дорожная насыпь на вечной мерзлоте

Формула изобретения

1. Дорожная насыпь на вечной мерзлоте, содержащая тело насыпи, уложенное на естественную поверхность грунта, балластную призму, расположенную на основной площадке насыпи, и теплоизоляционный слой, отличающаяся тем, что она содержит боковые вспомогательные массивы грунта высотой не менее 0,3 м, шириной в_б, расположенные в пределах основной площадки насыпи, ее откосов и на горизонтальном участке на естественной поверхности грунта у подошвы откосов насыпи и примыкающие с обеих сторон к балластной призме, а теплоизоляционный слой с термическим сопротивлением R_т расположен на выравнивающем слое из сухомерзлого песка непосредственно под балластной призмой и боковыми вспомогательными массивами, ширину в_б определяют из условия

в_б в_n + в_отк + в_г ,

где в _б - ширина бокового вспомогательного массива грунта, м;

в_n - расстояние между бровкой откоса балластной призмы и бровкой основной площадки насыпи, м;

в_отк - длина откоса насыпи, м;

в_г - длина горизонтального участка вспомогательного массива грунта у подошвы откоса насыпи, м.

2. Дорожная насыпь по п.1, отличающаяся тем, что боковые вспомогательные массивы выполнены из недренирующего твердомерзлого грунта с устройством дренажных прорезей для стока дождевых вод.

3. Дорожная насыпь по п.1, отличающаяся тем, что по ширине теплоизоляционный слой выполнен с разрывами шириной 0,3-3,0 м, размещенными за пределами участка не менее 4 м от оси насыпи и не менее половины ширины подошвы насыпи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, а именно к сооружению дорожных насыпей на вечномерзлых грунтах в их основаниях.

Известны виды поперечных профилей насыпей, 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 насыпей заключаются в том, что в случае применения их в области распространения вечной мерзлоты на просадочных при оттаивании мерзлых грунтах основание насыпи деформируется, что влечет за собой разрушение насыпи.

Наиболее близкой к предлагаемой является насыпь с заменой грунтов в основании, предназначенная для применения в области распространения вечной мерзлоты (Г.Н. Жинкин, И.А. Грачев. “Особенности строительства железных дорог в районах распространения вечной мерзлоты и болот”, М., УМК МПС России, 2000, с. 31, рис. 1.6).

Недостатком такой конструкции является то, что для устройства замены требуется нередко дефицитный дренирующий грунт. Кроме того, вырезка мерзлого грунта в основании насыпи при зимнем производстве работ трудоемка, а при летнем - приводит к растеплению большого массива вечномерзлых грунтов в основании, понижающему их прочностные характеристики.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения устойчивости и долговечности насыпей в области распространения вечномерзлых грунтов при сильном снегопереносе с существенным упрощением круглогодичной технологии их возведения и расширения области применения местных мерзлых грунтов.

Для достижения указанного технического результата дорожная насыпь на вечной мерзлоте, содержащая тело насыпи, уложенное на естественную поверхность грунта, балластную призму, расположенную на основной площадке насыпи и теплоизоляционный слой, включает боковые вспомогательные массивы грунта высотой не менее 0,3 м, шириной в_б, примыкающие с обеих сторон к балластной призме и расположенные в пределах основной площадки насыпи, ее откосов и на горизонтальном участке на естественной поверхности грунта у подошвы откосов насыпи, а теплоизоляционный слой с термическим сопротивлением R_т расположен на выравнивающем слое из сухомерзлого песка непосредственно под балластной призмой и боковыми вспомогательными массивами, при этом R_т определяют теплофизическим расчетом из условий недопустимости сезонного протаивания грунта под балластной призмой, а ширину в боковых вспомогательных массивах определяют из условий:

где в_б - ширина бокового вспомогательного массива грунта, м;

в_расч - ширина бокового вспомогательного массива грунта, определяемая теплофизическим расчетом из условий обеспечения требуемой температуры грунта под телом балластной призмы, м;

h_н - высота насыпи, м;

в _п - расстояние между бровками откоса балластной призмы и бровкой основной площадки насыпи, м;

в_отк - длина откоса насыпи, м;

в_г - длина горизонтального участка вспомогательного массива грунта у подошвы откоса насыпи, м.

Кроме того, боковые вспомогательные массивы могут быть выполнены из недренирующего твердомерзлого грунта с устройством дренажных прорезей для стока дождевых вод. А теплоизоляционный слой по ширине выполнен с разрывами шириной 0,3 - 3,0 м, размещенными за пределами участка не менее 4 м от оси насыпи и не менее половины ширины подошвы насыпи.

Предлагаемая дорожная насыпь иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображена насыпь с высотой, приближающейся к нулю, при наличии сплошной теплоизоляции, поперечное сечение;

на фиг. 2 - то же, вид в плане;

на фиг. 3 изображена насыпь с высотой, приближающейся к нулю, при наличии теплоизоляции с разрывом;

на фиг. 4 - то же, вид в плане;

на фиг. 5 изображено поперечное сечение насыпи малой высоты.

Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах предлагаемой конструкции содержит тело 1 насыпи, отсыпанной на естественную поверхность 2 основания, балластную призму 3, размещенную в пределах основной площадки 4 насыпи, боковые вспомогательные массивы 5, примыкающие по бокам к балластной призме 3, размещенные в пределах основной площадки 4 насыпи, ее откосов 6 и естественной поверхности 2 у подошвы откосов 6, и теплоизоляцию 7, размещенную непосредственно под балластным слоем 3 и боковыми вспомогательными массивами 5. Теплоизоляция 7 выполнена, например, из пеноплэкса. Термическое сопротивление теплоизоляции R_т, а следовательно, и толщина пеноплэкса определяются теплофизическим расчетом. Слой пеноплэкса размещен на выравнивающем слое 8 из песка. В случае, когда высота тела насыпи h_н более 0,5 м, для обеспечения отвода дождевых вод между теплоизоляцией 7 и балластной призмой 3 размещен слой геотекстиля 9. Фильтрующая прослойка 9 из геотекстиля укладывается с уклоном 0,02% в обе стороны от оси насыпи с выпуском на поверхность откоса порядка 0,2 м (фиг. 5). Если высота тела насыпи h _н стремится к нулю, то в случае применения для боковых вспомогательных массивов 5 местного недренирующего грунта в теле этих массивов устраивают дренирующие прорези 10 шириной в _пр на расстоянии в_др друг от друга. Из опыта работы подобных дренажных устройств величины в_пр и в_др должны быть соответственно 0,5 м и 5 -15 м. При этом дренирующая прорезь и балластная призма должны содержать обойму 11 из геотектиля.

Главное назначение боковых вспомогательных массивов грунта - защита теплоизолирующего слоя от повреждений. Кроме того, вспомогательное покрытие позволяет уменьшить необходимую толщину теплоизоляции. Вспомогательный массив 5 может отсыпаться талым, сухомерзлым дренирующим или твердомерзлым недренирующим грунтом.

Ширина боковых вспомогательных массивов в _б должна быть не менее 2,0 м из условий недопущения резкого понижения нулевой изотермы по бокам балластной призмы на момент окончания теплого периода года. В результате величина в_б определяется из условий:

где в_расч - ширина бокового вспомогательного массива грунта, определяемая теплофизическим расчетом из условий обеспечения требуемой температуры грунта под телом балластной призмы, м;

h_н - высота насыпи, м;

в _п - расстояние между бровками откоса балластной призмы и бровкой основной площадки насыпи, м;

в_отк - длина откоса насыпи, м;

в_г - длина горизонтального участка вспомогательного массива грунта у подошвы откоса насыпи, м.

Высота h_б бокового вспомогательного массива 5 должна быть не менее 0,3 м из условий применения средств уплотнения грунта.

Для обеспечения более низких температур под внешними сторонами боковых вспомогательных массивов 5 в теплоизоляции 7 могут быть устроены разрывы 12, ширина которых в_р может колебаться от 0,3 до 3,0 м. По условиям обеспечения устойчивости пути расстояние от оси насыпи до края разрыва должно быть не менее половины ширины подошвы насыпи или менее 4,0 м. Положение нулевой изотермы (верхней границы вечной мерзлоты) на момент окончания теплого периода в естественных условиях после постройки насыпи при сплошной теплоизоляции и после постройки насыпи при наличии разрывов в теплоизоляции показано соответственно позициями 13, 14, 15. При сплошной теплоизоляции нулевая изотерма 14 под краем бокового вспомогательного массива 5 уходит вниз (фиг. 1), что может привести к нежелательным осадкам массива 5. В случае разрыва в теплоизоляции (фиг. 3) нулевая изотерма 15 под краем массива 5 существенно поднимается вверх, однако под разрывом имеет место сезонное протаивание. Чтобы избежать продольной фильтрации дождевых вод под разрывом, по длине разрывов 12 устроены перемычки 16, на протяжении которых теплоизоляция выполнена непрерывной. Длина перемычки l_n=2-3 м.

Насыпь сооружают в зимний период. Тело 1 насыпи отсыпают из твердомерзлого местного грунта, далее на выравнивающий слой 8, состоящий из сухомерзлого грунта, укладывают теплоизоляцию 7. Из сухомерзлого грунта отсыпают балластную призму 3. Боковые вспомогательные массивы могут быть выполнены из твердомерзлого местного грунта.

В тепловом отношении насыпь работает следующим образом. В зимний период в условиях Заполярья, где имеет место сильный снегоперенос, с верхней поверхности балластной призмы и боковых вспомогательных массивов снег сдувается, что способствует активному поступлению холода в грунты основания. Хотя в летний период поверхность также оголена, что способствует соответственно поступлению в грунт тепла, суммарный за год тепловой баланс обеспечивает формирование отрицательных температур в грунтах оснований. Температурный режим грунтов оснований зависит от среднегодовой температуры воздуха, мощности теплоизоляции, ширины боковых вспомогательных массивов, степени потепления климата и др., поэтому он определяется теплофизическим расчетом.

При разработке данного изобретения было решено два технических противоречия.

Противоречие первое. Поскольку основным требованием разрабатываемого технического решения была недопустимость осадок насыпи при наличии просадочных грунтов оснований, естественным решением было применение теплоизоляции под балластной призмой. Применение теплоизоляции позволяет снизить глубину сезонного протаивания вплоть до ее полной ликвидации непосредственно под пенопластом. Однако при применении пенопласта в случае потепления климата происходит растепление грунтов оснований, и в случае наличия пенопласта под балластной призмой увеличиваются боковые тепловые потоки на глубине в сторону оси насыпи, что, в свою очередь, способствует растеплению грунтов. Улучшение температурного режима может быть достигнуто уширением зоны теплоизоляции. Однако в этом случае она должна быть заглублена в грунт, чтобы иметь защитный слой. При заглублении теплоизоляции на поверхности будет откладываться слой снега, что ухудшит температурный режим. Таким образом, с одной стороны, необходимо уширение и углубление теплоизоляции, с другой, углубление не нужно.

Противоречие решено введением бокового вспомогательного массива.

Противоречие второе. При применении теплоизоляции под боковым вспомогательным массивом на его внешнем краю нулевая изотерма в конце теплого периода резко уходит вниз, что может привести к нежелательным деформациям. Дальнейшее уширение бокового вспомогательного массива не приводит к результатам. Выход из противоречия был найден устройством “разрыва” в теплоизоляции, через который подкачивается холод через оголенную зимой поверхность бокового вспомогательного массива.

Эффективность применения предлагаемой конструкции достигается при следующих условиях:

- сильный снегоперенос;

- температура грунтов основания до постройки насыпи порядка минус 2°С и выше;

- нулевая или малая высота насыпи (не превышающая глубины сезонного протаивания);

- вероятность глобального потепления климата;

- требование одностадийности строительства (т.е. последующие деформации земполотна и их устранение недопустимы);

- минимальное использование привозных материалов.