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 то, что набор несущей способности происходит в глубинных слоях. Верхние же слои, там, где, как правило, залегают незасоленные грунты, используются недостаточно.
Задачей данного технического решения является повышение возможности набора несущей способности столба в верхних слоях грунта.
п
ум
б
б
ти
ти
3
ти
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, выполнен из трубы внешним диаметром «d» с незаполнимой по всей высоте столба полостью диаметром «d», при этом до глубины «h» он расположен внутри упорного массива, состоящего по высоте из бетонного цилиндра высотой «h» и диаметром «d», слоя теплоизоляции толщиной «h» и диаметром «d» и защитного грунтового слоя толщиной «h» и диаметром «d», причем основные параметры определяют из следующих соотношений
ум
б
ти
з
h=h+h+h, м;
б
1
h=кd, м;
1
к=1-2, б/р;
;
з
h=0,2-0,4 м;
б
б
d=d+2h;
ти
б
ум
d=d+2h;
ти
бет
λ, λ - коэффициенты теплопроводности соответственно теплоизоляции и бетона, ккал/(м·ч·град).
в
Кроме того в полости трубы размещена трубчатая вставка с отверстиями внизу и вверху с площадью равной площади поперечного сечения полости трубчатой вставки, при этом ее внутренний диаметр d равен
в
п
d=0,7d.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез столба опоры моста.
нд
пд
б
б
ти
ти
з
ти
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. Основной частью столба для опоры моста на вечной мерзлоте является труба 4 с единой по всей высоте трубы полостью 5. В нижней части трубы 4 устраивают непроницаемое дно 6, которое может быть заменено бетонной пробкой. Сверху труба закрыта крышкой 7 или ригелем опоры. Труба 4 расположена внутри упорного массива 8, состоящего по высоте из бетонного цилиндра 9 высотой h и диаметром d, слоя 10 теплоизоляции толщиной h и диаметром d и защитного грунтового слоя 11 толщиной h и диаметром d.
в
в
п
п
В полости 5 трубы 4 может быть размещена трубчатая вставка 12 с верхним и нижним раструбами 13 для разделения нисходящих и восходящих потоков воздуха при конвекции в зимний период. Направление движения воздуха при этом показано стрелками 14. В оптимальном случае площадь полости трубчатой вставки 12 и кольца между трубчатой вставкой 12 и внутренней поверхностью трубы 4 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 4..
п
пр
Для обеспечения связи между трубой 4 и бетонным круговым цилиндром 9 столб содержит анкеры 15, прикрепленные к внешней боковой поверхности трубы 4 и входящие в тело бетонного цилиндра 9. Под телом бетонного цилиндра 9 и под подошвой столба целесообразно, особенно при слабых грунтах, располагать песчано-гравийную или щебеночную подушки 16 и 17 высотой соответственно h и h, равным примерно 0,2-0,5 м.
На чертеже, кроме того, позицией 18 показано положение верхней границы вечной мерзлоты в конце теплого периода года, позицией 19 - границы зоны дополнительного охлаждения грунта в результате применения предлагаемого технического решения.
Столб для опоры моста на вечной мерзлоте работает следующим образом.
б
д
Нагрузка от пролетного строения моста через ригель опоры передается на верх трубы 4. Труба 4 в пределах верхней части до верхней поверхности бетонного массива 9 должна выдерживать как вертикальную, так и горизонтальную составляющие нагрузки. При этом продольная сила и изгибающий момент воспринимаются материалом трубы 4. От уровня верхней поверхности бетонного цилиндра 9 вертикальная нагрузка Р воспринимается двумя составляющими: сопротивлением Р по смерзанию с грунтом боковой поверхности бетонного цилиндра 9 и боковой поверхности трубы 4, расположенной ниже бетонного цилиндра 9, и сопротивлением Р грунта по торцу трубы 4 и нижней поверхности бетонного цилиндра 9. Устройство упорного массива 8, включающего бетонный массив 9, существенно (в несколько раз) позволяет увеличить расчетную поверхность смерзания как по боковой поверхности, так и по торцевой. Таким образом, получается сложение эффектов поверхностного фундамента, достоинство которого характеризуется увеличенной подошвой фундамента, и глубинного в виде термоопоры, достоинство которого заключается в увеличении прочности окружающего вечномерзлого грунта путем понижения его температуры. При этом суммарный эффект выше суммы эффектов. Это достигается следующим образом.
В зимний период в полости 5 надземной части столба 4 воздух охлаждается и, как более тяжелый, поступает вниз, вытесняя оттуда теплый. Теплый снова охлаждается и поступает вниз на место отдавшего грунта «холод» предыдущей партии воздуха. Возникшая таким образом конвекция приводит к охлаждению грунта, расположенного под бетонным массивом 9. Это увеличивает прочность грунта и несущую способность в целом столба.
ум
Основные параметры предлагаемого технического решения определены, исходы из следующих соображений. Общая высота упорного массива h определяется как сумма трех составляющих:
ум=
б
ти
з
hh+h+h, м,
б
где h - высота бетонного цилиндра 9, м;
ти
h - толщина теплоизоляции, м;
з
h - толщина защитного грунтового слоя из песчано-гравийной смеси или щебня, м.
б
Ширина бетонного массива (толщина кольца) b назначается, исходя из ширины зоны остаточного (т.е. на момент окончания теплого периода года) охлаждения грунта, формируемой трубой 4. Это примерно равно 1-2 диаметрам трубы 4.
б
1
b=к·d, м,
1
где к=1-2, м.
б
б
Для недопущения в нижней поверхности массива 9 растягивающих напряжений высота h назначена примерно равной b.
ти
Основная трудность, возникающая при бетонных массивах - большая глубина протаивания, достигающая нескольких метров (в связи с отсутствием в бетоне скрытых теплот фазовых превращений влаги). Кроме того подошва бетонного массива 9 должна быть ниже нулевой изотермы на 1-2 метра. Для обеспечения малого протаивания укладываем сверху бетона слой теплоизоляции толщиной h, значение которой принимается из следующих соображений.
ти
ти
б
з
б
ти
1
Исходя из вышеуказанных рассуждений, принимаем требуемую глубину заложения подошвы массива 9-7 метров для случая только бетона. Далее часть бетона заменяем эквивалентной толщиной теплоизоляции h, а часть - эквивалентной толщиной защитной грунтовой засыпки. Тогда , откуда , где λ и λ - коэффициенты теплопроводности соответственно теплоизоляции и бетона, ккал/(м·ч·град). Коэффициент «2» появляется при «h» за счет учета скрытых теплот фазовых превращений в грунте. Например, при λ=1,8 ккал/(м·ч·град), λ (пенополистирол)=0,05 ккал/(м·ч·град), диаметре трубы 4 равном d=1 м, к=2
.
Теплоизоляция продолжается во внешнюю сторону от бетонного массива 9. Это объясняется необходимостью защитить от бокового растепления мерзлый грунт под внешней стороной массива 9.
ти
ум
ти
б
ум
Из опыта теплофизических расчетов для этого необходима примерно ширина вылета b, равная высоте упорного массива h. Диаметр массива теплоизоляции d=d+2h.
При этом термоопора (труба 4) формирует дополнительную охлаждающую зону 19, а нулевая изотерма 18 в зоне теплоизоляции поднимается кверху.
В случае применения для опоры моста двух и более столбов упорные массивы 8 соответствующим образом объединяются, образуя в плане фигуру, подобную эллипсу.
Столб для опоры моста на вечной мерзлоте сооружают следующим образом.
Вначале выкапывают котлован под упорный массив 8. Затем бурят скважину под трубу 4, укладывают щебеночный слой 17, устанавливают столб, укладывают щебеночный слой 16, бетонируют массив 9, предварительно закрепив анкеры 15, затем укладывают слои 10 и 11.
Целесообразно теплоизоляционный слой 10 укладывать после охлаждения массива 9 или даже после его замораживания, в весенний период.
Эффективность применения данного технического решения определяется следующим.
Появляется возможность набора требуемой несущей способности столба в верхних, незасоленных обычно слоях грунта. При работе столба на изгиб уровень заделки расположен на верхней поверхности бетонного массива, а не на глубине 6-8 м, что существенно повышает прочностные возможности столба, особенно в слабых грунтах.