Земляное сооружение на вечной мерзлоте при поперечном уклоне местности
Владельцы патента RU 2769793:
Пассек Вадим Васильевич (RU)
Пассек Вячеслав Вадимович (RU)
Андреев Виталий Степанович (RU)
Воробьев Сергей Сергеевич (RU)
Селезнев Алексей Викторович (RU)
Изобретение относится к области возведения транспортных и других сооружений на вечной мерзлоте. Земляное сооружение на вечной мерзлоте при поперечном уклоне местности содержит тело сооружения, возведенное на территории с естественными природными условиями, и зону поверхности с нарушенными в результате возведения тела земляного сооружения природными условиями, которая непосредственно примыкает к телу сооружения, при этом земляное сооружение расположено на поперечном уклоне. Земляное сооружение расположено на льдогрунтах и содержит на границе зоны поверхности с нарушенными природными условиями и территории с естественными природными условиями, защитный массив высотой «h» и шириной «b» из маловлажного грунта, расположенный вдоль границы тела сооружения, где «h» равно разности уровней грунта в мерзлом и текучем при оттаивании состояниях, а «b» определяется из условий устойчивости защитного массива после оттаивания и растекания льдогрунта со стороны тела сооружения. Технический результат состоит в обеспечении безопасности окружающей земляное сооружение территории после возведения самого земляного сооружения. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к области возведения транспортных и других сооружений на вечной мерзлоте.
Известно земляное сооружение при поперечном уклоне местности, содержащее тело сооружения, возведенное на территории с естественными природными условиями, и зону поверхности с нарушениями в результате возведения тела земляного сооружения природными условиями, которая непосредственно примыкает к телу сооружения. (Г.М. Шахунянц. Земляное полотно железных дорог, Гос. транспортное железнодорожное издательство. М., 1953, фиг. 3, 28).
Недостаток данного технического решения заключается в том, что в условиях вечной мерзлоты могут произойти деформации самого сооружения.
Известно земляное сооружение не вечной мерзлоте при поперечном уклоне местности, содержащее тело сооружения, возведенное на территории с естественными природными условиями, и зону поверхности с нарушенными в результате возведения тела земляного сооружения природными условиями, которая непосредственно примыкает к телу сооружения (Технические условия на проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию железных дорог на полуострове Ямал. СТО Газпромтранс 4. 2012. М., 2012., п. 5. 20 и п. 5.23). Особенностью технического решения по сравнению с аналогом является то, что приняты меры по сохранению естественного температурного режима грунтов за счет уположения откосов и тем самым уменьшения толщины снежных отложений, которые приводят к растеплению или даже к деградации мерзлоты.
Недостатком данного технического решения является то, что при наличии залегающих близко к поверхности льдогрунтах недостаточно применения просто мер для стабилизации температурного режима вечномерзлых грунтов. Протаивание грунтов может начаться из-за местных нарушений поверхности, причем не в вертикальном, а в горизонтальном направлении в сторону повышения естественной поверхности на окружающей территории и при этом с увеличивающейся во времени толщиной протаиваемого слоя. Это может привести к катастрофическим деформациям на окружающей территории, и, как вторичное следствие, - к разрушению самого тела земляного сооружения (дорожной выемки, насыпи, земляной площадки для поселка и т.п.).
Целью предполагаемого изобретения является обеспечение безопасности окружающей земляное сооружение территории после возведения самого земляного сооружения.
Поставленная цель достигается тем, что земляное сооружение на вечной мерзлоте при поперечном уклоне местности содержит тело сооружения, возведенное на территории с естественными, природными условиями, и зону поверхности с нарушенными в результате возведения тела земляного сооружения природными условиями, которая непосредственно примыкает к телу сооружения, при этом земляное сооружение расположено на льдогрунтах и содержит на границе зоны поверхности с нарушенными природными условиями и территории с естественными природными условиями защитный массив высотой «h» и шириной «b» из маловлажного грунта, расположенный вдоль границы тела сооружения, где «h» равно разности уровней грунта в мерзлом и текучем при оттаивании состояниях, а «b» определяются из условий устойчивости защитного массива после оттаивания и растекания льдогрунта со стороны тела сооружения.
Защитный массив может представлять собой грунт, уложенный в траншею глубиной «h», и шириной «b», причем грунт в талом состоянии имеет угол естественного откоса «ϕ» в пределах 40-60°, а ширина массива «b» равна
Защитный массив может также представлять собой уложенную горизонтальную полосу габионов, которая в поперечном сечении состоит из нескольких габионов общей шириной «h», соединенных друг с другом шарнирно в уровне нижних оснований и закрепленных в грунте с верховой стороны территории, при этом верхняя поверхность полосы совпадает с поверхностью окружающего грунта.
Сущность изобретения представлена на чертежах, где
на фиг. 1 представлен общий вид земляного сооружения в виде железнодорожной выемки,
на фиг. 2 представлен общий вид земляного сооружения в виде окраинного участка грунтовой площадки для поселка,
на фиг. 3 представлен узел А на фиг. 1 и 2 - подземное исполнение защитного массива,
на рис. 4 представлен узел А на фиг. 1 и 2 - наземное исполнение защитного массива,
на фиг. 5 приведен характер протаивания в летний период зоны поверхности с нарушенными в результате возведения тела земляного сооружения природными условиями, случай слабольдистых (маловлажных) грунтов,
на фиг 6 приведен характер протаивания в летний период зоны поверхности с нарушенными в результате возведения тела земляного сооружения природными условиями, случай льдогрунтов,
на фиг. 7 представлена последовательность протаивания грунтов на территории с естественными природными условиями в результате формирования зоны с нарушенными природными условиями.
Земляное сооружение на вечной мерзлоте при поперечном уклоне местности содержит тело 1 сооружения, возведенное на территории 2 с естественными природными условиями, и зону 3 поверхности с нарушенными в результате возведения тела 1 земляного сооружения природными условиями, которая непосредственно примыкает к телу 1 сооружения. При этом земляное сооружение расположено на поперечном уклоне местности. На фиг. 1 телом 1 сооружения является земляное полотно выемки железной дороги, а на фиг. 2 - это окраинная часть площадки для поселка, при этом ширина в первом случае равна «α1», а во втором - «α2». Территория 2 с ненарушенными естественными условиями на фиг. 1 и 2 расположена на ширине С1, С2, С3. Зона 3 поверхности с нарушенными природными условиями на поверхности расположена на фиг. 1 и 2 на ширине d1, d2, d3. В первом случае (фиг. 1) нарушение естественных природных условий имеет место при формировании выемки, в результате чего произведено удаление растительного покрова и срезка грунта. Во втором случае нарушение теплового баланса и, следовательно, дополнительное протаивание происходит в результате повышенных снежных отложений, которые при сильном снегопереносе, характерного для заполярной тундры, формируются по линии 4.
Земляное сооружение содержит защитный массив 5 высотой «h» и шириной «b» из маловлажного грунта, расположенный вдоль границ тела сооружения. Высота «h» назначается, исходя из следующих соображений. В естественных условиях, когда талый грунт в летний период находится только с поверхности (т.е. деятельный слой), а основная часть мерзлая, то положение естественной поверхности определяется линиями 2 или 3 с уклоном 1:i1. Если же имеет место протаивание льдогрунтов (а данное техническое решение предназначено именно для случая залегания льдогрунтов и погребенных льдов), то верхняя граница протаявших и расплывшихся грунтов занимает положение 6 с уклоном 1:i2 и углом наклона горизонтали равном «α». Высота «h» защитного массива есть расстояние по вертикали между линией 3 и 6 в месте контакта зон 2 и 3. Ширина «b» защитного массива определяется из условий устойчивости защитного массива после оттаивания и растекания льдогрунта со стороны тела 1 сооружения.
Конструктивное исполнение защитного массива 1 может быть различным. На фиг. 3 и 4 представлено две схемы этого исполнения. По первой схеме грунт закладывается в траншею во время возведения земляного сооружения (фиг. 3). В случае оттаивания и расплывания грунта 7 грунтовый массив принимает треугольную форму с откосом 8 и углом естественного откоса «ϕ». В этом случае из геометрических соображений 
По второй схеме грунт (предпочтительно скальный) закладывается в габионы 9. Защитный массив (фиг. 4) представляет собой уложенную горизонтально полосу габионов, которая в поперечном сечении состоит из нескольких габионов 9 общей шириной «h», соединенных друг с другом с помощью шарниров 10 в уровне нижних оснований и заанкеренных в грунте с верховой стороны с помощью тяг 11 и анкеров 12. При этом верхняя поверхность полосы совпадает с поверхностью окружающего грунта
На фиг. 1-7 для пояснения существа работы сооружения представлены следующие позиции:
13 - ось ж. д. пути,
14 - мерзлый массив грунтов,
15 - талый грунт (деятельный слой),
16 - положение нулевой изотермы,
17 - поверхность льдогрунта после оттаивания,
18 - вертикальная зона без прослойки талого грунта,
19 - направление горизонтального протаивания,
20 - положение полосы габионов 9 на фиг. 4 после протаивания грунтового массива 7,
21 - слой дерна на фиг. 6.
Работа земляного сооружения.
Чтобы понять работу сооружения, рассмотрим схемы протаивания и деформации грунтов в различных природных условиях. В обычных грунтах малой и средней влажности (льдистости) протаивание и деформации происходят по схеме, изображенной на фиг. 5. На этой фигуре изображено состояние протаивания грунтов в середине летнего периода применительно к железнодорожной выемке, изображенной на фиг. 1 (позиция 13 на фиг. 5 - ось ж.д. пути). Грунт в начале летнего периода начинает протаивать в направлении, перпендикулярном к поверхности, и к середине летнего периода на контакте с общим мерзлым массивом 14 формируется слой талого грунта 15. Толщина этого слоя увеличивается к концу теплого периода года, но грунт остается на месте. В зимний период он снова промерзает, затем снова оттаивает, т.е. формируется так называемый деятельный слой, при этом расстояние «δ» нулевой изотермы 16 от поверхности изменяется от нуля в конце зимнего периода до некоторой величины в конце летнего периода (в общем случае различной в зависимости от среднелетней температуры воздуха).
Совсем по-другому происходят процессы протаивания и деформации при залегании льдогрунтов (фиг. 6). Если в маловажном грунте при протаивании формируется его скелет, и грунт остается на месте, то при протаивании льдогрунта образуется жидкая масса, которая при наличии уклона стекает вниз, образуя новую поверхность 17 с уклоном 1:i 2.
В то же время образуется зона 18 грунта без прослойки талого грунта на поверхности. А раз прослойки грунта нет, то нет термического сопротивления, и процесс протаивания не замедляется, т.е. за сезон протаивает не 1-2 м грунта, а десятки и даже сотни метров! Но самое главное то, что протаивание меняет направление, которое становится не перпенидкулярным к естественной поверхности, а параллельным по отношению к ней. При этом если направление протаивания совпадает с повышением уровня естественной поверхности (т.е. идет вверх по уклону), то зона 18 увеличивается, и за летний сезон могут протаить большие массивы. На рис. 7 представлен реальный пример такого протаивания на одной из железных дорог в заполярной тундре. Позицией 19 показано направление протаивания.
Для предотвращения горизонтального протаивания предлагаемое техническое решение содержит защитный массив 5, который на контакте нарушенной 3 и ненарушенной 2 зон создает дополнительное термическое сопротивление и предотвращает развитие горизонтального протаивания. Защитный массив 5 по схеме первой работает следующим образом. При протаивании массива 7 грунт защитного массива изменяет свою форму: формируется откос 8 под углом естественного откоса «ер», чем обеспечивается его дальнейшая устойчивость. Массив 7 восстанавливается новым грунтом. Заменить сразу массив 7 при строительстве вместо защитного массива неэффективно, так как неблагоприятное протаивание формируется не всегда, а лишь в определенном числе случаев. Кроме того восстановление массива 7 не всегда необходимо.
Защитный массив по схеме второй работает следующим образом. При протаивании массива 7 габионы опускаются и занимают положение 20 (фиг. 4) и «запирают» ненарушеную территорию. Роль защитного массива мог бы сыграть дерн (растительный слой) 21, но он разрушается и уплывает вместе с протаивающим льдогрунтом.
При разработке предлагаемого технического решения было решено следующее техническое противоречие. Сильный снегоперенос в условиях заполярной тундры для предотвращения снегозаносов требует, например, для выемок железных дорог откосов с очень пологими уклонами для устройства которых необходимо срезать верхние слои грунта, оголяя залегающие ниже льдогрунты. В других видах сооружений, наоборот, приходится земляные площадки возвышать над уровнем естественной поверхности, в результате чего скапливаются на контакте этих сооружений с естественной территорией большие снегоотложения, которые приводят к повышенном величинам протаивания. Эти нарушения поверхности, с одной стороны, влияют на температурный режим грунтов оснований в пределах самого сооружения, а с другой стороны, влияют на окружающую среду. Что касается самого сооружения, то разработан целый ряд мероприятий, которые компенсируют негативные последствия указанных нарушений. Но самое страшное заключается в том, что указанные нарушения при определенных природных условиях (поперечный уклон местности, наличие льдогрунтов) являются своего рода «капсулем-детонатором» для катастрофических разрушений окружающей среды, величина которых непредсказуема.
Таким образом, техническое противоречие формулируется таким образом: для обеспечения эксплуатационных характеристик земляного сооружения необходимо делать указанные выше нарушения, но с точки зрения сохранения окружающей среды эти нарушения делать нельзя. Выход из этого противоречия лежит в создании защитного массива, который «запирает» земляное сооружение от окружающего пространства.
Предполагаемое изобретение содержит следующие существенные признаки.
Первым существенным признаком является то, что земляное сооружение содержит тело сооружения и расположенную рядом с ним нарушенную в результате возведения сооружения зону и расположено на естественной поверхности с ненарушенными природными условиями.
Вторым существенным признаком является то, что сооружение вместе с окружающей территорией с ненарушенными природными условиями расположено на поперечном уклоне местности, в основаниях на всей этой территории залегают льдогрунты.
Третьим существенным признаком является то, что земляное сооружение содержит защитный массив.
Все три существенных признака необходимы и достаточны для достижения поставленной цели - обеспечения безопасности окружающей земляное сооружение территории после возведения самого земляного сооружения.
Кроме того в двух дополнительных пунктах представлены дополнительные детали по конструкции защитного массива.
Область применения предлагаемого технического решения - это огромные пространства заполярной тундры в Арктике, где в настоящее время идет интенсивное освоение - возводятся дороги, жилые и производственные сооружения. Эффективность технического решения заключается в обеспечении экологической безопасности территории, причем территории, где очень медленно восстанавливаются нарушенные природные условия.
1. Земляное сооружение на вечной мерзлоте при поперечном уклоне местности, содержащее тело сооружения, возведенное на территории с естественными природными условиями, и зону поверхности с нарушенными в результате возведения тела земляного сооружения природными условиями, которая непосредственно примыкает к телу сооружения, при этом земляное сооружение расположено на поперечном уклоне, отличающееся тем, что оно расположено на льдогрунтах и содержит на границе зоны поверхности с нарушенными природными условиями и территории с естественными природными условиями, защитный массив высотой «h» и шириной «b» из маловлажного грунта, расположенный вдоль границы тела сооружения, где «h» равно разности уровней грунта в мерзлом и текучем при оттаивании состояниях, а «b» определяется из условий устойчивости защитного массива после оттаивания и растекания льдогрунта со стороны тела сооружения.
2. Земляное сооружение по п. 1, отличающееся тем, что защитный массив представляет собой грунт, уложенный в траншею глубиной «h» и шириной «b», причем грунт в талом состоянии имеет угол естественного откоса «ϕ» в пределах 40-60°, а ширина массива равна 
3. Земляное сооружение по п. 1, отличающееся тем, что защитный массив представляет собой уложенную горизонтально полосу габионов, которая в поперечном сечении состоит из нескольких габионов общей шириной «h», соединенных друг с другом шарнирно в уровне нижних оснований и заанкеренных в грунте с верховой стороны территории, при этом верхняя поверхность полосы совпадает с поверхностью окружающего грунта.
