Арочный засыпной мост

 

Изобретение относится к области мостостроения и может быть использовано в качестве моста или путепровода при наличии вечномерзлых грунтов оснований. Арочный засыпной мост включает опоры, опертую на них арку, выполненную по длине моста сборной из установленных вплотную друг к другу и объединенных между собой оболочек, каждая из которых состоит из соединенных между собой блоков, и грунтовую засыпку, при этом каждый блок выполнен в виде полуарки, причем сопрягаемые боковые поверхности блоков вдоль продольных стыков оболочек объединены дискретными сварными или болтовыми соединениями с помощью закладных металлических элементов. Новым является то, что обе опоры объединены лежневой плитой, верх которой расположен ниже уровня дна водотока, а низ - в пределах деятельного слоя вечномерзлой толщи грунтов, который сформировался в естественных условиях до строительства арочного засыпного моста, а пространство между дном водотока и верхней поверхностью лежневой плиты заполнено грунтом, при этом площадь поперечного сечения лежневой плиты определяют из условия восприятия арочного распора, а также временной и постоянной вертикальных нагрузок, а в уровне подошвы прилегающей к мосту насыпи уложен теплоизоляционный слой пеноплэкса или эквивалентного ему материала толщиной δ ≥ 0,05 м и шириной “b”, удаленный от внутренней поверхности моста на величину “с”, при этом расчетную температуру грунта t_p определяют по приведенной математической зависимости. Технический результат изобретения состоит в снижении трудоемкости возведения арочного засыпного моста на вечномерзлых грунтах. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к мостостроению и может быть использовано в качестве моста или путепровода при наличии вечномерзлых грунтов оснований.

Известен арочный мост, состоящий из сборных железобетонных арочных панелей, смонтированных в ряд на специальном фундаменте из монолитного железобетона, устроенном в толще береговых откосов и грунтовой засыпки (Экспресс-информация, ВНИИИС, 1986, серия 13, вып. 9).

Недостатком этого технического решения является сложность сооружения арочного засыпного моста на слабых грунтах.

Известен арочный засыпной мост, включающий опоры, опертую на них арку, выполненную по длине моста сборной из установленных вплотную друг к другу и объединенных между собой оболочек, каждая из которых состоит из соединенных между собой блоков, и грунтовую засыпку, при этом каждый блок выполнен в виде полуарки, причем сопрягаемые боковые поверхности блоков вдоль продольных стыков соединены с помощью закладных металлических элементов, а опоры выполнены на сваях или столбах, объединенных с низкими ростверками.

Недостатком этого технического решения является сложность и трудоемкость возведения арочного моста на вечномерзлых грунтах.

Предлагаемым изобретением решается задача снижения сложности и трудоемкости возведения арочного засыпного моста на вечномерзлых грунтах.

Сущность изобретения состоит в том, что арочный засыпной мост включает опоры, опертую на них арку, выполненную по длине моста сборной из установленных вплотную друг к другу и объединенных между собой оболочек, каждая из которых состоит из соединенных между собой блоков, и грунтовую засыпку, причем каждый блок выполнен в виде полуарки, при этом сопрягаемые боковые поверхности блоков вдоль продольных стыков оболочек объединены дискретными сварными или болтовыми соединениями с помощью закладных металлических элементов, обе опоры объединены лежневой плитой, верх которой расположен ниже уровня дна водотока, а низ - в пределах деятельного слоя вечномерзлой толщи грунтов, который сформировался в естественных условиях до строительства арочного засыпного моста, а пространство между дном водотока и верхней поверхностью лежневой плиты заполнено грунтом, при этом площадь поперечного сечения лежня определяют из условия восприятия арочного распора, а также временной и постоянной вертикальных нагрузок. Кроме того, в уровне дна водотока между опорами моста может быть выполнена горизонтальная перемычка. А в уровне подошвы, прилегающей к мосту насыпи, уложен теплоизоляционный слой пеноплэкса или эквивалентного материала толщиной δ≥0,05 м и шириной “b”, удаленной от внутренней поверхности моста на величину “с”, при этом расчетную температуру грунта t_p определяют по формуле

где t_p, t_ф, град. - температура грунта на глубине 10 м от поверхности дна водотока по оси моста, соответственно расчетная, прогнозируемая и фоновая, т.е. до постройки моста, определяемая по данным изысканий;

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

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

с=2d×0,1+е, м;

е, м - толщина опоры моста на уровне естественной поверхности грунта.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены поперечные сечения II-II и III-III на фиг.2 арочного засыпного моста;

на фиг.2 - разрез I-I на фиг.1 арочного засыпного моста;

на фиг.3 - сопряжение боковых поверхностей блоков;

на фиг.4 - температурное поле в вечномерзлых грунтах оснований в установившемся режиме на момент окончания теплого периода года.

Арочный засыпной мост включает опоры 1, опертую на них арку, состоящую из блоков 2 полуарок, соединенных между собой и с опорами с помощью шарнирных соединений 3. Опоры 1 заглублены в грунты 4, расположенные ниже естественной поверхности 5. Арочный засыпной мост размещен в грунте насыпи 6, верх которой ограничен уровнем проезда 7. Опоры 1 объединены между собой лежневой плитой 8. Пространство между опорами 1 над лежневой плитой 8 засыпано дренирующим грунтом 9. В уровне дна водотока 10 устроены затяжки 11 между опорами 1. Между затяжками 11 в плане устраивают каменное мощение 12. Затяжки 11 играют также роль упоров для каменного мощения.

Сопрягающиеся торцевыми поверхностями блоки 2 полуарок (фиг.3) объединены дискретными сварными стыками, состоящими из закладных металлических элементов 13, соединительного элемента 14 и сварного шва 15. Стыки могут быть болтовыми. Перед отсыпкой грунта насыпи 6 на естественную поверхность 5 укладывают слой теплоизоляции 16 шириной “b”. Теплоизоляцию 16 укладывают на расстоянии “с” от внутренней поверхности моста. По мощности теплоизоляция соответствует пенопласту толщиной 10 см. Она должна быть несжимаема. Такие характеристики соответствуют, например, пеноплэксу.

Подошву опоры 1 и лежневой плиты 8 располагают в пределах деятельного слоя, сформировавшегося в естественных условиях до строительства арочного засыпного моста. Нижняя граница деятельного слоя показана на фиг.1 позицией 17. Подошву опор 1 и лежневой плиты 8 располагают на уплотненной подсыпке 18, толщина и расположение которой по высоте определяются местными условиями. При малопросадочных при оттаивании грунтах положение подошвы опор 1 и лежневой плиты 8 может приближаться к поверхности дна водотока, при этом лежневая плита 8 может быть расположена выше подошвы опор 1 и даже занимать положение затяжки 11, заменяя ее.

Строительство моста осуществляют в следующей последовательности. Вначале вырывают котлован на глубину, на которой требуется замена грунта. Эта замена требуется в случае залегания в верхней части высокольдистых, слабых при оттаивании грунтов. Это удобно делать в конце теплого периода года, когда разработка наиболее проста, а впереди холодный период года. Далее производится засыпка и уплотнение слоя дренирующего грунта 18, сооружение опор 1 и лежневой плиты 8. После этого осуществляют обратную засыпку грунтом 9, изготовление затяжки 11, мощение 12, укладку теплоизоляции 16, сборку полуарок 2 и далее засыпку грунтом 6.

В силовом отношении сооружение работает следующим образом. Постоянная нагрузка от грунта насыпи 6 и подвижная временная нагрузка воспринимаются аркой 2, которая передает ее на опоры 1. Вертикальная составляющая от нагрузок передается на грунт через подошву опор 1 и лежневую плиту 8, для чего последняя делается достаточно жесткой. Горизонтальная составляющая нагрузки - распор воспринимаются лежневой плитой 8 и затяжкой 11.

В тепловом отношении сооружение работает следующим образом. Данное изобретение предусматривает тот случай, когда под насыпью происходит растепление грунтов и даже деградация мерзлоты в верхних слоях, что может привести к деформациям моста. Растепление грунтов предотвращается тем, что граничные условия в течение всего года обеспечивают в сумме отрицательный баланс, т.е. поступление холода в грунт. Однако этого может оказаться недостаточно для формирования отрицательных температур в грунтах оснований. Для обеспечения требуемых температур укладывают на естественную поверхность грунта слой теплоизоляции шириной “b” на расстоянии “с” от внутренней поверхности мостовых конструкций. Эта теплоизоляция, с одной стороны, обеспечивает защиту от потоков тепла со стороны насыпи, а с другой - обеспечивает расширение зоны влияния холода со стороны моста. На участке шириной “с” идет подток холода в грунт основания со стороны поверхности контакта арок с грунтом 6 насыпи. В результате в конце теплого периода года в грунтах оснований формируется температурное поле с отрицательными температурами t₁, t₂, t₃, хотя в зоне дна водотока имеет место сезонное протаивание (фиг.4).

Данное изобретение решает два технических противоречия. Первое противоречие определяется тем, что, с одной стороны, обеспечение подтока холода со стороны дна водотока в грунт приводит к сезонному протаиванию, с другой - наличие теплоизоляции, уменьшающей протаивание, приводит к резкому снижению подтока холода. Выход из этого положения - замена слабого грунта и заглубление перемычки.

Второе техническое противоречие заключается в том, что для достижения экономически оправданного решения нужно по возможности уменьшить отверстие моста, но при этом снижается эффект охлаждения. Выход из этого положения - устройство теплоизоляции 16.

Для обоснования основных теплофизических параметров вначале проанализируем физику происходящих тепловых процессов. На уровне естественной поверхности грунта четко выделяются 4 зоны с различными теплофизическими характеристиками и степенью влияния на температурный режим грунтов оснований. На ширине “2d” (фиг.1) расположена зона 1. В теплый период года протекающая вода, а при ее отсутствии воздух имеют положительную температуру, поэтому идет поступление тепла в грунты, что, в частности, приводит к протаиванию грунта на определенную глубину. В холодный период года воды в трубе нет, температура воздуха отрицательная, поэтому в грунт поступает холод, при этом вначале промерзает оттаявший за лето грунт, а затем идет дальнейшее охлаждение расположенных ниже мерзлых грунтов. Общий баланс может быть как положительным (при этом идет деградация вечной мерзлоты), так и отрицательным (при этом мерзлота сохраняется или даже ужесточается). В данном изобретении рассматривается случай, когда имеет место отрицательный годовой баланс, т.е. когда идет понижение температуры грунта.

Холод в нижележащие грунты оснований идет также через боковые поверхности, т.е. через арку 2 в грунт насыпи 6 и на каком-то участке “с” уже из прилегающей части насыпи идет вниз. На участке “с” холод вниз идет гораздо менее интенсивно. Из опыта теплофизических исследований для такого рода схем величина “с” (ширина зоны №2) может быть определена по формуле

c=2d×0,1+e,

где е - толщина опоры 1 на уровне естественной поверхности грунта.

При такой величине “с” интенсивность теплообмена с нижележащими грунтами будет примерно в два раза ниже, чем внутри моста, т.е. в зоне 1.

Зона №3 определяется шириной “b” уложенной теплоизоляции. Над теплоизоляцией круглый год температура грунта держится близкой к 0°С, поскольку в данном изобретении рассматривается весьма характерный в практике случай, когда на основной площадке насыпи и на откосах формируются такие граничные условия, которые образуют в теле насыпи талую зону грунта. При таких условиях зона №3 способствует расширению мерзлого ядра грунтов непосредственно под мостом и понижению температур в центре ядра. Толщина теплоизоляции δ определяется эквивалентной толщине пенопласта: δ≥0,05 м.

Наконец, зона №4 расположена за теплоизоляцией. В зоне подошвы насыпи там держится круглый год температура, близкая к 0°С.

Для охарактеризованных выше условий была проведена серия расчетов на ЭВМ численным методом с использованием метода элементарных балансов. На основании анализа результатов расчетов была выведена формула для приближенного расчета температуры грунта на глубине 10 м от дна водотока. Сопоставление результатов расчетов по приближенной формуле и по точным методам дали расхождение ±0,1°С. Формула имеет вид

где t_p, t_ф, град. - 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, м - полуширина отверстия моста в свету в уровне дна водотока;

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

Область применения данного изобретения определяется при наличии вечномерзлых грунтов оснований тем случаем, где тепловые граничные условия под мостом создают средний отрицательный баланс за год, передавая импульс холода в грунт. В этом случае можно добиться существенного упрощения опор, отказавшись от свайных оснований. При этом резко снижается сложность и трудоемкость их возведения.

Формула изобретения

1. Арочный засыпной мост, включающий опоры, опертую на них арку, выполненную по длине моста сборной из установленных вплотную друг к другу и объединенных между собой оболочек, каждая из которых состоит из соединенных между собой блоков, и грунтовую засыпку, при этом каждый блок выполнен в виде полуарки, причем сопрягаемые боковые поверхности блоков вдоль продольных стыков оболочек объединены дискретными сварными или болтовыми соединениями с помощью закладных металлических элементов, отличающийся тем, что обе опоры объединены лежневой плитой, верх которой расположен ниже уровня дна водотока, а низ - в пределах деятельного слоя вечномерзлой толщи грунтов, который сформировался в естественных условиях до строительства арочного засыпного моста, а пространство между дном водотока и верхней поверхностью лежневой плиты заполнено грунтом, при этом площадь поперечного сечения лежневой плиты определяют из условия восприятия арочного распора, а также временной и постоянной вертикальных нагрузок, а в уровне подошвы прилегающей к мосту насыпи уложен теплоизоляционный слой пеноплэкса или эквивалентного ему материала толщиной δ ≥ 0,05 м и шириной в, удаленный от внутренней поверхности моста на величину с, при этом расчетную температуру грунта _p определяют по формуле

где t_p, t_ф - 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, град.;

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, град.,

с = 2d0,1 + е, м,

где е - толщина опоры моста на уровне естественной поверхности грунта, м.

2. Арочный засыпной мост по п.1, отличающийся тем, что в уровне дна водотока между обеими опорами моста выполнены затяжки.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4