СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ СТОЛБА ОПОРЫ МОСТА
METHOD FOR ERECTION OF BRIDGE SUPPORT PILLAR ON PERMAFROST

Изобретение относится к области строительства, а именно к возведению опор мостов и других промышленных и гражданских сооружений, возводимых на вечной мерзлоте.
Известен способ сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста. Способ заключается в забивке свай непосредственно в мерзлые грунты без какой-либо их подготовки с помощью обычного сваебойного оборудования (Ю.О.Таргулян. Устройство свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах. Ленинград, Стройиздат, 1978, с.113).
Недостатком способа является то, что этот способ применим только в пластичномерзлых глинистых грунтах без крупнообломочных включений с температурами не ниже: для супесей минус 0,3, длясуглинков минус 0,6, для глин минус 0,9°С. Для твердомерзлых грунтов этот способ неприменим.
Существует буроопускной способ погружения столбов, заключающийся в бурении скважины большего размера, чем столб, опускании столба в скважину и заполнении зазора (Ю.О.Таргулян. Устройство свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах. Ленинград, Стройиздат, 1978, с.80).
Недостаток способа заключается в том, что качество сцепления по боковой поверхности столба с грунтом низкое. Это объясняется, с одной стороны, тем, что трудно заполнить талым раствором зазор между мерзлым грунтом и замерзшим столбом, а с другой стороны, тем, что качество самого смерзания низкое.
Задача предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы обеспечить надежное смерзание боковой поверхности столба с окружающим ее грунтовым массивом.
1
Для достижения указанного технического результата в способе сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста, заключающемся в бурении скважины большим поперечным сечением, чем поперечное сечение столба, установке столба в скважину, заполнении пазухи между стенками скважины и столбом грунтовым раствором и последующем смерзании столба с грунтовым раствором и окружающим грунтом, пазуху заполняют грунтовым раствором в сухомерзлом сыпучем состоянии, а затем осуществляют операцию прогрева столба, сухомерзлого грунтового раствора в пазухе и прилегающего к стенкам скважины окружающего грунта длительностью «τ».
1
Для пустотелых металлических столбов длительность «τ» прогрева определяют по соответствующей формуле.
Кроме того, для столбов из металлических труб способ может содержать операцию охлаждения нагретой зоны путем заполнения полости холодным воздухом, при этом длительность охлаждения определяют по соответствующей формуле.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлено сечение по оси столба в момент окончания его сооружения;
на фиг.2 - сечение по вертикальной плоскости контактной зоны «столб - грунтовой раствор - окружающий грунт».
Способ сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста содержит следующие операции:
- бурение скважины 1 большего поперечного сечения, чем поперечное сечение столба 2;
- укладка и утрамбовка слоя 3 щебня (операция возможная, но необязательная);
- установка столба 2 в скважину 1. Если столб выполнен из металлической трубы, то целесообразно устройство днища 4;
- заполнение пазухи сухомерзлым сыпучим грунтовым раствором 5;
- установка пригруза 6 весом Р для погашения выталкивающей силы после протаивания сухомерзлого раствора 5;
1
1
- прогрев длительностью «τ» с целью обеспечить протаивание сухомерзлого раствора 5 толщиной «b» и пограничного с пазухой слоя грунта толщиной «b» и, следовательно, его лучшего смерзания в дальнейшем с раствором пазухи. Для увеличения эффективности прогрева (исключения излишних теплопотерь) столб 2 закрывается выше уровня земли теплоизоляцией 7, а поверхность земли у столба защищается теплоизоляцией 8. Нагреватель 9 представляет собой оборудование, расположенное вне столба и подающее теплоноситель (горячий воздух, пар и т.п.) по направлению 10 в шланг 11 с выходом через выпускной патрубок 12. Нагреватель 9 может быть также выполнен в виде электрической спирали и размещен внутри полости 13;
2
- охлаждение длительностью «τ» нагретой зоны для обеспечения смерзания боковой поверхности столба с грунтовым раствором и окружающим грунтом.
На чертеже (фиг.2) позицией 14 обозначен слой прилегающего к скважине грунта, который необходимо перевести в талое состояние, позицией 15 - окружающий грунт, позицией 16 - ось опоры.
Основные параметры скважины 1 характеризуются следующими соотношениями:
скв
где l - полная глубина скважины, м;
ст.п
l - длина подземной части столба, м;
щ
l - толщина щебеночной подушки, м;
скв
r - радиус скважины, м;
ст
r - радиус столба, м;
b - толщина зазора (пазухи) между стенками скважины и внешней поверхностью столба, м.
ст.п
ст
щ
щ
Длину подземной части столба «l» и его радиус «r» определяют в процессе проектирования моста, исходя из требуемой несущей способности столба. Толщину щебеночной подушки l назначают по конструктивным соображениям, исходя из вида грунтов оснований, нагрузки на столб и т.п. Толщина l составляет обычно 1-2 м.
ст
Радиус скважины назначают, исходя из радиуса столба «r» и толщины зазора (пазухи) «b». В свою очередь, толщина зазора «b» определяется по конструктивно-технологическим соображениям, исходя из вида грунтового раствора, глубины скважины, технологии заполнения. Обычно величина «b» равна 0,05-0,15 м.
1
Необходимая длительность прогрева «τ» может быть получена на основе следующих рассуждений.
1
После заполнения пазухи сухомерзлым сыпучим раствором в некоторый запас принимаем, что температуры «» металлической трубы, грунтового раствора «» и прилегающего к стенке грунта «» выравнились и составляют - 3°С. Эту величину можно фиксировать, поскольку главные затраты тепла идут на изменение фазового состояния грунта, и ошибка в 2-3°С не дает существенных изменений результатов. Ставится задача перевести слой грунта толщиной «b» (см. фиг.2) в талое состояние
при этом неизбежно слой раствора еще нагреется примерно до температуры
а металлическая труба - до температуры
1
Количество тепла, которое необходимо для вышеуказанной цели, можно разделить на 3 составляющие: , ,  соответственно для нагрева стенки столба толщиной «δ», слоя «b» грунтового раствора и слоя «b» грунта, прилегающего к стенке скважины.
В формулах (6)÷(9) приняты следующие обозначения:
1
t - средняя температура воздуха в полости столба в процессе нагрева, град;
1
, ,  - температура на момент начала нагрева соответственно трубы, раствора толщиной слоя «b» и грунта толщиной слоя «b», град;
1
, ,  - температура на момент окончания нагрева соответственно трубы, раствора толщиной слоя «b» и грунта толщиной слоя «b», град;
3
С - объемная теплоемкость грунта и грунтового раствора, ккал/(м·град);
гр
3
С - объемная теплоемкость грунта и грунтового раствора, ккал/(м·град);
3
Q - объемная скрытая теплота фазового перехода грунта, ккал/м.
3
3
3
гр
Для упрощения выводов можно с достаточной для практики точностью фиксировать следующие значения: С=860 ккал/(м·град); С=600 ккал/(м·град); Q=30000 ккал/м.
р
гр
р
гр
1
2
V, V, V - объем расчетного участка нагрева соответственно для трубы, раствора и грунта. Принимаем площадь нагрева равной F=1 м, тогда V=δ, V=b, V=b.
С другой стороны
Из равенства правых частей выражений (10) и (13) следует
В формулах (10)-(14) приняты следующие обозначения:
cp
1
t - средняя температура нагреваемого массива, состоящего из слоя грунтового раствора толщиной «b» грунта толщиной «b» (здесь пренебрегли за малостью теплового вклада температурой стальной трубы), град;
1
R - термическое сопротивление прохождению тепла из полости 13 в нагреваемый массив, (час·град)/ккал.
В связи с тем, что имела место замена некоторых общих символов их численными значениями, в формуле (14) числовые коэффициенты имеют размерность:
287 - час·град/м; 2 - 1/град; 9 - б/р; 300 - час/м; 31800 - час·град/м;
0,1 - б/р; 0,25 (числитель) - 1/м; - 1,5 - град; 0,25 (знаменатель) - б/р.
1
1
Приняв достаточно характерные значения для «δ», «b» и «b» соответственно 0,025 м; 0,1 м и 0,03 м, получаем для «τ» существенно упрощенную формулу:
При этом в формуле (15) числовые коэффициенты имеют размерность:
5,8 - час/град; 546 - час; 0,8 - 1/град; 1,5 - б/р.
2
Для охлаждения до первоначальной температуры t=-3°С необходимо внести столько же «холода», сколько было внесено тепла. При этом время τ охлаждения приближенно может быть выражено зависимостью:
o
где t - температура воздуха в полости во время охлаждения.
Пример осуществления способа
Рассмотрим пример сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста со следующими исходными данными.
ст.п
скв
щ
1
1
1
1
Необходимо возвести опору моста из четырех столбов диаметром 2,0 м с толщиной стенок 0,025 м и глубиной заложения l=15,0 м. С этой целью для каждого столба бурят скважину 1 глубиной l=16,0 м и диаметром 2,2 м. Далее засыпают и утрамбовывают слой щебня толщиной l=1 м. После этого устанавливают столб 2, сооружают теплоизоляцию 7 и 8 (из минваты толщиной 10 см), засыпают в пазуху между столбом и стенками скважины сыпучемерзлый раствор 5 и по шлангу 11 подают пар с температурой 100°С. При этом средняя температура воздуха в полости обеспечивается t=50°С. Длительность «τ» прогрева для обеспечения протаивания сухомерзлого раствора 5 толщиной «b» и пограничного с пазухой слоя грунта толщиной «b» (принимаем b=0,1 м и b=0,03 м) определяем по формуле (14).
1
По принятым численным значениям расчетных параметров по полной (14) и приближенной (15) формулам получаем τ=31,5 часа.
Если принять температуру воздуха в период охлаждения равной - 10°С, то по ф. (16) получаем:
2
τ=31,5·5=157,5 часа.
Эффективная область применения данного технического решения определяется следующим:
- в отличие от способов погружения столбов сплошного сечения, данный способ позволяет управлять прогревом зоны дальнейшего смерзания. Дело в том, что необходимо для хорошего смерзания вначале обеспечить талое состояние грунта на контакте со столбом. При погружении столбов сплошного сечения операции прогрева обеспечить практически невозможно. При погружении столбов из металлических или железобетонных труб такие операции легко осуществимы;
- возможно применение охлаждения, которое компенсирует тепловое вложение и позволяет быстро ввести сооружение в эксплуатацию.