УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Полезная модель относится к области мостостроения, а именно к устройствам по поддержанию отрицательной температуры грунтов при сооружении свайных фундаментов опор мостов на вечномерзлых грунтах.
Известны безростверковые опоры мостов со стойками из полых стальных свай-оболочек, используемые кроме своего основного назначения как несущей конструкции, еще и в качестве охлаждающих устройств для поддержания в течение всего периода эксплуатации моста отрицательной температуры грунтов основания не выше принятой в расчетах его несущей способности («Проектирование и устройство фундаментов опор мостов в районах распространения вечномерзлых грунтов». СП 32-101-95. Система нормативных документов в строительстве. Свод правил. М., Корпорация «Трансстрой», 1996 г., с.65).
Недостаток таких опор состоит в малой несущей способности и в том, что металл подвергается коррозии.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для охлаждения грунтов, выполненное из сталежелезобетонной оболочки, частично погруженной в грунт и частично расположенной выше уровня грунта, содержащей теплообменник и имеющей замкнутую сквозную полость в пределах подземной и надземной частей, причем полость ограничена железобетонными пробками и сверху, и снизу («Проектирование и устройство фундаментов опор мостов в районах распространения вечномерзлых грунтов». СП 32-101-95. Система нормативных документов в строительстве. Свод правил. М., Корпорация «Трансстрой», 1996 г., с.65).
Недостаток этого устройства состоит в резком ухудшении степени охлаждения грунтов основания вследствие увеличения термического сопротивления стенок оболочки.
Задача предлагаемой полезной модели состояла в увеличении эффективности работы устройств для охлаждения вечномерзлых грунтов, выполненных из сталежелезобетонных оболочек.
Для достижения указанного технического результата в устройстве для охлаждения вечномерзлых грунтов, выполненном из сталежелезобетонной оболочки, частично погруженной в грунт и частично расположенной выше уровня грунта, содержащей теплообменник и имеющей замкнутую сквозную полость в пределах подземной и надземной частей, причем сверху и снизу полость ограничена железобетонными пробками, сталежелезобетонная оболочка сформирована внешней и внутренней стальными трубами, пространство между которыми заполнено железобетоном или бетоном, а замкнутая сквозная полость образована внутренней оболочкой. При этом теплообменник расположен в надземной части сталежелезобетонной оболочки на участке длиной «l», определяемой по соответствующей зависимости, в пределах высоты замкнутой сквозной полости и включает в поперечном сечении объединенные полость внутренней стальной трубы и пространство между внутренней и внешней стальными трубами, для чего во внутренней стальной трубе и в бетонном или железобетонном заполнении выполнен вырез шириной «α».
Кроме того, оболочка может содержать один или несколько перепускных каналов, расположенных в пределах поперечного сечения оболочки и соединенных с замкнутой сквозной полостью в ее верхней и нижней частях.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где представлено:
на фиг.1 - сечение оболочки плоскостью, проходящей через ее продольную ось (сечение А-А на фиг.2 и 3);
на фиг.2 - сечение Б-Б на фиг.1;
на фиг.3 - сечение В-В на фиг.1.
Устройство для охлаждения вечномерзлых грунтов выполнено из сталежелезобетонной оболочки 1, частично погруженной ниже естественной поверхности 2 грунта, а частично расположенной выше этой поверхности. Сталежелезобетонная оболочка сформирована из внешней 3 и внутренней 4 стальных труб, пространство между которыми заполнено железобетоном или бетоном 5. Внутренняя труба 4 образует воздушную полость 6. Снизу и сверху эта полость ограничена бетонными или железобетонными пробками соответственно 7 и 8. Выше уровня 9 меженных вод в период ледостава на длине «l» расположен теплообменник. Он расположен в верхней части полости, т.е. верх теплообменника совпадает с низом верхней пробки 8. В поперечном сечении теплообменник включает объединенные полости 6 внутренней стальной трубы и пространство 10 между внутренней и внешней стальными трубами, для чего во внутренней стальной трубе 4 и в бетонном или железобетонном заполнении 5 сделан вырез 11 шириной «α». При этом
н
l≤h,
2
l·α≥π·r,
где l - длина выреза во внутренней трубе (длина теплообменника), м;
н
h - высота замкнутой сквозной единой полости от ее верха до уровня вод в период ледостава, м;
α - длина хорды выреза во внутренней трубе, м;
r - радиус внутренней трубы, м.
Устройство для охлаждения вечномерзлых грунтов содержит также один или несколько перепускных каналов 12, расположенных в пространстве 10 между внутренней 4 и внешней 3 трубами. Каждый канал 12 с полостью 6 внизу соединен входным 13 и вверху выходным 14 патрубками. Внизу перепускного канала 12 может быть устроен отстойник 15. Перепускной канал 12 на всей своей длине или, по крайней мере, в верхней своей половине целесообразно защитить теплоизоляцией 16.
Устройство для охлаждения вечномерзлых грунтов работает следующим образом. В зимний период тонкие стенки внешней трубы 3 не препятствуют поступлению холода в теплообменник. Как более тяжелый, холодный воздух через вырез 11 поступает в полость 6. Если перепускного канала 12 нет, то система работает как сквозная. Т. е. в этом случае холодный воздух, поступая в полость 6, вытесняет оттуда теплый воздух, который поступает вверх, охлаждается и снова поступает вниз.
При наличии перепускного канала 12 эффективность охлаждения резко увеличивается. При поступлении холодного воздуха в полость 6 теплый воздух вытесняется и по перепускному каналу 12 поступает в верхнюю часть теплообменника. Движение воздуха в этом случае идет по направлению 17. Чтобы быстрее происходило движение воздуха в системе, целесообразно, чтобы при подъеме в перепускном канале 12 воздух не охлаждался, а охлаждался уже в теплообменнике. Для этого может быть устроена теплоизоляция 16 канала 12. Для увеличения эффективности работы теплообменника пространство между внешней 3 и внутренней 4 трубами в пределах «l» должно не заполняться бетоном больше того минимума, который показан на фиг.2. Наиболее целесообразно, чтобы на длине «l» оно вообще не заполнялось бетоном (если это возможно по условиям несущей способности на силовые воздействия).
Эффективность работы охлаждающей системы зависит от отношения поперечного сечения перепускного канала 12 к поперечному сечению полости 6. Чем оно меньше, тем эффективность меньше. Поэтому, во-первых, целесообразно увеличивать поперечное сечение канала либо увеличивать количество каналов. Минимальный размер канала диктуется недопустимостью случайного механического засорения. Из практики следует, что минимальный диаметр равен 10 см. Из условия недопустимости механического случайного засорения появляется целесообразность устройства отстойника 15. Максимальная желательная площадь поперечного сечения каналов не должна быть больше площади поперечного сечения полости 6.
Эффективность предлагаемого технического решения определяется следующим. Первоначально термоопоры предполагалось изготавливать (и изготавливались) из стальных труб. В этом случае теплообменник представляет собой надземную часть термоопоры. Тонкие металлические стенки трубы обеспечивают хорошие условия для теплообмена. Существенно не изменялся теплообмен и при применении центрифугированных железобетонных труб. Но когда толщина стенок достигает 0,5 м, теплообмен существенно ухудшается. Предложенное техническое решение позволяет обеспечить эффективный теплообмен в термоопорах с мощными железобетонными стенками.