ВОДОПРОПУСКНОЕ СООРУЖЕНИЕ В ДОРОЖНОЙ НАСЫПИ НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ

Полезная модель относится к области строительства, а именно к сооружению дорожных насыпей в районах распространения вечномерзлых грунтов.
Известно водопропускное сооружение в дорожной насыпи на вечномерзлых грунтах. Оно представляет собой водопропускную трубу (Т.Н.Жинкин, И.А.Грачев «Особенности строительства железных дорог в районах распространения вечной мерзлоты и болот», М., УМК МПС России, 2000, с.143, рис.1.48). Недостатком этого водопропускного сооружения является то, что при малых расходах воды оно становится неоправданно дорогим.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является водопропускное сооружение, представляющее собой фильтрующую прорезь (Г.Н.Жинкин, И.А.Грачев
«Особенности строительства железных дорог в районах распространения вечной мерзлоты и болот», М., УМК МПС России, 2000, с.63. рис.1.25).
Недостатком сооружения является то, что на высокольдистых вечномерзлых грунтах возможны деформации прилегающих к подошве откоса грунтов в связи с подтоплением и изменением теплового баланса.
Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения надежности дорожной насыпи, сооружаемой на высокольдистых вечномерзлых грунтах.
Для решения поставленной задачи в водопропускном сооружении в дорожной насыпи на вечной мерзлоте, включающем состоящее из фильтрующего материала тело фильтрующей прорези, выполненное в сечении в виде трапеции или прямоугольника, пересекающее дорожную насыпь в поперечном направлении, при этом боковые стороны тела прорези контактируют с телом насыпи, а нижнее основание (подошва) прорези контактирует с грунтом основания, тело фильтрующей прорези заглублено в грунт основания на глубину «с», равную 0,2-0,5 м.
Кроме того, по подошве фильтрующей прорези симметрично относительно ее центра может быть уложен слой пенопласта толщиной «δ», шириной «в» поперек продольной оси насыпи и длиной «l» вдоль продольной оси насыпи, при этом «δ» и «l» определяют из выражений:
δ=0,03 h, м;
l=4 h, м,
где h - величина подъема нулевой изотермы в тело насыпи относительно уровня подошвы прорези, а величину «в» принимают равной ширине, на которой нулевая изотерма расположена выше уровня подошвы прорези. В направлении продольной оси фильтрующей прорези могут быть размещены одна или несколько перфорированных труб.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг.1 изображено водопропускное сооружение в дорожной насыпи, сечение перпендикулярное продольной оси насыпи;
на фиг.2 изображено водопропускное сооружение в дорожной насыпи при наличии пенопласта по подошве прорези, сечение перпендикулярное продольной оси насыпи;
на фиг.3 изображено водопропускное сооружение в дорожной насыпи при наличии перфорированных труб, сечение перпендикулярное продольной оси насыпи;
на фиг.4 изображено сечение водопропускного сооружения по продольной оси насыпи;
на фиг.5 приведен график зависимости температуры грунта на глубине нулевых амплитуд от уровня грунтовых и поверхностных вод.
Водопропускное сооружение в дорожной насыпи на вечной мерзлоте содержит тело 1 фильтрующей прорези, пересекающее в поперечном направлении дорожную насыпь 2, ограниченное сверху балластной призмой 3, а снизу грунтом основания 4. В поперечном сечении (т.е. вдоль оси насыпи) фильтрующая прорезь имеет очертание прямоугольника или трапеции (фиг.4) и выполнена из фильтрующего материала (например, из сортированного камня). Тело фильтрующей прорези 1 заглублено ниже естественной поверхности грунта на величину «с», которую можно принять в пределах 0,2-0,5 м.
При высоте насыпи, превышающей глубину сезонного протаивания, под подошвой фильтрующей прорези симметрично относительно ее центра может быть уложен слой 6 пенопласта толщиной «δ», шириной «в» поперек продольной оси насыпи и длиной «l» вдоль продольной оси насыпи, при этом «δ» и «l» определяют из выражений:
δ=0,03 h, м;
l=4 h, м,
где h - величина подъема нулевой изотермы в тело насыпи относительно уровня подошвы прорези, а величину «в» принимают равной ширине, на которой нулевая изотерма расположена выше уровня подошвы прорези.
При высоте насыпи, превышающей глубину сезонного протаивания в теле фильтрующей прорези в направлении ее продольной оси могут быть размещены одна или несколько труб 9 с перфорацией 10.
Для предохранения фильтрующей прорези от смешивания с грунтом основания целесообразна укладка слоя 11 геотекстиля.
Водопропускное сооружение в дорожной насыпи на вечной мерзлоте работает следующим образом. При наступлении теплого периода года поверхностные воды (вначале от таяния снегов, а затем дождевые) по естественной поверхности 5 грунта поступают с верховой стороны к насыпи и скапливаются у фильтрующей прорези. По мере протаивания скального грунта (камня) в прорези вода проходит через прорезь к низовой стороне насыпи. По мере увеличения сезонного протаивания в окружающей местности уровень низа водного потока понижается. Поскольку низ 4 фильтрующей прорези расположен ниже на величину «с» естественной поверхности 5 грунта, то водный поток свободно проходит сквозь фильтрующую прорезь. Если бы низ фильтрующей прорези был бы на уровне естественной поверхности 5, грунт под насыпью был бы уплотнен от веса насыпи, и фильтрация в верхней части деятельного слоя была бы невозможна. В результате перед насыпью с верховой стороны сформировалось бы подтопление грунтовыми водами, которое растепляет грунты рядом с насыпью. Это, в свою очередь, способствует повышению температуры вечномерзлых грунтов непосредственно под телом насыпи, вплоть до их протаивания. В результате возникают деформации насыпи. На фиг.5 представлена зависимость степени растепления грунта от степени подтопления. (Невмержицкая Л.И. Автореферат диссертации на
соискание ученой степени канд. техн. наук «Методика учета теплового влияния поверхностных и грунтовых вод при проектировании транспортных сооружений на вечной мерзлоте», М., 2005 г., с.9, рис.5). Из этой зависимости видно, что наиболее сильное тепловое влияние подтопления оказывается при колебании уровня воды в пределах ±0,5 м от уровня естественной поверхности грунта. В связи с этим принята величина «с» равная 0,2-0,5 м.
Толщина «δ» пенопласта принята зависящей от параметра «h» - величины подъема нулевой изотермы в тело насыпи. Эта зависимость определяется соотношением коэффициентов теплопроводности (коэффициент теплопроводности пенопласта равен 0,045 ккал/(м·ч·град), а грунта 1,5 ккал/(м·ч·град). Эта зависимость приближенная, однако правильно отражает физику процессов. По этому принципу зависимость может быть уточнена для каждого грунта или вида теплоизоляции.
Зависимость l=4 h принята на основании положений нормативно-рекомендательного документа СП 32-101-95 «Проектирование и устройство фундаментов опор мостов в районах распространения вечномерзлых грунтов». Корпорация Трансстрой, М., 1996, с.37-40.
Слой 6 пенопласта устраивают для того, чтобы вошедшая в тело фильтрующей прорези мерзлота (положение нулевой изотермы показано позицией 7) не препятствовала фильтрации. При укладке пенопласта подъема нулевой изотермы не происходит.
Для облегчения начала фильтрации в замерзшей за зиму фильтрующей прорези в последней расположена труба 9. Диаметр трубы принимается небольшим (порядка 20-50 см). По ней начинает течь вода, которая при этом способствует протаиванию расположенного вокруг камня и началу фильтрации по нему. При этом область фильтрации быстро расширяется, и фильтрующая прорезь начинает работать в полную меру. Для того, чтобы в трубе в осенний период не замерзла вода при прогибе
трубы, в последней сделаны отверстия 10, через которые в осеннее время вода вытекает. Для нормальной работы трубы 9 последняя должна быть расположена выше естественного уровня 5 грунта не менее, чем на высоту снежных заносов.
Эффективность предлагаемой конструкции определяется повышением надежности дорожной насыпи, расположенной на высокольдистых вечномерзлых грунтах. Надежность повышается по двум причинам:
во-первых, из-за углубления дренирующей прорези снижается опасность растепления грунтов в результате подтопления территории с верховой стороны;
во-вторых, применение пенопласта или перфорированных труб позволяет улучшить пропуск воды через прорезь и тем самым снизить опасность различных размывов и обводнений насыпи.
Наиболее эффективная зона применения данного технического решения - южная зона распространения вечной мерзлоты, где колебания уровня грунтовых и поверхностных вод сказываются наиболее пагубно на температурном режиме подстилающих грунтов.