Результат интеллектуальной деятельности: Дорожная насыпь на вечной мерзлоте в районах со снегопереносом

Изобретение относится к области сооружения и эксплуатации насыпей железных и автомобильных дорог в криолитозоне распространения вечномерзлых (многолетнемерзлых) грунтов в районах со снегопереносом. Основным условием обеспечения надежной работы земляного полотна железных и автомобильных дорог является сохранение фунтов основания насыпи в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации дороги и предотвращение деградации вечной мерзлоты в приподошвенной зоне основания насыпи.

Для выполнения этого условия используются различные мероприятия, направленные на предупреждение возможного оттаивания (деградации) вечномерзлых грунтов во время строительства и эксплуатации дорог.

В зимний период при переносе ветром снега (снегопереносе) на откосе насыпи с подветренной стороны образуются значительные снежные отложения, высота которых в разы превышает высоту снежного покрова в поле. Отложение снега с подветренной стороны насыпи образует отепляющий слой, который препятствует естественному промерзанию грунта в приподошвенной зоне основания насыпи, что приводит к деградации вечномерзлых грунтов, потери их несущей способности и как следствие к деформации насыпи.

Известно устройство для защиты дорог от снежных заносов, сооружаемое со стороны господствующих ветров, содержащее снегозадерживающие элементы, расположенные вдоль дороги, включающие защитную насыпь и боковой резерв, снегозадерживающие элементы выполнены из грунта, при этом расстояние от бровки дороги до наветренной бровки защитной насыпи, ширину бокового резерва по дну и высоту бровки защитной насыпи относительно поверхности земли определяют по заявляемой формуле (см. патент на полезную модель №65900, МПК E01F 7/00, E01F 7/02).

Недостатками данного технического решения являются значительный объем земляных работ, связанный с разработкой грунта при устройстве защитной насыпи из бокового резерва и возникающие проблемы при эксплуатации земляных сооружений в условиях вечной мерзлоты, а также не достаточная снегозадерживающая способность предлагаемого устройства в сравнении с объемами снегопереноса в районах сильных метелей. Заявляемое техническое решение рекомендовано для различных районов, кроме районов вечной мерзлоты.

Известна дорожная насыпь на вечной мерзлоте в районах со снегопереносом, содержащая тело насыпи, расположенное на естественной поверхности грунтов оснований, охлаждающую систему для стабилизации температурного режима вечномерзлых грунтов, причем тело насыпи выполнено в поперечном сечении в виде трапеции с верхним (малым) основанием для приезда транспорта, ограниченным по бокам бровками, и нижним основанием, равным сумме верхнего основания и двух проекций шириной «d» откосных частей, в которых угол наклона боковых поверхностей равен «а», при этом в зимний период на откосных частях насыпи и смежных с ними участках формируется снеговая призма, в поперечном сечении представляющая треугольник, одна сторона которого совпадает с поверхностью откосной части насыпи, вторая - с естественной поверхностью грунтов оснований, а третья расположена к горизонтали под углом «α_сн», причем одна из вершин треугольника совпадает с бровкой основной площадки, охлаждающая система для стабилизации температурного режима вечномерзлых грунтов выполнена в виде расположенной непосредственно на естественной поверхности грунтов оснований параллельно дорожной насыпи грунтовой призмы, в поперечном сечении представляющей собой трапецию с верхним (малым) основанием шириной «b_п», высотой «h_п», причем расстояние между встречными бровками основной площадки насыпи и верхнего основания грунтовой призмы по горизонтали равно «с», при этом:

где м, h_д - глубина летнего протаивания в естественных условиях, м, h_сн - высота снежного покрова в естественных условиях, м, при этом между телом дорожной насыпи и грунтовой призмой охлаждающей системы непосредственно на естественной поверхности грунтов оснований уложен слой теплоизоляции с защитным слоем грунта.

Недостатком известной насыпи является необходимость увеличения объемов земляных работ при устройстве трапецеидальной грунтовой призмы высотой, необходимой для обеспечения выноса снега с верхнего основания призмы, а также необходимость выполнения дополнительных работ по устройству теплоизолирующего слоя между подошвой насыпи и грунтовой призмой.

Задачей предлагаемого технического решения является уменьшение объемов земляных работ, что приводит к снижению стоимости строительства и эксплуатации дорожной насыпи.

Поставленная задача достигается тем, что дорожная насыпь на вечной мерзлоте в районах со снегопереносом, содержащая тело насыпи, расположенное на естественной поверхности грунтов оснований и охлаждающую систему для стабилизации температурного режима вечномерзлых грунтов, причем тело насыпи выполнено в поперечном сечении в виде трапеции с верхним (малым) основанием для проезда транспорта, ограниченным по бокам бровками, и нижним основанием, с формированием в зимний период на откосных частях насыпи и смежных с ними участках снеговой призмы, представляющей в поперечном сечении треугольник, одна из вершин которого совпадает с бровкой основной площадки, охлаждающая система стабилизации температурного режима выполнена в виде комплекса снеговыдувающих конструкций, установленных с подветренной стороны вдоль подошвы откосов насыпи, при этом каждый элемент снеговыдувающей конструкции выполнен в виде снеговыдувающего забора высотой h₃ с нижним просветом h_пр, определяемым по формуле: h_пр=h_з/3, м.

Сущность технического решения поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена половина поперечного сечения насыпи со снежными отложениями в естественных условиях и отложением снега у откоса насыпи, на фиг. 2 показаны места установки снеговыдувающих заборов и распределение снежных отложений с учетом зона выноса снега ветровым потоком, на фиг. 3а - схема снеговыдувающего забора, на 3б - сечение по А-А, на фиг. 4 - схема снежных отложений и расположения зон талого грунта при поперечном сечении насыпи высотой 3,0 м, на фиг. 5 - схема снежных отложений и расположения зон талого грунта на той же насыпи, после установки снеговыдувающих конструкций по подошве насыпи на правом откосе), на фиг. 6 приведено температурное поле насыпи и ее основания на конец зимнего периода после 20 лет эксплуатации в условиях Северного широтного хода (г. Надым).

Дорожная насыпь на вечной мерзлоте в районах со снегопереносом содержит тело насыпи 1, расположенное на естественной поверхности грунтов оснований, причем тело насыпи выполнено в поперечном сечении в виде трапеции с верхним (малым) основанием для проезда транспорта, ограниченным по бокам бровками и нижним основанием, с формированием в зимний период на откосных частях насыпи и смежных с ними участках снеговой призмы, представляющей в поперечном сечении треугольник и снеговыдувающую конструкцию 2, состоящую из снеговыдувающих заборов, каждый из которых состоит из стоек 3, обрешетки 4, растяжек 5 и анкеров 6. Соотношение высоты снеговыдувающего забора к высоте нижнего просвета составляет 3:1. Снеговыдувающие заборы устанавливаются по подошве насыпи, непрерывными секциями и параллельно дорожному полотну 1 с подветренной стороны. Стойки фиксируются с помощью анкеров 6 и канатных растяжек 5. Материалы стойки и обрешетки могут быть деревянными, металлическими, полимерными и композиционными. Возможны их комбинации.

Принцип работы предлагаемой снеговыдувающей конструкции заключается в повышении скорости снеговетрового потока за счет его сужения в нижней части конструкции.

При отсутствии снеговыдувающей конструкции накопление снега с подветренной стороны насыпи связано с падением скорости ветрового потока и отложением снежных частиц при обтекании снеговетровым потоком (см. фиг. 1). Интенсивность снегопереноса определяется по известной формуле: Q=С⋅V³, где Q - часовая интенсивность переноса снега, м³/(м⋅ч), С - размерный коэффициент (с²/м) для условий равнинной местности с суровыми зимами, равный 2.6*10⁴, V - скорость снеговетрового потока, м/с.При установке снеговыдувающих конструкций снежные частицы выносятся не насыщенным снеговетровым потоком из зоны повышенных скоростей «/» (см. фиг. 2). Экспериментально установлено, что при соотношении высоты отверстия (просвета) h_np и высоты h₃ всей конструкции 1:3 ширина зоны повышенных скоростей за снеговыдувающей конструкцией составляет примерно две ее высоты. Т.е., при высоте конструкции 3 м ширина зоны, свободной от снегоотложения составит около 6 м.

Особенности учета теплового влияния снежных отложений в пределах насыпей железных и автомобильных дорог в условиях вечномерзлых грунтов.

Характер и величина снежных отложений являются одним из главных факторов, определяющих температурный режим грунтов тела и оснований насыпей в регионах распространения многолетнемерзлых грунтов. На конструктивно-технологические мероприятия, компенсирующие вредные тепловые влияния снежных отложений идут весьма значительные затраты. Поэтому исследование теплового влияния снежных отложений и разработка эффективных мер по компенсации вредной составляющей этого влияния является важной и актуальной задачей.

Основная площадка насыпи оголена от снега в результате его выноса ветровым потоком в подветренную сторону. На фиг. 4 показаны снежные отложения на насыпи в естественных условиях при толщине снежного покрова в поле 0,3 м. На фиг. 5 приводится распределение снежных отложений в пределах той же насыпи после установки снеговыдувающих конструкций (конструкции не показаны). Так же на фиг. 4 и фиг. 5 показаны зоны талого грунта (талики) под откосной частью насыпи, которые образуются в течение 20 летнего срока эксплуатации насыпи. Данный прогноз выполнен на основе расчета температурного поля в грунтах основания насыпи (см. фиг. 6). Значительные объемы снежных отложений на подветренной откосной части насыпи являются причиной нарушения естественного температурного режима вечномерзлого грунта в основании насыпи. С течением времени происходит оттаивание грунта и появление так называемых «таликов». Наличие области талого грунта под подветренной откосной частью насыпи (фиг. 4) приведет к его просадке и как следствие к сползанию откоса насыпи в летнее время.

Для предупреждения появлений области талого грунта, в качестве конструктивно-технологического решения, предлагается установка снеговыдувающих сооружений по подошве насыпи с подветренной стороны (фиг. 2), что позволит исключить образование снежных отложений у подошвы насыпи, как следствие, предотвратить оттаивание (деградацию) вечномерзлых грунтов в откосной зоне основания насыпи (фиг. 5) и обеспечить устойчивость откоса насыпи.