Земляное полотно на вечномерзлом основании

 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве и реконструкции насыпей линейных сооружений на слабых при протаивании вечномерзлых грунтах, в частности для обеспечения стабильности оснований насыпей на марях. Дорожное полотно на вечномерзлом основании содержит насыпь, теплоизолирующий слой из материала пористой структуры с удельным весом меньше удельного веса воды, армирующее покрытие из СНМ, крупнопористый защитный слой и изолирующую прокладку, при этом теплоизолирующий слой помещен в армирующее покрытие и уложен на глубину деятельного слоя, защитный слой уложен на армирующее покрытие с возможностью конвективного теплообмена, а изолирующая прокладка выполнена пыленепроницаемой и уложена между защитным слоем и насыпью. Технический результат: изобретение позволит получить устойчивое дорожное полотно, в основании которого в течение последующей эксплуатации будет исключено возникновение гидростатического давления поровой воды за счет обеспечения постоянного отрицательного температурного режима. Устойчивость сооружения будет способствовать безопасному и бесперебойному режиму движения поездов. 1 ил.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве и реконструкции насыпей линейных сооружений на слабых при протаивании вечномерзлых грунтах, в частности для обеспечения стабильности оснований насыпей на марях.

По статистике, почти четверть протяжения земляного полотна, которое сооружается в южной зоне распространения вечномерзлых грунтов, подвергается осадкам. Осадки связаны с деградацией вечной мерзлоты в основании земляного полотна.

Сложная взаимосвязь природных, конструктивных и техногенных факторов сооружения и эксплуатации насыпей оказывает влияние на величину, неравномерность, интенсивность и длительность накопления осадок во времени. Последние, в конечном счете, зависят от термовлажностного режима и качества грунтов основания сооружения (мерзлотно-грунтовых условий). Отепляющее влияние на грунты основания оказывает как техногенное воздействие насыпи и динамическое воздействие подвижного состава, так и скопление воды на прилегающей к насыпи территории. В местах скопления воды у насыпи (блюдцах) происходит быстрое протаивание вечной мерзлоты в основании, начинает формироваться "чаша" протаивания. Это способствует накоплению осадки пути.

Механизм возникновения и развития деформаций следующий. Вода, попадая в поры грунтов основания, оказывает влияние на их свойства. При растворении в воде, частицы грунта, находясь во взвешенном состоянии, испытывают те же напряжения от воздействия сил, что и молекулы воды. В соответствии с законом Архимеда каждая частица грунта, находящаяся в свободной воде, испытывает действие выталкивающей силы. В естественных условиях вес грунта и давление воды в порах, поровое давление, уравновешиваются. Все негативные процессы, связанные с промерзанием-протаиванием в естественных условиях приурочены к сезонно-деятельному слою - h_д. Но величина порового давления зависит от приложенной нагрузки: чем больше нагрузка, тем больше поровое давление. Поровое давление является причиной процессов, влияющих на деформативность земляного полотна. Гидростатическое давление поровой воды в летний период, возникающее под действием веса насыпи и динамического воздействия поездов, способствует пластическому выдавливанию грунтов из-под насыпи и "тепловой" осадке грунтов основания, что практически составляет годовую суммарную осадку земляного полотна.

Обеспечить стабильность земляного полотна можно путем устранения гидростатического давления поровой воды в основании дорожного полотна. В условиях вечной мерзлоты это достигается промораживанием основания, которое осуществляется двумя путями.

Первый путь - ликвидация порового давления путем сохранения мерзлоты в основании за счет создания конвективного теплообмена грунтов основания с воздухом (проветривания грунтов основания).

Для создания охлаждающего эффекта применяются конструкции из сортированного морозоустойчивого скального грунта, железобетонных плит, лотков, термосифоны и т. д. В них за счет проветривания температура, по сравнению с наружным воздухом, уменьшается на 2-4^oC [1]. Это позволяет поддерживать отрицательный температурный режим в основании дорожного полотна в течение года, сохраняя грунты основания от протаивания и исключая возникновение гидростатического давления. Конструкции из таких материалов сравнительно долговечны, но требуют больших капиталовложений для их осуществления.

Второй путь - ликвидация порового давления путем сохранения мерзлоты в основании посредством изоляции кондуктивного теплообмена между основанием и насыпью, т. е. изоляцией грунтового основания от проникновения теплого воздуха из насыпи. Для сохранения грунтов от протаивания используется торф, отходы деревообработки, пенопласты, пены и т. д.

Известно земляное полотно, в котором поровое давление исключается с помощью сохранения вечномерзлых грунтов от протаивания путем исключения кондуктивного теплообмена в основании и которое значительно улучшает теплозащитные свойства известной конструкции [2]. Земляное полотно представляет собой насыпь, основание и теплоизолирующий слой. Теплоизолирующий слой выполнен из мха и торфа и уложен на естественное грунтовое основание. Насыпь из грунтов местных карьеров отсыпана сверху на теплоизолирующий слой.

Летом, когда земляное полотно протаивает, теплоизолирующий слой из торфа, за счет пористости его структуры, не пропускает тепловой поток из насыпи, сохраняя грунты от протаивания, что исключает возникновение порового давления в грунтах основания.

Достоинством известной конструкции является отсутствие порового давления в основании в начальный период эксплуатации за счет наличия теплозащитного слоя пористой структуры с низкой теплопроводностью, что обеспечивает устойчивость дорожного полотна.

Недостатком известного сооружения является то, что в процессе длительной эксплуатации в грунтах деятельного слоя возникает поровое давление вследствие потери теплопроводности теплозащитного слоя, обусловленной разложением торфа и мха, и развития осадок, обусловленного неоднородными мерзлотно-грунтовыми условиями и неровностями рельефа под сооружением.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является другое решение, в котором поровое давление также исключается за счет сохранения вечномерзлых грунтов от протаивания путем изоляции кондуктивного теплообмена между основанием и насыпью и которое значительно улучшает теплозащитные свойства вышеназванной конструкции [3].

Известное земляное полотно представляет собой насыпь, основание, теплоизолирующий слой и влагоизолирующую прокладку. Теплоизолирующий слой выполнен из мха и торфа и уложен на естественное грунтовое основание. Влагоизолирующая прокладка предназначена для исключения проникновения воды в насыпь (как капилляропрерыватель). Она выполнена из поросли и ветвей деревьев и уложена на теплоизолирующий слой. Насыпь из грунтов местных карьеров отсыпана сверху на влагоизолирующую прокладку.

Летом, когда земляное полотно протаивает, теплоизолирующий слой из торфа и мха, за счет пористости их структуры, не пропускает тепловой поток из насыпи, сохраняя грунты от протаивания, а влагоизолирующая прокладка не пропускает воду в насыпь и тем самым защищает грунты насыпи от быстрого протаивания и их отепляющего воздействия на грунты основания, что исключает возникновение порового давления в грунтах основания.

Достоинством известной конструкции является отсутствие порового давления в основании за счет наличия теплозащитного слоя пористой структуры с низкой теплопроводностью и влагоизолирующей прокладки, что обеспечивает устойчивость земляного полотна.

Недостатком известного сооружения является то, что в процессе длительной эксплуатации в грунтах деятельного слоя возникает гидростатическое давление поровой влаги вследствие потери теплопроводности теплозащитного слоя, обусловленной разложением торфа и нарушением влагоизоляции за счет гниения древесных отходов и развития осадок, обусловленного неоднородными мерзлотно-грунтовыми условиями и неровностями рельефа под сооружением.

Из-за неоднородных мерзлотно-грунтовых условий в сезонно-деятельном слое в основании и неравномерного смачивания водой насыпи будет происходить неравномерное пучение конструкции. Интенсивное воздействие сил морозного пучения в незащищенных приподошвенных зонах приведет к расползанию откосных и приподошвенных зон. Вследствие неравномерной осадки и прогиба основания произойдет нарушение целостности конструкции, что приведет к ухудшению теплозащитных свойств конструкции. Снижение теплозащитных свойств конструкции приведет к нарушению устоявшегося температурного режима в основании, что, в свою очередь, вызовет протаивание и возникновение гидростатического давления поровой воды в основании сооружения.

В основу изобретения положена задача разработать земляное полотно, устойчивость которого в течение последующей эксплуатации будет обеспечена путем исключения возникновения гидростатического давления поровой воды в основании за счет обеспечения постоянного отрицательного температурного режима. Это может быть достигнуто за счет замены грунта на материал пористой структуры, удельный вес которого меньше удельного веса воды, приводящей к постоянству низких температур и ликвидации гидростатического давления в основании дорожного полотна. Отсутствие гидростатического давления обеспечит стабильность земляного полотна в течение всего периода эксплуатации. Устойчивость сооружения будет способствовать безопасному и бесперебойному режиму движения поездов.

Для решения поставленной задачи в известном земляном полотне на вечномерзлом основании, включающем насыпь, теплоизолирующий слой из материала пористой структуры с удельным весом меньше удельного веса воды и изолирующую прокладку, оно дополнительно снабжено армирующим покрытием из синтетического нетканого материала и расположенным на нем крупнопористым слоем, изолирующая прокладка выполнена пыленепроницаемой и расположена между защитным слоем и насыпью, при этом теплоизолирующий слой помещен в армирующее покрытие и уложен на глубину деятельного слоя.

Преимущество изобретения заключается в том, что оно способствует круглогодичному равномерному промораживанию основания и исключению возникновения порового давления в грунтах основания.

Это достигается тем, что благодаря укладке теплоизолирующего слоя на глубину деятельного слоя h_д, отсыпке на него защитного крупнопористого слоя и выполнению прокладки пыленепроницаемой будет обеспечен постоянно низкий температурный режим в основании земляного полотна.

В зимний период происходит понижение температуры за счет теплообмена "атмосфера-грунтовое основание", летом - "грунтовое основание - атмосфера".

Благодаря тому, что теплозащитный слой помещен на глубину деятельного слоя, а армирующее покрытие постоянно смочено, разность температур между поверхностью теплозащитного слоя и атмосферным воздухом увеличится на 2.5-4^oC. Увеличение амплитуды температур приведет к возрастанию интенсивности конвективного теплообмена, что обеспечит быстрое промораживание теплоизолирующего слоя зимой и медленной теплоотдаче летом и позволит сохранить грунты основания от протаивания.

Таким образом, грунты основания будут иметь постоянно низкую температуру, т. е. сохраняться в мерзлом состоянии, что исключит возникновение гидростатического давления поровой влаги.

На чертеже дан поперечный разрез земляного полотна на вечномерзлом основании.

Земляное полотно содержит: основание 1, теплозащитный слой 2, армирующее покрытие 3, защитный слой 4,изолирующую прокладку 5, насыпь 6.

Для изоляции конвективного теплообмена между насыпью и основанием теплозащитный слой 2 выполнен из опилок, т. е. из материала, имеющего открытую пористую структуру, и удельный вес которого меньше удельного веса воды.

Для сохранения целостности конструкции и усиления теплозащитных свойств армирующее покрытие 3 выполнено из СНМ в виде оболочки, внутри которой помещены опилки теплоизолирующего слоя 2.

Для сохранения грунтов основания от протаивания теплозащитный слой 2 с армирующим покрытием 3 уложены на основание 1 на глубину деятельного слоя (h_д).

Для обеспечения конвективного теплообмена между поровым пространством теплоизолирующего слоя 2 и атмосферным воздухом защитный слой 4 выполнен из щебня и уложен на армирующее покрытие 3 так, чтобы верх слоя располагался на 0.3- 0.5 м выше дневной поверхности.

Для сохранения пористости защитного слоя изолирующая прокладка 5 выполнена из СНМ и уложена на защитный слой 4.

Насыпь 6 отсыпана из грунтов местных карьеров до проектного положения на изолирующую прокладку 5.

Предлагаемое земляное полотно осуществляется следующим образом. В конце летнего периода, когда протает марь, в основании 1 будущего земляного полотна убирают грунт до глубины сезонного промерзания - протаивания (0.8 - 1.2 м). Зимой на промороженное основание осуществляют укладку опилок теплозащитного слоя 2 в армирующем покрытии 3. Поверх теплозащитного слоя 2 отсыпают защитный слой 4 из щебня. На защитный слой 4 укладывают прокладу 5 из полотнищ СНМ. Далее, до проектного положения отсыпают насыпь 6 из грунтов местных карьеров.

В весенний период полностью промерзшее земляное полотно подвергается отепляющему воздействию прямых солнечных лучей и воды прилегающей мари.

Вначале нагреваются грунты насыпи, затем тепловой паток постепенно опускается в грунты основания 1 и достигает прокладки 5. Грунты насыпи протаивают, смачивая прокладку 5.

Прокладка не пропускает частицы грунта в защитный слой 4 и обеспечивает постоянную конвекцию воздуха в нем. Воздушная прослойка в защитном слое сама по себе является хорошим теплоизолятором. За счет разности температур на смоченной прокладке и в атмосферном воздухе увеличивается конвекция в поровом пространстве защитного слоя 4.

Когда температура атмосферного воздуха значительно повысится, а температура конвектируемого воздуха в защитном слое тоже увеличится, тогда начнется его термическое воздействие на теплозащитный слой 2.

Кроме того, вода мари и атмосферных осадков будет оказывать растепляющее воздействие на теплозащитный слой 2. Вода начнет впитываться сначала в армирующее покрытие 3, а затем, медленно, в теплозащитный слой 2. Но при этом из-за пористости теплозащитного слоя 2 и СНМ 3 охлажденная вода, попадая в поровое пространство, в силу капиллярности опилок, будет стремиться вверх, увеличивая темп испарения за счет увеличения конвективного теплообмена. Конвекция увеличивается из-за возрастания разницы температур на поверхности защитного слоя 2 и в атмосферном воздухе, т.к. при этом температура в теплозащитном слое уменьшится на 2.5-4^oC.

Таким образом, в период максимальных осадок, осенью, в основании предлагаемого земляного полотна максимальная температура достигнет 0^oC, что позволит сохранить грунты основания от протаивания круглый год и тем самым исключить возникновение порового давления.

Испытания, которые проводились на опытном объекте Ургальского узла ДВЖД (ранее БАМЖД), доказывают, что заявляемое решение осуществимо и работоспособно. Предлагаемое земляное полотно, по сравнению с обычной насыпью, позволяет понизить среднегодовую температуру в грунтах основания на 2.5 - 4^oC. Осадки в основании обычной насыпи начинаются, когда температура достигнет 4^oC. В этот период в основании предлагаемого земляного полотна температура будет близка 0^oC, что позволяет сохранять вечномерзлые грунты от протаивания, тем самым исключить возникновение порового давления и обеспечить стабильность земляного полотна в течение всего срока эксплуатации.

Постоянное смачивание водой опилок позволит сохранить их от разложения и потери теплопроводности.

Источники информации 1. Г.П.Минайлов. Исследования и материалы по строительству и эксплуатации зданий и сооружений на мерзлых грунтах/ Записки Забайк. Филиала Географ. Об-ва СССР. - Чита, 1973. Вып. XCI. - С. 34-36.

2. СниП 03.06-85. Автомобильные дороги. М., Госстрой СССР, 1986. - С. 17- 18.

3. С. М. Иванников. Изыскания и проектирование автогужевых дорог в условиях вечной мерзлоты. М.: Дориздат, 1940. - С. 196-198.

Формула изобретения

Земляное полотно на вечномерзлом основании, включающее насыпь, теплоизолирующий слой из материала пористой структуры с удельным весом меньше удельного веса воды и изолирующую прокладку, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено армирующим покрытием из синтетического нетканого материала и расположенным на нем крупнопористым защитным слоем, изолирующая прокладка выполнена пыленепроницаемой и расположена между защитным слоем и насыпью, при этом теплоизолирующий слой помещен в армирующее покрытие и уложен на глубину деятельного слоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1