дорожная насыпь с дренирующей прорезью

Формула изобретения

1. Дорожная насыпь, содержащая сооруженные на естественной поверхности грунта тело дренирующей прорези и примыкающие к ней с обеих сторон подходные участки насыпи, включающие устроенные на их поверхности системы для охлаждения вечномерзлых грунтов, например каменные наброски на откосах, отличающаяся тем, что тело дренирующей прорези состоит из фильтрующего массива высотой h_ф, пересекающего тело насыпи под углом к ее продольной оси, верхней части дренирующей прорези, расположенной непосредственно над фильтрующим массивом h_вн, и двух переходных участков насыпи шириной в_n и переменной высотой от h_вн до h_н, расположенных между фильтрующим массивом вместе с верхней частью дренирующей прорези и обеими подходными частями насыпи, при этом в поперечном сечении фильтрующий массив имеет вид трапеции с шириной верхнего и нижнего оснований соответственно в_фв и в_фн, а торцы фильтрующего массива, верхней части дренирующей прорези и переходных участков насыпи расположены в плоскости откосов подходных частей насыпи, причем тело фильтрующего массива выполнено из фильтрующего грунта, а верхняя часть дренирующей прорези и переходные участки насыпи выполнены из грунта насыпи, при этом

h_вн= h _н - h_ф,

в_фn= в_фв +2в_n = 4mh_н,

где в_фn - общая ширина дренирующей прорези, м;

m - коэффициент учета местных условий, m 1,0 , б/р.

2. Дорожная насыпь по п.1, отличающаяся тем, что под телом фильтрующего массива уложен слой теплоизоляции шириной в_т с термическим сопротивлением R_Т , приближающийся по форме в плане к фигуре с равноудаленными от ее центра крайними точками, причем центр теплоизоляции и центр фильтрующего массива в плане совпадают, при этом

в _т=0,5m·в_зn, м,

где l - толщина теплоизоляции, м;

- коэффициент теплопроводности теплоизоляции, ккал/(м·ч·град);

F - площадь теплоизоляции в плане, м², F=1 м².

3. Дорожная насыпь по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что тело фильтрующего массива разделено по высоте на верхний и нижний ярусы с высотой соответственно h _вя и h_ня, при этом массив верхнего яруса выполнен из скального грунта, а массив нижнего яруса - из фракционного скального грунта, причем верхний и нижний ярусы между собой и от остальной части дренирующей прорези отделены разделительным слоем из геотекстиля, а h_вн=mh_вя

4. Дорожная насыпь по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что в оголовках фильтрующего массива устроены охлаждающие бермы из фракционного скального грунта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, а именно к сооружению высоких фильтрующих насыпей на вечномерзлых грунтах оснований.

Известна насыпь, дренирующая часть которой выполнена из каменной наброски. (Г.М.Шахунянц “Земляное полотно железных дорог”, Трансжелдориздат, М., 1953, с.467, рис.482).

Недостаток ее заключается в том, что в случае применения насыпи в области распространения вечномерзлых грунтов происходит деградация вечной мерзлоты.

Наиболее близкой к предлагаемой является фильтрующая насыпь, предназначенная для применения в области распространения вечномерзлых грунтов, в которой устроена дренирующая прорезь, отсыпанная из камня (С.Н.Юсупов “Инженерный метод расчета фильтрующих насыпей на вечномерзлых грунтах оснований”, Труды ЦНИИС, выпуск №213, М., ЦНИИС, 2002 г., с.137-144).

Недостаток заключается в невозможности применения такой конструкции в насыпях большой высоты, т.к. происходит формирование мерзлого ядра в центре насыпи и фильтрация становится невозможной.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения нормальной работы насыпи большой высоты с дренирующей прорезью в области распространения вечномерзлых грунтов.

Для достижения указанного технического результата в дорожной насыпи, содержащей сооруженные на естественной поверхности грунта тело дренирующей прорези и примыкающие к ней с обеих сторон подходные участки насыпи, включающие устроенные на их поверхности системы для охлаждения вечномерзлых грунтов, например каменные наброски на откосах, тело дренирующей прорези состоит из фильтрующего массива высотой h_ф, пересекающего тело насыпи под углом к ее продольной оси, верхней части дренирующей прорези, расположенной непосредственно над фильтрующим массивом высотой h_вн и двух переходных участков насыпи, расположенных между фильтрующим массивом вместе с верхней частью дренирующей прорези и обеими подходными частями насыпи шириной в_n и переменной высотой от h_вн до h_н, при этом фильтрующий массив в поперечном сечении имеет вид трапеции с шириной верхнего и нижнего оснований соответственно в_фв и в_фн, а торцы фильтрующего массива, верхней части дренирующей прорези и переходных участков насыпи расположены в плоскости откосов подходных частей насыпи, причем тело фильтрующего массива выполнено из фильтрующего грунта, а верхняя часть дренирующей прорези и переходные участки насыпи выполнены из грунта насыпи, при этом

h_вн=h_н-h_ф,

в_фn=в_фв+2в_nm=4mh_н ,

где в_фn - общая ширина дренирующей прорези, м;

m - коэффициент учета местных условий, равный 1,0 при отсутствии обоснований и меньше 1,0 при их наличии, б/р.

Кроме того, в дорожной насыпи под телом фильтрующего массива может быть уложен слой теплоизоляции с термическим сопротивлением R_т, приближающийся по форме в плане к фигуре с равноудаленными от ее центра крайними точками (например, к кругу) шириной в _т, причем центр теплоизоляционного слоя и центр фильтрующего массива в плане совпадают. Ширину теплоизоляции определяют из выражения

в_т=0,5m·в_зn, м,

а мощность теплоизоляции из выражения

где l - толщина теплоизоляции, м;

- коэффициент теплопроводности теплоизоляции, ккал/(м·час·град);

F - площадь теплоизоляции в плане, м². При расчете R_т величина F принимается равной 1 м² .

Тело фильтрующего массива делится по высоте на верхний и нижний ярусы с высотой соответственно h_вя и h_ня, при этом массив верхнего яруса выполнен из скального грунта, а массив нижнего яруса - из фракционного скального грунта, причем верхний и нижний ярусы между собой и от остальной части дренирующей прорези отделены разделительным слоем из геотекстиля, а

h_вн=mh_вя.

При этом в оголовках фильтрующего массива могут быть устроены охлаждающие бермы из фракционного скального грунта.

Предлагаемая дорожная насыпь иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображено поперечное сечение насыпи с дренирующей прорезью (разрез I-I на фиг.2);

на фиг.2 изображена насыпь с дренирующей прорезью в плане;

на фиг.3 изображено поперечное сечение дренирующей прорези по продольной оси насыпи (сечение II-II на фиг.2).

Дорожная насыпь состоит из подходных участков 1 насыпи дренирующей прорези 2 шириной в_фn. Насыпь предназначена для применения ее на вечной мерзлоте, поэтому подходная часть насыпи содержит системы для охлаждения вечномерзлых грунтов, например каменную наброску 3 на откосах. Дренирующая прорезь состоит из фильтрующего массива 4 высотой h_ф, пересекающего тело насыпи под углом и ее продольной оси (в большинстве случаев под прямым углом), верхней части 5 дренирующей прорези, расположенной непосредственно над фильтрующим массивом 4 высотой h_вн, и двух переходных участков 6 насыпи шириной в_н и переменной высотой от h_вн до h_н, расположенных между фильтрующим массивом 4 вместе с верхней частью 5 дренирующей прорези и обеими подходными частями 1 насыпи. В поперечном сечении фильтрующий массив 4 имеет вид трапеции с шириной верхнего и нижнего оснований соответственно в_фв и в_фн. Оба торца дренирующей прорези 2, включая торцы всех трех ее составляющих частей, расположены в плоскости откосов подходных частей 1 насыпи, так что в пределах дренирующей прорези общая конфигурация насыпи сохраняется. Тело фильтрующего массива выполнено из фильтрующего грунта, например, скального, а верхняя часть фильтрующей прорези и переходные участки насыпи выполнены из грунта насыпи, но не допускающего интенсивную фильтрацию. Основные размеры дренирующей прорези определяют из следующих соотношений:

h_вн=h_н-h _ф,

в_фп=в_фв+2_вn=4mh _н

где в_фn - общая ширина дренирующей прорези 2, м;

m - коэффициент учета местных условий, равный 1,0 при отсутствии обоснований и меньше 1,0 при их наличии, m1,0, б/р.

Для улучшения работы насыпи под телом дренирующей прорези укладывается слой теплоизоляции 7 с термическим сопротивление R_т, приближающийся по форме в плане к фигуре с равноудаленными от ее центра крайними точками. Идеальный вид такой фигуры - круг, но может быть допущен квадрат, ромб и т.п. Центр теплоизоляции и центр фильтрующего массива в плане совпадают. Диаметр круга или сторона квадрата в_т равна

в_т=0,5m·в _зn, м,

где l - толщина теплоизоляции, м;

- коэффициент теплопроводности теплоизоляции, ккал/(м·час·град);

F - площадь теплоизоляции в плане, м². При расчете R_т величина F принимается равной 1 м;

в_зn - ширина подошвы насыпи, м.

Для увеличения долговечности дренирующей прорези тело фильтрующего массива 4 может быть разделено по высоте на верхний 8 и нижний 9 ярусы с высотой соответственно h_вя и h_ня. Массив верхнего яруса выполнен из обычного скального грунта, а нижнего - из фракционного скального грунта. Верхний и нижний ярусы между собой и от остальной части фильтрующей прорези отделены разделительным слоем 10 из геотекстиля. Высоту верхнего и нижнего ярусов определяют из соотношения

h_вн=mh_вя.

Для улучшения температурного режима грунтов оснований в ряде случаев могут быть применены охлаждающие бермы 11 из фракционного скального грунта.

Для пояснения сущности изобретения введены на фиг.1, 2, 3 следующие позиции: 12 - направление водного потока, 13 - естественная поверхность грунта; 14 - положение верхней границы вечной мерзлоты в зоне дренирующей прорези на момент окончания теплого периода года в установившемся режиме.

Дорожная насыпь с дренирующей прорезью работает следующим образом.

Водный поток поступает к насыпи по направлению 12, далее проходит через фильтрующий массив 4. При этом в грунты основания поступает тепло, которое способствует растеплению вечномерзлых грунтов оснований. Для компенсации этого необходимо обеспечить подток холода в грунты. Этот холод не может поступать сверху, поскольку при большой высоте насыпи замораживание грунта по всей высоте за зимний период не происходит. Поэтому подток холода обеспечивается со стороны подходной части 1 насыпи. Там верхняя граница вечной мерзлоты на момент окончания теплого периода года находится в теле насыпи. За зимний период верхний талый слой успевает промерзнуть и холод поступает в основание в зоне подходной насыпи, а оттуда - в грунты основания под дренирующей прорезью. Таким образом, холод в грунты основания под дренирующей прорезью поступает не сверху, а сбоку - со стороны подходной части насыпи. Кроме того, при необходимости могут дополнительно быть устроены охлаждающие бермы 11, которые обеспечат увеличение подтока холода. Теплоизоляционный слой 7 улучшает температурный режим грунтов оснований - препятствует поступлению тепла сверху и способствует удержанию холода непосредственно под дренирующей прорезью.

В окружении грунта с наличием большого количества пылеватых составляющих, т.е. обычного грунта, применяемого для отсыпки насыпи, фильтрующий массив может засоряться. Для улучшения работы фильтрующего массива последний выполнен двухярусным. Массив верхнего яруса высотой h_вя выполнен из обычного скального грунта. Его назначение - обеспечить более благоприятные условия для основной части (нижний ярус высотой h_ня) условия, препятствующие ее засоряемости. В зависимости от местных условий высота верхнего яруса может изменяться, но она не должна превышать высоту нижнего яруса:

h_вн =mh_вя.

Кроме разделения на два яруса для снижения вероятности засорения фильтрующего массива последний отделен от окружающего грунта разделительным слоем 10 из геотекстиля.

Предлагаемым изобретением решено следующее техническое противоречие.

Для обеспечения нормальной работы дренирующей прорези на вечномерзлых грунтах просадочных при оттаивании необходимо, чтобы, с одной стороны, тело фильтрующего массива в летний период было в талом состоянии (т.е. чтобы оно могло пропускать воду), с другой, - чтобы в зимний период в грунты основания поступал холод, т.е. чтобы за зиму фильтрующий массив не только сам замерзал, но и пропускал холод в основание. При низкой насыпи (до 2 м) это возможно при высоте насыпи порядка 3 м и выше, возможно два состояния: либо нижняя часть насыпи находится в талом состоянии круглый год, либо в мерзлом. В первом случае фильтрующая вода приводит к дополнительному притоку тепла, что может вызвать осадки насыпи. Во втором - фильтрация просто невозможна.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает фильтрацию в летний период и поступление холода в грунты основания под дренирующей прорезью в зимний период. Это достигается следующим образом: для случая, когда насыпь за пределами дренирующей прорези обеспечивает охлаждающее влияние (случай, когда насыпь за пределами дренирующей прорези способствует растеплению грунтов, не рассматривается).

Насыпь в пределах дренирующей прорези освобождается от охлаждающих мероприятий, например убирается каменная наброска с откосов. Тогда в пределах дренирующей прорези нижняя часть насыпи находится в талом состоянии круглый год. Охлаждение грунтов оснований под дренирующей прорезью происходит за счет подходных участков насыпи, где сохранена на откосах каменная наброска. Однако ширина дренирующей прорези, когда будут соблюдаться вышеуказанные условия, является ограниченной определенными размерами.

Многолетние исследования, проведенные в ЦНИИСе, позволили установить следующую зависимость: температура грунта на любой глубине от естественной поверхности, равной h_н, обеспечивается условиями на границе наружного воздуха и естественной поверхности в пределах круга радиусом R=2h_н (Проектирование и устройство фундаментов опор мостов в районах распространения вечномерзлых грунтов. СП 32-101-95. М., 1996, стр.39). Отсюда появляется зависимость

в_фn=в_фв+2в_n=4mh_н .

Распределение температуры по глубине в пределах тела дренирующей прорези и далее в грунтах ее оснований достаточно плавное, что при наличии положительных температур в зоне фильтрации воды сформирует под телом фильтрующего массива также температуры, близкие к нулевым. При этом деформативность таких пластичномерзлых грунтов достаточно высокая. Чтобы понизить температуру, нужно обеспечить более значительный перепад температур путем укладки слоя теплоизоляции под телом дренирующей прорези. Из условий практики минимальный слой теплоизоляции - 5 см пенопласта, который имеет термическое сопротивление . При увеличении мощности перепад температур будет увеличиваться. В результате может быть предложена зависимость

Теплоизоляция не должна укладываться по всей ширине насыпи, поскольку в зоне нижней части откосов насыпи за зиму полностью промерзает грунт до подошвы насыпи.

Анализ температурного режима грунтов насыпи позволяет для размеров слоя теплоизоляции в плане предложить следующую зависимость:

в_т =0,5m·в_зn.

Область эффективного использования данного изобретения - насыпи с дренирующей прорезью высотой более 3 м в тех случаях, когда в подходных участках насыпи применены охлаждающие мероприятия типа каменной наброски, которые обеспечивают подъем мерзлоты в тело насыпи.