Переход дороги через водоток на вечномерзлых грунтах

 

Изобретение относится к области возведения искусственных сооружений в районах с распространением вечномерзлых грунтов. Сущность изобретения: в переходе дороги через водоток на вечномерзлых грунтах, включающем насыпь с откосными частями, выполненными в виде двух ярусов, нижний из которых размещен на ядре из твердомерзлого грунта и искусственное сооружение, фундамент которого расположен в пределах насыпи, верхняя поверхность нижнего яруса выполнена в виде площадки с выпуклой в плане формой. Среднее расстояние от центра фундамента до границ площадки определяется по приведенной зависимости. 10 ил.

Изобретение относится к области возведения искусственных сооружений в районах с распространением вечномерзлых грунтов.

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

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

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является земляное сооружение на вечномерзлых грунтах, включающее насыпь с откосными частями из минерального материала, размещенную на ядре из твердомерзлого грунта и переход через водоток, фундамент которого размещен в торце насыпи. Откосные части насыпи в ее торце и в примыкающих к торцу периферийных зонах имеют форму окружности, центр которой расположен в центральной части фундамента перехода через водоток и выполнены в виде двух ярусов, верхняя бровка нижнего из которых размещена от центра окружности на величину R 2mh [2] Недостатком этого земляного сооружения является то, что, во-первых, устройство откосных частей насыпи в виде круга с размещением в его центре фундамента приводит к уменьшению свободной части под пролетным строением, поэтому для обеспечения необходимых габаритов требуется удлинить пролетное строение, во-вторых, форма круга часто требует дополнительного расхода грунта при устройстве подходной части насыпи в сильно изрезанном рельефе.

Цель изобретения сокращение длины пролетного строения и снижение расхода грунта для устройства подходной части насыпи.

Указанная цель достигается тем, что переход дороги через водоток на вечномерзлых грунтах содержит насыпь с откосными частями, выполненными в виде двух ярусов, нижний из которых размещен на ядре из твердомерзлого грунта, и искусственное сооружение, фундамент которого расположен в пределах насыпи. Верхняя поверхность нижнего яруса выполнена в виде площадки выпуклой формы. Расстояние от центра фундамента до границы площадки определяется из условия: B_ср= 2mkh При этом ≅ 1,5 где m ≅1 коэффициент влияния местных условий, принимаемый меньше 1 при теплофизическом обосновании, а без обоснования равный 1; h глубина, считая от среднего уровня, до которой требуется нахождение грунтов в твердомерзлом состоянии, м; n количество треугольников с одной из вершин в центре фундамента, на которые можно условно разбить верхнюю поверхность нижнего яруса; F общая площадь верхней поверхности нижнего яруса, м²; f_i площадь i-го треугольника, м²; B_i медиана i-го треугольника, разделяющая пополам сторону, не примыкающую к центру фундамента, м; k коэффициент, корректирующий массивность площадок.

K ≥ 1;
S коэффициент, показывающий предельно возможную величину смещения фундамента относительно центра площадки;
S 0,30 + (В_ср-10)˙ 0,008.

На фиг.1 представлен план перехода дороги через водоток для случая, когда искусственным сооружением является однопролетный мост; на фиг.2 то же, когда искусственным сооружением является водопропускная труба; на фиг.3 и 4 разрез А-А на фиг.1; на фиг.5 разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.6 схема к определению В_ср для площадки нижнего яруса; на фиг.7 характерное распределение температур в грунтах под площадкой нижнего яруса; на фиг.8 график зависимости средней температуры на глубине 10 м непосредственно под площадкой от радиуса площадки; на фиг.9 график зависимости коэффициента S от R; на фиг.10 средняя отрицательная температура грунта до глубины 15 м и на расстоянии 15 м от центра эллипса по его короткой стороне при различных соотношениях его радиусов и среднем радиусе 30 м.

Переход дороги через водоток на вечной мерзлоте содержит подходную часть 1 насыпи и искусственное сооружение. В случае, когда искусственным сооружением является, например, однопролетный мост (фиг.1). Переход включает опору 2 моста, продольную 3 и поперечную 4 оси моста.

В случае, когда искусственным сооружением является водопропускная труба (фиг. 2), переход включает водопропускную трубу 5. Подходная часть 1 насыпи содержит уширение в плане, которое состоит по высоте из двух ярусов нижнего 6 высотой h₁, уложенного на естественное основание 7 и верхнего 8 высотой h₂. Верхний ярус состоит из главной части 9 насыпи, которая сверху ограничена основной площадкой с шириной, обеспечивающей устройство дороги или железнодорожных путей и боковыми откосами 10, имеющими уклон, прилегающих к подходной части насыпи участков и дополнительных отсыпок 11, примыкающих с двух сторон к главной части насыпи и имеющих односторонний откос (1-4)-(1-7), верхняя бровка которого совмещена с боковым откосом главной части насыпи и расположена на расстоянии по высоте от уровня основной площадки на величину
h₃ (0-0,5)h₃.

Высота нижнего яруса принимается в пределах 0,8-4,0 м. В плане верхняя поверхность нижнего яруса имеет произвольную выпуклую форму (фиг.6). Расстояние В_ср от центра фундамента до границ площадки определено из условия
B_ср= 2mkh
при этом ≅ 1,5 где m ≅1 коэффициент влияния местных условий, принимаемый меньше 1 при теплофизическом обосновании, а без обоснования равный 1;
h глубина, считая от среднего уровня, до которой требуется нахождение грунтов в твердомерзлом состоянии;
F общая площадь верхней поверхности нижнего яруса;
n количество треугольников с одной из вершин в центре фундамента, на которые можно условно разбить верхнюю поверхность нижнего яруса;
f_i площадь i-го треугольника;
B_i медиана i-го треугольника, разделяющая пополам сторону, не примыкающую к центру фундамента;
K коэффициент, корректирующий массивность площадок;
K ≥ 1;
S коэффициент, показывающий предельно возможную величину смещения фундамента относительно центра площадки;
S 0,30 + (В_ср-10) ˙0,008.

С целью лучшего вписывания в местный рельеф с учетом требования снижения расхода грунта отсыпки, верхняя поверхность нижнего яруса может иметь уклон до величины 1:5.

Особенности работы предлагаемого перехода дороги через водоток на вечной мерзлоте следующие. Область рационального использования этого перехода района с сильным снегопереносом (200 м³/м и более), в частности север Западной Сибири. В результате сильных ветров, которые систематически сдувают снег с возвышенных поверхностей, верхняя поверхность уширения в пределах радиуса в зимний период оголена от снега, что способствует интенсивному поступлению холода в грунт.

И хотя в летний период указанная поверхность также оголена от растительного покрова, суммарный за год баланс отрицателен, так как отрицательна среднегодовая температура воздуха. У откосов, наоборот, скапливается большое количество снега, которое способствует растеплению грунтов. Основным преимуществом предлагаемого технического решения является то, что несмотря ни на заносы у откосов, ни на неблагоприятное температурное состояние грунтов за пределами уширения, оно само по себе обеспечит гарантированную зону, в которой грунты находятся в твердомерзлом состоянии. Это очень важно, когда в основании залегают высокольдистые, просадочные при оттаивании грунты. При возведении фундаментов с учетом возможной деградации мерзлоты их конструкция получается крайне громоздкой: глубина заложения может составить до 40 метров, что не только материалоемко, но и очень трудно осуществимо. Применение уширений позволяет запроектировать фундаменты с учетом сохранения мерзлоты. Уменьшается глубина заложения столбчатых фундаментов до 10-15 м, что может быть выполнено широко распространенным у строителей оборудованием.

Рассмотрим два противоречия, которые возникают при использовании технического решения, принятого нами за прототип для ряда местных условий. Противоречие первое. В техническом решении, предлагаемом по а.с. N 1664973, фундамент размещают в центре площадки радиусом R 2mh. При среднем значении h 15 м радиус площадки становится равным 30 м. Если сооружается однопролетный мост, то при пролетном строении 88 м (имеются типовые пролетные строения 110, 132 м, но они нежелательны), расстояние длиной 60 м под ними будет занято площадками, учитывая то, что у площадок имеется еще зона откосов, для пропуска русла почти ничего не остается. Это требует применения пролетных строений повышенной длины и, следовательно, увеличивает расход материалов. Таким образом, противоречие можно сформулировать так с одной стороны, уширенная площадка нижнего яруса создает благоприятные условия (т.е. формирует твердомерзлое ядро) для затрат материалов на фундаменты, с другой увеличивает расход материалов на металлоконструкции пролетных строений. Решить это противоречие предлагается введением других параметров площадки: расстояние до границ площадки определить по формуле R 2mkh. Коэффициент К определяется из следующего условия: по мере увеличения размеров площадки создается под площадкой зона настолько устойчивая, что фундамент можно смещать от центра площадки. На фиг.7 представлено температурное поле в грунтах под площадкой радиусом 30 м.

На фиг. 8 представлен график средней температуры (t_cp) на глубине 10 м непосредственно под площадкой в зависимости от ее радиуса R: до радиуса 30 м эта температура увеличивается сильно, а далее изменяется незначительно. В связи с этим предлагается ввести коэффициент
K ≥ 1
Таким образом, коэффициент К до радиуса R 30 м увеличивает массивность площадки, а после радиуса R 30 м на эту величину не сказывается. Это увеличение массивности позволяет обеспечить смещение центра фундамента по отношению к центру круга на величину S, которая определяется следующим образом. На фиг.7 для площадки радиусом R 30 м показан радиус r 15 м, в пределах которого температура грунта по глубине изменяется не более 10% т.е. практически по радиусу постоянна. В зависимости от величины радиуса R отношение r/R S изменяется. Эта зависимость получена на основании расчетов и представлена на фиг.9. График может быть представлен формулой:
S r/R 0,30 + (R-10)·0,008.

Противоречие второе. Круг является оптимальной фигурой для верхней поверхности нижнего яруса для формирования требуемого температурного поля. Однако, местные условия (уклоны и другие неровности рельефа, расположение русла не под прямым углом и продольной оси моста и др.) требуют существенных дополнительных затрат грунта для отсыпки такой круглой площадки. Поэтому это противоречие предлагается решить двумя приемами во-первых, поверхность нижнего яруса сделать произвольной выпуклой формы (фиг.6) с указанными ниже ограничениями, во-вторых, верхнюю поверхность устраивать с уклоном до 1:5, при котором не происходит заносов снегом, при этом радиус R заменяется величиной В.

Ограничения формы верхней поверхности следующие: во-первых, площадка должна иметь выпуклую в плане форму, во-вторых, должно выполняться условие: ≅ 1,5 Это ограничение следует из графика (фиг.10). График построен на основании расчетов температурного режима грунтов при изменении формы площадки от круга (фиг.7) до эллипса с различными радиусами B_max и B_min.

Радиус круга принят для расчетов наиболее характерный 30 м. На графике фиг. 10 по оси абсцисс дано соотношение B_max и B_min, т.е. максимального и минимального радиусов эллипса, а по оси ординат дана средняя отрицательная температура грунта на момент окончания теплого периода года и на расстоянии 15 м от центра эллипса по короткой стороне. Из графика видно, что при соотношении смещения фундамента относительно центра площадки
S 0,30 + (В_ср 10) ˙0,008.

Формула изобретения

ПЕРЕХОД ДОРОГИ ЧЕРЕЗ ВОДОТОК НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ, включающий насыпь с откосными частями, выполненными в виде двух ярусов, нижний из которых размещен на ядре из твердомерзлого грунта, и искусственное сооружение, фундамент которого расположен в пределах насыпи, отличающийся тем, что верхняя поверхность нижнего яруса выполнена в виде площадки с выпуклой в плане формой, причем среднее расстояние от центра фундамента до границ площадки определяется из условия

при этом

а безразмерный коэффициент S, показывающий предельно возможную величину смещения фундамента относительно центра площадки, равен

где r радиус круга с центром, совпадающим с центром площадки, в пределах которого средняя температура грунта по глубине изменяется не более 10% т.е. практически постоянна по радиусу, м;
n количество треугольников с одной из вершин в центре фундамента, на которое можно условно разбить верхнюю поверхность нижнего яруса;
F общая площадь верхней поверхности нижнего яруса, м²;
m ≅ 1 коэффициент влияния местных условий;
h глубина считая от среднего уровня до которой требуется нахождение грунтов в твердомерзлом состоянии, м;
f_i площадь i-го тртеугольника, м²;
B_i медиана i-го треугольника, разделяющая пополам сторону, не премыкающую к центру фундамента, м;
K безразмерный коэффициент, корректирующий массивность площадок

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10