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. Ленинград, Стройиздат, 1978, с.113).
Недостатком способа является то, что этот способ применим только в пластичномерзлых глинистых грунтах без крупнообломочных включений с температурами не ниже: для супесей минус 0,3, для суглинков минус 0,6, для глин минус 0,9°С. Для твердомерзлых грунтов этот способ неприменим.
Известен другой способ сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста. Способ заключается в забивке столбов в предварительно пробуренные лидерные скважины, диаметр которых меньше диаметра столба (или диагонали квадрата при прямоугольном сечении столба). Скважина пробуривается с помощью парового вибролидера, поэтому слой грунта у стенок скважины после проходки скважины находится в пластичномерзлом состоянии (Ю.О.Таргулян. Устройство свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах. Ленинград, Стройиздат, 1978, с.110).
Недостатком способа является то, что он не позволяет погружать столбы большого диаметра (1-3 м и более) и большой глубины (до 30 м и более), поскольку в зимний период открытая скважина быстро замерзает, а холодный столб, имеющий отрицательную температуру, быстро формирует местные мерзлые зоны у стенок столба, резко увеличивающие сопротивление при погружении.
Задача предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы обеспечить погружение столбов большого диаметра (1-3 м и более) и большой глубины (до 30 м и более).
Для достижения указанного технического результата способ сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста содержит операции бурения скважины меньшим диаметром, чем диаметр столба, погружения столба, прогрева пробуренной скважины и столба, причем перед погружением низ столба совмещают с верхом скважины, так что оси скважины и столба совпадают, и закрепляют в таком положении, после чего осуществляют одновременно операцию прогрева столба и операцию прогрева пробуренной скважины, а далее осуществляют погружение столба в скважину. Прогрев пустотелого (трубчатого) столба осуществляют в пределах его полости, при этом низ полости столба совмещают с верхом полости скважин. Кроме того, операции прогрева столба и прогрева скважины частично совмещены с операцией погружения столба. Время прогрева скважины определяют по формуле:
,час,
где δ - толщина прослойки грунта со стороны полости скважины, равная разности радиусов столба и скважины, м;
3
Q - скрытые теплоты для перевода грунта из одного фазового состояния в другое, ккал/м;
t - температура воздуха в полости скважины в процессе ее прогрева, град.
Кроме того, он содержит операцию охлаждения грунта, осуществляемую после погружения столба.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг 1 представлена схема монтажного комплекса, с помощью которого сооружается столб опоры;
на фиг.2 представлена первая стадия сооружения столба опоры - бурение скважин;
на фиг.3 представлена вторая стадия сооружения столба опоры - прогрев столба и скважины;
на фиг.4 представлена третья стадия сооружения столба опоры - погружение столба.
Способ сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста содержит операции бурения скважины меньшим диаметром, чем диаметр столба, монтажа столба в начальное состояние для бурения, одновременного прогрева столба и полости скважины, погружения столба до проектного отказа.
Бурение скважины осуществляют известными методами. Для одновременного прогрева столба и скважины и последующего погружения столба формируют монтажный комплекс (фиг.1).
1
в
2
н
в
Монтажный комплекс для сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста содержит скважину 1, пробуренную в грунте ниже естественной поверхности 2 на величину l, равную глубине заложения столба, столб 3 с наличием в нем полости 4, механизм 5 для погружения столба, нагреватель 6 и кондуктор 7. Скважина 1 по высоте состоит из двух частей: направляющей части 8 длиной l и диаметром d, расположенной сверху непосредственно ниже уровня 2 естественной поверхности грунта, и лидерной части 9 длиной l и диаметром d. Столб 3 закреплен в пространстве и ориентирован по отношению к скважине 1 с помощью кондуктора 7. Кондуктор 7 может быть выполнен различным образом. В данном случае он представляет собой конструкцию, состоящую из надземной и подземной частей, но может состоять только из надземной или практически только из подземной части (т.е. при этом надземная часть вырождается в небольшие разметочные и направляющие элементы). Надземная часть выполнена из лежней 10, стоек 11 и подкосов 12, а подземная часть выполнена из направляющей части 8 скважины 1, диаметр d которой позволяет свободно вставлять в нее столб 3. Механизм 5 для погружения столба 3 может быть вибрационного или ударного действия. Нагреватель 6 может представлять собой оборудование, расположенное вне столба и подающее теплоноситель (горячий воздух, пар и т.п.) по направлению 13 в шланг 14 внутрь полости 4 с выпуском из отверстия 15. Наибольший эффект достигается в случае применения пара за счет его высокой теплотворной способности и высокотемпературного конденсата. Нагреватель 6 может также быть выполнен, например, в виде электрической спирали и размещен внутри полости 4. Выступающую над уровнем 2 грунта часть столба утепляют теплоизоляцией 16. Применение теплоносителей для прогрева пробуренной скважины и столба позволяет характеризовать данный способ сооружения на вечной мерзлоте столба опоры моста как «горячее погружение».
1
На фиг.2, 3, 4 приведены также следующие обозначения: 17 - буровое оборудование, 18 - зазор толщиной δ между стенками направляющей части 8 скважины и столбом 3.
Основные параметры скважины 1 характеризуются следующими соотношениями:
1
2
l=l+l, м;
1
y
0≤l≤l, м;
в
ст
1
d=d+2δ, м;
н
ст
d=d+2δ, м,
y
где l - глубина направляющей части скважины, назначаемой из условия обеспечения устойчивости столба без надземной части кондуктора, м;
1
δ - зазор между стенками направляющей части скважины и стенками столба, назначаемый из условия свободного погружения столба при конкретных его размерах, весе, особенности кранового оборудования, погодных условий во время монтажа и т.п., м;
δ - толщина слоя грунта на поверхности лидерной части скважины, прогреваемого перед погружением столба, м.
1
Обычно δ не превышает 5 см.
2
Комплекс формируется после бурения скважины. Столб 3 устанавливают и фиксируют в положении, при котором совмещены низ столба с верхом лидерной части скважины. Перед погружением столба 3 осуществляют прогрев полости 4, для чего по шлангам 14 подается пар, в результате чего в полости 4 столба и в скважине формируется высокая положительная температура, что позволяет разогреть столб и превратить твердомерзлый грунт в пределах лидерной части скважины глубиной l в пластичномерзлый грунт в поверхностном слое скважины толщиной δ. После разогрева грунта осуществляют погружение столба с помощью погружателя 5. Сопротивляемость пластичномерзлого грунта резко снижается по сравнению с твердомерзлым грунтом, и погружение столба производится быстро. При этом бурозабивной столб в своей боковой части практически полностью контактирует с грунтом в отличие от бурообсадного, который хотя и вплотную забивается в скважину, диаметр которой равен внешнему диаметру столба, но возможны при забивке отклонения оси столба от оси скважины и вследствие этого формирование пустот на контакте боковой поверхности столба с окружающим грунтом.
Необходимая длительность прогрева стенки может быть получена в результате следующих расчетов.
1
За время τ (час) в слой грунта толщиной δ (м) поступает из полости количество тепла q (ккал), которое может быть выражено следующей зависимостью:
2
С другой стороны, для того чтобы перевести твердомерзлый грунт в пластичномерзлый, необходимо затратить тепла q (ккал), выражаемого зависимостью
В формулах (1) и (2) приняты следующие обозначения, не упомянутые выше:
п
гр
t, t - температура соответственно воздуха в полости скважины и грунта в слое δ, град.;
2
F - площадь поперечного сечения расчетного слоя, через который происходит теплообмен, м;
3
Q - скрытые теплоты для перевода грунта из одного фазового состояния в другое, ккал/м;
R - термическое сопротивление прохождению тепла из полости скважины в грунт (или обратно), час·град/ккал;
2
где α - коэффициент теплоотдачи на границе полости скважины с грунтом, ккал/(м·час·град);
λ - коэффициент теплопроводности грунта, ккал/(м·час·град).
В формуле (2) пренебрегли за малостью той частью тепла, которая необходима для понижения температуры твердомерзлого грунта до температуры, когда происходит фазовый переход.
Для дальнейших расчетов можно принять в качестве константы некоторые параметры с малым диапазоном изменений:
2
α=10 ккал/(м·час·град);
λ=1,7 ккал/(м·час·град);
гр
t=0 град.
В формуле (2) цифра 2 в знаменателе означает то, что содержание скрытых теплот, которое должно отработать при переходе грунта из твердомерзлого в пластичномерзлое, равно не Q, a Q/2. При переходе в полностью талое состояние оно равно величине Q.
Из равенства левых частей формул (1) и (2) следует равенство правых частей:
откуда
Формула (5) показывает, что время прогрева пропорционально толщине δ прогреваемой прослойки грунта, величине скрытых теплот Q (зависящей, в свою очередь, от влажности грунта) и обратно пропорционально температуре t воздуха в полости скважины.
Скрытая теплота Q определяется по формуле:
,
где γ - объемный вес скелета грунта,;
w - весовая влажность грунтах в долях единицы;
;
1
P - вес воды в образце, кг/образец;
2
P - вес сухого грунта в образце, кг/образец;
1
2
Р=P+Р - общий вес образца, кг;
- количество скрытых теплот в 1 кг воды.
Следует отметить, что для эффективного погружения столба необходимо, чтобы сам столб был разогрет, иначе резко возрастают усилия для погружения, особенно это касается столбов большого диаметра (1-3 м) и глубины заложения (30 м и более). В связи с этим одновременно с прогревом полости осуществляется прогрев столба из полости, расположенной внутри него. Это может быть полость как металлической трубы, так и железобетонного столба. При этом наиболее важной областью нагрева является внешняя поверхность столба. Для предотвращения излишних потерь тепла целесообразно внешнюю поверхность, граничащую с воздухом, закрыть теплоизоляцией 16. Для этого из брезента, минваты и др. материалов может быть изготовлен съемный чехол, надеваемый на столб в момент его прогрева.
Следует отметить, что погружение столба осуществляют до достижения расчетного отказа, поэтому низ столба может быть расположен немного ниже дна скважины на величину Δl (фиг.4).
При применении данного способа возможно использование не только столбов с полостью. Столб может быть сплошным и прогреваться с помощью электропрогрева или нагреваться снаружи, при этом в полость скважины тепло может подаваться отдельно. Важно обеспечить одновременный нагрев полости скважины и столба.
На фиг.2, 3, 4 показана последовательность операций. Вначале (фиг.2) осуществляют бурение скважины глубиной l, при этом направляющая 8 и лидерная 9 части скважины имеют разный диаметр. Далее (фиг.3) столб с помощью кондуктора 7 закрепляют в исходном положении и осуществляют одновременный прогрев столба и скважины. После этого осуществляют погружение столба до расчетного отказа. Возможно частичное совмещение операций прогрева и погружения столба. Например, если столб по высоте целесообразно делить на секции и по мере погружения наращивать, то в момент наращивания погружение останавливают, а после наращивания вновь прогревают и погружают.
После погружения столба пазуху 18 (см. фиг.4) заполняют грунтовым песчано-цементным раствором.
На протяжении глубины лидерной части скважины грунт быстро смерзается со столбом, а на протяжении направляющей части скважины смерзается грунт с раствором и столбом ниже деятельного слоя грунта, а в пределах деятельного слоя периодически протаивает и замерзает.
После погружения столбов возможна (и целесообразна) подача холодного воздуха в полость столба для отведения поступившего в грунт тепла при прогреве скважины и обеспечения смерзания столба с грунтом.
Пример осуществления способа
3
3
Опытная проверка предлагаемого способа была осуществлена на одном из строящихся мостов на ж. д. линии Обская - Бованенково на п-ве Ямал. Опора моста содержала 4 столба диаметром 2,0 м и глубиной заложения 20 м. Направляющая часть скважины имела длину 6,0 м и диаметр 2,1 м, лидерная часть скважины имела длину 14,0 м и диаметр 1,80 м. Столб представлял собой металлическую трубу внешним диаметром 2,0 м. Для прогрева полостей подавался пар с температурой около 100°С. При этом средняя температура в полости обеспечивалась около 50°С. Длительность прогрева составляла 4 часа. По расчету с использованием ф. (5) длительность прогрева составляет 3,9 часа (при δ=0,1 м и ). После прогрева погружение столба было осуществлено за 40 мин, при этом для достижения расчетного отказа трубу погрузили в грунт на Δl=0,4 м ниже дна скважины. Из полости трубы было извлечено 6 м грунта и 3 м конденсата.
Эффективная область применения данного технического решения определяется следующим:
- оно позволяет более эффективно, а иногда и вообще обеспечивает саму возможность сооружения бурозабивных столбов большого диаметра (1-3 м) и большой глубины (до 30 м и более);
- позволяет частичное совмещение операции прогрева скважины и операции погружения столба (особенно когда в связи с большой длиной требуется наращивание столбов в процессе погружения).
Наиболее эффективно данное устройство может работать при погружении металлических столбов, но возможно применение и других конструкций столбов (но с наличием хотя бы небольшой полости).
Данное техническое решение разработано применительно к условиям Заполярной тундры для сооружения мостов на железной дороге Обская - Бованенково, но может быть широко использовано и для любых климатических условий в зоне распространения вечной мерзлоты и для различных сооружений гражданского и промышленного строительства.