Термосооружения

Под термосооружением понимается мостовое сооружение, которое всей своей конструкцией способствует ужесточению температурного режима вечномерзлых грунтов основания.

Принципиально важным при этом является характер снегозано- симости района строительства. В зоне с повышенным снегоперено- сом (север Западной Сибири, полуостров Ямал и др.), «обычные» малые мостовые сооружения, как это показано в предыдущем разделе, полностью заносятся снегом. Это приводит к деградации мерзлоты и часто к недопустимым деформациям сооружений. Термосооружения в этих условиях должны служить защите грунтового основания от обильных снегозаносов либо «обходить» эти препятствия. В зоне, где перенос снега отсутствует (Якутия и др.), термосооружения наиболее эффективны.

При создании термосооружений используются следующие принципы.

Принцип увеличения площади охлаждения основан на создании пространства, доступного для поступления холодного фронта и закрытого для снегозаносов.

На рис. 6.20 показаны для сопоставления схемы балочного и арочного засыпного мостов, откуда видно, что они обладают разными возможностями для термоохлаждения основания.

Рис. 6.20. Подмостовое пространство балочного (а) и арочного засыпного (б) мостов

В первом случае площадь сопряжения воздушного пространства и грунтового основания крайне мала, так как этому препятствуют конуса насыпи. Кроме этого, открытое подмостовое пространство легко может быть занесено снегом. Во втором случае площадь значительно больше.

Принцип замкнутого пространства основан на том, что воздух прогревается не только солнечными лучами — важным источником тепла для него является земная поверхность. Близкое расположение конструкции к грунтам основания, часто — в условиях аэродинамической затененности, определяет особые взаимоотношения с грунтами основания не только фундаментной части опор, но и сооружения в целом. Замкнутое пространство формируется с помощью защитного кожуха, или навеса (рис. 6.21).

Рис. 6.21. Принципиальная схема охлаждения насыпи (патент на полезную модель № 72492): 1 — насыпь; 2 — поверхность грунта; 3 — основная площадка; 4 — откос; 5 — навес; 6 — несущий элемент; 7— опорная система; 8— защитное устройство; 9— зазор; 10— опорная плита

Навес исключает снежные осадки и прогрев поверхности грунта прямой солнечной радиацией и теплыми летними осадками. Температура грунта может понижаться на 3—5 °С.

Принцип регулирования теплопоступления на контакте между искусственным сооружением и поверхностью грунта основания реализуется в результате применения теплоизоляционных покрытий. Конструктивные особенности изоляции определяются на основе многовариантных расчетов.

Термодинамическое взаимодействие арочного засыпного моста и грунтов основания (рис. 6.22) включает в себя четыре основных случая.

Рис. 6.22. Арочный засыпной мост с фундаментом лежневого типа: зона 1 — собственно мост; зона 2 — наличие теплоизоляционного покрытия; зона 3 — естественный грунт

• 1- й случай. В пределах моста и прилегающих участков насыпи имеет место охлаждающее воздействие. При этом никаких дополнительных мероприятий не требуется.
• 2- й случай. В пределах моста и прилегающих участков насыпи имеет место отепляющее воздействие. Оно возникает в результате наличия мощных незамерзающих водотоков и чрезмерных снегозаносов зимой. В зоне 1 происходит поступление тепла в грунты основания, в зоне 2 тепло, поступающее в тело насыпи из внутренней полости арки через боковые поверхности, стремится вниз к грунтам основания. Расчетное температурное поле в установившемся режиме показано на рис. 6.23. Это ведет к увеличению сезонно-талого слоя или к возникновению таликов с угрозой неравномерных просадок сооружения.

Рис. 6.23. Установившийся тепловой режим: I — насыпь; 2 — основание;

3 — арочный засыпной мост; 4 — теплоизоляция; 5 — уровень водотока

В рассматриваемом случае требуются дополнительные охлаждающие мероприятия. В частности, для регулирования температурного режима вечномерзлых грунтов под нижней поверхностью лежневой плиты укладывают слой теплоизоляции. Такой же слой устраивают сбоку от моста на дневной поверхности коренного грунта.

• 3- й случай. В пределах моста формируется отепляющее, а в пределах насыпи — охлаждающее воздействие. Под насыпью происходит сохранение или даже понижение температуры мерзлых грунтов основания. Строительство моста в этом случае осуществляется в конце теплого периода года. Вначале разрабатывают котлован и заменяют слабые грунты уплотненными дренирующими. Затем укладывают слой теплоизоляции, на котором монтируют лежневую плиту.
• 4- й случай. В пределах моста формируется охлаждающее, а в пределах насыпи — отепляющее воздействие. Этот случай предусматривает растепление грунтов под насыпью, в том числе деградацию мерзлоты в верхних слоях. Через отверстие моста холод поступает вниз в грунты основания и через боковые поверхности — в насыпь. В этом случае для обеспечения требуемых температур в грунте основания укладывают теплоизоляцию только на поверхность грунта.

В качестве теплоизоляции могут быть использованы листы экструдированного пенополистирола марки «Пеноплэкс». Толщину плиты назначают на основе математического моделирования теплового взаимодействия насыпи и моста с грунтовым основанием.

На основе анализа результатов расчетов получена формула для приближенного расчета температуры грунта на глубине 10 м от дна водотока:

где t_p, tty, °С — температура грунта на глубине 10 м от поверхности дна водотока под центром моста соответственно расчетная прогнозируемая и фоновая, т.е. до постройки моста, определяемая по данным изысканий;

d—полуширина отверстия моста в свету в уровне дна водотока, м;

t — температура грунта на глубине нулевых амплитуд, создаваемая зоной на ширине водотока при тепловой независимости от соседних зон (т.е. в одномерном случае), °С.

Возможность ужесточения температуры вечномерзлых грунтов позволяет упростить конструкции фундаментной части арочных засыпных и распорных мостов. Фундаменты их могут быть приняты в виде лежней (рис. 6.24).

Рис. 6.24. Распорные мосты на лежневых фундаментах (размер дан в миллиметрах)

Принцип самоформирования вечномерзлого основания базируется на использовании охлаждающего устройства в виде термоопор и эффекте срастания твердомерзлых линз у каждой опоры с линзами соседней опоры (рис. 6.25). Опоры при этом располагаются в зоне теплового взаимовлияния. Температура грунтового поля зависит в основном от климатических и мерзлотно-грунтовых условий и определяется расчетом. Этот принцип рационален в случае строительства мостового сооружения эстакадного типа.

Рис. 6.25. Принцип самоформирования вечномерзлого основания

Терморегулирование оснований может быть выполнено также с помощью различных комбинаций указанных принципов. Для зон с повышенным снегопереносом возможны варианты арочных засыпных мостов (рис. 6.26) и распорных мостов (рис. 6.27) с применением термоопор. Ограждение проезжей части на распорном мосту выполнено в виде полой трубы, объединенной с крайними стойками обеих опор с образованием единого внутреннего полого пространства. Ригели на устоях также могут быть выполнены из труб. Единая система сообщающихся полых пространственных элементов (ригели, барьерное ограждение и др.) усиливает эффект охлаждения грунтов основания. Это очень важно для неустойчивых геокриологических условий строительства.

Рис. 6.26. Арочный засыпной мост на термоопорах

Рис. 6.27. Распорный мост на термоопорах: 1 — пролетное строение;

• 2 — металлическая полая труба; 3 — заборная стенка; 4 — устройство для мягкого въезда; 5 — дренаж; 6 — барьерное ограждение в виде полых труб;
• 7 — ригель (размеры даны в миллиметрах)

В зависимости от деформативно-прочностных свойств ИГЛ и гидравлических характеристик водотока фундаменты распорных мостов могут быть приняты в виде лежней (см. рис. 6.24). Наличие их упрощает решение задачи по устройству дренажа за устоями.

Путем проведения специальных теплофизических расчетов можно определить оптимальную длину пролета. Она определяется условием промораживания грунта в подмостовом пространстве посредством сращивания линз мерзлого грунта, образуемых близ термоопор.

Проектирование малых мостовых сооружений, работающих в единой системе с насыпями, необходимо увязывать с возможностью их растяжки (поперек оси сооружения) и отжатием оголовков (в случае их наличия). Эти дефекты являются характерными для конструкций, эксплуатируемых в северных условиях и размещенных в обводненных насыпях.

Обследования более 3,5 тыс. труб на железных дорогах Сибири показали, что количество деформированных сооружений (каменных, бетонных и железобетонных) составляет от 13,4 до 51%. Среди них деформации растяжки и отжатие оголовков имеют от 36 до 100% сооружений. В зоне вечной мерзлоты количество дефектных труб значительно выше. По результатам других обследований 109 труб на Амурской железной дороге 69% их получили деформации растяжки.

Природа рассматриваемых дефектов изучена далеко не достаточно. Немногочисленными исследованиями установлено, что причина растяжки заключается в реологических свойствах мерзлых и оттаивающих грунтов основания насыпей. Насыпи, расползаясь при пластических деформациях, вовлекают в движение мост, трубу или опору-стенку распорного моста, растягивая их.

Интенсивность деструктивных процессов определяется многими факторами.

А.Г. Прокопович (ЦНИИС) еще в 1952 г. высказала мысль, что растяжка зависит от влажности грунта. Это подтвердили исследования, проведенные в Мостострое-2 в 1970 г. Увеличение влажности связано с увеличением объема и пучением, а также изменением физических свойств грунтов.

С учетом повышенной влажности большое влияние на величину растяжки оказывают мелкодисперсные грунты: суглинки, глины текучей и текучепластичной консистенции. При этом важно, что в процессе эксплуатации происходит загрязнение насыпи продуктами выноса из вышерасположенных слоев (пыль, продукты техногенного воздействия и др.).

Чем больший диаметр имеет труба, тем большая масса холодного воздуха (в зимний период) участвует в промораживании грунтового массива, примыкающего к трубе. В дисперсных грунтах влага, находящаяся в насыпи, подтягивается к границе промерзания. При этом зона сопряжения насыпи и трубы становится переувлажненной.

Из изложенного следует, что переувлажнение насыпи в зоне сопряжения моста и насыпи является недопустимым. Эксплуатация сооружения должна осуществляться в условиях естественной влажности грунта подходной насыпи. Это возможно с помощью прекращения стока воды с проезжей части моста и отводом лишней воды из насыпи.

Последнее достигается устройством дренажей, работающих на гравитационном принципе. Их применение при строительстве малых мостовых сооружений следует считать обязательным. Отметим, что в настоящее время дренажная система в «малом» мостостроении отсутствует, а обязательность применения ее существующими нормами не регламентируется.

В общем случае, когда балочные пролетные строения малых мостов расположены низко над землей, кривая изменения суточных температур этих конструкций находится в более тесной взаимосвязи с температурой грунта, чем пролетных строений (больших мостов), расположенных высоко над землей. Это связано с тем, что воздух прогревается не только солнечными лучами. Важным источником тепла для него является земная поверхность. Эффект взаимного влияния грунта и расположенных над ними конструкций усиливается в условиях аэродинамической затененности. Эти вопросы в мостостроении практически не изучены.