Результат интеллектуальной деятельности: Автомобильная дорога на многолетнемерзлых грунтах

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и эксплуатации, автомобильных дорог всех категорий на многолетнемерзлых грунтах (ММГ) на участках с избыточным увлажнением верхней толщи грунтов в отдельные периоды года. Предлагаемое техническое решение подходит для первого и второго принципа проектирования, автомобильных дорог на ММГ.

Известна конструкция земляного полотна автомобильной дороги на ММГ, предложенная в патенте [SU 1452885 А1 МПК E02D 17/20, опубликован 23.01.1989 бюллетень №3], в состав которой входит насыпь с откосами, на которых располагаются блоки, и теплоизоляция. С целью снижения интенсивности деформаций земляного полотна на участках залегания слабых протаивающих ММГ, а также для регулирования теплового режима сооружения блоки выполняют в Z-образной форме в сечении с образованием в верхней части откоса воздушного зазора треугольной формы в сечении.

Недостатки известной конструкции:

- укладка блоков Z-образной формы не решает проблемы стабилизации основания мерзлого грунта земляного полотна в период положительных температур;

- при растеплении основания откосных частей земляное полотно сползает с указанных блоков, что влечет за собой потерю функционального назначения конструкции;

- не учитывается миграция влаги в оттаивающем основании, которая способствует растеплению земляного полотна.

Известна конструкция земляного полотна автомобильной дороги на ММГ с применением теплозащитного слоя по всей ширине подошвы земляного полотна для предотвращения протаивания многолетнемерзлых грунтов [1].

Недостатком данной конструкции является различная глубина сезонного оттаивания ММГ под откосными частями и в теле земляного полотна сооружения, что является причиной возникновения неравномерных деформаций линейного объекта и потери устойчивости откосной части.

Известны конструкции земляного полотна автомобильной дороги на ММГ с теплоизолирующими и армирующими прослойками согласно ВСН 84-89 [2]. Плиты из пенополистирола или пеноплэкса размещают на 1/3 глубины сезонного оттаивания грунта земляного полотна, но не выше критической отметки. Критическую отметку определяют исходя из того, что пеноплекс должен быть предохранен от раздавливания, а деформация сжатия не должна превышать 10%. Прослойку из геотекстиля располагают в основании, теле и верхней части земляного полотна в виде плоских прослоек, обойм и полуобойм. Принцип работы и назначение прослойки, тип конструктивного решения зависят от степени просадочности грунта основания, типа грунта земляного полотна и сезона производства работ, а также от особенностей структуры и свойств геотекстильного материала.

Недостатки известной конструкции:

- большой расход качественных инертных материалов (например, песок, щебень);

- отсутствие защиты от воздействия эрозионных процессов откосов земляного полотна;

- высокие затраты на реконструкцию, капитальный и текущий ремонт.

Известна конструкция земляного полотна автомобильной дороги на ММГ, предложенная в патенте [RU 70269 U1 МПК E02D 17/18 опубликован 20.01.2008 бюллетень №2]. Работа данной конструкции предполагает включение в земляное полотно устройств в виде системы труб для воздушно-конвективного охлаждения грунтового массива. Пустотелая труба устанавливается вертикально или под наклоном в откосной части или придорожной полосе с обеих сторон насыпи земляного полотна автомобильной дороги на расстоянии друг от друга 10-30 м вдоль оси сооружения. Высота сваи над дневной поверхностью составляет от 2-4 метров, а глубина погружения сваи в грунт составляет 10-20 м. Недостатки известной конструкции:

- погружение сваи в мерзлый грунт существенно затрудняет технологический процесс по ее установке и приводит к значительному удорожанию;

- при положительных температурах отсутствует конвекция холодного воздуха, что в свою очередь не позволяет поддерживать температуру многолетнемерзлого грунта, эффективность сваи прослеживается только при отрицательных температурах.

Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является конструкция земляного полотна на ММГ, предложенная в патенте [RU 83511 U1 МПК Е01С 3/00 опубликован 10.06.2009 бюллетень №16]. Земляное полотно автомобильной дороги на ММГ возводят по первому принципу проектирования - с недопущением сезонного оттаивания основания насыпи дороги. Для снижения теплового влияния внешних факторов на мохорастительный слой расстилают нетканый синтетический материал (НСМ), на который отсыпают земляное полотно из местного грунта, сшивают единую обойму с нахлестом в 0,5 м верхней части. Поверх обоймы НСМ отсыпают слой из местного грунта для дополнительной теплоизоляции мерзлого основания земляного полотна автомобильной дороги. В поверхностный слой земляного полотна вбивают металлические нагели и выполняют углубления для монтажа габионного сетчатого изделия (ГСИ), заполненного каменным материалом, нагрузка от которого равномерно распределяется, снижая деформации.

Откосную часть укрепляют ГСИ, заполненным песком или каменным материалом. После укладки ГСИ отсыпают грунтовую постель из привозного минерального грунта под устройство дорожной одежды.

Недостатки известной конструкции:

- применение монтажных металлических нагелей ведет к значительному удорожанию конструкции;

- низкая устойчивость к коррозии габионного сетчатого изделия (ГСИ) требует дополнительной антикоррозионной обработки материала;

- значительные трудозатраты при забивке нагелей в ММГ;

- повышенный расход привозного материала (минерального грунта и щебня) ведет значительному удорожанию строительства земляного полотна автомобильной дороги на ММГ;

- предлагаемый метод стабилизации земляного полотна автомобильной дороги авторы рассматривают только для первого принципа проектирования.

Задачей изобретения является создание инженерной защиты конструкции автомобильной дороги для условия увлажнения верхней толщи грунтов типа 2 (сырые участки с избыточным увлажнением в отдельные периоды года) на ММГ с увеличением межремонтных сроков при эксплуатации автомобильной дороги, что должно выражаться в следующих технико-экономических результатах:

- повышение устойчивости земляного полотна;

- уменьшение вертикальных и горизонтальных деформаций дорожной одежды;

- увеличение транспортно-эксплуатационных показателей автомобильной дороги, например интенсивность, состав движения, ровность покрытия, скорость движения, безопасность движения автомобильной дороги;

- стабилизация водно-теплового режима основания и земляного полотна автомобильной дороги;

- сохранение грунта основания в мерзлом состоянии;

- сокращение объемов земляных работ;

- ускоренные темпы строительства;

- предотвращение массового проникновения влаги в нижнюю часть земляного полотна и основания автомобильной дороги.

Предлагаемое техническое решение позволяет получить следующий технический результат: увеличение степени устойчивости конструкции земляного полотна автомобильной дороги для условия увлажнения верхней толщи грунтов для типа 2 (сырые участки с избыточным увлажнением в отдельные периоды года) на ММГ за счет более надежного способа поддержки грунтов основания сооружения в мерзлом состоянии и стабилизации водно-теплового режима.

Влияние поверхностных и надмерзлотных грунтовых вод приводит к растеплению земляного полотна грунтового основания дорожных насыпей на многолетнемерзлых грунтах, а также к увеличению деформаций сооружения, что обуславливает сокращение сроков нормальной эксплуатации линейного объекта (автомобильной дороги).

С целью исключения попадания влаги в основание земляного полотна автомобильной дороги разрабатывают продольную траншею шириной не менее 0,5 м., глубиной ниже деятельного слоя - слоя сезонного промерзания и оттаивания. Следующим шагом является (ручное) раскатывание рулона из водонепроницаемого геотекстиля с максимальным натяжением материала для устранения перекосов. Рулон из геотекстиля раскатывают в поперечном направлении автомобильной дороги с запасом по обеим сторонам земляного полотна достаточным для смыкания верхних ветвей полуобоймы. Далее в траншею вертикально размещают армирующий водонепроницаемый геотекстиль. После размещения армирующего элемента производят обратную засыпку траншеи тем же выработанным грунтом с последующим послойным уплотнением. Так как откосная часть у земляного полотна автомобильной дороги является наиболее уязвимой, располагают водонепроницаемые биг-бэги с гранулированным теплоизоляционным материалом, которые укладывают в трапецеидальную форму выше уровня кратковременно стоящих вод. Гранулированный теплоизоляционный материал применяют для поднятия границы многолетнемерзлых грунтов, а водонепроницаемые биг-бэги для защиты теплоизоляционного материала от попадания в него влаги. После укладки биг-бэгов с гранулированным теплоизоляционным материалом выше уровня кратковременно стоящих вод свободные края водонепроницаемого армирующего геотекстиля заводят на поверхность с максимальным натяжением и минимальной шириной нахлеста 30 см. Далее выполняют послойную отсыпку и уплотнение земляного полотна автомобильной дороги на многолетнемерзлых грунтах. Полуобоймы устраивают для повышения устойчивости земляного полотна и предотвращения массового проникновения влаги в тело земляного полотна и основание автомобильной дороги на многолетнемерзлых грунтах. Для снижения экзогенных процессов в откосной части земляного полотна автомобильной дороги на многолетнемерзлых грунтах устраивают биоматы с присыпкой некондиционных грунтов. Далее переходят к устройству конструктивных слоев дорожной одежды.

Высоту биг-бэгов с гранулированным теплоизоляционным материалом, а также армирующий водонепроницаемый геотекстиль выполняют в соответствии с расчетом, в зависимости от заложения откоса, уровня кратковременно стоящих вод, высоты земляного полотна, физико-механических характеристик грунтов и заданной жесткости на растяжение армирующего геосинтетического материала, выполненного с помощью численного моделирования в программном комплексе QFrost, (результаты, для примера, отображены на Фиг. 2) водно-теплового режима автомобильной дороги на многолетнемерзлых грунтах в общем случае (слева) и конструктивно-технологического решения (справа).

Указанное техническое решение поясняют чертежами, где на фиг. 1. проиллюстрирована схема конструктивно-технологического решения устройства автомобильной дороги на участках с условием увлажнения верхней толщи грунтов тип 2 (сырые участки с избыточным увлажнением в отдельные периоды года). На Фиг. 2 представлены результаты численного моделирования.

Автомобильная дорога на многолетнемерзлых грунтах содержит основание 1 земляного полотна автомобильной дороги 8, продольную траншею 2, размещенную вдоль автомобильной дороги 8, вертикально размещенный в траншее 2 армирующий водонепроницаемый геотекстиль 4, водонепроницаемые биг-бэги 5 с гранулированным теплоизоляционным материалом 6 под откосной части земляного полотна 8 и укрепление откосной части биоматами 9 с присыпкой некондиционных грунтов.

Заявляемое техническое решение осуществляется следующим образом:

Для исключения попадания влаги в основание 1 земляного полотна автомобильной дороги 8 разрабатывают продольную траншею 2 шириной не менее 0,5 м., глубиной ниже деятельного слоя 3. Вертикально размещают армирующий водонепроницаемый геотекстиль 4 в траншею 2. В откосной части земляного полотна автомобильной дороги располагают водонепроницаемые биг-бэги 5 с гранулированным теплоизоляционным материалом 6, которые укладывают в трапецеидальную форму выше уровня кратковременно стоящих вод 7. После укладки биг-бэгов с гранулированным теплоизоляционным материалом свободные края водонепроницаемого армирующего геотекстиля 4 заводят на поверхность биг-бэгов 5 с максимальным натяжением и минимальной шириной нахлеста 30 см. Далее осуществляют послойную отсыпку и уплотнение земляного полотна 8 автомобильной дороги на многолетнемерзлых грунтах. В откосной части земляного полотна автомобильной дороги устраивают биоматы 9 с присыпкой некондиционных грунтов, затем переходят к устройству дорожной одежды 10.

Таким образом, предлагаемое решение позволяет повысить устойчивость земляного полотна автомобильной дороги на ММГ, сохранить грунт основания в мерзлом состоянии, уменьшить вертикальные и горизонтальные деформации дорожной одежды и обочин, стабилизировать водно-тепловой режим основания и земляного полотна, что в значительной степени способствует повышению транспортно-эксплуатационных показателей автомобильной дороги.

Библиографический список:

1. Земляное полотно автомобильных дорог в северных условиях. Под рец. А.А. Малышева, М., «Транспорт», 1974.

2. ВСН 84-89 Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты § 3. - Введ. 1989-03-30. - Министерство транспортного строительства (Минтрансстрой).

3. Инженерная защита насыпей автомобильных дорог в условиях многолетнемерзлых грунтов. Волыцев И.Г., Иванов В.А., Соколов С.М. - Тюмень, 2014.-120 с.