ДОРОЖНАЯ НАСЫПЬ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Полезная модель относится к области строительства, а именно к сооружению дорожных насыпей на вечномерзлых грунтах оснований.
Известна насыпь, высота которой, определяемая теплотехническим расчетом позволяет сохранить расчетные отрицательные температуры мерзлых оснований (М.А.Фришман, И.Н.Холлов, В.П.Титов «Земляное полотно железных дорог», М., Транспорт, 1972 г., с.15, рис.1а).
Недостаток этой насыпи состоит в том, что при применении ее в области распространения вечной мерзлоты на просадочных при оттаивании мерзлых грунтах основание насыпи деформируется, что влечет за собой разрушение насыпи.
Наиболее близкой к предлагаемой является насыпь на вечномерзлых грунтах, содержащая устройства для охлаждения грунтов в виде системы труб воздушно-конвективного охлаждения. Трубы расположены горизонтально и имеют вертикальные выпуски (Permafrost 4th Int. Conf. Proc. July 17-22, 1983, XXIV, с.283-288). Недостаток -
недостаточная эффективность при расположении дорожной насыпи на основаниях, включающих слои погребенного льда.
Задача предлагаемой полезной модели состояла в повышении долговечности и надежности дорожных насыпей, сооружаемых в сложных мерзлотно-грунтовых условиях.
Для достижения указанного технического результата в дорожной насыпи на вечномерзлых грунтах, содержащей тело насыпи и устройства для охлаждения грунтов в виде системы труб воздушно-конвективного охлаждения, система труб выполнена в виде установленных вертикально или наклонно пустотелых столбов, размещенных по одному или более в пределах откоса насыпи и прилегающей к ней территории с обеих сторон насыпи на расстоянии 20-30 м друг от друга вдоль насыпи, при этом длина надземной части столба равна 2-4 м, а длина заглубленной в грунт части составляет 10-20 м.
Кроме того, полости столбов могут быть замкнуты и содержать вставку для обеспечения коаксиального движения восходящих и нисходящих потоков воздуха при конвекции и дополнительные жидкостные или парожидкостные охлаждающие установки.
На чертеже изображена предлагаемая дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах, поперечное сечение.
Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах содержит тело 1 насыпи, расположенное на естественной поверхности 2 грунта, и устройства для охлаждения грунта, выполненные в виде пустотелых столбов 3, частично возвышающихся над уровнем снежных отложений 4. Столбы 3 размещены в пределах откоса 5 насыпи или прилегающей к откосу насыпи территории. В продольном направлении насыпи столбы 3 расположены на расстоянии не более, чем расстояние теплового взаимовлияния. С каждой стороны насыпи расположен один ряд столбов, но в особо сложных мерзлотно-грунтовых условиях может быть и более
одного ряда. Расстояние «в» между рядами столбов, расположенных с противоположных сторон насыпи, в основном не должно превышать расстояние теплового взаимовлияния. Для такой конструкции столбов это расстояние примерно равно 10-30 м. Однако в ряде случаев это правило может быть нарушено. С внешней стороны насыпи и частично под нижней частью откоса насыпи может быть уложена теплоизоляция. Теплоизоляция может быть выполнена в виде слоя 6 пеноплэкса, уложенного на естественную поверхность 2 грунта (при необходимости на небольшой выравнивающий слой), и защищенного слоем 7 грунта толщиной 30-40 см. Ниже поверхности 8 основной площадки насыпи 1 целесообразно расположить слой 9 геотекстиля для отвода поверхностных (дождевых) вод. Слой геотекстиля размещают на глубине сезонного протаивания. Предложенная конструкция насыпи позволяет обеспечить положение 10 нулевой изотермы на момент окончания теплого периода года и сформировать в основании насыпи ядро 11 грунта с пониженной температурой. Температура грунта будет определяться климатическими и мерзлотно-грунтовыми условиями, а также особенностями столбов 3 и может быть определена расчетом. Столбы могут быть открытыми сверху. Тогда конвекция воздуха будет интенсивнее. Однако тогда возможно интенсивное образование инея. Поэтому полость столба целесообразно делать замкнутой, но доступной для осмотра. Для этого предусмотрена крышка 12. С целью повышения эффективности работы столбов 3 в их полости могут быть установлены коаксиальные вставки или предусмотрено разделение полости другим способом для разделения восходящих и нисходящих потоков. Также в полости могут быть установлены жидкостные или парожидкостные охлаждающие установки (доступ в полость возможен с помощью крышки 12). Предлагаемая конструкция дорожной насыпи работает следующим образом. Основным охлаждающим звеном являются пустотелые столбы 3. В зимнее время в
возвышающейся над уровнем снежных отложений части столба воздух охлаждается и поступает вниз, а более теплый воздух подземной части полости поднимается кверху. В летний период конвекции нет. Таким образом, за счет конвекции происходит передача холода вниз. Если полость столба свободна от каких-либо вставок, то конвекция затухает книзу. Для интенсификации конвекции могут быть использованы дополнительно коаксиальные вставки, представляющие собой трубы, установленные концентрически в полости столба 3. Эти трубы позволяют разделить нисходящие и восходящие потоки и тем самым свести к минимуму процесс затухания книзу передачи холода. Как вариант могут быть сформированы двутрубные системы, в которых по одной ветви идут нисходящие, а по другой восходящие потоки. Для интенсификации охлаждения грунтов в полость столба 3 могут быть также установлены парожидкостные охлаждающие установки. Таким образом, столбы 3 работают как охлаждающие установки самостоятельно. В экстренных случаях при обнаружении деформаций земляного полотна в процессе его эксплуатации может быть осуществлена прокачка холодным воздухом или охлаждение азотом. Другими словами, предложенная конструкция обладает широкой универсальностью в зависимости от сложившихся условий. Другим важным свойством предложенной конструкции является надежность. Вообще говоря, парожидкостные охлаждающие установки могут быть установлены самостоятельно в грунт без столбов 3. Но они быстро выходят из строя. Расчетный срок эксплуатации дороги 50-100 лет, и охлаждающие установки должны иметь такой же срок эксплуатации. Предлагаемая конструкция позволяет это обеспечивать. Для обеспечения возможности осуществлять содержание столбов 3, последние должны иметь поперечное сечение полости, достаточное для доступа туда людей. Поэтому размер (ширина или диаметр) этого сечения должен быть порядка 1 м. Оборудование для забуривания таких столбов существует.
Столбы должны быть оборудованы съемной крышкой 12 для обеспечения доступа в полость. Размер полости может быть уменьшен, например, до диаметра 50 см и более. Однако при этом возможности содержания столбов будут снижены. Для повышения эффективности охлаждения грунтов могут быть уложены с обеих сторон насыпи слои теплоизоляции 6, которая играет важную роль в формировании температурного режима. Она играет двоякую роль. Во-первых, она уменьшает глубину сезонного протаивания подошвы откосов насыпи. Для этого ее ширина должна быть не менее двух значений глубины сезонного протаивания в естественных условиях. Тем самым обеспечивается большая их устойчивость. Во-вторых, она позволяет увеличить ширину твердомерзлого ядра 11, поскольку исключает в этой зоне отрицательное влияние снежных заносов.
Длина надземной части столба 3, возвышающейся над уровнем снежных отложений 4, определяется требованием охлаждения воздуха внутри полости за счет теплопередачи в окружающее воздушное пространство. Из опыта эксплуатации подобных устройств длина надземной части должна быть 2-4 м. Длина подземной части определяется вариантом, когда происходит наиболее эффективная теплопередача для конкретных рассматриваемых условий. В зависимости от конкретных условий: конфигурации насыпи, климатического региона, наличия или отсутствия усиливающих вставок длина будет разная. В общем наиболее рациональный диапазон составляет 10-20 м.
Столбы 3 как в поперечном, так и в продольном направлениях должны устанавливаться на расстоянии взаимного теплового влияния. В зависимости от конкретных (перечисленных выше) условий это расстояние равно 10-30 м.
Эффективность предложенного решения определяется следующим:
- надежностью и долговечностью. Срок службы охлаждающих систем соответствует расчетному сроку службы насыпи (дороги);
- универсальностью. Мощность охлаждающих систем может широко варьироваться включением в полость различных вставок или прогонкой холодного воздуха, охлаждением азотом и т.п.
Область рационального применения предлагаемого технического решения - особо сложные мерзлотно-грунтовые условия, когда в основаниях дороги залегают высокольдистые грунты, слои льда и т.п.