ДРЕНАЖНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ДОРОЖНОГО ПОЛОТНА НА ПРОТАЯВШИХ СЛАБЫХ ГРУНТАХ
DRAINAGE SYSTEM FOR STABILISING THE ROADWAY ON THAWED SOFT SOILS

Изобретение относится к области строительства линейных сооружений на вечномерзлых грунтах и в районах глубокого сезонного промерзания в сложных инженерно-геологических условиях и предназначено преимущественно для выпуска грунтовых вод, в частности, в условиях возможного глобального потепления климата.
Основной причиной потери стабильности дорожного полотна в сложных природно-климатических, инженерно-геологических и мерзлотно-грунтовых условиях являются деформации пучинно-наледного характера. В большинстве случаев это связано с отсутствием малых искусственных сооружений на пересечении дорожного полотна с небольшими местными логами, пазухами, депрессионными впадинами, расположенными на слабосточных участках местности. На таких участках из-за малого (менее 1,5%) продольного уклона, как правило, происходит нарушение работы осушающих устройств, расположенных вдоль насыпи. При нарушении работы осушающих устройств поверхностные и грунтовые воды со склона стекают в приподошвенную зону насыпи по пониженным участкам рельефа таким, как устья логов, пазух, депрессионные впадины. В летний период вода свободно фильтрует через тело дорожного полотна, не нарушая значительно целостности грунтового массива. В период наступления отрицательных температур происходит нарушение водно-теплового режима из-за неравномерного промерзания приподошвенных зон их сужения живого сечения водного потока и возникновения напора водного потока из-за сужения его живого сечения. В результате, как правило, в предзимний период, в начале промерзания грунтов на пересечении дорожного полотна с местными логами, пазухами, депрессионными впадинами при большом напоре воды происходит отжатие влаги и вынос грунтовых частиц через дренирующие грунты дорожного полотна и основания.
При полном промерзании приподошвенных зон дорожного полотна с подгорной стороны происходит заполнение пустот в теле дорожного полотна водой, которая при замерзании увеличивается в объеме и образует пучинные горбы. При этом происходят осадки основания за счет отжатия воды из грунтов основания в приподошвенные зоны насыпи, образуются понижения, которые заполняются водой, грунты теряют прочность, а земляное сооружение деформируется. Весной, в период протаивания, под действием статической нагрузки от дорожного полотна и вибродинамической - от поездной нагрузки, происходит обратное осмотическое «всасывание» отжатой воды из приподошвенных зон земляного полотна в его основание, что опять переувлажняет грунты основания, они теряют прочность, происходит деформация осадки из-за консолидации и пластического выдавливания грунтов основания земляного полотна, которые продолжаются десятилетиями.
В результате осадки дорожного полотна происходит искажение профиля железнодорожного пути, которое вызывает нарушение безопасности и бесперебойности движения поездов.
Для предотвращения переувлажнения и деформаций грунтов оснований дорожного полотна устраивают различные осушающие устройства, направленные на выпуск поверхностных и грунтовых вод с помощью, например, традиционных дренажных систем и систем водоотводных устройств: канав, противоналедных «тепловых» и «мерзлотных» поясов, дренирующих прорезей из сортированного скального грунта, лотков и других.
Использование дренажной системы приводит к упрочнению грунтов за счет сбора и отвода воды и, как следствие, стабилизации дорожного полотна на протаявших слабых грунтах, а также к увеличению срока службы самих осушающих устройств.
Однако в процессе многократного сбора воды осушающие устройства засоряются и приходят в неработоспособное состояние, и потому за период этапного перевооружения железной дороги требуется их неоднократное переустройство в течение нормативного срока службы дорожного полотна.
Проблема заключается в кратковременном сроке службы осушающих устройств, вследствие их периодического засорения, что требует, соответственно, периодического переустройства осушающих устройств в течение нормативного срока службы самого дорожного полотна.
Известна дренажная система для стабилизации дорожного полотна на протаявших слабых грунтах, основанная на беспрепятственном выпуске поверхностных и грунтовых вод через тело дорожного полотна, описанное в патенте №3553738, (Патентообладатель - ОАО «РЖД»; авторы Крапивный В.А., Жданова С.М., Воронин В.В., Серенко А.Ф.)
Система представляет собой продольную и поперечные траншеи и водоотжимные бермы. Продольная траншея выполнена с нагорной стороны вдоль откоса дорожного полотна. Поперечные траншеи выполнены с обеих сторон дорожного полотна, с нагорной и подгорной стороны, в одном поперечном сечении и соединены с нагорной продольной траншеей.
Поперечные траншеи заполнены щебнем до глубины сезонного промерзания, сверху на них уложен теплоизоляционный материал, например, пенополистирол.
Водоотжимные бермы выполнены из мелкодисперсного глинистого грунта в приподошвенных зонах дорожного полотна, а в местах расположения поперечных траншей уложены на поперечные дренажные траншеи.
Дренажная система работает следующим образом.
В весенний период грунтовая и поверхностная вода собирается продольной траншеей и полностью отводится за пределы дорожного полотна через соседние водопропускные сооружения: например, мосты, трубы или фильтрующие насыпи, что приводит к осушению нагорной территории вблизи дорожного полотна.
В случае переполнения продольной траншеи вода попадает в поперечные траншеи, свободно фильтруется через грунты тела дорожного полотна, затем по поперечным траншеям отводится в подгорную сторону дорожного полотна. При этом территория вблизи дорожного полотна осушается.
В предзимний период грунтовая и поверхностная вода также собирается продольной траншеей и отводится в соседние водопропускные сооружения. С наступлением отрицательных температур в результате контакта грунта с холодным воздухом окружающей среды в продольной траншее происходит неравномерное промерзание грунтов из-за их размерного разнообразия и различных физических свойств.
При этом в поперечных траншеях, благодаря теплоизоляционному слою и берме, грунты сохраняют положительную температуру. При этом грунты основания тела дорожного полотна находятся в талом состоянии.
Неравномерное промерзание грунтов в продольной траншее приводит к скоплению грунтовых вод в пониженной части рельефа в приподошвенной зоне дорожного полотна и, как следствие, к возникновению напорного режима грунтовых вод.
Под действием напора грунтовые воды продольной траншеи поступают в утепленные поперечные траншеи, из которых через талые грунты основания дорожного полотна попадают в утепленные поперечные траншеи. Из них вода безнапорно отводится за пределы дорожного полотна, что приводит к осушению территории вблизи дорожного полотна и исключению деформаций.
Дополнительно поступившая с нагорной стороны в грунты основания грунтовая вода полностью отводится из него. Таким образом, основание дорожного полотна сохраняет постоянный водно-тепловой режим. При этом обеспечивается свободная фильтрация грунтовой воды через грунты дорожного полотна независимо от сезона года.
Процесс отвода грунтовых и поверхностных вод с нагорной стороны дорожного полотна в подгорную сторону продолжается до полного замерзания грунтовой воды склона, что приводит к отсутствию ее в дренажных системах, обеспечивая тем самым непрерывную работу самих осушающих дренажных систем на протаявших слабых грунтах в целом в течение 5-7 лет.
Однако через 5-7 лет осушающие дренажные системы засоряются, что нарушает их работу в нормальном режиме. Для восстановления нормальной работы осушающих дренажных систем требуется периодически проводить капитальные ремонты.
Таким образом, недостаток известной дренажной системы для стабилизации земляного полотна на протаявших слабых грунтах заключается в неоднократном полном переустройстве осушающих дренажных систем в течение нормативного межремонтного срока службы самого земляного полотна.
Наиболее близким по технической сущности и ожидаемому результату является дренажная система для стабилизации земляного полотна на протаявших слабых грунтах и выпуска поверхностных и грунтовых вод описанное в Патенте №2618108 РФ, (Патентообладатель - (ДВГУПС), Жданова С.М., Тукмакова О.В, Серенко А.Ф.)
Осушающая дренажная система представляет собой двухступенчатую дренажную верхнюю и нижнюю продольную траншею с крупнопористым фракционным дренирующим грунтом, водонепроницаемым слоем, армирующий слой, теплоизоляционный слой, и водоотжимные бермы.
Нижняя продольная траншея расположена в нагорной части рельефа, вдоль откоса дорожного полотна, непосредственно за верхней продольной траншеей вверх по склону, с образованием единой ступенчатой траншеи с верхней траншеей.
Водонепроницаемый слой выполнен, например, из геоспана ТН и уложен на боковую ступень единой траншеи.
Армирующий слой выполнен, например, из синтетического нетканого материала (СНМ) и уложен поверх водонепроницаемого слоя и по всему периметру ступенчатой траншеи.
При этом нижняя продольная траншея выполнена выше глубины слоя сезонного протаивания, а верхняя продольная траншея - ниже слоя сезонного протаивания.
В сечении верхней и нижней траншеи образована ступень с образованием ступенчатой траншеи.
Теплоизоляционный слой уложен на уровне ступени в верхней части нижней траншеи поверх армирующего слоя СНМ.
Верхняя траншея по ее периметру укреплена фракционным скальным грунтом, например, щебнем.
Водоотжимные бермы выполнены из мелкодисперсного глинистого грунта в приподошвенных зонах с обеих сторон дорожного полотна.
Таким образом, осушающая дренажная система армирована водонепроницаемым слоем, армирующим слоем, теплоизоляционным слоем и заполнено фракционным скальным грунтом, например, щебнем.
Дренажная система работает следующим образом. В весенний период грунтовая и поверхностная вода собирается продольными траншеями, верхней и нижней, расположенной с нагорной стороны вдоль откоса дорожного полотна и полностью отводится за пределы дорожного полотна через соседние водопропускные сооружения: например, мосты, трубы или фильтрующие насыпи, что приводит к осушению нагорной территории вблизи дорожного полотна.
В случае переполнения верхней продольной траншеи вода попадает в нижнюю траншею благодаря водонепронецаемому экрану, свободно фильтруясь в нижнюю траншею и отводится в подгорную сторону дорожного полотна. При этом территория вблизи дорожного полотна осушается.
В предзимний период грунтовая и поверхностная вода также собирается верхней и нижней продольными траншеями и отводится в соседние водопропускные сооружения. С наступлением отрицательных температур в результате контакта грунта с холодным воздухом окружающей среды в верхней продольной траншее происходит неравномерное промерзание грунтов из-за их разнообразия и различных физических свойств.
При этом в нижней траншее, благодаря теплоизоляционному слою и берме, грунты сохраняют положительную температуру, а грунты основания тела дорожного полотна находятся в талом состоянии.
Под действием напора грунтовые воды поступают в утепленную нижнюю траншею, из которой безнапорно отводится за пределы дорожного полотна, что приводит к осушению территории вблизи дорожного полотна и исключению деформаций.
Таким образом, дополнительно поступившая с нагорной стороны в грунты основания грунтовая вода полностью отводится из него, в нем сохраняется постоянный водно-тепловой режим, обеспечивается свободная фильтрация грунтовой воды через грунты дорожного полотна независимо от сезона года.
Процесс отвода грунтовых и поверхностных вод с нагорной стороны дорожного полотна продолжается до полного замерзания грунтовой воды склона. Это приводит к обеспечению стабильности работы самих осушающих устройств и земляного полотна на протаявших слабых грунтах в целом в течение не менее 10 лет.
Это приводит к обеспечению стабильности работы самих осушающих устройств и земляного полотна на протаявших слабых грунтах в целом в течение 10 лет.
Однако с течением времени дренажная система для стабилизации земляного полотна на протаивающих слабых грунтах снижает объем сбора ими воды. Это связано с заиливанием и застоем воды в приподошвенной зоне земляного полотна из-за слоя гидроизоляции в двухступенчатой дренажной системе при ежегодных циклических процессах отжатия из грунтов основания в осенний период и всасывания влаги (в виде суспензии) - в весенний период, которая расположена между бермой и нижней дренажной канавой, что способствует понижению границы вечной мерзлоты и возобновлению деформаций земляного полотна.
По истечение 10 лет в результате понижения границы вечномерзлых грунтов активная зона увеличивается, что приводит к увеличению объема протаявших грунтов, дренажная система перестает справляться с выпуском образовавшегося объема воды.
Таким образом, недостаток известного дренажной системы для стабилизации земляного полотна на протаявших слабых грунтах заключается в его недостаточном сроке работы, который значительно меньше нормативного срока службы самого земляного полотна.
Заявляемое решение отличается от прототипа расположением верхней продольной траншеи непосредственно за нижней продольной траншеей выше по склону нагорной части рельефа, а с подгорной стороны, дополнительно, в приподошвенной зоне земляного полотна, укладкой теплоизоляционного экрана на дневную поверхность под водонепроницаемый слой, при этом водонепроницаемые слои с обоих сторон дорожного полотна, которые представляют собой водоотжимные бермы из глинистых грунтов.
Расположение верхней продольной траншеи непосредственно за нижней продольной траншеей выше по склону нагорной части рельефа, а также дополнительная укладка теплоизоляционного экрана на дневную поверхность под водонепроницаемый слой с подгорной стороны в приподошвенной зоне земляного полотна, которые с обоих сторон дорожного полотна представляют собой водоотжимные бермы из глинистых грунтов, позволит беспрепятственно осушать приподошвенную зону насыпи в позднеосенний период и отводить воду в позднеосенний период за пределы земляного полотна, а в весенний период обратное осмотическое всасывание не будет происходить из-за отсутствия фронта промерзания, устраненного наличием тепловой изоляции, что вызывает эффект осмотического «всасывания» влаги.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
При этом сама дренажная система работает без ремонта в течение срока, равного сроку этапного перевооружения земляного полотна железнодорожного пути за счет стабильности температурных режимов в грунтах траншеи, в грунтах слоя сезонного промерзания осушаемой территории вблизи земляного полотна и на склоне в нагорной (верхней) части рельефа.
Причинно-следственная связь «Расположение верхней продольной траншеи непосредственно за нижней продольной траншеей выше по склону нагорной части рельефа, а с подгорной стороны, дополнительно, в приподошвенной зоне земляного полотна, укладкой теплоизоляционного экрана на дневную поверхность под водонепроницаемый слой, при этом водонепроницаемые слои с обоих сторон дорожного полотна, которые представляют собой водоотжимные бермы из глинистых грунтов, придаст возможность беспрепятственно отводить воду за пределы земляного полотна в позднеосенний период, а в весенний период - обратное осмотическое «всасывание» будет исключено также наличием тепловой изоляции», которая не обнаружена в уровне техники и явным образом и не следует из него. Следовательно, выше приведенная причинно-следственная связь является новой, и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На фигуре представлено поперечное сечение дренажной системы на вечномерзлых грунтах, иллюстрирующее работоспособность и «промышленную применимость» заявляемого устройства.
Дренажная система на вечномерзлых грунтах содержит выполненные как одно целое верхнюю 1 и нижнюю 2 продольные траншеи, водонепроницаемый 3, армирующий 4 и теплоизоляционный 5 экраны и водонепроницаемый слой бермы 6.
Верхняя продольная траншея 1 выполнена на склоне нагорной части рельефа 7 вдоль земляного полотна 8 за пределами осушаемой территории 9 в верхней части слоя сезонного протаивания 10.
Нижняя продольная траншея 2 выполнена вплотную с верхней продольной траншеей 1 на всю глубину слоя сезонного протаивания 10, контактируя с вечномерзлыми грунтами 11.
Верхняя и нижняя продольные траншеи 1, 2 контактируют по всей длине дренажной системы, образуя единую ступенчатую траншею 12. При этом нижняя продольная траншея 2 расположена по склону ниже верхней продольной дренажной траншеи 1.
На боковую ступенчатую грань 13 единой ступенчатой траншеи 12 уложен водонепроницаемый экран 3 из водонепроницаемого материала, например, геоспана ТН (или ПВХ - пленки).
При этом водонепроницаемый экран 3 контактирует с грунтом откоса верхней продольной траншеи 1 с полевой стороны 7 и грунтом нижней продольной траншеи 2 с полевой стороны.
По всему периметру единой ступенчатой траншеи 12 поверх водонепроницаемого экрана 3 уложен армирующий экран 4 из синтетического нетканого материала, например, канвалана.
Нижняя продольная траншея 2 заполнена фракционным дренирующим грунтом, который уложен на синтетический нетканый материал 4 и обернут им с образованием дрены 14.
Нижняя продольная траншея 2 в уровне ступени 15 единой ступенчатой траншеи 12, являющейся дном верхней продольной траншеи 1, перекрыта теплоизоляционным экраном 5, например, из пенополистирола, на который уложен водонепроницаемый слой 6 из глинистого грунта, образующий боковую стенку верхней продольной траншеи 1.
Верхняя продольная траншея 1 по периметру укреплена фракционным дренирующим материалом, например, щебнем.
Дренажная система на вечномерзлых грунтах работает следующим образом.
В весенний период поверхностная вода, находящаяся в верхней продольной траншее 1 и грунтовая вода, поступающая с нагорной части рельефа 7 стекают вдоль осушаемой территории 9 и земляного полотна 8 в водопропускное сооружение. Водонепроницаемый экран 3 препятствует проникновению основного потока надмерзлотной грунтовой воды на осушаемую территорию и в основание земляного полотна 8. В летний период, когда сезонное протаивание достигает максимума, грунтовой воды перехватывается дреной 14 нижней продольной траншеи 2 и отводятся за пределы осушаемой территории 9, не переувлажняя грунты слоя сезонного протаивания 10 и вечномерзлые грунты 11.
Воды в траншеях 1 и 2 смачивают, находящийся в них армирующий экран 4, который благодаря капиллярным свойствам синтетического нетканого материала постоянно находится во влажном состоянии. В летний и зимний период происходит испарение влаги с поверхности армирующего экрана 4. Испарение влаги приводит к снижению температуры грунтов слоя сезонного промерзания 10 под нижней траншеей 2 и верхней траншеей 1.
Кроме того, в нижней траншее 2 между крупнопористым фракционным грунтом дрены 14 и грунтами слоя сезонного протаивания 10, а также вечномерзлыми грунтами 11 происходит конвективный теплообмен. Наличие конвективного теплообмена приводит к изменению температуры в крупнопористых фракционных грунтах дрены 14 синхронно с естественным изменением температуры грунтов слоя сезонного протаивания 10. Причем создаваемый температурный режим в грунтах дрены 14 сохраняется теплоизоляционным экраном 5, гидроизоляционным экраном 3 и армирующим экраном 4 из синтетического нетканого материала.
Обеспечение одинаковой температуры в грунтах дрены 14 ив грунтах слоя сезонного промерзания 10 приводит к сохранению термодинамического равновесия в грунтах слоя сезонного протаивания 10 в радиусе действия единой ступенчатой траншеи 12.
Термодинамическое равновесие в грунтах в радиусе действия единой ступенчатой траншеи 12, расположенной в нагорной части рельефа (склона) 7 и в пределах осушаемой территории 9, приводит к стабильному состоянию этих грунтов без переувлажнения и нарушения их структуры.
В результате грунты дрены 14 и грунты слоя сезонного протаивания 10 работают как одно целое, что способствует сохранению целостности этих грунтов в естественных условиях в течение длительного времени. Ежегодный режим грунтов слоя сезонного протаивания 10 до границы вечномерзлых грунтов 11 происходит естественным образом постоянно на одну и ту же глубину в течение длительного периода, сопоставимого со сроком этапного перевооружения железной дороги.
Расположение верхней продольной траншеи 1 и нижней продольной траншеи 2 и расположение водонепроницаемого экрана 3 со стороны нижней продольной траншеи с нагорной стороны от земляного полотна железнодорожного пути, а также дополнительной укладкой теплоизоляционного экрана 17 из плит пенополистирола в основании водонепроницаемого слоя 16 бермы, расположенной с подгорной стороны с последующей укладкой бермы 6 с нагорной стороны от земляного полотна 8 на теплоизоляционный экран 5 на нижнюю продольную траншею, а с подгорной стороны - на теплоизоляционный экран 17 в основании водонепроницаемого слоя бермы 16 позволит беспрепятственно в течение, 1-2 лет осушить основание и приподошвенные зоны земляного полотна железнодорожного пути, упрочить грунты и исключить деформации земляного полотна.
Дополнительная укладка теплоизоляционного экрана 17 из плит пенополистирола в основании бермы с подгорной стороны даст возможность беспрепятственно отводить воду за пределы земляного полотна в позднеосенний период, а в весенний период обратное всасывание не будет происходить из-за отсутствия фронта промерзания, устраненного наличием тепловой изоляции, что вызывает эффект осмотического «всасывания» влаги.
Ежегодное протаивание грунтов в слое сезонного протаивания 10 до границы с вечномерзлыми грунтами 11 происходит естественным образом постоянно на одну и ту же глубину в течение длительного периода, сопоставимого со сроком этапного перевооружения железной дороги и остается практически одинаковой во все периоды измерений.
Математическое моделирование процесса охлаждения грунта с помощью конвекции во времени позволило сделать вывод о работоспособности заявляемой дренажной системы, что позволяет сделать вывод об увеличении безремонтного срока службы дренажной системы на вечномерзлых грунтах до срока этапного перевооружения земляного полотна за счет сохранения границы вечномерзлых грунтов и глубины сезонного протаивания, расположенных в нагорной части рельефа (склона) в пределах осушаемой территории, как в естественных условиях.
Дренажная система реализована на 24 дистанции пути Восточного полигона ДВЖД на перегоне Маревая - Змейка.