ДОРОЖНАЯ НАСЫПЬ НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ
ROAD EMBANKMENT ON PERMAFROST

Изобретение относится к области строительства, а именно к возведению дорожных насыпей на вечной мерзлоте в районах со снегопереносом.
Известна дорожная насыпь на вечной мерзлоте в районах со снегопереносом, содержащая тело насыпи, расположенное на естественной поверхности грунтов оснований, причем тело насыпи выполнено в поперечном сечении в виде трапеции (Дыдышко П.И. Земляное полотно железнодорожного пути. Справочник: науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ». - М.: Интекст, 2012. Рис. 2.91 стр. 247 и рис. 2.111, стр. 262), Достоинством конструкции является наличие охлаждающего устройства. Недостатком данного технического решения является уменьшенный срок службы охлаждающего устройства относительно срока эксплуатации дорожной насыпи.
н
сн
Известна дорожная насыпь на вечной мерзлоте в районах со снегопереносом, содержащая тело насыпи, расположенное на естественной поверхности грунтов оснований, охлаждающую систему для стабилизации температурного режима вечномерзлых грунтов, причем тело насыпи выполнено в поперечном сечении в виде трапеции с верхним (малым) основанием для проезда транспорта, ограниченным по бокам бровками и нижним основанием, равным сумме верхнего основания и двух проекций шириной «d» откосных частей, в которых угол наклона боковых поверхностей равен «α», при этом в зимний период на откосных частях насыпи и смежных с ними участках формируется снеговая призма, в поперечном сечении представляющая треугольник, одна сторона которого совпадает с поверхностью откосной части насыпи, вторая - с естественной поверхностью грунтов оснований, а третья расположена к горизонтали под углом «α», причем одна из вершин треугольника совпадает с бровкой основной площадки (Технические условия на проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию железных дорог на полуострове Ямал. СТО Газпромтранс 4-2012, М.: 2012, п. 5.23, стр. 12), Достоинством данного технического решения является выравнивание срока службы охлаждающего устройства относительно срока эксплуатации дорожной насыпи.
Недостатком данного технического решения является излишне большой объем грунта откосов насыпи.
Целью предлагаемого технического решения является уменьшение объема грунта дорожной насыпи и, соответственно, снижение общей стоимости сооружения.
н
сн
п
п
Поставленная цель достигается тем, что дорожная насыпь на вечной мерзлоте в районах со снегопереносом, содержит тело насыпи, расположенное на естественной поверхности грунтов оснований и охлаждающую систему для стабилизации температурного режима вечномерзлых грунтов. Тело насыпи выполнено в поперечном сечении в виде трапеции с верхним (малым) основанием для проезда транспорта, ограниченным по бокам бровками и нижним основанием, равным сумме верхнего основания и двух проекций шириной «d» откосных частей, в которых угол наклона боковых поверхностей равен «α». В зимний период на откосных частях насыпи и смежных с ними участках формируется снеговая призма, в поперечном сечении представляющая треугольник, одна сторона которого совпадает с поверхностью откосной части насыпи, вторая - с естественной поверхностью грунтов оснований, а третья расположена к горизонтали под углом «α», причем одна из вершин треугольника совпадает с бровкой основной площадки. Охлаждающая система для стабилизации температурного режима вечномерзлых грунтов выполнена в виде расположенной непосредственно на естественной поверхности грунтов оснований параллельно дорожной насыпи грунтовой призмы, в поперечном сечении представляющий собой трапецию с верхним (малым) основанием шириной «b», высотой «h». Расстояние между встречными бровками основной площадки насыпи и верхнего основания грунтовой призмы по горизонтали равно «с», при этом:
д
где h - глубина летнего протаивания в естественных условиях, м.
Кроме того между телом дорожной насыпи и грунтовой призмой охлаждающей системы непосредственно на естественной поверхности грунтов оснований уложен слой теплоизоляции с защитным слоем грунта, при этом:
Сущность технического решения поясняется чертежом, где
на фиг. 1 приведена схема предлагаемого технического решения для стабилизации температурного режима вечномерзлых грунтов.
В предлагаемом техническом решении рассмотрено поперечное сечение насыпи в котором вместо уположенных откосов отсыпана площадка из местных неуплотненных грунтов за пределами снежной призмы. Дорожная насыпь на вечной мерзлоте в районах со снегопереносом содержит тело насыпи 1, грунтовую призму 2, слой теплоизоляции 3 с защитным слоем грунта 4.
o
н
сн
Тело насыпи 1, расположено на естественной поверхности грунтов оснований 5, выполнено в поперечном сечении в виде трапеции с верхним (малым) основанием b для проезда транспорта, ограниченным по бокам бровками и нижним основанием, равным сумме верхнего основания и двух проекций шириной «d» откосных частей, в которых угол наклона боковых поверхностей равен «α», при этом в зимний период на откосных частях насыпи и смежных с ними участках формируется снежная призма 6, в поперечном сечении представляющая треугольник, одна сторона которого совпадает с поверхностью откосной части тела насыпи 1, вторая - с естественной поверхностью грунтов оснований 5, а третья расположена к горизонтали под углом «α», причем одна из вершин треугольника совпадает с бровкой верхнего (малого) основания тела насыпи 1. Система увязана соотношениями:
где: с - расстояние между встречными бровками основной площадки насыпи и верхнего основания грунтовой призмы, м;
н
h - высота тела насыпи, м;
п
h - высота грунтовой призмы, м;
сн
tgα - величина, характеризующая уклон снежной призмы;
п
b - ширина грунтовой призмы, м;
д
b - глубина летнего протаивания в естественных условиях, м;
сн
h - высота снежных отложений в естественных условиях, м.
Кроме того, между телом дорожной насыпи и грунтовой призмой охлаждающей системы непосредственно на естественной поверхности грунтов оснований уложен слой теплоизоляции 3 с защитным слоем грунта 4, при этом:
где: е - расстояние между телом дорожной насыпи и грунтовой призмой, м;
d - ширина откосной части тела насыпи, м;
н
tgα - величина, характеризующая уклон откоса насыпи.
Дорожная насыпь на вечной мерзлоте в районах со снегопереносом работает следующим образом.
н
сн
На фиг. 1 приведена половина поперечного сечения насыпи (в связи с тепловой симметрией) высотой h, со снежными отложениями в естественных условиях h и отложением снега 6 у откоса насыпи с уклоном 1:5. При этом основная площадка насыпи оголена от снега. Такие снегоотложения соответствуют региону г. Салехард. Однако сама схема снегоотложений характерна для всей территории, где имеет место снегоперенос: с основной площадки снег сдувается, а у откосов скапливаются снегоотложения, но с разным уклоном в зависимости от величины снегопереноса. Уклоны снегоотложения для севера п-ва Ямал составляют 1:10 и по ложе. Наиболее слабым местом является зона грунтов оснований под подошвой откоса насыпи, талая зона по глубине здесь превышает 7 м. Распространенным конструктивным мероприятием для борьбы с вредным тепловым влиянием снежных отложений является регулировка поперечного сечения насыпи, то есть уширение основной площадки насыпи. Это увеличивает зону без снега, через которую поступает холод, что улучшает температурный режим, снижая зону талика у подошвы откоса насыпи.
Предлагаемое техническое решение содержит охлаждающую систему (фиг. 1), выполненную в виде расположенной непосредственно на естественной поверхности грунтов оснований 5 параллельно тела дорожной насыпи 1 грунтовой призмы 2.
Охлаждающим элементом грунтовой призмы из местного грунта является ее поверхность, поднятая относительно окружающей местности на высоту, превышающую максимальную за зимний период мощность снежного покрова в естественных условиях залегания на прилегающей к насыпи территории, как показано на фиг. 1, вследствие чего снег с нее сдувается и в течение всей зимы через эту поверхность происходит интенсивное охлаждение нижележащего грунта.
Для увеличения эффективности охлаждения на внутренней полосе поверхности грунтов основания между подошвами встречных откосов насыпи и охлаждающей грунтовой призмы может быть дополнительно размещена теплоизоляция 3 в виде слоя пенопласта с защитным слоем 4 из грунта (фиг. 1). Под теплоизоляцией происходит подъем поверхности вечномерзлого грунта, и глубина сезонного оттаивания под подошвой откоса уменьшается, а общий характер температурного поля в основании насыпи существенно улучшается.
Более подробно работа охлаждающей системы рассмотрена в Приложении 1.
Предлагаемое техническое решение предусматривает замену части уположенных откосов насыпи площадкой из местных неуплотненных грунтов за пределами снежной призмы 6 (фиг. 1). Мы видим практически тот же эффект, что и откосы, но с меньшими затратами грунта. Сопоставление показывает, что замена охлаждающими площадками уположенных откосных частей может привести к снижению на 10-30% объемов грунта для насыпи, при этом для площадок возможно эффективно использовать местные грунты, непригодные для отсыпки самой насыпи.
В летнее время охлаждающая система перестает работать, тепловой поток в грунты основания через поверхность насыпной призмы превышает аналогичную величину теплового потока, поступающего через естественную поверхность, т.к. на площадке отсутствует растительный покров. Тем не менее, охлаждение грунтов основания через оголенную поверхность насыпной площадки оказывается достаточным для того, чтобы привести к постепенному понижению мерзлоты до определенного предела, гарантирующего стабилизацию температурного режима под насыпью. При этом очень важно, что процесс регулирования температурного режима грунтов в основании насыпи становится управляемым. При данном техническом решении появляется возможность контролировать и в значительной мере компенсировать отепляющее влияние снежных заносов, образующихся у подошвы откосов, способствуя тем самым повышению устойчивости земляного полотна.
Описание существенных признаков.
Первым существенным признаком предлагаемого технического решения является тело насыпи, расположенное на естественной поверхности грунта и обеспечивающее проезд транспорта.
Вторым существенным признаком является охлаждающая система, содержащая насыпную грунтовую призму из местного грунта, расположенную на естественной поверхности грунта параллельно дорожной насыпи, при этом поверхность насыпной грунтовой призмы должна быть на уровне или превышать максимальный естественный уровень снежного покрова на окружающей территории.
Третьим существенным признаком является то, что насыпная грунтовая призма размещается вне зоны образования максимальных снежных отложений у подошвы откосов насыпи.
Все три существенных признака необходимы и достаточны для обеспечения поставленной цели - стабилизации температурного режима вечномерзлых грунтов в основании насыпи.
Эффективность предлагаемого технического решения характеризуется тем, что для отсыпки грунтовой призмы требуется на 10-30% меньше объем грунта, причем это может быть обычный (местный) грунт, в то время как для уположения откосов необходим более дорогой кондиционный материал, допустимый по Техническим Условиям.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ОСОБЕННОСТИ УЧЕТА ТЕПЛОВОГО ВЛИЯНИЯ СНЕЖНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ У НАСЫПЕЙ ЖЕЛЕЗНЫХ И АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В РЕГИОНАХ С РАСПРОСТРАНЕНИЕМ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
Характер и величина снежных отложений являются одним из главных факторов, определяющих температурный режим грунтов тела и оснований насыпей в регионах распространения многолетнемерзлых грунтов. На конструктивно-технологические мероприятия, компенсирующие вредные тепловые влияния снежных отложений идут весьма значительные затраты. Поэтому исследование теплового влияния снежных отложений и разработка эффективных мер по компенсации вредной составляющей этого влияния является важной и актуальной задачей.
На рис. 1 приведена половина поперечного сечения насыпи (в связи с тепловой симметрией) высотой 3,0 м, со снежными отложениями в естественных условиях 0,3 м и отложением снега у откоса насыпи с уклоном 1:5. При этом основная площадка насыпи оголена от снега. Такие снегоотложения соответствуют региону г. Салехард. Однако сама схема снегоотложений характерна для всей территории, где имеет место снегоперенос: с основной площадки снег сдувается, а у откосов скапливаются снегоотложения, но с разным уклоном в зависимости от величины снегопереноса. На рис. 2 показаны снегоотложения для севера п-ва Ямал (уклоны откосов снега там составляют 1:10 и положе).
На рис. 1 приведено температурное поле на момент окончания теплого периода года, т.е. на момент максимального протаивания. Мы видим, что наиболее слабым местом является зона грунтов оснований под подошвой откоса насыпи. Талая зона по глубине здесь превышает 7 м.
При наличии высокольдистых грунтов (а это явление характерно для Заполярья) после протаивания произойдет просадка грунтов, что вызывает сползание откосов. Чтобы избежать деформаций применяют различные конструктивно-технологические мероприятия: изменяют конфигурацию поперечного сечения насыпи, используют теплоизоляционные материалы, охлаждающие установки и т.п.
На рис. 3 приведен пример распространенного конструктивного мероприятия для борьбы с вредным тепловым влиянием снежных отложений - регулировка поперечного сечения насыпи. На рис. 3,б показано уширение основной площадки насыпи. Это увеличивает зону без снега, т.е. через которую поступает суммарно за год холод, что улучшает температурный режим, снижая зону талика у подошвы откоса насыпи. Такие же конструктивные решения по существу, но несколько отличающиеся по форме, приведены на рис. 3,в и г - здесь увеличение охлаждающей зоны достигнуто уположением откосов.
На рис. 3,д приведено техническое решение, характеризующееся применением ступенчатых откосов - для регионов с отсутствием снегопереноса, для которых характерна оголенность от снега вертикальных поверхностей.
Регулировка температурного режима путем дополнительных частей поперечного сечения требует существенных дополнительных объемов грунта. В значительном числе регионов, расположенных в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов, хорошие грунты, годные для отсыпки насыпей, являются дефицитными. Поэтому важным является нахождение технических решений, равных по эффекту, но требующих меньше затрат грунта.
На рис. 4 приведено такое решение. Рассмотрено такое же поперечное сечение насыпи, как и на рис. 1, расположенной в тех же природных условиях (регион г. Салехард). Но здесь вместо уположенных откосов отсыпана площадка 1 из местных неуплотненных грунтов за пределами снежной призмы 2. На этом же рисунке приведено температурное поле на тот же момент времени, что и на рис. 1. Мы видим практически тот же эффект, что и откосы, но с меньшими затратами грунта: изотермы 0°С и -0,5°С в зоне подошвы откоса насыпи выровнялись, а справа сформировалась новая мерзлая зона 3 с температурой -1°С.
На рис. 5 дано сопоставление объемов грунта для двух разных подходов: создание уположенных откосных частей и создание отдельных охлаждающих площадок.
Сопоставление показывает, что замена охлаждающими площадками уположенных откосных частей может привести к снижению на 10-30% объемов грунта для насыпи, при этом для площадок возможно эффективно использовать местные грунты, непригодные для отсыпки самой насыпи.