного покрытия 4. Растительный покров теплоизоляционного покрытия состоит из надземной (теплоизоляционной) части 5 высотой l_H и корневой - скрепляющей системы 6 длиной l_п, причем глубина корневой системы l_п превышает толщину обоих слоев теплоизоляционного покрытия. Слой-теплоизолятор 3 состоит из частиц теплоизоляционного материала шарообразной формы 7 одинакового диаметра r (фиг.4 и 5), а смесь теплоизоляционного материала с грунтом уложена в формы прямоугольного очертания в плане, содержащие только боковые стенки 8 (фиг.4), с высотой, равной высоте слоя-теплоизолятора 3, причем расстояние между противоположными стенками соответствует целому числу шаров. При этом

V_гр - объем грунта в слое-теплоизоляторе, м³;

V₁ и V₂ - объем частиц теплоизоляционного материала соответственно без учета и с учетом пор между частицами, м³;

V_и - объем слоя-теплоизолятора, м³;

λ_и и λ_гр - коэффициент теплопроводности слоя теплоизолятора и грунта, ккал/(м⋅час⋅град);

C_и, C_гр - объемная теплоемкость слоя-теплоизолятора и грунта, ккал/(м³⋅град);

Q_и и Q_гр - скрытая теплота слоя-теплоизолятора и грунта, ккал/м³.

Все объемные соотношения выведены из двух величин:

- объем шара

- объем описанной вокруг шара призмы V_пр=8R³.

Теплофизические характеристики назначены из следующих соображений. Объемная теплоемкость С_и и скрытая теплота Q_и назначены из соотношения Коэффициент теплопроводности λ_и назначен из условия, что тепловой поток проходит только по грунту, который в минимальном сечении (фиг.5) составляет 22%.

Работа откосной части земляного сооружения на вечной мерзлоте может быть лучше представлена, если рассмотреть сначала аналог и прототип.

На фиг.2 представлен аналог. Теплоизоляционное покрытие, полностью закрывающее поверхность откоса выполнено из грунта, благоприятного для растительного покрова. Надземная часть 5 растительного покрова является теплоизоляционной, а корневая 6 - укрепляющей частью покрытия.

Недостатком данной конструкции является малое термическое сопротивление теплоизоляционного покрытия в виде одного растительного покрова, что делает эту конструкцию малоэффективной.

Для устранения этого недостатка применяют конструкцию откосной части земляного сооружения, представленную на фиг.3 (прототип).

Теплоизоляционное покрытие, полностью закрывающее поверхность откоса, содержит два слоя. На грунт откосной части земляного полотна уложен жесткий слой-теплоизолятор 9, на который сверху отсыпан слой грунта 10 для защиты слоя-теплоизолятора.

Недостатком такой конструкции является то, что верхний защитный слой грунта 10 нестабилен на откосе, т.к. нарушается под действием ветра (сдувается ветром), сползает с откоса под действием осадков, при таянии снега. Корневая система 6 растительного покрова, который может появиться на верхнем защитном слое, не имеет достаточной глубины для закрепления, т.к. не может проникнуть через слой-теплоизолятор 9. Вследствие разрушения верхнего защитного слоя, нижний слой теплоизоляции 9 тоже нарушается в дальнейшем от климатических воздействий. Такая конструкция откосной части является недостаточно надежной для теплоизоляции откосной части земляного полотна.

Этот недостаток устраняется при применении предлагаемой конструкции откосной части земляного сооружения на вечной мерзлоте: корневая система проходит сквозь слой-теплоизолятор.

Сущность работы теплоизоляции на откосе определяется следующим. В зимний период откос покрывается снегом, что существенно снижает поступление холода в насыпь. В летний период откосы не содержат снега, следовательно, условия для поступления тепла в грунт насыпи являются благоприятными. Таким образом, в зимний период термическое сопротивление на поверхности имеется в виде снега, а летом его практически нет. Устройство на поверхности откоса термического сопротивления, находящегося круглый год, резко снижает соотношение зимнего и летнего термических сопротивлений, что при отрицательной среднегодовой температуре воздуха приводит к существенному охлаждению грунтов насыпи.

Предполагаемое изобретение решает техническое противоречие, которое заключается в следующем: в прототипе для теплоизоляции откоса земляного сооружения предполагалось использование двух теплоизоляционных слоев - верхнего 10 из грунта - защитного слоя и нижнего 9 слоя-теплоизолятора. Корни растительного слоя в прототипе не могут глубоко укорениться с откос, т.к. слой жесткого теплоизолятора из плит пенополистерола становится для них непреодолимым препятствием. И так как слабая корневая система не является укрепляющей, то верхний слой подвержен разрушению от ветра, снега и дождя, т.е. не является защитой для слоя теплоизолятора.

Таким образом, техническое противоречие заключается в следующем: с одной стороны, укладка слоя-теплоизолятора под слой грунта увеличивает термическое сопротивление теплоизоляционного покрытия откоса, а с другой - не дает возможности укорениться растительному покрову на грунтовом защитном слое, как в аналоге, что приводит к разрушению верхнего слоя, а затем нижнего теплоизоляционного слоя и к уменьшению эффективности теплоизоляционной защиты откосов.

В предлагаемой конструкции для укоренения растительного покрова нижний слой-теплоизолятор изготовлен из частиц теплоизоляционного материала шарообразной формы одинакового диаметра, что позволяет при засыпке слоя-теплоизолятора грунтом заполнить все свободное пространство между частицами теплоизоляционного материала шарообразной формы, т.е. дает возможность корням растительного покрова прорастать через весь слой-теплоизолятор и врастать в откосную часть земляного сооружения. Таким образом, обеспечивается сцепление теплоизоляционных слоев между собой и откосом земляного сооружения. Таким образом, в предлагаемой конструкции достигается стабильное положение теплоизоляционных слоев на откосе и, как следствие, повышается эффективность теплоизоляционной защиты откосной части земляного сооружения на вечной мерзлоте.

В данном техническом решении имеются следующие существенные признаки:

Первый существенный признак:

- откосная часть земляного сооружения на вечной мерзлоте содержит грунтовый массив с наклонной к горизонтали поверхностью (откос), на которой расположено теплоизоляционное покрытие, полностью закрывающее поверхность откоса, при этом теплоизоляционное покрытие содержит два слоя, нижний из которых представляет собой слой-теплоизолятор.

Второй существенный признак:

- верхний слой содержит растительный покров и выполнен из грунта, благоприятного для растительного покрова.

Третий существенный признак:

- Слой-теплоизолятор выполнен из смеси частиц теплоизоляционного материала с грунтом, благоприятным для растительного покрова.

Четвертый существенный признак:

- растительный покров состоит из надземной (теплоизоляционной) части и корневой - скрепляющей системы, а глубина корневой системы превышает толщину обоих слоев теплоизоляционного покрытия.

Эти четыре признака являются взаимосвязанными, необходимыми и достаточными для достижения заявленного результата. Все эти признаки отражены в формуле изобретения.

Кроме того, имеется пятый признак:

Частицы теплоизоляционного материала слоя-теплоизолятора выполнены шарообразной формы одинакового диаметра, а смесь теплоизоляционного материала с грунтом уложена в формы прямоугольного очертания в плане, содержащие только боковые стенки, с «высотой, равной высоте слоя-теплоизолятора, причем расстояние между противоположными стенками соответствует целому числу шаров. При этом

V_гр - объем грунта в слое-теплоизоляторе, м³;

V₁ и V₂ - объем частиц теплоизоляционного материала соответственно без учета и с учетом пор между частицами, м³;

V_и - объем слоя-теплоизолятора, м³;

λ_и и λ_гр - коэффициент теплопроводности слоя теплоизолятора и грунта, ккал/(м⋅час⋅град);

С_и, С_гр - объемная теплоемкость слоя-теплоизолятора, ккал/(м³⋅град);

Q_и и Q_гр - скрытая теплота слоя-теплоизолятора и грунта, ккал/м³.

Эффективность предполагаемого изобретения заключается в достижении стабильного положения теплоизоляционных слоев на откосе и повышении надежности теплоизоляционной защиты откосной части земляного сооружения на вечной мерзлоте от температурных воздействий.

Изобретение относится к области строительства инженерных сооружений в криолитозоне, а именно к системе охлаждения грунтов. Откосная часть земляного сооружения на вечной мерзлоте содержит грунтовый массив с наклонной к горизонтали поверхностью откоса, на которой расположено теплоизоляционное покрытие, полностью закрывающее поверхность откоса. Теплоизоляционное покрытие содержит два слоя, нижний из которых представляет собой слой-теплоизолятор, верхний слой содержит растительный покров и выполнен из грунта, благоприятного для растительного покрова. Слой-теплоизолятор выполнен из смеси частиц теплоизоляционного материала с грунтом, благоприятным для растительного покрова. Растительный покров состоит из надземной теплоизоляционной части и корневой - скрепляющей системы, а глубина корневой системы превышает толщину обоих слоев теплоизоляционного покрытия. Частицы теплоизоляционного материала слоя-теплоизолятора выполнены шарообразной формы одинакового диаметра, а смесь теплоизоляционного материала с грунтом уложена в формы прямоугольного очертания в плане, содержащие только боковые стенки, с высотой, равной высоте слоя-теплоизолятора. Расстояние между противоположными стенками соответствует целому числу шаров. Техническим результатом является повышение надежности теплоизоляционного покрытия. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Откосная часть земляного сооружения на вечной мерзлоте, содержащая грунтовый массив с наклонной к горизонтали поверхностью откоса, на которой расположено теплоизоляционное покрытие, полностью закрывающее поверхность откоса, при этом теплоизоляционное покрытие содержит два слоя, нижний из которых представляет собой слой-теплоизолятор, отличающаяся тем, что верхний слой содержит растительный покров и выполнен из грунта, благоприятного для растительного покрова, а слой-теплоизолятор выполнен из смеси частиц теплоизоляционного материала с грунтом, благоприятным для растительного покрова, при этом растительный покров состоит из надземной теплоизоляционной части и корневой - скрепляющей системы, а глубина корневой системы превышает толщину обоих слоев теплоизоляционного покрытия.

2. Откосная часть земляного сооружения на вечной мерзлоте по п. 1, отличающаяся тем, что частицы теплоизоляционного материала слоя-теплоизолятора выполнены шарообразной формы одинакового диаметра, а смесь теплоизоляционного материала с грунтом уложена в формы прямоугольного очертания в плане, содержащие только боковые стенки, с высотой, равной высоте слоя-теплоизолятора, причем расстояние между противоположными стенками соответствует целому числу шаров, при этом

V_гр - объем грунта в слое-теплоизоляторе, м³;

V₁ и V₂ - объем частиц теплоизоляционного материала соответственно без учета и с учетом пор между частицами, м³;

V_и - объем слоя-теплоизолятора, м³;

λ_и и λ_гр - коэффициент теплопроводности слоя теплоизолятора и грунта, ккал/(м⋅час⋅град);

С_и, С_гр - объемная теплоемкость слоя-теплоизолятора и грунта, ккал/(м³⋅град);

Q_и и Q_гр - скрытая теплота слоя-теплоизолятора и грунта, ккал/м³.