ОПОРА МОСТА НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ

Полезная модель относится к области строительства, а именно к возведению мостов в районах с распространением вечномерзлых грунтов.
Известна опора моста на вечной мерзлоте, содержащая столбчатый фундамент. Столбы выведены выше поверхности грунта и образуют тело опоры. Сверху столбы объединены ригелем. При этом столбы выполнены со сквозной по высоте полостью (Технические условия на проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию железных дорог на полуострове Ямал, СТО Газпромтранс 4-2012, М., 2012, с.60, рис.Е.2,а).
Достоинство этой конструкции заключается в ее экономичности, поскольку столбы, благодаря конвекции воздуха зимой, позволяют понизить температуру грунтов оснований и за счет этого сократить длину столбов. Недостатком опоры является недостаточная прочность тела опоры в условиях сильного ледохода.
Известна опора моста на вечной мерзлоте, содержащая столбчатый фундамент, объединенный сверху ростверком, тело опоры, которое опирается на ростверк и жестко с ним соединено, и ригель, жестко объединенный сверху с телом опоры (там же, рис.Е.2,б).
Достоинством опоры является ее хорошая стойкость к воздействию ледохода. Недостатком является повышенный расход материалов. Поскольку столбы выполнены сплошными, они не могут повысить несущую способность грунтов основания путем их охлаждения. Это плохо сказывается на экономичности конструкции.
Целью данного технического решения является повышение экономичности опоры.
Поставленная цель достигается тем, что опора моста на вечной мерзлоте содержит столбчатый фундамент, объединенный сверху ростверком, тело опоры, которое опирается на ростверк и жестко с ним соединено, и насадку, жестко объединенную сверху с телом опоры, при этом столбы выполнены в виде труб, содержащих сквозную по высоте полость, а подошва ростверка расположена не выше нижней границы деятельного слоя, верх ростверка расположен не ниже уровня снежных заносов, закрепление столбов в бетоне ростверка выполнено по боковой поверхности за счет анкеров, при этом
н
сн
h≥h, м,
п
р
н
д
h=h-h≥h, м,
р
н
п
где h, h, h - высота соответственно всего ростверка, его надземной и его подземной частей, м;
сн
д
h, h - высота соответственно снежного покрова и деятельного слоя, м.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где показано сечение по вертикальной плоскости, проходящей через ось столбов и перпендикулярной продольной оси моста.
н
сн
Опора моста на вечной мерзлоте содержит столбы 1 фундамента, ростверк 2, объединяющий столбы 1 сверху, тело 3 опоры, насадку 4. Тело 3 опоры расположено на ростверке 2 и жестко с ним соединено. Насадка 4 расположена сверху тела 3 опоры и также жестко с ним соединена. Ростверк 2 в верхней своей части возвышается над естественной поверхностью 5 грунта на величину h, которая должна превышать высоту 6 снежного покрова h (включая возможный уровень ледостава), а низ расположен не выше расчетной глубины летнего протаивания, т.е. не выше верхней поверхности 7 вечной мерзлоты. На насадку 4 через опорные части опирается пролетное строение 8. Термоскважины 9, соединяющие полость столба 1 с наружным воздухом, расположены либо непосредственно в теле опоры, либо снаружи, со стороны противоположной течению 10 реки. Позицией 11 показана зона пониженной температуры грунта.
Основным преимуществом предлагаемого технического решения является экономичность, достигаемая за счет применения пустотелых столбов.
Опора моста на вечной мерзлоте работает следующим образом.
В пустотелых столбах в зимний период имеет место конвекция воздуха, в результате чего понижается температура вечномерзлых фунтов, что приводит к повышению их несущей способности. Это в свою очередь позволяет сократить длину столбов. Для повышения эффективности работы столбов в их полостях могут быть расположены коаксиальные вставки, обеспечивающие разделение восходящих и нисходящих потоков.
р
н
н
п
Конвекция воздуха внутри полостей столбов в зимний период происходит потому, что их верхняя часть эффективно охлаждается. Для повышения результативности охлаждения высота h ростверка 2 увеличивается. В его надземной части высотой h происходит интенсивное охлаждение ростверка и верха столбов за счет наружного воздуха. Обычно высота h равна 1-1,5 м. В данном техническом решении такая величина возвышения ростверка над землей дает положительный эффект, но лучше, если верх ростверка будет возвышаться над уровнем меженных вод при ледоставе и над уровнем снежных отложений. В подземной части высотой h исключается контакт столбов с грунтом, в котором задерживается скорость понижения температуры за счет изменения фазового состояния грунта. При этом в осенний период при переходе среднесуточной температуры воздуха через ноль в теле ростверка сразу формируется отрицательная температура (поскольку в бетоне отсутствуют скрытые теплоты фазового перехода), и начинается процесс конвекции воздуха. С этой целью соблюдается условие:
п
д
h≥h, м,
н
сн
h≥h, м,
д
где h - глубина деятельного слоя.
Другим важным условием эффективной работы столбов по охлаждению грунтов является расположение верхней части столбов на как можно более высокой отметке относительно поверхности грунта. Для этого столбы как можно больше пропускают в тело ростверка. Если в обычном случае (в прототипе) столбы в ростверк заделываются примерно на 0,5 м, что требуется для передачи давления по торцу столба, то в предлагаемом техническом решении столбы доходят до верха ростверка, а закрепление столбов в бетоне ростверка выполнено по боковой поверхности за счет анкеров.
Как показывает опыт, расстояние «в» в плане между столбами целесообразно назначать таким, чтобы в свету между их стенками оставалось 3-4 м. При этом эффективность охлаждения грунтов будет наиболее рациональной. Однако возможны и другие расстояния.
Данное техническое решение позволяет повысить экономичность ростверковых опор за счет уменьшения длины и количества столбов, а также благодаря исключению бетона заполнения в самой запроектированной конструкции столбов. (Некоторое увеличение требуемой высоты ростверка компенсируется его меньшими размерами в плане). Это достигается тем, что пустотелые столбы работают как термоопоры, понижают температуру мерзлых грунтов и тем самым увеличивают их несущую способность.
Область рационального применения данной конструкции - русловые опоры с сильным ледоходом и невысоким уровнем вод при ледоставе.