ОТКОСНАЯ ЧАСТЬ ЗЕМЛЯНОГО СООРУЖЕНИЯ НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ

Полезная модель относится к области строительства, а именно к земляным сооружениям на вечномерзлых грунтах, находящихся в их основаниях.
Известны виды поперечных профилей земляных сооружений, сооружаемых в обычных условиях вне зоны распространения вечномерзлых грунтов. (М.А.Фришман, И.Н.Хохлов, В.П.Титов «Земляное полотно железных дорог, Изд-во «Транспорт», 1972, с.15, рис.1).
Недостатки таких профилей заключаются в том, что в случае применения их в области распространения вечной мерзлоты на просадочных при оттаивании мерзлых грунтах основание деформируется, что влечет за собой разрушение земляного сооружения.
Для предотвращения оттаивания вечномерзлых грунтов в основаниях земляных сооружений применяются различные способы
регулирования водно-теплового режима грунтов (теплоизоляция, различные типы охлаждающих устройств и т.п.).
Наиболее близкой к предлагаемой является насыпь на вечной мерзлоте, содержащая образующий ее сооружение массив грунта, который ограничен поверхностью откоса и систему охлаждения грунта, выполненную в виде каменной наброски. («Временные технические условия на проектирование земляного полотна железнодорожной линии Улак-Эльга с сохранением мерзлого состояния грунтов оснований». Министерство путей сообщения РФ, Департамент пути и сооружений, М., 2001, с.24, рис.1).
Недостаток такой конструкции насыпи состоит в том, что для устройства наброски требуется камень высокого качества, который не везде имеется.
Задача предлагаемой полезной модели заключалась в создании такой конструкции насыпи, содержащей систему для охлаждения грунтов, которая позволяла бы применять ее в различных районах распространения вечномерзлых грунтов.
Для достижения указанного технического результата в откосной части земляного сооружения на вечной мерзлоте, содержащей образующий сооружение массив грунта, ограниченный с внешней стороны поверхностью откоса, имеющей уклон вниз во внешнюю сторону, а снизу - естественной поверхностью грунтов основания, которая при пересечении с поверхностью откоса образует подошву откоса и систему для охлаждения грунтов, система для охлаждения грунтов выполнена в виде ступенчатой поверхности откоса, ступени которой включают верхнюю поверхность и внешнюю боковую поверхность, при этом условная средняя поверхность, проведенная через середины по высоте ступеней образует плоскость.
Кроме того, высота ступеней поверхности откоса может быть равна 1,5-3,0 м, при этом верхняя поверхность каждой ступени имеет уклон во внешнюю сторону не менее 2%.
Откосная часть земляного сооружения может содержать расположенный в грунтах основания в зоне подошвы откоса упорный массив из замененного грунта глубиной 2,5 м и шириной поверху 7,0 м или из мерзлого грунта, ограниченного со стороны естественной поверхности основания слоем пеноплэкса шириной 5,0 м и толщиной 5,0 см.
Кроме того, слой пеноплэкса толщиной 5,0 см может быть уложен по всей верхней поверхности ступеней. Уклон внешней боковой поверхности ступеней может быть равен 1:0,75, при этом уклон условной средней поверхности равен 1:1,5.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 изображена откосная часть земляного сооружения с упорным массивом из мерзлого грунта;
на фиг.2 - то же с упорным массивом из замененного грунта.
Откосная часть земляного сооружения на вечной мерзлоте содержит следующие основные элементы:
- образующий сооружение массив 1 грунта. В случае насыпи (фиг.1 и 2) - это грунт насыпи, отсыпанный на естественной поверхности 2 грунта. В случае выемки - это коренной грунт, в котором вырыта выемка ниже естественной поверхности 2 грунта. Однако в обоих случаях (и в выемке, и в насыпи) образующий сооружение массив 1 грунта может содержать пограничную часть 3, отсыпаемую из грунта прочного в талом состоянии. При этом центральная часть насыпи может отсыпаться из местных твердомерзлых грунтов, остающихся во время эксплуатации в мерзлом состоянии;
- систему для охлаждения грунтов, которая выполнена в виде ступенчатой поверхности откоса. Ступени содержат верхнюю 4
поверхность и боковую 5 поверхность. Ступени сформированы так, что условная средняя 6 поверхность, проходящая через середины по высоте боковой 5 поверхности ступеней образует плоскость. Т.е. площадь участка поперечного сечения каждой ступени, выходящая за пределы условной средней 6 поверхности во внешнюю сторону, равна площади поперечного сечения участка между условной средней 6 поверхностью и боковой 5 поверхностью ступени, расположенного с внутренней стороны условной средней 6 поверхности. Высота ступеней определяется расчетом на устойчивость, а также высотой снежного покрова на верхней поверхности ступеней. Обычно эта высота равна 1,5-3,0 м. Верхнюю поверхность целесообразно устраивать с уклоном во внешнюю сторону не менее 2% для обеспечения стока воды. Уклон боковой 5 поверхности ступеней целесообразно делать 1:0,75, а уклон условной средней поверхности 1:1,5. Наилучший уклон боковой 5 поверхности ступеней - это вертикальная поверхность, на которой в зимнее время нет снега, но формирование такой поверхности требует, например, габионов, что может оказаться дорогостоящим. Уклон 1:0,75 может быть обеспечен при наличии скального грунта. Для этого целесообразно при укладке слоев грунта (границы слоев показаны позицией 7) во внешней части слоя укладывать призму 8 из скального грунта. Эти призмы будут составлять пограничную часть 3 образующего сооружение массива 1. Уклон боковой 5 поверхности ступеней в различных по высоте ярусах может быть различным - от вертикальной поверхности до поверхности, совпадающей с положением условной средней 6 поверхности;
- упорный 9 массив, который представляет собой массив несжимаемого грунта и может быть выполнен различной конструкции. Первый вариант - замена высокольдистого текучего при оттаивании грунта на скальный размерами в поперечном сечении 2,5 м глубиной и 7 м поверху. Другой вариант - обеспечение сохранения высокольдистого
грунта в мерзлом состоянии путем укладки в зоне подошвы откоса слоя теплоизоляции 10 шириной 5 м и толщиной 5 см. Схема и размеры упорного массива могут быть уточнены теплофизическим расчетом, а также с учетом особенностей технологии и вида грунтов.
При описании конструкции введены также следующие обозначения: 11 - балластная призма с рельсошпальной решеткой; 12 - положение нулевой изотермы в естественных условиях на момент окончания теплого периода года; 13, 14 - то же после возведения земляного сооружения соответственно при первом (фиг.1) и втором (фиг.2) вариантах упорного 9 массива; 15 - расположение местного твердомерзлого грунта, отсыпаемого в земляное сооружение; 16 - дополнительная теплоизоляция на верхней поверхности ступени.
Откосная часть земляного сооружения на вечной мерзлоте работает следующим образом.
3
2
Предлагаемое техническое решение предназначено для регионов с малым снегопереносом (до 100 м/м). В этом случае на 1 мгоризонтальной поверхности в зимний период выпадает одинаковое количество снега. Поэтому если в пределах этой площадки поверхность за счет «складок» увеличена, то на единицу поверхности приходится меньше снега пропорционально степени увеличения поверхности. Это приводит к уменьшению термического сопротивления и, соответственно, к увеличению потока холода в зимний период. Это первый тепловой эффект. Второй тепловой эффект сводится к следующему. Кроме общего снижения удельного снегоотложения, происходит перераспределение удельного снегоотложения между верхней 4 и боковой 5 поверхностями ступени: например, при уклоне поверхностей 5 и 6 соответственно 1:0,75 и 1:1,5 длины верхней 4 и боковой 5 поверхностей ступени при ее высоте 2 м равны соответственно 1,5 и 2,25. Таким образом, удельная толщина снега на боковой поверхности в 1,5 раза меньше. В результате в зимний период
термическое сопротивление за счет первого эффекта снижается примерно на 10%, а за счет второго эффекта - еще на 20%. Общее снижение термического сопротивления составляет порядка 30%, что существенно увеличивает поступление холода в зимний период. Существенный эффект может быть получен устройством дополнительной теплоизоляции 16 на верхней 4 поверхности ступеней. В этом случае в летний период существенно снижается поступление тепла в грунт. Общий тепловой эффект более 20%.
Для успешного функционирования охлаждающей системы необходимо обеспечить стабильность ступенчатой формы откосов. Если в верхних 2-2,5 м расположены высокольдистые, текучие при оттаивании грунты, то необходимо устройство упорного 9 массива.
Эффективность использования предлагаемой полезной модели заключается в формировании благоприятного температурного режима тела и оснований земляных сооружений на вечной мерзлоте.
3
Область эффективного использования предложенного технического решения - регионы с малым снегопереносом (до 100 м/м), например, Центральная Якутия. Откосная часть предложенной конструкции может быть широко использована не только в дорожном строительстве, но и в других случаях - гидротехническом, промышленном строительстве и др.