СТРУКТУРА ТЕМПЕРАТУРНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБУСТРОЙСТВА НАСЫПЕЙ И ОТКОСОВ В РАЙОНАХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
STRUCTURE OF TEMPERATURE COOLING FOR ENGINEERING AND TECHNICAL DESIGN OF EMPILS AND SLOPES IN PERMAFROST REGIONS

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к области инженерно-технических работ в условиях мерзлого грунта и/или вечной мерзлоты, в частности, к структуре температурного охлаждения для инженерно-технического обустройства насыпей и откосов в районах вечной мерзлоты.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
[0002] Мерзлый грунт представляет собой тип грунта, который имеет отрицательную или нулевую температуру и содержит ледяные включения. Мерзлые грунты широко распространены в мире, занимая около 50% всей земной поверхности. В России область вечной мерзлоты занимает свыше 60% всей площади ее территории. Рост температуры и таяние мерзлых грунтов является основной сложностью при возведении инженерно-технический сооружений в районах вечной мерзлоты. Сооружение насыпей в районах вечной мерзлоты изменяет условия теплообмена между подстилающим слоем вечной мерзлоты и окружающей средой, вследствие чего вечная мерзлота постепенно оттаивает и оседает, оказывая серьезное влияние на устойчивость насыпи. С другой стороны, из-за глобального потепления инженерно-техническое обустройство насыпей и откосов, которое изначально успешно использовалось в районах вечной мерзлоты, столкнется с техническими проблемами, обусловленными изменением климата. Поэтому необходимо срочно предпринять эффективные инженерно-технические меры для устранения указанных проблем.
[0003] Основная идея устранения инженерно-технических проблем в насыпях в условиях вечной мерзлоты заключается в защите подстилающего слоя насыпи, предусматривающая использование активных средств температурного охлаждения. В ходе практической реализации множества инженерно-технических методов было установлено, что инженерно-технические работы с использованием активных средств температурного охлаждения обычно дают лучшие результаты в сравнении с использованием пассивных средств температурного охлаждения. Активные средства температурного охлаждения включают в себя термосифонную насыпь, вентиляционную насыпь, насыпь из дробленой породы, насыпь с облицовкой из дробленой породы, причем для устранения инженерно-технических проблем при возведении насыпей в условиях вечной мерзлоты широко используются насыпи с облицовок из дробленой породы. Кроме того, два новых типа инженерно-технических средств также предложены в патентах CN 109695188A и CN 110510899A.
[0004] Однако эти широко используемые средства температурного контроля насыпей характеризуются следующими недостатками:
[0005] (1) Насыпь с термосифонами возводится путем точечного введения термосифонов с обеих сторон насыпи. Каждый отдельный термосифон может охлаждать грунт лишь в определенных пределах. Неравномерность температурного поля может запросто привести к возникновению инженерно-технических проблем в насыпях с термосифонами, таким как продольные трещины, волнистость поверхности дорожного покрытия и тому подобное, что сильно уменьшает гладкость поверхности дорожного полотна.
[0006] (2) Вентиляционная насыпь возводится путем закладки вентиляционных труб в тело насыпи. Вентиляционные трубы обычно имеют большой диаметр, вследствие чего грунты между вентиляционными трубами и грунтами, располагающимися поверх вентиляционных труб, могут отсыпаться исключительно вручную. Более того, в случае недостаточной толщины грунтов, располагающихся поверх вентиляционных труб, невозможно использовать тяжелую технику для уплотнения грунта, и поэтому невозможно проконтролировать качество инженерно-технических работ по отсыпке грунта вблизи слоя вентиляционных труб. Следовательно, во время эксплуатации дороги часто возникают инженерно-технические проблемы, такие как неравномерная осадка дорожной одежды, большие трещины в дорожной одежде и тому подобное. Кроме того, вентиляционные трубы часто сталкиваются с такими проблемами, как их смещение, закупорка, разрывы и тому подобное, что в итоге приводит к выходу вентиляционных труб из строя и усугубляет инженерно-технические проблемы при возведении насыпей в условиях вечной мерзлоты.
[0007] (3) Насыпь из дробленой породы характеризуется малым сопротивлением воздействию механических конструкций. Однако в некоторых областях, где наблюдаются сильные снегопады, а снег задерживается надолго, например, в России, снежное покрытие может в значительной мере ограничивать роль температурного охлаждения насыпей из дробленой породы. Кроме того, в областях, где растут деревья и кустарник, скорость ветра у поверхности замедляется, что также влияет на результаты вентиляционного и температурного охлаждения насыпи из дробленой породы. С другой стороны, сильный эффект цикла замерзания-оттаивания и нагрузки на дорогу от движения транспортных средств интенсифицирует выветривание и разрушение слоя дробленой породы. При этом образующиеся обломки породы могут закупоривать поровые отверстия в слое насыпи из дробленой породы, что сильно влияет на эффективность функционирования слоя дробленой породы.
[0008] (4) Аналогичным образом облицовка из дробленой породы также сталкивается с неэффективностью инженерно-технических мер, обусловленной наличием снежного покрытия, низкой скоростью ветра у поверхности земли и выветриванием слоя дробленой породы.
[0009] (5) В патенте CN 109695188A раскрыты водоудерживающие решетки, которые могут использоваться только при возведении новых насыпей, но не могут быть использованы при проведении инженерно-технических работ по обустройству существующих насыпей с целью устранения инженерно-технических проблем. При этом грунт при отсыпке насыпей, включающих в себя жесткую термоизоляционную плиту с водоудерживающими решетками, не может быть уплотнен с помощью тяжелой техники, что скрывает в себе большую опасность неравномерной осадки.
[0010] Диатомит, который представляет собой биогенную кремнистую осадочную породу, состоящую из остатков диатомовых водорослей, радиолярий или губок за геологическую эпоху, характеризуется пористостью, малой массой, небольшой относительной плотностью и высокой поглощающей способностью, и может поглощать большой объем воды и сохранять состояние высокого влагосодержания. Теплопроводность водосодержащего диатомита в состоянии замерзания намного выше, чем в состоянии оттаивания. Следовательно, в летний период, если откосы насыпи выложены водосодержащим диатомитом, этот диатомит будет существенно уменьшать поступление тепла в слой вечной мерзлоты под насыпью и принимать на себя функцию сохранения тепла и теплоизоляции. В зимний период настоящее изобретение может стимулировать перенос тепла и облегчать охлаждение слоя вечной мерзлоты под насыпью, а также принимать на себя функцию защиты вечной мерзлоты под насыпью. По примерным оценкам запасы диатомита в России составляют около 1,4 миллиарда тонн или больше, причем он представляет собой легко добываемый строительный материал.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
[0011] Одна из задач, которая должна быть решена настоящим изобретением, состоит в том, чтобы предложить надежную структуру температурного охлаждения для инженерно-технического обустройства насыпей и откосов в районах вечной мерзлоты, которая подходит для выполнения строительных работ с помощью тяжелой строительной техники.
[0012] Для устранения, по меньшей мере, одной из проблем предшествующего уровня техники настоящим изобретением предложена структура температурного охлаждения для инженерно-технического обустройства насыпей и откосов в районах вечной мерзлоты, которая содержит: нижний слой, располагающийся на поверхности земли у подошвы откоса; внутренний водонепроницаемый слой и наружный водонепроницаемый слой поверх нижнего слоя; диатомитовый слой, заполняющий пространство, заданное внутренним водонепроницаемым слоем, нижним слоем и наружным водонепроницаемым слоем, которые соединены друг с другом; галечный слой, уложенный поверх диатомитового слоя; и дренажную трубу, содержащую первый отрезок, проходящий через наружный водонепроницаемый слой и входящий наклонно в нижнюю часть диатомитового слоя, и второй отрезок, находящийся снаружи в воздушной среде.
[0013] Дренажная труба может состоять из водопроницаемого отрезка, располагающегося в диатомитовом слое; непористого отрезка, проходящего через наружный водонепроницаемый слой; перехватывающего отрезка и отрезка расширения, которые располагаются снаружи в воздушной среде. Водопроницаемый отрезок характеризуется наличием одного закрытого конца и другого конца, сообщающегося с непористым отрезком. Водопроницаемый отрезок снабжен множеством водопроницаемых отверстий, равномерно распределенных и охватываемых фильтрующим слоем на его наружной поверхности. Перехватывающий отрезок представляет собой отрезок U-образной формы, один из концов которого сообщается с непористым отрезком, а другой конец сообщается с отрезком расширения. Оконечная часть отрезка расширения открыта и располагается поверх водоотвода.
[0014] Дренажная труба, заходящая в диатомитовый слой, может располагаться под таким углом наклона, чтобы обеспечивать возможность автоматического отведения избыточной воды в диатомитовом слое под действием силы земного притяжения.
[0015] Внутренний водонепроницаемый слой, нижний слой и/или наружный водонепроницаемый слой могут быть выполнены из водонепроницаемой составляющей грунта или слабопроницаемой составляющей грунта.
[0016] Внутренний водонепроницаемый слой, нижний слой и/или наружный водонепроницаемый слой могут быть выполнены из материала, выбранного из группы, которая включает в себя: смесь извести и грунта в соотношении 3:7, смесь извести и грунта в соотношении 2:8, 5-процентный грунтоцемент и связный грунт.
[0017] Внутренний водонепроницаемый слой и/или нижний слой выполнены из непромокаемого геотекстильного материала.
[0018] Наружный водонепроницаемый слой выполнен из непромокаемого геотекстильного материала, покрытого каменными блоками и щебенкой.
[0019] В сравнении с предшествующим уровнем техники настоящее изобретение характеризуется следующими преимуществами:
[0020] 1. Настоящим изобретением предусмотрена дренажная труба, которая характеризуется наличием отрезка U-образной формы, располагающегося снаружи в воздушной среде и служащего перехватывающим отрезком с тем, чтобы можно было обеспечить сообщение с дренажной трубой и ее перекрытие в требуемый момент времени за счет использования факта возрастании температуры воздуха и ее падения перед диатомитовым слоем. Благодаря этому реально повышается инженерно-технический эффект настоящего изобретения.
[0021] 2. При применении настоящего изобретения в отношении облицовки насыпи в условиях вечной мерзлоты оно может эффективно снижать температуру грунта, образующего насыпь в условиях вечной мерзлоты и предотвращать неравномерное оседание насыпи, обусловленное деградацией вечной мерзлоты, лежащей в основании насыпи, и не ставит под угрозу безопасное и надежное функционирование основного тела насыпи в условиях вечной мерзлоты. При этом настоящее изобретение может также эффективно сохранять вечную мерзлоты в грунте откоса, а также эффективно устранить проблему неустойчивости откоса из-за деградации вечной мерзлоты, лежащей в основании откоса.
[0022] 3. Если настоящее изобретение применяется в районах вечной мерзлоты, то в качестве внутреннего водонепроницаемого слоя, нижнего слоя и наружного водонепроницаемого слоя могут быть использованы составляющие грунта с небольшим коэффициентом проницаемости вблизи области инженерно-технического обустройства, тогда как для формирования галечного слоя в области инженерно-технического обустройства может быть использована галька и щебень, что существенно снижает расходы на стройматериалы. При этом настоящее изобретение может непрерывно осуществляться с использованием тяжелой строительной техники, что уменьшает сложность строительных работ и обеспечивает высокое качество инженерно-технического обустройства, а также существенно снижает расходы на инженерно-техническое обустройство.
[0023] 4. Настоящее изобретение может накладываться полосками на откос насыпи в условиях вечной мерзлоты для обеспечения единообразного температурного охлаждения в различных сечениях вдоль насыпи, что устраняет проблему неравномерной осадки насыпи, обусловленной неравномерными результатами регулирования температуры в различных сечениях вдоль насыпи.
[0024] 5. Настоящее изобретение может проектироваться гибко с разной толщиной в зависимости от локальных геологических условий и температуры воздуха в той области, где находится откос. В результате этого настоящее изобретение в значительной степени подходит для разных сложных климатических условий работы.
[0025] 6. При применении настоящего изобретения в отношении насыпи в условиях вечной мерзлоты твердые сажевые частицы, образующиеся в выхлопных газах автомобилей и/или вследствие износа шин и оседающие на поверхность дорожного полотна, могут переноситься дождем на поверхность дорожного полотна, проходить через галечный слой и заходить в диатомитовый слой, после чего удерживаться в диатомитовом слое благодаря его фильтрующей функции. В результате этого может быть в определенной мере уменьшено влияние твердых сажевых частиц (выделяемых транспортными средствами) на экологическую обстановку.
Краткое описание фигур
[0026] Далее по тексту подробно описаны детальные варианты осуществления настоящего изобретения в привязке к прилагаемым чертежам, где:
[0027] На фиг. 1 показан вид в разрезе, иллюстрирующий структуру температурного охлаждения согласно настоящему изобретению; а
[0028] На фиг. 2 показан детализированный вид, иллюстрирующий соответствующие отрезки дренажной трубы согласно настоящему изобретению.
[0029] Перечень ссылочных позиций:
1: галечный слой
2: диатомитовый слой
3: внутренний водонепроницаемый слой
4: нижний слой
5: наружный водонепроницаемый слой
6: дренажная труба
7: водоотвод
8: водопроницаемый отрезок
9: непористый отрезок
10: перехватывающий отрезок
11: отрезок расширения
12: водопроницаемый отрезок
13: фильтрующий слой.
Подробное раскрытие вариантов осуществления настоящего изобретения
[0030] Как показано на фиг. 1, структура температурного охлаждения для инженерно-технического обустройства насыпей и откосов в районах вечной мерзлоты включает в себя галечный слой 1, диатомитовый слой 2, внутренний водонепроницаемый слой 3, нижний слой 4, наружный водонепроницаемый слой 5 и дренажную трубу 6.
[0031] Нижний слой 4 располагается на поверхности земли у подошвы откоса. Внутренний водонепроницаемый слой 3 и наружный водонепроницаемый слой 5 уложены, соответственно, на нижний слой 4. Внутренний водонепроницаемый слой 3 контактирует с грунтом откоса. Внутренний водонепроницаемый слой 3, нижний слой 4 и наружный водонепроницаемый слой 5 соединены друг с другом и задают пространство, которое заполнено диатомитовым слоем 2. Поверх диатомитового слоя 2 располагается галечный слой 1. Дренажная труба 6 содержит первый отрезок, проходящий через наружный водонепроницаемый слой 5 и под наклоном заходящий в нижнюю часть диатомитового слоя 2, и второй отрезок, находящийся снаружи в воздушной среде.
[0032] Дренажная труба 6, заходящая в диатомитовый слой 2, может располагаться под таким углом наклона, чтобы обеспечивать возможность автоматического отведения избыточной воды в диатомитовом слое 2 под действием силы земного притяжения.
[0033] Как показано на фиг. 2, дренажная труба 6 может быть изготовлена из стальной трубы и состоять из водопроницаемого отрезка 8, располагающегося в диатомитовом слое 2, непористого отрезка 9, проходящего через наружный водонепроницаемый слой 5, перехватывающего отрезка 10 и отрезка 11 расширения, которые располагаются снаружи в воздушной среде. Водопроницаемый отрезок 8 характеризуется наличием одного закрытого конца и другого конца, сообщающегося с непористым отрезком 9. Водопроницаемый отрезок 8 снабжен множеством водопроницаемых отверстий 12, равномерно распределенных и охватываемых фильтрующим слоем 13 на его наружной поверхности для предотвращения утраты диатомитового слоя 2 от просачивания через водопроницаемые отверстия 12. Перехватывающий отрезок 10 представляет собой отрезок U-образной формы, один из концов которого сообщается с непористым отрезком 9, а другой конец сообщается с отрезком 11 расширения. Оконечная часть отрезка 11 расширения открыта и располагается поверх водоотвода 7.
[0034] Отрезок 11 расширения может направлять избыточную влагу из диатомитового слоя 2 в водоотвод 7.
[0035] Отрезок U-образной формы перехватывающего отрезка 10 характеризуется такими размерами, а дренажная труба 6 располагается под таким углом наклона, что предотвращается прохождение воды в дренажной трубе 6, когда вода внутри перехватывающего отрезка U-образной формы находится в замороженном состоянии.
[0036] Внутренний водонепроницаемый слой 3, нижний слой 4 и/или наружный водонепроницаемый слой 5 выполнены из водонепроницаемой составляющей грунта или слабопроницаемой составляющей грунта.
[0037] Внутренний водонепроницаемый слой 3, нижний слой 4 и/или наружный водонепроницаемый слой 5 выполнены из материала, выбранного из группы, которая включает в себя: смесь извести и грунта в соотношении 3:7, смесь извести и грунта в соотношении 2:8, 5-процентный грунтоцемент или связный грунт.
[0038] Внутренний водонепроницаемый слой 3 и/или нижний слой 4 также выполнены из непромокаемого геотекстильного материала.
[0039] Наружный водонепроницаемый слой 5 может быть также выполнен из непромокаемого геотекстильного материала, покрытого щебенкой.
[0040] Принцип работы настоящего изобретения описан ниже.
[0041] В холодное время года замерзший диатомитовый слой 2 повышает коэффициент теплопроводности, что обеспечивает возможность быстрой отдачи тепла грунтом, подстилающим структуру согласно настоящему изобретению. В теплое время года диатомитовый слой 2 оттаивает, и перехватывающий отрезок 10 дренажной трубы 6 оказывается доступным для сообщения. Одновременно с этим содержание влаги в диатомитовом слое 2 уменьшается, а коэффициент теплопроводности повышается, что препятствует поступлению тепла из окружающей среды в грунт в области инженерно-технического обустройства насыпи и откоса.
[0042] Во время дождя дождевая вода, переносящая частицы на поверхности дорожного полотна, которые образуются, например, вследствие истирания шин автомобилей, фильтруются при прохождении через диатомитовый слой 2, часть воды поглощается диатомитом, а другая часть воды, которая не была поглощена, отводится по дренажной трубе 6 в водоотвод 7. При обилии солнечного света вода, поглощенная диатомитовым слоем 2, испаряется и поглощает тепло. Одновременно с этим содержание влаги в диатомитовом слое 2 уменьшается, что ослабляет тепловую нагрузку, оказываемую окружающей средой на грунт, подстилающий структуру согласно настоящему изобретению.
[0043] Перехватывающий отрезок 10 настоящего изобретения контактирует с воздухом окружающей среды. При падении температуры воздуха вода, находящаяся внутри перехватывающего отрезка 10, замерзает раньше, чем диатомитовый слой 2, благодаря чему вовремя останавливается просачивание воды в диатомитовом слое 2. В результате содержание влаги в диатомитовом слое 2 сохраняется на высоком уровне, что повышает теплопроводность диатомитового слоя 2 в холодное время года. При возрастании температуры воздуха замерзшая вода, находящаяся в перехватывающем отрезке 10, начинает таять раньше, чем диатомитовый слой 2, обеспечивая возможность своевременного отведения воды диатомитового слоя 2, вследствие чего коэффициент теплопроводности диатомитового слоя уменьшается.
[0044] Настоящее изобретение создает «тепловой полупроводник» одногодичного цикла, что может существенно снизить температуру слоя вечной мерзлоты, лежащего в основании структуры температурного охлаждения согласно настоящему изобретению. Заявленное изобретение использует преимущества внутренних природных свойств составляющих грунта и формирует цельное органическое тело, благотворно влияющее на возведение инженерно-технических сооружений с учетом человеческого фактора за счет разумного распределения и объединения разных составляющих грунта.
Пример
[0045] Структура температурного охлаждения согласно настоящему изобретению подходит для самых разных откосов. В соответствии с настоящим изобретением внутренний водонепроницаемый слой 3, нижний слой 4 и наружный водонепроницаемый слой 5 располагаются и выполнены таким образом, что они покрывают диатомитовый слой 2. Более того, верхняя поверхность диатомитового слоя 2 покрывается галечным слоем 1. Внутренний водонепроницаемый слой 3 непосредственно контактирует с грунтом откоса. Галечный слой 1 может характеризоваться толщиной, варьирующейся в пределах около 200-400 мм. Толщины нижнего слоя 4 может лежать в диапазоне около 300-500 мм. Толщина внутреннего водонепроницаемого слоя 3 в перпендикулярном направлении к поверхности откоса может варьироваться в пределах около 200-500 мм. Наружный водонепроницаемый слой 5 может характеризоваться толщиной в направлении перпендикулярно откосу в пределах около 200-500 мм. Толщина диатомитового слоя 2 в перпендикулярном направлении к поверхности откоса может составлять около 400-1000 мм. Толщина твердых частиц в слоях может быть задана, выбрана и/или оптимизирована в зависимости от температуры окружающего воздуха в области инженерно-технического обустройства. Прочие размеры грунтовых массивов в настоящем изобретении могут быть получены путем расчета после определения указанных размеров.
[0046] Дренажная труба 6 может быть полностью выполнена из оцинкованной трубы DN50. Длина водопроницаемого отрезка 8 может составлять около 250-350 мм. Водопроницаемые отверстия 12 на водопроницаемом отрезке 8 могут иметь диаметр около 2-10 мм. Фильтрующий слой 13 может быть образован коррозионно-стойким сетчатым фильтром с отверстиями, диаметр которых меньше минимального размера частиц диатомита. Длина непористого отрезка 9 может составлять около 200-300 мм. Размер a перехватывающего отрезка 10 составляет около 100-150 мм, а размер b – около 150-250 мм, как это показано на фиг. 2.
[0047] Дренажная труба 6 наклонена таким образом, что обеспечивается автоматический отвод избыточной воды в диатомитовом слое 2 под действием силы земного притяжения. Предусмотрены такие размеры перехватывающего отрезка 10 U-образной формы и угол наклона дренажной трубы 6, что при замораживании воды в перехватывающем отрезке 10 U-образной формы обеспечивается полное закупоривание дренажной трубы 6.
[0048] Облицовка из «теплового полупроводника» согласно настоящему изобретению подходит для гибкого применения, как на теневых склонах, так и на теплых склонах с разной толщиной в зависимости от локальных геологических условий и температуры воздуха в той области, где проводится инженерно-техническое обустройство насыпи и откоса.
[0049] Следует понимать, что пример и варианты осуществления заявленного изобретения, описанные в настоящем документе, представлены исключительно для разъяснения, и специалисты в данной области техники могут внести в него различные изменения и модификации, но эти изменения и модификации должны соответствовать характеру, сущности и объему данной заявки и прилагаемой формулы.