Земляное сооружение на многолетнемерзлых грунтах

Изобретение относится к строительству и может быть преимущественно использовано при возведении дорожных насыпей в районах распространения высокотемпературной вечной мерзлоты. Земляное сооружение на вечномерзлых грунтах содержит тело земляного полотна и прослойки из скального грунта, контактирующие с воздухом в периферийных зонах. Периферийные зоны в откосных частях снизу выполнены водонепроницаемыми, а прослойки из скального грунта соединены между собой нижележащим слоем скального грунта. Технический результат состоит в повышении устойчивости и эксплуатационной надежности земляного сооружения на вечной мерзлоте, в том числе и возводимого в теплый период года. 2 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к строительству и может быть преимущественно использовано при возведении дорожных насыпей в районах распространения высокотемпературной вечной мерзлоты.

Суть проблемы: Накопившийся значительный отрицательный опыт эксплуатации дорожных насыпей на вечной мерзлоте (ГНПП "Тындинская мерзлотная станция", ФГУДП "Омский Союздорнии", "ОАО "Иркутскгипродорниии", Хабаровский институт инженеров железнодорожного транспорта, Центральный НИИ информации и технико-экономических исследований ж/д транспорта /ЦНИИТЭИ/ и др.) показывает, что строительство насыпей из талых грунтов, особенно в теплый период, приводит к образованию талого ядра над основанием, внутри насыпи, которое не промерзает и в зимний период. В результате неустойчивая, высокотемпературная мерзлота в основании не получает столь необходимой ей ежегодной "подзарядки" холодом и начинает постепенно деградировать со всеми вытекающими из этого проблемами.

Известна конструкция насыпи [1], включающей тело, выполненное составным из нижней части, содержащей переувлажненный глинистый грунт, и верхней части из дренирующего грунта, в которой с целью ускорения консолидации, периферийные участки нижней части насыпи выполнены в виде треугольных (упорных) призм из дренирующего грунта, переувлажненный глинистый грунт этой части насыпи размещен между треугольными призмами.

Недостатками данной конструкции насыпи для районов распространения вечной мерзлоты является то, что она не обеспечивает “подзарядки” мерзлоты основания в центральной части, особенно в высоких насыпях. Последнее в районах распространения высокотемпературной (неустойчивой) вечной мерзлоты приводит к ее постепенной деградации в основании сооружения. Также уязвимы для воздействия теплых поверхностных вод и периферийные части рассматриваемой насыпи, выполняемые из дренирующих грунтов. Все это особенно в районах с высокотемпературной (неустойчивой) вечной мерзлотой ведет к общей деградации ее в основании насыпи, сопровождающейся долговременной осадкой и потерей устойчивости.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является земляное сооружение на протаивающих вечномерзлых грунтах [2], содержащее тело земляного полотна и упорные призмы в периферийных зонах, внутренняя часть которых, прилегающая к грунтам несущей части тела земляного полотна и основания, выполнена в виде непрерывной прослойки из сортированного скального грунта, контактирующей в верхней и нижней частях призм с воздухом.

Однако данное техническое решение обладает рядом существенных недостатков. Так прослойка из сортированного скального грунта прилегающая к грунтам основания и контактирующая в основании сооружения с воздухом в теплый период легко пропускает теплую поверхностную воду в основание откосных частей насыпи. Последнее способно запустить опасные термокарстовые процессы. Кроме того, само замачивание грунтов основания резко снижает их прочностные показатели. Все это в совокупности, как правило, приводит к осадке и потере устойчивости сооружения. Причем сама осадка сооружения на протаивающих вечномерзлых грунтах, способна значительно или полностью перекрыть контакт с воздухом скальной прослойки в основании. Необходимо отметить и то, что зимой у насыпи быстро образуются значительные снежные отложения в ее нижней части. Последние также будут препятствовать в этот основной период "подзарядки" холодом контакту скальной прослойки в основании сооружения с воздухом. В результате дополнительного (повышенного) конвективного теплообмена происходить уже не будет, и предлагаемый механизм эффективного промораживания грунтов центральной части тела земляного полотна и основания не сможет срабатывать, со всеми вытекающими из этого последствиями.

Целью изобретения является повышение устойчивости и эксплуатационной надежности земляного сооружения на вечной мерзлоте, в том числе и возводимого в теплый период года.

Указанный технический результат достигается тем, что в земляном сооружении на вечномерзлых грунтах, содержащем тело земляного полотна (или слои дорожной одежды) и прослойки из скального грунта, контактирующие с воздухом в периферийных зонах, согласно изобретению периферийные зоны в откосных частях снизу выполнены водонепроницаемыми, а прослойки из скального грунта соединены между собой нижележащим слоем скального грунта. При этом высота водонепроницаемых снизу откосных частей периферийных зон находится в пределах:

Sc+Нсв≤Нr≤Нc-Но-Нэф

где Hr - высота гидроизоляции снизу откосных частей периферийных зон, м;

Sc и Нсв - величина осадки и толщина снега или поверхностных вод у сооружения, м;

Нэф -эффективная толщина контакта с воздухом прослоек из скального грунта в периферийных зонах (например, не менее 1,0 м, как в а.с. №1656078), м;

Нc и Но -высота сооружения и толщина обочин (или дорожной одежды) в периферийных зонах, м.

Сами водонепроницаемые (гидроизолированные) снизу откосные части периферийных зон могут быть выполнены из недренирующего грунта или из дренирующего грунта гидроизолированного присыпными боковыми призмами из недренирующего грунта, и/или заанкеренными с уклоном к откосам водонепроницаемыми или дренирующими прослойками (например, из пенопласта, карбофоля, стеклоткани, полиэстерных геоматов и т.д.), и закрыты сверху слоем теплополупроницаемых материалов (например, из торфа, мохорастительного покрова, ультрафиолетостойких геотекстилей, высокопористых пен и т.д.).

Заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна" ввиду наличия совокупности новых признаков. Водонепроницаемость снизу откосных частей периферийных зон, в летний период препятствует фильтрации теплых поверхностных вод (верховодки) в основание сооружения, что особенно опасно на высокотемпературной (неустойчивой) вечной мерзлоте. Дополнительно, предлагаемый интервал изменения их высоты обеспечивает затекание холодного воздуха внутрь сооружения зимой через вышележащие прослойки из скального грунта в нижележащий слой скального грунта, несмотря на, как правило, значительную осадку насыпного сооружения, возводимого на оттаивающих грунтах (особенно в летнее время), а также последующее образование мощных снежных отложений (более 0,5-1 м) у основания сооружения. Таким образом создаются условия для надежной зимней "подзарядки" основания внутри сооружения.

Заявляемое техническое решение соответствует и критерию "изобретательский уровень" т.к. предлагаемая новая совокупность признаков создает отличный от известных технических решений неочевидный полезный эффект. Данный эффект заключается в температурной сдвижке теплового баланса основания сооружения под соединительным, нижележащим слоем скального грунта в сторону отрицательных температур. Последнее обеспечивается как за счет создания необходимых условий для проникания в основание сооружения более тяжелого холодного воздуха в зимний период, так и последующей задержкой (застоем) его в пониженном непродуваемом (водонепроницаемом)по краям скальном слое внутри сооружения. В результате более легкий теплый воздух летом заходить туда не сможет. Это резко снижает годовой теплооборот основания сооружения и понижает его температуру.

При этом воздух в верхних, контактирующих с воздухом периферийных скальных слоях "продухах", соединенных нижележащим скальным слоем, в летний период обеспечивает известную по скальным обсыпкам насыпей предварительную среднегодовую сдвижку температуры на 2,5-4°С в сторону понижения и теплоизоляцию (как в "шубе") нижележащего охлажденного скального слоя с более тяжелым холодным воздухом в межкомковых пустотах. В результате повышается устойчивость и эксплуатационную надежность сооружения, особенно в условиях высокотемпературной (неустойчивой) вечной мерзлоты. Предлагаемые модификации рассматриваемого земляного сооружения также обеспечивают ему необходимую сейсмоустойчивость (см. например, ВСН 61-89, стр. 182-183 Обязательное Приложение 10 п.1.2., 1.4з.).

В целом, соответствие заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень" показывает сопоставительный анализ, в приведенной ниже таблице.

Таблица 1. Сравнительный анализ конструкций дорожных насыпных сооружений для районов Севера.
Тип конструктивного решения насыпи на вечномерзлых грунтах	Защита мерзлого основания насыпи от попадания теплых поверхностных вод	Обеспечение ежегодной "подзарядки" холодом основания периферийных частей насыпи	Обеспечение ежегодной "подзарядки" холодом основания центральной части высокой насыпи	Пригодность конструкции высокой насыпи для обеспечения устойчивости на высокотемпературной вечной мерзлоте
1. Насыпь (аналог)	-	+	-	-
2. Земляное сооружение на протаивающих вечномерзлых грунтах (прототип)	-	+	-	-
3. Заявляемое техническое решение	+	+	+	+

На чертеже показано земляное сооружение, расположенное на вечномерзлых грунтах 1, содержащее тело земляного полотна или слои дорожной одежды 2, контактирующие с воздухом прослойки из скального грунта, “продухи” 3, над водонепроницаемыми снизу откосными частями периферийных зон сооружения 4. Прослойки скального грунта 3 соединены между собой нижележащим слоем скального грунта 5. При этом водонепроницаемые снизу откосные части периферийных зон 4 имеют необходимую (по теплотехнической устойчивости сооружения) высоту и могут быть гидроизолированы путем устройства присыпных призм 6 из недренирующего грунта и/или заанкеренных с уклоном к откосам водонепроницаемых или дренирующих прослоек 7, выполненных, например, из пенопласта, карбофоля, стеклоткани, полиэстерных геоматов и т.д. Водонепрницаемые нижние откосные части периферийных зон, дополнительно закрыты сверху слоем 8 из тепло-полупроницаемых испарительных материалов (например, из торфа, мохорастительного покрова, ультрафиолетостойких геотекстилей, высокопористых пен и т.д.). Для повышения сейсмоустойчивости сооружения прослойки из скального грунта 3 могут быть помещены в габионы Маккафери.

Земляное сооружение работает следующим образом. В зимний период, с наступлением отрицательных температур, тяжелый холодный воздух попадает в скальные прослойки "продухи "(для устройства которых желательно предусматривать использование крепких неразмокаемых, морозоустойчивых пород размером 0,2-0,4 м) и опускается вниз сооружения в нижележащий (пониженный) слой скального грунта (желательно с содержанием мелкозема не более 5-6%), контактирующего с нуждающимся вежегодной "подзарядке" холодом основанием сооружения. Более теплый воздух, находящийся в данном слое, наоборот, стремится подняться вверх и при этом выдавливается через противоположную грунтовую скальную прослойку (с подветренной стороны), а также через верхние части самих скальных прослоек "продухов". В результате температура внутри соединительного нижележащего скального слоя грунта понижается. Это способствует охлаждению и “подзарядке” холодом несущих мерзлых грунтов основания центральной и периферийных частей сооружения на неустойчивой вечной мерзлоте.

С наступлением положительных среднесуточных температур воздуха теплый воздух также будет частично попадать (задуваться) в "продухи". Однако как более легкий, чем нижележащий холодный воздух в межкомковых пустотах соединительного нижележащего слоя из скального грунта, вниз к мерзлому основанию сооружения он опускаться не сможет. В маловетреную погоду данный воздух застаиваясь в межкомковых пустотах "продухов" из скального грунта, срабатывает как хороший теплоизолятор (т.к. коэффициент теплопроводности воздуха меньше, чем у пенопласта), чем и объясняется известное понижение температуры в скальных набросках. Известно (см. например, Кудрявцев В.А. “Влияние инфильтрации летних осадков на температурный режим, сезонное промерзание и протаивание и на годовые теплообороты грунтов.” В сб. Мерзлотные исследования, выпуск VII Издательство МГУ, 1967г.) что в летний период наблюдается конденсация водяных паров, находящихся в воздухе на камнях скальных осыпей и набросок, вода от которых в природе часто стекает по откосам, при водонепроницаемости последних. В предлагаемом техническом решении водяные пары в летний период в основном будут конденсироваться как и в скальной наброске в скальном грунте “продухов”. При этом сконденсировавшаяся вода стекает на недренирующий грунт или на заанкеренные с уклоном к откосам водонепроницаемые или дренирующие прослойки, попадает в слой теплополупроницаемых испарительных материалов (в виде торфа или мохорастительного покрова и др.), уложенных на поверхности нижних водонепроницаемых частей откосов насыпи. Данные слои, напитываясь стекаемой конденсатной влагой, будут работать не только теплоизоляторами, но и дополнительно обеспечивать отток поступающего на откосы тепла солнечной радиации за счет активного испарения поступающей конденсатной влаги своей развитой поверхностью. Таким образом обеспечивается как недопущение попадания конденсатной влаги в мерзлое основание скальных насыпей, так и одновременное использование ее для охлаждения от радиационного нагрева контактирующих с основанием нижних частей откосов насыпи за счет испарения (т.к. на испарение 1 кг воды необходимо затратить 2256 кДж тепла, или около 590 кал. на 1 г воды). Непродуваемость (воздухонепроницаемость) скального слоя между периферийными зонами обеспечивается их водонепроницаемостью, что одновременно препятствует попаданию теплых поверхностных вод (верховодки) в основание сооружения на вечной мерзлоте, приводящее к ее деградации. Последнее наиболее опасно для неустойчивой высокотемпературной вечной мерзлоты, для сохранения которой преимущественно и предназначено данное изобретение.

В совокупности вышеприведенный механизм позволяет сдвинуть среднегодовую температуру на поверхности основания сооружения из положительной области (как в обычных конструкциях) в отрицательную. Последнее значительно улучшает условия поддержания мерзлоты в основании сооружения. В результате повышается его общая устойчивость и эксплуатационная надежность

Источники информации

(1) Авторское свидетельство №1081283 А, кл. Е 02Д 17/18.

(2) Авторское свидетельство №1656078 А1, кл. Е 02Д 17/18.

1. Земляное сооружение на вечномерзлых грунтах, содержащее тело земляного полотна и прослойки из скального грунта, контактирующие с воздухом в периферийных зонах, отличающееся тем, что периферийные зоны в откосных частях снизу выполнены водонепроницаемыми, а прослойки из скального грунта соединены между собой нижележащим слоем скального грунта.

2. Земляное сооружение по п.1, отличающееся тем, что высота водонепроницаемых снизу откосных частей периферийных зон находится в пределах

Sc+Нсв≤Нr≤Нc-Но-Нэф

где Hr - высота гидроизоляции снизу откосных частей периферийных зон, м;

Sc и Нсв - величина осадки и толщина снега или поверхностных вод у сооружения, м;

Нэф - эффективная толщина контакта с воздухом прослоек из скального грунта в периферийных зонах, м;

Нc и Но - высота сооружения и толщина обочин (или дорожной одежды) в периферийных зонах, м.

3. Земляное сооружение по п.1 или 2, отличающееся тем, что водонепроницаемые снизу откосные части периферийных зон могут быть выполнены из недренирующего грунта или гидроизолированы присыпными боковыми призмами из недренирующего грунта и/или заанкеренными с уклоном к откосам водонепроницаемыми или дренирующими прослойками (например, из пенопластов, карбофоля, стеклоткани, полиэстерных геоматов и т.д.) и закрыты сверху слоем тепло-полупроницаемых испарительных материалов (например, из торфа, мохорастительного покрова, ультрафиолетостойких геотекстилей, высокопористых пен и т.д.).