СТОЛБ ДЛЯ ОПОРЫ МОСТА НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ

Полезная модель относится к области строительства, а именно к возведению мостов в районах с распространением вечномерзлых грунтов.
Известен столб для опоры моста на вечной мерзлоте («Инструкция по проектированию малых и средних мостов БАМ». М., ЦНИИС, 1975, с.17-23). Столб представляет собой железобетонный цилиндр сплошного сечения диаметром порядка 1 м и длиной 10-20 м. Столб применяется при сооружении столбчатых опор мостов и предназначен для передачи нагрузки на более прочные нижележащие слои грунта.
Достоинством столбов указанной конструкции является возможность сооружения мостов при слабых вышележащих слоях грунта. Недостатком столба является отсутствие охлаждающих элементов, позволяющих охлаждать грунты оснований и не допускать растепления или деградации мерзлоты.
Известен столб для опоры моста на вечной мерзлоте («Строительство железных и автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты». Научно-исследовательский институт транспортного строительства (ОАО ЦНИИС), научные труды ОАО ЦНИИС, вып. №242. М., 2007, с.57-66). Столб содержит подземную и надземную части и замкнутую единую полость в пределах надземной и подземной частей.
Достоинством этой конструкции является ее возможность охлаждать грунты оснований за счет свободной конвекции воздуха в полости в зимний период.
Недостатком конструкции является трудность обеспечения качественного сцепления боковой поверхности столба с грунтом. В связи с этим затрудняется использование одной из главных составляющих несущей способности столба - сцепление по боковой поверхности.
Задачей данного технического решения является повышение эффективности сцепления столба с грунтом по боковой поверхности.
п
в
т
р
п
р
1
1
Для достижения указанного технического результата столб для опоры моста на вечной мерзлоте, содержащий надземную и подземную части, расположенные соответственно выше и ниже уровня естественной поверхности грунта, причем в пределах надземной части столб расположен в зоне переменного горизонта вод высотой «h» и в зоне контакта с окружающим воздухом высотой «h», а в пределах подземной части столб расположен в зоне сезонного протаивания грунта высотой «h» и в мерзлом слое высотой «h», определяемой расчетом по несущей способности столба, выполнен из трубы внешним диаметром «d» с незаполненной единой по всей высоте столба полостью диаметром «d», при этом в пределах высоты «h» мерзлого слоя труба расположена внутри бетонного кругового цилиндра диаметром «D» таким образом, что их продольные оси параллельны и расположены на взаимном расстоянии «с», стремящемся к нулю и определяемом точностью установки, а величина «D» определяется условием
б
где Р - требуемая несущая способность столба по боковой поверхности, кг;
р
h - высота мерзлого слоя, см;
б
2
σ - расчетное сопротивление по сдвигу бетонного цилиндра по грунту на внешней поверхности этого цилиндра, кг/см.
Диаметр бетонного кругового цилиндра может быть равен
1
D=d+а, см,
где d - внешний диаметр трубы, см;
а - зазор между трубой и стенками скважины, колеблется в пределах 50-150 см.
р
в
в
п
Столб может содержать анкеры, прикрепленные к внешней боковой поверхности трубы на высоте «h» и входящие в тело бетонного кругового цилиндра. Кроме того, в полости трубы может быть размещена трубчатая вставка с отверстиями внизу и вверху с площадью равной площади поперечного сечения полости трубчатой вставки, при этом диаметр d трубчатой вставки равен d=0,7d.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез столба опоры моста.
нд
пд
п
в
т
р
р
1
Столб для опоры моста на вечной мерзлоте частично погружен в грунт ниже его естественной поверхности 1 и содержит две части: надземную 2 и подземную 3 высотой соответственно h и h. В пределах надземной части столб расположен в зоне 4 переменного горизонта вод высотой h и в зоне 5 контакта с окружающим воздухом высотой h. В пределах подземной части столб расположен в зоне 6 сезонного протаивания высотой h и в мерзлом слое 7 глубиной h. Основной частью столба для опоры моста на вечной мерзлоте является труба 8 с единой по всей высоте трубы полостью 9. В нижней части трубы 8 устраивают непроницаемое дно 10, которое может быть заменено бетонной пробкой. Сверху труба закрыта крышкой 11 или ригелем опоры. В пределах зоны 7 на высоте h труба 8 расположена внутри бетонного кругового цилиндра 12 диаметром D концентрично, т.е. их продольные оси либо совпадают, либо находятся друг от друга на расстоянии «с», определяемом технологической точностью установки. Диаметр бетонного кругового цилиндра 12 определяется по формуле:
1
D=d+а, см.
Для обеспечения связи между трубой 8 и бетонным круговым цилиндром 12 столб содержит анкеры 13, прикрепленные к внешней боковой поверхности трубы 8 и входящие в тело бетонного кругового цилиндра.
в
в
п
п
В полости 9 трубы 8 может быть размещена трубчатая вставка 14 с верхним и нижним раструбами 15 для разделения нисходящих и восходящих потоков воздуха при конвекции в зимний период. Направление движения воздуха при этом показано стрелками 16. В оптимальном случае площадь полости трубчатой вставки 14 и площадь кольца между трубчатой вставкой 14 и внутренней поверхностью трубы 8 должны быть равны, чтобы воздушные потоки перемещались равномерно. Для обеспечения этого условия диаметр d полости трубчатой вставки d=0,7d, где d - диаметр полости трубы 8.
На чертеже, кроме того, позицией 17 показано положение верхней границы вечной мерзлоты в конце теплого периода года, позицией 18 - граница зоны дополнительного охлаждения грунта в результате охлаждающего влияния предлагаемой конструкции столба для опоры моста на вечной мерзлоте, позицией 19 - обратная засыпка верха скважины местным грунтом, позицией 20 - щебеночная подушка в скважине.
Столб для опоры моста на вечной мерзлоте работает следующим образом.
p
б
т
б
т
б
1
р
б
б
2
Нагрузка от пролетного строения моста через ригель опоры передается на верх трубы 8. Труба 8 в пределах надземной части и высоты деятельного слоя должна выдерживать как вертикальную, так и горизонтальную составляющую нагрузки. При этом продольная сила и изгибающий момент воспринимаются материалом стенок трубы 8. В пределах высоты h вертикальная нагрузка Р воспринимается двумя составляющими: сопротивлением P по смерзанию с грунтом боковой поверхности бетонного кругового цилиндра 13 и сопротивлением грунта по торцу этого цилиндра P. При этом P=P+P·P=π·D·h·σ, кг, где σ - допускаемые напряжения по сдвигу бетонной поверхности и мерзлого грунта, кг/см.
1
Из этого выражения определяется требуемая величина D:
.
б
Значение σ существенно зависит от температуры вечномерзлого грунта, поэтому дополнительное охлаждение грунта достигается за счет свободной конвекции воздуха в зимний период.
1
п
1
п
Значения величин D, d, d и а определяются из следующих соображений. Значение D определяется, исходя из возможности обеспечения требуемой несущей способности столба по грунту, значения «d» и «d» определяются, исходя из возможности обеспечения требуемой несущей способности столба по прочности и обеспечения необходимого охлаждающего эффекта трубы, значения «а» определяются, исходя из двух технологических требований: удобства укладки бетона и ограничения массивности монолитного бетона с позиции недопущения излишнего растепления мерзлоты в процессе строительства. Требование удобства укладки бетона определяется необходимостью качественного заполнении зазора между стенками скважины и внешним диаметром. Зазоры толщиной 5-10 см очень трудно качественно заполнить. Поэтому минимальным размером «а» практически является 50 см. Но с увеличением значения «а» растет растопляющий эффект мерзлоты. Поэтому более 150 см значение «а» допускать не рекомендуется.
Столб для опоры моста на вечной мерзлоте сооружают следующим образом.
скв
1
Вначале бурится скважина глубиной h и диаметром D, где
скв
т
р
пр
h=h+h+h, см.
пр
Далее на высоту h скважину заполняют утрамбованным щебнем или другим непросадочным грунтом. Эта подушка нужна для компенсации тепловых воздействий при сооружении столба и распределения давления от столба. Затем устанавливают трубу 8, устраивают в ней дно или бетонную пробку 10, прикрепляют к трубе анкеры 13, производят бетонирование цилиндра 12 и осуществляют засыпку местным грунтом 19 верха скважины. После укладки бетонной смеси в цилиндр 12 возможен прогрев полости 9, а затем охлаждение для ускорения смерзания с грунтом.
р
Эффективность применения данной конструкции определяется следующим. Качество сцепления по боковой поверхности на высоте h в данном виде конструкции наилучшее. Бетон смерзается непосредственно с грунтом по шероховатой неровной поверхности. Металлическая труба имеет сцепление на 20-30% меньше (прочность сцепления меньше). Это дает возможность уменьшить длину скважины и, следовательно, объем буровых работ, диаметр металлической трубы, увеличить надежность конструкции.