АРОЧНЫЙ ЗАСЫПНОЙ МОСТ

Полезная модель относится к мостостроению и может быть использована в качестве моста или путепровода при наличии вечномерзлых грунтов оснований.
Известен арочный мост, состоящий из сборных железобетонных арочных панелей, смонтированных в ряд на специальном фундаменте из монолитного железобетона, устроенном в толще береговых откосов и грунтовой засыпки («Экспресс-информация» ВНИИИС, 1986 г., серия 13, выпуск 9).
Недостатком этого технического решения является сложность сооружения арочного засыпного моста на слабых грунтах.
Известен арочный засыпной мост, включающий опоры, опертую на них арку, выполненную по длине моста сборной из установленных вплотную друг к другу и объединенных между собой оболочек, каждая из которых состоит из соединенных между собой блоков, и грунтовую засыпку, при этом каждый блок выполнен в виде полуарки, причем сопрягаемые боковые поверхности блоков вдоль продольных стыков оболочек объединены дискретными сварными или болтовыми
соединениями с помощью закладных металлических элементов, а опоры выполнены на сваях или столбах, объединенных низкими ростверками.
Недостатком этого технического решения является сложность и трудоемкость возведения арочного моста на вечномерзлых грунтах.
Предлагаемой полезной моделью решается задача снижения сложности и трудоемкости возведения арочного засыпного моста на вечномерзлых грунтах.
n1
n2
Сущность полезной модели состоит в том, что в арочном засыпном мосте, включающем опоры, опертую на них арку, выполненную по длине моста сборной из установленных вплотную друг к другу и объединенных между собой оболочек, каждая из которых состоит из соединенных между собой блоков, и грунтовую засыпку, причем каждый блок выполнен в виде полуарки, при этом сопрягаемые боковые поверхности блоков вдоль продольных стыков оболочек объединены дискретными сварными или болтовыми соединениями с помощью закладных металлических элементов, обе опоры объединены лежневой плитой, верх которой расположен в зоне поверхности дна водотока, а низ - на слое уплотненного дренирующего грунта, толщину которого определяют, исходя из местных условий, причем площадь поперечного сечения лежневой плиты определяют из условий восприятия арочного распора, а также вертикальных временной и постоянной нагрузок. Кроме того, по всей ширине лежневой плиты под ее нижней поверхностью уложен нижний слой теплоизоляции типа пеноплэкса толщиной δ, а по обе стороны моста на контакте коренного грунта и насыпного грунта насыпи уложен боковой слой теплоизоляции типа пеноплэкса непосредственно примыкающий к боковой поверхности опоры, ширина которого равна 1,5 м, а толщина δ=0,05 м, при этом толщину нижнего слоя теплоизоляции определяют из выражения:
л
где t -средняя температура воды в водотоке за период положительных температур в летнее время, град.;
л
τ - длительность положительных температур на поверхности дна водотока, час;
т
λ - коэффициент теплопроводности теплоизоляции, ккал/м·час·град);
н
гр
h - расстояние между центром блока грунта высотой h, сезонное протаивание которого можно допустить, и центром контактирующего с ним нижележащего блока грунта, охлажденного за зимний период, м (приближенно принимается равным 3 м);
р - удельная скрытая теплота воды при фазовых превращениях, ккал/кг;
3
γ - объемный вес сухого грунта, кг/м;
w - отношение веса воды к весу сухого грунта (в долях единицы);
гр
h - высота грунта под железобетонной лежневой плитой, сезонное оттаивание которого можно допустить, м;
o
t - средняя фоновая температура на глубине 20 м до постройки моста, град.;
б
λ - средний коэффициент теплопроводности бетона лежневой плиты и грунта подсыпки под плитой, ккал/(м·час·град);
δ
h - высота железобетонной лежневой плиты, м. Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлены поперечные сечения II-II и III-III на фиг.2 арочного засыпного моста;
на фиг.2 - разрез 1-1 на фиг.1 арочного засыпного моста;
на фиг.3 - сопряжение боковых поверхностей блоков;
на фиг.4 - температурное поле в вечномерзлых грунтах оснований в установившемся режиме на момент окончания теплого периода года.
Арочный засыпной мост включает опоры 1, опертую на них арку, состоящую из блоков 2 полуарок, соединенных между собой и с опорами с помощью шарнирных соединений 3. Опоры 1 заглублены в грунты 4, расположенные ниже естественной поверхности 5. Арочный засыпной мост размещен в грунте 6 насыпи, верх которой ограничен уровнем проезда 7. Опоры 1 объединены между собой лежневой плитой 8. Лежневая плита может быть сплошной в плане, а может быть прерывистой, как это показано на фиг.2. В этом случае между отдельными секциями плиты устраивают каменное мощение 9. Секции лежневой плиты играют также роль упоров для каменного мощения. Уровень водного потока в летний период показан позицией 10. Для регулирования температурного режима вечномерзлых грунтов оснований под нижней поверхностью лежневой плиты устраивают нижний слой 11 теплоизоляции, а сбоку моста в уровне естественной поверхности 5 укладывают боковой слой 12 теплоизоляции. Теплоизоляция должна быть несжимаема. Такие характеристики соответствуют, например, пеноплэксу.
Сопрягающиеся торцевыми поверхностями блоки 2 полуарок (фиг.3) объединены дискретными сварными стыками, состоящими из закладных металлических элементов 13, соединительного элемента 14 и сварного шва 15. Стыки могут быть болтовыми.
Подошву опоры 1 и лежневой плиты 8 располагают в пределах деятельного слоя, сформировавшегося в естественных условиях до строительства арочного засыпного моста. Нижняя граница деятельного
слоя показана на фиг.1 позицией 16. Подошву опор 1 и лежневой плиты 8 располагают на уплотненной подсыпке 17, толщина и расположение которой по высоте определяются местными условиями. При малопросадочных при оттаивании грунтах толщина подсыпки 17 может не превышать 20 см.
Строительство моста осуществляют в следующей последовательности. Вначале вырывают котлован на глубину, на которой требуется замена грунта. Эта замена требуется (см. позицию 17) в случае залегания в верхней части высокольдистых, слабых при оттаивании грунтов. Это удобно делать в конце теплого периода года, когда разработка наиболее проста, а впереди холодный период года. Далее производится засыпка и уплотнение слоя дренирующего грунта, укладка нижнего слоя 11 теплоизоляции, сооружение опор 1 и лежневой плиты 8. После этого осуществляют мощение 9, укладку бокового слоя 12 теплоизоляции, сборку полуарок 2 и далее засыпку грунтом 6.
В силовом отношении сооружение работает следующим образом. Постоянная нагрузка от грунта 6 насыпи и подвижная временная нагрузка воспринимаются аркой, которая передает ее на опоры 1. Вертикальная составляющая от нагрузок передается на грунт через подошву опор 1 и лежневую плиту 8, для чего последняя делается достаточно жесткой. Горизонтальная составляющая нагрузки - распор воспринимается лежневой плитой 8.
В тепловом отношении сооружение работает следующим образом. Данная полезная модель предусматривает тот случай, когда под насыпью происходит сохранение и даже ужесточение мерзлоты. Со стороны насыпи создаются такие условия, что в зоне насыпи обеспечивается стабильное сохранение грунтов в мерзлом состоянии. При этом одновременно предполагается, что в зоне моста создаются условия (в летнее время водный поток, в зимнее время наличие снега и т.п.), которые приводят к
1
2
3
существенному растеплению грунтов. В результате под лежневой плитой в конце теплого периода года возможно формирование как сезонно талого слоя, так и талика, существующего круглый год. Если в указанной зоне залегают высокольдистые грунты, то возможны осадки, которые для предлагаемой конструкции опасны. Поэтому для ограничения или исключения протаивания вообще под лежневой плитой укладывают нижний слой 11 теплоизоляции, а сбоку - боковой слой 12 теплоизоляции. Кроме того, выравнивающий слой 17 грунта может быть развит по высоте, т.е. осуществлена частичная замена грунта под фундаментом. В общем случае, сочетание устройства теплоизоляции и замены грунта под фундаментом может обеспечить требуемую устойчивость моста. В результате в конце теплого периода года в грунтах оснований формируется температурное поле с отрицательными температурами t, t, t, хотя в зоне дна водотока имеет место сезонное протаивание (фиг.4).
Техническое противоречие в данном случае заключалось в следующем. При наличии хороших твердомерзлых грунтов забивка свай представляет собой не столько дорогое, сколько неоправданное природой решение. Однако в такой конструкции, как арочный засыпной мост, даже малые осадки опор приводят к деструктивным последствиям, поэтому наличие сезонного протаивания под лежневой плитой может сказаться пагубно. Отсюда и применение просто лежневой плиты вместо свай часто может быть невозможно. Противоречие было решено устройством нижнего и бокового слоев теплоизоляции в сочетании с охлаждающим влиянием верхней части боковой поверхности арки и осуществлением частичной замены грунта под лежневой плитой.
Для обоснования основных теплофизических параметров вначале проанализируем физику происходящих тепловых процессов. На уровне естественной поверхности грунта четко выделяются 3 зоны с различными теплофизическими характеристиками и степенью влияния на
температурный режим грунтов оснований (фиг.1). На ширине зоны 1 в теплый период года протекающая вода, а при ее отсутствии воздух имеют положительную температуру, поэтому идет поступление тепла в грунты, что, в частности, приводит к протаиванию грунта на определенную глубину. В холодный период года воды в трубе нет, температура воздуха отрицательная, поэтому в грунт поступает холод, при этом вначале промерзает оттаявший за лето грунт, а затем идет дальнейшее охлаждение расположенных ниже мерзлых грунтов. Общий баланс может быть как положительным (при этом идет деградация вечной мерзлоты), так и отрицательным (при этом мерзлота сохраняется или даже ужесточается). В данной полезной модели рассматривается случай, когда имеет место положительный годовой баланс, т.е. когда идет повышение температуры грунта.
Тепло в нижележащие грунты оснований идет также через боковые поверхности, т.е. через арку в грунт 6 насыпи и в зоне 2 уже из прилегающей части насыпи идет вниз. В зоне 2 холод вниз идет гораздо менее интенсивно. Из опыта теплофизических исследований для такого рода схем ширина зоны 2 может быть принята равной 1,5 м. При такой величине интенсивность теплообмена с нижележащими грунтами будет примерно в два раза ниже, чем внутри моста, т.е. в зоне 1.
Наконец, зона 3 расположена за теплоизоляцией. В зоне подошвы насыпи там держится круглый год отрицательная температура.
Для охарактеризованных выше условий была проведена серия расчетов на ЭВМ численным методом с использованием метода элементарных балансов. На основании анализа результатов расчетов была выведена формула для приближенного расчета толщины теплоизоляции для различных местных условий.
п1
Толщина δ нижнего слоя 11 теплоизоляции определяется по формуле:
л
где t -средняя температура воды в водотоке за период положительных температур в летнее время, град.;
л
τ - длительность положительных температур на поверхности дна водотока, час;
т
λ - коэффициент теплопроводности теплоизоляции, ккал/(м·час·град);
н
гр
h - расстояние между центром блока грунта высотой h, сезонное протаивание которого можно допустить, и центром контактирующего с ним нижележащего блока грунта, охлажденного за зимний период, м (приближенно принимается равным 3 м);
р - удельная скрытая теплота воды при фазовых превращениях, ккал/кг;
3
γ - объемный вес сухого грунта, кг/м;
w - отношение веса воды к весу сухого грунта (в долях единицы);
гр
h - высота грунта под железобетонной лежневой плитой, сезонное оттаивание которого можно допустить, м;
o
t - средняя фоновая температура на глубине 20 м до постройки моста, град.;
б
λ - средний коэффициент теплопроводности бетона лежневой плиты и грунта подсыпки под плитой, ккал/(м·час·град);
δ
п2
h - высота железобетонной лежневой плиты, м. Толщина бокового слоя 12 теплоизоляции δ принимается равной 0,05 м пеноплэкса (или эквивалентного по термическому сопротивлению
другого материала). Если по местным условиям нижний слой теплоизоляции не ставится (например, при замене грунта под фундаментом), то не ставится и боковой слой.
Сопоставление результатов расчета по формуле и результатов расчета по точным расчетам на ЭВМ показало хорошую сходимость (см. таблицу).
п1
Таблица Сопоставление результатов расчета толщины пеноплэкса δ (м) по формуле и по точным расчетам на ЭВМ
t<sub>o</sub>,град
Вид расчета
h<sub>гр</sub>, м
0,1
1,05
0,25
1,25
- 4,0
Форм.
4,2
1,3
-
-
ЭВМ
5,0
0
-
-
- 1,2
Форм.
-
-
5,8
1,4
ЭВМ
-
-
5,0
0
Область применения данной полезной модели определяется при наличии вечномерзлых грунтов оснований тем случаем, где тепловые граничные условия под мостом создают средний положительный баланс за год, в то время как в зоне насыпи сохраняются мерзлые грунты. В этом случае можно добиться существенного упрощения опор, отказавшись от свайных оснований. При этом резко снижается сложность и трудоемкость их возведения.