МОНТАЖНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ СТОЛБА ОПОРЫ МОСТА

Полезная модель относится к области строительства, а именно к возведению опор мостов и других промышленных и гражданских сооружений, возводимых на вечной мерзлоте.
Известен монтажный комплекс для сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста, содержащий скважину в грунте, глубина которой соответствует глубине заложения столба, столб, механизм для погружения столба. Скважина имеет диаметр больше, чем диаметр столба, при этом после погружения столба формируется зазор между столбом и стенками скважины. Зазор заполняется грунтовым, песчано-цементным или другим раствором. Для этого монтажный комплекс содержит растворомешалку, направляющий лоток и вибратор. Механизм для погружения столба содержит крановое оборудование и, при необходимости, вибратор (Ю.О.Таргулян. Устройство свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах. Ленинград, Стройиздат, 1978, с.23, 76, 89).
Недостаток монтажного комплекса заключается в том, что он обеспечивает только буроопускной способ сооружения столбов, т.е. он не позволяет обеспечить непосредственный контакт столба с грунтом. Наличие зазора между стенками столба и скважины, хотя и заполненного раствором, существенно снижает качество сцепления и смерзания и, следовательно, снижается надежность столба, поскольку несущая способность столба в большей своей части обеспечивается за счет сцепления и смерзания по боковой поверхности.
Известен монтажный комплекс для сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста, содержащий скважину в грунте, глубина которой соответствует глубине заложения столба, столб, механизм для погружения столба. Скважина является лидерной, т.е. имеет диаметр меньше максимального размера поперечного сечения столба (при прямоугольном его сечении) и меньше диаметра столба (при круглом его сечении). Механизм для погружения столба содержит крановое оборудование и погружатель ударного или вибрационного действия. (Ю.О.Таргулян. Устройство свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах. Ленинград, Стройиздат, 1978, с.116, рис.23, II, б).
Недостаток монтажного комплекса заключается в том, что он, хотя и обеспечивает осуществление бурозабивного способа сооружения столбов, не позволяет практически осуществлять сооружение столбов большого диаметра (1-3 м) и большой глубины (до 30 м и более). Это объясняется тем, что при погружении столба, имеющего отрицательную температуру, резко изменяются температурные условия на контакте этого столба и грунта, возможно обледенение, наращивание на поверхности мерзлых грунтовых образований и т.д.
Задача предлагаемой полезной модели заключается в том, чтобы обеспечить погружение столбов большого диаметра (1-3 м и более) и большой глубины (до 30 м и более).
ст
1
в
2
н
Для достижения указанного технического результата монтажный комплекс для сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста, содержащий скважину в грунте, глубина которой соответствует глубине заложения столба, столб с внешним диаметром «d» и механизм для погружения столба, содержит нагреватель для нагрева воздуха в полостях столба и скважины и кондуктор для закрепления в пространстве и фиксации столба по высоте и в плане, при этом столб содержит полость, а скважина по высоте состоит из направляющей части длиной «l» и диаметром «d», расположенной сверху непосредственно ниже уровня естественной поверхности грунта, и лидерной части длиной «l» и диаметром «d», при этом полости скважины и столба расположены на одной вертикальной или наклонной оси, а низ столба совмещен с верхом лидерной части скважины таким образом, что полости столба и скважины образуют единую полость, причем кондуктор состоит из направляющей части скважины и надземной части, выполненной в виде плоской или пространственной рамы, при этом основные параметры характеризуются следующими соотношениями:
1
2
l=l+l, м;
1
y
0≤l≤l, м;
в
ст
1
d=d+2δ, м;
н
ст
d=d-2δ, м,
y
где l - глубина направляющей части скважины, назначаемой из условия обеспечения устойчивости столба без надземной части кондуктора, м;
1
δ - зазор между стенками направляющей части скважины и стенками столба, назначаемый из условия свободного погружения столба при конкретных его размерах, весе, особенности кранового оборудования, погодных условий во время монтажа и т.п., м;
δ - толщина слоя грунта на поверхности лидерной части скважины, прогреваемого перед погружением столба, м.
Кроме того, нагреватель может быть выполнен в виде генератора пара, расположенного вне столба и снабжен шлангами для подачи пара в единую полость столба и скважины.
Сущность полезной модели поясняется чертежом.
1
в
2
н
в
Монтажный комплекс для сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста содержит скважину 1, пробуренную в грунте ниже естественной поверхности 2 на величину «l», равную глубине заложения столба, столб 3 с наличием в нем полости 4, механизм 5 для погружения столба, нагреватель 6 и кондуктор 7. Скважина 1 по высоте состоит из двух частей: направляющей части 8 длиной «l» и диаметром «d», расположенной сверху непосредственно ниже уровня 2 естественной поверхности грунта, и лидерной части 9 длиной «l» и диаметром «d». Столб 3 закреплен в пространстве и ориентирован по отношению к скважине 1 с помощью кондуктора 7. Кондуктор 7 может быть выполнен различным образом. В данном случае он представляет собой конструкцию, состоящую из надземной и подземной частей, но может состоять и только из надземной или практически только из подземной части (т.е. при этом надземная часть вырождается в небольшие разметочные и направляющие элементы). Надземная часть выполнена из лежней 10, стоек 11 и подкосов 12, а подземная часть выполнена из направляющей части 8 скважины 1, диаметр «d» которой позволяет свободно вставлять в нее столб 3. Механизм 5 для погружения столба 3 может быть вибрационного или ударного действия. Нагреватель 6 может представлять собой оборудование, расположенное вне столба и подающее теплоноситель (горячий воздух, пар и т.п.) по направлению 13 в шланг 14 внутрь полости 4 с выпуском из отверстия 15. Нагреватель 6 может быть выполнен также, например, в виде электрической спирали и размещен внутри полости 4. Выступающую над уровнем 2 грунта часть столба утепляют теплоизоляцией 16.
Основные параметры скважины 1 характеризуются следующими соотношениями:
1
2
l=l+l, м;
1
y
0≤l≤l, м;
в
ст
1
d=d+2δ, м;
н
ст
d=d-2δ, м,
y
где l - глубина направляющей части скважины, назначаемой из условия обеспечения устойчивости столба без надземной части кондуктора, м;
1
δ - зазор между стенками направляющей части скважины и стенками столба, назначаемый из условия свободного погружения столба при конкретных его размерах, весе, особенности кранового оборудования, погодных условий во время монтажа и т.п., м;
1
δ - толщина слоя грунта на поверхности лидерной части скважины, прогреваемого перед погружением столба, м. Обычно «δ» не превышает 5 см.
2
Монтажный комплекс для сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста работает следующим образом. Комплекс формируется после бурения скважины. Столб 3 устанавливается и фиксируется в положении, при котором совмещены низ столба с верхом лидерной части скважины. Перед погружением столба 3 осуществляют прогрев полости 4, для чего по шлангам 14 подается пар, в результате чего в полости 4 столба и в скважине формируется высокая положительная температура, что позволяет разогреть столб и превратить твердомерзлый грунт в пределах лидерной части скважины глубиной «l» в пластичномерзлый грунт в поверхностном слое скважины толщиной «δ». После разогрева грунта осуществляют погружение столба с помощью погружателя 5. Сопротивляемость пластичномерзлого грунта резко снижается по сравнению с твердомерзлым грунтом, и погружение столба производится быстро. При этом бурозабивной столб в своей боковой части практически полностью контактирует с грунтом в отличие от бурообсадного, который хотя и вплотную забивается в скважину, диаметр которой равен внешнему диаметру столба, но допускает при забивке отклонение оси столба от оси скважины и вследствие этого возникновение пустот на контакте боковой поверхности столба с окружающим грунтом.
Необходимая длительность прогрева стенки может быть получена из следующих расчетов.
1
За время «τ» (час) в слой грунта толщиной «δ» (м) поступает из полости количество тепла «q» (ккал), которое может быть выражено следующей зависимостью:
2
С другой стороны, для того, чтобы перевести твердомерзлый грунт в пластичномерзлый, необходимо затратить тепла «q» (ккал), выражаемое зависимостью:
В формулах (1) и (2) приняты следующие обозначения, не упомянутые выше:
п
гр
t, t - температура соответственно воздуха в полости скважины и грунта в слое «δ», град.;
2
F - площадь поперечного сечения расчетного слоя, через который происходит теплообмен, м;
3
Q - скрытые теплоты для перевода грунта из одного фазового состояния в другое, ккал/м;
R - термическое сопротивление прохождению тепла из полости скважины в грунт (или обратно), час-град/ккал;
2
где α - коэффициент теплоотдачи на границе полости скважины с грунтом, ккал/(м·час·град);
λ - коэффициент теплопроводности грунта, ккал/(м·час·град).
В формуле (2) пренебрегли за малостью той частью тепла, которая необходима для понижения температуры твердомерзлого грунта до температуры, когда происходит фазовый переход.
Для дальнейших расчетов можно принять в виде константы некоторые параметры, имеющие малый диапазон изменений:
2
α=10 ккал/(м·час·град);
λ=1,7 ккал/(м·час·град);
гр
t=0 град.
В формуле (2) цифра 2 в знаменателе означает то, что содержание скрытых теплот, которое должно отработать при переходе грунта из твердомерзлого в пластичномерзлое равно не Q, a Q/2. При переходе в полностью талое состояние оно равно величине Q.
Из равенства левых частей формул (1) и (2) следует равенство правых частей:
откуда
Формула (5) показывает, что время прогрева пропорционально толщине «δ» прогреваемой прослойки грунта, величине скрытых теплот «Q» (зависящей, в свою очередь, от влажности грунта), и обратно пропорционально температуре «t» воздуха в полости скважины.
3
Например, при температуре подаваемого пара в трубопровод 14, равной 100°С, средняя температура «t» воздуха в полости 4 может быть равна порядка 50°С. При толщине прослойки «δ», равной 0,1 м и «Q», равной 30 000 ккал/м, время прогрева прослойки грунта составит примерно 3,9 часа.
Скрытая теплота Q определяется по формуле:
где γ - объемный вес скелета грунта,
w - весовая влажность грунтах в долях единицы;
1
P - вес воды в образце, кг/образец;
2
P - вес сухого грунта в образце, кг/ образец;
1
2
Р=P+P - общий вес образца, кг;
- количество скрытых теплот в 1 кг воды.
Следует отметить, что для эффективного погружения столба необходимо, чтобы сам столб был разогрет, иначе резко возрастают усилия для погружения, особенно это касается столбов большого диаметра (1-3 м) и глубины заложения (30 м и более). В связи с этим одновременно с прогревом полости осуществляется прогрев столба из полости, расположенной внутри него. Это может быть полость металлической трубы. Это может быть полость и внутри железобетонного столба. При этом наиболее важной областью нагрева является внешняя поверхность столба. Для предотвращения излишних потерь тепла целесообразно внешнюю поверхность, граничащую с воздухом, закрыть теплоизоляцией 16. Для этого из брезента, минваты и др. материалов может быть изготовлен съемный чехол, надеваемый на столб в момент его прогрева.
Следует отметить, что погружение столба осуществляют до достижения расчетного отказа, поэтому низ столба может быть расположен немного ниже дна скважины.
После погружения столбов возможна (и целесообразна) подача холодного воздуха в полость для отведения поступившего в грунт тепла при прогреве скважины и обеспечения смерзания столба с грунтом.
Эффективная область применения данного технического решения определяется следующим:
- оно позволяет более эффективно, а иногда и вообще обеспечивает саму возможность сооружения бурозабивных столбов большого диаметра (1-3 м) и большой глубины (до 30 м и более);
- позволяет частичное совмещение операции прогрева скважины и операции погружения столба (особенно, когда в связи с большой длиной требуется наращивание столбов в процессе погружения).
Наиболее эффективно данное устройство может работать при погружении металлических столбов, но возможно применение и других конструкций столбов (но с наличием хотя бы небольшой полости).
Данное техническое решение разработано применительно к условиям Заполярной тундры для сооружения мостов на железной дороге Обская-Бованенково, но может быть широко использовано и для любых климатических условий в зоне распространения вечной мерзлоты и для различных сооружений гражданского и промышленного строительства.