Способ защиты мерзлого основания насыпи дорожного полотна от негативного влияния обводнения

Изобретение относится к строительству в районах распространения многолетнемерзлых грунтов и может быть использовано для защиты и сохранения мерзлого состояния основания насыпи дорожного полотна в условиях техногенного обводнения на участках ограниченной длины вдоль продольной оси сооружения. Способ защиты мерзлого основания насыпи дорожного полотна от негативного влияния техногенного обводнения включает отсыпку ограничительного валика из глинистого материала, отсекающего прилегающую к откосам часть водоема. С целью снижения трудозатрат и повышения эффективности защиты мерзлого основания насыпи осуществляют засев выделенной части водоема растениями болотных видов или в пределах отсеченной части водоема в зимнее время года отсыпают в необходимом количестве заторфованный грунт или торф, обладающий заданными свойствами по влагоемкости и структурной жесткости каркаса, или в пределах отсеченной части водоема в летнее время укладывают легкие сетчатые или ячеистые конструкции в виде матов из тонких пластмассовых нитей или натуральных волокон. Технический результат - повышение надежности конструкции насыпи в условиях техногенного обводнения при исключении низкоэффективных и трудоемких операций по реконструкции и ремонту существующих водосборных и водопропускных сооружений. 3 ил.

 

При строительстве в северных регионах неглубокие, протяженные в одном направлении, либо в плане, водоемы достаточно часто возникают на равнинных участках местности вблизи насыпных сооружений [1-4] и существуют длительное время, оказывая неконтролируемое негативное воздействие на грунты мерзлого основания. Причиной обводнения могут быть недостатки проектирования и строительства водосборных и водопропускных сооружений объекта строительства.

Основным техническим мероприятием по устранению негативного влияния обводнения в настоящее время являются специальные водоотводные решения и ремонтно-восстановительные работы уже существующих водоотводных и водопропускных сооружений, а также строительство новых. При этом эффективность этих работ оказывается низкой и требует выполнения дополнительных работ по укреплению основания дорожного полотна [5-7]. В итоге, этот способ устранения негативного влияния обводнения оказывается малоэффективным и весьма трудозатратным.

В работе [8] показано, что изменение температуры многолетнемерзлых грунтов (на глубине нулевых амплитуд) под неглубокими водоемами (глубиной до 1 метра) существенно зависит от условий перемешивания слоя воды в летнее время года. Этот результат поясняет Фиг. 1, на котором приведены результаты расчета этой температуры t_m в зависимости от глубины водоема h. В отсутствии техногенного водоема (при h=0 м) естественная температура грунта t_m=-2°С. При полном перемешивании (за счет ветрового воздействия и естественно-конвективного движения) температура грунта монотонно растет с увеличением глубины водоема (кривая 1). Если же в летнее время возникают условия, препятствующие перемешиванию водного слоя, то существует диапазон глубин водоема, при которых слой воды оказывает охлаждающее влияние на подстилающие грунты (кривая 2). Можно, однако, видеть, что и в диапазоне глубин, при которых происходит разогрев грунта в отсутствии перемешивания (h>0,5 м), температура грунта остается существенно ниже, чем в случае перемешивания воды летом. Условия, препятствующие перемешиванию воды, могут возникать по естественным причинам - например, при зарастании водоема болотной растительностью или его заиливании путем обогащения органо-минеральным веществом, привносимым ветровым путем или сплывами со склонов. Этим объясняются известные факты затухания процесса термокарста при зарастании термокарстовых озер на начальной стадии развития этого процесса (что соответствует снижению теплопотока в льдистое основание), или охлаждающего влияния заболоченных участков (включающих значительную долю органо-минеральной компоненты) на температурный режим подстилающих грунтов [9-11].

Предлагается способ снижения трудозатрат и повышения эффективности защиты мерзлого основания насыпи.

Предотвратить перемешивание неглубокого водоема в летнее время года возможно чисто техническими средствами. Это возможно выполнить в ограниченной области водоема, прилегающей к откосам насыпи применением одним из следующих мероприятий: а) искусственным засевом болотными травами (в отличие от засева откосов полевыми видами для их укрепления); б) подсыпкой органо-минерального материала в необходимом количестве (например, заторфованным грунтом или торфом); в) размещением в этой зоне специальных легких сетчатых (или ячеистых) конструкций (например, в виде матов из тонких пластмассовых нитей или натуральных волокон). При необходимости маты могут быть закреплены ко дну водоема анкерными штырями. Возможно применение различных сочетаний мероприятий (вариантов способа), указанных в пунктах а)-в).

Основными требованиями к заполняющему водоем каркасу являются: достаточно высокая влагоемкость (обеспечивающая необходимые затраты тепла на оттаивание в летнее время) и образование в воде жесткой или вязкой структуры, препятствующей перемешиванию воды под действием ветра и естественной конвекции. Ширина прилегающей к откосам области водоема В, которая подлежит применению необходимых мероприятий, должна определяться расчетом, а технически ограничение может быть выполнено отсыпкой валика из глинистого материала по внешней границе этой области в зимнее время года (после промерзания водоема). Предварительные расчеты показывают, что ширина В для водоема глубиной до 0,5 м не превышает 5-7 метров.

Засев ограниченной области водоема болотными травами производят по любой известной технологии.

Способ защиты мерзлого основания насыпи дорожного полотна торфяной подсыпкой поясняет Фиг. 2. Первый этап защиты основания насыпи 1 и ее откоса 2 заключается в отсыпке валика из глинистого материала 3 по льду промерзшего водоема 4, отсекающего прилегающую к насыпи часть водоема заданной ширины В (определяемую расчетом), после чего осуществляют отсыпку торфа 5 по поверхности льда в пределах прилегающей к насыпи области на ширину В. По мере оттаивания льда в теплое время года глинистый валик и торфяной слой ложатся на дно водоема 6. Торфяной слой 5 препятствует перемешиванию водного слоя в летнее время года, что приводит к значительному повышению положения подошвы слоя сезонного протаивания 7 вблизи откосов насыпи 2 и в ее основании, а также к понижению температуры мерзлого основания в сравнении с условиями, существовавшими до возникновения техногенного водоема.

Использование искусственных матов поясняется Фиг. 3. Первый этап защиты основания насыпи 1 и ее откоса 2 заключается в отсыпке валика из глинистого материала 3 по льду промерзшего водоема 4, отсекающего прилегающую к насыпи часть водоема заданной ширины В (определяемую расчетом). Укладку матов 5 в пределах выделенной полосы шириной В осуществляют в летнее время послойно до необходимой высоты (минимально превышающей уровень поверхности водоема) с помощью малых плавсредств, либо перемещением по дну пешим способом в болотных сапогах. По мере оттаивания льда в теплое время года глинистый валик ложится на дно водоема 6. Слой матов 5 препятствует перемешиванию водного слоя в летнее время года, что приводит к значительному повышению подошвы слоя сезонного протаивания 7 вблизи откосов насыпи 2 и в ее основании, а также к понижению температуры мерзлого основания в сравнении с условиями, существовавшими до возникновения техногенного водоема.

В результате использования способа повышается надежность конструкции насыпи при сокращении низкоэффективных и трудоемких операций по реконструкции и ремонту существующих водосборных и водопропускных сооружений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гребенец В.И., Исаков В.А. Деформации автомобильных и железных дорог на участке Норильск - Талнах и методы борьбы с ними // Криосфера Земли, т. XX, №2, 2016, с. 69-77.

2. Дыдышко П.И. Деформации земляного полотна железнодорожного пути и их устранение в условиях вечной мерзлоты // Криосфера Земли, т. XXI, №4, 2017, с. 43-57.

3. Воронцов В.В., Краев А.Н., Игошин М.Е. Стабилизация критических деформаций земляного полотна автомобильной дороги в криолитозоне // Вестник СибАДИ, вып. 6 (40), 2014, с. 67-72.

4. Кондратьев С.В. Деформации Забайкальской части федеральной автомобильной дороги "Амур" Чита-Хабаровск на участках льдистых многолетнемерзлых грунтов // Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.г.-м.н., Иркутск, 2016, 22 с.

5. Литовко А.В. Геокриологические условия пород "ледового комплекса" и их воздействие на ж/д АЯМ "Беркакит-Томмот-Якутск" // Материалы международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению. ООО НПО "Фундаментстройаркос", Тюмень, 2011, с. 386-390.

6. Дыдышко П.И. Деформации земляного полотна железнодорожного пути и их устранение в условия вечной мерзлоы // Криосфера Земли, т. XXI, №4, 2017, с. 43-57;

7. Андриянов А.И. Железная дорога на "вечной" мерзлоте. // Материалы международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению. ООО НПО "Фундаментстройаркос", Тюмень, 2011, с. 77-79.

8. Горелик Я.Б., Земеров И.В. Влияние поверхностного обводнения на температурный режим мерзлых грунтов // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2020. Т. 6, №1 (в печати).

9. Шур Ю.Л. Верхний горизонт толщи мерзлых пород и термокарст, Новосибирск, Наука, 1988, 213 с.

10. Фельдман Г.М. Термокарст и вечная мерзлота, Новосибирск, Наука, 1984, 262 с;

11. Павлов А.В. Мониторинг криолитзоны, Новосибирск, ГЕО, 2008, 230 с;

12. Достовалов Б.Н., Кудрявцев В.А. Общее мерзлотоведение. М., МГУ, 1967, 403 с.

Способ защиты мерзлого основания насыпи дорожного полотна от негативного влияния техногенного обводнения, включающий отсыпку ограничительного валика из глинистого материала, отсекающего прилегающую к откосам часть водоема, отличающийся тем, что с целью снижения трудозатрат и повышения эффективности защиты мерзлого основания насыпи осуществляют засев выделенной части водоема растениями болотных видов или в пределах отсеченной части водоема в зимнее время года отсыпают в необходимом количестве заторфованный грунт или торф, обладающий заданными свойствами по влагоемкости и структурной жесткости каркаса, или в пределах отсеченной части водоема в летнее время укладывают легкие сетчатые или ячеистые конструкции в виде матов из тонких пластмассовых нитей или натуральных волокон.