ГАБИОН-ДИОД

Полезная модель относится к устройствам для охлаждения грунтов оснований инженерных сооружений в районах вечной мерзлоты.
Известен габион, состоящий из корпуса и заполнения, при этом корпус выполнен пустотелым и содержит два основания, две боковые и две торцевые стенки, причем основания и стенки выполнены из перекрещивающихся рядов проволоки, скрепленных в узлах пересечения, при этом основания имеют форму прямоугольника, а боковые и торцевые стенки являются вертикальными (Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ 59287-2020 «Изделия из панелей для габионных конструкций. Технические условия»). Корпус выполнен из панелей из плетеной одинаковой сетки высокой прочности и заполняется камнем. На наиболее ответственных сооружениях используют каменные материалы изверженных (базальт, гранит, диабаз, диорит и т.п.) и метаморфических пород. Они должны удовлетворять определенным характеристикам: средняя плотность камня, насыпная плотность каменного материала, минимальный размер камня, прочность на сжатие каменного материала, морозостойкость камня и др. Габион предназначен для защиты сооружений, стабилизации и укрепления грунтов, армирования грунтов, укрепления склонов, насыпей, откосов берегов, водоемов и проч.
Недостаток такого габиона в том, что он не может быть использован для охлаждения грунтов в основании сооружений на вечной мерзлоте, поскольку заполнитель - несортированный камень, в котором не может быть сквозных по вертикали полостей для циркуляции воздуха в зимний период.
Известен габион, состоящий из корпуса и заполнения, при этом корпус выполнен пустотелым и содержит два основания, две боковые и две торцевые стенки, причем основания и стенки выполнены из перекрещивающихся рядов проволоки, скрепленных в узлах пересечения, при этом основания имеют форму прямоугольника, а боковые и торцевые стенки являются вертикальными (Патент RU №2744541C1. Дорожная насыпь на вечной мерзлоте). Заполнитель - камни размером 10-40 см. Теплопроводность габиона в вертикальном направлении определяется кондуктивной и конвективной составляющими. В зимний период холодный воздух по порам между камнями перемещается вниз, одновременно усиливая теплообмен. В теплый период года конвекция прекращается. Технический результат состоит в обеспечении стабилизации температурного режима вечномерзлых грунтов в основании сооружения.
Недостаток такой конструкции заключается в том, что заполнитель - камни - по размеру имеют большое различие, а по форме вообще не нормируются. В связи с чем кондуктивная составляющая (передача тепла от камня к камню) летом может оказаться весьма существенной и пропускать тепло в основание сооружения, а зимой по той же причине трудно будет обеспечить заданную конвективную составляющую, т.е. будет иметь место разброс основных теплофизических характеристик.
Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение прогнозируемой величины и конвективной и кондуктивной составляющих теплопроводности, что позволит с достаточной точностью прогнозировать температурный режим грунтов оснований сооружений на вечной мерзлоте.
Поставленная цель достигается тем, что габион состоит из корпуса и заполнения, при этом корпус выполнен пустотелым и содержит два основания, две боковые и две торцевые стенки. Основания и стенки выполнены из перекрещивающихся рядов проволоки, скрепленных в узлах пересечения, при этом основания имеют форму прямоугольника, а боковые и торцевые стенки являются вертикальными. Габион ориентирован в вертикальном направлении «верх-низ», при этом заполнение выполнено из двух опорных стержней, двух ограничительных стержней, «n» групп разделительных стержней и «n» пар направляющих щитков. Опорные и ограничительные стержни расположены в продольном направлении соответственно в нижней и верхней частях полости корпуса на расстоянии «с» от его оснований и боковых стенок. Каждая группа разделительных стержней содержит четыре пары разделительных стержней, расположенных вертикально и на расстоянии «с» от боковых стенок и образующих на пересечении с опорными и ограничительными стержнями три внутренних ограничительных пространства, в двух крайних из которых в поперечном направлении габиона расположены направляющие щитки, которые ориентированы нижними частями по направлению друг к другу. Ширина щитков равна диагонали «d» внутреннего ограничительного пространства, а их длина равна расстоянию «b» между боковыми стенками корпуса. Длина опорных и ограничительных стержней равна длине «L» корпуса, а высота разделительных стержней равна его высоте, при этом
где
- расстояние в продольном направлении между соседними парами разделительных стержней и между торцевой стенкой габиона и смежной парой разделительных стержней, м;
h - высота габиона, м;
е - расстояние по вертикали между ограничительными и опорными стержнями, м;
r, m, k - поправочные коэффициенты, учитывающие местные условия.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлено продольное сечение габиона в вертикальной плоскости, сечение В-В на фиг. 2;
на фиг. 2 представлено продольное сечение габиона в горизонтальной плоскости, сечение А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 представлено поперечное сечение габиона, сечение Б-Б на фиг. 2;
на фиг. 4 представлен характер движения восходящих и нисходящих потоков воздуха в зимний период в сечении В-В на фиг. 2.
Габион состоит из корпуса 1 и заполнения. Корпус содержит верхнее 2 и нижнее 3 основания, две боковые стенки 4, две торцевые стенки 5, имеет вид прямоугольника, а боковые и торцевые стенки вертикальные. Основания и стенки выполнены из перекрещивающихся рядов проволоки 6. Габион ориентирован в направлении «верх-низ». Заполнение выполнено из двух опорных стержней 7, из двух ограничительных стержней 8, из «n» групп разделительных стержней 9 и из «n» пар направляющих щитков 10. Опорные 7 и ограничительные 8 стержни расположены в продольном направлении соответственно в нижней и верхней частях полости корпуса на расстоянии «с» от его оснований 2 и 3 и боковых стенок 4.
Каждая группа разделительных стержней 9 (на фиг. 1 и 2 габион содержит 2 группы) содержит четыре пары разделительных стержней, расположенных вертикально и на расстоянии «с» от боковых стенок, при этом в каждой группе при пересечении разделительных 9, опорных 7 и ограничительных 8 стержней образуется три внутренних ограничительных пространства 11 в виде прямоугольных параллелепипедов. В двух крайних пространствах 11 расположены направляющие щитки 10, которые ориентированы нижними сторонами по направлению друг к другу. Ширина направляющих щитков равна диагонали «d» внутреннего ограничительного пространства 11, т.е.  (см. фиг. 1 и 3), где r - поправочный коэффициент, равный 0,9÷0,95, который учитывает толщину стрежней 7, 8, 9 (все размеры даны по оси стержней, а направляющие щитки 10 расположены в полости, образованной внутренними поверхностями стержней). Наилучшее положение направляющих щитков - 45° (из опытных данных), отсюда формируется формула, характеризующая соотношение величин «a» и «h»;
где h - высота габиона, м,
m - поправочный коэффициент, учитывающий местные условия: m=1,0 при угле наклона 45°. В практике этот угол рекомендуется примерно в пределах 40-50°, что соответствует значению коэффициента "m"
где е - расстояние по вертикали между ограничительными и опорными стержнями, м.
Длина габиона определяется из условия, что на каждую группу разделительных стержней (с учетом просвета между смежными группами) приходится  (фиг. 1), плюс на весь габион еще один интервал «а», итого
Ширина габиона «b» и высота «h» назначаются в общем случае произвольно, исходя из удобства изготовления и монтажа, при этом b=f+2 с, h=е+2 с (фиг. 3),
где - расстояние по горизонтали между опорными стержнями и расстояние по горизонтали между ограничительными стержнями (фиг. 3), м.
Исходя из анализа перспектив применения габионов, их размеры наиболее целесообразно назначать следующими:
Расстояние «с» определяется прежде всего необходимостью перемещения воздуха из одного ограничительного пространства в другое (фиг. 4). Рациональным значением «с» будет 0,2h (из опытных данных). Т.е. с=0,2kh, где 0,9≤k≤,1. С другой стороны, расстояние «с» в боковом направлении (для простоты оно принимается равным первому значению, т.е. с=0,2kh) от боковой стенки до опорных 7 и ограничительных 8 стержней необходимо для осуществления монтажа щитков 10.
в
н
в
н
Габион работает следующим образом. При необходимости стабилизировать или понизить температуру грунта в основании инженерного сооружения непосредственно на грунт устанавливается покрытие из габионов. При этом верхняя поверхность покрытия граничит с наружным воздухом, а нижняя - с грунтами оснований. В зимний период температура «t» наружного воздуха ниже температуры «t» поверхностного грунта. Поскольку холодный воздух становится более тяжелым, он стремится вниз по направлению 12 (фиг. 4), вытесняя теплый воздух, который по направлению 13 поднимается вверх, далее охлаждается у верхней поверхности габиона и снова по направлению 12 опускается вниз. Таким образом, начинается конвекция воздуха, которая интенсивно переносит холод вниз - в фунты основания. В летний период t>t, и конвекция прекращается. Другими словами, образуется тепловой диод. В результате использования габионов существенно увеличиваются возможности охлаждения грунтов.
Предложенное техническое решение решает следующее техническое противоречие. В прототипе в качестве заполнения габиона применен сортированный камень, т.е. использована теория охлаждающего влияния каменной наброски, которая была разработана Г.П. Минайловым (Т.П. Минайлов. Способы понижения температуры вечномерзлых грунтов на железных и автомобильных дорогах путем применения каменной наброски. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. ОАО ЦНИИС. М. 2003). Рекомендации по применению каменной наброски даны в нормативном документе (СП 354.1325800.2017 «Фундаменты опор мостов в районах распространения многолетнемерзлых грунтов». М. Стандартинформ. 2018, Приложение Е) как теплового диода второго типа. Сочетание идеи каменной наброски и идеи габиона позволяет существенно увеличить возможности вариантов охлаждения, поскольку сортированный камень, уложенный в жесткую форму (модуль), позволяет из этих модулей создавать различные пространственные сочетания. Недостатком известного габиона (прототипа) является то, что крупный камень (размера 20-40 см) не очень хорошо может уложиться в правильный ящик с размерами от 0,5 до 1,0 м: будет выступать за пределы габарита ящика. Попытки применить более мелкий камень резко снижает охлаждающую способность. Вторым недостатком прототипа является то, что камень неоднороден, поэтому трудно прогнозировать размеры полостей и, следовательно, охлаждающий эффект. Таким образом, с одной стороны, применение габионов резко повышает охлаждающие возможности каменной наброски, а с другой - уменьшение размера камня резко снижает охлаждающий эффект. Выход из этого противоречия лежит в создании эффекта каменной наброски другими средствами: создании конвекции с помощью направляющих щитков.
Эффективность применения предлагаемого технического решения заключается в обосновании прогнозируемой величины и постоянства конвективной и кондуктивной составляющих теплопроводности, что позволит с достаточной точностью прогнозировать температурный режим грунтов оснований сооружений на вечной мерзлоте. Другими словами, один раз экспериментально оценив охлаждающие возможности габиона, можно с уверенностью закладывать в расчеты прогноза.