ГАБИОН-ДИОД

Полезная модель относится к устройствам для охлаждения грунтов оснований инженерных сооружений в районах вечной мерзлоты.
Известен габион, выполненный в виде призмы, состоящей из пустотелой емкости и заполнителя полости, при этом все стороны призмы выполнены из перекрещивающихся рядов проволоки (Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ 59287-2020 «Изделия из панелей для габионных конструкций. Технические условия»). Габион заполняется каменным материалом, обычно из щебня базальта, гранита, диабаза и других подобных пород. Габионы используются для укрепления склонов, откосов берегов водоемов и т.п.
Недостаток габиона состоит в том, что при заполнении используется каменный материал с малыми размерами отдельных частиц (т.е. щебень). В этом случае не могут быть сформированы сквозные поры, обеспечивающие конвекцию воздуха. Такой габион не может быть использован как охлаждающее устройство в зоне вечной мерзлоты.
Известен габион, выполненный в виде призмы, состоящей из пустотелой емкости и заполнителя полости в виде крупнопористого материала, обеспечивающего формирование сквозных в каждом измерении габиона пор, при этом все стороны призмы выполнены из перекрещивающихся рядов проволоки (патент RU №2744541. Дорожная насыпь на вечной мерзлоте). Заполнителем являются камни размером 10-40 см. В уложенных в строительную конструкцию габионах их теплопроводность в вертикальном направлении определяется конвективной и кондуктивной составляющими. В холодный период года холодный воздух по порам между камнями перемещается вниз, усиливая теплообмен. В теплый период года конвенция прекращается. В результате в сумме за год имеет место охдаждение нижележащих грунтов.
Недостаток такой конструкции заключается в том, что заполнитель-камни по размеру имеют большое различие, а по форме вообще не нормируются. В связи с чем кондуктивная составляющая (передача тепла от камня к камню) летом может оказаться весьма существенной и пропускать тепло в основание сооружения, а зимой по той же причине трудно будет обеспечить заданную конвективную составляющую, т.е. будет иметь место разброс основных теплофизических характеристик.
Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение прогнозируемой величины конвективной и кондуктивной составляющих теплопроводности габиона, что позволит с достаточной точностью прогнозировать температурный режим грунтов оснований сооружений на вечной мерзлоте. При этом можно будет оптимизировать начальные материальные и трудовые затраты.
Поставленная цель достигается тем, что габион выполнен в виде призмы, состоящей из пустотелой емкости и заполнителя полости в виде крупнопористого материала, обеспечивающего формирование сквозных в каждом измерении габиона пор, при этом все стороны призмы выполнены из перекрещивающихся рядов проволоки. Призма выполнена прямоугольной с параллельными основаниями и сторонами, а заполнитель выполнен из шаров одинакового диаметра, расположенных в несколько ярусов, при этом длина, ширина и высота полости призмы кратны целому числу диаметров шаров.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлен габион, сечение А - А на фиг. 2;
на фиг. 2 представлен габион, сечение Б - Б на фиг. 1;
на фиг. 3 представлен габион, сечение Е - Е на фиг. 1;
на фиг. 4 представлен габион, сечение В - В на фиг. 1;
на фиг. 5 представлен габион, сечение Г - Г на фиг. 1;
на фиг. 6 представлен габион, сечение Д - Д на фиг. 1;
Габион выполнен в виде призмы, состоящий из пустотелой емкости 1 и заполнителя полости в виде крупнопористого материала, обеспечивающего формирование сквозных в каждом измерении габиона пор. Призма выполнена прямоугольной с параллельными основаниями и стенками, а заполнитель выполнен из шаров 2 одинакового диаметра, расположенных в несколько ярусов. Чтобы во всех ярусах смежные по высоте шары располагались по одной вертикальной оси, длина, ширина и высота полости призмы кратны целому числу диаметров шаров.
Шары могут быть сплошными и пустотелыми. Материал шаров - это бетон или другой подобный материал. Рекомендуемый диаметр шаров, исходя из опыта работы обычной каменной наброски. 20-40 см.
В предлагаемой конструкции формируются полости, сквозные на высоте габиона. Полости неравномерные в поперечном сечении: в точках 3 касания шаров в горизонтальном направлении площадь вертикального сечения полости равна площади поперечного сечения габиона (фиг. 6), вертикальное сечение в четверти шаров (фиг. 5) содержит полость в значительно меньшей степени, а вертикальное сечение по центру шаров (фиг. 4) содержит полость незначительную.
При назначении размеров габиона и шаров следует иметь в виду, что свободная конвекция происходит при соотношении минимального размера поперечного сечения «d» (фиг. 2) и высоты полости «h», равном: d≥0,05h, причем «h» - это высота полости габиона:
i
где h - высота i-того яруса - при количестве ярусов, равном «n».
При описании работы габиона введены обозначения:
4 - направление потоков воздуха при конвекции;
5 - граница зоны упругого контакта шаров при сжатии от воздействия нагрузки.
Габион работает следующим образом. В холодный период года верхняя поверхность габионов охлаждается. Охлажденный воздух, как более тяжелый, начинает опускаться вниз, внизу нагревается и поднимается кверху, снова охлаждается и опускается вниз и т.д. Т.е. формируется конвекция. Потоки воздуха циркулируют по направлению 4 (фиг. 5 и 6).
В теплый период года верхняя поверхность габионов нагревается. Теплый воздух вниз не идет, и конвекция прекращается.
В результате формируется тепловой диод. Эта терминология уже установившаяся и введена в нормы (СП 354. 1325800.2017. Фундаменты опор мостов в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. М. Стаидартинформ.2018, Приложение Е.)
Предлагаемая конструкция имеет также следующее преимущество. Горизонтальное сечение через вершины шаров (например, на фиг. 3) практически всей своей площадью содержит полость, поэтому верхнее и нижнее основание габиона позволяют в максимальной степени воспринять воздухом тепловые потоки.
Предлагаемая конструкция имеет еще одно преимущество. Габион становится несущей конструкцией с нормируемой величиной несущей способности. Это объясняется тем, что шары отдельных ярусов расположены строго по вертикали и при воздействии нагрузки в точке касания 3 происходит упругое обжатие с образованием площади конечного значения с границами 5 (фиг. 3)
Это преимущество габиона позволяет размещение габионов, например, непосредственно под проезжей частью.
При разработке технического решения решалось следующее техническое противоречие. Основной недостаток прототипа - неопределенность теплофизических характеристик, вытекающая из неопределенности формы и размеров камней. Причем для повышения эффективности нужен крупный камень с размером до 40 см, а с увеличением крупности указанная неопределенность резко возрастает - точная по размеру сортировка камня -это очень трудоемкий процесс, в большинстве своем экономически неоправданный. При увеличении крупности камня неопределенность возрастает еще и по техническим причинам процесса заполнения камнем габионов: при типовых размерах габионов от 0,5 м до 2,0 м укладка крупного камня приводит либо к превышению размеров (что недопустимо) либо к «недобору», т.е. формированию пустот. Это увеличивает неопределенность теплофизических характеристик. Здесь следует отметить, что обычная каменная наброска широко применяется, в частности, на откосах насыпи на Байкало-Амурской магистрали. Но обычная каменная наброска - это плоская конструкция. Использование габионов с камнями позволяет делать пространственные конструкции, вплоть до вертикальных стенок.
Таким образом, техническое противоречие заключается в том, что, с одной стороны, нужно увеличивать крупность камня в габионах, а с другой стороны, этого делать нельзя, поскольку резко увеличивается неопределенность теплофизических характеристик и трудности заполнения габионов, что не позволяет надежно прогнозировать температурный режим мерзлых грунтов.
Выход из этого технического противоречия лежит в замене естественного камня искусственным заполнителем в виде шаров.
Предлагаемая полезная модель содержит следующие существенные признаки.
Первым существенным признаком является то, что габион выполнен в виде призмы из пустотелой емкости, все стороны которой выполнены из перекрещивающихся рядов проволоки.
Вторым существенным признаком является то, что заполнитель полости представляет собой крупнопористый материал, обеспечивающий формирование сквозных в каждом измерении габиона пор.
Третьим существенным признаком является то, что заполнитель выполнен в виде шаров одинакового диаметра, расположенных в один или несколько ярусов, т.е. крупнопористый материал-это комплекс шаров.
Четвертым существенным признаком является то, что длина, ширина и высота полости призмы кратны целому числу диаметров шаров.
Все четыре существенных признака необходимы и достаточны для достижения поставленной цели - обеспечения повышения точности прогнозируемой величины конвективной и кондуктивной составляющих теплопроводности.
Область применения предлагаемого технического решения - это охлаждающие мероприятия для стабилизации температурного режима грунтов основания в зоне вечной мерзлоты.
Эффективность применения предлагаемого технического решения заключается в обосновании прогнозируемой величины и постоянства конвективной и кондуктивной составляющих теплопроводности, что позволит с достаточной точностью прогнозировать температурный режим грунтов оснований сооружений на вечной мерзлоте. Другими словами, один раз экспериментально оценив охлаждающие возможности габиона, можно с уверенностью закладывать в расчеты прогноза. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет располагать габионы непосредственно под нагрузкой.