Приложение И. Термоопоры

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.

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 r 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.

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 Н менее 20 и 25 диаметров соответственно для сквозного и коаксиального типов температура воздуха в полости в уровне естественной поверхности не меняется, а на глубине Н 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 . В остальное время года температура воздуха принимается 0°С, а коэффициент теплоотдачи , что соответствует отсутствию тепловых потоков через поверхность термоопоры.

И.5 Расчетные эпюры разности температур

В результате теплофизических расчетов, основные исходные данные для которых сформулированы выше, получаем температурные поля в расчетной области в расчетный момент времени. Для определения несущей способности столбов опор определяют температуры на контакте поверхности столба с окружающим грунтом. На рисунке И.4 представлено в качестве примера такое распределение температур по глубине H.

И.6 Рекомендации по конструкции сводятся к тому, чтобы конкретные конструктивные решения термоопор обеспечивали их работу и контроль за их состоянием в процессе эксплуатации. Для этого, прежде всего, должна быть обеспечена необходимая высота теплообменника (не менее 1/10 глубины заложения термоопоры сквозного типа и 1/6 - для коаксиального типа).

И.7 Рекомендации по технологии сводятся к тому, чтобы перед смерзанием обеспечить протаивание слоя грунта, контактирующего с внешней поверхностью термоопоры, иначе сцепления по боковой поверхности столба обеспечить невозможно. Наличие полости в столбе позволяет ввести в нее тепловой источник и обеспечить это протаивание.

И.8 Рекомендации по температурным наблюдениям

Температурные наблюдения проводят с помощью термометрических скважин в грунте, которые представляют собой трубки диаметром около 5 см. Эти трубки в течение нескольких лет могут выйти из строя. Наличие полости в термоопоре позволяет проводить замеры непосредственно в полости. Поэтому при проектировании сооружений с применением термоопор необходимо предусматривать доступ с термодатчиками в полость.

Температура воздуха в полости в холодный период характеризует эффективность охлаждения, а в теплый период равна температуре грунта на контакте с термоопорой.