ДРЕНАЖНАЯ СИСТЕМА
DRAINAGE SYSTEM

Изобретение относится к области строительства в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях, в том числе вечномерзлых, и может быть использовано при строительстве и реконструкции любых сооружений, например зданий, земляного полотна железных и автомобильных дорог, магистральных трубопроводов, плотин и дамб на слабых основаниях и выветрелых грунтах.
Основная причина потери несущей способности сооружений в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях связана с деформациями грунтов водонасыщенного основания (слоя сезонного промерзания), которые происходят в результате сезонного промерзания - оттаивания, а затем разуплотнения разрушающихся непрочных скальных грунтов, например глинистых или песчаных сланцев, и последующего суффозионного выноса грунтовых частиц в полевую или подгорную сторону по полосам стока.
Фильтрационное воздействие водных поверхностных и грунтовых потоков с нагорной стороны, которое происходит по полосам стока, обводняет грунты основания и вызывает пучение переувлажненных грунтов под основной площадкой земляного сооружения в зимний период и разрушение грунтов, и вынос частиц грунта из-под основной площадки земляного сооружения в низовую сторону от железнодорожного пути в летний период. Суффозионный вынос грунтовых частиц по трещинам из-под земляного полотна способствует образованию пор и пустот в основании земляного полотна, расположенных на полосах стока, увеличивающихся с годами. Это приводит к пучинопросадочным деформациям и влияет на прочность грунтов основания, что дополнительно усугубляется изменениями природно-климатических условий и вибродинамического воздействия подвижного состава. Нарушается безопасность и бесперебойность движения поездов.
Стабилизация земляных сооружений, основания которых сложено размываемыми грунтами, достигается различными способами, мелиорацией (осушением) с помощью различных дренажных устройств, например канав, дренажей, водоотжимных берм из мелкодисперсных грунтов и др., отводом за пределы основной площадки, а также заполнением пор и пустот основания вяжущими материалами.
Известны устройства, использование которых позволяет стабилизировать грунты основания путем осушения и упрочнения приподошвенных зон за счет сбора и отвода грунтовой воды с полос стока по траншеям, дно которых имеет продольный уклон в сторону водовыпуска.
Известно дренажное устройство для сбора и отвода грунтовой воды, основанное на осушении грунтов оснований путем сбора и отвода грунтовой воды [Справочник по земляному полотну эксплуатируемых железных дорог М.А.Аверочкина, С.С.Бабицкая и др. Под ред. А.Ф.Подпалого и др. - М.: Транспорт, 1978. С.243-244].
Дренажное устройство представляет собой дренажную траншею с дренажными трубами, уложенными в траншее. Дренажная траншея выполнена продольно в приподошвенной зоне земляного полотна железнодорожного пути на глубину слоя сезонного промерзания грунтов основания (до границы сезонного промерзания-протаивания).
Дренажная траншея заполнена послойно дренирующими крупнопористыми материалами, уложенными от низа траншеи в порядке возрастания крупности частиц в обратном направлении фильтрации, например материалами из щебня, песка и местного грунта.
Устройство работает следующим образом.
С наступлением отрицательных температур грунтовая вода с нагорной стороны по полосам стока под действием увеличивающегося гидродинамического напора проникает в грунты основания. Через фильтрующие материалы дренажной траншеи вода попадает в дренажную трубу и отводится ею за пределы земляного полотна железнодорожного пути. Грунтовая вода удаляется из грунтов основания и приподошвенной зоны земляного полотна, что приводит к уменьшению их влажности, к снижению фильтрационного воздействия грунтовой воды на земляное полотно железнодорожного пути и к частичному уменьшению пучинообразования грунтов основания и приподошвенных зон земляного полотна в зимнее время.
При промерзании пылеватых и глинистых грунтов частично оставшаяся грунтовая вода в основании земляного полотна на полосах стока мигрирует из нижних трещиноватых грунтов слоя сезонного промерзания к поверхностным грунтам основания, где замерзает, способствуя продолжению процесса пучинообразования, неравномерного по длине основания. Неравномерное по длине основания пучинообразование приводит к деформированию дренирующих грунтов в основании и в траншее в виде «гребенки».
При наступлении положительных температур оттаявшая грунтовая вода разупрочняет грунты основании земляного полотна на полосах стока и способствует осадке земляного полотна.
Достоинство известного устройства заключается в повышении стабильности грунтов основания до 11-й категории деформативности за счет их осушения, приводящего к снижению фильтрационного воздействия грунтовой воды на земляное полотно железнодорожного пути и к частичному уменьшению пучинообразования грунтов основания земляного полотна в зимнее время. Деформирование грунтов составляет 20-30 мм.
Однако, несмотря на повышение стабильности грунтов основания земляного полотна, оно не обеспечивает достижения минимального (нормативно-допустимого) деформирования грунтов основания земляного полотна, что является недостатком известного устройства. Это обусловлено разупрочнением грунтов основания земляного полотна оставшейся грунтовой водой в слое сезонного промерзания грунтов основания и приподошвенных зон земляного полотна, и дополнительно поступающей грунтовой водой с нагорной стороны по полосам стока.
Другим недостатком известного устройства является короткий срок службы самой дренажной системы, не более 3-х лет. Это обусловлено образованием пучин в дренирующих грунтах в траншее в виде «гребенки», которые приводят к деформации дренажной трубы и нарушению ее продольного уклона, и, как следствие, к нарушению работы дренажного устройства.
7
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является дренажное устройство, предназначенное для предотвращения наледеобразования на склонах в малоснежных районах распространения вечной мерзлоты и основанное на сборе и отводе грунтовой воды из осушаемой территории [Беляков А.Е., Бабелло В.А., Петров B.C. Способ предотвращения наледеобразования на склонах в малоснежных районах распространения вечной мерзлоты. Патент на изобретение РФ №2152483, МПК E02D 31/02, E02B 3/18, F25D 21/00 Заявка: 98114808/13, 27.07.1998. Опубликовано: 10.07.2000 Патентообладатель(и): Читинский государственный технический университет].
Дренажное устройство представляет собой систему из дренажной траншеи с дренажными трубами и водонепроницаемого экрана.
Дренажная траншея выполнена за пределами осушаемой территории перпендикулярно нагорной части рельефа (склона) на глубину слоя сезонного промерзания (деятельного слоя или до границы сезонного промерзания-протаивания).
Например, для осушения грунтов основания деятельного слоя железнодорожного пути дренажная траншея выполнена вдоль железнодорожного пути за пределами приподошвенной зоны земляного полотна.
Дренажные трубы установлены в нагорной части дренажной траншеи вертикально и соединены в верхней части (на поверхности) продольной дренажной трубой в единую магистраль.
Вертикальные дренажные трубы установлены на глубину, не превышающую глубину слоя сезонного промерзания.
Водонепроницаемый экран выполнен в подгорной части дренажной траншеи на глубину ниже глубины слоя сезонного промерзания.
Дренажная траншея поверх продольной дренажной трубы закрыта крупнопористым дренирующим материалом, например щебнем и песком.
Устройство работает следующим образом.
В период отрицательных температур под действием силы тяжести и под действием гидростатического напора подземная грунтовая вода с нагорной стороны по трещинам в грунтах, расположенных на полосах стока, попадает в продольную дренажную трубу и отводится ею за пределы осушаемой территории, например за пределы осушаемой территории вдоль приподошвенной зоны земляного полотна железнодорожного пути для осушения земляного полотна. При этом водонепроницаемый экран также препятствует проникновению воды на осушаемую территорию - основание земляного полотна железнодорожного пути.
Таким образом, грунтовая вода удаляется из грунтов нагорной части, откуда обычно поступает вода в грунты основания земляного полотна по полосам стока, и практически не попадает в грунты осушаемой территории. Результатом является уменьшение ее влажности, снижение фильтрационного воздействия грунтовой воды, например, на земляное полотно железнодорожного пути, и частичное уменьшение наледе- и пучинообразования грунтов основания и приподошвенных зон земляного полотна в зимнее время и выравнивание деформаций по длине основания. Величина пучин снижается до нормативно допустимых величин - 10 мм. При такой величине деформаций дренирующих грунтов в основании и в траншее процесс пучинообразования в виде «гребенки» замедляется.
Достоинством известной системы является повышение стабильности грунтов основания земляного полотна до I-й категории деформативности, приводящее к увеличению срока службы земляного полотна до 5-7 лет.
Однако срок службы земляного полотна I-й категории деформативности ниже нормативного срока службы земляного полотна, что является недостатком известной дренажной системы. Это обусловлено тем, что грунтовая вода в порах и пустотах грунтов основания в полосах стока, лежащих ниже глубины слоя сезонного промерзания в основании, при промерзании пылеватых и глинистых грунтов мигрирует из нижних грунтов слоя сезонного промерзания к поверхностным грунтам основания, где замерзает, способствуя продолжению процесса пучинообразования. Основание земляного полотна продолжает неравномерно деформироваться, нормативные показатели земляного полотна не обеспечиваются, а дренажное устройство с течением времени работает неэффективно.
Задача, решаемая заявляемым решением, заключается в разработке дренажной системы, позволяющей увеличить срок службы земляного полотна до нормативного срока за счет обеспечения постоянной их стабильности благодаря значительному уменьшению миграции воды из нижних слоев грунтов слоя сезонного промерзания к поверхностным грунтам основания и земляного полотна путем кольматирования пор и пустот грунтов основания, лежащих ниже глубины слоя сезонного промерзания на полосах стока.
Для решения поставленной задачи дренажная система, содержащая верхнюю продольную дренажную траншею с дренажной трубой, заполненную крупнопористым дренирующим материалом и выполненную за пределами осушаемой территории перпендикулярно нагорной части рельефа на глубину слоя сезонного промерзания, и водонепроницаемый экран, выполненный в подгорной части дренажной траншеи ниже глубины слоя сезонного промерзания, дополнительно снабжена нижней продольной дренажной траншеей, выполненной в пределах осушаемой территории на глубине слоя сезонного промерзания и заполненной крупнофракционным дренирующим материалом, и поперечными дренажными траншеями, соединяющими обе продольные дренажные траншеи в полосах стока, выполненными ниже глубины слоя сезонного промерзания и заполненными дисперсным адсорбирующим материалом.
В качестве крупнофракционного дренирующего материала использован фракционный скальный грунт, в качестве дисперсного адсорбирующего материала использован отсев карбонатно-магнезиальный минерала брусита или смесь отсевов брусита и кремнеземистого минерала цеолита.
Дополнение дренажной системы нижней продольной дренажной траншеей, заполненной крупнопористым дренирующим материалом, и выполненной в пределах осушаемой территории на глубине слоя сезонного промерзания, а также поперечными дренажными траншеями, соединяющими обе продольные дренажные траншеи в полосах стока, выполненными ниже глубины слоя сезонного промерзания и заполненными дисперсным адсорбирующим материалом, приводит к достижению постоянной стабильности земляного полотна в течение всего нормативного срока его службы.
Это обусловлено образованием монолита в грунтах основания земляного полотна железнодорожного пути в слое сезонного промерзания за счет заполнения пор и пустот в грунтах основания дисперсным адсорбирующим материалом, поступающим в них под большим напором свободной грунтовой воды с дисперсным адсорбирующим материалом и образующим с пучинистыми грунтами основания прочные кристаллические структуры. Заполнение пор и пустот приводит к осушению грунтов основания. Структуризация монолита в грунтах основания земляного полотна железнодорожного пути в слое сезонного промерзания происходит постоянно, что приводит к постоянству стабильности земляного полотна, достижению нормативных параметров и сохранению их в течение всего срока службы земляного полотна.
Дополнение дренажной системы нижней продольной дренажной траншеей, заполненной крупнопористым дренирующим материалом, и выполненной в пределах осушаемой территории на глубине слоя сезонного промерзания, а также поперечными дренажными траншеями, соединяющими обе продольные дренажные траншеи в полосах стока, выполненными ниже глубины слоя сезонного промерзания и заполненными дисперсным адсорбирующим материалом, отличает заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Изобретательский уровень заявляемого решения подтверждает неизвестность в уровне техники решений, обеспечивающих постоянство стабильности грунтов основания и земляного полотна их осушением за счет организации поступления в них под напором грунтовой воды с дисперсным адсорбирующим материалом из грунтов склона.
В известном уровне известны решения, в которых территории осушают за счет организации из нее стока грунтовой воды (канавы, лотки, дренажи, водоотжимные бермы и другое). Наличие неожиданного технического результата свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На чертежах представлены схемы дренажной системы, иллюстрирующие конкретный вариант воплощения дренажной системы на примере дренажной системы для осушения железнодорожного полотна 28 км железнодорожной линии Беркатит-Томмот АК «Железные дороги Якутии» со ссылками на сопровождающие чертежи.
На фиг.1 представлен план дренажной системы.
На фиг.2 представлен поперечный профиль дренажной системы.
Дренажная система выполнена на участке железнодорожного пути 1, который подвержен деформациям 3-й и 4-й степени деформативности.
Дренажное устройство представляет собой систему из двух продольных дренажных траншей: верхней 2, нижней 3, а также поперечных дренажных траншей 4, пересекающих обе продольные дренажные траншеи 2, 3.
д
Верхняя продольная дренажная траншея 2 выполнена за пределами осушаемой территории 5, т.е. за пределами приподошвенной зоны земляного полотна железнодорожного пути 1. Она выполнена вдоль земляного полотна железнодорожного пути 1 перпендикулярно нагорной части рельефа (склона) 6 на всю глубину h слоя сезонного промерзания 7 (деятельного слоя, до границы сезонного промерзания-протаивания). На дне верхней траншеи 2 уложена дренажная труба 8, а в ее подгорной части ниже глубины слоя сезонного промерзания (ниже границы слоя сезонного промерзания 7) установлен водонепроницаемый экран 9. Верхняя траншея 2 поверх продольной дренажной трубы заполнена крупнопористыми дренирующими материалами по мере убывания их фракций, например слоем щебня и слоем песка.
Нижняя продольная дренажная траншея 3 выполнена в пределах осушаемой территории 5, т.е. в пределах приподошвенной зоны земляного полотна железнодорожного пути 1. Она выполнена вдоль земляного полотна железнодорожного пути 1 перпендикулярно нагорной части рельефа (склона) 6 ниже глубины деятельного слоя 7.
Нижняя продольная дренажная траншея 3 заполнена крупнофракционным дренирующим материалом, например сортированным скальным грунтом.
Основания верхней 2 и нижней 3 продольных дренажных траншей соединены поперечными дренажными траншеями 4. Поперечные дренажные траншеи 4 расположены на полосах стока, находящихся в пониженных частях рельефа. Они выполнены ниже слоя сезонного промерзания и заполнены дисперсным адсорбирующим материалом. В качестве дисперсного адсорбирующего материала использован отсев брусита или смесь отсевов брусита и цеолита в соотношении не более 7-8:1.
2
8
4
10
3
3
5
3
4
2
2
3
2
Отсев брусита и цеолита являются адсорбентами. Отсев брусита в своем составе содержит брусит Mg(OH), серпентинит Mg[(OH)]SiO, кальцит CaCO, доломит CaMgCO, гидромагнезит Mg[CO](OH)∗4HO, магнезит MgCO, кварц SiO, карбонатную и бруситовую пыль, которая служит катализатором кристаллообразования в процессе гидратации.
2
2
3
2
3
2
Цеолитовый отсев в своем составе содержит окись кремния SiO и окислы кальция CaO и магния MgO, железа FeO, AlO и титана TiO.
Дренажное устройство работает следующим образом.
В летний период верхняя дренажная траншея 2 перехватывает свободную грунтовую воду со склона 6 из грунтов слоя сезонного промерзания 7. Эта вода с помощью трубы 8 отводится за пределы осушаемой территории 5. Водонепроницаемый экран 9 удерживает свободный грунтовый поток в верхней продольной дренажной траншее 2 и препятствует проникновению свободной грунтовой воды на осушаемую территорию 5 с повышенной части рельефа за счет уменьшения живого сечения потока грунтовых вод. Часть свободной грунтовой воды попадает в поперечные дренажные траншеи 4 и по закону сообщающихся сосудов стекает в основание нижней продольной дренажной траншеи 3 за счет перепада отметок их оснований верхней 2 нижней 3 траншей (продольного уклона).
Но свободная грунтовая вода с пониженной части рельефа за пределами осушаемой территории 5 из грунтов слоя сезонного промерзания 7 продолжает поступать на осушаемую территорию 1, заполняя ее поры и пустоты.
При движении по поперечным дренажным траншеям 4 через дисперсный адсорбирующий материал с тонкоизмельченными частицами свободная грунтовая вода образует суспензию. Эта суспензия из основания нижней траншеи 3 попадает в грунты деятельного слоя 7 основания земляного полотна железнодорожного пути 1 по пустотам и трещинам, заполняя их тонкоизмельченными мелкими частицами адсорбирующего материала. В порах и пустотах происходит химическое и физико-химическое взаимодействие частиц адсорбирующего материала и пылевато-глинистых частиц грунта, приводящее к образованию и росту кристаллических новообразований различных типов солей силикатов и карбонатов Ca и Mg. Наличие в грунтах кристаллов различных размеров увеличивает плотность грунтов в процессе дальнейшего кристаллообразования, что приводит к уплотнению и водонепроницаемости грунтов.
В предзимний период процесс заполнения мелкими частицами адсорбента пустот и трещин основания земляного полотна железнодорожного пути 1 значительно усиливается.
В предзимний период грунты слоя сезонного промерзания 7 и осушаемой территории 5 вследствие различной их теплопроводности промерзают неравномерно, что приводит к уменьшению живого сечения потока свободной грунтовой воды и увеличению ее гидродинамического напора в слое сезонного промерзания-протаивания 7.
2
Грунты основания нижней продольной дренажной траншеи 3 промерзают значительно быстрее грунтов основания верхнего дренажного устройства 2 вследствие разности теплопроводностей дренирующих материалов в траншеях: сортированного скального грунта в траншее 3 и щебня с песком в траншее 2. Промерзание грунтов в основании траншеи 3 приводит к быстрому образованию «мерзлотной перемычки» в повышенных частях рельефа, не имеющих полос стока. Быстрое промерзание грунтов в основании траншеи 3 в повышенных частях рельефа и образование «мерзлотной перемычки» приводит к быстрому уменьшению живого сечения потока грунтовых вод. Поток грунтовых вод устремляется в пониженные части рельефа, в полосы стока 5. В пониженных частях рельефа - полосах стока, такие перемычки образуются значительно позднее из-за низкой теплопроводности дисперсного адсорбирующего материала (теплопроводность брусита в 2-3 раза меньше теплопроводности сортированного скального грунта). Гидродинамический напор грунтовой воды в траншеях 4 резко возрастает до 350-500 кг/см.
Скапливающийся напорный поток в основании верхней траншеи 2 частично продолжает отводиться дренажной трубой 8, а основная ее масса попадает в поперечные дренажные траншеи 4. При этом напор свободной грунтовой и адсорбированной из полос стока воды значительно превышает интенсивность летнего напора воды благодаря уменьшению живого сечения потока грунтовых вод. Напор воды с повышенной интенсивностью переносит большое количество дисперсного сорбирующего материала из поперечных дренажных траншей 4 в трещины и пустоты основания земляного полотна железнодорожного пути 1. Под напором дисперсный адсорбирующий материал проникает в трещины основания и заполняет пустоты и трещины грунтового основания железнодорожного пути 1 в слое сезонного промерзания 7. С течением времени суспензия полностью забивает пустоты и трещины дисперсным адсорбирующим материалом. Тонкоизмельченные мелкие частицы, вступая в реакцию с пучинистыми грунтами основания земляного полотна железнодорожного пути 1, образуют комковатые непучинистые структуры в пустотах и трещинах, которые упрочняют основание, делая его непучинистым.
Адсорбирующий дисперсный материал: бруситовый или в смеси с цеолитовым адсорбирует свободную и связанную воду, что приводит к дополнительному осушению пор и пустот грунтов основания земляного полотна. При этом они переводят воду в молекулярное состояние. Структурное изменение воды нарушает обычный механизм льдообразования, что предотвращает образование пучин. Адсорбированная дисперсным материалом вода участвует в процессе дальнейшего кристаллообразования. В результате все пылеватые и глинистые частицы осушаемой территории принимают участие в образовании солей кристаллов, а образовавшиеся кристаллические структуры заполняют пустоты в порах и пустотах, уплотняя грунт верхнего слоя основной площадки земляного полотна, и цементируя его грунтами основания балластной призмы. Уплотненные в основании и теле земляного полотна грунты образуют прочную монолитную структуру.
Образованный в основании земляного полотна железнодорожного пути 1 упрочненный грунтовый монолит препятствует миграции воды из грунтов, лежащих ниже глубины слоя сезонного промерзания на полосах стока. Это предупреждает деформации пучения грунтов путем постоянного их осушения с одновременным повышением прочности и водостойкости. Стабильность земляного полотна становится постоянной, достигает нормативных параметров и сохраняет их в течение всего срока службы земляного полотна, который составляет 10 и более лет.
Полная стабилизация земляного полотна наступает за короткий период времени, практически одновременно с осуществлением способа.
Использование смеси отсева брусита и цеолита в соотношении, меньшем указанному (6,5:1), как показывают лабораторные исследования, приводит к тому, что при увеличении цеолита им поглощается больше свободной грунтовой воды, при этом оставшейся части свободной грунтовой воды недостаточно для структуризации грунта отсевом брусита до монолита. Использование смеси отсева брусита и цеолита в соотношении, большем указанному (8,5:1), как показывают лабораторные исследования, приводит к тому, что уменьшение цеолита приводит к переувлажнению грунта, что замедляет процесс его стабилизации.
Испытания физико-механических показателей грунтов проводились на экспериментальном участке железнодорожного полотна 28 км железнодорожной линии Беркатит-Томмот АК «Железные дороги Якутии», имеющем 5 полос стока.
Первоначально исследовались образцы грунтов, расположенных ниже слоя сезонного промерзания. Для этого из скважины, пробуренной в откосной зоне земляного полотна железнодорожного пути 1 на полосе стока, извлекались образцы грунтов ненарушенной структуры диаметром 5 см и высотой 10 см. Испытаниям подвергалась серия образцов в количестве 3 штук. Результат взят как средний из трех образцов. Испытания на прочность проводились в соответствии с ГОСТ 10100-90 “Методы определения механических свойств глинистых пород при одноосном сжатии», на морозостойкость - в соответствии с ГОСТ 10060-87, водостойкость - по ГОСТ 10180-90.
Физико-механические показатели естественного грунта приведены в таблице.
Далее на экспериментальном участке в весенний период реализовали проект усиления земляного полотна с помощью заявляемой дренажной системы.
Длина продольных траншей 2 и 3 составляет по 600 погонных метров, ширина - по 1 м. Глубина верхней продольной траншеи 2 составляет 0,8 м, глубина нижней продольной траншеи 3-1,2 м. Водонепроницаемый экран 9 выполнен с подгорной стороны траншеи 2 из суглинка на глубину 0,9 м. На дне верхней траншеи 2 уложена дренажная труба 8 диаметром 100 мм и засыпана послойно щебнем и песком. Нижняя траншея 3 засыпана сортированным скальным грунтом. Обе продольные траншеи соединены пятью поперечными траншеями 4 длиной 8-10 м, шириной 1 м, расположенными в полосах стока. Поперечные траншеи 4 заполнены смесью брусита и цеолита в соотношении 7:1 (140:20 кг на одну траншею). В качестве бруситового отсева использованы отходы дробления карбонатно-магнезиальных пород месторождения Белая скала в ЕАО. В качестве цеолитового отсева использованы продукты переработки Кимканского месторождения в ЕАО.
При последующих испытаниях получены физико-механические характеристики образцов грунтов, отобранных, как в первом испытании, которые проводились через 7 и 12 месяцев и приведены в таблице. Периоды неизменной стабилизации грунтов получены методом математического моделирования с использованием результатов физико-механических характеристик грунтов.
Испытания грунтов основания земляного полотна показали, что использование заявляемой дренажной системы приводит к повышению прочности грунтов в 1,5-2 раза по сравнению с прочностью грунтов, стабилизированных посредством дренажной системы-прототипа, а также в 2-2,5 раза - по сравнению с прочностью естественных грунтов; и, как следствие, к увеличению срока службы земляного полотна железнодорожного пути до 10 и более лет.