RU2756148C1

RU2756148C1 - Road embankment on permafrost in areas with snow tranport

Info

Publication number: RU2756148C1
Application number: RU2020136779A
Authority: RU
Inventors: Александр Леонидович Исаков; Сергей Сергеевич Шевчук; Степан Игоревич Бухов
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2021-09-28

Abstract

FIELD: road construction.

SUBSTANCE: invention relates to the field of construction of road embankments on permafrost in areas of active snow transport by wind flow: blizzard snow transport. A road embankment on permafrost in areas with drift-snow transport contains an embankment body located on the natural surface of the soils of the bases and a cooling system for stabilizing the temperature regime of permafrost soils, and the embankment body is made in cross-section in the form of a trapezoid with an upper small base for the passage of transport, bounded on the sides by break points, and a lower base, with the formation in winter on the slope parts of the embankment and adjacent sections of a snow prism, representing a triangle in cross-section. The cooling system for stabilizing the temperature regime is made in the form of a system of snow-blowing structures installed on the leeward side along the sole of the embankment slopes. Each element of the snow-blowing structure is made in the form of a snow-blowing fence with a height of h_f with a lower clearance of h_cl, determined by the formula: h_cl=h_z/3, m.

EFFECT: reduced volume of earthworks, which leads to a reduction in the cost of construction and operation of the road embankment.

1 cl, 6 dwg

Description

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.The invention relates to the field of construction and operation of embankments of railways and highways in the permafrost zone of permafrost (permafrost) soils in areas with snow transfer. The main condition for ensuring the reliable operation of the roadbed of railways and highways is to keep the pounds of the embankment base frozen during the entire period of the road's operation and to prevent the degradation of permafrost in the bottom area of the embankment.

Для выполнения этого условия используются различные мероприятия, направленные на предупреждение возможного оттаивания (деградации) вечномерзлых грунтов во время строительства и эксплуатации дорог.To fulfill this condition, various measures are used to prevent possible thawing (degradation) of permafrost soils during the construction and operation of roads.

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.In winter, during the transfer of snow by the wind (snow transfer) on the slope of the embankment on the leeward side, significant snow deposits are formed, the height of which is several times higher than the height of the snow cover in the field. Snow deposition on the leeward side of the embankment forms a warming layer that prevents the natural freezing of the soil in the bottom zone of the embankment base, which leads to the degradation of permafrost soils, the loss of their bearing capacity and, as a consequence, to the deformation of the embankment.

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).A device is known for protecting roads from snow drifts, constructed from the side of the prevailing winds, containing snow-retention elements located along the road, including a protective embankment and a lateral reserve, snow-retention elements are made of soil, while the distance from the road edge to the windward edge of the protective embankment, the width of the lateral reserve along the bottom and the height of the edge of the protective embankment relative to the surface of the earth is determined by the claimed formula (see patent for utility model No. 65900, IPC 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.The disadvantages of this technical solution are a significant amount of earthwork associated with the development of soil during the construction of a protective embankment from a lateral reserve and problems arising during the operation of earthworks in permafrost conditions, as well as insufficient snow retention capacity of the proposed device in comparison with the volume of snow transfer in areas of heavy blizzards ... The claimed technical solution is recommended for various regions, except for permafrost regions.

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:Known road embankment on permafrost in areas with snow transfer, containing the body of the embankment, located on the natural surface of the soils of the bases, a cooling system to stabilize the temperature regime of permafrost soils, and the body of the embankment is made in cross-section in the form of a trapezoid with an upper (small) base for the arrival of transport , bounded on the sides by the edges, and the lower base equal to the sum of the upper base and two projections of the width "d" of the slope parts, in which the angle of inclination of the side surfaces is equal to "a", while in winter on the slope parts of the embankment and adjacent areas a snow prism, in cross-section representing a triangle, one side of which coincides with the surface of the slope of the embankment, the second with the natural surface of the foundation soils, and the third is located to the horizontal at an angle "α _SN ", and one of the vertices of the triangle coincides with the edge of the main site, cooling system for temperature stabilization th mode of permafrost soils is made in the form of a ground prism located directly on the natural surface of soils of the bases parallel to the road embankment of a soil prism, in cross-section representing a trapezoid with an upper (small) base of width "b _p ", height "h _p ", and the distance between the opposite edges of the main the area of the embankment and the upper base of the soil prism horizontally equals "c", while:

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.where

m, h _d - the depth of summer thawing in natural conditions, m, h _SN - the height of the snow cover in natural conditions, m, while between the body of the road embankment and the soil prism of the cooling system, a layer of thermal insulation with a protective layer of soil is laid directly on the natural surface of the foundations ...

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.The disadvantage of the known embankment is the need to increase the volume of earthworks when constructing a trapezoidal soil prism with a height necessary to ensure the removal of snow from the upper base of the prism, as well as the need to perform additional work on the construction of a heat-insulating layer between the sole of the embankment and the soil prism.

Задачей предлагаемого технического решения является уменьшение объемов земляных работ, что приводит к снижению стоимости строительства и эксплуатации дорожной насыпи.The objective of the proposed technical solution is to reduce the volume of earthworks, which leads to a decrease in the cost of construction and operation of the road embankment.

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.The task is achieved by the fact that the road embankment on permafrost in areas with snow transfer, containing the embankment body located on the natural surface of the base soils and a cooling system to stabilize the temperature regime of the permafrost soils, and the embankment body is made in cross-section in the form of a trapezoid with an upper (small ) the basis for the passage of vehicles, limited on the sides by the edges, and the lower base, with the formation in winter on the sloping parts of the embankment and adjacent sections of the snow prism, representing a triangle in cross section, one of the vertices of which coincides with the edge of the main site, the cooling system stabilization of the temperature regime is made in the form of a complex of snow-blowing structures installed on the leeward side along the foot of the embankment slopes, while each element of the snow-blowing structure is made in the form of a snow-blowing fence with a height of h ₃ with a lower clearance h _pr determined by the formula: h _pr = h _h /3m.

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).The essence of the technical solution is illustrated by a drawing, where in FIG. 1 shows a half of the cross-section of an embankment with snow deposits in natural conditions and snow deposition at the embankment slope, in Fig. 2 shows the location of the installation of snow-blowing fences and the distribution of snow deposits, taking into account the area of snow removal by the wind flow, in Fig. 3a is a diagram of a snow-blowing fence, 3b is a section along A-A, in Fig. 4 is a diagram of snow deposits and the location of zones of thawed soil with a cross-section of an embankment with a height of 3.0 m, in Fig. 5 - a diagram of snow deposits and the location of zones of thawed soil on the same embankment, after installing snow-blowing structures along the bottom of the embankment on the right slope), in Fig. 6 shows the temperature field of the embankment and its base at the end of the winter period after 20 years of operation under the conditions of the Northern latitudinal course (Nadym city).

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.The road embankment on permafrost in areas with snow transfer contains the body of the embankment 1, located on the natural surface of the soils of the bases, and the body of the embankment is made in cross-section in the form of a trapezoid with an upper (small) base for the passage of transport, bounded on the sides by edges and a lower base, with the formation in winter on the sloping parts of the embankment and adjacent sections of the snow prism, representing in cross-section a triangle and a snow-blowing structure 2, consisting of snow-blowing fences, each of which consists of pillars 3, lathing 4, guy wires 5 and anchors 6. Height ratio the snow-blowing fence to the height of the lower clearance is 3: 1. Snow-blowing fences are installed along the bottom of the embankment, in continuous sections and parallel to the roadway 1 on the leeward side. The uprights are fixed with 6 anchors and guy ropes 5. The uprights and battens can be made of wood, metal, polymer and composite. Their combinations are possible.

Принцип работы предлагаемой снеговыдувающей конструкции заключается в повышении скорости снеговетрового потока за счет его сужения в нижней части конструкции.The principle of operation of the proposed snow-blowing structure is to increase the speed of the snow-wind flow due to its narrowing in the lower part of the structure.

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.In the absence of a snow-blowing structure, the accumulation of snow on the leeward side of the embankment is associated with a drop in the speed of the wind flow and the deposition of snow particles when flowing around with a snow-wind stream (see Fig. 1). The intensity of snow transfer is determined by the well-known formula: Q = С⋅V ³ , where Q is the hourly intensity of snow transfer, m ³ / (m⋅h), С is the dimensional coefficient (s ² / m) for flat terrain conditions with severe winters, equal to 2.6 * 10 ⁴ , V is the speed of the snow-wind flow, m / s. When installing snow-blowing structures, snow particles are carried out by the unsaturated snow-wind flow from the zone of increased speeds "/" (see Fig. 2). It has been experimentally established that when the ratio of the height of the hole (clearance) h _np and the height h _{3 of the} entire structure is 1: 3, the width of the zone of increased speeds behind the snow-blowing structure is approximately two of its heights. That is, with a structure height of 3 m, the width of the snow-free zone will be about 6 m.

Особенности учета теплового влияния снежных отложений в пределах насыпей железных и автомобильных дорог в условиях вечномерзлых грунтов.Features of accounting for the thermal effect of snow deposits within the embankments of railways and highways in permafrost conditions.

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.The nature and size of snow deposits are one of the main factors that determine the temperature regime of the soils of the body and the foundations of embankments in the regions where permafrost soils are spread. Constructive and technological measures that compensate for the harmful thermal effects of snow deposits are very significant costs. Therefore, the study of the thermal effect of snow deposits and the development of effective measures to compensate for the harmful component of this effect is an important and urgent task.

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.The main area of the embankment is bare from snow as a result of its removal by the wind flow to the leeward side. FIG. 4 shows snow deposits on the embankment in natural conditions with a snow cover thickness in the field of 0.3 m. FIG. 5 shows the distribution of snow deposits within the same embankment after the installation of snow-blowing structures (structures not shown). Also in FIG. 4 and FIG. 5 shows the zones of thawed soil (taliks) under the slope of the embankment, which are formed during the 20-year life of the embankment. This forecast is based on the calculation of the temperature field in the soils of the embankment base (see Fig. 6). Significant volumes of snow deposits on the leeward slope of the embankment are the reason for the disturbance of the natural temperature regime of the permafrost soil at the base of the embankment. Over time, the soil thaws and the so-called "taliks" appear. The presence of an area of thawed soil under the leeward slope of the embankment (Fig. 4) will lead to its subsidence and, as a consequence, to the sliding of the embankment slope in summer.

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.To prevent the appearance of an area of thawed soil, as a constructive and technological solution, it is proposed to install snow-blowing structures along the bottom of the embankment from the leeward side (Fig. 2), which will eliminate the formation of snow deposits at the bottom of the embankment, as a result, prevent thawing (degradation) of permafrost soils in the slope zone of the embankment base (Fig. 5) and ensure the stability of the embankment slope.

Claims

A road embankment on permafrost in areas with snow transfer, containing an embankment body located on the natural surface of the foundations and a cooling system to stabilize the temperature regime of permafrost soils, and the embankment body is made in a cross-section in the form of a trapezoid with an upper small base for the passage of vehicles, limited by the sides of the edges, and the lower base, with the formation in winter on the slope parts of the embankment and adjacent sections of the snow prism, representing a triangle in cross-section, characterized in that the cooling system for stabilizing the temperature regime is made in the form of a system of snow-blowing structures installed on the leeward side along the bottom of the embankment slopes, while each element of the snow-blowing structure is made in the form of a snow-blowing fence with a height h _s with a lower clearance h _pr , determined by the formula: h _pr = h _s / 3, m.