Насыпь железной дороги на вечномерзлых грунтах
EMBANKMENT OF THE RAILROAD ON PERMAFROST SOILS

Изобретение относится к области строительства, в частности, касается строительства транспортных сооружений на вечномерзлых грунтах как в летнее, так и в зимнее время года с учетом использования систем замораживания и термостабилизации грунтовых оснований сооружений.
Известна насыпь на мерзлых грунтах, включающая последовательно уложенные слои из теплоизоляции и высокольдистого грунта (SU №841418, МПК Е01С 3/06, 1991 г.).
Недостатком известной насыпи является то, что ее конструкция не позволяет поддерживать необходимое температурное состояние грунта. При этом она возводится, в основном, в зимнее время, и кроме того, на процесс строительства влияют погодные условия (снег, дождь), что приводит к снижению качества возводимой насыпи и резкому удлинению сроков строительства, снижая тем самым эффективность использования такой конструкции насыпи.
Известно также устройство для стабилизации пластично-мерзлых грунтов с круглогодичным режимом работы, включающее охлаждающие термоэлектрические модули в виде батареи элементов Пельтье, закрепленные на полке конденсатора трубчатой части опоры (RU №2405889, МПК Е02D 3/115, 2010 г.).
Недостатком известного устройства является малая эффективность охлаждения за счет сложности охвата всей поверхности насыпи, и, как следствие, создание условий развития неравномерных осадок насыпи, что приводит к снижению устойчивости насыпи.
Известна также система для температурной стабилизации основания сооружений на вечномерзлых грунтах, состоящая из отсыпанного грунта основания, в которой под слоем теплоизоляции расположен испаритель, выполненный в виде системы труб, уложенной по всей площади основания (RU №2415226, МПК Е02D 3/115, 2011).
Недостатком известного устройства является сложность конструкции и регулирования температурно-реологическим состоянием насыпи на большие расстояния и площади, что снижает устойчивость насыпи и приводит к повышенным энергозатратам, что, в целом, снижает эффективность работы устройства.
Наиболее близким техническим решением является насыпь на сильнольдистых вечномерзлых грунтах, включающая основание, охлаждающую систему, размещенную в теле насыпи железной дороги, и балластную призму (RU №2010919, МПК E02D 17/18, 1994).
Недостатком конструкции известной насыпи является то, что она не позволяет целенаправленно регулировать температурно-реологическим состоянием насыпи, что снижает эффективность ее работы.
Технической проблемой данного изобретения является создание такой конструкции насыпи железной дороги на вечномерзлых грунтах, которая позволяет эффективно ее использовать при любых погодных условиях.
Техническим результатом является повышение устойчивости насыпи и снижение объема грунтовой отсыпки, а также энергозатрат за счет создания оптимальной конструкции насыпи и надежной работы насыпи железной дороги с возможностью поддержания температурного режима и состояния насыпи круглогодично.
Поставленная проблема и указанный технический результат достигаются тем, что насыпь железной дороги на вечномерзлых грунтах включает основание, охлаждающую систему, размещенную в теле насыпи железной дороги, и балластную призму, дополнительно содержит охлаждающую систему, состоящую из двух независимых частей - основной и вспомогательной. Основная часть - объемная жесткая, выполнена из отработанных цистерн, установленных на мерзлом основании вдоль оси насыпи и соединенных трубопроводами, а вспомогательная часть выполнена в виде плоского упруго-эластичного ковра, внутри которого закреплены термоэлектрические модули Пельтье и уложены в верхнем слое насыпи в основании балластной призмы. Отработанные цистерны установлены, по крайней мере, в две нитки. Кроме того, отработанные цистерны заглублены в мерзлое основание на глубину, равную глубине естественного оттаивания грунта. Расстояние между цистернами задают равным не более двух величин ореола промерзания грунта вокруг торца цистерны. В промежутках между цистернами, расположенными вдоль насыпи установлены поперечные цистерны, соединенные трубопроводами между собой и имеющие выпуски в откосах насыпи. Цистерны снабжены радиаторными ребрами. Основная часть охлаждающей системы может быть выполнена из отработанных полуцистерн.
Исполнение охлаждающей системы из двух независимых частей - основной и вспомогательной позволяет сохранять мерзлое состояние насыпи. Например, при выполнении ремонтных работ в случае выхода из строя одной из ее частей, что повышает эффективность использования этой системы. Исполнение основной (нижней) части охлаждающей системы объемной в виде жесткого элемента из отработанных железнодорожных цистерн (из под бензина, нефти и др.) позволяет, во-первых, выгодно их утилизировать, во-вторых, за счет жесткости цистерн существенно экономить на объеме грунтовой отсыпки насыпи, особенно для тех регионов, где ощущается недостаток в кондиционных грунтах, при этом снижаются и общие объемные деформации грунта насыпи, повышая тем самым ее устойчивость и, в-третьих, выполняя функцию аккумулятора холода за счет своего большого объема, существенно увеличивается ореол охлаждения грунта вокруг цистерны, сохраняя его более длительное временя, что повышает эффективность использования охлаждающей системы в целом. При этом эффективность промораживания цистернами может быть повышена за счет установки на них ребер радиаторных.
Исполнение вспомогательной (верхней) части охлаждающей системы плоской в виде упруго-эластичного ковра, позволяет, во-первых, охватывать целиком отдельный слой насыпи непосредственно под рельсами, в результате чего температурное поле распределяется равномерно по толщине вокруг ковра; во-вторых, за счет упругости ковра, его можно быстро расстилать и, соответственно, быстро перекрывать всю площадь насыпи, укладывать на любую длину в процессе ее возведения. При этом за счет эластичности ковра будет меньше возникать разрывов на неровных участках, поэтому температурное поле будет распределяться более равномерно, при этом за счет ковровой формы упрощается технология установки этой части охлаждающей системы; в-третьих, за счет упругости и эластичности ковра плоская охлаждающая система позволяет воспринимать значительные знакопеременные нагрузки - колебания от проходящего состава, не разрушаясь при этом, что, в целом, повышает эффективность использования этой вспомогательной (верхней) части охлаждающей системы. Включение в работу охлаждающей системы, выполненной в виде упруго-эластичного ковра, способствует повышению эффективности промораживания грунта насыпи, т.к. увеличивается «отдача холода» с единицы площади сечения насыпи. Следует отметить, что работа охлаждающей системы может быть автоматизирована путем установки температурных датчиков и управляющего компьютера, что дополнительно повысит эффективность ее работы.
Установка поперечных цистерн в промежутках между продольными цистернами позволяет более равномерно распределять температурное поле, особенно в местах поворота насыпи.
Укладка железнодорожных цистерн в две нитки позволяет значительно снизить объем отсыпаемого грунта, уменьшить объемные деформации грунта, увеличить зону промораживания насыпи и, в целом, повысить устойчивость насыпи, особенно при прокладке дороги на особо опасных с точки зрения геокриологических (грунтовых) условий строительства.
Исполнение основной (нижней) части охлаждающей системы объемной в виде жесткого элемента из отработанных железнодорожных полуцистерн позволяет, во-первых, увеличить контактную площадь с основанием и соответственно повысить эффективность действия охлаждающего эффекта от совместной работы полуцистерн с мерзлым основанием, а во-вторых, за счет увеличенной опорной площади с основанием и, соответственно, повышенного сцепления с грунтом основания повысить устойчивость насыпи, что в целом повышает эффективность их использования.
Заглубление цистерн в мерзлое основание на глубину h, равную глубине естественного оттаивания грунта, позволяет повысить зону охвата и влияния на область оттаивания основания, тем самым сохраняя его более надежно в мерзлом состоянии.
1
Расстояние между цистернами l, равное не более двух величин ореола промерзания грунта вокруг торца цистерны, назначают и выбирают из условия сохранения устойчивого состояния насыпи. В случае назначения расстояние между цистернами, равного более двух величин ореола, это приведет к появлению зон оттаивания, а при назначении менее двух величин ореола приведет к лишнему расходу хладагента и к увеличению количества цистерн.
Насыпь железной дороги на вечномерзлых грунтах поясняется чертежами, где на фиг. 1 - конструктивная схема насыпи с расположением охлаждающей системы с вспомогательной (верхней) частью в виде упруго-эластичного ковра с термоэлектрическими модулями Пельтье и основной (нижней) частью в виде железнодорожных цистерн на мерзлом основании; на фиг. 2 - конструктивная схема насыпи с расположением охлаждающей системы с вспомогательной (верхней) частью в виде упруго-эластичного ковра с термоэлектрическими модулями Пельтье и основной (нижней) частью в виде железнодорожных цистерн в заглубленном состоянии; на фиг. 3 - схема расположения железнодорожных цистерн в плане; на фиг. 4 - схема расположения железнодорожных цистерн в разрезе; на фиг. 5 - конструктивная схема насыпи с расположением охлаждающей системы с вспомогательной (верхней) частью в виде упруго-эластичного ковра с термоэлектрическими модулями Пельтье и основной (нижней) частью в виде железнодорожных полу цистерн на мерзлом основании.
На фиг. 1-5 обозначено: 1 - насыпь; 2 - основание; 3 - отработанные цистерны; 4 - трубопроводы; 5 - вентиляционные выпуски; 6 - ребра радиаторные; 7 - упруго-эластичный ковер с термоэлементами Пельтье; 8 - полуцистерны; 9 - балластная призма.
Насыпь железной дороги на вечномерзлых грунтах состоит из собственно насыпи 1, отсыпанной на подготовленное основание 2, на котором уложены отработанные цистерны 3, выполняющие функцию основной (нижней) объемной жесткой части охлаждающей системы и соединенные трубопроводами 4. При этом объемная жесткая часть охлаждающей системы может быть выполнена из полу цистерн 8. Отработанные цистерны имеют вентиляционные выпуски 5 и ребра радиаторные 6. В верхней части насыпи 1 - в основании балластной призмы 9 уложен упруго-эластичный ковер, например, из геополотнища или из геосетки, с термоэлементами Пельтье 7, выполняющий функцию вспомогательной (верхней) плоской части охлаждающей системы.
Вспомогательная (верхняя) плоская часть охлаждающей системы служит для повышения устойчивости железнодорожного полотна, а основная (нижняя) объемная часть - для повышения устойчивости насыпи, в целом.
Работает устройство следующим образом.
При работе в зимний период на расчищенном участке трассы строящейся дороги устраивают основную (нижнюю) часть охлаждающей системы. Для этого укладывают отработанные цистерны 3 в одну или в две нитки, фиксируя их, например, деревянными уголками, а между ними устанавливают также отработанные цистерны 3 поперек трассы (фиг. 1 и фиг. 3). В случае отсыпки невысокой насыпи устраивают основную (нижнюю) часть охлаждающей системы из полуцистерн 8, фиксация которых не требуется (фиг. 5). Соединяют цистерны между собой трубопроводами 4 и с устройством подачи хладоагента. Затем отсыпают насыпь 1 из высокольдистого грунта на мерзлое основание 2, оставляя вентиляционные выпуски 5 в откосах насыпи из цистерн, установленных поперек трассы дороги. После этого устраивают вспомогательную (верхнюю) часть охлаждающей системы, для чего расстилают упруго-эластичный ковер с термоэлектрическими модулями Пельтье 7, которые подключают к источникам питания. (После чего отсыпают балласт и укладывают рельсовый путь). В зимнее время года открываются вентиляционные выпуски 5 цистерн в откосах насыпи, установленных поперек трассы дороги, и производится естественная или принудительная вентиляции холодным воздухом через все цистерны, тем самым поддерживая насыпь в мерзлом устойчивом состоянии.
При работе в летний период на расчищенном участке трассы строящейся дороги организуют одну или две траншеи, в зависимости от того, сколько запроектировано ниток цистерн, извлекают грунт на глубину его оттаивания и устраивают основную (нижнюю) часть охлаждающей системы, согласно операциям, выполненных и описанных выше (фиг. 2).
В теплое время года закрываются вентиляционные выпуски 5 цистерн в откосах насыпи, установленных поперек трассы дороги, и производится промораживание насыпи путем пропускания хладагента через цистерны.
Прокачивая хладоагент через систему цистерн, производят охлаждение насыпи и основания. При этом эффективность промораживания цистернами 3 повышается за счет установки на них ребер радиаторных 6 (фиг. 3).
Включив в сеть с термоэлектрические модули Пельтье 7 в верхней части охлаждающей системы, производят промораживание окружающих слоев грунта вокруг упруго-эластичного ковра с возможностью поддержания его в заданном термо-реологическом состоянии. При этом работа вспомогательной (верхней) части охлаждающей системы может быть автоматизирована путем установки температурных датчиков и управляющего компьютера.
Особенно эффективно использовать предлагаемое техническое решение на сложных участках строительства в Арктических зонах, характеризуемых широким распространением структурно неустойчивых высокольдистых грунтов и отсутствием в достаточном количестве кондиционных грунтовых материалов, используемых для возведения дорожных насыпей.
Насыпь железной дороги на вечномерзлых грунтах была выполнена в виде модели в строительной лаборатории кафедры ПСК ТвГТУ и показала возможность ее реализации в реальных условиях строительства.