Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах

Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах

Реферат

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

Известны поперечные профили 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).

Недостаток таких профилей насыпей в случае их применения в области распространения вечной мерзлоты заключается в том, что мерзлые грунты основания насыпи подвергаются в теплое время года оттаиванию, что влечет за собой деформации самой дорожной конструкции.

Наиболее близкой к предлагаемой является насыпь с применением специальных мероприятий по стабилизации грунтов в ее теле с помощью пенопластовой теплоизоляции и тепловых диодов, предназначенная для применения при строительстве на вечномерзлых грунтах (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 она требует применения в теле насыпи привозных дренирующих грунтов и при этом не гарантирует от появления деформаций земляного полотна вследствие оттаивания или растепления мерзлого основания, особенно при строительстве дороги в теплый период года.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения устойчивости и долговечности насыпей, сооружаемых из местных мерзлых льдонасыщенных грунтов, сооружаемых в холодный период года.

Для достижения указанного технического результата в дорожной насыпи на вечномерзлых грунтах, содержащей тело насыпи, балластную призму, расположенную на основной площадке насыпи и теплоизоляционный слой, устроены боковые вспомогательные массивы грунта высотой h_б и шириной в_б, расположенные по бокам балластной призмы в пределах основной площадки насыпи, ее откосов и на горизонтальном участке на естественной поверхности грунта, примыкая к подошве откосов насыпи, а тело насыпи выполнено из трех ярусов: нижнего высотой h_нж, среднего высотой h_cp и выполненного из дренирующего грунта верхнего яруса высотой h_вн, при этом теплоизоляционный слой термическим сопротивлением R_Т расположен на выравнивающем слое из сухомерзлого песка непосредственно под боковым вспомогательным массивом, снизу до уровня верха среднего яруса тела насыпи, далее по верхней поверхности среднего яруса тела насыпи до вертикальной плоскости, проходящей через бровку основной площадки насыпи, а высота h_б бокового вспомогательного массива определяется удобством механизированной отсыпки его и может быть различной на отдельных его участках, при этом основные размеры насыпи определяют из условий

в_расч≤в_б=в_п+в_отк+в_г, м,

h_нж≥h_б, м,

h_вн≥h_т-h_бп, м,

h_ср=h_н-h_нж-h_вн, м,

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

в_б - ширина бокового вспомогательного массива грунта, м;

в_п - расстояние между бровками балластной призмы и основной площадки насыпи, м;

в_отк - длина откоса насыпи, м;

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

h_нж - высота нижнего яруса тела насыпи, м;

h_б - высота бокового вспомогательного массива грунта, м;

h_вн - высота верхнего яруса тела насыпи, м;

h_т - глубина максимально возможного сезонного протаивания грунта, м;

h_бп - высота балластной призмы, м;

h_cp - высота среднего яруса тела насыпи, м;

h_н - высота тела насыпи (без балластной призмы), м.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где изображено поперечное сечение насыпи.

Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах предлагаемой конструкции содержит тело 1 насыпи, уложенное на естественную поверхность 2 грунта, балластную призму 3, расположенную на основной площадке 4 насыпи, боковые вспомогательные массивы 5, расположенные по бокам балластной призмы в пределах основной площадки 4, ее откосов 6 и на горизонтальном участке на естественной поверхности грунта у подошвы откосов насыпи. Уклон откосов насыпи обеспечивают 1:3 и положе. Это объясняется характером снегозаносов в условиях сильного снегопереноса: чем положе откос, тем меньше снегозаносимость. Толщина h_б боковых вспомогательных массивов определяется удобством механизированной их укладки, может быть переменной по ширине в_б и составляет 0,3-0,7 м. При этом при откосе, например, 1:4 ширина горизонтального сечения бокового вспомогательного массива составит соответственно 1,2-2,8 м, что позволяет осуществлять использование уплотнительной техники. Тело насыпи содержит три яруса: нижний высотой h_нж, средний высотой h_cp и верхний высотой h_вн. Высота h_вн верхнего яруса определяется глубиной сезонного протаивания: h_вн≥h_т - h_бп, где h_т - глубина максимально возможного сезонного протаивания, м; h_бп - высота балластной призмы, м. Этот ярус отсыпается из сухомерзлого песка. Нижний и средний ярусы отсыпаются из местного твердомерзлого грунта и во избежание просадок не должны протаивать во все время эксплуатации. Суммарная высота нижнего и среднего ярусов определяется разностью общей высоты насыпи и высоты верхнего яруса и стремится при уменьшении общей высоты насыпи к высоте нижнего яруса, если горизонтальная часть у подошвы насыпи бокового вспомогательного массива выполнена из недренирующего материала, и к нулю, - если из дренирующего. В последнем случае высота насыпи равна высоте верхнего яруса, а весь теплоизоляционный слой расположен горизонтально.

Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах содержит также теплоизоляционный слой 7, например “пэноплекс”, термическим сопротивлением R_т, расположенный на выравнивающем слое 8 из сухомерзлого песка непосредственно под боковым вспомогательным массивом снизу до уровня верха среднего яруса тела насыпи, далее по верхней поверхности среднего яруса тела насыпи до вертикальной плоскости, проходящей через бровку основной площадки насыпи. Общая протяженность в_расч и мощность R_т теплоизоляционного слоя определяются теплофизическим расчетом и считается от точки А, отстоящей от оси насыпи на половину ширины основной площадки насыпи, т.е. на в_оп/2. Теплоизоляционный слой вместе с боковым вспомогательным массивом продолжается за пределами подошвы откосов насыпи на ширину не менее двух глубин сезонного оттаивания грунта.

Позициями 9 и 10 показано положение верхней границы вечномерзлых грунтов на момент окончания теплого периода года соответственно до и после возведения насыпи. Для отвода атмосферных осадков из балластной призмы и верхнего яруса тела насыпи в подошве верхнего яруса укладывается фильтрующий слой 11 геотекстиля с уклоном в сторону откоса 0,01-0,02 и выпускается за пределы бокового вспомогательного массива на 20-30 см. Слой геотекстиля может быть уложен также под балластной призмой и по поверхности откоса 6 в пределах верхнего яруса насыпи высотой h_вн. При этом верхняя часть бокового вспомогательного массива, расположенная над верхней поверхностью среднего яруса, сооружается либо из дренирующего грунта, например песка, либо из любого грунта, но с прорезями из дренирующего грунта для отвода дождевых вод из верхнего яруса насыпи. Часть бокового вспомогательного массива, расположенная ниже верхней поверхности среднего яруса, отсыпается из любого грунта. Границы по горизонтали теплоизоляции 7 и выравнивающего слоя 8 показаны позицией 12.

Сооружение дорожной насыпи на вечномерзлых грунтах осуществляется в зимний период. Вначале отсыпают нижний и средний ярусы тела 1 насыпи твердомерзлым местным грунтом. При этом возможно использование льдистого грунта, поскольку предполагается его нахождение в течение всего срока эксплуатации в мерзлом состоянии. После уплотнения грунта отсыпается выравнивающий слой 8 и укладывается теплоизоляционный слой 7. Далее отсыпают боковые вспомогательные массивы 5 путем последовательной укладки горизонтальных слоев и механизированного их уплотнения. После отсыпки нижнего и среднего ярусов тела насыпи вместе с теплоизоляцией и нижней частью боковых вспомогательных массивов отсыпают в той же последовательности вначале верхний ярус тела насыпи, а затем балластную призму вместе с оставшейся частью бокового вспомогательного массива.

Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах работает следующим образом. В зимний период верхняя часть насыпи оголена от снега, поэтому идет интенсивное поступление холода в грунт, особенно на участке ОА. И хотя в летний период здесь также идет интенсивное поступление тепла, в связи с отрицательной среднегодовой температурой воздуха общий баланс отрицательный. В зоне откосов и у подошвы насыпи в зимний период скапливается снег, поэтому общий тепловой баланс может быть близок к нулю или даже положителен, поэтому здесь целесообразна укладка теплоизоляционного слоя. Боковой вспомогательный массив служит для предохранения теплоизоляции от повреждений. В верхней своей части он также служит для ликвидации “парусности” балластной призмы. Холод, поступающий через участок ОА в тело насыпи, распространяется по всей ширине насыпи и выход его в летний период в воздух затруднен из-за наличия теплоизоляции на большей части ширины насыпи. В результате в теле и основании насыпи формируются стабильные отрицательные температуры грунта.

Основное техническое противоречие заключалось в следующем. Для сохранения в теле насыпи мерзлоты как можно в большем объеме целесообразно устройство под основной площадкой теплоизоляции, как это сделано в прототипе. Однако в этом случае замедляется приток холода через основную площадку, оголенную в зимнее время от снега. Таким образом, с одной стороны, теплоизоляция нужна, с другой - нет. Выход из противоречия был найден следующим образом: на ширине основной площадки теплоизоляция была устранена, что обеспечило “вход” холода, а “выход” холода был затруднен устройством на боковой части насыпи теплоизоляции. При этом, чтобы увеличивающаяся в летнее время в результате ликвидации теплоизоляции высота деятельного слоя не приводила к просадкам, сформирован на высоту деятельного слоя верхний ярус тела насыпи, отсыпанный из непросадочных при оттаивании грунтов.

Область эффективного использования предлагаемого технического решения:

- регионы с сильным снегопереносом;

- насыпи высотой более высоты деятельного слоя для оголенной поверхности.

Предлагаемая конструкция позволяет использовать местные мерзлые льдонасыщенные грунты, просадочные при оттаивании.

1. Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах, содержащая тело насыпи, балластную призму, расположенную на основной площадке насыпи, и теплоизоляционный слой, отличающаяся тем, что она содержит боковые вспомогательные массивы грунта высотой h_б и шириной в_б, расположенные по бокам балластной призмы в пределах основной площадки насыпи, ее откосов и на горизонтальном участке на естественной поверхности грунта у подошвы откосов насыпи, при этом тело насыпи выполнено из трех ярусов: нижнего высотой h_нж, среднего высотой h_cp и верхнего высотой h_вн, причем верхний ярус выполнен из дренирующего грунта, а теплоизоляционный слой термическим сопротивлением R_т расположен на выравнивающем слое из сухомерзлого песка непосредственно под боковым вспомогательным массивом, снизу до уровня верха среднего яруса тела насыпи, далее по верхней поверхности среднего яруса тела насыпи до вертикальной плоскости, проходящей через бровку основной площадки насыпи, при этом высота h_б бокового вспомогательного массива определяется удобством механизированной отсыпки его и составляет величину 0,3–0,7 м на отдельных его участках, причем основные размеры насыпи определяются из условий

в_б=в_п+в_отк+в_г, м

h_нж≥h_б, м

h_вн≥h_т-h_бп, м

h_ср=h_н-h_нж-h_вн, м

где в_б - ширина бокового вспомогательного массива грунта, м;

в_п - расстояние между бровками балластной призмы и основной площадки насыпи, м;

в_отк - длина откоса насыпи, м;

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

h_нж - высота нижнего яруса тела насыпи, м;

h_б - высота бокового вспомогательного массива грунта, м;

h_вн - высота верхнего яруса тела насыпи, м;

h_т - глубина максимально возможного сезонного протаивания грунта, м;

h_бп - высота балластной призмы, м;

h_cp - высота среднего яруса тела насыпи, м;

h_н - высота тела насыпи (без балластной призмы), м.

2. Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах по п.1, отличающаяся тем, что в подошве верхнего яруса тела насыпи уложен фильтрующий слой из геотекстиля с уклоном 0,01–0,02 в сторону откоса насыпи, при этом слой геотекстиля выпущен за пределы бокового вспомогательного массива на 20–30 см, причем слой геотекстиля может быть уложен также под балластной призмой и по поверхности откоса в пределах верхнего яруса насыпи высотой h_вн.