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.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображен разрез по вертикальной плоскости, проходящей по поперечной оси опоры.
Опора моста на вечной мерзлоте состоит из столбов 1, объединяющего их сверху ригеля 2, на котором размещены опорные части 3 для опирания на них пролетных строений 4. Каждый столб 1 частично заглублен в грунт ниже естественной поверхности 5, а частично расположен выше этой поверхности, и содержит полость 6, которая расположена в пределах подземной и надземной частей столбов 1. При этом она возвышается над уровнем 7 вод в период ледостава. Между смежными столбами 1 под ригелем расположен кожух 8, содержащий полость 9. Полости 6 и 9 соединены трубами 10 для восходящих потоков и трубами 11 для нисходящих потоков. Трубы 10 и 11 служат для упорядочения конвективных потоков воздуха и тем самым увеличения эффективности охлаждения. Стрелками 12 показано направление конвективных потоков. Трубы 10 для восходящих потоков расположены на всей высоте полостей 6 и 9 имеют входные отверстия 13 с раструбами для улучшения формирования воздушных потоков и выходные отверстия 14. Труба 11 для нисходящих потоков короткая и служит для соединения нижней части полости 9 с верхней частью полости 6 столбов и содержит входные отверстия 15 с раструбами и выходные отверстия 16. Для труб 10 целесообразно устройство теплоизоляции 17.
Кожух 8 размещают между столбами 1 опоры, используя естественное «пропадающее даром» пространство. Это пространство, однако, для увеличения эффективности охлаждения опор может сыграть принципиальную роль. Здесь тем не менее следует отметить следующую особенность: при соблюдении полной герметичности кожуха 8 целесообразное размещение его низа определяется уровнем меженных вод в период ледостава. Однако если герметичность полости 6 столбов на уровне высоких вод обеспечивается автоматически, то это обеспечение для сварной емкости, имеющей соединения сложной конфигурации ненадежно. В этом случае вода может поступить во время высоких вод не только в сам кожух, но и через трубы 11 заполнить столб. Поэтому кожух 8 целесообразно устраивать выше уровня высоких вод или на суходолах.
Опора моста на вечной мерзлоте работает следующим образом.
Без кожуха 8 верхняя часть столба 1 на высоте h играет роль теплообменника, ограниченная сверху верхней стороной полости 6, а снизу - уровнем воды 7 в период ледостава. Это может оказаться совершенно недостаточно по двум причинам: во-первых, потому, что из-за малости подмостового габарита высота теплообменника 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 полости 6. Создание кожуха 8 позволяет существенно увеличить эффективность охлаждения. Охлажденный в полости 9 воздух опускается по направлению 12 через трубу 11, поступает в полость 6, передает «холод» в грунт, при этом сам нагревается, и далее по трубе 10 поднимается обратно в полость 9, охлаждается и т.д.
Эффективность работы системы зависит от ряда факторов.
Во-первых, это зависит от схемы расположения труб. На чертеже представлен один из наиболее эффективных вариантов. Теплый воздух сквозь обе полости 6 и 9 проходит по трубе 10 снизу вверх и далее, опускается, охлаждаясь сначала от стенок кожуха 8 и далее в теплообменнике, расположенном на высоте «h» полости 6. При этом труба 10 нужна только для пересечения по высоте пространства между полостями 9 и 6. Для трубы 10 целесообразно устройство теплоизоляции 17, поскольку «тяга» будет лучше, если воздух будет оставаться теплым на всем пути прохождения по трубе 10, а для трубы 11 теплоизоляция вредна, потому что воздух (как раз наоборот по сравнению с трубой 10) должен охлаждаться на всем пути следования от верха полости 9 до низа теплообменника (в пределах «h») в полости 6. Однако при некоторых соотношениях размеров верхнего (полость 9) и нижнего теплообменников возможны другие схемы расположения труб 10 и 11, при этом могут быть введены в конструкцию различные диафрагмы, перепускные каналы и т.п.
Во-вторых, это зависит от поперечного сечения труб. Идеальным является случай, когда площади поперечных сечений труб 10 и 11 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 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 вечной мерзлоты в зоне опоры несколько повышена, а вокруг опоры формируется зона 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.