Патент на изобретение №2246587

(54) БЕРМА ДОРОЖНОЙ НАСЫПИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении земляного полотна дорожных насыпей в районах распространения вечной мерзлоты. Берма дорожной насыпи, расположенная на поперечном уклоне местности, и непосредственно примыкающая к верховому откосу насыпи, и выполненная из фракционного скального грунта, содержит выполненные из недренирующего материала боковой противофильтрационный замок, расположенный в теле насыпи на естественной поверхности грунта рядом с бермой, и нижний противофильтрационный замок, расположенный ниже естественной поверхности грунта на контакте с нижней поверхностью бермы, и бокового противофильтрационного замка, при этом верхняя поверхность бермы превышает максимальный уровень h_n поверхностного продольного водного потока в месте подошвы верхового откоса насыпи. Кроме того, тело бермы может быть частично заглублено ниже естественной поверхности грунта. Технический результат изобретения состоит в предотвращении размыва грунта насыпи, поперечной фильтрации сквозь тело насыпи и растепления грунтов основания насыпи. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении земляного полотна дорожных насыпей в районах распространения вечной мерзлоты.

Известна берма, состоящая из обычного грунта, пригодного для ее сооружения, спланированная с поперечным уклоном в сторону поля (М.А.Фришман и др. “Земляное полотно железных дорог”, М., Транспорт, 1972, с.16).

Использование ее на вечной мерзлоте юго-восточной части криолитозоны России увеличит опасность деградации мерзлоты в грунтах оснований.

Наиболее близкой к предлагаемой является берма, состоящая из скального материала, примыкающая непосредственно к верховому откосу насыпи, расположенной на поперечном уклоне местности (Г.Н.Жинкин, И.А.Грачев “Особенности строительства железных дорог в районах распространения вечной мерзлоты и болот”, М., УМК МПС России, 2000 г., с.86-87).

Эта берма не предотвращает фильтрацию поверхностных вод сквозь тело насыпи, что вызывает растепление мерзлоты.

Предлагаемым изобретением решается задача предотвращения размыва грунта насыпи, поперечной фильтрации сквозь тело насыпи и растепления грунтов основания насыпи (сохранение естественного положения верхней границы вечной мерзлоты).

Для достижения указанного технического результата берма дорожной насыпи, расположенная на поперечном уклоне местности, и непосредственно примыкающая к верховому откосу насыпи, и выполненная из скального фракционного грунта, содержит расположенный в теле насыпи на естественной поверхности грунта рядом с бермой выполненный из недренирующего материала боковой противофильтрационный замок и нижний противофильтрационный замок, выполненный также из недренирующего материала и расположенный ниже естественной поверхности грунта на контакте с нижней поверхностью бермы и бокового противофильтрационного замка, при этом верхняя поверхность бермы превышает максимальный уровень “h_n” поверхностного продольного водного потока в месте подошвы верхового откоса насыпи, а размеры бермы определяют из условий

в_б=m₁в_n,

F_б>F_n,

h_б>h_n,

где в_б, в_n – ширина соответственно бермы и верхней поверхности водного потока, м;

F_б, F_n – площадь поперечного сечения соответственно бермы и водного потока, м²;

h_б, h_n – высота соответственно бермы и водного потока в месте подошвы верхового откоса насыпи, м;

m₁=0,3-1 – коэффициент, учитывающий местные условия, (б/р).

Кроме того, берма может быть частично заглублена ниже естественной поверхности грунта при малом поперечном уклоне местности.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображено поперечное сечение насыпи с бермой предлагаемой конструкции;

на фиг.2 изображен вариант бермы предлагаемой конструкции с частичным заглублением тела бермы в грунт основания.

Насыпь на просадочных вечномерзлых грунтах содержит тело насыпи 1 из обычного грунта, пригодного для ее сооружения, отсыпанное на грунте основания 2 с естественной поверхностью 3, технологическую отсыпку 4 из крупнообломочного грунта, боковой противофильтрационный замок 5 из недренирующего материала, например глины, нижний противофильтрационный замок 6 из недренирующего материала, также, например из глины, берму 7 из скального фракционного грунта. Боковой и нижний противофильтрационный замки могут быть выполнены также из гидроизоляционного, керамического и т.п. материалов. Элементы 5, 6, 7 устраиваются с верховой стороны насыпи при наличии поперечного уклона. Стрелкой 8 показано направление потока поверхностных вод, которые формируют зеркало открытой воды с верхним уровнем 9 и шириной в_n. Позицией 10 показано положение верхней границы вечной мерзлоты на момент окончания теплого периода года.

При малом поперечном уклоне “ ” местности ширина водного потока может оказаться достаточно большой, что ухудшит температурный режим грунта основания или приведет к необходимости дополнительных расходов на берму. В связи с этим при малых значениях “ ” тело бермы 7 частично заглубляется ниже естественной поверхности грунта основания насыпи. В этом углублении также фильтруется вода (фиг.2).

Насыпь с бермой предлагаемой конструкции работает следующим образом. В результате теплового воздействия насыпи 1 на вечномерзлые грунты оснований в установившемся режиме в конце теплого периода формируется нулевая изотерма 10. У подошвы откосов насыпи в большинстве случаев имеет место некоторое понижение нулевой изотермы, т.е. увеличение глубины сезонного оттаивания. В центре насыпи нулевая изотерма повышается и может заходить в тело насыпи.

С верховой стороны по направлению 8 поверхностные воды подступают к телу насыпи и скапливаются, образуя водный поток, имеющий верхнюю поверхность 9 шириной в_n и направленный вдоль подошвы насыпи в сторону продольного понижения поверхности. Если вода, образующая у подошвы верхового откоса насыпи подпор “h_n”, начнет фильтроваться сквозь тело насыпи 1 вдоль ее подошвы, образуемой естественной поверхностью 3 грунта, то может произойти резкое растепление грунта основания, понижение нулевой изотермы 10 и последующее развитие деформаций насыпи. Опасность возникновения поперечной фильтрации увеличивается в связи с наличием технологической отсыпки 4 из крупнообломочного грунта, устраиваемой в большинстве случаев при устройстве насыпей на сильнопросадочных грунтах для проезда транспорта, отсыпающего тело насыпи. Чтобы не допустить поперечной фильтрации, устраивают боковой противофильтрационный замок 5 и нижний противофильтрационный замок 6 из недренирующего грунта, например глины. Указанные замки препятствуют фильтрации воды как через тело насыпи, так и под ее подошвой и направляют водный поток вдоль насыпи в направлении понижения продольного профиля. Берма из скального грунта в летний период играет роль защиты насыпи от размыва.

При наличии поверхностной воды коэффициент теплопередачи на поверхности резко изменяется: травяной покров уже не является термическим сопротивлением, а коэффициент теплоотдачи от грунта к воздуху (порядка 20 ккал/(м²· час· град) изменяется на коэффициент теплоотдачи от грунта к воде (порядка 400 ккал/(м²· час· град)). В результате термическое сопротивление от значения порядка приближается к нулю, что резко увеличивает приток тепла в грунты. В зимнее время тело бермы 7 работает как каменная отсыпка, где основное место занимает не кондуктивный, а конвективный теплоперенос, поэтому происходит дополнительное охлаждение грунтов. В результате тепловой баланс за год в зоне водного потока не меняется по сравнению со случаем отсутствия канавы или изменяется в сторону отрицательного значения.

Чтобы тепловой баланс в зоне водного потока был требуемой величины, необходима сопоставимость ширины бермы “в_б” и водного потока “в_n”. В лучшем случае в_б должно быть равно в_n. Однако при берме, отсыпанной из крупного камня, как показывает опыт, в_б может составлять порядка 0,3в_n, т.е. можно сформулировать условие

в_б=m₁в_n,

где m₁=0,3-1,0 – коэффициент, учитывающий местные условия, (б/р).

Опыт показывает, что охлаждающий эффект бермы увеличивается с увеличением ее высоты. В связи с этим при уменьшении ширины должна увеличиваться высота, что позволяет сформулировать второе условие

F_б>F_n,

где F_б и F_n – площадь поперечного сечения соответственно бермы и водного потока, м².

В случае замерзания воды часть каменной отсыпки над уровнем воды должна продолжать работать, поэтому третье условие можно сформулировать следующим образом:

h_б>h_n,

где h_б и h_n – высота в месте подошвы откоса насыпи соответственно бермы и водного потока, м.

Формула изобретения

1. Берма дорожной насыпи, расположенная на поперечном уклоне местности, непосредственно примыкающая к верховому откосу насыпи и выполненная из фракционного скального грунта, отличающаяся тем, что она содержит выполненные из недренирующего материала боковой противофильтрационный замок, расположенный в теле насыпи на естественной поверхности грунта рядом с бермой, и нижний противофильтрационный замок, расположенный ниже естественной поверхности грунта на контакте с нижней поверхностью бермы, и бокового противофильтрационного замка, при этом верхняя поверхность бермы превышает максимальный уровень h_n поверхностного продольного водного потока в месте подошвы верхового откоса насыпи, а размеры бермы определяют из условий:

F_б>F_n,

h_б>h_n,

где , – ширина соответственно бермы и верхней поверхности водного потока, м;

F_б, F_n – площадь поперечного сечения соответственно бермы и водного потока, м²;

h_б, h_n – высота соответственно бермы и водного потока в месте подошвы верхового откоса насыпи, м;

=0,3÷1 – коэффициент, учитывающий местные условия (б/р).

2. Берма дорожной насыпи по п. 1, отличающаяся тем, что берма частично заглублена ниже естественной поверхности грунта.

РИСУНКИ