Промежуточная опора моста на вечной мерзлоте

ПРОМЕЖУТОЧНАЯ ОПОРА МОСТА НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ
Полезная модель относится к области строительства, а именно к возведению искусственных сооружений в районах с распространением вечномерзлых грунтов.
Известна промежуточная опора моста на вечной мерзлоте, состоящая из стоек-столбов, объединенных сверху плитой-насадкой. Для замораживания или понижения температуры грунтов смонтированы охлаждающие установки (термосифоны) конструкции С.И.Гапеева или В.И.Макарова. («Рекомендации по применению саморегулирующих жидкостных охлаждающих устройств на опорах малых и средних мостов в районах вечной мерзлоты, ВНИИ транспортного строительства, М., 1987, с. 12, рис. Зв;). Недостатком конструкции является то, что такая опора может быть применена только на суходоле. При наличии ледохода охлаждающие установки, представляющие собой стальные трубы диаметром до 20 см, будут срезаны этим ледоходом
19/02
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой является промежуточная опора моста на вечной мерзлоте, включающая размещенную в грунте одну или несколько стоек, представляющих собой пустотелый элемент, замкнутый с нижнего торца, верхняя часть которого возвышается над уровнем меженных вод, и плитунасадку, в которую заделаны верхние торцы всех стоек. («Рекомендации по проектированию и строительству термоопор малых и средних мостов в условиях вечномерзлых грунтов, ВНИИ транспортного строительства, М., 1987, с. 5, рис. 16).
Недостатком такой опоры является то, что при наличии в месте расположения опоры водного потока глубиной более 0,5 - 1,0 м в верхней части грунтового массива формируется устойчивая талая зона, с одной стороны, ухудшающая работу опоры на горизонтальные силы, а с другой требующая существенного увеличения глубины заложения столбов для восприятия вертикальных нагрузок.
Задача предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности применения термоопор для сохранения и усиления мерзлоты в основании опор моста путем совмещения поверхностного и глубинного охлаждения грунтов основания.
Для достижения технического результата в промежуточной опоре моста на вечной мерзлоте, включающей размещенную в грунте одну или несколько стоек, представляющих собой пустотелый элемент, замкнутый с нижнего торца, верхняя часть которого возвышается над уровнем меженных вод и плитунасадку, в которую заделаны верхние торцы всех стоек, вокруг стоек расположена укрепленная от размыва выпуклая в плане площадка, выполненная из грунта или другого материала, причем центр площадки совпадает с центром опоры, средний диаметр dcp площадки составляет не менее 1 м, а уровень верха площадки Нпл определяется из зависимости
Нпп  Hj,,e - 0,1+0,16 tg, м, где Нмв -уровень меженных вод, м; te, - среднегодовая температура наружного воздуха, град. При этом 4 для рассматриваемых условий всегда имеет отрицательное значение.
Кроме того, размеры площадки в плане могут быть определены из следующей зависимости:
где D - средний диаметр мерзлой зоны, формируемой термоопорой в талике к моменту окончания теплого периода года;
dm(v: dfnin - соответственно максимальный и минимальный размер площадки в плане, м;
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - изображен общий вид промежуточной опоры на вечной мерзлоте, разрез по продольной оси моста;
на фиг. 2 - представлен график зависимости изменения остаточной температуры в центре опоры к моменту окончания теплого периода года от среднего диаметра D мерзлого массива;
на фиг. 3 - представлен график зависимости средней температуры на глубине 10м непосредственно под площадкой от ее диаметра;
на фиг. 4 - график зависимости средней температуры грунта на момент окончания теплого периода от соотношения  .
на фиг. 5 - зависимость температуры грунта от глубины водного потока.
Промежуточная опора моста на вечной мерзлоте содержит одну или несколько пустотелых стоек 1, с нижнего торца замкнутых пробкой 2, а сверху объединенных общей жесткой плитой-насадкой 3. Пад уровнем естественной поверхности 4 дна реки в зоне опоры отсыпана площадка 5, укрепленная сверху
,M,
max - 2
d
каменной наброской 6 или каким-либо другим способом. Уровень 7 верхней поверхности площадки может быть расположен ниже уровня 8 меженных вод, но, в зависимости от конструктивно-технологических соображений, может быть расположен и выше, но не выше, как правило, уровня 9 высоких вод. В естественных условиях температурное поле на момент окончания теплого периода года определяется положением 10 изотермы температуры замерзания грунта и положением 11 изотермы расчетной температуры, для которой определяется несущая способность стоек-столбов 1. После возведения опоры моста положение этих изотерм в установившемся режиме соответственно определяется позициями 12 и 13. Изотерма температуры замерзания грунта (в незасоленных грунтах эта температура, например, для песков равна О °С) разделяет грунты на талые 14 и мерзлые 15.
Промежуточная опора моста на вечной мерзлоте работает следующим образом. В зимний период в той части воздушной полости стоек 1, которая возвышается над уровнем 8 меженных вод (с учетом возможного снежного покрова), воздух охлаждается за счет теплопередачи через стенки стойки между воздухом наружным и внутренним в полости. Холодный воздух за счет разности в весе перемещается в нижнюю часть полости, откуда вытесняется теплый воздух. Теплый воздух в верхней части полости опять охлаждается и начинается непрерывный конвективный теплообмен. Одновременно начинается охлаждение находящегося рядом со стойками грунта за счет теплообмена между грунтом и нижней частью полости. В результате происходит процесс формирования мерзлой зоны вокруг опоры. В летний период конвекция прекращается и происходит постепенное повышение температуры мерзлой зоны, которое к моменту окончания теплого периода года достигает максимума. Температурное поле в этот момент принимается за расчетное.
Особенности расположения опоры и формирования мерзлой зоны вокруг нее следующие. Опору располагают в зоне глубокого талика (талой зоны грунта). По возможности низ столбов погружают в верхнюю зону
высокотемпературных пластичномерзлых грунтов, т.е. ниже уровня 10. Постепенно вокруг опоры формируется цилиндр мерзлой зоны. В летний период происходит рассасывание (рассеивание) мерзлоты, и к моменту окончания теплого периода года изотермы нулевая и расчетной температуры постепенно стремятся к положению соответственно 12 и 13.
Описанная выше работа опоры относится к прототипу, недостатком которого является пониженная эффективность. При малом количестве стоек, которое необходимо с точки зрения конструктивных параметров опоры изотерма расчетной температуры не перемещается из положения 11 в положение 13, а лишь незначительно выгибается вверх, находясь ниже подошвы столбов. Положение может выправить устройство дополнительных стоек, которые для конструкции опоры моста с точки зрения несуш,ей способности опоры не нужны, но создают дополнительное охлаждение. Однако при этом экономический эффект может потеряться: гораздо проще не охлаждать грунт дополнительными стойками, а просто на большую глубину опустить существующие.
В новом техническом решении повышение эффективности достигается за счет включения в работу поверхностного охлаждения. Отсыпанная вокруг опоры площадка 5 позволяет в зимний период обеспечивать поток холода в грунт, что резко усиливает приток холода в зимний период. Значительному охлаждению подвергается как раз верхняя часть грунтов оснований, в результате к моменту окончания теплого периода года изотерма расчетной температуры остается на достаточно близком к поверхности дна уровне, занимая положение 13.
Таким образом, новое техническое решение соединяет в себе эффективность глубинного охлаждения термоопоры и поверхностного охлаждения площадки. Но суммарный эффект выше суммы эффектов от применения этих мероприятий в отдельности, так как площадка, контактируя со стойками термоопоры, обеспечивает более быстрое замораживание воды и
IMGIUI SMI
грунта на указанном контакте и тем самым более быстрое включение полноценной работы полости стойки 1 в работу. Если же площадки нет, то вместо грунта площадки со стойкой 1 контактирует вода, имеющая значительно большую теплоемкость и скрытые теплоты фазового перехода, не говоря уже о том, что при отсутствии укрепленной площадки имеет место местный размыв у сток 1, увеличивающий общую глубину воды. В связи с этим замораживание на контакте со стойкой задерживается, что задерживает нормальную конвекцию воздуха в полости стойки 1.
В предлагаемом новом техническом решении для осуществления проектирования мостовой опоры должны быть определены следующие параметры:
диаметр стоек 1;
глубина заложения стоек 1;
количество стоек 1;
средний диаметр dcp площадки;
положение верхнего уровня 7 площадки.
Диаметр стоек назначают, исходя из опыта работы подобных конструкций. Минимальный диаметр - 0,5 м, но практически нормальная работа (конвекция) может быть обеспечена при диаметре 1 м и более.
Глубину заложения и количество стоек определяют на основании следующих данных. С одной стороны, рассчитывают горизонтальные и вертикальные нагрузки на опору; с другой стороны, с помощью теплофизических расчетов определяют область замораживания и ее температуру.
Средний диаметр dcp площадки определяют из следующих соображений. Любой минимальный диаметр, например, 1,5 - 2 м, обеспечит площадке ее положительное влияние, ибо ускорит промораживание деятельного слоя и полноценную конвекцию воздуха в полости стойки. Однако наилучщий эффект будет достигнут тогда, когда средний диаметр площадки
будет равен среднему диаметру D цилиндра, намораживаемого стойками 1 опоры. Тогда соблюдается максимальным образом одинаковость импульса холода по высоте опоры.
Для определения требуемого диаметра D цилиндра замороженного массива была проведена серия теплофизических расчетов для условий г. Салехарда (юг п-ва Ямал). Были приняты разные начальные температуры /„ массива на момент начала теплого периода года. К моменту окончания теплого периода года температура в центре цилиндра повышалась до значения tK. На фиг. 2 показана зависимость изменения остаточной температуры в центре опоры (цилиндра замороженного грунта) от среднего диаметра D мерзлой зоны. Из этой зависимости следует, что при диаметре до 10 м температура 4
практически равна нулю. Только при диаметре 15-20м «   может
быть практически обеспечена температура грунта, при которой его прочность может обеспечить несущую способность стоек опоры. Таким образом, минимальное значение dcp должно быть порядка 15 - 20 м.
На фиг. 3 показана зависимость эффективности работы площадки от ее диаметра dcp. Из этой зависимости видно, что резкое увеличение эффективности площадки имеет место до диаметра 60 м, после чего влияние диаметра существенно снижается. Таким образом, увеличение диаметра площадки существенно увеличивает ее эффективность. Но при этом возникает другая трудность - стеснение отверстия моста, что, в свою очередь, может потребовать увеличения его длины и тем самым вызовет снижение эффективности предложенного решения. Ноэтому была проведена серия расчетов с целью выяснить, как может быть применен прием уменьшения степени стеснения отверстия моста путем удлинения площадки вдоль русла. График на фиг. 4 показывает, что практически без ущерба для температурного режима можно от круглой в плане формы площадки перейти к эллиптической, при этом величина максимальной  и минимальной dmm в приняты из условия:
Например, при с/ср  15 м   20 м,   Ю м.
Положение верхнего уровня 7 площадки определяют, исходя из двух противоположных требований. Чем выше поверхность площадки, тем лучше в зимний период сдувается снег в условиях Заполярья, что обеспечивает лучший подток холода в грунты. Однако, с другой стороны, чем выше уровень площадки, тем больше стеснение отверстия моста и уменьшение площади теплообменника, т.е. части стоек 1, омываемой наружным воздухом. Это условие требует, наоборот, понизить уровень площадки. В каждом конкретном случае этот вопрос решается с учетом местных условий и конкретного проекта моста. Уровень площадки, тем не менее, должен быть в диапазоне, определяемом Нтах и Диш. Значение Нтах определяется из условия, чтобы высота теплообменника была практически не менее 2 - 3 м. Минимальный уровень Hmin определяется из условия, чтобы слой «5 воды при ее меженном уровне был не более той величины, при котором вода не только успевает замерзнуть за зиму, но и передать необходимый импульс холода для осуществления замораживания. Для определения этой величины были проведены теплофизические исследования, результаты которых приведены на графиках фиг. 5. В результате была выведена формула: где 4 - среднегодовая температура воздуха в регионе, где сооружается
мост, град. Таким образом, уровень верха площадки определяется из зависимости:
6  0,l + Q,l6t,M, плане размера площадки могут быть где   уровень меженных вод, м;
А размеры площадки в плане определяют из следующих зависимостей:
где D - средний диаметр мерзлой зоны, формируемой термоопорой в талике к моменту окончания теплого периода года, м;
dmax, dmin  соответственно максимальный и минимальный размеры площадки в плане ji
Эффективность предлагаемой промежуточной опоры заключается в том, что конструкция опоры, которая соединяет в себе поверхностное и глубинное охлаждение грунтов позволяет осуществить быстрое и эффективное замораживание грунта основания и тем самым сохранить и усилить мерзлоту.
Существенный эффект может быть получен, когда две (или более двух) опоры располагают на расстоянии не более, чем то, при котором имеет место взаимное тепловое влияние. В этом случае температурный режим резко
улучшается по сравнению с температурным режимом при одиночных опорах.
Авторы:/j / В.В.Пассек
„..в-ОД + ОД6,,ж,
d,,Md.
2,
min
/%
Н.А.Цуканов
яч.В.Пассек
Г.М.Поз ( Л.И.Невмержицкая