МОСТОВОЙ ПЕРЕХОД НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ Российский патент 1995 года по МПК E01D1/00 E01D19/02 

Изобретение относится к строительству, а именно к возведению искусственных сооружений в районах с распространением вечномерзлых грунтов.

Известен мостовой переход на вечной мерзлоте, содержащий подходную часть насыпи и мост [1] Для сохранения мерзлоты и защиты ее от деформаций у опор установлены охлаждающие установки системы С.И.Гапеева.

Недостатком этого мостового перехода является то, что при сильном снегопереносе, имеющем место на значительной части районов распространения вечномерзлых грунтов, теплообменники охлаждающих установок заносятся снегом, и установки включаются из работы, поэтому фундаменты опор приходится сооружать с учетом возможности деградации мерзлоты. При этом фундаменты опор становятся громоздкими, а их сооружение в условиях Севера становится весьма трудоемким.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является земляное сооружение на вечномерзлых грунтах, включающее размещенную на грунте основания насыпь подхода с боковыми и речными откосами, выполненную в виде двух ярусов, нижний ярус которой имеет в плане криволинейное выпуклое очертание, мост с пролетным строением и устои с фундаментами [2]
Недостатком этой конструкции является высокая трудоемкость возведения фундаментов, продолжительность их сооружения и высокая стоимость.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в мостовом переходе на вечной мерзлоте, содержащем размещенную на грунте основания насыпь подхода с боковыми и речными откосами, выполненную в виде двухъярусной охлаждающей площадки, нижний ярус которой имеет в плане криволинейное выпуклое очертание и мост с пролетным строением, устоями и фундаментами, каждый фундамент устоя выполнен в виде уложенной на нижний ярус единой поверхностной конструкции, состоящей из несущего плитного элемента и теплоизоляционного элемента, заведенной в речные откосы и уширенной в сторону русла по сравнению с расчетной на величину, равную высоте конструкции, при этом поперечный размер нижнего яруса в сечении от продольной оси моста по задней грани устоя составляет b₁ ≥ 2mh, а в продольном направлении нижний ярус вынесен от передней грани устоя в сторону русла на величину b₂ ≥ mh, причем боковые и речные откосы верхнего яруса выполнены с уклоном (1:4) (1:7), а непосредственно под пролетным строением в верхнем ярусе выполнен вырез, глубина которого равна высоте верхнего яруса, а ширина b₃ ширине пролетного строения, где h глубина, считая от уровня середины верхнего яруса, до которой требуется нахождение грунта в мерзлом состоянии; m коэффициент влияния местных условий, принимаемый без теплофизического обоснования равным единице.

Технический результат предлагаемого мостового перехода заключается в уменьшении стоимости фундаментов, снижении трудоемкости их возведения, сокращении сроков сооружения фундаментов.

На фиг.1 представлен мостовой переход предлагаемой конструкции в плане; на фиг.2 мостовой переход предлагаемой конструкции, разрез I-I на фиг.1; на фиг. 3 мостовой переход предлагаемой конструкции, разрез II-II на фиг.1; на фиг. 4 план мостового перехода, принятого за прототип; на фиг.5 поперечное сечение III-III на фиг.4; на фиг.6 распределение температуры по глубине в месте сооружения устоя на момент окончания теплого периода года в естественных условиях (т.е. до постройки моста); на фиг.7 распределение температур по глубине на момент окончания теплого периода года после постройки моста, принятого за прототип; на фиг.8 распределение температур по глубине на момент окончания теплого периода года после постройки моста предлагаемой конструкции.

Мостовой переход на вечной мерзлоте содержит подходную часть насыпи и мост. Подходная часть насыпи состоит из нижнего 1 и верхнего 2 ярусов, отсыпанных на грунтовом основании 3 (фиг.3). Нижний ярус имеет криволинейную выпуклую в плане форму. Верхний ярус содержит ее новую площадку 4, где расположен железнодорожный путь или проезд для автотранспорта, и уложенные откосы 5. Мост (фиг.2) содержит пролетное строение 6 и устои, состоящие из тела устоя 7 и фундаментной поверхностной конструкции, содержащей несущий плитный элемент 8 и теплоизоляционный элемент 9. Фундаментная поверхностная конструкция расположена на нижнем ярусе 1 подходной части насыпи, при этом уровень подошвы фундаментной поверхностной конструкции и верхний уровень нижнего яруса 1 может не совпадать точно (в зависимости от конструктивных соображений).

Расчетная площадь F опирания рассчитывается по формуле F d ˙ c, где d полная ширина плиты 8, а с длина плиты 8 за вычетом величины l (фиг.1). Вынос плиты в сторону русла на величину не менее l необходим для обеспечения требуемой температуры вечномерзлого грунта под плитой 8. Из этих же соображений плита заводится в боковые призмы 10 (фиг.3) также на величину не менее l, причем l рассчитывается в самом неблагоприятном месте в сечении I-I. Значение l рассчитывается по формуле
l≥h_п˙m, где h_п высота фундаментной поверхностной конструкции (фиг.3);
m коэффициент влияния местных условий, принимаемый без теплофизического обоснования равным единице.

Боковые и передний выносы поверхностной фундаментной конструкции на величине l необходимы для того, чтобы, исключив боковые потоки тепла, обеспечить необходимую температуру непосредственно под расчетной площадью фундамента. Размер l определяется известным принципом Сен-Венана, который применительно к теплофизике можно сформулировать так: тепловое возмущение элемента от теплового воздействия на концах приближенно кончается на расстоянии от конца, равном минимальному размеру поперечного сечения, т.е. h_п.

Высота нижнего яруса подбирается из двух условий:
1) верхний уровень площадки должен превышать максимальный уровень снежных заносов в естественных условиях. Эта величина равна (на основании анализа данных климатологических справочников) 0,8 м. Это условие требуется, чтобы обеспечить сдуваемость снега с поверхности;
2) верхний уровень площадки должен (условие желательное) возвышаться над естественной поверхностью, чтобы деятельный слой (т.е. слой сезонного протаивания грунта) находился в пределах подсыпки или с учетом изменившихся условий теплообмена на поверхности не превышал допустимой величины. Допустимая величина деятельного слоя определяется из условий недопущения деформаций верхней поверхности в результате просадок: при неравномерных просадках бермы на ее поверхности образуются неровности, в которых будет скапливаться снег, способствующий растеплению грунта. Максимальная толщина деятельного слоя для грунтовых подсыпок в рассматриваемых климатических районах составляет 4,0 м.

Таким образом, исходя из обоих условий, высота нижнего яруса колеблется в пределах 0,8 4,0 м. Проектная высота будет назначаться с учетом технологических, экономических и других требований.

Откосы нижнего яруса принимаются как для обычной насыпи, исходя из их устойчивости.

В плане нижний ярус имеет криволинейное выпуклое очертание с максимальным поперечным размером в сечении по задней грани устоя. Расстояние b₁ от продольной оси моста до бровки верхней поверхности нижнего яруса в указанном сечении определяется по формуле b₁ ≥ 2mh (1), где h глубина нулевых амплитуд, т. е. глубина, на которой в течение года температура грунта остается постоянной (не сказывается колебание температур на естественной поверхности грунта). Расстояние b₂ по продольной оси моста от плиты 8 (точка А на фиг.2) до русловой бровки верхней поверхности нижнего яруса определяется по формуле b₂ ≥ mh (2).

Для обоснования необходимого значения b1, гарантирующего необходимую температуру грунта в требуемой для фундамента зоне была проведена большая серия расчетов в одномерной, двумерной и трехмерной постановках. Было установлено, что если нужно гарантировать некоторое температурное состояние грунтов в некоторой в плане точке до глубины h, то при наиболее неблагоприятных условиях необходимо под этой точкой создать условную площадку с радиусом 2h, в пределах которой будут обеспечены граничные условия, формирующие данную температуру. За расчетные условия брались условия для Уренгоя (север Западной Сибири) с приведенной температурой воздуха 6,3^оС. При увеличении радиуса температура в указанной зоне практически не меняется, а при уменьшении начинает резко повышаться за счет влияния соседних с площадкой зон, где предполагаются неблагоприятные расчетные мерзлотные условия. При выводе указанной формулы были приняты неблагоприятные условия, поэтому в формулу (1) введен коэффициент m влияния местных условий, учитывающий принятие мер, предохраняющих массив грунта от инфильтрации дождевых вод, использования благоприятных сочетаний грунтов отсыпки и др. Значение коэффициента m без теплофизических обоснований следует принимать равным 1.

Величина b₂ получена из тех же соображений, что и величина b₁, но при этом зона локальной мерзлоты (зона 3 на фиг.8) принята равной 1/2 (исходя из инженерных соображений). При теплофизическом обосновании ее размеры могут быть откорректированы коэффициентом m.

В результате проведенных многолетних исследований можно рекомендовать формулу для определения температуры t грунта для зон, описываемых формулами (1) и (2)
t [-1,5 + (t_в + 6,3)m₁]m (3) где t_в приведенная температура воздуха для рассматриваемого региона с учетом солнечной радиации и испарения с поверхности;
m₁ коэффициент, учитывающий влияние приведенной температуры воздуха на расчетную температуру грунтов и принимаемый равным 0,75 и 1,00 соответственно для случаев t_в ≅ (-6,3)^оС и t_в > (-6,3)^оС.

Конфигурация верхнего яруса определяется следующим образом. Pазмеры основной площадки 4 определяются условиями устройства железной или автомобильной дороги. Сопряжение с нижним ярусом осуществляется устройством боковых и речных откосов, уклон которых должен быть достаточно пологим, чтобы на них в условиях сильных ветров не скапливался снег. Для обоснования крутизных откосов были проведены многолетние натурные обследования характера снегозаносов на севере Западной Сибири. Величина уклона (1:4) (1:7) принята, исходя из того, что таковой является величина естественного откоса снега у препятствий типа насыпи с высотой более 2 м, поэтому на таком откосе не будут скапливаться снежные заносы.

Непосредственно под пролетным строением в верхнем ярусе на всю его высоту делается вырез. Ширина b₃ этого выреза определяется шириной пролетного строения. На фиг. 1 показано расположение внешней поверхности 12 крайней главной балки пролетного строения, при этом полуширина выреза b₃/2 есть расстояние между продольной осью 11 моста и поверхностью 12. Фактическое положение выреза определяется возможностями конструктивно-технологических решений и должно по возможности приближаться к теоретическому.

Сущность работы конструкции сводится к следующему: конфигурация сооружения делается такой, что в условиях сильных ветров и сильного снегопереноса Заполярья поверхность в зимнее время остается оголенной от снега, что способствует сильному поступлению холода в грунты основания и, как следствие, понижению температуры грунта. Это позволяет отказаться от специальных охлаждающих установок, которые повышают эксплуатационные расходы и снижают общую надежность.

Работа конструкции осуществляется следующим образом.

Основная площадка насыпи и откосы с уклоном (1:4) (1:7) практически снегом не заносятся, поэтому обеспечивают поступление холода в грунт. Для обеспечения требуемой температуры грунта в зоне устоя необходимо обеспечение еще одного параметра минимальных размеров охлаждаемых поверхностей. Для этого предложены соответствующие значения величин b₁ и b₂.

При наличии пролетного строения воздушный поток, ударяясь в него, образует завихрения и отложения снега на речном откосе. Сочетание полого речного откоса с вырезом под пролетным строением создает хорошую продуваемость и оголенность поверхности от снега как на речных откосах, так и под пролетным строением. Этот характер снегозаносов был выявлен как в результате экспериментов, так и натурных обследований.

Оголенность поверхности от снега непосредственно под пролетным строением существеннее сказывается на охлаждение грунтов оснований, чем на откосах, поскольку в указанной зоне имеет место затененность от солнца, и, следовательно, меньшее поступление тепла в весеннее и летнее время. Это создает в зоне непосредственно фундамента дополнительные благоприятные условия охлаждения.

Наконец, повышенная теплоизоляция в поверхностной фундаментной конструкции способствует резкому снижению глубины сезонного протаивания и обеспечению низкой температуры грунта непосредственно в верхних слоях грунта, под плитой.

Применение известных технических решений или их сочетаний не приводило к желаемому эффекту. Возникали противоречия, преодолеть которые удалось путем предлагаемого технического решения.

В техническом решении, принятом за прототип, уширенная площадка создает устойчивую мерзлоту на глубине, позволяя успешно применять столбчатые фундаменты по принципу l, использования грунтов оснований, т.е. с учетом сохранения мерзлоты. Однако при наличии засоленных грунтов подобное техническое решение может не обеспечить требуемой прочности грунтов. В этом случае верхние слои грунта толщиной 5-10 м находятся обычно в пресном состоянии, однако именно в этих слоях мерзлота, создаваемая с помощью известного технического решения, является неустойчивой. В верхних слоях может быть создана локальная мерзлота различными охлаждающими системами, но надежность ее сохранения низка в связи с малым ее объемом: при малейших неисправностях охлаждающих систем мерзлое локальное ядро будет быстро деградировать.

Таким образом, с одной стороны, создание мерзлоты на глубине может не привести к достаточной прочности грунтов, с другой стороны, создание поверхностной мерзлоты не всегда может быть обеспечено с точки зрения ее надежности.

Предложенное техническое решение, обеспечивает сочетание глубинной и поверхностной мерзлоты.

Рассмотрим это подробнее.

На фиг. 4 и 5 представлено известное техническое решение, принятое за прототип. Оно так же, как и предложенное, содержит подходную часть насыпи, выполненную из нижнего яруса 1 и верхнего яруса 2 и отсыпанную на основании 3. Позицией 14 обозначена конфигурация откосов верхнего яруса. В результате в грунтах оснований формируется зона твердомерзлого грунта, низ которой расположен на глубине h от среднего уровня верхнего яруса. Для обеспечения такой зоны необходима отсыпка нижнего яруса радиусов R 2m ˙ h. Непосредственно под центром фундамента до строительства моста распределение температур в грунте по глубине показано на фиг.6 (на момент окончания теплого периода года): в верхней зоне, считая от естественной поверхности грунта 17 грунт протаивает, а далее вниз имеет место описываемое кривой 18 распределение температур, которую назовем фоновой (t_ф). Отсыпка площадки по техническому решению, представленному на фиг.4 и 5, приводит к формированию зоны 2 мерзлого грунта (фиг.7) по кривой 19, в пределах которой расположен столбчатый фундамент 20. Однако непосредственно под подошвой расположен талый грунт.

Применение предложенного решения позволяет дополнительно создать зону 3 с распределением температур по кривой 21 (фиг.8). Это позволяет перейти к поверхностным фундаментам.

Создать сочетание зон 2 и 3 можно было бы обычными приемами: рассчитать необходимое количество, например, термосифонов. Однако, как указывалось выше, надежность такого решения значительно ниже. Создание предлагаемого технического решения оказалось возможным благодаря проведению многолетних теоретических исследований и натурных обследований формирования снегозаносов в условиях Заполярья.

П р и м е р конкретного выполнения. Необходимо запроектировать мост с пролетным строением длиной 88 м, которое обеспечивает необходимое отверстие с точки зрения пропуска высоких вод. Грунты оснований вечномерзлые, высокольдистые, при оттаивании сильнопросадочные. В связи с засоленностью температура перехода грунтов в твердомерзлое состояние равна минус 2^оС. Возможно сооружение опор с использованием грунтов по принципу П, т.е. с учетом деградации мерзлоты. Но хорошие (непросадочные) грунты, на которые можно опереться, залегают на глубине 30 м. При этом опоры получаются громоздкие, для обеспечения несущей способности столбы опор требуют в нижней части уширений. Сооружение таких опор чрезвычайно трудно технологически в тех условиях, кроме того, требуется большое время и значительной является стоимость.

Принципиально возможно использование грунтов по принципу 1, т.е. с учетом сохранения мерзлоты. В этом случае глубина столбов, причем без уширения, может быть всего 15 м, что существенно ускоряет и удешевляет строительство. Проведенные, однако, теплофизические расчеты показали, что при обычной конструкции подходной части насыпи мерзлота в основании опор будет деградировать, поскольку снегозаносы в зимнее время не позволяют в достаточном количестве поступать холоду в грунты основания, в то время как тепло будет поступать в летнее время в большом количестве (отсутствует растительный покров в пределах насыпи в рассматриваемом регионе в течение многих лет).

Техническое решение, принятое за прототип, не может обеспечить твердомерзлого состояния грунтов, поскольку мост расположен в регионе со среднегодовой температурой воздуха -6,3^оС. По формуле (3) температура грунта будет равна
t [-1,5 + (t_в + 6,3)] -1,5^оС А поскольку грунт засоленный, твердомерзлое состояние наступает при его температуре -2,0^о. Возможна установка охлаждающих установок термосифонов. Но как это уже указывалось выше, при этом увеличиваются эксплуатационные расходы и снижается надежность сооружения.

Предлагаемое техническое решение позволяет успешно решить стоящую задачу. Учитывая то, что в верхних слоях (8 м) расположен пресный слой грунта, в этой зоне создает твердомерзлое состояние грунта (зона 3 на фиг.8), а до глубины 15 м (в данном случае это глубина нулевых амплитуд) нормируется зона 2 (фиг.7 и 8). При этом нижний ярус отсыпается на высоту 1 м с величиной b₁ 2˙15=30 м. Вынос нижнего яруса вперед (в сторону русла), считая от переднего края плиты 8 b₂ 15 м. Плита 8 имеет высоту 1,5 м, теплоизоляционный слой пенопласта 9 имеет высоту 30 см. Подача давления от тела устоя 7 на плиту 8 осуществляется через специально сделанные ребра (фиг.3), при этом между ребрами обеспечивается несжимаемость пенопласта с целью сохранения его теплоизоляционных свойств. Следует отметить, что теплоизоляционный элемент 9 может быть выполнен по-другому: располагаться внутри плиты 8, иметь другую физическую природу (например, могут быть устроены воздушные полости внутри плиты 8), могут быть элементы 8 и 9 вообще совмещены физически, например, выполнены в виде общей плиты из малотеплопроводного материала (например, керамзитобетона). Но в любом случае элементы 8 и 9 представляют единую фундаментную поверхностную конструкцию, играющую одновременно роль опорной и теплоизоляционной конструкций.

Верхний ярус имеет выcоту 5 м, откосы выполнены с уклоном 1:5, при этом подошва откосов совпадает с бровкой нижнего яруса. Однако она может полностью или на части длины не совпадать, тогда будет оставаться на верхней поверхности нижнего яруса горизонтальный участок.

Непосредственно под пролетным строением в верхнем ярусе сделан вырез. Теоретическая его ширина b₃ равна ширине пролетного строения. Однако в данном случае с учетом конструктивного исполнения откосов сопряжения нижнего и верхнего ярусов ширина на уровне середины тела устоя равна b₃, а по передней бровке значительно ниже. Гораздо эффективнее может оказаться устройство боковой стенки перемычки вдоль боковой грани устоя. В этом случае возможные местные снегоотложения могут быть уменьшены. Фундаментная поверхностная конструкция 8, 9 заведена в тело верхнего яруса на величину l 1,8 м, на эту же величину она увеличена по сравнению с расчетной величиной "с", подобранной из условий несущей способности (фиг.1,2,3).

Боковые и передний выносы l фундаментной поверхностной конструкции требуются из теплофизических (а не прочностных) соображений, поэтому конструктивно могут не являться непосредственным продолжением плиты, а выполнены даже отдельно от плиты, но из эквивалентных по теплоизоляционным свойствам элементов.

Эффективность использования предлагаемого технического решения заключается в уменьшении стоимости фундаментов и снижении трудоемкости их возведения, что позволяет резко сократить сроки сооружения фундаментов.

Область применимости технических решений рассмотренного типа характеризуется регионами с сильным снегопереносом и низкими отрицательными снегогодовыми температурами воздуха (-6^оС и ниже). Однако не исключено применение и в других регионах.

Изобретение относится к строительству, а именно к возведению искусственных сооружений на вечной мерзлоте. Технический результат предлагаемого мостового перехода заключается в уменьшении стоимости фундаментов, снижении трудоемкости их возведения, сокращении сроков сооружения. Мостовой переход на вечной мерзлоте содержит размещенную на грунте основания 3 насыпь подхода с боковыми и речными откосами. Подходная часть насыпи состоит из нижнего 1 и верхнего 2 ярусов. Нижний ярус имеет криволинейную выпуклую в плане форму. Верхний ярус содержит основную площадку 4 и уложенные откосы 5. Мост включает пролетное строение и устои, состоящие из тела 7 устоя и фундамента. Фундамент устоя выполнен в виде уложенной на нижний ярус единой поверхостной конструкции, состоящей из несущего плитного элемента 8 и теплоизоляционного элемента 9. Поверхностная конструкция заведена в речные 10 откосы и уширена в сторону русла по сравнению с расчетной на величину l, равную высоте конструкции. Поперечный размер нижнего яруса в сечении от продольной оси моста по задней грани устоя составляет b₁≥ 2mh, а в продольном направлении нижний ярус вынесен от передней грани устоя в сторону русла на величину b₂≥ mh, причем боковые и речные откосы верхнего яруса выполнены с уклоном (1 4) (1 7). В верхнем ярусе, непосредственно под пролетным строением выполнен вырез, глубина которого равна высоте верхнего яруса, а ширина b₃ ширине пролетного строения. 8 ил.

МОСТОВОЙ ПЕРЕХОД НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ, включающий размещенную на грунте основания насыпь подхода с боковыми и речными откосами, выполненную в виде двухъярусной охлаждающей площадки, нижний ярус которой имеет в плане криволинейное выпуклое очертание, и мост с пролетным строением и устоями с фундаментами, отличающийся тем, что фундамент каждого устоя выполнен в виде уложенной на нижний ярус единой поверхностной конструкции, состоящей из несущего плитного и теплоизоляционного элементов, при этом поверхностная конструкция заведена в речные откосы и имеет в сторону русла уширение, превышающее расчетное его значение на величины l, равную высоте поверхностной конструкции, причем поперечный размер b₁ нижнего яруса в сечении от продольной оси по задней грани устоя составляет b₁ ≥ 2mh, а в продольном направлении нижний ярус вынесен от передней грани устоя в сторону русла на величину b₂ ≥ mh, где h глубина, на которой в течение года температура грунта остается постоянной; m коэффициент влияния местных условий, при этом боковые и речные откосы верхнего яруса выполнены с уклоном (1 4) ^oC (1 7), а непосредственно под пролетным строением в верхнем ярусе выполнен вырез, глубина которого равна высоте верхнего яруса, а ширина b₃ ширине пролетного строения.