НАСЫПЬ НА МЕРЗЛОМ ГРУНТЕ
EMBANKMENT ON FROZEN SOIL

Изобретение относится к области строительства дорог и оснований и может быть использовано при возведении нефтегазовых и транспортных сооружений на мерзлых грунтах как в летнее, так и в зимнее время года.
Известно земляное полотно на болотах, включающее насыпь, уложенной на основание с теплоизоляционным слоем, выполненным с уклоном от оси насыпи к ее краям (SU 578392, кл. E01C 3/00, 1977 г.).
Недостатком известного решения является то, что оттаявшая свободная вода при переменных нагрузках проникает в структуру теплоизоляционного слоя и насыпи, разжижая ее и ухудшая теплозащиту мерзлого основания, что, в целом, снижает эффективность известного решения.
Известна также насыпь на мерзлых грунтах, состоящая из теплоизоляционного слоя и слоя высокольдистого грунта (SU 841418, кл. E01C 3/06, E02D 17/00, 1991 г.).
Недостатками известного решения являются негативное влияние теплой воздушной среды на промороженное состояние насыпи, а также фактор скапливания свободной воды на поверхности полотна при оттаивании высокольдистого грунта особенно в откосах насыпи. При этом вода при действии переменной нагрузки, например при проходе транспорта по дороге, поднимается по капиллярам и часть грунта переходит в водонасыщенное, текучее состояние, что приводит к резкому снижению несущей способности и устойчивости насыпи, снижая тем самым эффективность технического решения.
Наиболее близким техническим решением является насыпь на мерзлых грунтах, включающая траншею, в которой расположен выпуклый слой теплоизоляционного материала, помещенного в непроницаемую оболочку, а сверху - высокольдистый грунт и дренирующий слой грунта (Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Под ред. Ю.Я.Вели, В.И.Докучаева, Н.Ф.Федорова. Л.: Стройиздат, 1977. С.110-111 (схема 8).
Недостатком известной насыпи является то, что в случае ее оттаивания, вода будет скапливаться в траншее и насыщать грунт, находящийся в ней, что приведет к развитию неравномерных просадок и, как следствие - к резкому снижению несущей способности и устойчивости насыпи, снижая тем самым эффективность технического решения.
При создании настоящего изобретения была поставлена задача по разработке более эффективной конструкции насыпи на мерзлых грунтах.
Техническим результатом является повышение устойчивости насыпи за счет поддержания в большей степени промороженного состояния грунта, а также за счет укрепления отдельных зон тела насыпи, предотвращения сплошного водонасыщения, фильтрации и разжижения грунта при оттаивании льда.
Поставленная задача и указанный технический результат достигается тем, что в насыпи на мерзлом грунте, включающем траншею, выпуклый слой теплоизоляционного материала, помещенного в непроницаемую оболочку, высокольдистый грунт и сверху расположенный дренирующий слой грунта, согласно изобретению основание и откосы насыпи выполнены из дискретных непроницаемых объемных элементов, причем в основании они уложены слоями на всю глубину траншеи, а в откосах - на всю высоту насыпи, промежутки между дискретными объемными элементами заполнены непучинистом материалом, при этом в слоях из дискретных непроницаемых объемных элементов основания насыпи образованы вентиляционные щели, а откосы на всю высоту насыпи закрыты противофильтрующими полотнищами. При этом вентиляционные щели могут быть выполнены дискретными и расположены во взаимно перпендикулярных направлениях или в виде колодцев, расположенных в основании в шахматном порядке. Дискретные объемные элементы целесообразно заполнять высокольдистым грунтом, добытым, например, от разработки траншеи.
от
При заглублении насыпи ниже дневной поверхности происходит значительное увеличение зоны охвата насыпи низкотемпературным полем мерзлого основания, и, соответственно, насыпь будет в меньшей степени подвержена прогреву и оттаиванию, что повышает ее устойчивость. В случае заглубления насыпи в траншею на величину, равную, по крайней мере, слою сезонного протаивания h, производят удаление этого некондиционного высокольдистого грунтового слоя с заполнением траншеи слоями из объемных непроницаемых дискретных элементов, например в виде мешков, заполненных некондиционным высокольдистым грунтом траншеи. Выполнением в слоях дискретных объемных элементов, расположенных в основании насыпи щелей усиливает влияние низкотемпературного поля мерзлого основания на насыпь в целом. В случае прогрева отдельных частей основания насыпи и откосов до положительной температуры начнется оттаивание в этих местах высокольдистого грунта. Однако оттаявшая вода будет оставаться в замкнутых дискретных объемных элементах - мешках и не сможет фильтроваться - мигрировать в теле насыпи, что предотвратит ее разрушение. При значительном объеме оттаивания откосов насыпи возможно выполнение ремонтных работ - замены оттаявших дискретных объемных элементов на промороженные или на элементы, заполненные непучинистым грунтом, что также повышает устойчивость насыпи.
Выполнение основания насыпи - ее нижних слоев из дискретных объемных элементов позволяет, во-первых, усилить основание путем целенаправленной укладки объемных элементов, например, за счет их перевязки и более равномерного распределения материала основания по плотности; во-вторых, предотвратить возможность сплошного оттаивания и фильтрации оттаявшей воды с изолированием ее от основной массы насыпи, т.е. предотвратить разрушение основания, в-третьих, обеспечить возможность регулирования низкотемпературными потоками от промороженного массива за счет формирования щелей в слоях из объемных элементов основания насыпи, т.е. поддержания в большей степени промороженного состояния, и, в-четвертых, снизить стоимость строительства за счет отказа от заполнения траншеи непучинистым кондиционным грунтовым материалом и заполнения ее некондиционным высокольдистым грунтом траншейной выработки в виде наполнителя объемных элементов. При этом выполнение щелей дискретными - не сообщающимися между собой, позволяет предотвратить миграцию по каналам теплого воздуха из зоны оттаивания в остальные промороженные зоны и, тем самым, уменьшить объем разрушения. Расположение же щелей вдоль и поперек насыпи (во взаимно перпендикулярных направлениях) позволяет более равномерно охлаждать нижние слои насыпи со стороны мерзлого основания. Организация щелей в виде колодцев в слоях дискретных непроницаемых объемных элементов основания насыпи позволяет более равномерно распределять низкотемпературное поле мерзлого основания. Формирование откосов насыпи из дискретных непроницаемых объемных элементов позволяет, во-первых, повысить их структурную прочность, во-вторых, предотвратить фильтрацию оттаявшей воды из мешков с мерзлым грунтом, т.е. предотвратить сплошное смачивание откосов и, соответственно, их разрушение, в-третьих, позволяет оперативно заменять оттаявшие или разрушенные объемные элементы на новые, т.е. быстро выполнять ремонтные работы и тем самым сохранять устойчивость насыпи. Все эти мероприятия повышают эффективность работы насыпи на мерзлых грунтах.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена конструктивная схема многослойной насыпи на мерзлом грунте; на фиг.2 - узел основания насыпи; на фиг.3 - узел откоса; на фиг.4 - разрез по А-А для случая устройства дискретных вентиляционных щелей; на фиг.5 - разрез по А-А для случая устройства дискретных вентиляционных щелей в виде колодцев.
от
Насыпь на мерзлом грунте состоит из мерзлого массива-основания 1, в котором устроена траншея 2 шириной, равной ширине насыпи по ее основанию b, и глубиной, равной, например, слою сезонного протаивания h, заполненная дискретными непроницаемыми объемными элементами 3. Объемные элементы 3 выполнены, например, из водонепроницаемых синтетических мешков, заполненных высокольдистым грунтом, полученным от разработки траншеи 2. Промежутки 4 между элементами 3 заполнены непучинистым грунтом для более равномерного распределения нагрузки на объемные элементы от веса насыпи. Далее над объемными элементами 3 уложен выпуклый слой из теплоизоляционного материала 5, помещенный в непроницаемую оболочку, с отсыпанным на нем основным слоем из высокольдистого грунта 6 (фиг.1 и фиг.2). Для усиления откосов насыпи их формируют из горизонтально уложенных на высоту насыпи дискретных объемных элементов в виде водонепроницаемых мешков 7, заполненных высокольдистым грунтом (фиг.3). Откосы закрывают водонепроницаемыми полотнищами 8, соединенными с дренажными канавами 9. Сверху насыпи отсыпан слой дренирующего грунта 10. Для более эффективного сохранения промороженной структуры в основании насыпи - в слоях из объемных элементов 3 траншеи 2 выполняют вентиляционные щели 11 (фиг.1), которые могут быть выполнены дискретными 12 с расположением их во взаимно перпендикулярных направлениях (фиг.4) или в виде колодцев 13 с расположением их в шахматном порядке (фиг.5).
Насыпь на мерзлом грунте работает следующим образом.
При отрицательной температуре окружающего воздуха насыпь, возведенная на мерзлом основании 1, будет сохранять свое промороженное состояние, т.е. будет находиться в динамическом равновесии (фиг.1).
При прогреве воздуха до положительной температуры откосы 7 насыпи будут в первую очередь подвергаться воздействию теплового излучения. В этом случае могут оттаивать отдельные зоны откоса, но оттаявшая вода будет оставаться в непроницаемых объемных элементах 7, т.е. будет отсутствовать нежелательный процесс фильтрации воды, который приводит, как правило, к размыванию - разрушению откоса 7 (фиг.3). При этом оперативно заменив мешки с оттаявшим грунтом на промороженные или на заполненные непучинистым кондиционным грунтовым материалом, можно сохранять и поддерживать длительное время в целостности не только откосы 7, но и защитить тело самой насыпи 6, отсыпанное из некондиционного высокольдистого грунта.
В случае проникновения теплового фронта в теплоизоляционный слой 5 и достижения тепловыми потоками траншеи 2, заполненной из объемных элементов 3, отдельные элементы могут оттаивать. Однако оттаявшая вода в этом случае будет оставаться внутри них и не сможет мигрировать - фильтроваться сквозь насыпь. Соответственно будут сведены к минимуму и нежелательные просадки насыпи. При этом организованные вентиляционные щели 11 в слоях из объемных элементов траншеи 2 (фиг.2) будут, с одной стороны, способствовать вентиляции в этих слоях промороженного воздуха от мерзлого основания, а с другой - выполнение их дискретными 12, 13 позволит предотвратить свободное распространение тепловых потоков по основанию насыпи (фиг.4, фиг.5).
В процессе эксплуатации насыпи свободная вода, попадающая в дренажный слой 10 (от дождя, снега), будет фильтроваться сквозь него и стекать по нефильтрующим полотнищам 8 откосов 7 в дренажные канавы 9 (фиг.1).
Насыпь на мерзлом грунте и ее работа были смоделированы в строительной лаборатории кафедры ПСК Тверского государственного технического университета, что доказало возможность реализации предложенного решения в реальных условиях строительства.