ДРЕНАЖНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к строительству и эксплуатации земляного полотна автомобильных и железных дорог, преимущественно на слабых глинистых грунтах.
Общеизвестно, что причинами деформаций и недостаточной стабильности земляного полотна на слабых грунтах основания являются высокая влажность этих грунтов от наличия в них свободной и связанной воды.
Для повышения стабильности земляного полотна на слабых грунтах известны различные дренажные устройства, осушение которыми основано на удалении свободной воды из талых грунтов основания, что приводит к частичной стабилизации грунтов основания.
Однако связанная вода в глинистых грунтах основания, являясь важной причиной образования деформаций, не позволяет добиться полной стабилизации земляного полотна, что является проблемой повышения надежности технических сооружений.
Известно дренажное устройство, предназначенное для сбора и отвода свободной грунтовой воды увлажняющей глинистый грунт основания земляного полотна [Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь: Учебник для вузов. М.: Транспорт, 1987. С.226-235].
Известное дренажное устройство представляет собой траншею, выполненную в слоях сезонного промерзания и постоянно талых грунтов основания земляного полотна и расположенную вдоль него. Ширина дренажной траншеи равна 0,8-1,0 м, а глубина - больше глубины сезонного промерзания на величину требуемого понижения уровня грунтовой воды. По дну траншеи уложена дренажная труба.
Траншея заполнена дренирующим материалом (например, песком крупным).
Устройство работает следующим образом. Свободная грунтовая вода из водоносного слоя (слоя постоянно талых грунтов) стекает в дренажную траншею и по трубе отводится за пределы земляного полотна. Уровень свободной воды понижается ниже границы сезонного промерзания. Глинистый грунт слоя сезонного промерзания основания земляного полотна перестает контактировать со свободной водой, что предотвращает в зимний период перемещение свободный воды в слой сезонного промерзания, и, как следствие, пучение грунта.
Однако связанная вода остается в глинистом грунте слоя сезонного промерзания, что делает его влажным.
В зимний период в глинистом грунте происходит процесс миграции связанной и капиллярной воды из слоя постоянно талых грунтов в слой сезонного промерзания, что вызывает льдообразование, и, как следствие, их пучение, обусловленное наличием связанной и капиллярной воды.
Достоинство известного устройства заключается в частичной ликвидации пучения грунта, обусловленного понижением уровня свободной воды в водоносном слое на требуемую глубину и частичном отводе свободной воды из грунта сезонного промерзания при его оттаивании.
Недостаток известного устройства заключается в образовании пучении грунта, обусловленного наличием в слое сезонного промерзания связанной воды.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является дренажное устройство, предназначенное для сбора и отвода свободной грунтовой воды увлажняющей глинистый грунт откоса выемки земляного полотна [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 содержит поперечные откосные траншеи, продольную траншею и уложенные на их дне дренажные трубы.
Откосные поперечные траншеи выполнены в слоях сезонного промерзания и постоянно талых грунтов откоса выемки и расположены перпендикулярно оси пути с интервалом равным 15-20 м.
Продольная траншея выполнена в слоях сезонного промерзания и постоянно талых грунтов у основания откоса выемки, расположена вдоль пути.
Откосные поперечные траншеи и продольная траншея соединены и образуют единую дренажную систему.
Ширина траншей равна 0,8-1,0 м, а глубина их - больше глубины сезонного промерзания на 0,2-0,3 м. Траншеи заполнены дренажным материалом (крупным песком).
Устройство работает следующим образом.
Откосные траншеи, перерезая водоносный слой (слой постоянно талых грунтов), перехватывают свободную воду из водоносного слоя, и по трубам отводят в продольный дренаж, которым она выпускается за пределы выемки. Свободная вода перестает поступать в слой сезонного промерзания откоса и не увлажняет его.
Поверхность откоса осушается за счет удаления из нее свободной воды. Кроме того, связанная вода в глинистом грунте слоя сезонного промерзания откоса частично отводится через сеть откосных траншей, что также приводит к дополнительному осушению грунта. Это приводит в зимнее время к исключению образования наледи на откосе, обусловленного отсутствием в грунте свободной воды, и уменьшению пучинообразования на откосе вследствие частичного отвода связанной воды.
Однако оставшаяся в глинистом грунте слоя сезонного промерзания откоса связанная вода вызывают в зимний период пучение грунта.
В весенний период оттаивание этого грунта приводит к деформации грунта слоя сезонного промерзания в виде сплыва, что является недостатком известного дренажного устройства.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в разработке дренажного устройства, позволяющего стабилизировать грунты основания земляного полотна за счет полного исключения их пучения и осадки как от свободной, так и связанной воды благодаря осушения постоянно талых грунтов.
Для решения поставленной задачи в дренажном устройстве, содержащем выполненные в нижней части откоса земляного полотна поперечные траншеи и продольную траншею с уложенной на ее дне дренажной трубой, причем поперечные и продольная траншеи соединены между собой и заполнены дренирующим материалом, поперечные и продольная траншеи выполнены на глубину менее глубины сезонного промерзания.
Заявляемое решение отличается от прототипа глубиной выполнения поперечных и продольной траншей в грунте нижней части откоса земляного полотна, а именно «поперечные и продольная траншея выполнены на глубину менее глубины сезонного промерзания». Наличие в совокупности признаков заявляемого решения существенного отличительного признака свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности полезной модели «новизна».
На фиг. представлена схема дренажного устройства:
а) план дренажного устройства;
б) разрез дренажного устройства по сечению I-I;
в) разрез дренажного устройства по сечению II-II.
Дренажное устройство содержит поперечные 1 и продольную 2 траншеи. По дну последней уложена дренажная труба 3. Продольная траншея 2 расположена вдоль откоса 4 земляного полотна, а поперечные траншеи 1 - перпендикулярно откосу 4 земляного полотна.
Поперечные 1 и продольная 2 траншеи выполнены в слое сезонного промерзания 5 грунта нижней части откоса 4 земляного полотна, на глубину меньшую, чем глубина сезонного промерзания. Они соединены между собой и образуют единую дренажную систему. Траншеи 1 и 2 на всю глубину заполнены дренирующим материалом, например щебнем.
Дренажное устройство апробировано на 3163 км участка земляного полотна БАМа с осадкой насыпи до 80 мм в год. Основание насыпи 4 данного участка имеет два слоя грунта, а именно слабое основание, представляющее собой слой оттаявшего вечномерзлого грунта, содержащего слой сезонного промерзания 5 глубиной 2-2,5 м и слой постоянно талых грунтов 6, а также вечномерзлые глинистые грунты 7, находящиеся на глубине ниже 5 м от поверхности земли.
Строительство дренажного устройства осуществляют следующим образом.
Баровой машиной у основания откоса насыпи 4 в слое сезонного промерзания 5 нарезают поперечные 1 и продольную 2 траншеи шириной 0,2 м на глубину 1,4 м. с образованием единой дренажной системы. Поперечные траншеи 1 выполняют с интервалом 5 м.
На дно продольной траншеи 2 укладывают дренажные трубы диаметром 100 мм. По стенкам траншей укладывают геотекстиль для защиты от заиливания и траншеи на всю глубину заполняют дренирующим материалом - щебнем.
Дренажное устройство работает следующим образом.
В весенний период свободная вода в оттаявшем грунте слоя сезонного промерзания 5 собирается поперечными траншеями 1 и продольной траншеей 2 и отводится в безопасное место. Это приводит к осушению слоя сезонного промерзания 5 от свободной воды. При этом связанная вода в виде тонких пленок присутствует в этом слое грунта и не участвует в осушении.
Отвод свободной воды из слоя сезонного промерзания 5 приводит в летнее время к стабилизации влажности в слое оттаявших вечномерзлых грунтов 6 за счет того, что талая свободная вода из слоя сезонного промерзания 5 не поступает в слой оттаявших вечномерзлых грунтов 6.
В следующий зимний период свободная вода, частично оставшаяся в слое сезонного промерзания 5, замерзает, образуя центры кристаллизации льда. Связанная вода слоя сезонного промерзания 5, находящаяся в жидком состоянии, конденсируется на кристаллы льда, вызывая их рост. При этом пленки связанной воды утончаются.
Под действием молекулярных сил связанная вода слоя постоянно талых грунтов 6 мигрирует в слой сезонного промерзания 5, восстанавливая утраченную толщину пленок связанной воды слоя сезонного промерзания 5. Вновь поступившая в слой сезонного промерзания 5 связанная вода продолжает рост кристаллов льда, постоянно утрачивая толщину пленок связанной воды, восстановление которой идет за счет связанной воды слоя постоянно талых грунтов 6.
Таким образом, процесс кристаллизации льда в слое сезонного промерзания 5 является своеобразным «насосом» для удаления связанной воды из слоя постоянно талых грунтов 6, что приводит к снижению влажности грунтов в этом слое относительно влажности этих грунтов в летнее время.
При оттаивании в весенний период ледяные кристаллы превращаются в свободную воду, собираемую поперечными траншеями 1 и продольной траншеей 2.
Процесс удаления связанной воды из слоя постоянно талых грунтов 6 повторяется каждый зимний период, что приводит в результате к осушению постоянно талых грунтов слоя 6, к устранению осадок и к стабилизации земляного полотна.
Использование дренажного устройства в течение одного зимнего сезона привело к уменьшению осадки насыпи до 50 мм, что составляет около 37%.