Покрытие лесной дороги
Владельцы патента RU 2677180:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петрозаводский государственный университет" (RU)
Покрытие лесной дороги включает грунтовое основание, проезжую часть, обочины и теплоизолирующий слой, ширина которого превышает ширину проезжей части дороги. Каждая из двух продольных сторон теплоизолирующего слоя выходит за пределы горизонтальной проекции проезжей части дороги на 4-8 толщин теплоизолирующего слоя, но не более чем на 50% ширины обочины. Технический результат заключается в повышении несущей способности покрытия дороги. 2 ил.
Изобретение по данной заявке относится к строительству автомобильных дорог, в том числе лесных дорог, в районах с сезонным промерзанием грунтов.
Известна дорожная конструкция по патенту [Дорожная конструкция. Патент RU 154137. Е01С 3/06 (2006.01). Опубликовано: 20.08.2015. Бюл. №23], включающая дорожную одежду, тело насыпи, теплоизолирующий слой и дренирующий слой, в которой теплоизолирующий слой и дренирующий слой выполнены в виде одного теплоизоляционно-дренирующего слоя из гранулированного строительного материала диатомик.
Однако в данной конструкции [1] в осенне-зимний период возможна капиллярная миграция влаги в горизонтальном направлении от обочины дороги на проезжую часть, вследствие чего увеличивается содержание влаги в материале данной части, происходит последующее замерзание и накопление влаги в виде частиц льда в осенне-зимний период, оттаивание и избыточное увлажнение в весенний период, что ведет к существенному снижению допустимой нагрузки на дорожное полотно и к снижению эффективности функционирования автомобильной дороги.
Известна конструкция дорожной насыпи по патенту [Конструкция дорожной насыпи. Патент RU 172513. E02D 3/00 (2006.01). С03С 11/00 (2006.01). Опубликовано: 11.07.2017. Бюл. №20], содержащая теплоизоляционный слой, выполненный из гранулированной пеностеклокерамики.
Однако недостатком данной конструкции [2] то, что теплоизоляция в виде пеностеклокерамики, уложенный на основание по всей ширине дороги, существенно влияет на тепловой режим грунта в обочинах дороги так, что в осенне-зимний период температура под проезжей частью дороги отрицательна, на в грунте обочины - положительна, вследствие чего возможна капиллярная миграция влаги в горизонтальном направлении от обочин дороги на проезжую часть. По этой причине увеличивается содержание влаги в материале проезжей части дороги, происходит последующее замерзание влаги и ее накопление в виде частиц льда в осенне-зимний период, затем оттаивание и избыточное увлажнение в весенний период, что в итоге ведет к существенному снижению допустимой нагрузки на дорожное полотно, к уменьшению сроков надежного функционирования автомобильной дороги и, как следствие, к снижению эффективности функционирования автомобильной дороги в межсезонные периоды осень-зима и зима-весна.
Известна зимняя дорожная конструкция по патенту [Зимняя дорожная конструкция. Патент RU 136815. Е01С 9/08 (2006.01). Опубликовано: 20.01.2014. Бюл. №2], содержащая теплоизоляционный слой, выполненный из смеси снега и мха, размещенный по всей ширине дороги. Однако данная конструкция не обеспечивает эффективного использования теплоизоляционного слоя, поскольку в осенне-зимний возможна капиллярная миграция влаги в горизонтальном направлении от обочин дороги на проезжую часть. По этой причине, как и конструкциях по [1, 2], увеличивается содержание влаги в материале проезжей части дороги, происходит последующее замерзание влаги и ее накопление в виде частиц льда в осенне-зимний период, затем, в весенний период, оттаивание и избыточное увлажнение, что в итоге ведет к существенному снижению допустимой нагрузки на дорожное полотно в весенне-летний период и, в итоге, к уменьшению сроков надежности и эффективности функционирования автомобильной дороги в межсезонные периоды осень-зима и зима-весна.
Наиболее близким аналогом предлагаемого дорожного покрытия, выбранным в качестве прототипа, является покрытие лесной дороги по рекомендациям [Лесные дороги: Проектирование, строительство и эксплуатация. Электронный ресурс. Разработано Лесным центром Финляндии в рамках проекта "CBS FOREN - Novel cross-border solutions for intensification of forestry and increasing energy wood use" программы Karelia ENPI CBC], содержащее: слой износа, выполненный из гравия крупностью до 16 мм; несущий слой из гравия крупностью до 56 мм; изолирующий и фильтрующий слой, материалами которого могут быть мох, песок, древесная кора, опилки, щепа, геотекстиль. Изолирующий слой выполняет функции теплоизоляции и препятствует капиллярному подъему влаги.
Однако данное покрытие [4] имеет ограниченные функциональные возможности, поскольку недостаточно эффективно используется материал теплоизолирующего слоя, что выражается в возможности капиллярной миграция влаги в осенне-зимний период в горизонтальном направлении от обочин дороги на проезжую часть. По этой причине, как и конструкциях по патентам [1, 2, 3], увеличивается содержание влаги в материале проезжей части дороги, происходит последующее замерзание влаги и ее накопление в виде частиц льда в осенне-зимний период. Увеличение объема при замерзании воды приводит к росту неровностей дороги. Кроме того, оттаивание в весенний период приводит к избыточному увлажнению и к существенному снижению допустимой нагрузки на дорожное полотно в весенне-летний период и, тем самым, к уменьшению сроков надежного функционирования автомобильной дороги. В итоге снижается функциональная надежность дорожной конструкции эффективность функционирования автомобильной дороги в межсезонные периоды осень-зима и зима-весна.
Технический результат от применения предлагаемого дорожного покрытия лесной дороги заключается в повышении эффективности функционирования автомобильной дороги в межсезонные периоды. Данный технический результат достигается за счет того, что в покрытии лесной дороги, включающем, грунтовое основание, проезжую часть, обочины и теплоизолирующий слой, ширина которого превышает ширину проезжей части дороги, превышение ширины теплоизоляционного слоя ограничено, причем каждая из двух продольных сторон теплоизолирующего слоя выходит за пределы горизонтальной проекции проезжей части дороги на 4-8 толщин теплоизолирующего слоя, но не более, чем на 50% ширины обочины. При этом теплоизоляционный слой может быть выполнен из измельченной коры в виде отходов окорки круглых лесоматериалов, опилок, измельченных порубочных остатков.
Техническая реализация и функционирование предлагаемого покрытия лесной дороги.
На фиг. 1 показана известная схема покрытия лесной дороги с теплоизоляционным слоем на всю ширину дороги [4].
На фиг. 2 показана схема предлагаемого покрытия лесной дороги с теплоизоляционным слоем, каждая из двух продольных сторон которого выходит на 50% ширины обочины за пределы горизонтальной проекции проезжей части дороги.
Количество, толщина и материал слоев дорожного покрытия определяются по результатам стандартных расчетов с учетом климатических условий, интенсивности движения и вида транспортных средств [4].
Например, дорожное покрытие (фиг. 2) содержит слой 1 толщиной 300 мм, выполненный из гравия, щебня или песчано-гравийной смеси с крупностью частиц от 0 до 16 мм, причем, в зависимости от интенсивности движения и нагрузок, нижняя часть данного слоя может быть выполнена из гравия, щебня или песчано-гравийной смеси с крупностью частиц от 0 до 56 мм; слой 2 толщиной 150 мм, выполненный из уплотненной супеси; теплоизолирующий слой 3 толщиной Т=100 мм, выполненный из уплотненных отходов окорки круглых лесоматериалов хвойных пород; грунтовое основание 4, выполненное из суглинков или других местных грунтов. Дорожное покрытие включает в себя проезжую часть 5 шириной В1 и обочины 6 (фиг. 1 и фиг. 2). В зимний период на обочинах 6 появляется слой неуплотненного снега 7; в этот же период на проезжей части 5 шириной Вт (фиг. 2) появляется слой уплотненного снега 8.
В предлагаемом покрытии ширина теплоизолирующего слоя Вх по фиг. 2 ограничена, т.е. теплоизолирующий слой расположен под проезжей частью 5 дороги шириной В1 и выходит только на часть ширины каждой из обочин 6 на 4-8 толщины Т теплоизоляционного слоя 3, т.е. размер В2 находится в интервале от 4Т до 8Т, но не более 50% от размера (В2+В3). Например, если толщина изолирующего слоя равна 0,1 м, то изолирующий слой выходит за пределы проезжей части дороги на каждую из обочин на 0,4-0,8 м. На фиг. 2 размер В2 составляет 42% от ширины обочины (В2+В3) на уровне слоя 3; на ширине В3 толщина слоя 2 переменная.
Отличительные особенности конструктивного решения предлагаемого дорожного покрытия касаются ограничений на ширину Вт изолирующего слоя, частично выходящего за пределы ширины В1 проезжей части дороги. Каждая из двух продольных сторон теплоизолирующего слоя выходит за пределы горизонтальной проекции проезжей части дороги на 4-8 толщин Т теплоизолирующего слоя, но не более, чем на 50% ширины обочины. При этом изолирующий слой может быть выполнен из предварительно измельченных отходов окорки круглых лесоматериалов, порубочных остатков или их смеси в соотношении по объему от 1:0 до 0:1. Отличительные особенности предлагаемого технического решения имеют причинно-следственную связь с улучшением условий функционирования дорожной конструкции и с повышением ее функциональной надежности за счет более благоприятного распределения температуры в межсезонный период в поперечном сечении предлагаемого покрытия лесной дороги. Влияние более благоприятного распределения температуры в предлагаемом покрытии лесной дороги объясняется тем, что температура в окрестности точки А в межсезонный период выше, чем в окрестности точки В. Поэтому при понижении температуры в окрестности точки В вода замерзает раньше, чем в окрестности точки А. Тем самым создаются условия, при которых происходит капиллярная миграция влаги по направлению от точки А к точке В, т.е. от проезжей части дороги на обочину. За счет этого уменьшается влажность материала проезжей части покрытия и, как следствие, повышается его прочность и эффективность функционирования дороги. При этом уменьшение влажности материала дороги в осенне-зимний период приводит к уменьшению содержания частиц льда, образующихся при дальнейшем понижении температуры в зимний период. Уменьшение содержания частиц льда приводит к соответствующему уменьшению талой воды при оттаивании данных частиц льда в весенний период. Таким образом, несущая способность, функциональная надежность и эффективность дорожного покрытия повышаются.
Если ширина теплоизолирующего слоя выходит за пределы проезжей части дороги под каждую из обочин меньше, чем на 4 толщины теплоизолирующего слоя, то эффект от его использования незначителен. С увеличением ширины теплоизолирующего слоя его эффективность возрастает, однако, если ширина теплоизолирующего слоя выходит за пределы проезжей части дороги под каждую из обочин больше, чем на 8 толщин теплоизолирующего слоя, то его использование становится неэффективным. Эффективность использования материала теплоизолирующего слоя выражается в возможности управления распределением температуры и, как следствие, капиллярной миграцией влаги в горизонтальном направлении. Таким образом, наибольший эффект достигается в предлагаемом техническом решении, если теплоизолирующий слой выполнен выходящим за пределы проезжей части дороги под каждую из обочин на 4-8 толщин теплоизолирующего слоя, но не более 50% ширины обочины.
В целях рационального использования местных ресурсов и учета требований рационального природопользования теплоизоляционный слой выполнен из отходов окорки круглых лесоматериалов и измельченных порубочных остатков в соотношении по объему от 1:0 до 0:1.
Технический эффект от использования предлагаемого дорожного покрытия реализуется при функционировании дороги, наиболее полно проявляется в осенне-зимний период и объясняется следующими отличительными особенностями распределения температуры и капиллярного переноса влаги в горизонтальном направлении, причем эти особенности имеют физически обоснованные причинно-следственные связи с отличительными признаками предлагаемой дорожной конструкции. А именно, обосновывая предлагаемое техническое решение дорожной конструкции, рассмотрим распределение температуры в дорожной конструкции с изолирующим слоем толщиной 0,1 м на всю ширину проезжей части дороги и обочин, выполненным из отходов окорки круглых лесоматериалов хвойных пород. Например, в ноябре в условиях Архангельской области средняя температура в точке А (фиг. 1) равна плюс 0,77°С, а в точке В на обочине дороги 0,00°С. Такое распределение температур не приводит к капиллярной миграции влаги в горизонтальном направлении от проезжей части по направлению к каждой обочине, т.е. от окрестности точки А к окрестности точки В (фиг. 1). Как результат, не происходит уменьшение влажности материала проезжей части, что приводит к накоплению влаги в виде частиц льда и к уменьшению допустимой нагрузки на дорогу не только в осенне-зимний период, но и при оттаивании данной накопленной влаги в виде частиц льда в последующий зимне-весенний период, что приводит избыточному увлажнению дороги и, как следствие, к уменьшению прочности дорожной конструкции.
Эти недостатки устраняются в предлагаемой дорожной конструкции (фиг. 2) с теплоизоляционным слоем, который частично выходит на обочины на пределы проезжей части дороги. Для той же толщины изолирующего слоя толщиной 0,1 м, выполненного из отходов окорки круглых лесоматериалов хвойных пород хвойных, но выходящего за пределы проезжей части дороги на каждую из обочин на 0,5 м, и тех же внешних условий Архангельской области, что и для конструкции по фиг. 1, средняя температура в точке А (фиг. 2) равна плюс 0,73°С, а в точке В на обочине дороги минус 0,60°С, т.е. в отличие от известного технического решения на обочине появляется отрицательная температура. Такое распределение температур приводит к капиллярной миграции влаги в горизонтальном направлении из области с неотрицательной температурой в область с отрицательной температурой, т.е. от окрестности точки А на проезжей части дороги к окрестности точки В на обочине дороги. Как результат, происходит уменьшение влажности материала проезжей части, что приводит к уменьшению в данном материале содержания влаги в виде частиц льда и, как следствие, обеспечивается повышение допустимой нагрузки на дорогу не только в осенне-зимний период, но и при оттаивании в последующий зимне-весенний период. Таким образом, исключается избыточное увлажнение дороги и, как следствие, достигается заявленный технический результат, а именно, повышается функциональная надежность и эффективность функционирования дороги как следствие отличительных особенностей предлагаемого покрытия.
Библиография
1. Дорожная конструкция. Патент RU 154137. Е01С 3/06 (2006.01). Опубликовано: 20.08.2015. Бюл. №23.
2. Конструкция дорожной насыпи. Патент RU 172513. E02D 3/00 (2006.01). С03С 11/00 (2006.01). Опубликовано: 11.07.2017. Бюл. №20.
3. Зимняя дорожная конструкция. Патент RU 136815. Е01С 9/08 (2006.01). Опубликовано: 20.01.2014. Бюл. №2.
4. Лесные дороги: Проектирование, строительство и эксплуатация // [Электронный ресурс]. Презентация разработана Лесным центром Финляндии в рамках проекта "CBS FOREN - Novel cross-border solutions for intensification of forestry and increasing energy wood use" программы Karelia ENPI CBC. Режим доступа: http://www.idanmetsatieto.info/tiedostot/tiedotteet/Dorogi.pdf (Дата обращения: 14.11.2017).
Покрытие лесной дороги, включающее грунтовое основание, проезжую часть, обочины и теплоизолирующий слой, ширина которого превышает ширину проезжей части дороги, отличающееся тем, что каждая из двух продольных сторон теплоизолирующего слоя выходит за пределы горизонтальной проекции проезжей части дороги на 4-8 толщин теплоизолирующего слоя, но не более чем на 50% ширины обочины.
