ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТОЕК БЕЗРОСТВЕРКОВЫХ ОПОР МОСТОВ ИЗ ПОЛЫХ СВАЙ-ОБОЛОЧЕК В КАЧЕСТВЕ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Г.1 Рекомендации настоящего приложения распространяются на проектирование и устройство безростверковых опор мостов со стойками из полых железобетонных или стальных свай-оболочек (оболочек) диаметром более 1 м, используемых кроме своего основного назначения как несущей конструкции, еще и в качестве охлаждающих устройств для поддержания в течение всего периода эксплуатации мостов отрицательной температуры грунтов основания не выше принятой в расчетах его несущей способности.

В дальнейшем такие полые стойки опор мостов для краткости называют термоэлементами.

Г.2 Безростверковые опоры с термоэлементами на вечномерзлых грунтах, используемых по принципу I, следует проектировать, руководствуясь указаниями СНиП 2.05.03-84, СНиП 2.02.04-88 и приведенными ниже рекомендациями.

Термоэлемент представляет собой полую железобетонную или стальную оболочку-стойку, частично заглубленную в грунт. Верхнюю часть стойки заделывают в насадку, а в нижней устраивают бетонную пробку или стальное днище для передачи нагрузки на основание и предотвращения попадания воды в ее внутреннюю полость (рисунок Г.1)

Охлаждающий эффект термоэлементов в холодный период года создается за счет разницы между температурами грунта и атмосферного воздуха. В результате в замкнутом объеме внутренней полости термоэлемента возникает тепловая конвекция воздуха (хладоносителя) и отвод тепла из грунта, примыкающего к термоэлементу. В теплое время года в полости термоэлементов конвекция хладоносителя практически прекращается.

Для интенсификации конвективного теплообмена в полости за счет устранения местных завихрений, образующихся при смешивании встречных теплопотоков в верхней части термоэлемента, в зоне сезонного оттаивания грунта, необходимо встраивать разделительную диафрагму.

Г.3 Наибольшим эффект от применения термоэлементов в опорах мостов может быть получен при соблюдении следующих условий в зоне строительства:

- конструктивные решения устоев и промежуточных опор для малых и средних мостов соответствуют рекомендуемым схемам - согласно рисунку Г.1;

- среднегодовая температура наружного воздуха не выше минус 6 °С;

- температура грунта на глубине годовых нулевых амплитуд не выше минус 1,5 °С;

- высота снежного покрова не превышает 0,6 м при объеме снегопереноса до 200 мм;

- высота подходной насыпи не более 8 м;

- характер водотока - периодически действующий при отсутствии в основании опор таликов и фильтрации воды в пределах зоны теплового влияния опоры (пять диаметров теплоэлемента).

Г.4 Для проектирования термоэлементов опор по п. Г.3 необходимые расчетные значения температуры грунта на глубине 10 м t₀ и глубины его сезонного оттаивания у опоры d_t, соответствующие концу теплового периода года, могут быть приняты:

t₀ = t; (Г.1)

где t - температура грунта на глубине нулевых амплитуд в месте расположения опоры по данным инженерных изысканий;

d_t = 1,1d, (Г 2)

d - глубина сезонного оттаивания вечномерзлого грунта в зоне сооружения опоры по данным инженерных изысканий, а если они отсутствуют то принимают

d_t = 4,5¸5 м; (Г.3)

для п-ова Ямал:

d_t = 4,0¸4,5 м. (Г.4)

Меньшие значения глубин оттаивания принимают при температурах вечномерзлого грунта в зоне мостового перехода ниже минус 2 °С.

Распределение расчетных значений температуры грунта t_z по глубине z заделки фундаментной части опоры, считая от верхней границы мерзлых грунтов, допускается определять по формуле

, (Г.5)

За расчетное положение верхней границы вечномерзлых грунтов у термоэлементов принимается указанный в формулах (Г.2)-(Г.4) уровень глубины сезонного оттаивания d_t.

Г.5 В тех случаях, когда конструкция опор моста с термоэлементами, а также природно-климатические условия в зоне мостового перехода отличаются от перечисленных в п. Г.3, возможность применения термоэлементов должна быть обоснована теплотехническими расчетами по изложенной ниже методике.

Рисунок Г.1 - Опора со стойками из термоэлементов

а - устой; б - промежуточная опора; 1 - полая железобетонная или стальная свая-оболочка;

2 - диафрагма; 3 - ограждающая стенка; 4 - пролетное строение; 5 - насадка; 6 - раствор омоноличивания оболочки в скважине; 7 - диванный устой; УС - уровень снега

Г.6 Теплотехнический расчет нестационарного температурного поля вечномерзлого грунта основания термоэлементов следует производить с учетом конвективного теплообмена воздуха, заключенного в их полостях. Такой расчет рекомендуется выполнять по разработанной в ЦНИИС программе PQ021. По его результатам назначают расчетные значения температуры грунта основания t₀ и глубину сезонного оттаивания грунта у опоры d_t, получают распределение температуры грунта t_z по глубине заделки фундамента. Таким образом, получают данные для определения несущей способности и устойчивости опор (термоэлементов).

В качестве исходных данных для теплотехнических расчетов термоэлементов следует использовать материалы инженерно-геокриологических изысканий. Основными исходными данными являются:

- среднемесячные температуры наружного воздуха t_а;

- среднегодовая температура вечномерзлого грунта у опоры t_д;

- толщина и характер снежного покрова в зоне строительства опор h_S;

- температуры воздуха-теплоносителя в полости термоэлементов в холодный и теплый периоды года t_c, t_W;

- коэффициент теплоотдачи в полости от воздуха-теплоносителя к ее стенке a.

Температура воздуха теплоносителя в холодный период года определяется из условия

(Г.6)

где - приведенная (с учетом поправки на радиацию) среднемесячная температура наружного воздуха;

j - коэффициент эффективности термоэлемента; назначается равным 0,35-0,25 в зависимости от заглубления стойки соответственно на 5-10 м.

Температура воздуха теплоносителя в теплый период года определяется из условия.

t_W = t_г, (Г.7)

где t_г - температура грунта, примыкающего к стенкам термоэлемента, °С (условие отсутствия конвективного теплообмена между грунтом основания и воздухом в полости в теплый период года).

Коэффициент теплоотдачи a от воздуха-теплоносителя к внутренней поверхности термоэлемента может быть принят постоянным по высоте полости. Его значения принимают по таблице Г.1 в зависимости от физического состояния соответственно бетонной или стальной поверхности полости, возможности ее смачивания конденсатом (водой). Указанное в таблице Г.1 состояние поверхности полости термоэлементов должно быть зафиксировано актом на скрытые работы.

Таблица Г.1 - Значения коэффициента a

Г.7 Используя полученные расчетные данные, можно определить тепловую эффективность термоэлементов по изменению:

температуры грунта ; (Г.8)

глубины оттаивания , (Г.9)

где t₀ - температура грунта на отметке нулевых амплитуд у термоэлемента, °С;

-температура грунта вне зоны влияния термоэлемента, °С;

d_t - глубина оттаивания у термоэлемента, м;

-глубина оттаивания вне зоны влияния термоэлемента, м.

Г.8 При окончательном назначении указанных расчетных характеристик необходимо руководствоваться двумя расчетными случаями:

1) вычисленные по формулам (Г.8), (Г.9) значения тепловой эффективности термоэлемента равны или превышают единицу. В этом случае их значения ограничиваем единицей, принимая расчетные значения t₀ и d_t по данным инженерно-геокриологических изысканий на мостовом переходе.

При этом распределение расчетных температур грунта основания по глубине заделки фундамента z в вечномерзлые грунты, считая от верхней границы, допускается принимать по формуле (Г.5);

2) значения тепловой эффективности термоэлемента превышают единицу. В этом случае за расчетные следует принимать значения t₀ и d_t, полученные из теплотехнического расчета температурного поля и отличающиеся от данных изысканий.

Г.9 В качестве термоэлементов рекомендуется использовать полые железобетонные оболочки диаметром 1,6 м со стенкой толщиной 20 см по проекту Ленгипротрансмоста, стальные трубы диаметром 1,0-1,4 м со стенкой толщиной не менее 16 мм.

Бетонную пробку следует устраивать высотой не менее полутора диаметров полости. Стальное днище из листа с ребрами необходимо закреплять к фланцу или трубе электросваркой.

Г.10 Оболочки следует изготавливать из бетона класса не менее В35, морозостойкости не ниже F300 и водонепроницаемости W8 Для пробки используют бетон класса не ниже В20, морозостойкости F100 и водонепроницаемости W4

Сталь используемых труб должна допускать возможность ручной сварки их стыков при низких отрицательных температурах наружного воздуха.

Г.11 Глубина заложения d_д, м, в грунте стойки (термоэлемента) должна удовлетворять условию

d_t + 3 £ d_д £ 15d₀ + h, (Г.10)

где d_t -расчетная толщина слоя сезонного оттаивания у опоры, м;

d₀ - диаметр полости стойки, м;

h - высота бетонной пробки полости стойки, м.

Г.12 Возвышение верха стоек над поверхностью снега должно быть не менее 1,5 м. В устоях для улучшения теплообмена воздуха в пределах верхней части стоек с наружным воздухом следует предусмотреть устройство специального ограждения со стороны насыпи (см. рисунок Г.1).

Г.13 Разделительную диафрагму в полости термоэлементов следует устраивать с теплоизоляционным покрытием (из дерева или пенопласта). Диафрагму необходимо располагать по оси термоэлемента.

Кольцевой зазор между боковой поверхностью диафрагмы и стенкой полости рекомендуется принимать равным (в м):

b = 0,04d₀, (Г.11)

а центральное отверстие диафрагмы

d_d = 0,34 d₀. (Г.12)

Г.14 Конструкция стыков секций термоэлементов, их соединения с бетонной пробкой, стальным днищем и насадкой должны обеспечить водонепроницаемость термоэлементов. Необходимо также исключить доступ в полость термоэлементов наружного воздуха, источника образования дополнительного конденсата.

Г.15 Для контроля за изменением температурного режима вечномерзлых грунтов основания в период эксплуатации мостов необходимо вблизи опор установить 1-2 термометрических трубки.

Г.16 Железобетонные оболочки и стальные трубы с днищем рекомендуется опускать в предварительно пробуренные в вечномерзлых грунтах скважины большего диаметра с последующим омоноличиванием зазора цементно-песчаным раствором.

Приложение Д

(рекомендуемое)

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОПОР ИЗ СТАЛЬНЫХ СВАЙ-ОБОЛОЧЕК (СТАЛЬНЫХ ТРУБ)

Д.1 Свайные элементы опор с применением стальных свай-оболочек (стальных труб) следует проектировать, руководствуясь указаниями СНиП 2.05.03-84 с учетом рекомендаций настоящего приложения.

Д.2 Стальные трубы используют, как правило, в качестве расчетного элемента. Целесообразно применять трубы диаметром до 3 м включительно, изготовленные (свальцованные) из листовой стали толщиной не менее 12 мм.

Д.3 Применяемые для свайных элементов материалы, значение их нормативных и расчетных механических характеристик должны соответствовать требованиям СНиП 2.05.03-84 (раздел 4) и обеспечить возможность их сварки при низких отрицательных температурах воздуха.

Д.4 В конструкции свайных элементов стальные трубы могут быть использованы на полную длину или в пределах их части, расположенной в зоне переменного уровня воды или воздействия перемещающихся донных отложений.

Наружная поверхность полых труб, используемых в опорах мостов в пределах суши или периодических водотоков, в зоне от низа насадки или ростверка до уровня минимум на 1 м ниже поверхности грунта, должна быть покрыта гидроизоляцией согласно указаниям СНиП 2.03.11-85.

Д.5 Для заполнения стальных труб в пределах всей длины элементов следует использовать бетон класса В25 с расчетным сопротивлением на осевое сжатие по первой группе предельных состояний (призменная прочность) не ниже 13,5 МПа (135 кгс/см²) при морозостойкости F300 только для верхней части элементов, находящейся в зоне воздействия знакопеременных температур среды. Для бетона, укладываемого в трубы в зоне постоянного воздействия отрицательных или положительных температур среды, морозостойкость бетона не нормируется.

Д.6 Расчеты на прочность и устойчивость трубобетонных элементов или стальных полых труб рекомендуется производить по методике приведенной в пп. Д.8-Д.17.

Д.7 В расчетах прочности и устойчивости элементов необходимо учитывать уменьшение толщины стен стальных труб вследствие коррозии стали, если в период строительства опор не будут осуществлены эффективные меры по защите труб от коррозии согласно п. Д.25 настоящего приложения. Значения односторонней интенсивности коррозии углеродистых сталей (в неагрессивных по отношению к стальным трубам средах), мм в год, допускается принимать:

В герметично закрытой полости труб при покрытии наружной поверхности слоем (толщиной не менее 5 см) цементно-песчаного раствора (при омоноличивании труб в скважинах), в толще тугопластичных, твердых и полутвердых глинистых грунтов, а также в вечномерзлых не оттаивающих грунтах влияние коррозии не учитывают.

Интенсивность коррозии допускается принимать ниже приведенных значений для низколегированных сталей в 1,5-2 раза; для разных сталей в районах со среднемесячной температурой наиболее холодного месяца ниже минус 20 °С в 2- 3 раза.

Д.8 В расчетах несущей способности используемых по принципу I грунтов в основании свайных элементов из стальных труб следует вводить понижающий коэффициент в значение сил трения грунтов о боковую поверхность элементов.

Д.9 В зависимости от технологии строительства выделяют два этапа работы трубобетонного элемента: до заполнения трубы (оболочки) бетоном; после заполнения трубы бетоном.

Д.10 Прочность внецентренно сжатой полой стальной трубы проверяют по формуле

N £ N_т, (Д.1)

где N - действующая внешняя расчетная продольная сила, кН (тc);

N_т-несущая способность трубы, кН (тс).

Значение N_т определяют из уравнения

(Д.2)

при = 1,15W_тR_т; = A_тR_т,

где e₀ - расчетный эксцентриситет продольной силы, м;

W_т- момент сопротивления кольцевого сечения трубы, м³;

e₀ - эксцентриситет продольной силы N, определяемый в соответствии с указаниями п. 1.21 СНиП 2.03.01-84 (на бетонные и железобетонные конструкции), м;

- несущая способность трубобетонного элемента при центральном сжатии, кН (тс);

- несущая способность трубобетонного элемента при изгибе, кН×м (тс×м).

Несущую способность трубобетонного элемента при центральном сжатии определяют по формуле

, (Д.3)

где s_т - нормальное напряжение в поперечном сечении трубы в предельном состоянии, кПа (тс/м²);

А_т- расчетная площадь поперечного сечения трубы, м²;

R_пр - расчетное сопротивление бетона для предельных состояний первой группы, кПа (тс/м²);

s₀ - боковое давление трубы на бетон в предельном состоянии, кПа (тс/м²);

K_э = 4 - коэффициент эффективности бокового давления, рекомендуемый для нормативных расчетов. В общем случае зависит от компонентов объемного напряженного состояния и пластических свойств материала;

А_б - площадь поперечного сечения бетона в трубе, м²;

R_a - расчетное сопротивление ненапрягаемой арматуры (каркаса) кПа (тс/м²);

А_а - суммарная площадь поперечного сечения ненапрягаемой арматуры, м².

Напряжение s₀ определяют по формуле

, (Д.4)

где R_т - расчетное сопротивление материала трубы по пределу текучести, кПа (тс/м²);

- отношение модулей упругости материала трубы и бетона (начальный модуль);

m_б = 0,5 - коэффициент Пуассона бетона в трубе;

m_т = 0,5 - коэффициент Пуассона трубы в предельном состоянии;

b_т = D/d -отношение внешнего диаметра трубы к внутреннему.

Осевое продольное напряжение в трубе определяют по формуле

. (Д.5)

Если s_т<0, принимают s_т = 0.

При нагружении только ядра

.

Несущую способность трубобетонного элемента при изгибе определяет по формуле

, (Д.6)

где R_i - расчетное сопротивление материала трубы или бетона, кПа (тс/м²);

W_тбi - соответствующий момент сопротивления трубобетонного сечения по растянутой зоне трубы или по сжатой зоне бетона, м³.

Ненапрягаемую арматуру, распределенную равномерно по периметру бетонного ядра, допускается при определении W_тбi учитывать условно путем увеличения толщины стенки трубы.

Момент сопротивления трубобетонного сечения определяют по формулам (с учетом коэффициентов условий работы трубы и бетона):

- для растянутой зоны трубы

, (Д.7)

где - приведенный к стали момент инерции сечения, м⁴;

r₀ - радиус срединной поверхности трубы, м;

D - расстояние от центра трубы до оси x₀, м;

- для сжатой зоны .

В этом случае момент инерции находят по формуле

,(Д.8)

где А_т = pdd₀; ;

A_т- площадь кольцевого сечения трубы, м²;

d - толщина стенки трубы, м;

d₀ - средний диаметр трубы, м.

Величина смещения оси D относительно центра тяжести трубы равна D = r₀cosa, где угол a определяют из выражения

. (Д.9)

Д.11 Для стенки трубы, подверженной напряжениям в продольном и поперечном (кольцевом) направлениях, должно выполняться условие

, (Д.10)

где s_х - нормальные (положительные при сжатии) напряжения вдоль трубы в проверяемой точке, кПа (тс/м²);

s_у - то же, в кольцевом направлении, кПа (тс/м²).

Д.12 Общая устойчивость сжатых стальных труб должна быть проверена по СНиП 2.05.03-84.

Д.13 Расчет местной устойчивости стенок труб рекомендуется производить по СНиП II-23-81, при этом должны быть выполнены требования его пп. 8.5, 8.6, 8.8 и 8.9.

Д.14 Прочность внецентренно сжатых трубобетонных элементов определяют по приведенной методике.

Прочность трубобетонного элемента по нормальной силе N проверяют, исходя из условия

N £ N_тб, (Д.11)

где N_тб - несущая способность трубобетонного элемента, кН (тс).

Значение N_тб определяют по формуле

(Д.12)

при , (рисунок Д.1),

где ;

m_i - коэффициент армирования сечения, определяемый по приведенной (по пределу текучести) к материалу трубы площади металла.

Д.15 Общую устойчивость центрально сжатого трубобетонного элемента (при е₀ по п. 1.21 СНиП 2.03.01-84) проверяют по формуле

, (Д.13)

при этом ,

где N_дл -продольная сила от действия постоянных и длительных нагрузок, кН (тс);

N - суммарная продольная сила, кН (тс);

N_кр - продольная сила от действия кратковременных нагрузок, кН (тс);

j_кр, j_дл - частные коэффициенты продольного изгиба, определяемые по таблице Д.1.

Рисунок Д.1 - Кривые взаимодействия нормальной силы и момента для трубобетонных элементов при разных коэффициентах армирования сечения m

Таблица Д.1 - Значения частных коэффициентов j_кр и j_дл

Д.16 Общую устойчивость внецентренно сжатых трубобетонных элементов проверяют в соответствии с указаниями СНиП 203.01-84 (п. 3.2.4), причем коэффициент b в формуле (21) следует принимать равным 0,3.

Д.17 Оптимальная конструкция трубобетонного сжатого элемента по прочности может быть обеспечена при удовлетворении условия

. (Д.14)

Д.18 Трубобетонные элементы рекомендуется конструировать с арматурным каркасом или без него.

Арматурный каркас в бетонном заполнителе следует применять в случаях использования стальной трубы в качестве конструктивного элемента, а при использовании труб в качестве расчетного элемента при работе на изгиб - в случае недостаточной толщины ее стенки, в том числе вследствие воздействия.

Д.19 Внутреннюю поверхность труб трубобетонных элементов необходимо очищать от случайно попавших машинного масла, нефти, грунта и ржавчины.

Д.20 Если подошва трубобетонных элементов в период возведения опор будет опираться на вечномерзлые грунты, то низ бетонного заполнителя должен располагаться в уровне конца труб или на 0,1-0,2 м выше. Аналогичное условие должно соблюдаться при устройстве бетонных пробок в полых трубах.

Д.21 В полых трубах следует устраивать бетонную пробку на высоту двух диаметров трубы, но не менее 3 м, если не применяются дополнительные меры по обеспечению сцепления бетона с внутренней поверхностью труб.

Д.22 Взамен бетонной пробки к нижнему концу полых труб допускается приваривать уширенную пяту, усиленную ребрами. В этом случае трубу опускают до проектного уровня в предварительно пробуренную скважину, заполненную в нижней части песчано-цементным или цементно-шламовым раствором прочностью 5 МПа (50 кгс/см²) на высоту не менее двух диаметров скважины.

Д.23 С внутренней стороны нижнего конца подлежащих погружению труб со стенками толщиной до 16 мм рекомендуется приварить бандажи высотой 0,2-0,3 м из отрезков тех же труб.

Д.24 Для случаев когда бетон трубобетонных элементов или пробок в полых трубах будет твердеть при отрицательной температуре окружающей среды (воздуха льда грунта), в бетонную смесь следует вводить противоморозные добавки не оказывающие отрицательного влияния на сталь труб, а смесь укладывать как правило, насухо. В зоне низких отрицательных температур, кроме противоморозных, следует вводить воздухововлекающие и пластифицирующие добавки. Вид добавок, их дозировку и способ приготовления бетонной смеси должна устанавливать по указаниям проекта производства работ бетонная лаборатория строительной организации.

Если вечномерзлые грунты используют по принципу I, то бетонную смесь с противоморозными добавками в нижней части труб следует укладывать без добавок на высоту не менее 0,5 м.

Д.25 Для эффективной защиты труб от коррозии в зоне контакта воздуха с водой (влагой) их рекомендуется закрывать стальными патрубками на глубину не менее 1 м ниже поверхности грунта (для периодических водотоков) или уровня низкой воды постоянных водотоков и не менее чем на 0,5 м выше этого уровня. Кольцевой зазор не более 3 см между патрубками и трубой следует заполнять полимерной композицией на основе эпоксидной смолы.

Патрубки на трубы рекомендуется устанавливать, как правило, в заводских условиях, если трубы готовят для опор конкретных мостов. Патрубки к трубе допускается приваривать только продольными швами (в прорезях).

Решения о необходимости и способах защиты труб вне пределов зоны воздух-вода (грунт) следует принимать согласно указаниям СНиП 2.03.11-85.

Д.26 Трубобетонные элементы с насадками (ростверками) в зависимости от их конструктивных особенностей рекомендуется соединить сварными стыками или с помощью выпусков арматуры, приваренных к трубе или же являющихся частью арматурного каркаса, установленного по всей длине или только в пределах верхней части элементов.

Приложение Е

(рекомендуемое)