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, имеющая столбчатую конструкцию, применяемая при сооружении мостов в суровых климатических условиях («Инструкция по проектированию малых и средних мостов БАМ». М., ЦНИИС, 1975, с.17-23).
Достоинство опор мостов, имеющих столбчатую конструкцию, заключается в возможности использования слабых грунтов оснований. Недостатком ее является отсутствие охлаждающих элементов, позволяющих охлаждать грунты оснований и не допускать растепления или деградации мерзлоты.
Известна опора моста на вечной мерзлоте, состоящая из столбов, содержащих подземную и надземную части и замкнутую единую полость в пределах надземной и подземной частей столба, и ригеля, объединяющего сверху все столбы, на котором размещены опорные части для опирания на них пролетных строений («Строительство железных и автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты». Научно-исследовательский институт транспортного строительства (ОАО ЦНИИС), научные труды ОАО ЦНИИС, выпуск №242. М., 2007, с.57-66).
Достоинством этой конструкции является ее возможность охлаждать грунты оснований, что позволяет сохранить и даже улучшить температурный режим вечномерзлых грунтов оснований.
Недостатком конструкции является то, что при толстостенных железобетонных оболочках резко снижается эффективность работы охлаждающей системы этих опор.
Задачей данного технического решения является повышение эффективности работы охлаждающей системы.
Для достижения указанного технического результата опора моста на вечной мерзлоте, состоящая из столбов, содержащих подземную и надземную части, замкнутую сквозную единую полость в пределах надземной и подземной частей столба и ригеля, объединяющего сверху все столбы, на котором размещены опорные части для опирания на них пролетного строения, содержит дополнительные теплообменники, выполненные в виде замкнутой емкости, расположенные над ригелем за пределами габарита приближения строений и соединенные со сквозной единой полостью столбов трубой для восходящих потоков воздуха и трубой для нисходящих потоков воздуха.
Кроме того, труба для восходящих потоков воздуха может быть выполнена на высоту обеих полостей и снабжена отверстием внизу для сообщения со сквозной единой полостью столба и отверстием вверху для сообщения с полостью дополнительного теплообменника, а труба для нисходящих потоков соединяет низ дополнительного теплообменника с верхом сквозной единой полости в столбе. А еще трубы для восходящих и нисходящих потоков воздуха могут быть пропущены сквозь тело ригеля опоры. Кроме того, в мостах с ездой понизу высота дополнительного теплообменника не превышает высоту пролетного строения.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где показан разрез по плоскости, проходящей через ось столба опоры и параллельной продольной оси моста.
Опора моста на вечной мерзлоте состоит из столбов 1, содержащих подземную часть, т.е. расположенную ниже естественной поверхности 2 грунта, и надземную часть, т.е. расположенную выше естественной поверхности 2 грунта, и ригеля 3, объединяющего сверху все столбы и на котором размещены опорные части 4 для опирания на них пролетных строений 5. Столб содержит замкнутую сквозную единую полость 6. Опора моста на вечной мерзлоте содержит дополнительные теплообменники 7, которые расположены выше ригеля 3 и которые представляют собой замкнутую емкость. Полость 8 дополнительного теплообменника 7 соединена с полостью 6 столба 1 трубой 9 для восходящих потоков и трубой 10 для нисходящих потоков. Для улучшения формирования воздушных потоков труба 9 и труба 10 во входной своей части могут иметь соответственно раструбы 11 и 12. Труба 9 для восходящих потоков выполнена на высоту обеих полостей 6 и 8 и имеет внизу отверстие для сообщения с полостью 6, а вверху - для сообщения с полостью 8. Трубу 9 целесообразно закрыть слоем теплоизоляции 13. Трубы 9 и 10 целесообразно пропустить сквозь ригель 3.
Дополнительный теплообменник 7 в плане расположен по бокам пролетного строения 5 и за пределами габарита приближения строений с целью возможности свободного пропуска транспорта. Дополнительный теплообменник 7 может быть закреплен за пролетное строение верхними 14 и нижними 15 распорками. Распорки 14 могут быть установлены и в поперечном направлении. Эти распорки в продольном направлении должны обеспечивать свободу продольных температурных и силовых деформаций, должны содержать скользящие соединения. Из архитектурных соображений высота дополнительного теплообменника 7 может быть равна высоте пролетного строения 5.
На чертеже, кроме того, обозначены позицией 16 - уровень воды в период ледостава; 17 - направление воздушных потоков в зимний период в полостях 6 и 8; 18 - положение верхней границы вечной мерзлоты на момент окончания теплого периода года; 19 - границы зоны, имеющей на момент окончания теплого периода года более низкую температуру, чем окружающая в естественных условиях для возведения опоры моста.
Опора моста на вечной мерзлоте работает следующим образом. Без дополнительного теплообменника 7 роль теплообменника играет верхняя часть столба на высоте «h», ограниченной сверху верхней стороной полости 6, а снизу - уровнем 16 воды в период ледостава. Это может оказаться совершенно недостаточно по двум причинам: во-первых, потому, что из-за малости подмостового габарита величина «h» мала, а во-вторых, потому, что большая толщина стенок между полостью 6 и внешней поверхностью столбов определяет большое термическое сопротивление передаче «холода» от наружного воздуха к воздуху в полости 6. Создание дополнительного теплообменника 7 позволяет существенно увеличить эффективность охлаждения.
Охлажденный в полости 8 воздух опускается по направлению 17 через трубу 10, поступает в полость 6, передает «холод» в грунт, при этом сам нагревается, и далее по трубе 9 поднимается обратно в полость 8, охлаждается и т.д. В летний период конвекция прекращается, и тепло в грунт не поступает. Эффективный переход воздушных потоков по трубам 9 и 10 определяет эффективность охлаждения и зависит, прежде всего, от трех следующих условий.
Во-первых, это зависит от схемы расположения труб. На чертеже представлен один из наиболее эффективных вариантов. Теплый воздух сквозь обе полости 6 и 8 проходит по трубе 9 снизу вверх и далее, опускается, охлаждаясь сначала от стенок дополнительного теплообменника 7 и далее в теплообменнике, расположенном на высоте «h» полости 6. При этом труба 10 нужна только для пересечения по высоте пространства между полостями 8 и 6. При этом для трубы 9 целесообразно устройство теплоизоляции, поскольку «тяга» будет лучше, если воздух будет оставаться теплым на всем пути прохождения по трубе 9, а для трубы 10 теплоизоляция вредна, потому что воздух (как раз наоборот по сравнению с трубой 9) должен охлаждаться на всем пути следования от верха полости 8 до низа теплообменника (в пределах «h») в полости 6. Однако при некоторых соотношениях размеров верхнего (дополнительного) и нижнего теплообменников возможны другие схемы расположения труб 9 и 10, при этом могут быть введены в конструкцию различные диафрагмы, перепускные каналы и т.п.
Во-вторых, это зависит от конфигурации труб 9 и 10 по их длине. Различные перегибы резко увеличивают сопротивление потоку воздуха. Поэтому наилучшее расположение труб 9 и 10 между полостями 6 и 8 - это прямое с пропуском непосредственно через ригель 3. При огибании этими трубами ригеля 3 (в принципе такой вариант возможен) сопротивление проходу воздуха увеличится.
В-третьих, это зависит от поперечного сечения труб. Идеальным случаем является случай, когда площади поперечных сечений труб 9 и 10 равны между собой и равны каждая половине площади поперечного сечения полости 6. Уменьшение поперечного сечения труб приводит к снижению эффективности. Однако степень снижения меньше, чем степень уменьшения диаметра труб по сравнению с идеальным за счет того, что при уменьшении диаметра труб происходит некоторое увеличение скорости потоков по ним. Минимальный размер площади поперечного сечения труб определяется недопустимостью случайного механического засорения отверстий. Из практики следует, что минимальный диаметр равен примерно 10 см.
Предлагаемая конструкция опоры позволяет резко повысить эффективность охлаждения грунтов. В результате на момент окончания теплого периода года (т.е. на расчетный момент времени) верхняя граница 18 вечной мерзлоты в зоне опоры несколько повышена, а вокруг опоры формируется зона 19 с более низкой температурой, чем в естественных условиях. Формирование более низких температур грунта позволяет более экономично запроектировать опору - уменьшить количество столбов или глубину их заложения.