ДОРОЖНАЯ НАСЫПЬ НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ
PERMAFROST ROAD FILL

Изобретение относится к области строительства, а именно к возведению дорожных насыпей на вечной мерзлоте в районах с наличием снегопереноса.
Известна дорожная насыпь на вечной мерзлоте, содержащая тело насыпи, при этом тело насыпи расположено на естественной поверхности грунта и ограниченно сверху основной площадкой, а по бокам - откосами, причем основная площадка содержит в центре зону проезда, а по бокам обочины (Г.М. Шахунянц. Земляное полотно железных дорог. Гос. трансп. Ж.д. изд-во. М. стр. 11).
В соответствии с данной схемой откосы делаются с уклоном от (1:1,5) до (1:2,0)
Недостатком этого технического решения является то, что в зоне вечной мерзлоты при наличии снегопереноса скапливается большое количество снега на откосах и на прилегающей территории с внешней стороны подошвы откоса насыпи. Эти снежные отложения приводят к протаиванию грунтов основания и в случае залегания высокольдистых грунтов - к деформации.
Известна дорожная насыпь на вечной мерзлоте, содержащая тело насыпи и систему для охлаждения грунта, при этом тело насыпи расположено на естественной поверхности грунта и ограничено сверху основной площадкой, а по бокам - откосами, причем основная площадка содержит в центре зону проезда, а по бокам- обочины (Технические условия на проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию железных дорог на п-ове Ямал. СТО ГАЗПРОМТРАНС.4-2012. М.2012. стр. 12)
В данной схеме предусмотрена система для охлаждения грунта, которая выполнена в виде дополнительной части поперечного сечения насыпи по бокам с уклоном от (1:3) до (1:5). В этом случае насыпь становится аэродинамически обтекаемой, и снежные отложения либо резко уменьшаются, либо совсем исчезают.
Недостатком данного технического решения является дополнительный большой объем высококачественного грунта, необходимого для отсыпки насыпи. Такой грунт в зоне вечной мерзлоты зачастую является крайне дефицитным и дорогим.
Целью предлагаемого технического решения является уменьшение объема грунта и, соответственно, снижение общей стоимости насыпи.
Поставленная цель достигается тем, что дорожная насыпь на вечной мерзлоте, содержит тело насыпи и систему для охлаждения грунта. При этом тело насыпи расположено на естественной поверхности грунта и ограничено сверху основной площадкой, а по бокам- откосами, причем основная площадка содержит в центре зону проезда, а по бокам - обочины. Система для охлаждения грунта выполнена в виде призм и защитного слоя грунта над ними, при этом призмы имеют в плоскости поперечного сечения насыпи вид горизонтально расположенного прямоугольника и состоят из габионов, заполненных сортированным камнем. Тело насыпи выполнено из верхнего и нижнего ярусов, при этом нижний ярус имеет вид усеченной пирамиды, а верхний ярус расположен между основной площадкой и нижним ярусом и содержит две призмы, расположенные по краям верхнего основания нижнего яруса с расстоянием между ними, равным ширине проезда. Верхняя поверхность защитного слоя грунта над каждой призмой совпадает с верхней поверхностью верхнего яруса и образована обочинами основной площадки и плоскостью, проходящей между бровками основной площадки и внешним ребром призмы. Взаимозависимость отдельных параметров определяется следующими соотношениями:
вя
1
2
h=δ+δ,
ня
н
вя
h=h-h,
вя
пр
п
b=b+2⋅b,
п
об
вя
b=b+h⋅i,
ня
вя
ня
b=b+2⋅h⋅i,
н
вя
ня
где h, b, b - высота соответственно насыпи, верхнего и нижнего яруса насыпи, м;
1
2
δ, δ - высота соответственно призмы и защитного слоя грунта в пределах обочины, м;
вя
ня
b, b - ширина соответственно верхнего и нижнего основания нижнего яруса, м;
пр
об
п
b, b, b - ширина соответственно зоны проезда, обочины и призмы, м;
1: i - уклон откоса насыпи, б/разм.
1
2
Кроме того, толщина призмы δ=0,8-1,2 м, а толщина защитного слоя δ=0,2-0,4 м.
Кроме того с внешней вертикальной поверхности призмы смонтирован слой теплоизоляции.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 приведена схема предлагаемого технического решения;
на фиг. 2 представлено температурное поле на момент окончания теплого периода года (1 октября) через 50 лет для насыпи высотой 6,0 м, с откосами 1:2 без мероприятий по охлаждению (аналог);
на фиг. 3 представлено температурное поле на момент окончания теплого периода года (1 октября) через 50 лет для насыпи высотой 6,0 м (с откосами 1:2) с применением габионов.
н
пр
пр
oб
от
2
1
Тело 1 насыпи высотой h. расположено на естественной поверхности 2. Сверху насыпь ограничена основной площадкой 3, на которой расположена балластная призма 4 шириной b, которую условно назовем шириной проезда, и толщиной δ. С боков насыпь ограничена откосом 5 с уклоном 1:i. В пределах обочины (b) и верхней части откоса (b) на глубине δ расположена призма 6 толщиной δ и состоящей из габионов с сортированным камнем размером, как правило, 20-40 см. Основная сущность данного технического решения сводится к тому, чтобы снизить расход грунта по сравнению с аналогичным техническим решением с пологим откосом, на котором в зимний период снег не скапливается и тем самым формируется благоприятный температурный режим. Поэтому в данном техническом решении уклон откоса насыпи назначается как можно круче, практически это 1:2.
пр
Призмы 6, расположены с двух сторон поперечного сечения насыпи на расстоянии друг от друга равном ширине проезда b и стянуты стяжками 7. В призме 6 с внешней стороны расположен вертикальный слой теплоизоляции 8. Бровка насыпи и внешнее ребро призмы соединены плоскостью 9, которая ограничивает тело 1 насыпи над призмой. Тело призмы 6 защищено от засорения слоем геотекстиля 10. Правый край геотекстиля может быть заведен за внешний край габиона и свешивается на 10 см.
oб
2
Между верхней поверхностью призмы 6 и ломаной поверхностью, образованной поверхностью 9 и частью «b» основной площадки 3 сформирован защитный слой грунта 11 толщиной «δ» в зоне обочины и постепенно сходящим на-нет к внешнему ребру призмы. При этом призма и защитный грунтовый слой представляют единый неразделимый комплекс, в котором призма охлаждает, а защитный слой грунта обеспечивает (усиливает) это охлаждение. Роль защитного слоя двойная. Во-первых, он распределяет сосредоточенные нагрузки от пешеходов и других воздействий, сохраняя пористость призмы. Во-вторых, он отводит дождевую воду к внешним границам призмы (поверхность 9 обеспечивает уклон). При этом избегается вредная инфильтрация воды в грунт, поскольку она вносит тепло, и, наоборот, усиливаются испарительные процессы на внешней поверхности призмы и откоса, приводящие к теплосъему. При этом гидроизоляция 12 усиливает этот эффект, но не является обязательной.
По результатам теплофизических расчетов
1
2
δ=0,8-1,2 м, а δ=0,2-0,4 м.
Cн
В зоне подошвы откоса насыпи может быть расположен слой теплоизоляции 13, который частично размещен в теле насыпи, а частично на берме 14. Позицией 15 показаны границы снегоотложений с откосом 1: i, а позицией 16-граница области основных напряжений от подвижной нагрузки.
ня
вя
Тело насыпи, таким образом, выполнено из верхнего 17 и нижнего 18 ярусов. Нижний ярус имеет вид усеченной пирамиды с нижним основанием шириной b и верхним основанием шириной b. Верхний ярус расположен между основной площадкой насыпи 3 и нижним ярусом.
Взаимозависимость отдельных параметров определяется следующими соотношениями:
вя
1
2
h=δ+δ,
ня
н
вя
h=h-h,
вя
пр
п
b=b+2⋅b,
п
об
вя
b=b+b⋅i,
ня
вя
ня
b=b+2⋅h⋅i,
н
вя
ня
где h, h, h - высота соответственно насыпи, верхнего и нижнего яруса насыпи, м;
1
2
δ, δ - высота соответственно призмы и защитного слоя грунта в пределах обочины, м;
вя
ня
b, b - ширина соответственно верхнего и нижнего основания нижнего яруса, м;
пр
об
п
b, b, b - ширина соответственно зоны проезда, обочины и призмы, м; 1: i - уклон откоса насыпи, б/разм.
Дорожная насыпь на вечной мерзлоте работает следующим образом.
Cн
Данное техническое решение предназначено для регионов с сильным снегопереносом. В этих регионах снег сдувается с возвышенных мест и скапливается у препятствий и в низинных местах. В обычной насыпи с уклоном откосов 1:2 снег сдувается с основной площадки насыпи, но скапливается на откосах насыпи и рядом с насыпью. Для региона Салехарда снежный откос будет иметь уклон 1: 5 (позиция 15 на фиг. 1). Для других регионов уклон может быть принят i в соответствии с табл. К.1 Приложения К СП354.1325800.2017. В связи со сказанным основная площадка является охлаждающей зоной, а откосы и прилегающая к насыпи зона будут растепляющими. На фиг. 2. приведено температурное поле для насыпи высотой 6, 0 м и уклоном откосов 1:2 на момент окончания теплого периода года (1 октября) через 50 лет, т.е. в установившемся режиме. В ненарушенной зоне предполагалось мерзлое состояние грунтов, но близкое к температуре замерзания, которая для удобства была принята 0°С. Из фиг. 2 мы видим, что в ненарушенной зоне мерзлота осталась, что следует из условий задачи (путем решения обратной задачи были подобраны граничные условия теплообмена, обеспечивающие мерзлоту с заданной температурой). В зоне основной площадки мерзлота поднялась в тело насыпи, но осталась вялой, близкой в 0°С. В зоне откосов и рядом с насыпью имеет место огромное протаивание, превышающее по глубине 10, 0 м. В этом случае при залегании высокольдистых грунтов талые грунты попадают в область, ограниченную позицией 16 (фиг. 1), поэтому будут иметь место существенные деформации. Применение призмы 6 (фиг. 1) позволяет расширить охлаждающую зону и интенсифицировать ее влияние, а применение теплоизоляции 13 (фиг. 1) позволяет ослабить влияние растепляющей зоны. В результате область мерзлых грунтов в теле и основании насыпи резко увеличивается, а ее температура понижается более чем на 1°С. Путем подбора размеров призмы и теплоизоляции можно обеспечить требуемой для конкретных местных условий температурный режим.
Как уже было сказано выше, физическая сущность данного технического решения сводится к усилению охлаждающей зоны. Усиление охлаждающей зоны осуществлено за счет применения призмы и уположения верхней части откоса насыпи. Габионы призмы выполнены в виде каркаса из проволоки и заполнены сортированным камнем размером 20-40 см. Теплопроводность габиона в вертикальном направлении определяется кондуктивной и конвективной составляющими.
2
В холодный период года холодный воздух по порам между камнями перемещается вниз, одновременно усиливая теплообмен. В теплый период года конвекция прекращается. Поэтому приведенный коэффициент теплопроводности в зимнее время примерно в два раза выше, чем в летнее. Все это способствует усиленному поступлению холода в тело насыпи. Важным является то, что эффективность работы призмы тем больше, чем ближе к поверхности она расположена. Поэтому она расположена в верхней части насыпи. Однако расположение призмы непосредственно под балластной призмой нежелательно. Поскольку под нагрузкой могут, во-первых, произойти деформации за счет уплотнения камня, а во-вторых, снизится из-за уплотнения сам эффект охлаждения. Призма должна располагаться под обочиной и верхней частью откоса, под защитным слоем грунта толщиной δ в зоне обочины. Кроме того она защищена геотекстилем 10 от засорения пор. Кроме того в пределах защитного слоя может быть уложена гидроизоляция 11, позволяющая избежать инфильтрации дождевых вод, вносящих дополнительное тепло.
В дополнение к предполагаемому техническому решению может быть осуществлено ослабление растепляющего эффекта в растепляющей зоне за счет размещения слоя теплоизоляции 8 у габиона и горизонтальной теплоизоляции 13 в зоне подошвы откоса насыпи. Это ослабление дастигается за счет уменьшения соотношения термических сопротивлений в зимний и летний периоды.
Чтобы избежать горизонтальных деформаций габионов во внешнюю сторону под нагрузкой, предусмотрена возможность использования стяжек 7 (фиг. 1).
Предполагаемое изобретение явилось следствием преодоления следующего технического противоречия.
Каменная наброска, как мероприятие по охлаждению грунтов тела и оснований наспи, известно и широко применялось, например, Тындинской мерзлотной станцией на Байкало-Амурской магистрали. Там она использовалась в виде свободной и наброски на откосы насыпи. В зимний период каменная наброска покрывалась слоем снега, который не превышал толщины 20-40 см. Каменная наброска давала эффект и себя оправдывала.
На Севере Западной Сибири, в т.ч. в Салехарде, большой снегоперенос, и укладка каменной наброски на откосы бесполезна (толщина снега достигает 2-3 м). Она должна располагаться сверху. Но размеры обочины слишком малы, а на откосах снег.Возникло противоречие: с одной стороны, на откосах надо располагать, с другой стороны, нельзя располагать. Выход из противоречия был найден путем создания уступа (скачка) в откосах: каменная наброска выведена на откосы за счет применения габионной системы, и над ней откос не выше 1:4 (в пределах защитного слоя грунта 11), а в основной части насыпи (за пределами каменной наброски), уклон откоса остается 1: 2 (или даже 1:1,5). Этот прием мог быть достигнут благодаря тому, что каменная наброска помещена в каркас (т.е. сформирована призма), который позволяет сформировать в пределах ее высоты вертикальную боковую поверхность, а насыпь выполнена в виде двух ярусов: нижнего и верхнего, при этом верхняя часть насыпи сформирована как охлаждающая зона. Работоспособность призмы обеспечивает защитный слой грунта 11.
Описание существенных признаков.
Первым существенным признаком предполагаемого технического решения является тело насыпи, расположенное на естественной поверхности грунта и обеспечивающее проезд транспорта.
Вторым существенным признаком является то, что охлаждающая система выполнена в виде призмы, состоящей из габионов, заполненных сортированным камнем, и защитного слоя грунта.
Третьим существенным признаком является то, что тело насыпи выполнено из верхнего и нижнего ярусов, при этом верхний ярус является охлаждающим и содержит соответствующую схему размещения призм с наличием защитного слоя с пологими уклонами в зоне откоса насыпи и расположенных на равном расстоянии друг от друга равным ширине проезда.
Все три существенных признака необходимы и достаточны для достижения поставленной цели - стабилизации температурного режима вечномерзлых грунтов в основании насыпи.
Без третьего существенного признака, который характеризует схему расположения охлаждающей системы с учетом особенностей региона, для которого насыпь предназначена, второй существенный признак становится неопределенным.
Кроме того в дополнительных пунктах сформулировано еще 2 признака, которые позволяют увеличить эффективность.
Эффективность предполагаемого технического решения характеризуется тем, что в регионах с сильным снегопереносом обеспечивается стабильность температурного режима при крутых откосах насыпи, т.е. не требуется пологих откосов, не заносимых снегом, что существенно снижает объем требуемого для отсыпки грунта.