2.4. Обеспечение температурного режима вечномерзлых грунтов оснований опор мостов

При проектировании малых и средних балочных мостов и использовании вечномерзлых грунтов в качестве оснований по принципу I рекомендуют предусматривать различные способы охлаждения грунтов в течение эксплуатации.

Охлаждение можно осуществить простейшим приемом – систематической расчисткой снега до начала строительства, что может привести к понижению среднегодовой температуры грунта от –0,8 до –3 °с. дополнительный эффект дает термоизоляция поверхности грунта (мох, опилки, шлак) в летнее время. Однако эффект охлаждения с поверхности достигается лишь через 1–З года. Чаще всего охлаждение требуется осуществлять в процессе строительства [18].

Наряду с побудительной подачей холодного воздуха применяются установки с естественной циркуляцией.

Наиболее эффективными по своей хладопроизводительности и простоте эксплуатации, а также экономичности являются саморегулирующиеся сезоннодействующие охлаждающие установки (термосваи) с замкнутой конвекцией хладагента – жидкостного (керосина) или парожидкостного (амиак, пропан, фреон) типа. Конвекция обуслов­ливается разностью плотностей хладагента в «холодной» надземной и «теплой» подземной частях. Устройства обладают более совершенными теплопередающими свойствами чем, воздушные, так как объемная теплоемкость жидкости в сотни раз превышает теплоемкость воздуха (например, для керосина 2,1 кДж/кг °С), а термическое сопротивление на границе жидкость–стенка устройства согласно теоретическим и экспериментальным данным пренебрежительно мало. При этом саморегулирующиеся установки не требуют энергетических затрат и постоянно обслуживающего персонала, являясь в то же время простыми и дешевыми в изготовлении [18].

К охлаждающим устройствам относят трубчатые охлаждающие установки автоматического действия – термоопоры ЦНИИС, каменные наброски конусов подходных насыпей, а также специальные конструктивные мероприятия опор безростверкового типа на буроопускных столбах или оболочках.

Находят применение охлаждающие установки, которые заполняют теплоносителем – керосином, системы Гапеева или коаксиальные системы Макарова [18] (рис. 2.9).

Охлаждающие установки диаметром труб 100–190 мм заглубляют в грунт на величину 5 м. При этом, как правило, площадь поверхности их надземной части (от поверхности снежного покрова) составляет около 50 % площади подземной части, а объем теплоносителя – 60 %. Охлаждающие установки располагают группами в зоне опор с шагом не более 3 м в количестве от 6 до 10 у береговых опор и не менее 4 у промежуточных опор. Для столбчатых опор рекомендуют применять по одной установке на каждый столб.

Термоопоры ЦНИИС представляют собой безростверковые конструкции с пустотелыми стойками (оболочками), в нижней части которых устроена бетонная пробка для передачи нагрузок на основание и предотвращения попадания воды. охлаждающий эффект достигается за счет естественной конвенции воздуха внутри полости в зимний период (рис. 2.10).

Рис. 2.9. Трубчатые охлаждающие установки автоматического действия: а – керосиновые системы Гапеева; б – коаксиальные системы Макарова; УВМГ – уровень вечномерзлого грунта; d – диаметр трубы

Рис. 2.10. Термоопоры ЦНИИС: а – береговая опора; б – промежуточная опора; УВМГ – уровень вечномерзлого грунта; УС – уровень снега; 1 – монолитная насадка; 2 – пустотелая железобетонная оболочка; 3 – ограждающая стенка; 4 – диафрагма из дерева или пенопласта

Как правило, их применяют для малых и средних мостов в районах со среднегодовой температурой наружного воздуха минус 6 ^оС и ниже и при начальных температурах вечномерзлых грунтов минус 1,5 ^оС и ниже. Чаще всего термоопоры применяют из сборных железобетонных оболочек диаметром 1,6 м с толщиной стенки 20–25 см из бетона с маркой по водонепроницаемости W8 [18, 26]. После установки оболочек зазор между их боковыми поверхностями и скважины заделывают цементно-песчаным раствором или сухим песком ниже глубины сезонного оттаивания, а в зоне деятельного слоя – местным грунтом.

Принцип работы саморегулирующихся сезоннодействующих установок заключается в следующем. Они представляют собой устройство, состоящее из надземной (конденсатор) и подземной (испаритель) частей, по которым циркулирует хладагент. Находясь в конденсаторе, хладагент охлаждается и опускается вниз в испаритель, где отдает холод окружающему грунту, нагревается и поднимается вверх, вытесняясь опускающейся более холодной жидкостью. В случае парожидкостного хладагента этот процесс сопровождается фазовыми превращениями. В конденсаторе хладагент находится в виде газа и, отдавая тепло атмосферному воздуху, конденсируется и стекает в виде пленки в испаритель, где, поглотив тепло от окружающего грунта, испаряется и в виде пара вновь поднимается вверх. Период циркуляции хладагента за счет его охлаждения наружным воздухом называется активным. В теплое время года циркуляция хладагента прекращается, этот период называется пассивным. В активный период происходит накопление холода в грунте, в пассивный – холод поглощается окружающим грунтом.

У

Рис. 2.11. Каменная наброска конуса подходной насыпи: УВМГ – уровень вечномерзлого грунта; l_з – длина наброски за устоем; 1 – береговая опора; 2 – каменная наброска; 3 – мощение русла

стройства с замкнутой конвекцией парожидкостного хладагента отличаются высокой холодопроизводительностью, поскольку фазовые превращения происходят с поглощением и выделением большого количества тепла (например, для аммиака 1300, пропана 340, фреона 12–160 кДж/кг). Сопротивления раздельно движущимся потокам восходящего пара и нисходящего конденсата незначительны, а силы, обусловливающие это движение (гравитация, перепад давления), достаточно велики. Поэтому для приведения в действие реальных теплопередающих устройств достаточно разности температуры между охлаждаемым грунтом и атмосферным воздухом в 1–2 °С.

Каменные наброски для сохранения естественного веч­­но­­мерзлого состояния ос­но­ваний рекомендуют при­­ме­нять при высоте подходных насыпей не более 7 м, среднегодовой температуре наружного воздуха минус 5 ^оС и выше, начальной температуре вечномерзлых грунтов минус 1 ^оС и выше [26] (рис. 2.11).

Увеличения охлаждающего эффекта безростверковых опор мостов достигают с помощью устройства под монолитной насадкой по периметру специальных ограждающих элементов (пустотелых блоков), создавая под насадкой воздушный зазор.