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. Л.: Стройиздат, 1978, с.113).
Недостатком способа является то, что этот способ применим только в пластично-мерзлых глинистых грунтах без крупнообломочных включений с температурами не ниже: для супесей минус 0,3, для суглинков минус 0,6, для глин минус 0,9°C. 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. Л.: 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
2
Для достижения указанного технического результата способ сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста, заключающийся в бурении скважины большего поперечного сечения, чем поперечное сечение столба, установке столба в скважину, заполнении талым грунтовым раствором пазухи между стенками скважины и столбом и последующем смерзании столба с грунтовым раствором и окружающим грунтом, содержит операцию прогрева столба длительностью τ осуществляемую после установки столба в скважину, и операцию прогрева пазухи и прилегающего к стенке скважины грунта длительностью τ, осуществляемую после заполнения пазухи грунтовым раствором. Кроме того, для пустотелых металлических столбов он содержит операцию охлаждения путем заполнения полости холодным воздухом.
1
2
3
При этом длительность τ прогрева столба, длительность τ прогрева пазухи и длительность τ охлаждения нагретой зоны определяют по соответствующим формулам.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлено сечение по оси столба в период 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 не обязательная);
- установка столба 2 в скважину 1. Если столб выполнен из металлической трубы, то целесообразно устройство днища 4;
1
- прогрев столба длительностью τ с помощью нагревателя 5. Нагреватель 5 может представлять собой оборудование, расположенное вне столба и подающее теплоноситель (горячий воздух, пар и т.п.) по направлению 6 в шланг 7 с выходом через выпускной патрубок 8. Нагреватель 5 может быть также выполнен, например, в виде электрической спирали и размещен внутри полости 9. Для увеличения эффективности прогрева (исключения излишних теплопотерь) столб 2 закрывается выше уровня земли теплоизоляцией 10, а поверхность земли у столба защищается теплоизоляцией 11;
- установка пригруза 12 весом P для погашения выталкивающей силы после заполнения пазухи жидким талым раствором 13;
- заполнение пазухи жидким талым раствором 13;
2
- прогрев длительностью τ пазухи с раствором 13 путем передачи тепла из полости 3 с целью обеспечить протаивание пограничного с пазухой слоя грунта и, следовательно, его лучшего смерзания в дальнейшем с раствором пазухи;
3
- охлаждение длительностью τ нагретой зоны путем передачи «холода» из полости 9 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 нагреть, позицией 15 - окружающий грунт, позицией 16 - ось опоры.
Основные параметры скважины 1 (см. фиг.1 и 2) 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
1
За время «τ» в стенку металлического столба поступает из полости количество тепла «g» (ккал), которое может быть выражено следующей зависимостью:
кон
1
С другой стороны, для того, чтобы нагреть стенку металлического столба до температуры «t», необходимо затратить то же количество «q», выраженное зависимостью:
1
Из равенства правых частей приведенных выше зависимостей (3) и (4) можно найти величину «τ»:
В формулах (3) (5) приняты следующие обозначения:
1
t - средняя температура воздуха в полости столба в процессе нагрева, град;
cp
t - средняя температура стенок столба в процессе его нагрева, град;
нач
кон
t, t - соответственно начальная температура столба (в момент начала нагрева после погружения столба в скважину), конечная температура столба в момент окончания его нагрева, град;
3
C - объемная теплоемкость металла, ккал/(м·град).
3
C=860 ккал/(м·град);
2
V - объем расчетного участка нагрева. Принимаем площадь нагрева равной F=1 м. Тогда
3
V=δ·F=δ, м;
кон
нач
Δt=t-t, град;
1
R=0,1+δ/72=0,1 час·град/ккал
Значением δ/72 по сравнению с другими составляющими здесь и далее можно пренебречь.
2
2
α=10 ккал/(м·час·град); α - коэффициент теплоотдачи, ккал/(м·час·град);
λ=36 ккал/(м·час·град); λ - коэффициент теплопроводности стали, ккал/(м·час·град);
После преобразований получаем:
2
Необходимая длительность прогрева τ может быть получена на основе следующих рассуждений.
тр
p
гр
1
1
1
После заполнения пазухи грунтовым раствором в некоторый запас принимаем, что температура металлической трубы «t» и грунтового раствора «t» опустилась до значения плюс 0°C, а температура «t» прилегающего к стенке скважины слоя грунта толщиной «b» поднялась до значения минус 0°C (фиг.2). Ставится задача перевести слой грунта толщиной «b» из мерзлого состояния в талое (т.е. до +0°C). При этом температура воздуха в полости столба равна «t».
1
Количество тепла, которое необходимо для вышеуказанной цели можно разделить на три составляющие:  соответственно для нагрева стенки столба толщиной «δ», слоя «b» грунтового раствора и слоя «b» грунта, прилегающего к стенке скважины.
2
1
Время нагрева τ можно условно разделить на 3 этапа: , , , соответственно необходимые для нагрева стенки столба толщиной «δ», слоя «b» грунтового раствора и слоя «b» грунта, прилегающего к стенке скважины.
Для первого этапа
Из равенства правых частей (7) и (10) следует:
,
Для второго этапа
Из равенства правых частей (8) и (12) следует:
,
Для третьего этапа
Из равенства правых частей (9) и (14) следует:
,
Суммируя длительность этапов (11), (13), (15), получаем:
В формулах (7)-(16) приняты следующие новые обозначения, не расшифрованные ранее:
гр
3
3
C - объемная теплоемкость грунтового раствора, ккал/(м·град). Эту величину можно принять 600 ккал/(м·град);
p
p
3
2
3
V - объем грунтового раствора в расчетной зоне, м. При площади F=1 м, V=b, м;
1
и  - соответственно средняя по толщине температура стенки столба и грунтового раствора при достижении квазистационарного состояния в период непосредственно прогрева слоя грунта толщиной «b», град;
гр
3
3
Q - объемная скрытая теплота фазового перехода грунта, ккал/м. Эту величину можно фиксировать значением 30000 ккал/м;
гр
гр
1
3
2
2
V - объем грунта в расчетной зоне, м. При площади F=1 м, V=b, м;
ст
t - средняя температура стенки столба за период ее нагрева от температуры +0°C до температуры , ;
p
t - средняя температура грунтового раствора за период его нагрева от температуры +0°C до температуры ;
;
;
;
.
2
2
гр
При F=1 м, α=10 ккал/(м·час·град), λ=2 ккал/(м·час·град); λ=36 ккал/(м·час·град),  и  приобретают следующие значения:
;
Откуда
3
Необходимая длительность охлаждения «τ» может быть получена на основе следующих рассуждений.
1
2
3
В процессе прогрева было выделено 2 этапа: длительностью «τ» и «τ». Можно с достаточной для практики точностью оценить время «τ», необходимое для охлаждения грунта раствора и столба до той, которая была в грунте в естественных условиях, следующей зависимостью:
где  - время, необходимое для компенсации тепловложений, сделанных в процессе погружения;
- время, необходимое для замораживания грунтового раствора, который в пазуху подавался в талом состоянии.
1
2
0
Длительность «» определяется как сумма «τ» и «τ» с поправкой , где t - температура воздуха в полости столба в процессе охлаждения:
где
Составляющая «» определяется из равенства правых частей выражений (20) и (21):
В результате:
1
2
3
В связи с тем, что при выводе формул для «τ», «τ» и «τ» с целью упрощения самих формул, а главное, для упрощения их применения путем фиксации определенными численными значениями некоторых исходных данных (которые в практике трудно определить), в указанных формулах числовые коэффициенты имеют размерность:
1
в формуле для τ: 172 - (час/м); 2 - б/р;
2
в формуле для τ: 86, 40 - (час/м);
1 и 0,1 - б/р;
2,5; 0,5; 0,25 - (1/м);
30000 - (град·час/м):
3
В формуле для τ: 30000 - (град·час/м):
0,1 - б/р;
0,25 - (1/м).
Следует также отметить, что при выводе формул пренебрегли за их малостью тепловыми потоками со стороны массива мерзлого грунта.
1
2
3
1
нач
Формулы для «τ», «τ», «τ» могут быть существенно упрощены, если принять во внимание, что , b≈0,10 м, b≈0,03 м, δ=0,025 м, а t принять -10°C:
При этом численные коэффициенты имеют следующую размерность:
2,87 - час/град;
43 - час;
1,33 - 1/град;
10 - б/р;
7,15 - час;
144 - час·град;
375 - час·град.
Пример осуществления способа
Рассмотрим пример сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста со следующими исходными данными.
ст.п
скв
щ
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 10 и 11 (из минваты толщиной 10 см) и по шлангу 7 подают пар с температурой 100°C. При этом средняя температура воздуха в полости обеспечивается t=50°C. Длительность прогрева столба τ определяют по формуле:
нач
1
кон
Начальная температура столба t=-10°C. При t=50° температура t будет равняться примерно 33°C .
Тогда
1
По приближенной формуле (24) τ=2,44 часа.
1
Длительность прогрева пазухи и прилегающего к стенке скважины грунта определяем по формуле (принимаем при этом b=0,1 м; b=0,03 м):
2
По приближенной формуле (25) τ=10,03 часа.
Длительность охлаждения может быть определена по формуле:
0
Принимаем при этом t=-10°C, откуда
3
По приближенной формуле (26) τ=99,75 час.
0
Для сокращения времени охлаждения необходимо понижение температуры «t» внутри полости во время охлаждения.
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.