УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ГРУНТОВЫХ ОСНОВАНИЙ Российский патент 1997 года по МПК E02D27/35 E02D3/115 

Изобретение относится к строительству, капитальному ремонту и эксплуатации мостов любых типов, виадуков, эстакад, путепроводов и может быть использовано для долгосрочного упрочения материалов опор и грунтовых оснований путем их замораживания без затрат искусственных источников энергии до температур на 5 10^oC ниже температуры подстилающей поверхности на данном участие в умеренном, субполярном и полярном климатах.

Сама идея увеличения прочности материалов и грунтов путем их замораживания не нова и была обоснована давно. Однако техническое воплощение этой идеи до сих пор оставляет желать лучшего. Причины такого положения должны быть рассмотрены подробно.

Известны жидкостные, парожидкостные и воздушные охладители природных сред и объектов [1]
Общим недостатком парожидкостных (ПДОУ) и жидкостных охладителей грунтов (ЖОУ) является локальность действия или малая экономическая эффективность из-за большой энергоемкости и материалоемкости. В зона БАМ, например, применение свай Гапеева практически не дало результатов на мостовых устоях. Кроме того, эти установки не обладают экологической чистотой, воздушные охлаждающие установки (ВОУ) экологически чисты, но в предложенных вариантах технически малоэффективны, так как в их конструктивных воплощениях используются один, два фактора, а не все механизмы, приводящие к максимальному вовлечению природных ресурсов для охлаждения грунтов. Принудительная вентиляция при помощи различных механических устройств не дает сколько-нибудь заметного эффекта по сравнению с ВОУ, что установлено экспериментально [1, с. 144] Это связано с особенностями теплообмена между атмосферой и телом с шероховатой поверхностью: при любых скоростях обтекания газом такого тела существует пограничный слой с малоподвижным воздухом, в котором градиенты температуры остаются почти постоянными [1, с. 343]
У всех охлаждающих устройств грунтов и сооружений за исключением плотин отсутствует водонепроницаемый экран, что коренным образом препятствует промерзанию грунтов и материалов при интенсивной циркуляции воды даже при значительном эффекте охлаждения, получаемом на контакте тел. Для средних и больших мостов это типичная ситуация. Это в массовом порядке обнаружено в зоне БАМ под скальными набросками, при забелении поверхности или снятии снежного покрова, например, на автодорожном мосту на трассе АЯМ через р. Сигикту или на территории пос. Дипкун, где годовой эффект охлаждения на глубине колебаний суточных температур (1,0 м) достигает минус 3,0^oC4,0^oC, а постоянные талики на участках циркуляции воды наблюдались с глубин 3,0 3,5 м.

Малая техническая эффективность и нестабильность во времени предложенных ранее технических решений кроется в неправильном методологическом подходе к проблеме теплообмена между телами и средами и формирование в них температурного поля.

Все изобретатели предшественники в данной области пытаются охладить грунты путем отнимания у них внутреннего тепла, не воздействуя на внешние по отношению к системе потоки (источники) энергии.

В нашем же техническом решении использованы представления Швецова П.Ф. о положительном теплообороте в телах [3] и Лугового П.Н. [2] об абсолютном температуроформирующем потоке энергии к подстилающей поверхности, в соответствии с которыми предусматриваются мероприятия, ведущие к уменьшению величины этого потока, а соответственно температуры и внутренней энергии опор и грунтов (см. уравнения 3.60 и 3.68 в [2]).

Основой конструктивных решений изобретения является применение непрозрачных и водонепроницаемых многослойных (не менее двух слоев) экранов с воздушной полостью под ними над конусами устоев или непосредственно над опорами или в грунтах, устраиваемых на глубину не менее мощности сезоннопротаивающего слоя или мощности активной циркуляции грунтового потока.

Широко известно, что многослойные экраны резко уменьшают поток лучистой энергии, а в природных условиях энергии солнца и излучения атмосферы. Под экраном же на границе воздушной полости и грунтов или материала опоры образуется новая, ниже дневной подстилающая поверхность. В зимний период при постоянной циркуляции в полости под экраном, расположенным под снежным покровом, воздуха с очень низкой температурой, формируемой под снежной поверхностью, грунты будут отдавать тепло (отрицательная адвекция тепла), и их температура на новой подстилающей поверхности будет стремиться уравняться с температурой наружного воздуха над снегом. Если бы летом удалось достичь абсолютной теплоизоляции воздушной полости под многослойным экраном (т.е. не допустить сюда притоков тепла из внешней среды), то температура грунтов была бы близка к среднезимней температуре снежной поверхности, т.е. намного ниже средней многолетней температуры приземного воздуха (минус 20-30^oC).

Предлагаемое техническое решение по расчету обеспечивает стабильные температуры с малой амплитудой колебаний, на 5-10^oC ниже средних годовых температур подстилающей поверхности в данной местности, что вполне достаточно для серьезного повышения прочности материала опор мостов, даже сильно разрушенного физико-химическими криогенными процессами.

Аналогом предлагаемого решения может служить устройство для охлаждения и противоэрозийной защиты от атмосферных осадков грунтового основания зданий [4] Но это положительное решение не может быть применено к промораживанию опор и оснований мостов вследствие другой конструкции и, прежде всего, отсутствии водонепроницаемого экрана под дневной поверхностью. Кроме того, в этом изобретении в качестве постоянной движущей силы для циркуляции воздуха вверх не предусмотрено использование оранжерейного эффекта атмосферы в воздуховыводящих каналах и не могла предусматриваться в качестве движущей силы принудительная вентиляция под воздействием движущегося транспорта, а внутреннее тепло на мостах отсутствует. В теле опор моста нельзя устроить также, как под зданием, вентиляционную полость с металлической воздухонаправляющей перегородкой.

Целью изобретения является упрочнение разрушенных физико-химическими процессами опор и оснований мостов путем их промораживания и длительного сохранения температурного режима в состоянии не выше -2^oC (твердомерзлые породы) без применения установок по принудительному охлаждению грунтов и материалов, производства ремонтных работ механизмами, нагнетания закрепляющих материалов и жидкостей в опоры и грунты, без использования других традиционных приемов с одновременным существенным повышением технико-экономической эффективности перевозочного процесса, в частности повышением нагрузок.

Это достигается устройством сплошного непрозрачного вертикально или субвертикально расположенного и водонепроницаемого экрана, например из стеклопластика, вокруг конусов устоев моста или непосредственно вокруг опор с заглублением его в грунты в некотором отдалении от подошвы конусов и подходной насыпи на глубину, превышающую глубину нормативного промерзания или мощность грунтового и подруслового потока с активной циркуляцией воды.

Под экраном преимущественно белого цвета должна оставаться воздушная полость мощностью 0,5 0,7 м, чем обеспечивается наиболее активный воздухообмен и постоянное разрушение пограничного слоя воздуха в полости. Экран сваривается из секций непрозрачного и водонепроницаемого стеклопластика, а на нижней и верхней частях экрана делают горизонтальные площадки с размером, несколько большим мощности воздушной полости под экраном. На площадках на каждой секции врезаются и наглухо закрепляются приточные и вытяжные стояки, в которых располагаются струйные кольцевые ветрозахваты для направлений струй воздуха вниз в приточных и вверх в вытяжных. Приточные стояки должны быть перекрыты колпаками от попадания атмосферных осадков, а вытяжные - дефлекторами. Все стояки должны быть оборудованы автоматическими поворотными устройствами, открывающими их отверстия зимой и закрывающими летом за счет действия природных ресурсов. Вытяжные стояки-каналы выше поворотных устройств должны быть сделаны из прозрачного стеклопластика и доходить до уровня перил моста для того, чтобы возникающий парниковый эффект был достаточен для постоянной тяги воздуха по воздуховыводным каналам, включающим приточные и вытяжные стояки и воздушную полость под многослойным экраном.

Непрозрачный многослойный экран предпочтительно белого цвета в атмосферной части крепится посредством каркаса из тонких стержней из стеклопластика (нержавеющей стали) и путем забивания их в отверстия в материал конусов устоев или непосредственно в опорах.

Верхняя площадка экрана обязательно должна заделываться в материал конусов опор или непосредственно в опоры, а поры и трещины должны цементироваться нагнетанием раствора.

Заглубление экрана в грунты устраивается рытьем траншей на некотором расстоянии от подошвы устоя моста или подходной насыпи в зависимости от рода грунта и возникающих углов откосов траншей в целях предотвращения обрушения насыпей и конусов устоев.

В предлагаемом техническом устройстве, в отличие от предыдущих изобретений, задействованы практически все мыслимые силы для постоянный циркуляции зимой атмосферного воздуха по воздуховыводным каналам простейшего вида. Из-за инверсии температур зимой, оседания и стока охлажденного воздуха в низины, действия дефлекторов в воздуховыводящих стояках зимой в таком устройстве будет иметь место градиент плотностей воздуха. Этот градиент вызывает появление сил плавучести в поле тяготения, которые приводят к постоянной конвекции воздуха в направлении снизу вверх и теплоотдаче внутреннего тепла грунтов и материалов в канал и выносу его в атмосферу через вытяжные стояки (отрицательная адвекция тепла). К тому же эффекту приводит нагревание воздуха в верхней части воздуховыводящего стояка при формировании парникового эффекта.

Из-за увеличения скорости ветра с высотой и при прохождении поездов благодаря действию ветрозахватов будет постоянное действовать принудительная вентиляция воздуха в направлении от приточных до вытяжных каналов.

Наконец, более холодный воздух атмосферы, вступая в полости под экраном во взаимодействие с грунтами, будет вызывать движение пара к поверхности охлаждения, а в воздушной полости к его сублимации. Это приведет к нагреванию воздуха в полости и, в конечном итоге, к появлению сил плавучести в направлении вытяжных каналов.

Таким образом, в отличие от существующих конструкций и изобретений предлагаемое решение обладает всеобщностью применения в поясах умеренного, субполярного и полярного климатов благодаря использованию приемов и устройств для одновременного задействования всех движущих сил для создания под влиянием природных факторов постоянной свободной конвекции или принудительной циркуляции воздуха зимой по воздуховодному каналу снизу вверх:
1) при океаническом режиме теплообмена главной движущей силой воздухообмена и теплообмена в плоскости под многослойным непрозрачным и теплоизолированным экраном зимой становится принудительная вентиляция воздуха через ветрозахваты;
2) при континентальном режиме теплообмена на первый план выступает движущая сила плавучести, возникающая вследствие появления в солнечную погоду парникового эффекта в верхней части вытяжных стояков днем, инверсивного распределения температур в атмосфере и стоковых ветров круглосуточно или ночью, наибольшего давления атмосферы зимой на самых низких отметках местности, действию дефлекторов.

Применение в предлагаемом устройстве тех или иных известных элементов из прежних решений не является простым повторением, а преследует главную цель, не осуществленную никем: создать зимой интенсивный постоянный поток воздуха снизу вверх (а не сверху вниз, как это предложено многими) над теплоизолированной от лучистых потоков Солнца и атмосферы поверхностью охлаждения грунтов и не допустить сюда потоков от внешней среды, в том числе из гидросферы летом, оригинальными способами, без затрат искусственных источников энергии.

На фиг. 1 изображено в разрезе вдоль дороги устройство для упрочнения грунтов оснований и опор мостов; на фиг. 2 его соотношение в плане с элементами моста и подходной насыпи; на фиг. 3 оригинальный поворотно-запорный механизм; на фиг. 4 детали напорно-вытяжного механизма циркуляции воздуха.

В качестве типового моста рассмотрим однопролетный мост (фиг. 1 и 2) (эстакаду, виадук, продуктопровод) с опорами 1, пролетным строением 2, корытом с балластом 3 на мосту, балластом 4 на основной площадке подходной насыпи 5, конусом устоя 6, водным потоком 12 под мостом, имеющим фильтрующие подрусловые отложения 13, подстилающие их нефильтрующие отложения 14 и коренные породы 15.

Устройство для упрочнения промораживанием опор моста 1, подходной насыпи 5, конусов устоев 6, грунтовых оснований 14, 15 включает в себя воздуховодную сплошную полость 7, размещенную под сплошным многослойным экраном 9, тепло- и водонепроницаемым, из непрозрачного преимущественно белого гладкого или профилированного стеклопластика или пластмассы с образованием между слоями воздушных прослоек. Экран 9 сваривается из секций различных конфигураций и образует закругленное покрытие вдоль откосов конусов и подходных насыпей (см. фиг. 2). Экран 9 опирается в надземной части на каркас из стержней 3 высотой 0,5 0,7 м, закрепленных с экраном 9 грунтами устоек 6 или непосредственно с материалом опор моста 1.

В верхней и нижней частях надземного экрана устраиваются горизонтальные площадки, на которых устанавливаются в каждой секции 1 2 воздухоприточных 10 и воздуховыводящих 11 стояков с ветрозахватами и дополнительно дефлекторами в верхних стояках.

Подземная часта водонепроницаемого экрана 9 может быть слоистой или сплошной и заглубляется в грунты, несколько отступая от нижней границы экрана в атмосфере 17 и границы подходных насыпей 20, на глубину подошвы сильно фильтрующего слоя отложений или нормативного слоя сезонного протаивания грунтов.

В нижней части прямоугольных всасывающих и вытяжных стояков 10, 11 на горизонтальных стержнях 24 закреплены крышки-клапана 25, располагающиеся зимой вертикально, что допускает постоянную циркуляцию холодного воздуха под экраном 9. Летом крышки-клапана 25 располагаются горизонтально, перекрывая сечение всасывающих и вытяжных стояков, что практически исключает циркуляцию воздуха и миграцию пара по воздухопроводящей полости под экраном, т.е. теплообмен с внешней средой стремится к нулю.

Постановка крышки-клапана в горизонтальное или вертикальное положение производится при помощи предложенного нами поворотно-запорного устройства, прикрепляемого к прямоугольным частям всасывающих и вытяжных стояков.

Экономическая эффективность предлагаемого технического решения по упрочнению грунтовых оснований зависит также и от четкой работы автоматического поворотно-запорного механизма, использующего только природные ресурсы, изображенного на фиг. 3.

Автоматическое поворотное устройство состоит из цилиндра из гидрофобного материала расчетной длины с уширением в верхней части 26, заполненного водой 27, запасы которой в теплый период пополняются из атмосферы. В цилиндрике располагается поршень 28 с небольшими отверстиями 29 сбоку для притока воды под него. Под поршнем снизу находится ограничитель в виде утолщения стенки 30, не позволяющий стягивающим пружинам 31 осаждать его ниже заданного уровня. Поршень 28 связан через шарнир с негнущимся вертикальным стержнем 32, который, в свою очередь, связан с подвижным вверх и вправо (влево) горизонтальным негнущимся стержнем 33, имеющим ограничители 34. Горизонтальный подвижный стержень 33 жестко связан со стягивающими пружинами 31, которые другим концом жестко закреплены с рамкой 36. В верхней части этой рамки имеются отверстия для свободного хода вверх вниз и вправо влево стержня 33.

Стержень 32 через шарнирное устройство связан с рычагом, жестко насаженным на болт 38, который длинным плечом также шарнирно завязан с болтом 40, встроенным наглухо в крышку-клапан 25.

Болт 40 выходит наружу из всасывающего стояка или воздухо-выводящего стояка через отверстие 41, по которому он передвигается в течение года. Все поворотное устройство крепится к вытяжным или всасывающим стоякам болтами 37.

В летний период положение всех работающих частей поворотного устройства обозначено сплошной линией, а зимний прерывистой. Оно работает следующим образом.

После замерзания воды 27 в цилиндре 26 лед расширяется и занимает больший объем благодаря отсутствию связи со стенками цилиндра. Благодаря гидрофобности материала цилиндра 26 поршень 28 перемещается в верхнее положение, а вслед за ним через систему стержня 32, рычага 39 и болта 40 крышка-клапан 25 занимает вертикальное положение, позволяя воздуху свободно поступать под экран 9. Летом лед растаивает, вследствие чего пружины 31 возвращают поршень 23 и всю систему поворотного устройства в летнее состояние, когда крышка-клапан занимает горизонтальное положение и закрывает отверстия всасывающих 10 и вытяжных 11 стояков. Испарившаяся вода, осев, снова заполняет весь цилиндр и цикл снова повторяется. Избыток воды, скопившейся выше поршня, при замерзании выталкивается из цилиндра и падает вниз.

Следует детальнее рассмотреть и напорно-вытяжной механизм циркуляции воздуха снизу-вверх на примере однопролетного моста без конуса устоя (фиг. 4).

Над нижней прямоугольной частью всасывающих стояков с помощью креплений 43 надстраивают круглые трубы 44 из белого стеклопластика (пластмассы) с прорезями для кольцевых напорных, сужающихся к внутренним стенкам, ветрозахватов 45, направляющих струи воздуха вниз.

Над трубами 44 на тонких стойках 50 подвешивают крышки для защиты от попадания атмосферных осадков 51. Та часть всасывающих стояков, на которых имеются напорные ветрозахваты 45 с трубами, направленными вниз, всегда должна находиться выше снежной поверхности.

Вертикальная часть экрана 9, слои которого разделены между собой подпорками 46, опирается на сваи 52 и крепится к телу опоры болтами-стяжками 8. Выше экрана 9 воздух циркулирует сначала в плоской прямоугольной части вытяжных стоек, где на стержнях 24 располагаются крышки-клапаны 25.

На прямоугольную часть вытяжных стоек устанавливаются круглые трубы 47 из прозрачного стеклопластика с прорезями для кольцевых ветрозахватов 48, направляющих поток воздуха вверх. Круглые трубы заканчиваются дефлекторами 49, дающими еще одну тягу для воздуха через полости под экраном.

Предлагаемые технические решения могут обеспечить устойчивую во времени эксплуатацию мостов и сооружений в умеренной и полярной климатических зонах, там, где они запроектированы по первому принципу в области вечной мерзлоты, или при их помощи можно создавать искусственную вечную мерзлоту и переводить функционирование природных и техногенных ландшафтов из режима протаивания грунтов в режим появления многолетних устойчивых вечномерзлых грунтов с примерной границей 16 на фиг. 1. В связи с наблюдающимся, например, на Забайкальской ж. д. и возможным потеплением климата вообще, изобретение может найти самое широкое применение.

Экономический эффект в этом случае будет исчисляться многими миллионами конвертируемой валюты, так как изобретение чисто экологически, сравнительно технологично для изготовления, не требует затрат искусственных источников энергии при эксплуатации, хотя действие предлагаемых устройств может измеряться десятками лет без ремонта благодаря применению стойких к разрушению материалов.

Изобретение позволяет существенно снизить эксплуатационные затраты и нарушение экологического равновесия при текущем содержании, капитальном ремонте или реконструкции мостов любых типов путем создания и длительного сохранения островов вечной мерзлоты в основаниях и опорах мостов с температурой ниже уровня средней температуры подстилающей поверхности на 5-10^oC. Основой конструктивных решений изобретения являются непрозрачные и водонепроницаемые вертикальные и субвертикальные слоистые экраны с воздушной полостью под ними на границе системы опора-воздух из стеклопластика или пластмассы, на каждой секции которых располагаются один или более воздухопоглощающих каналов на нижнем конце и один или более воздуховыводящих каналов на верхнем конце и вертикальные экраны из стеклопластика или пластмассы для защиты мостов и окружающих грунтов подходных насыпей и оснований от притока и циркуляции русловых и грунтовых вод, боковых потоков тепла. В целях максимального и непрерывного использования всех природных причин и движущих сил, вплоть до принудительной циркуляции воздуха при движении поездов, приводящих к максимальному охлаждению опор и их оснований в среднегодовом и многолетнем плане, воздухопоглощающие каналы делаются из непрозрачных, а воздуховыводящие - из прозрачных стеклопластиков. На воздухопоглощающих каналах устраняются трубчатые ветрозахваты для направления струй воздуха вниз, на воздуховыводящих для направления этих струй вверх, кроме того воздуховыводящие каналы оборудуются дефлекторами. Для исключения летней циркуляции воздуха в полости под экраном, а соответственно теплообмена конвекций и переносом пара, вертикальные воздухопоглощающие и воздуховыводящие каналы оборудуются автоматическими поворотными устройствами. Описанная конструкция позволяет осуществлять упрочнение опор и оснований путем долговременно действующих теплозащитных мероприятий на любых типах мостов без проведения капитальных ремонтов механическими, химическими и прочими традиционными методами и без использования искусственных источников энергии за счет действия природных процессов и ресурсов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для упрочнения грунтовых оснований, включающее воздуховодную сплошную камеру, размещенную в наземной части, открытую снизу и перекрытую сверху многослойным с воздушными прослойками экраном, образованным из слоев и секций непрозрачного, преимущественно белого цвета, гладкого или профилированного стеклопластика или пластмассы и прикрепленным к грунтовому основанию системой крепежных стоек, и приточные и вытяжные стояки, выполненные со струйными кольцевыми ветрозахватами для направления потоков воздуха вверх и действующими за счет природных ресурсов автоматическими поворотными механизмами для открывания и закрывания стояков соответственно зимой и летом, первые из которых расположены на пониженных участках сплошного экрана и снабжены защитными колпаками от попадания атмосферных осадков, прикрепленными к ним на стойках, а вторые размещены на другом конце сплошного экрана и снабжены дефлекторами, отличающееся тем, что сплошная камера выполнена высотой 0,5 0,7 м, а экран размещен горизонтально и вертикально или субвертикально, причем горизонтальная часть экрана размещена над грунтовым основанием, а вертикальная или субвертикальная над конусами устоев, или опорами моста, или откосами подходной насыпи и прикреплена к ним системой крепежных стоек и болтов, при этом приточные стояки установлены на нижнем конце, а вытяжные стояки на верхнем конце сплошного экрана, причем последний снабжен подземной водонепроницаемой частью, а вытяжные стояки до поворотных механизмов выполнены из непрозрачного стеклопластика или пластмассы, окрашенных в черный цвет, а выше поворотных механизмов из прозрачного стеклопластика для задействования парникового эффекта в качестве одной из движущих сил воздушного потока в солнечные дни зимой. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сплошной экран выполнен с горизонтальными участками для установки приточных и вытяжных стояков, размещенных вблизи подошвы конусов устоев или опор мостов и откосов подходных насыпей и вблизи низа пролетных строений мостов. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что верхний горизонтальный участок сплошного экрана заведен в тело конусов устоев, или опоры моста, или откоса подходной насыпи. 4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что приточный стояк размещен на нижнем горизонтальном участке сплошного экрана, а вытяжной стояк на верхнем.