ПОДПОРНАЯ СТЕНКА НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛОМ ГРУНТЕ (ВАРИАНТЫ)
RETAINING WALL ON PERMAFROST SOIL (VERSIONS)

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к подпорным стенкам на многолетнемерзлом грунте, и может быть использовано при строительстве подпорных стенок морских и речных причалов в районах Крайнего Севера.
Известна шпунтовая подпорная стенка из трубчатых шпунтовых свай, так называемого трубошпунта, включающая стальные трубчатые сваи, соединенные между собой с помощью шпунтовых замков, приваренных на наружных поверхностях труб (RU №106264, 2011 г.) [1].
Указанная известная подпорная стенка характеризуется высокой несущей способностью, благодаря которой она может быть использована при строительстве высоконагруженных портовых сооружений. Технология возведения таких подпорных стенок хорошо отработана. Однако в условиях вечной мерзлоты забитые в мерзлый грунт стальные трубчатые сваи могут в теплое время года повышать температуру грунта в среднем примерно на 0,1 градуса в год, что может привести со временем к оттаиванию мерзлого грунта, и как следствие, деформациям и потере несущей способности подпорной стенки.
Поэтому при возведении гидротехнических сооружений на «вечной мерзлоте» принимают меры для предохранения грунтового основания от оттаивания с помощью различного вида охлаждающих устройств, позволяющих продлить мерзлое состояние грунта в летний период преимущественно с помощью сезонно-охлаждающих устройств.
Эффективным способом поддержания или усиления мерзлого состояния грунта в основаниях сооружений является использование низких температур наружного воздуха с помощью термостабилизаторов, называемых также термосваи или сезонно-охлаждающие устройства.
Конструкция термостабилизаторов грунта представляет собой гравитационно-ориентированную тепловую трубу, в которой осуществляется испарительно-конденсационный процесс передачи тепла с помощью паров легкокипящего хладагента, например хладон, пропан, аммиак и т.д., так называемые жидкостные СОУ (см., например, www newfrost. ru [2]). В указанных устройствах жидкий хладагент, находящийся в нижней части термосваи, контактирующей с мерзлым грунтом, имеющим температуру не ниже минус 6 градусов, испаряется, его пары поднимаются вверх и снова конденсируются под воздействием значительно более низких зимних температур атмосферного воздуха. Процесс передачи тепла автоматически прекращается, когда температура наружного воздуха становится одинаковой с температурой мерзлого грунта. Известны также сезонно-охлаждающие устройства парожидкостного и воздушного типов (см., например, книгу Гуревич В.Б. и др. Портовые гидротехнические сооружения. М., Транспорт, 1992 г., стр.243, 246 [3]).
Известна подпорная стенка причальной набережной на многолетнемерзлом грунте, содержащая шпунтовые сваи Ларсен 5 и сезонно-охлаждающие устройства жидкостного типа (термосваи), установленные перед шпунтовыми сваями со стороны акватории в предварительно пробуренные для них скважины. Нижний конец каждой термосваи с нижним теплообменником заглублен в вечномерзлый грунт, а верхний расположен выше уровня воды в акватории и защищен от повреждений металлическим отбойным устройством (см. [3], стр.249-250, рис.165). Указанная известная подпорная стенка достаточно трудоемка в строительстве, поскольку после забивки шпунта стенки необходимо произвести бурение скважин для размещения сезонно-охлаждающих устройств, а также установить отбойные устройства для их защиты от воздействия причаливающих судов. Кроме того, применяемые в этой конструкции жидкостные сезонно-охлаждающие устройства недостаточно экологичны, т.к. в случае разгерметизации и утечки хладоносителя, в качестве которого применяются незамерзающие или легкокипящие агрессивные жидкости, может быть нанесен вред окружающей среде.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание подпорной стенки, которая обладала бы высокой несущей способностью, надежностью и долговечностью при работе на многолетнемерзлом грунте.
Технический результат - сокращение по сравнению с прототипом трудоемкости возведения подпорной стенки с обеспечением надежной защиты применяемых сезонно-охлаждающих устройств от механических воздействий и разрушения, а также удобство обслуживания подпорной стенки и исключение загрязнения окружающей среды.
Поставленная задача решена в предлагаемом изобретении за счет того, что в подпорной стенке для причальных набережных на многолетнемерзлых грунтах, включающей стенку из шпунтовых свай и сезонно-охлаждающие устройства, погруженные нижним концом в замороженный грунт, согласно предлагаемому изобретению шпунтовые сваи выполнены трубчатыми, а сезонно-охлаждающие устройства установлены вертикально во внутренних полостях по меньшей мере части указанных трубчатых шпунтовых свай с обеспечением контакта их верхних концов с наружным атмосферным воздухом.
Сезонно-охлаждающие устройства в предлагаемой подпорной стенке могут быть любого известного из уровня техники типа, например жидкостного, установлены с обеспечением контакта их верхней части с атмосферным воздухом, при этом нижний конец каждого из них погружен в мерзлый грунт,
Поставленная задача решена также за счет того, что в подпорной стенке, преимущественно для причальных сооружений на многолетнемерзлых грунтах, включающей шпунтовые сваи и сезонно-охлаждающие устройства, согласно изобретению шпунтовые сваи выполнены трубчатыми, а сезонно-охлаждающие устройства размещены во внутренних полостях по меньшей мере части трубчатых шпунтовых свай, при этом каждое из упомянутых сезонно-охлаждающих устройств выполнено в виде воздушно-циркуляционной трубы, установленной вертикально с зазором относительно стенок трубчатой шпунтовой сваи и сообщающейся в верхней части с атмосферой с помощью перекрываемого отверстия, а ее нижний конец приближен к мерзлому грунту.
В предлагаемой подпорной стенке упомянутая воздушно-циркуляционная труба может быть установлена соосно или со смещением относительно оси трубчатой шпунтовой сваи в сторону грунтовой засыпки причального сооружения и зафиксирована с помощью фиксаторов, закрепленных на ее наружной поверхности по меньшей мере на концевых участках.
Фиксаторы воздушно-циркуляционной трубы могут быть выполнены в виде ребер или эксцентричных втулок, т.е. втулок с эксцентричными отверстиями.
Нижний конец воздушно-циркуляционной трубы может быть выполнен закрытым, т.е. может быть заглушен.
Кольцевое пространство между стенками воздушно-циркуляционной трубы и трубчатой шпунтовой сваи, по меньшей мере частично, может быть заполнено утеплителем.
В верхней части подпорной стенки на участке соприкосновения с водой в качестве утеплителя в указанном кольцевом пространстве может быть использован бетон, преимущественно легкий бетон.
В предлагаемой подпорной стенке для сообщения с атмосферой каждая воздушно-циркуляционная труба может быть соединена с помощью патрубка с коммуникационным каналом сооружения, снабженным приспособлением, открывающим или перекрывающим доступ атмосферного воздуха.
Воздушно-циркуляционная труба, а также фиксаторы и патрубок могут быть выполнены из полиэтилена высокой прочности.
Выполнение шпунтовых свай в подпорной стенке согласно изобретению трубчатыми, т.е. выполненными из труб преимущественно большого диаметра, соединенных между собой с помощью шпунтовых замков, так называемого трубошпунта, значительно увеличивает несущую способность предлагаемой подпорной стенки. Это открывает возможность строительства надежных высоконагруженных портовых сооружений в устьях сибирских рек в зоне вечной мерзлоты.
При этом благодаря размещению сезонно-охлаждающих устройств (СОУ) во внутренних полостях несущих шпунтовых трубчатых свай исключаются работы по бурению для них скважин и установке на них защитных кожухов, т.к. в предлагаемой подпорной стенке СОУ защищено корпусом самой трубчатой шпунтовой сваи. Таким образом, трудоемкость возведения предлагаемой подпорной стенки существенно сокращается, конструкция упрощается, надежность увеличивается.
Количество шпунтовых трубчатых свай, снабженных СОУ, для каждой подпорной стенки определяется расчетом, исходя из температурно-климатических условий. СОУ могут быть установлены при необходимости в каждой свае или через одну сваю, или через несколько свай.
В варианте осуществления предлагаемого изобретения, в котором сезонно-охлаждающие устройства в подпорной стенке выполнены в виде воздушно-циркуляционной трубы, сообщенной с атмосферой, в зимний период, когда температура воздуха продолжительное время достигает минус 40 градусов Цельсия, происходит естественная вентиляция грунта, который дополнительно охлаждается поступающим через открытый канал морозным воздухом. Летом, при температурах, превышающих температуру мерзлого грунта, сообщение с атмосферой прекращают, например, установив заглушку или перекрыв кран, которыми может быть оснащен патрубок воздушно-циркуляционной трубы или общий коммуникационный канал причального сооружения, сообщающие внутреннюю полость воздушно-циркуляционной трубы с атмосферным воздухом. Это продлевает мерзлое состояние грунта, который не успевает оттаять за короткий летний период.
Преимуществом предлагаемой подпорной стенки из трубошпунта со встроенными сезонно-охлаждающими устройствами воздушного типа является также то, что полностью исключено загрязнение окружающей среды как при возведении стенки, так и при ее работе в течение всего срока службы причального сооружения. Предлагаемая подпорная стенка с сезонно-охлаждающим устройством воздушного типа требует минимального обслуживания, заключающегося лишь в открывании перекрывающих приспособлений для сообщения воздушно-циркуляционной трубы с атмосферой в зимний период и консервировании сезонно-охлаждающего устройства на летний период путем закрытия этих приспособлений.
В случае смещения воздушно-циркуляционной трубы в сторону грунтовой засыпки область дополнительного промораживания грунта также смещается в сторону засыпки, т.к. смещение уменьшает слой теплоизоляции. Такое решение применяют, чтобы исключить намораживание льда вокруг сваи со стороны акватории, что может мешать швартовке судов к подпорной стенке причального сооружения.
Заполнение кольцевого зазора между стенками трубчатой шпунтовой сваи и воздушно-циркуляционной трубы слоем утеплителя, т.е. теплоизоляции, повышает эффективность работы сезонно-охлаждающего устройства, а заполнение верхней части кольцевого зазора в зоне швартовки судов легким бетоном выполняется для повышения прочности трубчатых шпунтовых свай при взаимодействии с судами. Легкий бетон в этом случае служит также в качестве теплоизоляции.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
- на фиг.1 - подпорная стенка согласно первому варианту осуществления предлагаемого изобретения, разрез по шпунтовой трубчатой сваи с размещенным в ней сезонно-охлаждающим устройством жидкостного типа;
- на фиг.2 - подпорная стенка согласно второму варианту осуществления предлагаемого изобретения, разрез по шпунтовой трубчатой свае с размещенным в ней сезонно-охлаждающим устройством воздушного типа;
- на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2;
- на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.2.
Подпорная стенка согласно предлагаемому изобретению включает совокупность несущих шпунтовых трубчатых свай 1 и совокупность несущих шпунтовых трубчатых свай 2 преимущественно одинакового диаметра. Каждая свая 2, в отличие от сваи 1, снабжена размещенным во внутренней полости ее корпуса 3 сезонным охлаждающим устройством любого известного из уровня техники типа: жидкостного, парожидкостного или воздушного. На фиг.1 изображен вариант осуществления предлагаемого изобретения со встроенным сезонно-охлаждающим устройством 4 жидкостного типа. Каждая из свай 1 и 2 выполнена из трубы большого диаметра с закрепленными на наружной поверхности ее корпуса 3 шпунтовыми замками 5, посредством которых сваи соединены между собой. Сваи 1 и 2 погружены в многолетнемерзлый грунт на проектную глубину и объединены монолитным железобетонным оголовком 6.
Сезонно-охлаждающее устройство 4 жидкостного типа погружено нижним концом в замороженный грунт во внутренней полости корпуса 3, а его верхний конец расположен выше уровня воды в акватории и контактирует с атмосферным воздухом. Для обеспечения доступа атмосферного воздуха в корпусе 3 сваи 2 выполнено по меньшей мере одно отверстие 7.
Сезонно-охлаждающие устройства описанного выше типа герметичны, они производятся различными производителями и поставляются полностью готовыми к установке на объекте. Размещение их внутри корпусов свай обеспечивает им защиту от механических повреждений и нарушения герметичности.
На фиг.2 изображено сезонно-охлаждающее устройство 8 воздушного типа согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, выполненное в виде воздушно-циркуляционной трубы 9, установленной с зазором относительно стенок корпуса 3 сваи 2. В верхней части каждой трубы 9 для сообщения с атмосферой, вварен патрубок 10, соединяющий внутреннюю полость трубы 9 с вентиляционным каналом 11, в качестве которого может служить сборно-монолитный железобетонный канал для коммуникаций гидротехнического сооружения. По краям сооружения на концах канала 11 предусмотрены перекрывающие устройства (не показаны).
Воздушно-циркуляционная труба 9 зафиксирована в полости корпуса 3 сваи 2 с помощью фиксаторов 12, в данном случае выполненных в виде продольно расположенных ребер, закрепленных на наружной поверхности воздушно-циркуляционной трубы 9, по меньшей мере, в ее верхней и нижней частях. Воздушно-циркуляционная труба 9 монтируется предварительно на стационарных стендах или в заводских условиях и доставляется на стройку в собранном виде.
В варианте осуществления предлагаемого изобретения, изображенном на фиг.2, воздушно-циркуляционная труба 9 установлена со смещением относительно оси корпуса 3 сваи 2 в сторону грунтовой засыпки сооружения за счет того, что фиксаторы 12 в виде ребер выполнены постепенно уменьшающимися по высоте в направлении засыпки. В случае выполнения фиксаторов в виде втулок (не показано) смещение обеспечивается за счет эксцентричного выполнения отверстий, через которые проходит воздушно-циркуляционная труба 9. На фиг.2 пунктиром показана граница замороженного грунта в случае эксцентричной установки воздушно-вентиляционной трубы 9.
Нижний конец трубы 9 выполнен в данном варианте осуществления закрытым, т.е. заглушенным, чтобы исключить его заполнение грунтом при погружении сваи 2.
Кольцевое пространство между воздушно-циркуляционной трубой 9 и корпусом 3 сваи 2 заполнено утеплителем 13 из пенопласта, пенополистирола или тому подобного материала (фиг.3), а в верхней части подпорной стенки в зоне швартовки судов утеплитель частично, со стороны акватории, заменен легким бетоном 14 (фиг.4).
В холодное время года при минусовых температурах перекрывающие приспособления канала 11 открывают, морозный воздух поступает через канал 11 и патрубок 10 во внутреннюю полость воздушно-циркуляционной трубы 9 и, будучи более тяжелым, опускается вниз, к мерзлому грунту, поддерживая его замороженное состояние. Когда температура атмосферного воздуха становится равной или превышает температуру многолетнемерзлого грунта, перекрывающие приспособления канала 11 закрывают.
В подпорной стенке согласно второму варианту осуществления предлагаемого изобретения для сохранения грунта в замороженном состоянии по сути применен принцип, известный в гидротехнике как принцип «проветриваемого подполья», без использования каких-либо специальных замораживающих устройств, только за счет глубокой естественной вентиляции грунта морозным воздухом в холодное время года. Это позволило создать экономичную, экологически безопасную подпорную стенку, требующую минимального обслуживания.