Способ температурной стабилизации насыпи железной дороги на вечномерзлых грунтах
METHOD OF RAILWAY EMBANKMENT TEMPERATURE STABILIZATION ON PERMAFROST SOILS

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении дорожных насыпей в случае использования некондиционных тонкодисперсных грунтов (супесей, суглинков и др.) при строительстве транспортных сооружений на вечномерзлых грунтах в период с положительными значениями температуры воздуха.
Известен способ возведения насыпи на мерзлых грунтах путем поддержания насыпи и основания в мерзлом состоянии за счет размещения системы охлаждающих труб в нижней части насыпи (RU, №2010919, МПК E02D 17/18, 1994).
Недостатком известного способа является невозможность целенаправленного регулирования температурно-реологического состояния насыпи, что снижает эффективность использования способа.
Наиболее близким техническим решением является способ температурной стабилизации основания сооружений на вечномерзлых грунтах путем использования охлаждающей системы в виде труб, уложенных под слоем теплоизоляции по всей площади основания, размещенной в теле насыпи железной дороги, организации искусственного промораживания грунта и поддержания его в мерзлом состоянии (RU, №2415226, МПК E02D 3/115, 2011).
Недостатком известного технического решения является поддержание насыпи в процессе ее эксплуатации в одном заданном отрицательном температурном режиме и состоянии, что приводит к повышенным энергозатратам и снижает эффективность способа.
Технической проблемой данного изобретения является обеспечение температурной стабилизации насыпи железной дороги на вечномерзлых грунтах при строительстве транспортных сооружений в период с положительными значениями температуры воздуха.
Решением технической проблемы при использовании данного изобретения является снижение энергозатрат за счет создания оптимальных условий работы насыпи с возможностью целенаправленного круглогодичного регулирования ее температурного режима и ее состояния.
Поставленная техническая проблема решается тем, что способ температурной стабилизации насыпи железной дороги на вечномерзлых грунтах реализуется путем использования охлаждающей системы, размещенной в теле насыпи железной дороги, организации искусственного промораживания грунта и поддержания его в мерзлом состоянии. Согласно изобретению поддержание грунта в мерзлом состоянии в период с положительными значениями температуры воздуха выполняют, по крайней мере, в двух температурных режимах и состояниях, первый из которых - режим ожидания - задают на всем протяжении дороги с температурой от 0 до 0,5°С с возможностью сохранения пластично-мерзлого состояния грунта, а второй - режим активного промораживания - с температурой от -0,5 до -2°С осуществляют периодически перед прохождением состава по длине, равной не менее двух длин состава - с поддержанием температуры грунта твердомерзлого состояния.
Выполнение операции промораживания не в постоянном режиме, а периодически - только в момент прохождения состава и дискретно - на длине насыпи, равной не менее двух длин состава, позволяет, во-первых, экономить энергетические ресурсы, а, во-вторых, более оперативно изменять температурно-реологическое состояние насыпи при переходе из пластично-мерзлого состояния в твердомерзлое и обратно, что повышает эффективность способа.
Длина промораживания насыпи, равная не менее двух длин состава, выбрана из условия обеспечения сохранения более прочной структуры грунта - в твердомерзлом состоянии по всей длине прохождения состава с некоторым запасом промежутка пути, обеспечивающим сохранение прочностных характеристик грунта во время прохождения состава.
Использование двух температурных режимов - ожидания и активного промораживания - позволяет дополнительно экономить энергоресурсы как за счет поддержания насыпи в основное время в режиме на минимальном температурном уровне для предотвращения оттаивания и сохранения, при этом структурно устойчивого состояния - пластично-мерзлого состояния с температурой 0° - -0,5°С, так и за счет поддержания минимального времени при более низкой температуре для повышения структурной прочности грунта в твердомерзлом состоянии -0,5° - -2°С, что, в целом, также повышает эффективность способа. (Понятие пластично-мерзлое или твердомерзлое состояние известны, и для каждых грунтов выявлены свои температурные значения перехода из одного состояния в другое. Например: Роман Л.Т. Мерзлые торфяные грунты как основания сооружений. - Новосибирск: Наука, 1987. С. 108-109).
Способ температурной стабилизации насыпи железной дороги на вечномерзлых грунтах иллюстрируется чертежом, где изображена схема работы железнодорожной насыпи.
На фигуре обозначено:
1 - насыпь, 2 - мерзлое основание, 3 - охлаждающая система, 4 - участок насыпи, работающий в ждущем температурном режиме, 5 - железнодорожный состав, 6 - участок насыпи, работающий в активном температурном режиме.
Способ температурной стабилизации насыпи железной дороги на вечномерзлых грунтах реализуется следующим образом.
В период с положительными значениями температуры воздуха в зависимости от грузоподъемности составов задают один из двух температурных режимов и состояний грунта охлаждающей системой 3. При использовании легко нагруженных составов и в случае длительного простоя насыпи задают более экономичный температурный режим - на уровне 0° - -0,5°С с формированием и поддержанием пластично-мерзлого состояния грунта, достаточного для предотвращения разрушения полотна. В случае прохождения тяжело нагруженных составов задают температурный режим - на уровне -0,5° - -2°С с формированием и поддержанием более прочной структуры - твердомерзлого состояния грунта.
Для повышения эффективности работы насыпи железной дороги (например, для экономии энергоресурсов) создают условия для проводки одновременно как легко нагруженных составов, так и тяжело нагруженных составов, для чего задают два режима промораживания. Первый задают в ждущем температурном режиме на уровне 0° - -0,5°С с формированием и поддержанием пластично-мерзлого состояния грунта на всем протяжении дороги 4, а второй задают в активном температурном режиме на уровне -0,5° - -2°С с формированием и поддержанием твердомерзлого состояния периодически - в момент прохождения тяжело нагруженного железнодорожного состава 5 и дискретно - на участке насыпи 6 впереди состава на длине насыпи, равной не менее двух длин состава kl (где l - длина состава; k - коэффициент, учитывающий температуру окружающей среды и скорость движения состава).
Способ температурной стабилизации насыпи железной дороги на вечномерзлых грунтах был смоделирован в строительной лаборатории кафедры ПСК ТвГТУ и показал возможность его реализации в реальных условиях строительства. Предлагаемое техническое решение рекомендуется использовать на сложных участках строительства дорог в Арктических зонах, характеризуемых широким распространением высокольдистых структурно-неустойчивых при оттаивании грунтов и отсутствием кондиционных грунтовых материалов, используемых для возведения дорожных насыпей.