СП 354.1325800.2017 Фундаменты опор мостов в районах распростран. Правила проектирования и строительства Foundations of bridge supports in areas of permafrost soils. Design and construction rules окс 93. 040 Дата введения 20180515
 Скачать 1.94 Mb.
|
|
Прогноз многолетних изменений температуры многолетнемерзлых грунтов оснований вследствие нарушения условий теплообмена после постройки мостов Д.1 Расчеты температурных полей следует проводить, исходя из трехмерного распределения температур в грунтах оснований, характеризуемого тремя видами эпюр изменения температур по глубине (рисунок Д.1): эпюра 1 (сечения I-I) характеризует распределение температур в зоне большой площади с одинаковыми условиями на поверхности. В этом случае к концу теплого периода года образуется талая зона в пределах деятельного слоя с соответствующей глубиной оттаивания, далее до глубины 10 м температура плавно изменяется, а ниже глубины 10 м остается постоянной; эпюра 2 (сечения II-II) характеризует распределение температур в грунте русловой части, где имеется талик. В этом случае к концу теплого периода года образуется сплошная талая зона до низа талика, далее температура грунта плавно изменяется на глубину до 40 м, а глубже 40 м температуру можно считать постоянной. В отдельных случаях глубина талой зоны может превышать 40 м, при этом зона постоянной температуры существенно понижается; эпюра 3 (сечения III-III) характеризует распределение температур в пределах береговой части рядом с руслом. В этом случае до глубины 40 м температура может изменяться по различным законам: например, может образовываться мерзлая зона в верхней части, а ниже, до определенной глубины, образовываться талик. Д.2 Прогноз температурного режима рекомендуется проводить двумя методами: приближенным и точным с сопоставлением и взаимопроверкой результатов. Для точного расчета рекомендуется использовать программы для ЭВМ, основанные на использовании численных методов (разностных методов, методов конечных элементов и др.). Сущность приближенного метода изложена ниже. Д.3 Для приближенного расчета температурных полей следует: - площадь мостового перехода разделить на зоны, в пределах которых можно считать постоянными граничные условия, характеризуемые температурой среды (воздуха или воды) с учетом солнечной радиации, испарений и условий теплообмена (при наличии или отсутствии растительного или снежного покрова и т.п.). Неровностями поверхности пренебречь, и рассматривать только горизонтальную проекцию. Эта операция одинакова как для приближенных расчетов, отражаемых в настоящем пункте, так и для точных методов, что обеспечивает единство подхода и возможность взаимоконтроля; - для каждой зоны аналитическим или численным методом или на основании натурных данных построить эпюру распределения температуры грунта по глубине (эпюра 1 на рисунке Д.1) в условиях полной изолированности данной зоны от соседних. Для каждого климатического района рекомендуется заранее подсчитать требуемое количество эпюр; - определить характер распределения температуры по глубине основания в пределах любой зоны перехода через водоток, суммируя эпюры отдельных зон. Для этого на плане перехода намечают точку О (одну или несколько) (рисунок Д.2), в которой на глубине , вычисляют температуру по формуле  , (Д.1) где - температура грунта на глубине , определяемая по одномерной эпюре для i-й зоны; - площадь i-й зоны; - число зон в участке радиусом 2 . Д.4 Если температура, вычисленная по формуле (Д.1), выше расчетной (см. Г.1 приложения Г ), то необходимо расчет повторить с учетом конструктивно-технологических мероприятий. Пример расчета приведен в К.7 приложения К .
УВ - уровень воды Рисунок Д.1 - Характерное температурное поле и эпюры изменения температуры на конец теплого периода года по глубине залегания грунтов в естественных условиях вдоль оси мостового перехода
1 - опоры моста; 2 - русловая часть; 3 - основная площадка насыпи; 4; 5; 6; 7 - границы зон разных граничных условий Рисунок Д.2 - Схемы для приближенного расчета температуры грунта в точке О Приложение Е Классификация способов и устройств управления температурным режимом грунтовых массивов Е.1 Управление температурным режимом многолетнемерзлых грунтов оснований инженерных сооружений следует проводить в соответствии с рекомендациями главы 7 и материалами данного приложения. Е.2 В зависимости от конструкций инженерных сооружений и местных климатических и мерзлотно-грунтовых условий рекомендуется использовать четыре группы способов управления температурным режимом и устройств для осуществления этих способов, выполняющих функции: - тепловых экранов (4 вида); - тепловых амортизаторов (3 вида); - тепловых диодов (3 вида); - тепловых трансформаторов (3 вида). Е.3 С помощью тепловых экранов осуществляется управление температурным режимом четырьмя видами физических процессов: - регулированием интенсивности поглощения поверхностью сооружения коротковолновой солнечной радиации с помощью навесов, изменением цвета поверхности, применением зеркальных поверхностей и т.п. (тепловые экраны типа I, ТЭ-I); - регулированием интенсивности длинноволнового эффективного излучения поверхностью сооружения с помощью укладки на поверхность сооружения прозрачной пленки с воздушной прослойкой между поверхностью и пленкой или составной прозрачной пленки с внутренними полостями и т.п. (тепловые экраны типа II, ТЭ-II); - регулированием интенсивности конвективного теплообмена поверхностью сооружения путем изменения эффективного коэффициента теплопередачи, т.е. за счет изменения шероховатости поверхности, укладки покрытий и т.п. (тепловые экраны типа III, ТЭ-III); - регулированием интенсивности процессов испарения с поверхности сооружения путем изменения пористости поверхности, биомассы растений на поверхности грунта и т.п. (тепловые экраны типа IV, ТЭ-IV). Е.4 С помощью тепловых амортизаторов осуществляется управление температурным режимом тремя видами физических процессов: - регулированием термического сопротивления на поверхности сооружения и в самом массиве путем размещения в массиве, включая его поверхность, элементов с малым коэффициентом теплопроводности, например пенопласта (тепловой амортизатор типа I, ТА-I); - регулированием теплоемкости массива сооружения путем размещения в массиве, включая его поверхность, элементов с высокой теплоемкостью, например грунтовых прослоек высокой плотности (тепловой амортизатор типа II, ТА-II); - регулированием теплоты фазовых превращений в массиве сооружения путем размещения в нем элементов с большим содержанием скрытых теплот, например грунтовых прослоек с большим влагосодержанием (тепловой амортизатор типа III, TA-III). Е.5 С помощью тепловых диодов осуществляется управление температурным режимом тремя видами физических процессов: - регулированием фазовой асимметрии коэффициентов кондуктивной теплопроводности грунта в слое сезонного промерзания-протаивания путем размещения влагоемких грунтов, например торфа (тепловой диод типа I, ТД- I); - регулированием межсезонной асимметрии коэффициентов эффективной теплопроводности путем изменения конвективной составляющей теплопереноса вследствие обратной плотностной стратификации незамерзающих теплоносителей, например в жидкостных охлаждающих установках, термоопорах, каменных набросках (тепловой диод типа II, ТД-II); - регулированием межсезонной асимметрии коэффициентов эффективной теплопроводности при фазовых превращениях теплоносителя, например в парожидкостных термосифонах (тепловой диод типа III, ТД-III). Е.6 С помощью тепловых трансформаторов осуществляется управление температурным режимом тремя видами физических процессов: - регулированием интенсивности переноса тепла жидкостями или газообразными теплоносителями путем их циклического перекачивания через полости или поры грунтового массива без фазовых превращений, например прокачкой в холодный период холодного воздуха по трубам, расположенным в массиве грунта (тепловой трансформатор типа I, TT-I); - регулированием интенсивности переноса тепла жидкостями или газообразными теплоносителями путем их циклического перекачивания через полости или поры грунтового массива с предварительным формированием в замкнутых контурах охлажденного хладагента с учетом фазовых превращений, например с использованием рефрижераторов, тепловых массивов, турбохолодильных установок (тепловой трансформатор типа II, ТТ-II); - регулированием интенсивности переноса тепла за счет массообменных процессов и фазовых превращений внутри массива сооружения, например с помощью жидкого азота (тепловой трансформатор типа III, ТТ-III). Е.7 В зависимости от конкретных условий рекомендуется для повышения эффективности формировать системы, т.е. использовать одновременно два и более мероприятия. Приложение Ж Уширенные площадки Ж.1 Для обеспечения поверхностного охлаждения грунтов оснований как устоев, так и промежуточных опор рекомендуется уширенная площадка. Уширенная площадка является эффективным средством поверхностного охлаждения грунтов тела и основания насыпей. Применение уширенных площадок основано на особенностях снегопереноса в полярных регионах, при которых благодаря сильным ветрам снег сдувается с повышенных мест рельефа местности. Вследствие этого развитая поверхность основной площадки насыпи, оголенная от снежного покрова или при незначительной его толщине, обеспечивает за холодный период интенсивное охлаждение грунтов основания. Ж.2 Принципиальная схема уширенной площадки представлена на рисунке Ж.1. Участку насыпи на подходе к искусственному сооружению придается уширение 2, центр которого примерно совмещен с центром фундамента искусственного сооружения 1. Земляное полотно в зоне уширения состоит из двух ярусов по высоте: нижнего 3, опирающегося на естественное основание 4, и верхнего 5, располагающегося на нижнем и являющегося непосредственной опорой для верхнего строения пути. Верхний ярус включает в себя главную часть насыпи 6, ограниченную сверху основной площадкой с шириной, обеспечивающей размещение верхнего строения пути и переходных зон 7. Высота нижнего яруса 3 в зависимости от местных условий может приниматься в пределах от 0,8 до 4,0 м. Радиус уширения вычисляют по формуле , (Ж.1) где - расстояние от низа ядра 8 из твердомерзлого грунта до поверхности уширенной площадки; - коэффициент влияния местных условий, принимаемый менее единицы при наличии теплофизического обоснования, а без обоснования - равным единице. Ж.3 При соблюдении указанного выше значения радиуса в зоне ядра 8 обеспечивается поддержание многолетнемерзлых грунтов в твердомерзлом состоянии с температурой , вычисляемой по формуле , (Ж.2) где - среднегодовая приведенная (т.е. с учетом солнечной радиации и испарения) температура воздуха, °С; - температура грунта на глубине нулевых амплитуд на окружающей территории в естественных условиях, °С. Ниже ядра 8 расположены грунты с температурой , а верхняя граница этого ядра расположена на 5 м ниже поверхности уширенной площадки. Ж.4 Формулу (Ж.2) допускается применять для предварительной оценки температуры грунта при проектировании на стадии сравнения вариантов технических решений, при которых проверяется возможность обеспечения требуемого температурного режима. На стадии рабочего проектирования рекомендуется проводить компьютерное моделирование с учетом трехмерности процессов теплообмена в расчетной области. Ж.5 Скорость формирования расчетного температурного режима грунтов зависит, главным образом, от их начального температурного состояния. Применение уширенных площадок при наличии в основании насыпи таликов или мерзлых грунтов с температурой выше минус 0,5°С требует предварительного разового технологического промораживания основания другими средствами. Понижение температуры грунтов основания уширенной площадки с начальной температурой ниже минус 0,5°С происходит за один-два холодных сезона. Ж.6 Применение уширенных площадок целесообразно также при устройстве промежуточных опор, особенно на суходолах, а также при строительстве поверхностных фундаментов вместо заглубленных на засоленных грунтах. Ж.7 Основными неблагоприятными факторами, снижающими охлаждающий эффект уширенных площадок, являются: нарушение при строительстве геометрии, заложенной в проекте, загромождение территории, приводящее к образованию снежных отложений, плохо организованный водоотвод с прилегающей территории и ветровая тень, создаваемая рельефом и близко расположенной лесной растительностью.
1 - центр фундамента сооружения; 2 - уширение; 3 - нижний ярус; 4 - естественное основание; 5 - верхний ярус; 6 - насыпь; 7 - переходная зона; 8 - мерзлое ядро Рисунок Ж.1 - Принципиальная схема уширенной площадки Приложение И Термоопоры И.1 В качестве несущих элементов фундаментов опор мостов рекомендуется применение термоопор. Принципиальные схемы термоопор приведены на рисунке И.1. Термоопоры представляют собой охлаждающие системы глубинного действия. Принцип их работы основан на свободной конвекции воздуха внутри полости в холодный период года и отсутствии этой конвекции в теплый период. Термоопоры могут быть двух типов: сквозные (рисунок И.1, а), т.е. с единой полостью, и коаксиальные (рисунок И.1, б), т.е. с наличием в полости вставки для разделения потоков холодного и теплого воздуха.
а - сквозная термоопора; б - коаксильная термоопора 1 - замкнутая с обоих торцов труба с высотой подземной части и и высотой надземной части и соответственно для сквозного и коаксиального типов; 2 - коаксиальная вставка; 3 - закрывающиеся отверстия для датчиков измерения температур внутри полости Рисунок И.1 - Принципиальные схемы термоопор И.2 Принцип сезонности работы термоопор следует учитывать при проектировании сооружений с их применением. То, что за холодный период намораживается, в теплый период частично "растекается" в стороны. Остается к концу теплого периода только часть. Эта часть и принимается в расчет, т.е. по величине остаточного охлаждения на момент окончания теплого периода года определяется прочность многолетнемерзлых грунтов и несущая способность столбчатых опор. В связи с этим рекомендуется при проектировании учитывать "растекаемость" замороженных массивов. И.3 "Растекаемость" в теплый период намороженных за зиму массивов определяется размером массива. Зависимость степени растепления массива, замороженного за холодный период, от его радиуса приведена на рисунке И.2. При радиусе замороженного массива 20 м температура в его центре практически остается к концу теплого периода неизменной. В малых намороженных мерзлых массивах радиусом до 3-4 м к концу теплого периода практически весь холод "растекается" в стороны.
Рисунок И.2 - "Растекаемость" намороженных локальных массивов за теплый период года - отношение температуры на начало холодного периода к температуре на начало теплого периода года при фоновой температуре минус 0°С (кривая 1) и плюс 0°С (кривая 2) И.4 Расчет эффективности охлаждения термоопорами массивов многолетнемерзлых грунтов рекомендуется проводить численным методом. В принятой расчетной области поверхность полости рассматривается как зона действия граничного условия третьего рода, т.е. когда исходными данными для расчета являются температура воздуха в полости и коэффициенты теплоотдачи на поверхности полости. При этом температура воздуха в полости принимается в соответствии с рисунком И.3. Расчетную температуру воздуха в полости сквозной термоопоры в уровне естественной поверхности грунта вычисляют по формуле , (И.1) где - фоновая температура грунта на глубине 10 м, которая сформируется после строительства моста без учета термоопор (в первом приближении принимается температура, полученная по данным изысканий); - температурная добавка за счет разности температур воздуха и , вычисляемая по формуле , (И.2) здесь - средняя температура наружного воздуха за декабрь, январь, февраль. На глубине , равной 20 диаметрам полости термоопоры, температура воздуха в полости равна . (И.3) Расчетную температуру воздуха в полости коаксиальной термоопоры в уровне естественной поверхности грунта вычисляют по формуле , (И.4) где . (И.5) На глубине , равной 25 диаметров полости термоопоры, температура воздуха равна , (И.6) где , (И.7) при этом и - температурные добавки за счет разности температуры воздуха и фоновой температуры грунта соответственно на уровне естественной поверхности грунта и на глубине . При глубине подземной части термоопоры менее 20 и 25 диаметров соответственно для сквозного и коаксиального типов температура воздуха в полости в уровне естественной поверхности не меняется, а на глубине принимается в соответствии с рисунком И.3. В течение года расчет проводят при следующих значениях граничных условий в пределах полости: в течение ноября-марта в расчете учитывают температуры воздуха в соответствии с рисунком И.3 при коэффициенте теплоотдачи =7 ккал/(м ·ч·°С). В остальное время года температура воздуха принимается 0°С, а коэффициент теплоотдачи =0,001 ккал/(м ·ч·°С), что соответствует отсутствию тепловых потоков через поверхность термоопоры.
а - сквозная термоопора; б - коаксиальная термоопора Рисунок И.3 - Расчетные эпюры температур воздуха в полости сквозной и коаксиальной термоопор |
