ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИЙ СЛОЙ ДОРОЖНОЙ КОНСТРУКЦИИ НА ВЕЧНОМЁРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве автомобильных дорог и других инженерных сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов.
Известен теплоизолирующий слой дорожной конструкции на вечномерзлых грунтах, включающий торф (см., например, «Методические рекомендации по сооружению земляного полотна автомобильных промысловых дорог в районах Ямбургского и Уренгойского газовых месторождений» М., 1986).
Недостатками такого теплоизолирующего слоя 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 торфа толщиной 50-90 см.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является теплоизолирующий слой дорожной конструкции на вечномерзлых грунтах, включающий плиты из экструзионного вспененного полистирола с низкой теплопроводностью, укладываемые на выравнивающий слой из песка при строительстве дорог для сохранения грунта земляного полотна в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации (см. Рекомендации по расчетам и технологии устройства теплоизоляционных слоев дорожных конструкций из пенополистирольных плит «ПЕНОПЛЭКС» в районах распространения вечномерзлых грунтов. Балашиха, 2002).
Недостатком такого теплоизолирующего слоя является то, что теплопроводность пенополистирола одинакова при положительных и отрицательных температурах, в отличие от влагосодержащих материалов (искусственного волокна, торфа, мха). Вследствие этого теплоизолирующий слой из пенополистирола препятствует как нагреванию мерзлых грунтов в летнее время, так и их охлаждению в зимнее время.
В естественных условиях поступление тепла в грунт происходит при значениях коэффициента теплопроводности λг, соответствующих ее талому состоянию, а расход - при значении коэффициента теплопроводности, соответствующему мерзлому состоянию λм. Величина λг превышает λм примерно в 4 раза. По этой причине среднегодовая температура на подошве деятельного слоя ниже, чем на его поверхности, на так называемую температурную сдвижку.
При применении пеноплистирольных плит, в случае λт=λм, следует ожидать изменения сложившегося температурного режима деятельного слоя в сторону увеличения притока тепла и вследствие этого постепенного повышения температуры поверхности грунтов, расположенных под плитами, вплоть до положительных значений, что может привести к значительным деформациям дорожной конструкции вплоть до ее разрушения.
Целью изобретения является создание прочного теплоизолирующего слоя дорожной конструкции на вечномерзлых грунтах, который способен сохранять грунты в мерзлом состоянии в течение длительного времени (не менее срока службы дорожной одежды, т.е. более 20 лет), не допуская деформации дорожной конструкции.
Указанная цель достигается тем, что в теплоизолирующем слое дорожной конструкции на вечномерзлых грунтах, включающем теплоизоляционные плиты из экструзионного вспененного полистирола, вышеуказанные плиты выполнены с ячейками (углублениями), заполненными волокнистым материалом и уложены ячейками вниз на подстилающий слой.
Отличие предполагаемого изобретения от известного технического решения заключается в том, что в плитах из экструзионного вспененного полистирола выполнены ячейки, которые заполнены волокнистым материалом, причем плиты укладывают ячейками вниз на подстилающий слой.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 приведен общий вид плиты из экструзионного вспененного полистирола (пенополистирольной плиты) с ячейками и разрез плиты в поперечном направлении по А-А. На фиг.2 - поперечный разрез дорожной конструкции с теплоизолирующим слоем из пенополистирольных плит с ячейками в основании насыпи, на фиг.3 - то же, с теплоизолирующим слоем в основании дорожной одежды.
Изобретение осуществляется следующим образом. В пенополистирольной плите 1 выполнены ячейки 2, которые заполнены волокнистым материалом 3. Плиту 1 с ячейками 2, заполненными волокнистым материалом 3, укладывают на подстилающий слой 4 ячейками вниз. Под подстилающим слоем 4 расположены грунты, сохраняемые в мерзлом состоянии.
Углубления выполняют в шахматном порядке и заполняют их волокнистым материалом. Требуемую толщину плиты, размеры ячеек и расстояния между ними определяют теплотехническим расчетом и расчетом по прочности. В качестве волокнистого материала может быть использован синтетический нетканый материал типа синтепон, а также мох или торф.
Теплоизолирующий слой работает следующим образом. Пенополистирол над ячейками 2, обладая низкой теплопроводностью, снижает амплитуду колебаний температур материала 3 в ячейках, но не препятствует переходам через 0°С. Пенополистирол также обеспечивает прочность теплоизолирующего слоя и несминаемость волокнистого материала 3, заполняющего ячейки. Волокнистый материал после укладки плит вследствие миграции влаги в грунтах 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.
Плиты с ячейками укладывают в соответствии с общепринятой технологией устройства теплоизолирующего слоя из пенополистирольных плит. Ожидаемый эффект от применения плит в качестве теплоизолирующего слоя, связанный с переменной теплопроводностью в зимнее и летнее время, может быть получен только в том случае, если волокнистый материал в ячейках промерзает и оттаивает. Поэтому непосредственно под плитой располагают подстилающий слой 4 из песка, протаивание которого допускается в случае более теплого лета, чем расчетное, чтобы предотвратить оттаивание защищаемого грунта.
При этом усложнения стандартной технологии укладки пенополистирольных плит не происходит, поскольку под плитами необходимо устройство выравнивающего слоя из песка (см. «Методические рекомендации по проектированию и устройству теплоизоляционных слоев дорожной одежды из пенополистирольных плит «Пеноплэкс». Балашиха. Введены в действие 1.01.2001.).Отличие выравнивающего от постилающего слоя заключается лишь в толщине слоя, которая составляет 5-10 см для выравнивающего и 40-60 для подстилающего.
Пример 1. При строительстве дороги на промерзшем основании 5 (см. фиг.2), которое предполагается сохранить в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации дороги, сначала устраивают подстилающий слой из песка 4. На подстилающий слой 4 укладывают плиту 1 с ячейками 2, заполненными волокнистым материалом 3,, причем ячейками вниз, затем отсыпают насыпь 6 из песчаного грунта и устраивают дорожную одежду 7. Для предотвращения оттаивания приоткосной части основания могут быть устроены бермы из торфопесчаной смеси 8, либо принято какое-либо иное конструктивное решение.
Толщина плиты 1 назначается теплотехническим расчетом из условия, что граница вечной мерзлоты 9 не опускается ниже поверхности основания насыпи
Пример 2. Если планируется сохранить в мерзлом состоянии также нижнюю часть насыпи (см. фиг.3), например, из глинистого мерзло-комковатого грунта, то строительство осуществляют следующим образом. Сначала на поверхности естественного промерзшего основания 5 отсыпают насыпь из мерзло-комковатого грунта 10 и закрывают ее геотекстилем 11. Затем выполняют уширение насыпи песчаным грунтом 6, устраивают подстилающий слой 4, укладывают плиты 1 и устраивают дорожную одежду 7. Для предотвращения оттаивания приоткосной части основания устроены бермы из торфопесчаной смеси 8. В такой конструкции теплоизолирующий слой служит дополнительным слоем основания дорожной одежды.