ОХЛАЖДАЮЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ И СПОСОБ ЕЕ ВОЗВЕДЕНИЯ
COOLING STRUCTURE FOR EARTH STRUCTURES ON PERMANENTLY FROZEN SOILS AND ERECTION METHOD THEREOF

Группа изобретений относится к области транспортного, промышленного и гражданского строительства и может быть использована при строительстве и реконструкции земляных сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах.
Общеизвестно, что земляное полотно дорог, расположенное в районах многолетней мерзлоты, подвержено деформациям, связанным с деградацией мерзлоты в его основании. Строительство земляных сооружений вызывает нарушение термовлажностного режима грунтов оснований из-за действия ряда отепляющих факторов.
Одними из основных отепляющих факторов являются воздушная конвекция и солнечная радиация. Для прекращения деградации мерзлоты в основании земляного полотна и устранения причин его деформаций вследствие этих воздействий применяют различные охлаждающие конструкции: бермы из сортированного камня, обсыпки откосов земляного полотна сортированным камнем, скальные «обоймы», сетчатые контейнеры, заполненные сортированным камнем и другие мероприятия.
Проблема известных охлаждающих конструкций, возведенных на поверхности откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения известными способами, заключается в низкой степени охлаждения вечномерзлого грунта в основании земляного сооружения в процессе их эксплуатации в зимний период при закрытой снежным покровом поверхности охлаждающих конструкций.
Известна охлаждающая конструкция для земляных сооружений на вечномерзлых грунтах, предназначенная для охлаждения и укрепления слабых грунтов в зоне вечной мерзлоты (Временные технические условия на проектирование земляного полотна железнодорожной линии Улак - Эльга с сохранением мерзлого состояния грунтов оснований [Текст]: Министерство путей сообщения РФ, Департамент пути и сооружений. - М: 2001. С. 14).
Известная охлаждающая конструкция представляет собой покрытие из каменной наброски, уложенное на поверхности откоса и приподошвенной зоне земляного сооружения. Каменная наброска выполнена из морозостойких сортированных камней неправильной формы, между которыми естественным образом образованы воздушные поры в количестве, достаточном для конвекции воздуха сквозь наброску. Каменная наброска уложена по крайне мере в два слоя. Количество слоев, фракционный состав камня подбирается расчетным путем.
Известная охлаждающая конструкция для земляных сооружений на вечномерзлых грунтах работает следующим образом.
Известная охлаждающая конструкция для земляных сооружений на вечномерзлом грунте выполняет при эксплуатации две функции: охлаждающую и укрепляющую.
В зимний период времени температура наружного воздуха ниже температуры грунта откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения.
При открытой от снежного покрова поверхности охлаждающей конструкции более теплый воздух в нижних воздушных порах каменной наброски, расположенных у поверхности откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения, выходит по открытым порам наружу. Холодный воздух опускается по воздушным порам внутрь наброски к откосу и приподошвенной зоне земляного сооружения и замещает более теплый воздух. Попадая в нижние воздушные поры каменной наброски, холодный воздух охлаждает грунт откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения, при этом сам воздух нагревается от них. Нагретый воздух поднимается вверх и выходит по открытым порам каменной наброски наружу. Интенсивный воздухообмен осуществляется за счет естественной конвекции, что приводит к высокой степени охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения.
В зимний период времени при закрытой снежным покровом поверхности охлаждающей конструкции прямой воздухообмен между холодным наружным воздухом и теплым воздухом, находящемся в порах каменной наброски, замедляется. Теплый воздух поднимается по откосу земляного сооружения вверх и формирует в снежном покрове отверстия - «продухи», которые обеспечивают доступ холодного наружного воздуха и выхода теплого воздуха во взаимосвязанные воздушные поры в каменной наброске. Замедление прямого воздухообмена между холодным наружным воздухом и теплым воздухом снижает степень охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения.
В летний период времени температура наружного воздуха выше температуры грунта откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения.
При более холодной поверхности откоса земляного сооружения по сравнению с наружным воздухом конвективный теплообмен происходит с гораздо меньшей интенсивностью. Конвекция воздуха в каменной наброске происходит только за счет ветрового воздействия, когда ветер задувает наружный теплый воздух в поры каменной наброски. Такой воздух в порах каменной наброски охлаждается от грунта откоса земляного сооружения, становится более плотным, «стекает» вниз по откосу. Прогрев каменной наброски осуществляется, в основном, за счет кондуктивного теплообмена между нагретыми камнями верхнего слоя и более холодными камнями нижнего слоя. Интенсивность «летнего» теплообмена гораздо ниже теплообмена в зимний период, что приводит к сохранению отрицательной температуры в грунте откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения, и, следовательно, в основании земляного сооружения. Кроме того, такая охлаждающая конструкция играет роль теневого экрана, защищая откос от прямой солнечной радиации.
Выполненное на поверхности откоса земляного сооружения покрытие из каменной наброски своим весом также удерживает грунт откоса от сползания и предохраняет откос от водной и ветровой эрозии. Это приводит к обеспечению устойчивости откоса земляного сооружения и его конструктивной целостности в течение длительного срока эксплуатации.
Достоинством известной охлаждающей конструкции является высокая степень охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения при открытой поверхности каменной наброски в зимний период. Это обусловлено интенсивным конвективным теплообменом у поверхности откоса и его приподошвенной зоны через воздушные поры между камнями каменной наброски.
Другим достоинством конструкции является достаточная устойчивость откоса земляного сооружения в течение длительного срока эксплуатации.
Недостатком известной охлаждающей конструкции является низкая степень охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения, обусловленная замедлением конвекции воздуха у поверхности откоса и его приподошвенной зоны через поры каменной наброски при ее закрытой поверхности в зимний период.
Другим недостатком конструкции является низкая степень технологичности возведения охлаждающей конструкции, обусловленная значительной продолжительностью работ по сооружению покрытия за счет множества бросовых работ, таких как сооружение подъездных путей, площадок и переездов для строительной техники, необходимых для укладки морозостойкого сортированного скального камня на откос и приподошвенную зону земляного сооружения.
Известен способ возведения охлаждающей конструкции для земляных сооружений на вечномерзлых грунтах из морозостойкого сортированного камня (Минайлов, Г.П. Способы понижения температуры вечномерзлых грунтов на железных и автомобильных дорогах путем применения каменной наброски [Текст]: диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук / Г.П. Минайлов. - М: 2003. С. 84).
Способ возведения охлаждающей конструкции заключается в доставке морозостойкого сортированного камня к месту возведения конструкции с последующим сооружением покрытия из каменной наброски на спланированную заранее поверхность откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения.
В качестве каменной наброски используют морозостойкий сортированный камень неправильной формы для образования естественным образом воздушных пор в количестве, достаточном для конвекции воздуха сквозь наброску.
Для возведения охлаждающей конструкции вначале выполняют подготовительные работы, например, сооружают подъездные пути, площадки и переезды для строительной техники, необходимые для укладки морозостойкого сортированного камня на поверхность откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения.
Завоз морозостойкого сортированного камня к месту возведения конструкции и выгрузка его на месте работ выполняется вагонами-думпкарами «с пути» и (или) автомобилями-самосвалами по временным автодорогам.
Сооружение покрытия осуществляют путем отсыпки каменной наброски и послойного наращивания покрытия на поверхности откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения. Отсыпку каменной наброски на откос земляного полотна осуществляют экскаватором и (или) бульдозером. Количество слоев, фракционный состав камня подбирают расчетным путем.
Подготовительные работы и возведение охлаждающей конструкции осуществляют в течение 2,5-4 дней с использованием «технологических окон» в графике движения поездов.
Возведенная известным способом охлаждающая конструкция обеспечивает высокую устойчивость откоса земляного сооружения, высокую степень охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения при открытой поверхности каменной наброски в зимний период и низкую степень охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения при ее закрытой поверхности.
Достоинство известного способа возведения охлаждающей конструкции заключается в обеспечении высокой устойчивости откоса земляного сооружения и достаточной степени охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения.
Недостатком известного способа возведения охлаждающей конструкции является низкая степень технологичности при ее возведении, обусловленная значительной продолжительностью работ и значительными объемами подготовительных и бросовых работ.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является известная охлаждающая конструкция для земляных сооружений на вечномерзлых грунтов, предназначенная для охлаждения и укрепления слабых грунтов в зоне вечной мерзлоты (Руководство по укреплению конусов и откосов земляного полотна автомобильных дорог с использованием геосинтетических материалов и металлических сеток [Текст] - М: Государственный дорожный научно-исследовательский институт ФГУП «Союздорнии», 2002. С. 10-11).
Известная охлаждающая конструкция представляет собой покрытие из плоских габионов с каменной наброской, уложенное на поверхности откоса и приподошвенной зоне земляного сооружения. Каждый габион представляет собой сетчатый ящик, загруженный морозостойким сортированным камнем неправильной формы, между которыми естественным образом образованы воздушные поры. Габионы установлены плотно один к другому в продольном и поперечном направлении и связаны между собой гибкой связью, например проволокой. Причем каждый габион закрыт крышкой и может быть заанкерован в грунт откоса.
Известная охлаждающая конструкция для земляных сооружений на вечномерзлом грунте работает следующим образом.
Известная охлаждающая конструкция для земляных сооружений на вечномерзлом грунте выполняет при эксплуатации две функции: охлаждающую и укрепляющую.
В зимний период времени температура наружного воздуха ниже температуры грунта откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения.
При открытой от снежного покрова поверхности охлаждающей конструкции более теплый воздух в нижних воздушных порах покрытия с каменной наброской, расположенных у поверхности откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения, выходит по открытым порам наружу. Холодный воздух опускается по воздушным порам внутрь наброски к откосу и приподошвенной зоне земляного сооружения и замещает более теплый воздух. Попадая в нижние воздушные поры покрытия с каменной наброской, холодный воздух охлаждает грунт откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения, при этом сам воздух нагревается от них. Нагретый воздух поднимается вверх и выходит по открытым порам покрытия с каменной наброской наружу. Интенсивный воздухообмен осуществляется за счет естественной конвекции, что приводит к высокой степени охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения.
В зимний период времени при закрытой снежным покровом поверхности охлаждающей конструкции прямой воздухообмен между холодным наружным воздухом и теплым воздухом, находящемся в порах покрытия с каменной наброской, замедляется. Теплый воздух поднимается по откосу земляного сооружения вверх и формирует в снежном покрове отверстия - «продухи». Это обеспечивает в покрытии с каменной наброской взаимосвязанные поры, открытые для доступа холодного наружного воздуха и выхода теплого воздуха. Замедление прямого воздухообмена между холодным наружным воздухом и теплым воздухом приводит к низкой степени охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения.
В летний период времени температура наружного воздуха выше температуры грунта откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения.
При более холодной поверхности откоса земляного сооружения по сравнению с наружным воздухом конвективный теплообмен происходит с гораздо меньшей интенсивностью. Конвекция воздуха в покрытии с каменной наброской происходит только за счет ветрового воздействия, когда ветер задувает наружный теплый воздух в поры покрытия с каменной наброской. Такой воздух в порах покрытия с каменной наброской охлаждается от грунта откоса земляного сооружения, становится более плотным, «стекает» вниз по откосу. Прогрев покрытия с каменной наброской осуществляется, в основном, за счет кондуктивного теплообмена между нагретыми камнями верхнего слоя и более холодными камнями нижнего слоя. Интенсивность «летнего» теплообмена гораздо ниже теплообмена в зимний период, что приводит к сохранению отрицательной температуры в грунте откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения, и, следовательно, в основании земляного сооружения. Кроме того, такая охлаждающая конструкция играет роль теневого экрана, защищая откос от прямой солнечной радиации.
Уложенные на поверхности откоса земляного сооружения плоские габионы своим весом удерживают грунт откоса от сползания и предохраняют откос от водной и ветровой эрозии. Это приводит к обеспечению устойчивости откоса земляного сооружения и его конструктивной целостности в течение длительного срока эксплуатации.
Достоинством известной охлаждающей конструкции является высокая степень охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения при открытой поверхности охлаждающей конструкции в зимний период за счет интенсивного конвективного теплообмена, проходящего в воздушных порах между камнями охлаждающей конструкции.
Другим достоинством охлаждающей конструкции является достаточная устойчивость откоса земляного сооружения в течение длительного срока эксплуатации.
Недостатком известной охлаждающей конструкции является низкая степень охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения при закрытой поверхности конструкции в зимний период, обусловленная замедлением конвекции воздуха у поверхности откоса и его приподошвенной зоны через поры между камнями охлаждающей конструкции.
Другим недостатком охлаждающей конструкции является низкая степень технологичности возведения охлаждающей конструкции, обусловленная значительной продолжительностью работ по сооружению покрытия за счет высокой трудоемкости монтажа плоских габионов и их заполнения морозостойким сортированным камнем.
Кроме того, известная охлаждающая конструкция имеет ограничение технологических возможностей ее использования в труднодоступных местах, таких как дорожные выемки, участки земляного сооружения, расположенные на марях, покрытые густым лесом, обусловленное необходимостью выполнения большого объема подготовительных работ, например подъездных дорог, временных переездов, площадок складирования материалов и др., что также является недостатком известной конструкции.
Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ возведения охлаждающей конструкции для земляных сооружений на вечномерзлых грунтах из плоских габионов с морозостойким сортированным камнем (Методические рекомендации по применению габионных конструкций в дорожно-мостовом строительстве [Текст] / ФГУП «Союздорпроект» - М: 2001. С. 8-23).
Способ возведения известной охлаждающей конструкции заключается в доставке к месту возведения конструкции металлической сетки, служащей основой для габионов, и каменной наброски с последующим сооружением покрытия из плоских габионов с каменной наброской на спланированной заранее поверхности откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения.
В качестве каменной наброски используют морозостойкий сортированный камень неправильной формы для образования естественным образом воздушных пор в количестве, достаточном для конвекции воздуха сквозь наброску.
В месте возведения охлаждающей конструкции вначале выполняют подготовительные работы, например, сооружают подъездные пути, площадки, необходимые для складирования материалов и сборки габионов из металлических сеток, переезды для строительной техники.
Затем к месту возведения охлаждающей конструкции доставляют, например, на железнодорожной платформе, габионы в разобранном виде и морозостойкий сортированный камень.
Сооружение покрытия охлаждающей конструкции начинают с укладки металлической сетки на поверхность откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения, формирования из нее прямоугольного ящика с последующим повторением процесса для формирования соседних габионов. Далее габионы связывают между собой для обеспечения устойчивости покрытия. Затем сетчатые ящики частично заполняют морозостойким сортированным камнем, вновь связывают соседние габионы друг с другом с последующим окончательным их заполнением камнем. Заполненные ящики закрывают крышкой и снова их связывают. Количество слоев, фракционный состав камня, толщину габиона подбирают расчетным путем.
Подготовительные работы и возведение охлаждающей конструкции осуществляют в течение 2-3 дней с использованием «технологических окон» в графике движения поездов.
Возведенная известным способом охлаждающая конструкция обеспечивает высокую устойчивость откоса земляного сооружения, высокую степень охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения при открытой поверхности каменной наброски в зимний период и низкую степень охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения при ее закрытой поверхности.
Недостатком известного способа возведения охлаждающей конструкции является низкая степень технологичности при ее возведении, обусловленная значительной продолжительностью работ по сооружению покрытия охлаждающей конструкции за счет высокой трудоемкости монтажа плоских габионов и их заполнения морозостойким сортированным камнем и значительного объема подготовительных работ.
Другим недостатком известного способа является ограничение его технологических возможностей для использования в труднодоступных местах, таких как дорожные выемки, участки земляного сооружения, расположенные на марях, покрытые густым лесом, обусловленное необходимостью выполнения большого объема подготовительных и бросовых работ.
Задача, решаемая группой изобретений, заключается в разработке охлаждающей конструкции для земляных сооружений на вечномерзлых грунтах и способа ее возведения, обеспечивающими повышение степени охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения при закрытой поверхности охлаждающей конструкции в зимний период при сохранении высокой устойчивости откоса земляного сооружения, также повышение степени технологичности при возведении конструкции.
Для решения поставленной задачи в охлаждающей конструкции для земляных сооружений на вечномерзлых грунтах, представляющей собой покрытие из каменной наброски, уложенной на откос поперек продольной оси земляного сооружения, по крайней мере, в два слоя, каждый слой каменной наброски выполнен из искусственных камней в виде прямоугольного параллелепипеда, в которых замоноличена геосинтетическая сетка, предназначенная для удерживания искусственных камней в проектном положении, при этом искусственные камни пошагово расположены в продольном и поперечном направлении, геосинтетическая сетка в каждом искусственном камне нижнего слоя замоноличена в плоскости, параллельной его основанию, а геосинтетическая сетка в каждом искусственном камне верхнего слоя - в его диагональной плоскости; каждый искусственный камень верхнего слоя расположен между соседними искусственными камнями нижнего слоя, причем геосинтетические сетки в камнях нижнего и верхнего слоев расположены параллельно, нижние грани каждого искусственного камня верхнего слоя контактируют в продольном направлении с верхними ребрами двух соседних искусственных камней и в поперечном направлении, по крайней мере, с верхними ребрами четырех соседних искусственных камней нижнего слоя каменной наброски.
Кроме того, длина первого ребра основания каждого искусственного камня нижнего слоя выбрана из интервала 10-30 см, длина второго ребра основания - равна или больше длины первого ребра основания, высота - не менее длины первого ребра основания, длина первого ребра основания каждого искусственного камня верхнего слоя выбрана из интервала 10-30 см, длина второго ребра основания - равна или больше длины первого ребра основания, высота - не менее длины первого ребра основания, длина шага между соседними искусственными камнями нижнего слоя каменной наброски меньше длины диагонали основания искусственного камня верхнего слоя, длина шага между соседними искусственными камнями верхнего слоя каменной наброски меньше длины ребра основания искусственного камня нижнего слоя, основание каждого искусственного камня нижнего слоя перпендикулярно основанию каждого искусственного камня верхнего слоя каменной наброски.
Заявляемая охлаждающая конструкция для земляных сооружений на вечномерзлых грунтах отличается от прототипа выполнением каждого слоя каменной наброски из искусственных камней в виде прямоугольного параллелепипеда, в которых замоноличена геосинтетическая сетка, в котором искусственные камни пошагово расположены в продольном и поперечном направлении, геосинтетическая сетка в каждом искусственном камне нижнего слоя замоноличена в плоскости параллельной его основанию, а геосинтетическая сетка в каждом искусственном камне верхнего слоя - в его диагональной плоскости, каждый искусственный камень верхнего слоя расположен между соседними искусственными камнями нижнего слоя, новым расположением нижнего и верхнего слоев относительно друг друга слоев, обеспечением новых параметров искусственных камней и пошаговом определенном их расположением в геосинтетической сетке.
Наличие существенных отличительных признаков в совокупности существенных признаков, характеризующих заявляемую охлаждающую конструкцию, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Выполнение каждого слоя каменной наброски из искусственных камней в виде прямоугольного параллелепипеда, в которых замоноличена геосинтетическая сетка, в котором искусственные камни пошагово расположены в продольном и поперечном направлении, геосинтетическая сетка в каждом искусственном камне нижнего слоя замоноличена в плоскости параллельной его основанию, а геосинтетическая сетка в каждом искусственном камне верхнего слоя - в его диагональной плоскости, каждый искусственный камень верхнего слоя расположен между соседними искусственными камнями нижнего слоя, новое расположение нижнего и верхнего слоев относительно друг друга слоев, обеспечение новых параметров искусственных камней и пошаговое определенное их расположение в геосинтетической сетке обеспечивает повышение степени охлаждения основания откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения при закрытой поверхности охлаждающей конструкции в зимний период при сохранении высокой устойчивости откоса земляного сооружения, также повышение степени технологичности при возведении конструкции в любых неблагоприятных условиях.
Это обусловлено тем, что благодаря рационально организаванным воздушным порам и воздушным полостям, образованным искусственными камнями, и отверстиям - «продухам», образованным в снежном покрове, возможен доступ холодного наружного воздуха к откосу и приподошвенной зоне земляного сооружения и стремительный выход теплого воздуха, что приводит к интенсивной конвекции воздуха у поверхности откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения, обеспечивая высокую степень его охлаждения.
Причинно-следственная связь «Выполнение каждого слоя каменной наброски из искусственных камней в виде прямоугольного параллелепипеда, в которых замоноличена геосинтетическая сетка, в котором искусственные камни пошагово расположены в продольном и поперечном направлении, геосинтетическая сетка в каждом искусственном камне нижнего слоя замоноличена в плоскости параллельной его основанию, а геосинтетическая сетка в каждом искусственном камне верхнего слоя - в его диагональной плоскости, каждый искусственный камень верхнего слоя расположен между соседними искусственными камнями нижнего слоя, новое расположение нижнего и верхнего слоев относительно друг друга слоев, обеспечение новых параметров искусственных камней и пошаговом определенном их расположении в геосинтетической сетке обеспечивает повышение степени охлаждения основания откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения при закрытой поверхности охлаждающей конструкции в зимний период при сохранении высокой устойчивости откоса земляного сооружения, также повышение степени технологичности при возведении конструкции в любых неблагоприятных условиях» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, следовательно, она - новая. Наличие новой причинно-следственной связи «существенные отличительные признаки - новый результат» свидетельствует о соответствии заявляемой охлаждающей конструкции критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Для решения поставленной задачи в способе возведения охлаждающей конструкции для земляных сооружений на вечномерзлых грунтах, заключающемся в доставке к месту возведения конструкции каменной наброски с последующим сооружением покрытия, по крайней мере, из двух слоев каменной наброски на спланированной заранее поверхности откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения, предварительно перед доставкой изготавливают каждый слой каменной наброски из искусственных камней в виде прямоугольного параллелепипеда, при этом камни устанавливают пошагово для обеспечения свертывания слоев покрытия в рулоны и замоноличивают в них геосинтетическую сетку для удерживания камней в проектном положении, причем в камни нижнего слоя покрытия геосинтетическую сетку замоноличивают параллельно основанию прямоугольного параллелепипеда, а камни верхнего слоя - в диагональной плоскости прямоугольного параллелепипеда, после изготовления слоев покрытия их сворачивают в рулон, при сооружении покрытия вначале на поверхность откоса поперек оси земляного сооружения укладывают рулон нижнего слоя покрытия с установкой каждого искусственного камня на основание прямоугольного параллелепипеда с последующим его раскатыванием по поверхности откоса, затем на первый верхний ряд нижнего слоя покрытия укладывают первый ряд верхнего слоя покрытия, при этом каждый искусственный камень верхнего слоя покрытия располагают между соседними искусственными камнями нижнего слоя покрытия, геосинтетическую сетку в камнях верхнего слоя покрытия ориентируют параллельно геосинтетической сетке нижнего слоя покрытия, нижние грани каждого искусственного камня верхнего слоя устанавливают в продольном направлении с возможностью контакта с верхними ребрами двух соседних искусственных камней и в поперечном направлении - по крайней мере, с верхними ребрами четырех соседних искусственных камней нижнего слоя каменной наброски.
Кроме того, при изготовлении каждого искусственного камня слоев покрытия длину первого ребра основания выбирают из интервала 10-30 см, длину второго ребра основания берут равной или большей длины первого ребра основания, высоту каждого искусственного камня нижнего слоя покрытия берут не менее длины первого ребра основания, а высоту каждого искусственного камня верхнего слоя покрытия - не менее длины первого ребра основания прямоугольного параллелепипеда, а также шаг между соседними искусственными камнями нижнего слоя покрытия берут меньшим длины диагонали основания искусственного камня верхнего слоя, а шаг между соседними искусственными камнями верхнего слоя покрытия - меньшим длины первого ребра основания искусственного камня нижнего слоя.
Заявляемый способ отличается от прототипа предварительным изготовлением каждого слоя каменной наброски из искусственных камней в виде прямоугольного параллелепипеда с определенными параметрами, организованными их определенным расположением в каждом слое покрытия, с замоноличиванием геосинтетической сетки в камни нижнего слоя покрытия параллельно основанию прямоугольного параллелепипеда, в камни верхнего слоя - в диагональной плоскости прямоугольного параллелепипеда.
Наличие существенных отличительных признаков в совокупности существенных признаков заявляемого решения свидетельствует о соответствии заявляемого способа возведения охлаждающей конструкции критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Изготовление каждого слоя каменной наброски из искусственных камней в виде прямоугольного параллелепипеда с определенными параметрами, организованными их определенным расположением в каждом слое покрытия, с замоноличиванием геосинтетической сетки в камни нижнего слоя покрытия параллельно основанию прямоугольного параллелепипеда, в камни верхнего слоя - в диагональной плоскости прямоугольного параллелепипеда обеспечивает повышение степени технологичности при возведении охлаждающей конструкции в любых неблагоприятных условиях с повышением степени охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения при закрытой поверхности охлаждающей конструкции в зимний период при сохранении высокой устойчивости откоса земляного сооружения.
Это обусловлено рациональным предварительным выполнением искусственной каменной наброски, позволяющим свертывать слои покрытия в рулон, в короткие сроки возводить охлаждающую конструкцию.
Причинно-следственная связь «Предварительное изготовление каждого слоя каменной наброски из искусственных камней в виде прямоугольного параллелепипеда с определенными параметрами, организованными их определенным расположением в каждом слое покрытия, с замоноличиванием геосинтетической сетки в камни нижнего слоя покрытия параллельно основанию прямоугольного параллелепипеда, в камни верхнего слоя - в диагональной плоскости прямоугольного параллелепипеда приводит к повышению степени технологичности при возведении охлаждающей конструкции в любых неблагоприятных условиях с повышением степени охлаждения откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения при закрытой поверхности охлаждающей конструкции в зимний период при сохранении высокой устойчивости откоса земляного сооружения» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, следовательно, она - новая. Наличие новой причинно-следственной связи «существенные отличительные признаки - новый результат» свидетельствует о соответствии заявляемого способа возведения охлаждающей конструкции критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Группа изобретений поясняется чертежами, иллюстрирующими их сущность, работоспособность и «промышленную применимость», где
на фиг. 1 представлен продольный разрез охлаждающей конструкции, размещенной на поверхности откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения;
на фиг. 2 представлены вид сверху и продольный разрез нижнего слоя охлаждающей конструкции;
на фиг. 3 представлены вид сверху и продольный разрез верхнего слоя охлаждающей конструкции;
на фиг. 4 представлены вид сверху и продольный разрез охлаждающей конструкции.
Охлаждающая конструкция для земляных сооружений на вечномерзлых грунтах представляет собой покрытие 1 из каменной наброски 2, уложенное на поверхность откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5.
Покрытие 1 выполнено, по крайней мере, из двух слоев покрытия 1 из каменной наброски 2: нижнего слоя 6 и верхнего слоя 7.
Каждый слой 6, 7 покрытия 1 из каменной наброски 2 выполнен из искусственных камней в виде прямоугольного параллелепипеда, в которых замоноличена геосинтетическая сетка 8, предназначенная для удерживания искусственных камней в проектном положении.
Оптимальные габариты камней нижнего слоя 6 и верхнего слоя 7 покрытия 1 из каменной наброски 2 определены расчетным путем из условия обеспечения наилучшей охлаждающей работы конструкции, а также конструктивно-технологических требований данного способа возведения покрытия 1.
Габариты каждого искусственного камня нижнего слоя 6 покрытия 1 из каменной наброски 2:
- длина первого ребра основания каждого искусственного камня нижнего слоя 6 покрытия 1 выбрана из интервала 10-30 см,
- длина второго ребра основания равна или больше длины первого ребра основания,
- высота - не менее длины первого ребра основания.
Габариты каждого искусственного камня верхнего слоя 7 покрытия 1 из каменной наброски 2:
- длина первого ребра основания каждого искусственного камня верхнего слоя 7 покрытия 1 выбрана из интервала 10-30 см,
- длина второго ребра основания равна или больше длины первого ребра основания,
- высота - не менее длины первого ребра основания.
Геосинтетическая сетка 8 в каждом искусственном камне нижнего слоя 6 покрытия 1 замоноличена в плоскости параллельной основанию прямоугольного параллелепипеда, а геосинтетическая сетка 8 в каждом искусственном камне верхнего слоя 7 покрытия 1 - в диагональной плоскости прямоугольного параллелепипеда.
Искусственные камни каждого слоя 6, 7 покрытия 1 расположены в геосинтетической сетке 8 пошагово. Длина шага между соседними искусственными камнями нижнего слоя 6 покрытия 1 меньше длины диагонали основания искусственного камня верхнего слоя 7 покрытия 1. Длина шага между соседними искусственными камнями верхнего слоя 7 покрытия 1 меньше длины ребра основания искусственного камня нижнего слоя 6 покрытия 1.
Ширина покрытия 1 определена шириной геосинтетической сетки 8, а длина - зависит от укрываемой части поверхности откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5 и задается проектом.
Такое расположение искусственных камней каменной наброски 2 в геосинтетической сетке 8 делает каждый слой 6, 7 покрытия 1 гибким с возможностью скручивания его в рулон для транспортировки к месту укладки.
Покрытие 1 уложено на поверхность откоса 3 и приподошвенной зоны 4 длинной стороной поперек продольной оси земляного сооружения 5.
После укладки нижнего слоя 6 покрытия 1 из каменной наброски 2 нижнее основание каждого искусственного камня контактирует с поверхностью откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5.
После укладки нижнего слоя 6 покрытия 1 из каменной наброски 2 каждый искусственный камень верхнего слоя 7 покрытия 1 расположен между соседними искусственными камнями нижнего слоя 6 покрытия 1. При этом нижние грани каждого искусственного камня верхнего слоя 7 покрытия 1 в продольном направлении контактируют с верхними ребрами двух соседних искусственных камней нижнего слоя 6 покрытия 1, в поперечном направлении - по крайней мере, с верхними ребрами четырех соседних искусственных камней нижнего слоя 6 покрытия 1 из каменной наброски 2. При этом основания искусственных камней нижнего слоя 6 и верхнего слоя 7 покрытия 1 взаимно перпендикулярны. В результате между соседними искусственными камнями верхнего слоя 7 покрытия 1 образуются открытые воздушные поры 9, а между соседними искусственными камнями нижнего слоя 6 покрытия 1 и соответствующим искусственным камнем верхнего слоя 7 покрытия 1 - воздушные полости 10. Причем суммарный объем воздушных полостей 10 значительно больше объема открытых воздушных пор 9 между камнями каменной наброски 2.
Требуемая толщина покрытия 1 определяется теплотехническим расчетом.
Заявляемая охлаждающая конструкция для земляных сооружений на вечномерзлых грунтах работает следующим образом.
Охлаждающая конструкция для земляных сооружений на вечномерзлом грунте выполняет при эксплуатации две функции: охлаждающую и укрепляющую.
В зимний период времени температура наружного воздуха ниже температуры грунта откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5.
При открытой от снежного покрова поверхности охлаждающей конструкции более теплый воздух в ее воздушных полостях 10 каменной наброски 2, расположенных у поверхности откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5, выходит по открытым воздушным порам 9 наружу. Холодный воздух опускается через открытые воздушные поры 9 каменной наброски 2 к откосу 3 и приподошвенной зоне 4 земляного сооружения 5 и замещает там наружный теплый воздух. Попадая в воздушные полости 10 каменной наброски 2, холодный воздух охлаждает грунт откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5, при этом сам воздух нагревается от них. Нагретый воздух поднимается вверх и выходит по открытым воздушным порам 9 каменной наброски 2 наружу. Интенсивный воздухообмен осуществляется за счет естественной конвекции, что приводит к высокой степени охлаждения откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5.
В зимний период времени при закрытой снежным покровом поверхности охлаждающей конструкции теплый воздух из нижних воздушных полостей 10 поднимается по откосу 3 земляного сооружения 5 вверх в воздушные поры 9. Скапливаясь в замкнутом пространстве, образованном открытыми воздушными порами 9 и снежным покровом, теплый воздух прорывает в снежном покрове отверстия - «продухи». Через «продухи» в снежном покрове и открытые воздушные поры 9 наружный холодный воздух поступает в воздушные полости 10 и охлаждает грунт откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5. При этом сам воздух нагревается от грунта откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5.
Увеличенный суммарный объем воздушных полостей 10 между камнями нижнего слоя 6 покрытия 1 по сравнению с объемом открытых воздушных пор 9 между камнями верхнего слоя 7 покрытия 1 приводит к тому, что конвективное давление теплового воздуха в воздушных полостях 10 выше, чем в открытых воздушных порах 9. Разница в давлениях теплого воздуха в воздушных полостях 10 и воздушных порах 9 приводит к стремительному выходу теплого воздуха из нижних воздушных полостей 10 в верхние воздушные поры 9 и интенсивному образованию «продухов».
Наличие доступа холодного наружного воздуха в воздушные полости 10 каменной наброски 2 и стремительного выхода теплого воздуха через большое количество «продухов» в снежном покрове приводит к интенсивной конвекции воздуха у поверхности откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5, обеспечивая высокую степень его охлаждения.
Охлаждение грунта откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5 происходит также в результате кондуктивного теплообмена между камнями каменной наброски 2, который повышает степень охлаждения основания откоса 3 и приподошвенной 4 зоны земляного сооружения.
В летний период времени температура наружного воздуха выше температуры грунта откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5.
При более холодной поверхности откоса 3 земляного сооружения 5 по сравнению с наружным воздухом конвективный теплообмен происходит с гораздо меньшей интенсивностью. Конвекция воздуха в каменной наброске 2 происходит только за счет ветрового воздействия. Ветер задувает наружный теплый воздух в открытые воздушные поры 9, затянутые геосинтетической сеткой 8, снижающей интенсивность воздушного потока, а далее в воздушные полости 10 каменной наброски 2. Такой воздух в воздушных волостях 10 каменной наброски 2 охлаждается от грунта откоса 3 земляного сооружения 5, становится более плотным, «стекает» вниз по откосу 3. Прогрев каменной наброски 2 за счет кондуктивного теплообмена между нагретыми камнями верхнего слоя 7 покрытия 1 и более холодными камнями нижнего слоя 6 покрытия 1 снижается. Это обусловлено малой поверхностью контакта камней верхнего слоя 7 и нижнего слоя 6 покрытия 1 из каменной наброски 2. Интенсивность «летнего» теплообмена гораздо ниже теплообмена в зимний период, что приводит к сохранению отрицательной температуры в грунте откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5. Кроме того, такая охлаждающая конструкция играет роль теневого экрана, защищая откос 3 от прямой солнечной радиации.
Кроме того, уложенная на поверхность откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5 охлаждающая конструкция своим весом удерживает грунт откоса 3 от сползания и предохраняет откос 3 от водной и ветровой эрозии. Это приводит к обеспечению устойчивости откоса 3 земляного сооружения 5 и его конструктивной целостности в течение длительного срока эксплуатации.
Замоноличивание геосинтетической сетки 8 в искусственных камнях и пошаговое их расположение в сетке 8 делает каждый слой покрытия 1 гибким, что позволяет скручивать его в рулон для перевозки и повысить степень технологичности возведения охлаждающей конструкции.
Заявляемый способ возведения охлаждающей конструкции для земляных сооружений на вечномерзлых грунтах заключается в доставке к месту возведения конструкции предварительно искусственно изготовленных слоев 6, 7 покрытия 1 из каменной наброски 2 с последующим сооружением из них покрытия 1 на спланированной заранее поверхности откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5.
Первоначально в производственных условиях изготавливают, по крайней мере, два слоя 6, 7 каменной наброски 2 из искусственных камней в виде прямоугольного параллелепипеда с замоноличенной в них геосинтетической сеткой 8 для удерживания искусственных камней в проектном положении.
Для одного нижнего слоя 6 покрытия 1 камни формируют с длиной первого ребра основания каждого искусственного камня нижнего слоя 6 покрытия 1, которую выбирают из интервала 10-30 см, с длиной второго ребра основания, равной или больше длины первого ребра основания, с высотой, - не менее длины первого ребра основания.
Для другого верхнего слоя 7 покрытия 1 камни формируют с длиной первого ребра основания каждого искусственного камня верхнего слоя 7 покрытия 1, которую выбирают из интервала 10-30 см, с длиной второго ребра основания, равной или больше длины первого ребра основания, с высотой, - не менее длины первого ребра основания.
Для образования нижнего слоя 6 покрытия 1 соседние искусственные камни устанавливают с шагом друг от друга, меньшим длины диагонали основания искусственного камня верхнего слоя 7 покрытия 1, и замоноличивают в камни геосинтетическую сетку 8 параллельно основанию прямоугольного параллелепипеда.
Для образования верхнего слоя 7 покрытия 1 соседние искусственные камни устанавливают с шагом друг от друга, меньшим длины первого ребра основания искусственного камня нижнего слоя 6 покрытия 1, и замоноличивают в камни геосинтетическую сетку 8 в диагональной плоскости прямоугольного параллелепипеда.
Например, искусственный камень нижнего слоя 6 покрытия 1 из каменной наброски 2 имеет следующие габариты: длина первого ребра основания каждого искусственного камня равна 10 см, длина второго ребра основания равна длине первого ребра основания и составляет 10 см, высота - 20 см. Длина шага между соседними искусственными камнями нижнего слоя 6 покрытия 1 составляет 14 см.
Искусственный камень верхнего слоя 7 покрытия 1 из каменной наброски 2 имеет следующие габариты: длина первого ребра основания каждого искусственного камня равна 14 см, длина второго ребра основания равна длины первого ребра основания и составляет 14 см, высота - 44 см. Длина шага между соседними искусственными камнями верхнего слоя 7 покрытия составляет 4 см.
Такие параметры искусственных камней с замоноличенной геосинтетической сеткой 8 и их расположением в ней определенным образом делают каждый слой 6, 7 покрытия 1 из каменной наброски 2 гибким, что позволяет свертывать его в рулон.
После изготовления рулоны слоев 6, 7 покрытия 1 доставляют, например, на железнодорожной платформе, в технологическое «окно» к месту возведения охлаждающей конструкции.
Далее сооружают покрытие 1 из слоев 6, 7 каменной наброски 2 на спланированной заранее поверхности откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5.
Для этого на поверхность откоса 3 поперек продольной оси земляного сооружения 5 укладывают рулон нижнего слоя 6 покрытия 1, например, железнодорожным краном. Под действием силы тяжести самостоятельно или с применением небольших усилий монтеров пути рулон нижнего слоя 6 покрытия 1 разворачивается.
В результате каждый камень своим нижним основанием устанавливается на поверхность откоса 3 и проподошвенную зону 4 земляного сооружения 5, и геосинтетическая сетка 8 нижнего слоя 6 покрытия 1 становится параллельной плоскости откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5.
После укладки нижнего слоя 6 покрытия 1 на поверхность откоса 3 и проподошвенную зону 4 на его первый верхний ряд укладывают первый ряд верхнего слоя 7 покрытия 1 из каменной наброски 2. Затем рулон верхнего слоя 7 покрытия 1 раскатывают поверх нижнего слоя 6 покрытия 1.
При этом каждый искусственный камень верхнего слоя 7 покрытия 1 располагают между соседними искусственными камнями нижнего слоя 6 покрытия 1, геосинтетическую сетку 8 в камнях верхнего слоя 7 покрытия 1 располагают параллельно геосинтетической сетке 8 нижнего слоя 6 покрытия 1, нижние грани каждого искусственного камня верхнего слоя 7 покрытия 1 устанавливают в продольном направлении с возможностью контакта с верхними ребрами двух соседних искусственных камней и в поперечном направлении - по крайней мере, с верхними ребрами четырех соседних искусственных камней нижнего слоя 6 покрытия 1 из каменной наброски 2.
В результате охлаждающая конструкция позволяет в процессе эксплуатации повысить степень охлаждения основания откоса 3 и приподошвенной зоны 4 земляного сооружения 5 при закрытой поверхности охлаждающей конструкции в зимний период.
При возведении охлаждающей конструкции для предотвращения отепляющего влияния летних атмосферных осадков на основание откоса 3 и приподошвенную зону 4 земляного сооружения 5 укладывают техническую полипропиленовую ткань (на фиг. не показана).
Возведение охлаждающей конструкции по заявляемому способу осуществляют в течение 2-3 дней с использованием «технологических окон» в графике движения поездов.
Использование заявляемой охлаждающей конструкции для земляных сооружений на вечномерзлых грунтах и способа ее возведения позволяет по сравнению с прототипом повысить степень охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного сооружения при закрытой поверхности охлаждающей конструкции в зимний период в 1,2-1,5 раза, повысить степень технологичности возведения охлаждающей конструкции на месте производства работ в 2-3 раза; расширить технологические возможности сооружения конструкции в труднодоступных местах.